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    微波處理技術在食品干燥領域的應用
    2022-5-29發布
      

    干燥是農產品加工的重要方式,也是食品工業中的操作單元,干燥后的農產品不僅有利于貯藏,降低損失率,增大經濟效益,還可以減少運輸成本。干燥主要是通過脫水降低食品的水分活性、抑制食品中酶的活性和微生物的生長來達到延長食品的貯藏時間。

     

    目前,常用的干燥方式有熱風干燥(HD)、熱泵干燥(HPD)、真空干燥(VD)和冷凍干燥(FD)等,但各干燥方式均存在不同程度的不足,如干燥時間過長、干燥效率低下、干燥產品質量低劣等。

     

    微波干燥(Microwave-drying,MD)作為一種高效率的干燥方式,近年來被廣泛應用于食品干燥過程中,微波可以產生高頻電磁場,具有較強的穿透性和只對極性分子加熱的高選擇性,使其可以穿透物料內部,對整體進行加熱,避免了傳統干燥方式“內生外焦”現象的發生。

     

    微波干燥被認為是一種節能的干燥方法,具有反應靈敏,無污染、無余熱、干燥效率高、便于控制的優點,常被用于聯合或輔助其他干燥技術。較傳統的干燥方式,微波聯合干燥技術能縮短干燥時間、降低干燥能耗、提高干制品質量。

     

    文章擬主要介紹微波在食品干燥領域中的應用,從微波干燥、微波聯合干燥和微波輔助干燥3個方面綜述其優越性,并重點介紹微波技術對物料干燥能耗、干燥時間、干燥品質的影響,以期進一步推動微波技術在食品干燥領域的應用,為其工業化發展提供依據。

     


    01

    微波干燥(MD)技術

     

    MD處理過程中,常用的微波頻率為300MHz~3000GHz,微波波長為0.1mm~1.0m,其加熱原理是介質材料自身損耗電磁場能量而發生的加熱。介質材料與微波電磁場相互耦合實現能量轉化,其轉化方式如離子傳導、偶極子轉動、界面極化、磁滯、壓電現象等,其中偶極子轉動是微波加熱的主要原理,偶極子受到電磁場力作用,迫使其順著電場方向整齊排列,引起偶極子轉動,致使分子間頻繁碰撞而產生大量摩擦熱,并以熱能的形式在物料內表現出來,從而導致物料在短時間內溫度迅速升高、加熱。

     

    MD的原理是透過物料內部的微波對整體進行加熱,物料中的水分介電常數大,吸收微波能轉化成熱能后優先受熱蒸發,蒸發掉物料內部的大部分自由水和弱結合水,從而達到干燥的效果。

     

    MD干制品在外觀形狀、微觀結構、復水性能和各種營養成分的保持等方面均較其他傳統干燥方式有較大的優越性。由于食品物料內部水分的耗散因子較大,吸收大量微波能,使得內部溫度迅速升高,導致內外溫度梯度和水分梯度較大,促進了內部水分向外擴散快速蒸發,所以MD具有較高的干燥速率。微波能主要用于轉化為熱能,加熱水分,在其他方面的耗散較少,從而可以降低干燥能耗,提高MD的效率。

     

    近年來,隨著科學技術的進步,食品干燥方法趨于多樣化,可選擇的干燥方法也日益增多。在保證最終干制品水分含量相同的條件下,不同干燥方式對食品干燥效果(能耗、質量、效率)的對比結果見表1。


    表1 微波干燥與其他干燥方式對食品干燥效果的比較

    圖片

    圖片

     

    由表1可知,與熱風、冷凍、真空干燥相比,MD處理具有較高的干燥速率,可以明顯地縮短干燥時間,對產品的營養成分保留程度更高,提高了產品品質,微觀結構破壞程度低,復水性能較優,感官評價較好。

     


    02

    微波聯合干燥

     

