0 引言

干燥是重要和耗能多的單元之一,廣泛應用于化工、輕工、農林產品加工和建材等各部門.農產品來源于農業的初級產品,即在農業活動中獲得的植物、動物、微生物及其產品.由于其含水量大,季節性強,上市量集中,若不及時處理較易腐爛變質.為避免其在收獲季節因干燥不當而引起的損失,盡可能的保持其營養成分并能長久保存,高效、適用、節能、環保的干燥技術非常重要.目前,國內外農產品干燥應用廣泛的主要包括熱風干燥、冷凍干燥、熱泵干燥及微波干燥等.眾所周知,干燥方式與工藝對產品的性能、形態、質量以及過程的能耗等都具有直接的影響,不同干燥方式都有其優勢和不足.由于農產品物料的多樣性及其性質的復雜性,單一形式的干燥技術往往很難滿足終產品的質量要求.因此,在不斷完善各種干燥技術自身技術方法和設備的同時,根據物料的特點,將兩種或兩種以上的干燥方法聯合優勢互補,分階段或同時進行聯合干燥已經成為一大趨勢[1].聯合干燥能夠較好地控制整個干燥過程,可提高干燥效率、改善產品質量、節約能源成本,尤其適用于農產品中的一些對熱敏感、易氧化的物料.目前,針對農產品的聯合干燥技術,國內外已經做了大量的研究工作,多是采用現有的、常見的干燥技術進行組合搭配,集中于聯合干燥技術對物料特性的變化、技術組合的順序、轉換點含水率及佳工藝參數等.為此,將現階段常見的與幾種典型干燥方式相結合的聯合干燥技術作以綜述.

1 熱風相關的聯合干燥技術

熱風干燥在農產品干燥的應用歷史悠久,國內約90% 的物料干燥均采用常壓熱風干燥技術.其具有成本較低、處理量大、可實現自動化,生產方法簡單及產量高等優點.但其產品品質較差,干燥效率低,且吸收被干燥物料的水分后形成高溫、高濕的廢氣直接排入大氣,能量損耗大,能量利用效率較低.根據熱風干燥的特點,常與微波和紅外等干燥方式聯合使用.

1. 1 熱風-微波干燥

由于微波加熱的特殊方式,即采用一體加熱使物料溫度在短時間內快速升高,而且溫度梯度和水分蒸發方向相同,具有速度快、熱效率高、加熱均勻、無污染等優點,是近幾年來發展很快的新技術.熱風-微波技術在提高干燥速率、降低能耗、改善產品的品質等方面具有優勢,在農產品加工中的應用較普遍.將微波-熱風聯合干燥應用于胡蘿卜片干燥[2-3],發現干燥速率大幅提高,且無恒速期,產品質量提高.Mas-kan[4]對香蕉進行了先熱風后微波的干燥研究,微波干燥終點縮短了對流干燥時間約 64. 3% ,產品色澤較淺,復水率高.胡慶國[5]研究表明,與熱風干燥和冷凍干燥相比,經聯合干燥的毛豆干燥時間明顯縮短,且品質參數均達到或接近于凍干或真空微波干燥的產品水平,遠高于熱風干燥產品.楊大偉等[6]進行了薄層黃花菜的聯合干燥研究.結果表明: 先熱風再微波干燥不但明顯地縮短干燥時間,且可保證產品質量,并建立了數學模型.崔正偉等[7]以蒜片為研究對象,先微波真空干燥 10% ( W. b. ) ,后熱風干燥5% ( W. b. ) .結果表明: 聯合干燥的蒜片質量接近于真空冷凍干燥,好于熱風干燥.Andres 等[8]證明食品原料經微波處理后還能提高熱風干燥的速率.李琴等[9]和江思佳等[10]分別采用先微波后熱風干燥板栗粉和米粉,所得產品品質較好.鐘成義等[11]研究了聯合干燥方式不同干燥參數對枸杞子干燥速度與外型效果的影響,得到枸杞子干燥的佳參數組合.張平安等[12]對鮮豆渣進行微波熱風聯合干燥試驗.結果表明: 先微波干燥( 80W,4min) 后熱風干燥( 105℃,75min) ,豆渣干燥效果良好,較熱風干燥時間縮短47. 33% ,并構建了豆渣微波熱風聯合干燥數學模型.王順民等[13]得出聯合干燥菠菜的佳工藝條件下,干燥時間比熱風干燥縮短約 40% ~ 50% ,VC 保留率提高了 39. 1% ~ 44. 3% ,菌落總數降低 3. 59 ~ 4. 51[lg( CFU/g ) ],產 品 水 分 含 量 8% ( 濕 基 ) . AdamFigiel[14]進行了甜菜根的先熱風干燥再真空-微波干燥研究.結果表明: 與熱風干燥比較,熱風-真空-微波組合干燥明顯縮短干燥時間,干制品收縮率降低;組合干燥制品具有較好復水性和較高抗氧化性,接近于冷凍干燥的效果.

