远红外联合干燥技术在果蔬加工中的应用

张应玲，马 朋，易俊杰，唐浩蓝

（长江师范学院现代农业与生物工程学院，重庆 408100）

我国是果蔬出口大国，据国家统计局数据显示，我国2018 年水果蔬菜出口金额达8 050.43 百万美元，占据世界重要的市场份额[1]。而作为日常生活中常见的食用物质之一，果蔬因其自身具有丰富的营养物质，也为微生物的繁殖提供了良好的栖息环境[2]。干燥是常见的使果蔬脱水后延长保存期和货架期的方法之一，是一种利用传热、渗透压和相变等方式使水分减少的单元操作。水分含量和水分活度（Aw） 的减少可有效抑制微生物的生命活动，为食品的长久贮藏提供更好的条件。现有的干燥方法众多，如热风干燥[3]、热泵干燥[4]、冷冻干燥[5]、真空冷冻干燥[6]和远红外干燥[7]等。根据不同物料的特性可选择其适合的方法以达到预期效果。其中，红外线为电磁波的一种，具有较强的热辐射效应，是波长为0.75～1 000.00 μm 的不可见光，根据红外线波长的不同又可将其分为近红外、中红外和远红外[8]（具体的波长范围见表1）。远红外较近红外和中红外来讲，辐射能力更强，故常应用于干燥领域。远红外干燥技术是一种具有众多优点的干燥方式，相较于热风干燥，由于物料可以获得较高的热流密度，其干燥速率更快[9]。同时，远红外干燥可辐射表层和表下层的水分，可使物料干燥得更均匀、品质更好。并且，它是以辐射传热的方式进行，传递过程中无需介质，也减少了能量消耗[10]。将远红外联合干燥技术在果蔬领域的研究发展进行综述，对了解目前红外干燥领域具有一定借鉴作用。

电磁波分类见表1。

表1 电磁波分类/μm

1 远红外干燥的机理

远红外干燥是传热类辐射干燥的一种。在红外波长范围内，分子的热振动产生辐射能至湿物料，接触后使物料分子振动产生热量，从而利用空气作为介质带走物料表面的水分，当物料表面的水分含量低于物料内部水分含量时，内外湿度差推动内部水分往外扩散，使其在表面汽化，达到物料干燥的目的[11]。

远红外干燥示意图见图1。

图1 远红外干燥示意图

2 远红外干燥在果蔬加工中的应用

针对单一的远红外干燥技术，国内外有大量的研究，分别从辐射温度、辐射时长、物料切片厚度等方面研究远红外干燥技术对原料品质的影响。

麦馨允等人[12]对远红外干燥白玉菇的工艺条件进行了优化，探究了远红外干燥技术对物料品质的影响，分别对远红外温度、切片厚度和装载量进行单因素试验后得出各单因素条件下对白玉菇品质影响的最佳值，在最佳值条件下，产品亮度、复水率、维C 含量和感观评价均较好。黄斌等人[13]对香蕉片远红外干燥工艺研究后发现，当护色剂质量分数2%，远红外烘干温度80 ℃，烘干时间5 h 时制得的香蕉片有较好的感官品质。李武强等人[14]利用响应面法优化了桔梗切片远红外干燥工艺，以干燥温度、切片厚度和辐照高度作为试验单因素，以平均干燥速率、复水比和色差值作为检验指标，得到的最优参数为干燥温度60 ℃，切片厚度3 mm，辐照高度240 mm。

在远红外辐射温度对水分迁移和速率影响方面，Afzal T M 等人[15]以马铃薯为原料，研究了辐射强度和平板厚度对干燥速率的影响，发现辐射强度增加、平板厚度增大有利于扩散系数的增加和活化能的减少，可提高干燥的速率。Ning Xiaofeng等人[16]用远红外干燥技术研究了黑木耳的干燥特性，结果表明干燥温度和气体流速的提高可缩短干燥时间，并且探索出最佳干燥条件和干燥模型。曾雅等人[17]研究表明，温度的升高有利于猕猴桃干燥时间的缩短和扩散系数值的增加。在干燥后期，样品中残余水分主要是以结合水的形式存在；提高辐射温度可以促进各种水分状态之间的转变，提高干燥效果。综上所述，远红外干燥技术由于其自身优势已广泛运用到了果蔬干燥领域。