    傳統的熱風、熱泵、冷凍干燥存在干燥時間長、干燥效率低、干燥品質差等缺點,與傳統的對流干燥和傳導干燥相比,MD具有干燥效率高、能耗低的優點,但MD單獨使用,因為微波場強分布不均勻,大小形狀不一的干燥物料因受熱不均勻會發生碳化,容易使物料局部發生灼燒,在不同的區域產生“熱點”。

     

    Peyre等研究表明,微波功率水平、功率循環、物料不同的介電性能以及物料不規則的形狀和尺寸都是影響MD干燥不均勻的因素。

     

    Wang等研究了磁控管布置和功率結合對胡蘿卜微波干燥溫度場均勻性的影響,發現3個磁控管的溫度場均勻度明顯高于兩個磁控管,說明可以通過改變磁控管的布置來改善微波干燥的均勻性,但這種電磁場模式的改變依賴于微波反饋系統的設計,增加了MD的生產成本,不利于其工業化發展。因此,實際生產中常將MD與HAD、HPD、FD和VD相結合,既能克服MD不均勻的缺點,又能降低能耗,提高效率,保證品質。

     

    2.1 微波—熱風聯合干燥

     

    傳統HAD操作簡單,投資成本低,但會導致熱敏性的生物活性成分降解,顏色損失和微觀結構轉變嚴重,且所得干制品表面易皺縮、營養成分損失嚴重。作為一種節能的干燥方法,MD可以節省干燥時間、加快干燥速率、提高產品質量。近些年常將MD與HAD聯合使用,即微波—熱風聯合干燥(MD-HAD)。

     

    MD-HAD不僅同時具有MD和HAD的優點,能夠克服營養成分損失嚴重、干燥不均勻、干燥能耗大的缺點,還能夠穿透物料對整體進行加熱,縮短了干燥時間、提高了干燥效率,既能達到干燥的目的,保證外觀品質和內在品質,又能降低干燥成本,此外還具有殺菌的效果,且MD-HAD產品質量高于單一的HAD產品。

     

    Zehra等研究發現,豆角粉干燥過程中,MD-HAD能耗較單獨使用HAD能耗降低了50%;甘藍干燥過程中采用MD-HAD的干燥時間縮短了57.6%,干燥能耗降低了12%;MD-HAD對甘藍抗壞血酸的保留率比HAD的高13.50%,總多酚、總黃酮降解率比HAD的分別低19.28%,13.87%。

     

    這是由于微波輻射具有穿透性使得細胞發生破裂,有利于營養成分的提取,且微波—熱風聯合干燥制品的微觀結構具有較少的塌陷,表現為均勻的蜂窩狀多孔結構,且與聯合干燥速率高、干燥時間短有關。

     

    劉小丹等采用微波+高溫熱風+低溫熱風聯合干燥紅棗,與HAD相比,聯合干燥速率更高,干燥時間更短(聯合干燥時間22.4h、熱風干燥時間28h),能耗低[聯合干燥能耗為26.32g/(kW·h)、熱風干燥能耗為30.80g/(kW·h)],且聯合干燥過程中抑制了非酶褐變,營養成分損失減少,與Xu等的研究結果相似。表2為MD-HAD較傳統HAD對各物料干燥時間、干燥能耗和品質的影響。

     

    由表2可知,較傳統的HAD,MD-HAD的干燥時間可縮短40%~75%,干燥能耗可降低25%~65%,且對一些物料的特殊營養成分的保存率有所提高。有研究表明,聯合微波干燥對干制品有明顯的殺菌作用。

     

    劉偉東等研究表明,兩種干燥方法對枸杞的殺菌作用有明顯差異,聯合干燥的殺菌率為91.26%,而傳統HAD的殺菌率為82.25%。徐艷陽等采用熱風溫度60℃、轉化點含水率20%、微波功率119W聯合干燥玉米對霉菌有明顯抑制作用,且較傳統的HAD能耗降低了50.6%。

     