1. 2 熱風-紅外干燥

紅外輻射加熱后的產品溫度升高,附著在產品上的微生物也發生自熱效應,導致菌體蛋白變性,活體死亡,無法繁殖.將紅外與熱風兩者結合,即可提高干燥效率,又可實現殺菌功能.汪喜波[15]進行了紅外輻射與對流聯合干燥的理論分析及試驗研究.焦士龍等[16]做過紅外輻射與熱風振動流化稻谷干燥實驗研究.夏朝勇等[17]設計了先紅外輻射加熱、后熱風對流排濕干燥工藝的紅外熱風組合谷物干燥機,進行了以不同的紅外輻射強度和熱風溫度的組合干燥稻谷的試驗.試驗表明: 采用較強的紅外輻射和較低的熱風溫度不僅能提高降水率,且可降低爆腰率,對新型干燥設備的研制和干燥工藝的優化有參考價值.

2 熱泵相關的聯合干燥技術

與傳統干燥技術相比,熱泵干燥技術充分利用了干燥排出的高溫高濕空氣中回收的部分顯熱和潛熱,可使低品位熱能提高為高品位熱能,同時調控干燥空氣的濕度.其整個干燥過程中幾乎沒有能量損失,是一種節能型新技術[18].由于大部分的農產品含水量較高,干燥過程中需去除的水量大,利用熱泵干燥進行除濕,節能效果非常顯著; 但是熱泵在干燥后期干燥速率降低,能耗較高.將熱泵與熱風、遠紅外和微波等干燥技術結合,可有效提高后期干燥效率,節約能耗.

2. 1 熱泵-熱風干燥

熱泵與熱風的聯合干燥研究為普遍,李遠志等[19]對胡蘿卜和金針菇進行了試驗研究,探趟風速、熱泵除濕與熱風調換時物料含水率、熱風濕度對脫水速率、能耗和干制品的復水比的影響規律,提出了優干制工藝參數.張緒坤[20]采用熱泵干燥溫度35℃ 、轉換點含水率 1. 36kg / kg 及熱風干燥溫度 65℃的聯合干燥工藝,發現干燥時間比熱泵干燥縮短3. 5h,復 水 性 比 熱 泵 干 燥 高 16. 6% 、比 熱 風 干 燥 高24. 5% ,而耗能僅為真空冷凍干燥的 9. 4% .任愛清等[21]通過研究確定了魷魚熱泵-熱風聯合干燥佳工藝參數,得到的魷魚干品質高于熱風干燥,而且干燥能耗降低了 38. 67% .徐建國[22]的研究表明: 熱泵-熱風組合干燥既能顯著縮短熱泵干燥時間,又能大程度地降低熱風干燥對胡蘿卜片有效成分的破壞,提高了產品品質.叢?；ǖ萚23]將熱泵-熱風組合干燥技術應用于腌漬海參,證實干燥后海參的復水倍數和復水品質明顯提高,產品感官品質好.季阿敏等[24]對大紅皮蘿卜進行了利用熱泵-熱風聯合脫水干燥研究,得出了各因素對干燥速率的影響規律及干燥效果分析,確定相應的優化組合方式.

2. 2 熱泵-太陽能干燥

太陽能干燥,是利用熱能使物料中水分汽化,并擴散到干燥介質中的過程.當熱泵干燥系統低溫熱源的熱量全部或部分來自于太陽能時,就形成了熱泵-太陽能聯合干燥.二者結合既兼顧了兩種技術的優勢,又能克服后者易受氣候影響大的弱點,節能效果顯著并有利于環保.該技術應用范圍廣泛,尤其適用于干燥珍貴木材、難干木材.在太陽能豐富的地區已得到初步開發.研究表明: 利用熱泵-太陽能聯合干燥木材,比熱泵干燥節能 11. 8% ,比太陽能干燥時間縮短 14. 9%[25].邵維進等[26]利用太陽能熱泵系統對肉制品干燥進行了研究,結果顯示,與熱管供熱相比,熱泵供熱節省 75% 以上的電能,與燃料鍋爐相比節省80% 以上的能源.郭勝蘭[27]設計并搭建了可以與多種食品材料干燥性能相匹配的太陽能一熱泵聯合干燥裝置,并從裝置的性能指標出發,對其干燥方式的立和聯合運行的模式進行了相應的性能測試,研究了過程參數的調節和變化對物料干燥特性的影響,并進行了經濟性分析.

