微波真空干燥技術(shù)

微波真空干燥技術(shù)

0微波真空干燥干燥是最古老的食品貯藏方法之一。食品干燥的主要目標(biāo)是降低水含量，并將由微生物和反應(yīng)引起的腐敗和變質(zhì)減少到最低。常用的干燥方法有太陽(yáng)能干燥、熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、真空干燥、微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥等。食品加工的趨勢(shì)是最大程度地保持食品原有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分,而干燥工藝和設(shè)備對(duì)食品的品質(zhì)有很大影響。微波真空干燥是一種新型的干燥方式,是通過(guò)在真空條件下對(duì)物料進(jìn)行微波加熱而達(dá)到水分的蒸發(fā)。微波真空干燥綜合了微波干燥的快速、整體加熱和真空干燥的低溫、快速除濕等優(yōu)點(diǎn)。早在20世紀(jì)70年代國(guó)外就已出現(xiàn)關(guān)于微波真空干燥機(jī)商業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。我國(guó)對(duì)微波真空干燥的研究相對(duì)較晚,南京三樂(lè)微波技術(shù)發(fā)展有限公司于1987年開(kāi)始微波真空干燥技術(shù)研究。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多高校和科研院所對(duì)微波真空干燥的機(jī)理、傳熱傳質(zhì)模型、能耗和工藝等進(jìn)行了深入研究,微波真空干燥成為國(guó)內(nèi)外食品干燥領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)微波真空干燥的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,旨在為食品微波真空干燥技術(shù)的研究與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和生產(chǎn)指導(dǎo)。1微波輻射法干燥分子微波真空干燥是用微波輻射作為加熱源在真空條件下進(jìn)行加熱而使物料脫水的過(guò)程。微波干燥是靠電磁波把能量傳播到被加熱物體的內(nèi)部,其原理是:微波輻射到干燥物料上并穿透進(jìn)入食品內(nèi)部,被加熱物料內(nèi)的偶極分子(如水)在電磁場(chǎng)的作用下有序排列作高速擺振運(yùn)動(dòng),分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果造成分子間的碰撞和摩擦加劇而產(chǎn)生大量的摩擦熱,從而使物料內(nèi)各部分在同一瞬間獲得熱能而升溫,大量的水分子從物料逸出,達(dá)到干燥的目的。在干燥過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化經(jīng)過(guò)了兩個(gè)步驟,先是微波輻射能轉(zhuǎn)化為有序運(yùn)動(dòng)的分子的動(dòng)能,然后通過(guò)碰撞轉(zhuǎn)化為熱能。在真空狀態(tài)下,水的沸點(diǎn)相應(yīng)降低,真空不僅能使產(chǎn)品保持低溫,還能產(chǎn)生壓力梯度提高干燥速率。真空干燥具有干燥溫度低、產(chǎn)品復(fù)水性高以及色澤和口感好等特點(diǎn)。因此將微波干燥與真空干燥相結(jié)合不僅可以避免常壓微波干燥溫度過(guò)高對(duì)食品產(chǎn)生的不利影響,而且可以進(jìn)一步縮短干燥時(shí)間,提高產(chǎn)品質(zhì)量。2微波干燥技術(shù)特點(diǎn)微波真空干燥是一種快速、高效的脫水方法,與傳統(tǒng)干燥方法得到的產(chǎn)品相比,其干燥的產(chǎn)品性質(zhì)獨(dú)特,且產(chǎn)品質(zhì)量高。傳統(tǒng)干燥技術(shù)的一些局限性及存在的問(wèn)題可以通過(guò)微波真空干燥得以解決。下面從干燥速率、產(chǎn)品品質(zhì)及加工過(guò)程的能耗等3個(gè)方面對(duì)微波真空干燥特性進(jìn)行介紹。2.1微波真空干燥時(shí)間食品物料的干燥速率是由食品內(nèi)部的熱量傳遞和水分從食品到外界環(huán)境的質(zhì)量傳遞這兩者間的相對(duì)速率和相互作用決定的。微波加熱可以在被干燥物料的內(nèi)部產(chǎn)生熱量,食品中的水吸受熱量后在原位置蒸發(fā)并以水蒸氣的形式向表面擴(kuò)散。