紅外輻射技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用

朱凱陽，任廣躍,2*，段續(xù),2，李琳琳,2

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽，471000)2(糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州，450001)

中國資源豐富，地域遼闊，是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量居世界首位[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中各植物動物性產(chǎn)品即為農(nóng)產(chǎn)品，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的農(nóng)產(chǎn)品是指種植業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)品，各類經(jīng)過加工的產(chǎn)品不再屬于農(nóng)產(chǎn)品的范疇[2]。目前，農(nóng)產(chǎn)品干燥的主要方法有自然晾曬干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥、冷凍干燥、微波干燥、微波-真空干燥、紅外-噴動干燥、真空-冷凍干燥等新型干燥技術(shù)。其中，紅外輻射技術(shù)是一種高效節(jié)能又符合環(huán)保要求的新型無污染干燥技術(shù)，紅外輻射技術(shù)具有效率高、能耗低、污染小等優(yōu)點[3]。目前，紅外技術(shù)用于許多食品制造過程，如干燥、煮沸、加熱、多酚回收、冷凍干燥、抗氧化劑回收、微生物抑制、食品烘烤、果汁制造和烹飪食品等[4]。

1 遠(yuǎn)紅外輻射的原理及特點

1.1 紅外輻射的原理

紅外輻射按波長可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外，如圖1[5]所示，它們都是電磁波。在物料干燥中主要使用紅外線中的長波段，其波長范圍為25～1 000 μm[6]，能量主要以輻射形式直接作用于物料。由圖2[7]可知，在紅外輻射中，由于紅外線具有穿透性，使能量先在物料內(nèi)部集聚，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品的原子、分子遇到紅外線吸收其能量時，引起粒子的加劇運(yùn)動，使分子的振動能級產(chǎn)生變化，從而使物料內(nèi)部升溫[8]，由于水分的不斷蒸發(fā)吸熱，外部溫度降低，形成內(nèi)高外低的溫度梯度。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體。在此時物料中，熱量以物料自身為傳導(dǎo)介質(zhì)，沿該溫度梯度由內(nèi)向外進(jìn)行熱量傳遞，進(jìn)而實現(xiàn)對整個物料的加熱。除此之外，農(nóng)產(chǎn)品中絕大部分物料內(nèi)部含水率比表皮含水率大，形成與溫度梯度一致的濕度梯度。因此，在內(nèi)高外低的溫度梯度和濕度梯度共同作用下，紅外輻射干燥可以大大提升物料的干燥速率[9]。

圖1 突出紅外輻射范圍的電磁波譜[5]Fig.1 Electromagnetic spectrum highlighting infrared radiation range

圖2 紅外輻射干燥與普通干燥機(jī)理比較[7]Fig.2 Comparison of infrared drying and ordinary drying mechanism

1.2 紅外輻射的特點

目前，中國農(nóng)產(chǎn)品干燥方式主要以傳統(tǒng)日曬干燥和可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的熱風(fēng)干燥為主。日曬干燥受限于自然環(huán)境；熱風(fēng)干燥主要原料為燃煤、燃油、生物質(zhì)燃料等，原料燃燒釋放熱能的同時還產(chǎn)生大量煙塵，使得干燥過程對農(nóng)產(chǎn)品本身和自然環(huán)境造成污染[10]。因此，紅外輻射干燥技術(shù)顯得愈發(fā)重要。

紅外輻射技術(shù)的特點：(1)熱損失小，易控制。紅外輻射中不存在傳熱界面，提高加熱質(zhì)量，減少不必要的熱損失;(2)傳熱效率高。紅外輻射在不使物料過熱的情況下，可以使熱源達(dá)到較高的溫度[11]；(3)熱吸收快，節(jié)約能源。大部分農(nóng)產(chǎn)品物料對紅外輻射的吸收率較高，此時能量大部分集中在物料的吸收峰帶，大部分輻射能會被吸收,實現(xiàn)較好的匹配,達(dá)到減耗的效果[12]，如圖3所示；(4)加熱引起食物材料的變化損失較小。紅外線光子能量低，在加熱過程中生物組織熱分解小，物料化學(xué)性質(zhì)不易改變，從而使得加熱后的產(chǎn)品質(zhì)量高；(5)輻射可達(dá)一定深度、受熱均勻[13]。紅外輻射是物料內(nèi)外同時加熱的過程，傳熱、傳質(zhì)方向一致，可使物料不受本身顏色的影響，受熱比較均勻，避免局部的過熱損失。

