摘 要:本文简述了热风干燥技术的基本原理,论述了热风干燥技术在主要农产品干燥中的应用现状和研究进展,将影响热风干燥的因素做了梳理,指出了热风干燥技术优缺点,分析了目前热风干燥技术在实际生产中存在的问题,对热风干燥技术的发展趋势进行了展望.
关键词:热风干燥技术; 农产品加工; 影响因素;
基金: 国家自然基金项目(31560479); 塔里木大学研究生创新项目(TDGRI201804);
Abstract:This paper briefly describes the basic principle of hot-air drying technology, discusses the application status and research progress of hot-air drying technology in the drying of main agricultural products, sorts out the factors affecting hot-air drying, points out the advantages and disadvantages of hot-air drying technology, the existing problems of hot air drying technology in actual production are analyzed, and the development and trend of hot air drying technology are prospected.
Keyword:Hot Air drying technology; Processing of agricultural products; Influencing factor;
我国是世界农产品主要生产国且具有产量大、种类多的特点.《2018中国年鉴统计》显示,2017年我国粮食总产量高达66 160.7万t、水果总产量25 241.9万t[1],较2016年均有增加,随着农产品产量的不断增加后续加工的压力也随之增大.新鲜农产品含水量较高加之我国农产品产地往往远离人口集中的消费市场,使得农产品在长途运输的过程中大量腐烂变质.据统计我国农产品产后损失超过30%,农业发达的国家非常重视产后加工技术,产品的损耗率一般控制在5%~20%之间[2],由此可见对新鲜农产品及时加工处理显得尤为重要.我国大多数农产品加工都依托干燥技术.可以说干燥技术是农产品加工的重要手段和技术,相较于新鲜农产品,经过干燥加工的农产品能减缓品质变化、减少包装运输费用.
我国沿袭千年的日晒干燥已经逐步淡出了我们的视野,现代化的热风干燥、真空冷冻干燥、真空干燥、冷风干燥、微波干燥和红外干燥等技术正在兴起[3].本文阐述了热风干燥技术的原理、干燥工艺及其在果蔬干燥中的应用现状.
1 热风干燥技术
1.1 热风干燥原理
热风干燥技术是依据介质传热原理,将某种形式的能源(煤、石油、天然气、电等)转化成热媒(主要为热空气)以提供热量,利用风机将热空气送入烘箱或干燥室内,当热空气与物料表面接触时将热量传给物料;物料表面水分受热汽化为水蒸气,扩散到周围空气中,当物料表面水分含量低于其内部水分含量,这时水分梯度形成,物料内部水分便向表面扩散,直到物料中的水分下降到一定程度时此过程趋于停止.与此同时,物料表面温度受热后高于物料中心而形成温度梯度,促使水分从表面向中心传递.干燥过程中,传质和传热同时发生,方向相反,但密切相关[4].
1.2 热风干燥的实现
热风干燥通常经下列过程实现:首先热源将内部的空气加热,由风机将热源内的高温空气(或烟气)送入换热器的散热管通道中,紧接着外界冷空气由风机吸入换热器的换热空间,进入的冷空气沿着换热器的加热通道流动最终被加热,散热管道中高温空气(或烟气)的温度降到一定程度后排出换热器;被吸入的冷空气经过加热快速变为热空气,并在风机的作用下沿换热器空间进入干燥室,从而让干燥室内空气温度上升与温度较低的物料形成温度梯度,温度梯度使物料内部发生传质作用,水分由内向外迁移,最终在物料表面蒸发掉;流动的热风将蒸发出来的废气带出干燥室,经除尘后排出干燥室.