一旦溫度達(dá)到了食品中溶液的沸點(diǎn),在食品內(nèi)部形成的壓力差就會(huì)推動(dòng)蒸汽向表面擴(kuò)散。因此,在微波真空干燥過(guò)程中,水分由內(nèi)層向外層的遷移速度很快,特別是在物料的后續(xù)干燥階段,優(yōu)勢(shì)更為明顯。Therdthai等研究發(fā)現(xiàn),將薄荷葉干燥至10%的干基含水量,微波真空干燥能比熱風(fēng)干燥縮短85~90%的時(shí)間。微波真空干燥速度比熱風(fēng)和冷凍干燥快很多,蕨菜微波真空干燥所需時(shí)間是熱風(fēng)干燥的9.6%,是冷凍干燥的8.8%。將1.0kg胡蘿卜片的水分含量從91.4%降到10%,微波真空干燥需33min,而熱風(fēng)和冷凍干燥分別需8h和72h。影響微波真空干燥速率的因素有微波強(qiáng)度、真空度和物料的形狀及大小等。微波的有效功率和食品的介電特性,決定微波能轉(zhuǎn)化為熱能的效率,因此直接影響微波真空干燥過(guò)程的干燥速率。但微波強(qiáng)度過(guò)高會(huì)在腔體內(nèi)產(chǎn)生電弧和放電現(xiàn)象。真空度也能影響干燥速率,真空度越高,水的沸點(diǎn)溫度越低,物料中水蒸氣的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力越大,干燥速率越快。但在微波真空干燥時(shí),并不是真空度越高越好,真空度增高,能耗加大,干燥成本增加,而且會(huì)產(chǎn)生擊穿放電現(xiàn)象。食品的形狀是影響微波加熱的關(guān)鍵因素,比較理想的形狀是球形、柱形、粒狀、片狀和環(huán)形等,干燥前預(yù)先把物料進(jìn)行處理可以達(dá)到改進(jìn)干燥的效果。Drouzas等研究發(fā)現(xiàn),模擬水果凝膠的薄層干燥速率常數(shù)隨微波功率的增加和絕對(duì)壓力的降低而增大。Figiel用微波真空干燥方法干燥蒜瓣和蒜片時(shí)發(fā)現(xiàn),在裝載量相同的條件下(60g),增加微波功率能提高干燥速率,用720W干燥所需時(shí)間是240W時(shí)的1/3;此外,蒜瓣的切分程度也會(huì)影響干燥時(shí)間。2.2產(chǎn)品類別質(zhì)量2.2.1微波真空干燥茶與熱風(fēng)干燥相比,微波真空干燥產(chǎn)品的色、香、味、營(yíng)養(yǎng)素、熱敏性和易氧化的生物活性組分能得到更好地保留,這歸因于微波真空干燥過(guò)程的低溫、干燥速率快和低氧條件。微波真空干燥食品的功能成分保留率高使其與傳統(tǒng)干燥方式相比有巨大的優(yōu)勢(shì)。微波真空干燥的蕨菜中維生素C含量與冷凍干燥的沒(méi)有顯著差異,是熱風(fēng)干燥蕨菜的4.5倍。Lin等干燥胡蘿卜片時(shí)發(fā)現(xiàn),微波真空干燥能很好地保留熱敏性物料的維生素。熱風(fēng)干燥與微波真空干燥時(shí)胡蘿卜素的損失率分別為19.2%和3.2%,維生素C的保留率分別為38%和79%。2.2.2微波真空干燥的影響微波真空干燥的產(chǎn)品具有良好的復(fù)水性,這歸因于干燥過(guò)程中的膨化效應(yīng)、無(wú)表面硬化和干燥溫度低。在微波真空干燥過(guò)程中,水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的膨脹力能在干制品內(nèi)部形成蜂窩狀結(jié)構(gòu),同時(shí)由于食品內(nèi)部的水分蒸汽壓力明顯高于腔體壓力,由此產(chǎn)生的壓力差能夠阻止水分蒸發(fā)后導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)塌陷。表面硬化被認(rèn)為是影響復(fù)水率的一大障礙,而在微波真空干燥過(guò)程中這一現(xiàn)象能夠得以消除或極大減少。因?yàn)槲锪蟽?nèi)的水被認(rèn)為是在原處蒸發(fā),以水蒸氣的方式向外擴(kuò)散,這樣由內(nèi)向外的溶質(zhì)遷移會(huì)很小,也就不會(huì)導(dǎo)致表面硬化的出現(xiàn)。微波真空干燥的復(fù)水性介于冷凍干燥和熱風(fēng)干燥產(chǎn)品之間,通過(guò)電子掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),微波真空和冷凍干燥的樣品具有相似的結(jié)構(gòu)。2.2.3微波真空干燥微波真空干燥可賦予食品酥脆的口感,有別于冷凍干燥產(chǎn)品的富有彈性和熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的堅(jiān)硬。