圖3 紅外輻射、吸收匹配[12]Fig.3 Far infrared radiation and absorption matching

1.3 紅外輻射元件的發(fā)展

紅外輻射技術(shù)是上世紀(jì)70年代迅速發(fā)展的一項節(jié)能新技術(shù)。現(xiàn)今經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，作為技術(shù)核心的遠(yuǎn)紅外加熱元件也得到不斷改進(jìn)，波長范圍不斷加寬，使其對被加熱物有著更廣泛的適應(yīng)性。遠(yuǎn)紅外加熱元件按供熱方式可以分為電加熱輻射器和燃?xì)饧訜彷椛淦?；按結(jié)構(gòu)形式可以分為燈狀輻射元件、管狀輻射元件和板燈狀輻射元件。紅外輻射元件最初是采用紅外燈泡和碳化硅板，到20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了微晶玻璃燈、乳白石英管等。進(jìn)入90年代，出現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外定向強(qiáng)輻射器[14](如圖4所示)，使得加熱方式發(fā)生了改變，電能輻射轉(zhuǎn)化率由40%提高到70%以上[15]。進(jìn)入21世紀(jì)，又出現(xiàn)了納米發(fā)熱體的紅外輻射元件(如圖5所示)，以納米材料為發(fā)熱體，大幅提高了熱效率使電能轉(zhuǎn)換率可高達(dá)92%～98%[16]。與此同時，在選擇紅外干燥設(shè)備的構(gòu)件時，應(yīng)考慮紅外輻射的吸收率、透射率和反射率，散熱器燈反射器的材料應(yīng)為不透明的高反射率材料。經(jīng)受紅外干燥的材料應(yīng)該具有低反射率，以最小化加熱所需的功率。3個基本輻射定律[6]決定了紅外能量的分布和數(shù)量。斯特藩-玻爾茲曼定律[17]和普朗克定律[18]提供了用于確定輻射器發(fā)射的強(qiáng)度和光譜分布的手段；維恩位移定律[19]表示最大發(fā)射波長由紅外加熱源的溫度決定。

1-接線端子；2-保溫材料；3-殼體；4-輻射板； 5-發(fā)熱體；6-耐熱反射基材隔熱層圖4 紅外定向強(qiáng)輻射器的結(jié)構(gòu)[14]Fig.4 Structure of infrared directional strong radiator

1-殼體；2-發(fā)熱體；a-裝配圖；b-殼體剖面圖；c-發(fā)熱體剖面圖圖5 納米發(fā)熱體的紅外輻射元件[16]Fig.5 Far infrared radiation element of nano heater

1.4 紅外輻射在農(nóng)產(chǎn)品干燥中數(shù)值模擬

1.4.1 動力學(xué)模型

目前，紅外輻射干燥技術(shù)發(fā)展迅速，但干燥成品質(zhì)量受干燥條件、物料種類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形狀、理化性質(zhì)的顯著影響。近年來，許多學(xué)者通過對不同物料的試驗研究，總結(jié)擬合了幾種常用的經(jīng)驗、半經(jīng)驗干燥數(shù)學(xué)模型，來定量地描述物料干燥規(guī)律，常見的干燥模型如表1所示。

在上述模型中，模型1針對單一紅外輻射干燥的擬合度高、誤差小，應(yīng)用比較廣泛，國內(nèi)外對其干燥特性進(jìn)行了廣泛深入的研究。模型6可以對紅外輻射聯(lián)合干燥進(jìn)行擬合，萬芳新等[20]的研究結(jié)果證明了weibull分布函數(shù)可以較好地預(yù)測物料干燥過程中水分比的變化規(guī)律。

表1 干燥動力學(xué)模型Table 1 Drying kinetic model

1.4.2 溫度場數(shù)值模擬

物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各個點上溫度的集合稱為溫度場。它是時間和空間坐標(biāo)的函數(shù)，反映了溫度在空間和時間上的分布。溫度T這個變量通常是空間坐標(biāo)(x，y，z) 和時間變量t的函數(shù)，即T=T(x，y，z，t)。在紅外輻射干燥中研究的溫度場為三維瞬態(tài)溫度場，是指紅外干燥器的溫度在時間和空間上的分布。溫度場模擬是依據(jù)傳熱學(xué)原理，根據(jù)實際的傳熱邊界條件，通過計算機(jī)對溫度場模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

在以往的研究中并沒有對溫度場進(jìn)行較為形象的表達(dá)，目前依靠計算機(jī)，使用計算流體力學(xué)軟件FLUENT，可以對溫度場進(jìn)行細(xì)致的描述。紅外輻射溫度場模擬難點在于傳熱，輻射換熱要考慮空間內(nèi)不同方向上的傳熱，因此，在位置、沿方向的輻射傳遞方程(RTE)為[21]：

對紅外輻射干燥過程進(jìn)行數(shù)值模擬建立數(shù)學(xué)模型，可以直觀地顯示目前還不易觀測到的一些現(xiàn)象；還可以顯示任何試驗都無法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。