2 热风干燥在农产品干燥中的应用
热风干燥技术以其良好的适应性和经济性被广泛应用于农产品干燥加工,在早期探索阶段李长友等指出干燥过程中热能利用率低主要是由于热能与干燥物料和介质之间匹配度较低造成的[5],并提出应该重视热风干燥过程中客观干燥对能量利用率的影响,其研究揭示了热风干燥机理为今后干燥设备的研制和改造提供了理论基础,根据其以上原理电热储能式粮食干燥热风炉研制成功并得以推广,该装备有效的提高了能源利用率,节约了粮食干燥的成本,在粮食干燥、储存中起到了重要作用.随着干燥理论研究的深入,谷物和油料作物干燥技术迅速发展并有向新技术的开发和多技术联合发展的趋势,郑先哲[6]等人运用热风变温干燥技术研究稻谷玻璃化转变温度,得出变温热风干燥工艺能明显改善稻谷干燥品质,提高干燥效率,证明变温干燥可有效控制物料内部水分扩散速率,使内部和外部水分扩散保持相对均衡,这一研究成果已经推广应用到包括黑木耳、蓝莓、猕猴桃片的干燥加工中,有效改善了以往热风干燥产品表面出现硬壳的缺点,提高了成本品质.干燥加工是果蔬加工的一种基本方法,但目前的干燥工艺水平加工耗时耗力.为了寻找蔬菜最佳干燥工艺参数,将热干燥技术应用于果蔬脱水的研究中,刘品[7]等通过控制胡萝卜片干燥过程中不同阶段的温度和湿度使得胡萝卜片的复水性和能源利用率明显提高,由此看出在热风干燥过程中应该根据不同物料特性、不同干燥阶段适时调整干燥温度以提升干燥效率.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司和上海凯泉泵业(集团)有限公司[8]根据干燥过程中适时调整干燥温度和湿度的原理联合开发了中药材热风循环箱式干燥机,在同样设备材料具有同样保温性能的前提下热能回收利用率高,在干燥不同阶段适当增加干燥箱内湿度可使热能分布均匀、产品干燥品质增加,其设备还具有自动化程度高、体小质轻、制造成本低、安装快捷等优点,促进了设备推广和我国中药干制产业发展,开创了自动化烘干中药的先河.为了掌握水产品干燥规律贾敏[9]等对比其他物料干燥过程发现鲍鱼干燥只经历了减速阶段且起主导作用的过程为水分的扩散,其对水产品干燥过程的研究让人们知道水产品干燥规律,为水产品干燥工艺的优化提供了帮助,根据这一理论基础设计的隧道式烘干房能根据水产品干燥的不同阶段适时调整干燥温度及其他参数,在保证干燥品质的前提下提高干燥效率,节约干燥时间,该设备的应用推进了水产品干燥自动化标准化生产.随着热风干燥规律被找到,郑兰亭[10]将低场核磁共振技术引入热风干燥系统,对不同热风干燥温度烘烤后的重组鸭肉粒水分分布进行分析,综合感官品质、色泽、TBARS、质构及微观结构指标,说明重组鸭肉粒干燥时温度应控制在60℃左右为宜,试验过程中采用了多指标评价产品质量的方法,为其他干燥产品品质评价提供了参考.目前牦牛肉、马肉等肉类干燥过程也建立了类似的多指标干燥成品品质评价体系.该技术的引入在一定程度推进了热风干燥产品品质评价体系的建立.随着热风干燥技术的发展热风干燥成品品质得到极大地提升,但由于热风干燥技术自身特点的限制,热风干燥在部分农产品加工上的应用还存在诸多问题需要进一步的研究.
3 影响热风干燥的因素
热风干燥作为目前使用较为广泛的干燥方法,由于其干燥在常压下与空气直接接触,故影响热风干燥的因素有热风温度、热风风速、物料特性等,在多种影响因素中以热风温度影响最为显着.
