微波真空干燥技術(shù)研究進(jìn)展

李盼盼，胡欽鍇，張 敏

（山東萬得福生物科技有限公司，山東東營(yíng) 257000）

干燥作為食品保藏的重要手段，廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。目前使用較多的干燥方式為噴霧干燥、閃蒸干燥、滾筒干燥等熱風(fēng)干燥，但傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥由于溫度高，導(dǎo)致產(chǎn)品中的熱敏性成分損失較多，對(duì)色澤也造成一定的影響，進(jìn)而影響食品的質(zhì)量及功能成分。與熱風(fēng)干燥相比，食品真空冷凍干燥雖然能較好地保留食品的營(yíng)養(yǎng)成分，維持較好的色香味，但真空冷凍干燥成本太高，更適用于高附加值產(chǎn)品，對(duì)絕大多數(shù)低附加值產(chǎn)品來說，需要解決經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量之間不匹配的問題。微波真空干燥是一種通過優(yōu)化干燥過程，將微波干燥和真空干燥兩者的優(yōu)勢(shì)整合，以達(dá)到最優(yōu)效果的干燥方式。近年來微波真空干燥受到研發(fā)人員和相關(guān)技術(shù)廠家的廣泛關(guān)注。

1 微波真空干燥的原理

微波干燥的熱源來源于微波，其主要原理是通過水分子在微波電場(chǎng)干擾下移動(dòng)而轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行干燥。微波振蕩周期極短形成高頻電場(chǎng)，當(dāng)濕物料進(jìn)入微波高頻電場(chǎng)時(shí)，水分子會(huì)根據(jù)微波電場(chǎng)的方向進(jìn)行排列；當(dāng)外電場(chǎng)方向變化時(shí)，極性水分子相應(yīng)的排列方向隨之進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在水分子擺動(dòng)過程中，分子間將發(fā)生劇烈摩擦和碰撞，將微波能轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱量，使物料的溫度升高。

真空干燥是利用濕物料在不同的真空度下對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)不同，真空度越高，濕物料所含的水對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)越低，水分子越容易氣化溢出。濕物料在真空環(huán)境下，干燥溫度低于100 ℃時(shí)水即達(dá)到沸點(diǎn)，然后使用真空泵間隙抽濕以降低物料中的水汽含量，使物料內(nèi)水蒸氣（或其他溶劑）及空氣等含量較少的不凝結(jié)氣體獲得足夠的動(dòng)能脫離物料表面，進(jìn)而達(dá)到干燥的目的。

2 微波真空干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

微波真空干燥技術(shù)是將真空干燥與微波干燥技術(shù)進(jìn)行整合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。由于干燥采用的熱源為微波，熱量直接作用到物料內(nèi)部，因此微波真空干燥克服了真空干燥時(shí)真空狀態(tài)下熱傳導(dǎo)速度低的問題，同時(shí)真空狀態(tài)又使物料中的水分（或其他溶劑）汽化溫度降低，使干燥速度提高。此外，低干燥溫度對(duì)物料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞較小，產(chǎn)生美拉德反應(yīng)程度低，能耗也降低。因此，與常規(guī)干燥方法相比，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 效率高

常規(guī)的真空干燥設(shè)備使用的熱源是蒸汽，熱量傳遞方式為熱傳導(dǎo)，即干燥過程需要從外到內(nèi)進(jìn)行加熱，這種加熱過程速度較慢，在加熱過程中造成大量的熱損失。由于微波真空干燥設(shè)備使用的熱源是電磁波，熱量直接對(duì)物料內(nèi)部進(jìn)行加熱，不必再以傳導(dǎo)的方式從物料表面開始內(nèi)部傳遞，因此傳熱速度快，物料升溫速度快。研究表明，常溫水在3 ～5 min內(nèi)即可加熱到100 ℃，因此干燥周期短、干燥速度快、能源消耗低，微波真空干燥可比常規(guī)干燥技術(shù)的工效提高4 倍以上，同時(shí)避免了熱不良導(dǎo)體的物料加熱速度緩慢的弊端。

2.2 加熱均勻

由于微波加熱與傳統(tǒng)的熱量傳遞方式不同，當(dāng)使用微波加熱時(shí)，其產(chǎn)生的電磁波可作用到物料的各個(gè)部位而產(chǎn)生熱能。因此，無論物料是什么外形，使用微波加熱，物料內(nèi)外的溫差均較小，不會(huì)產(chǎn)生因內(nèi)外加熱不一致而導(dǎo)致物料“外糊內(nèi)生”的情況。同時(shí)，內(nèi)外加熱均勻的物料，對(duì)其膨化效果有一定的好處，可提高干燥物料的質(zhì)量。

2.3 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和連續(xù)化生產(chǎn)

微波的功率調(diào)節(jié)快速且無慣性，可通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來連鎖控制干燥的加熱和終止，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，節(jié)省勞動(dòng)力。