2. 3 熱泵-微波干燥

熱泵-微波干燥是將微波加熱技術與常規的熱泵技術相結合的一種干燥方式.兩者相結合,可以提高干燥效率和經濟性.Turner 和 Jolly[28]的研究結果顯示,如果被干燥物料的介電性能高度依賴于水分含量,則將微波用于干燥前期較有利; 而如果材料的介電性能高度依賴溫度,則觀察到的結果相反.Jia等[29]研究表明,熱泵-微波聯合干燥較傳統的熱風干燥效果好,具有較低的 SMER 和較高的生產量; 并以胡蘿卜片和整姜為研究對象進行了聯合干燥設備的性能的商業價值測試.馬國遠等[30-31]進行的農副產品的熱泵-微波聯合干燥的研究表明,與熱泵干燥相比,聯合干燥可提高產量,但 SMER 有所降低,其降低量與微波能輸入量成比例; 隨后對熱泵微波干燥的實用性及其性能進行了模擬分析和試驗研究,試驗及計算結果吻合較好.同時,分析了空氣旁通率、壓縮機轉速及空氣質量流量等參數對干燥性能的影響,得出熱泵微波干燥系統設計可使其能耗與蒸汽加熱干燥相當.僅有的差別是其變化速度比熱泵對流干燥器低.Jia 等[32]進行了以馬鈴薯和胡蘿卜為原料的熱泵-微波聯合干燥的模擬研究,發現可以預測體積干燥速率和熱泵-微波干燥整體性能; 結合 Jolly 等[33]的一個簡化的微波功率分布與熱泵干燥模型,建立了熱泵-微波聯合干燥模型,并研究了熱泵-微波聯合干燥農產品的可行性和性能,實驗結果與數值模擬的結果和熱泵模型的驗證結果一致.宋楊等[34]的研究證實,與單純熱泵干燥相比,利用熱泵-微波真空聯合干燥海參的時間縮短 50% 以上,干制品感官品質良好,復水率有較大提高,外觀形狀保持完好,參體飽滿.鄭立靜[35]對羅非魚片的熱泵-微波聯合干燥特性進行研究,并確定了工藝.

3 冷凍相關的聯合干燥技術

冷凍干燥技術,實際是指冷凍真空干燥技術,在真空冷凍干燥過程中,冰晶不經液態直接升華成水蒸氣,故變質現象和微生物反應得到抑制,凍干制品營養成分和香氣等損失小,外觀品質高; 但設備成本較高,且加工周期長,經濟性不高.將冷凍干燥與熱風和微波等干燥技術相結合,既能大限度地保持物料原有的色、香、味、形和營養成分,提高品質,且高效節能.

3. 1 微波-冷凍干燥
微波-冷凍干燥是將微波加熱應用于冷凍干燥,改變升華潛熱的提供方式,從而提高干燥速率,縮短干燥時間,降低干燥成本,適合于熱敏性物質的干燥.張建龍[36]對微波凍干機理及其工藝參數篩選進行了研究,分別建立了球塊狀物料的凍結數學模型、加熱板加熱升華干燥數學模型及微波加熱升華干燥數學模型.其測定了蘋果、西芹、香菇、胡辣湯的共晶溫度、共熔溫度、密度及含水率等基礎性物性參數,并對影響凍干的因素等進行了分析,提出了提高冷凍干燥速率措施.吳翔等[37]研究發現微波-冷凍干燥有助于刺梨果的天然色澤和營養物質的保持[38],以甘藍為原料,研究了微波冷凍干燥過程中的壓力、物料層厚度、微波功率等因素對干燥過程的影響,并與常規凍干方式做了結果對比.微波-冷凍干燥研究起步較晚,尚還處于試驗階段,但是產品營養成分保留率遠遠高于微波干燥,干燥時間遠低于冷凍干燥,是未來農產品干燥工業化的方向.