热风温度:在探究热风温度对热风干燥的影响时梁迎暖等[11]通过试验证明热风干燥温度是影响怀菊干燥质量的主要因素.在对梅鱼热风干燥过程中对过氧化值、硫代巴比妥酸值、酸价测定,分析其试验结果表明在热风干燥过程中高温会加速脂肪氧化,较大的风速在一定程度上会抑制脂肪氧化[12].吴佰林[13]对鲅鱼品质的测定显示热风温度对鲅鱼的7个指标均具有显着影响且温度越高,鲅鱼干燥速率越快.陈建福等研究结果表明升高热风温度有利于海鲜菇干燥效果的提升[14],Erhan Horuz[15]等对石榴种子进行了干燥研究,证明提高干燥温度可以缩短干燥时间.结合上述研究可以看出热风温度是影响热风干燥的最主要因素,且在一定范围内热风温度越高物料干燥速率越快.
热风速度:热风速度也是影响热风干燥的重要因素,由于水产品干制加工的需求曾令彬[16]等研究了白鲢热风干燥过程结果显示在一定范围内提高干燥室内热风风速可有效提高干燥效率.其他大量试验也证明在一定范围内热风速度与物料干燥速率成正相关.
物料特性:物料性质和在干燥过程中排列堆放情况对热风干燥的影响也不容小觑,木合塔尔·米吉提[17]等证实红枣在干燥过程中排列密度对干燥有影响,在对热风干燥技术深入的研究中Takashi Watanabe[18]等发现,菠菜的生理活性是影响菠菜热风干燥速率的因素之一,且生理活性越低干燥速率越高.胡众欢[19]等发现适当的提高干燥速率可以缩短油菜籽薄层热风干燥时间,减少能源的消耗.Shuo Wei[20]等的研究结果表明玉米胚比胚乳含水量高、温度低.胚周围水分和热流密度越大,胚的干燥速度越快.物料的生物学特性、形状大小对热风干燥的影响是一个复杂的过程还需进一步研究.
4 热风干燥技术优缺点
随着热风干燥技术的不断发展其优缺点也逐渐展现出来,李静[21]在对多种紫斑牡丹花瓣进行不同温度(60℃、80℃、100℃)下的热风干燥试验后得出总黄酮含量均有所下降的结论.康三江[22]等发现经热风干燥的马茵菜色泽与新鲜马茵菜较为接近,但在热风干燥加热过程可能引发酶褐变、氧化型褐变、以及叶绿素降解.石增祥总结了国内外学者对水稻种子干燥特性的研究发现热风干燥技术通常干燥温度较高,水分流失较快,容易使杂交水稻种子内部的种胚蛋白变性,导致杂交水稻种子失活,不利于保障杂交水稻种子的品质和发芽率.Senem Suna[23]将枸杞热风干燥处理并与其他干燥方式对比,发现干燥后的样品酚含量和抗氧化能力普遍下降.以上研究显示虽然热风干燥能够保持物料原有色泽,但由于热风干燥温度较高,在干燥过程中对温度敏感的大分子活性物质会遭破坏.
在研究热风干燥产品品质的过程中,辜雪冬[24]等以藏猪肉为原料,用微波干燥技术和热风干燥加工藏猪肉干,结果发现微波干燥肉干比热风干燥肉干色泽更漂亮,口感更好,且具有较好的耐贮藏性.李真[25]等将熏马肉热风干燥技术和其他干燥技术进行对比,热风干燥马肉具有干燥成本低、操作简单的优点,但是由于在常压下干燥马肉表面出现硬壳、剪切力较大,口感欠佳影响了其商品价值.对水产品研究结果表明提高热风干燥温度虽然能够促使干燥进程加快,但产品表面可能产生硬壳等干燥效应,使得内部水分难以扩散出来,造成干燥不均匀[26],干燥时间延长,耗能增加且食品品质下降.
总结上述研究发现热风干燥技术具有经济性高、操作简单的优势,随着预处理和联合干燥技术的发展,由于热风干燥中热风温度不易测控,影响干燥成品品质,被干燥物料在常压下与热空气直接接触致使物料氧化严重、物料中活性物质被破坏的情况逐步被克服.