2.4 有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量

由于物料干燥過程中存在一定的真空度，與普通干燥方式相比，物料干燥溫度降低。因而有利于保存物料中的風(fēng)味物質(zhì)，減少營(yíng)養(yǎng)因子的流失，有利于提取功能性物質(zhì)和提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值。同時(shí)微波有殺菌、消毒的作用，有利于延長(zhǎng)物料的保質(zhì)期。

2.5 在干燥過程中物料更安全

在整個(gè)干燥過程幾乎沒有微波泄露，不會(huì)造成放射性損害，不會(huì)對(duì)食品本身造成污染。此外，微波干燥不需要熱風(fēng)，所以沒有粉塵不會(huì)造成環(huán)境污染。

2.6 經(jīng)濟(jì)效益高

常規(guī)干燥通過熱傳導(dǎo)或熱輻射，往往時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、速度慢，導(dǎo)致加工成本高。微波加熱不需要媒介傳導(dǎo)，可同時(shí)對(duì)物料內(nèi)部進(jìn)行加熱，因此對(duì)于提升干燥效率、降低能源和成本有顯著效果。研究顯示，微波真空與傳統(tǒng)加熱方式相比，速度和效能是其4 倍以上。

3 影響微波真空干燥的因素

3.1 物料的特性和外部形狀

由于物料的自身特性，在干燥過程中，物料內(nèi)部變得疏松多孔。隨著干燥的繼續(xù)，疏松多孔的物料傳熱性變?nèi)?，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大。通過實(shí)踐表明，物料體積越大，內(nèi)外溫度梯度越大。一般建議干燥前對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理，以片狀或顆粒狀進(jìn)行干燥。粉末狀物料在干燥時(shí)，應(yīng)對(duì)料層厚度進(jìn)行控制，并監(jiān)測(cè)料層內(nèi)外溫差。

3.2 選擇合適的真空度

真空度越高，水（或其他溶劑）的沸點(diǎn)溫度越低，物料中的水分（或其他溶劑）越容易擴(kuò)散。但真空度并不是越高越好，真空度過高，不僅能耗增加，還會(huì)增加擊穿放電的可能性。擊穿放電除了損耗大量能源外，還會(huì)縮短磁管的使用壽命。如果擊穿放電發(fā)生在產(chǎn)品表面，容易造成產(chǎn)品焦糊，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量和風(fēng)味。

3.3 設(shè)備功率控制

濕物料內(nèi)不同物質(zhì)吸收微波后的加熱特性不同。水分子極性強(qiáng)的容易加熱，因此物料水分越高，越容易吸收熱量。但當(dāng)干燥一定時(shí)間后，物料中的含水量降低，水分吸收微波的能力減弱，干燥速度變慢，效率變低。

因此在干燥的不同階段，微波功率的控制不同。在干燥前期，物料中水分含量高，水分移動(dòng)速度快，宜采用連續(xù)微波加熱將水分快速蒸發(fā)；在干燥等速和減速期，物料中含水量減少，水分遷移速度變慢，宜采用脈沖間隙式微波加熱，減少微波能量投入。

3.4 干燥時(shí)間

產(chǎn)品含水量與干燥時(shí)間密不可分，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，含水量越低。在干燥過程中，干燥速度隨干燥時(shí)間的增加而降低。

4 微波真空干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型

王亞娟等[1]采用數(shù)值模擬胡蘿卜微波真空干燥動(dòng)力學(xué)方程，研究發(fā)現(xiàn)在單因素微波功率密度干燥下，微波功率密度越大，胡蘿卜片的干燥速度越快，干燥時(shí)間越短，產(chǎn)品越易焦糊。以3 種不同微波功率密度（20.0 W/g、5.0 W/g 和0.6 W/g）下的胡蘿卜干燥動(dòng)力學(xué)方程為對(duì)象，進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化獲得多功率組合工藝參數(shù)，加工的胡蘿卜片干基水分含量（0.078±0.005）g/g，沒有焦糊；與0.6 W/g 單一微波功率的干燥結(jié)果相比，不但產(chǎn)品收縮和焦糊現(xiàn)象減少，而且干燥效率提高了4.77 倍。采用計(jì)算機(jī)遺傳算法可達(dá)到優(yōu)化多功率組合的微波真空干燥加工工藝的目的，減少實(shí)驗(yàn)工作量。

湯小紅等[2]發(fā)現(xiàn)采用微波真空干燥，隨著微波功率和真空度的增加和物料加載量的降低，油茶籽的干燥速率增加，干燥時(shí)間減少，其中對(duì)干燥速率、能耗的影響程度，真空度大于微波功率和加載量。通過對(duì)比熱風(fēng)干燥、微波間歇干燥、微波真空干燥對(duì)油茶籽的影響發(fā)現(xiàn)，微波間歇干燥的時(shí)間為微波真空干燥的3 倍，但其干燥速度曲線波動(dòng)較大。熱風(fēng)干燥所需的時(shí)間最長(zhǎng)，是微波真空干燥時(shí)間的4 ～32倍，且熱風(fēng)干燥的速度曲線沒有恒速干燥階段，只有加速干燥階段和減速干燥兩個(gè)階段。