表2 FLUENT輻射模擬模型Table 2 Fluent radiation simulation model

2 紅外輻射技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用

2.1 紅外輻射技術(shù)在糧油作物干燥中的應(yīng)用

在中國，主要糧油作物即谷類中的小麥和玉米，兩者產(chǎn)量在近五年的糧油作物產(chǎn)量中占50%以上，其余三類糧油作物每年的產(chǎn)量也在穩(wěn)步提升[22]。由表3可知，紅外輻射技術(shù)在糧油作物中運(yùn)用不同于果蔬產(chǎn)品，在糧食干燥中易產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，從而影響干燥品質(zhì)[35]。而紅外輻射對物料由內(nèi)而外進(jìn)行加熱，可以從根本上避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。紅外輻射對糧油作物進(jìn)行干燥，不僅可以縮短干燥時間，減少能耗，同時還可以保留被干燥物料絕大部分的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而保證物料品質(zhì)。另一方面，現(xiàn)有研究對紅外輻射技術(shù)應(yīng)用在糧油作物干燥中僅僅停留在試驗階段，由試驗結(jié)果去檢測該方法的優(yōu)劣，此模式下會對該技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生一定限制。因此，在今后的研究中，應(yīng)當(dāng)側(cè)重在該方法下熱力學(xué)、動力學(xué)模型的建立，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型有助于選擇更好地干燥條件，同時突破試驗場地的限制。

2.2 紅外輻射技術(shù)在食用菌干燥中的應(yīng)用

食用菌是具有果肉或果膠的大型真菌。它富含多種營養(yǎng)成分，具有抗腫瘤、抗氧化、降血脂、增強(qiáng)免疫力等多種生理功能[36]。在中國，每年食用菌的總產(chǎn)量保持穩(wěn)步上升，到2019年我國食用菌總產(chǎn)量已達(dá)3 961.91萬t[37]。目前中國食用菌工廠化生產(chǎn)量低于總產(chǎn)量，在工廠化生產(chǎn)和自給自銷后還有大量剩余。然而，鮮食用菌類的含水量高達(dá)70%～95%，不耐貯藏，極易變質(zhì)腐敗。為了更好地解決食用菌的貯藏問題，紅外輻射技術(shù)被人們應(yīng)用到食用菌的干燥貯藏中。

食用菌種類較多，組織狀態(tài)各不相同。由表4可知，不同種類的食用菌干燥特性不盡相同，面對種類繁多的菌類食品，紅外干燥扮演著越來越重要的角色。對茶樹菇、香菇、杏鮑菇等進(jìn)行紅外輻射干燥，可以較顯著地提高干制品的色澤和風(fēng)味，保持更好的外觀，同時縮短干燥時間，減小能耗。但是，紅外干燥也有一定的局限性，越來越多的研究表明，單一的干燥方式已無法滿足在該領(lǐng)域的應(yīng)用需求，未來食用菌干燥發(fā)展的重點將是聯(lián)合干燥工藝。

表3 紅外輻射技術(shù)在干燥糧油作物中的應(yīng)用Table 3 Application of far infrared radiation heating technology in dry grain and oil crops

表4 紅外輻射技術(shù)在食用菌干燥中的應(yīng)用Table 4 Application of far infrared radiation heating technology in edible fungi drying

2.3 紅外輻射技術(shù)在果蔬干燥中的應(yīng)用

在中國，果蔬是僅次于糧食的第二大農(nóng)產(chǎn)品，2019年果蔬產(chǎn)量已達(dá)9.77×108t[47]。新鮮果蔬水分含量高、營養(yǎng)較豐富，有利于微生物生長繁殖，易于腐爛；同時又具有很強(qiáng)的季節(jié)性和地域性特點，且新鮮果蔬組織脆，不易運(yùn)輸。為了更好地延長果蔬的保質(zhì)期，加強(qiáng)貯藏的便利性，干燥是常用的有效方法之一。自然日曬干燥、陰干和熱風(fēng)干燥是果蔬傳統(tǒng)的干燥方式，該法耗時長、效率低、產(chǎn)品的質(zhì)量難以控制，不是現(xiàn)在所追求的高效節(jié)能干燥方式。而紅外加熱技術(shù)作為一種新型輻射加熱技術(shù)，具有加熱均勻、效率高、能耗低、可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量等優(yōu)勢。

由表5中可知，紅外輻射技術(shù)作為一種新型的加熱技術(shù)，在果蔬的干燥貯藏中相較于傳統(tǒng)的干燥加熱方式應(yīng)用范圍更廣、效率更高、能耗更小、污染更少。該技術(shù)對現(xiàn)如今興起的干制果蔬類休閑食品也起到了一定的支撐作用，針對當(dāng)下即食果蔬干制品，紅外加熱技術(shù)的應(yīng)用使果蔬干制品的種類得到大大擴(kuò)充，現(xiàn)有的研究已經(jīng)表明在果蔬干制品領(lǐng)域中，紅外加熱技術(shù)正在逐漸代替原有的干燥技術(shù)。但隨著科技的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)單一干燥有時不能很好地適應(yīng)物料，因而現(xiàn)如今越來越多的學(xué)者和企業(yè)把紅外加熱與其他加熱方式結(jié)合，由此創(chuàng)造出干燥效果更好的干燥方法，聯(lián)合干燥正在興起。