3 远红外的联合干燥技术在果蔬加工中的应用

热风干燥、真空干燥、微波干燥、红外干燥等单一干燥技术可以针对性地对某一类产品进行干燥并且可以得到良好的干燥效果。但是，随着对产品品质要求的不断提高，单一干燥技术已经难以满足大众的需求，而联合干燥技术可以集2 种或2 种以上干燥技术的优势，使物料原有品质进一步提高，能更好地满足市场需要。

不同干燥方式的对比见表2。

表2 不同干燥方式的对比

3.1 微波-远红外干燥

微波是波长大于红外线的电磁波，微波干燥又称介电加热干燥，也为传热类辐射干燥。微波能穿过物料表面到达内部，物料吸收微波后引起离子极化和偶极分子的振动，相互摩擦产热[18-19]，使样品干燥更加均匀，大大减少了干燥时间[20]。相较于红外线，微波具有更强的穿透性，可以干燥比较难脱去水分的果蔬类产品，微波-远红外的联合干燥可扬长避短，充分利用两者干燥的特点，使得远红外联合干燥优于单一干燥技术[21]。2 种干燥技术转换的时间方面也有研究显示，使用微波联合远红外干燥香菇，远红外干燥转化微波干燥越早，干燥过程平均失水速率越高，干燥能耗越小[22]。在产品品质方面，远红外联合干燥技术使得树莓的复水率和脆度值优于单一干燥[23]。

3.2 真空-远红外干燥

真空干燥是指用真空泵抽走干燥环境中的空气，给环境造成一个负压状态，使得物料中水分的沸点降低从而加速干燥过程的一种方式。真空-远红外联合干燥技术结合了真空干燥的水分蒸发沸点低和远红外干燥热流密度大、干燥速率快的特点，使得这一联合技术在果蔬干燥成品方面理化指标均较好。真空-远红外联合干燥技术除去了空气，可有效防止物料的氧化褐变。张晓妮[24]研究了柠檬片真空远红外干燥工艺，采用了真空远红外变温干燥与真空远红外-热风干燥，结果表明改善后的2 种方法较之前，柠檬片干燥均匀的程度和降低褐变的程度都得到了一定提高。物料品质方面，使用此法干燥可使得白萝卜微观结构保存较好、维C 保存率较高、复水性能更好[25]，使得枸杞干燥后的多糖含量、复水率、色泽外观较好[26]。Thanit Swasdisevia 等人[27]利用真空联合远红外干燥技术干燥香蕉片，用数学建模的方法通过模型来预测食品(香蕉)在远红外真空干燥条件下的含水率和温度的变化。

3.3 热泵-远红外干燥

我国常用的热泵机主要是蒸汽压缩式热泵，主要利用逆卡诺循环原理将低温热源的热量以消耗机械能为补偿，通过制冷装置传至高温热源，高温热源与湿物料接触后达到干燥除水的目的[28]。热泵干燥具有高效节能、手段温和、质量好、可调节范围广等优点[29]。热泵联合红外干燥可充分发挥两者优势，前期使用热泵干燥，保证热敏性物质不被分解，后期使用远红外干燥进一步增大除水率，利用此法干燥热敏性物质是比较好的选择，值得注意的是，红外辐射板具有较大的热惯性，容易超过原本设定温度，造成物料的损坏[30]。例如，干燥热敏性物质胡萝卜时，采用此法干燥，在物料含水量为50%的时候切换干燥方式的工艺最佳[31-32]。在探究鱿鱼蛋白质含量方面，发现此法不会影响蛋白质的品质[33]。