程新峰等[3]采用Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型對(duì)菊芋干燥曲線進(jìn)行擬合，并結(jié)合尺度參數(shù)（α）、形狀參數(shù)（β）、滯后因（G）和干燥系數(shù)（S）等分析了干燥過程的傳熱和傳質(zhì)機(jī)制。菊芋整個(gè)干燥過程分為升速、恒速和降速3 個(gè)階段，并且微波強(qiáng)度越大，最大干燥速率越高，升速階段歷時(shí)越短。干燥過程并非完全由內(nèi)部擴(kuò)散主導(dǎo)，干燥過程物料溫度變化由內(nèi)部導(dǎo)熱和邊界對(duì)流換熱共同控制。當(dāng)微波強(qiáng)度適宜時(shí)，干燥菊芋細(xì)胞結(jié)構(gòu)規(guī)則，部分區(qū)域含有孔洞，高微波強(qiáng)度下干燥樣品部分組織結(jié)構(gòu)坍塌，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外泄。

王文成等[4]將膜分離后的綠茶濃縮液用微波真空干燥制取速溶綠茶粉，通過對(duì)制備的產(chǎn)品在微觀結(jié)構(gòu)、茶多酚、咖啡堿和兒茶素類含量上的區(qū)別分析對(duì)比微波真空干燥與噴霧干燥法的不同。研究發(fā)現(xiàn)前者制取綠茶茶粉具有孔洞的塊狀特點(diǎn)。與噴霧干燥相比，微波真空干燥的顆粒、粉狀的損耗降低，在底層的茶多酚、咖啡堿和兒茶素類含量高于頂層，而噴霧干燥法制備的茶粉介于二者之間。

張威等[5]以綠橙濃縮汁為原料，采用真空低溫連續(xù)干燥與冷凍干燥進(jìn)行對(duì)比，速溶綠茶酚和綠橙提取物的風(fēng)味保持基本相同，產(chǎn)品溶解性較好，茶多酚、維生素C 保留率高；采用真空低溫連續(xù)干燥與噴霧干燥、熱風(fēng)干燥對(duì)比，速溶綠茶酚和綠橙提取物的風(fēng)味有明顯差異，茶多酚、維生素C 含量大大降低。

張宇等[6]采用微波真空干燥法制備藍(lán)莓粉，以藍(lán)莓粉中的花青素含量、感官評(píng)分和色差值作為評(píng)判指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)影響藍(lán)莓粉品質(zhì)的各因素主次順序?yàn)檎婵諌簭?qiáng)＞微波功率＞麥芽糊精添加量，其中微波功率和真空壓強(qiáng)的交互作用顯著，與凍干藍(lán)莓粉的色差值較小。

唐小閑等[7]以小黃姜為原料，研究發(fā)現(xiàn)小黃姜真空微波干燥過程表現(xiàn)為2 個(gè)階段，即前期加速和后期降速。微波功率越大，干燥速率越快，小黃姜干基含水率達(dá)到平衡時(shí)所需的時(shí)間越短。干燥速率受切片厚度、裝載量、微波時(shí)間間隔的影響，切片厚度越厚、裝載量越大、微波間隔時(shí)間越長(zhǎng)，干燥速度越慢，干燥時(shí)間越長(zhǎng)。小黃姜的微波真空干燥過程符合Page 模型。

吳濤等[8]研究不同微波功率和真空度對(duì)黑莓干燥過程中溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)黑莓在微波功率為400 W、-80 kPa 真空度的條件下加熱2 min 后，熱點(diǎn)的溫度維持在60 ℃左右，溫度差異性為0.27，符合黑莓的干燥要求。

5 展望

微波真空干燥的工業(yè)化使用起源于20 世紀(jì)80年代的法國(guó)，其利用微波真空技術(shù)生產(chǎn)的柑橘粉保持了很好的色香味，并且與噴霧干燥相比，柑橘粉中的微生物保持率也高。微波真空干燥在我國(guó)的研究雖然較晚，但通過幾年的努力，已經(jīng)工業(yè)化研制成功的微波真空干燥設(shè)備可達(dá)到10 kW。微波真空干燥與真空冷凍干燥相比，能耗更低，較大限度地保留了物料本身的營(yíng)養(yǎng)成分，因此微波真空干燥可在一定程度上替代真空冷凍干燥，可應(yīng)用于化工原料、食品、藥品和保健品的殺菌和干燥，也可應(yīng)用于具有熱敏性且附加值較高的果蔬和農(nóng)副產(chǎn)品，還可用于酶制劑的干燥和高價(jià)值原料提取等，為生命科學(xué)、醫(yī)藥工程、化工工程、新材料應(yīng)用以及食品精深加工提供了一種新的干燥方式。隨著研究的深入和認(rèn)識(shí)的提高，微波真空干燥的使用范圍將會(huì)越來越廣。