5 热风干燥技术的发展
5.1 热风干燥与其他干燥技术联合干燥
为了能够充分利用热风干燥技术优点,解决热风干燥过程出现的问题,Xu Zhou[26]等将真空干燥和热风干燥技术结合进行干燥试验,相较于单独使用其中一项技术,果片水分分布更加均匀,产品的色泽、收缩率和复水性等质量指标得到提升.Suramya D[27]等设计开发的红外与热风联合旋转干燥器,通过试验得到了辣椒达到最佳干燥品质时的工艺参数组合.2019年杜昕[28]等人利用超声波辅助优化鸡腿菇热风干燥工艺,相较于传统技术可缩短干燥时间并减少部分营养物质损失,保证鸡腿菇品质.Somayeh Taghian Dinani[29]等将热风与电流体动力干燥系统结合,对双孢蘑菇进行干燥试验,结果表明,增加电压或减小电极间隙都可以提高蘑菇片的体积密度和剪切强度,降低孔隙率,增加吸水量,从而提高了蘑菇片的干燥效果.A.A.Gowen[30]等模拟了微波-热风联合干燥熟大豆的脱水和复水过程,结果显示微波-热风联合干燥的大豆复水时间比单独热风或微波干燥的豆类短50%~60%.刘清[31]将热风-微波联合与单独使用热风或微波干燥效果做了对比,得出热风-微波联合干燥后的油菜籽具有受热均匀、干燥时间短、籽粒发芽较高、芥酸含量低等优点.热风干燥技术与其他干燥技术相结合克服了热风干燥产品品质较差的缺点,极大地提高了干燥效率.
5.2 热风干燥技术与其他技术结合干燥
随着农产品加工技术的发展,越来越多的工业技术被应用于农产品干燥加工中,玉米和大豆由于其独特的营养价值和能量特性,在食品行业和新能源工业中有着广泛的用途,Suian JoséGranella[32]等在不同热风干燥温度下添加臭氧,干燥后的玉米和大豆的活化能显着下降,据此干燥-臭氧氧化工艺有望用于节能技术开发和设计新的干燥器.由于果蔬中的许多营养成分在干燥过程中很容易丢失和绿色发展理念的推行,传统热风干燥技术已不能适应现代果蔬加工要求,这促使预处理技术迅速发展.Longyang Yao[33]将芒果片经不同浓度的柠檬酸、抗坏血酸、Na Cl预处理后进行热风干燥,试验结果显示预处理使样品的还原糖、抗坏血酸和总酚含量显着增加.Rani Poonam,等使用焦亚硫酸钾和超声波对菠萝片预处理后干燥,发现预处理样品比未处理样品干燥速度快,水分扩散率高,色泽鲜艳,硬度低.Jalal Dehghannya[34],等将超声波和微波技术应用于热风干燥,对马铃薯进行干燥,发现使用超声波强化和微波脉冲比预处理的样品收缩率低,高功率间歇微波干燥的样品复水率增加最明显.
6 展望
经过长时间的发展目前热风干燥技术已经相当成熟,并且广泛用于农产品干燥中,但在今后的发展过程中要注意不同物料具有不同特性、相同物料在不同状态时物料特性也不尽相同,因此要根据具体情况设计不同的干燥工艺,要深入干燥过程模型、模拟领域的研究,利用组合式、分段干燥技术设备,建立完整的干燥前预检验,制定干燥流程,干燥过程中实时监测调控干燥工艺参数,干燥后检测确保干燥成品的品质.提高整个干燥过程的自动化程度,降低劳动强度.因地制宜推广适当规模的加工企业,推进产地加工发展,以减少加工前运输、储存所造成的能源消耗和农产品损失.热风干燥技术要与时俱进积极地与新能源、新材料、新理论相结合加快新设备的研制,利用新型能源物质,探索发现传热介质,研究干燥过程中物料间的相互作用,推动干燥技术与其他农产品加工过程相结合提高热效率推进热风干燥技术绿色发展.
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