脆性的產(chǎn)生可能與微波真空干燥賦予食品的多孔結(jié)構(gòu)和膨化性有關(guān)。Zhang等發(fā)現(xiàn),適宜的水分含量和微波功率以及高的真空度可以提高魚(yú)片的膨化率和脆度。韓清華等研究用微波真空干燥膨化高品質(zhì)蘋(píng)果脆片,在優(yōu)化的工藝條件下,干燥4min時(shí)膨化率最大可達(dá)到321%。2.3微波真空聯(lián)合干燥法微波真空干燥的操作費(fèi)用和能耗費(fèi)用比熱風(fēng)干燥要稍高一些。在生產(chǎn)量相同的前提下,微波真空干燥所需的投資費(fèi)用相對(duì)較高,但其能量消耗卻比氣流干燥要低。最經(jīng)濟(jì)的方法是熱風(fēng)與微波真空聯(lián)合干燥,前期用熱風(fēng)干燥除掉自由水和輕度結(jié)合水,后期用微波真空干燥除去最后的緊密結(jié)合水。Hu等干燥毛豆時(shí)發(fā)現(xiàn),熱風(fēng)與微波真空聯(lián)合干燥與熱風(fēng)干燥相比,明顯縮短了干燥時(shí)間,并極大減輕了微波真空干燥機(jī)的負(fù)荷。通過(guò)減小微波強(qiáng)度、降低腔體壓力和采用間歇微波干燥等都可以提高微波真空干燥的熱能利用率和干燥效率。Changure等用微波真空干燥草莓時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)微波強(qiáng)度較低或采用間歇微波干燥時(shí)可以提高能量利用率。3在食品加工中，微波真空干燥的應(yīng)用3.1微波真空干燥對(duì)香蕉片品質(zhì)的影響微波真空干燥具有快速、高效、低溫等優(yōu)點(diǎn),能較好地保持食品原有的色、香、味和易氧化、熱敏性成分。因此可用于高檔產(chǎn)品的干燥,如熱敏性的水果、蔬菜等,以提高產(chǎn)品品質(zhì)和縮短干燥時(shí)間。Drouzas等對(duì)香蕉片進(jìn)行微波真空干燥,產(chǎn)品在口感、風(fēng)味、氣味和復(fù)水性等方面都有很好的質(zhì)量特性,與冷凍干燥沒(méi)有顯著差異。Bondaruk等比較了微波真空干燥和對(duì)流干燥條件對(duì)土豆干制品的影響。研究發(fā)現(xiàn)微波真空干燥能抑制干制期間物料的顏色變化,土豆丁在微波真空干燥時(shí)淀粉和總糖的損失都低于強(qiáng)制對(duì)流干燥。Giri等研究了蘑菇的微波真空干燥動(dòng)力學(xué)和復(fù)水特性,并通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化了微波真空干燥工藝。3.2真空微波加工韓翠萍等用真空微波干燥方法生產(chǎn)乳粉。Zhang等用真空微波工藝加工香脆鳙魚(yú)片,取得了較好的效果。張國(guó)琛等進(jìn)行了扇貝柱的微波真空干燥試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)微波真空干燥對(duì)提高扇貝柱的干燥速度和改善產(chǎn)品品質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。3.3聯(lián)合干燥干燥器聯(lián)合干燥是指把兩種或兩種以上形式的干燥器串聯(lián)組合起來(lái),達(dá)到單一干燥器所不能達(dá)到的目的,這種干燥方式稱為聯(lián)合干燥。聯(lián)合干燥不僅可以縮短干燥時(shí)間、改善產(chǎn)品質(zhì)量,還可以節(jié)省能量。微波真空干燥與其他干燥方式聯(lián)合可以降低脫水過(guò)程的成本、能量效率和提高終產(chǎn)品的質(zhì)量。3.3.1熱風(fēng)干燥階段熱風(fēng)和微波真空聯(lián)合干燥可提高現(xiàn)有操作過(guò)程下熱風(fēng)干燥機(jī)的生產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。眾所周知,在熱風(fēng)干燥的最后階段,產(chǎn)品溫度達(dá)到最高值,而蒸發(fā)冷卻是最小值,因此,在此階段產(chǎn)品質(zhì)量損失最為嚴(yán)重。熱風(fēng)干燥的這個(gè)高溫過(guò)程可用微波真空干燥完成,來(lái)消除溫度的不利影響。