3. 2 冷凍-熱風干燥

將冷凍干燥的高品質和熱風干燥的低成本有效地結合起來,熱風-冷凍聯合干燥的產品能夠改善熱風干燥產品的品質,同時也降低了冷凍干燥能耗,應用價值較高,已應用于工業化生產.徐艷陽等[39-40]以草莓和毛竹筍為研究對象,進行了真空冷凍熱風聯合干燥實驗,確定了轉化點含水率和干燥工藝.結果表明,干制品的品質和外觀與冷凍干燥相近,而明顯優于熱風干燥; 但發現組合干燥后的草莓切面的芯部有褐變現象,有待進一步研究.

Phanindra Kumar 等[40]研究了冷凍-熱風聯合干燥胡蘿、南瓜,并在干燥速率、總能量消耗、物化特性 3方面分別與單一的熱風干燥和冷凍干燥進行比較,冷凍-熱風聯合干燥得到的產品總類胡蘿卜素受破壞程度相對較低.在質量比方面,冷凍-熱風聯合干燥產品明顯優于熱風干燥產品,接近完全冷凍干燥的產品; 而在干燥時間和總能量消耗方面接近完全熱風燥,比完全冷凍干燥減少了 50% ,證明熱風-冷凍聯合干燥在生產高質量的脫水蔬菜方面是有優勢的.李婷等[41]研究了冷凍-熱風聯合干燥銀耳,確立了較佳轉換點,先冷凍干燥 8h,后轉為熱風干燥,得到的產品與完全的熱風干燥產品相比,在感官和復水率等其他物化性質方面優勢明顯.

4 存在的問題

聯合干燥可以限度地優化干燥過程,使干燥系統更加合理是一項很有潛力且值得深入研究的新技術.但筆者認為,目前存在的一些問題明顯地限制了其大規模的發展.

1) 聯合干燥技術多集中于工藝的研究.例如,聯合干燥工藝參數、組合的先后順序及干燥轉換點的確定等,對聯合干燥規律研究不深入.雖許多學者建立了一些較好的干燥模型,但僅限于某種物料,適用性不強.同時,聯合干燥技術的研究對象涉及的物料不夠廣泛,不同干燥條件對不同物料的適應性等參數的影響及內在規律等研究不夠深入.

2) 相對而言,國產的聯合干燥設備缺乏完善的機理研究支撐,生產企業的技術更新較慢,大多憑經驗設計制造,對物料物性適應性較差,設備與工藝脫節;能耗偏高; 自動化控制水平低、控制手段落后.例如,冷凍-微波干燥設備能耗高、操作條件的可控性、在線檢測等問題尚需改進和解決.

3) 聯合干燥的研究還處于實驗室階段,所得到的試驗數據通常不能直接應用于生產實踐,產業化規模發展較難實現.

5 措施和對策

1) 干燥機理及物料物性的研究.基礎理論研究是開發新技術及設備的前提.聯合干燥技術的研究絕不是兩種或多種技術的單純組合,應充分發揮大專院校和科研單位的專業優勢,加強對聯合干燥技術機理的深入研究與探討; 同時,由于被干燥物料的種類和組織結構等相差很大,要擴大研究對象范圍,通過大量開展不同種類物料的物性研究,研發不同聯合形式及干燥工藝以適應不同物料的干制特性,增強物料適應行,為技術開發提供較為全面理論依據.

2) 關鍵設備的研制及放大研究.干燥設備的研制須與產品工藝研究和生產實踐緊密結合,方可實現其應用價值.聯合干燥設備的研制,要注意自控技術與干燥設備合理結合的問題,針對聯合干燥工藝要求,選擇適合的自動控制手段,在節約控制部件成本的前提下,實現設備的控制優化,從而提高設備的整體適用性及生產能力.聯合干燥設備的放大要關注生產實踐的應用,決不是體積和生產能力的簡單放大,在掌握設備機理的前提下,也要充分結合物料特性和工程經驗.因此,應注重"產、學、研"結合,加強與設備生產企業的技術溝通,互通有無,積極地將實驗室所取得的成果盡快應用于生產實踐,從而推進新的聯合干燥設備技術的產業化發展.

3) 發展新能源的聯合干燥技術.要以節能環保為要考慮,積極開發以新能源如太陽能、風能、地熱能及生物質能等為主的聯合干燥新技術,從而實現低能耗和高品質的雙贏.

總之,聯合干燥是一個復雜多變的過程,其中的諸多因素與內在聯系需要繼續深入研究.節能、高效、環保、自動化是聯合干燥技術的更高目標,尚需科研工作者的共同努力.