表5 紅外輻射技術(shù)在果蔬干燥中的應(yīng)用Table 5 application of far infrared radiation heating technology in fruit and vegetable drying

2.4 紅外輻射聯(lián)合干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用

隨著時代的進(jìn)步，人們對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來越高，單獨(dú)使用紅外輻射技術(shù)已經(jīng)不能滿足干燥的要求，將紅外輻射與其他干燥技術(shù)聯(lián)合使用已成為現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品干燥的熱點。

由表6可知，紅外輻射技術(shù)正在與越來越多的干燥技術(shù)聯(lián)合使用，超聲-遠(yuǎn)紅外干燥、真空-遠(yuǎn)紅外干燥、熱風(fēng)-遠(yuǎn)紅外干燥、熱泵-遠(yuǎn)紅外干燥、微波-遠(yuǎn)紅外干燥、蒸汽-遠(yuǎn)紅外干燥、冷凍-中紅外干燥等，與傳統(tǒng)干燥方法相比，紅外輻射干燥與熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥和冷凍干燥相結(jié)合，可以減少干燥時間和能量需求，并且還可以保持產(chǎn)品質(zhì)量以實現(xiàn)綜合干燥效果。但現(xiàn)在的聯(lián)合干燥僅僅只是2種加熱方式聯(lián)合使用，對于3種以上的加熱方式聯(lián)合還未見報道，在以后的研究中，可以嘗試對更多的加熱方式聯(lián)合；對聯(lián)合加熱過程也可以進(jìn)行改進(jìn)，利用間歇加熱、交叉加熱等綜合不同加熱方式對物料進(jìn)行干燥處理。

3 結(jié)論與討論

盡管紅外輻射干燥在能源效率和時間節(jié)省方面顯示出巨大的優(yōu)勢，但它也有一定的局限性。紅外輻射穿透深度低，由于紅外輻射的穿透深度有限，還需要進(jìn)一步研究紅外線在不同農(nóng)產(chǎn)品中的穿透深度；此外一些農(nóng)產(chǎn)品物料是多層干燥，該情形下紅外干燥會導(dǎo)致干燥不均勻。相比之下，當(dāng)紅外干燥與其他干燥方法或預(yù)處理相結(jié)合時，可以克服這些不足。另一方面，在干燥農(nóng)產(chǎn)品時，使用的紅外波長需要非常具體，因為每種食物成分都有特定的紅外吸收帶，為了實現(xiàn)特定應(yīng)用的高效率，紅外輻射可在添加合適的濾光器后使用，此時僅允許特定波長通過的紅外干燥將更加適合于農(nóng)產(chǎn)品的干燥。

表6 紅外輻射聯(lián)合干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用Table 6 Application of far infrared radiation heating technology combined drying in drying of agricultural products

紅外或紅外輔助干燥方法中涉及的各種過程變量需要針對不同農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，紅外干燥可以保持或增加干燥農(nóng)產(chǎn)品中的酚類化合物含量；但關(guān)于紅外干燥對酚類化合物穩(wěn)定性的影響需要進(jìn)一步研究。此外，紅外干燥對其他生物材料和紅外加熱系統(tǒng)的各種配置還需要大量的建模工作。通過現(xiàn)有的文獻(xiàn)初步可以確定，紅外干燥在實驗室和小規(guī)模的應(yīng)用是有希望的。考慮到單一紅外干燥或與其他干燥技術(shù)相結(jié)合的能量效率、干燥效率和有效性，它對食品加工業(yè)具有巨大的潛在影響。在能源日益緊缺的情況下，傳統(tǒng)的干燥技術(shù)越來越跟不上時代的腳步，大力發(fā)展高效節(jié)能的紅外輻射技術(shù)具有重要意義。但單獨(dú)使用紅外輻射干燥已經(jīng)不能滿足干燥要求，因此，將紅外輻射干燥與其他先進(jìn)的干燥技術(shù)聯(lián)合起來，進(jìn)而得到一種集諸多優(yōu)點于一體的聯(lián)合干燥方式已成為當(dāng)今研究的熱點。同時，設(shè)計可實現(xiàn)高效、安全、可連續(xù)生產(chǎn)的智能化干燥設(shè)備是農(nóng)產(chǎn)品聯(lián)合干燥的未來發(fā)展方向之一。