3.4 热风-远红外干燥

热风干燥又称热空气干燥，是传热类对流干燥。通过热空气将热量传递给物料，物料内部水分扩散至表面被汽化成水蒸气除去，达到原料干燥目的。从经济的角度看，热风干燥的成本更低，且干燥效果仍能达到目标状态[34]。热风干燥在食品加工生产中应用广泛，热风联合远红外干燥具有明显的协同增效的作用，干燥速率快于单一干燥技术[35]。使用热风-远红外联合干燥技术试验红枣，在分别进行热风和远红外的单因素试验后，通过组合干燥试验对操作工艺优化，得出前期热源热风温度、后期远红外温度、水分转换点的最佳值，在此条件下干燥速率及干燥效果均较好[36]。确定热风-中红外干燥最佳工艺后，谢小雷等人[37]研发了一款连续热风-中红外干燥设备，与普通单一的热风干燥设备相比，此设备可以更好地降低能耗，提高生产效率。

3.5 超声-远红外干燥

超声波是一种频率高于2 万Hz 且人耳不能听见的声波，具有极强的穿透力。超声波的空化作用可促进微粒间的相互碰撞，使其运动更为剧烈，有利于分子之间的运动。超声作为远红外干燥的辅助方式，具有协同的作用。超声的速率、频率、时间的增加可显著提高干燥速率、缩短干燥时间，在品质方面，可以提高胡萝卜的色差值[38]。超声波的存在会导致物料微观结构的变化，使得物料内部的孔数目和孔尺寸增加[39]，提高了传热传质速率和干燥速率。席慧涵等人[40]以马铃薯为材料探究了超声强化对远红外辐射干燥特性的影响，并构建了Elman，RBF，BP 3 种神经网络模型。最终的研究结果发现，超声强化远红外干燥可促进水分的扩散、提高有效水分扩散系数（Deff）。其中，BP 神经网络模型的预测值与真实值最接近，可快速准确地预测马铃薯在超声强化红外干燥过程中含水量的值。

3.6 冷冻-远红外干燥

冷冻干燥是通过降温的方式，使温度降到物料冷冻的冰点之下，使物料内部水分形成固态冰晶，利用升华的原理，将固态水分直接变成气态，从而达到水分干燥目的。冷冻干燥是一种比较好的干燥方式，经众多科学研究发现其可以很大程度地保证食品原有的色泽品质和营养成分。冷冻-远红外联合干燥还可以缩短干燥时间、减少能源消耗。Lin Y P 等人[41]比较了冷冻干燥、远红外干燥和冷冻联合远红外干燥对红薯的干燥效果，发现远红外干燥可以减少冷冻干燥的时间，并对红薯远红外冷冻干燥数据进行了4 个数学模型的拟合。结果表明，该模型能较好地描述远红外线冷冻干燥的干燥特性。王洪彩[42]研究了短波红外干燥联合冷冻干燥技术对香菇的影响，不管是将MIRD（短波红外干燥技术） 用作FD（冷冻干燥） 的预干燥还是后续干燥，都可以缩短冷冻干燥的时间，并且相对于单一的冷冻干燥，MIRD 用作FD 的预干燥和后续干燥可分别减少26%和40%的能耗。

4 结语

红外干燥是一项高效且节能的技术，对干燥果蔬等农产品方面都可以起到很好的作用，现有的科学研究局限于对某一具体样品的远红外最佳干燥工艺的探索，并未具体分析得出的结论是否也适用于同种类产品。远红外联合干燥技术的干燥效果优于单一的干燥技术，体现了联合干燥的优势，未来这项技术必将更加广泛地应用于干燥领域，但这部分的研究仍需要完善与充实。例如，远红外联合热风干燥仍然缺乏一些试验数据的支持，对真空冷冻干燥联合远红外干燥的研究甚少。我国作为科学技术发展强国和能源消耗大国，干燥技术的发展趋势也必将走向节能化和一体化。特别是在远红外联合干燥技术研究领域，得出相关工艺参数后，研发具体的联合干燥设备是未来发展的一个方向。同时，随着人工智能的发展，干燥类机械设备利用工作站达到自动化、智能化，这是未来的一个发展方向。