徐艷陽(yáng)等對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行熱風(fēng)和微波真空聯(lián)合干燥試驗(yàn),結(jié)果表明:聯(lián)合干燥縮短了干燥時(shí)間約48.33%,提高了產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分保存率、葉綠素保存率;微波真空干燥使產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)疏松。微波真空干燥后期也可用熱風(fēng)進(jìn)行干燥。Cui等用微波真空干燥大蒜片至10%水分(濕基),然后用45℃的熱風(fēng)繼續(xù)完成產(chǎn)品的干燥。聯(lián)合干燥不僅大大縮短了干燥時(shí)間,而且能提高蒜的辣味、顏色、口感和復(fù)水率。3.3.2細(xì)胞結(jié)構(gòu)的測(cè)定Erle等先用蔗糖或蔗糖/鈣溶液滲透處理,再用微波真空干燥蘋(píng)果和草莓。研究發(fā)現(xiàn),滲透前處理減少了產(chǎn)品體積收縮,以鮮樣體積為標(biāo)準(zhǔn),草莓和蘋(píng)果的體積保留率分別從20%提高到50%和60%。掃描電鏡圖片顯示經(jīng)滲透前處理的樣品細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存完好。但是,延長(zhǎng)滲透處理時(shí)間(3~22h)不能提高微波真空干燥的脫水率。Changrue等采用滲透-微波真空聯(lián)合干燥草莓和胡蘿卜,研究了滲透預(yù)處理對(duì)物料介電常數(shù)和損耗因數(shù)的影響,并對(duì)聯(lián)合干燥特性和品質(zhì)進(jìn)行了探討。3.3.3干燥煤的含水率宋楊等采用熱泵與微波真空聯(lián)合的方式對(duì)海參進(jìn)行干燥。先在熱泵中干燥至40%的含水率,再以微波真空干燥至13%濕基含水率。結(jié)果表明,聯(lián)合干燥方法與單純熱泵干燥相比,干燥時(shí)間縮短50%以上,產(chǎn)品復(fù)水率有較大提高。3.3.4聯(lián)合干燥產(chǎn)品Cui等采用微波真空與真空冷凍聯(lián)合干燥胡蘿卜和蘋(píng)果片。研究顯示,聯(lián)合干燥產(chǎn)品的胡蘿卜素和維生素C保留率、復(fù)水性、顏色和結(jié)構(gòu)等均與冷凍干燥相近,但縮短了干燥時(shí)間、降低了能耗。何學(xué)連等研究了白對(duì)蝦冷凍和微波真空最佳聯(lián)合干燥工藝,獲得了較高品質(zhì)的白對(duì)蝦干制品。4溫度分布及變化情況用于描述微波真空干燥期間熱量和水分傳遞的模型能為輔助過(guò)程優(yōu)化和設(shè)備設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的信息。已有幾種用于微波加熱和微波干燥建模的方法,但對(duì)于微波真空干燥進(jìn)行的研究相對(duì)較少。Cui等以胡蘿卜片為試驗(yàn)材料,研究了薄片物料在微波真空干燥過(guò)程中內(nèi)部的溫度分布和變化情況。Cui等對(duì)微波真空干燥胡蘿卜片動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模,干燥微波功率為162.8~336.5W,壓力為3.0~7.1kPa。發(fā)現(xiàn)在水分含量約為2kg/kg干基時(shí),脫水速率與水分含量基本呈線性關(guān)系。在此水分含量以下時(shí)引入校正系數(shù)使模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相適應(yīng)。Ressing等建立了二維的有限元模型用于描述生面團(tuán)球在微波真空干燥中的膨化過(guò)程。這個(gè)模型把熱與固體力學(xué)影響結(jié)合在一起,用于研究食物在微波真空干燥過(guò)程的膨化機(jī)制。Poonnoy等用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)微波真空干燥番茄片的溫度和水分含量。ANN的輸入層為干燥時(shí)間、初始溫度、初始含水量和真空壓力,輸出層為ti+1時(shí)刻的溫度和水分含量。模型能夠提供關(guān)于微波強(qiáng)度和真空壓力的信息,這有利于避免物料的熱損傷和提高干燥效率。5微波真空干燥技術(shù)的應(yīng)用微波真空干燥綜合了微波干燥和真空干燥的優(yōu)勢(shì),具有快速、高效、低溫等優(yōu)點(diǎn),能較好地保持食品原有的色、香、味及營(yíng)養(yǎng)成分,可有效避免干燥過(guò)程中生物活性成分的熱、氧破壞。產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和復(fù)水率等物理特性