    2.2 微波—熱泵聯合干燥

     

    HPD因其操作簡單、干燥效率高、衛生安全、無污染等優點被廣泛應用于食品領域。HPD過程中,物料表面的水分蒸發速度與內部水分向外遷移的速度相近,所得制品品質高、色澤好,但在HPD中后期,隨著干燥物料水分的減少,干燥速率變慢,干燥時間延長,干燥能耗增加,同時使得物料表面發生氧化、內部微觀結構被破壞,產品品質降低。

     

    為了克服HPD中后期的缺點,常將HPD與MD聯合使用。但不同食品對熱泵—微波聯合干燥(HPD-MD)參數如熱泵溫度、微波功率、微波作用時間、轉換點含水率的敏感性不同,這些參數會影響干制品的品質如營養成分含量、色澤、復水率、微觀結構以及干燥能耗。

     

    由表3可知,關志強等研究發現,當熱泵溫度為35℃、轉換點含水率為40%、微波功率為131.69W時,干燥能耗最低,為10.55kW/h,并且與HPD的干燥時間和復水率相比,聯合干燥時間縮短了11.1h,復水率提高了46.5%,且干燥品質得到了大大提高。

     

    此外,荔枝在熱泵溫度為50℃、轉換點含水率為100%,微波時間為2.5min下進行干燥,其能耗節約30%以上,且干燥時間和干燥能耗受轉換點含水率的影響,并與其呈反比。

    Chong等對比分析了蘋果塊干制品的質地特性、外表顏色、抗氧化活性及總多酚含量,發現HPD-MD所得蘋果塊干制品的抗氧化活性及總多酚含量比單獨使用HPD的提高了60%~70%,其色澤、硬度等物理外觀均比其他方法的干制品好,干燥能耗也大大降低。

     

    宋楊等研究發現,與單獨HPD相比,熱泵—微波真空聯合干燥的干燥時間可縮短50%以上,產品復水率有較大提高;單獨使用HPD制得的海參表面深黑,且伴有焦糊、干癟現象,品質一般,而聯合干燥制得的海參表面呈黑色,無焦糊現象,形狀保持基本完好、無干癟,品質良好。說明與微波的聯合使用可以提高物料的干燥速度、降低干燥成本,保證產品質量。目前,HPD-MD較傳統HPD在能耗、效率及品質方面的提升是目前研究的趨勢。

     

    2.3 微波—冷凍聯合干燥

     

    FD是在多種干燥方式中維持食品色澤、結構、營養成分、風味物質最好的一種干燥方式。其基本原理是在真空狀態下將提前預凍好的食品進行干燥,物料中的水分從固態升華為汽態,達到脫水干燥的目的。

     

    FD可以較好地保存物料原有的微觀結構,不會出現大部分坍塌現象,避免了物料體積的大幅度收縮,有利于營養物質和揮發性物質的保留。此外,由于FD物料微觀結構會出現較多孔隙,所以冷凍干制品具有較好復水性能,且貯藏周期較長。但FD能耗大、干燥時間長,成本較高,限制了其在食品領域的應用,也阻礙了FD的工業化發展。

     

    為了縮短生產周期、降低干燥能耗,保證干制品質量,常將微波真空干燥(MVD)與FD結合對物料進行脫水處理,既能極大地提高干燥速率,降低能耗,又能保證干制品質量。

     

    Pei等將雙孢菇冷凍—微波真空聯合干燥(FD-MVD)與傳統FD的動力學和復水性能進行了比較,并對干燥過程中水分的變化和復水過程中水分含量進行了模型擬合。結果表明,在FD-MVD過程中的有效水分擴散系數(2.318×10-5~5.565×10-5m2/s)為FD過程(1.291×10-6~3.389×10-6m2/s)的10倍,說明FD-MVD具有更好的傳質效率,因為微波可選擇性地針對冰晶體加熱使得干燥速率大大增加,明顯縮短干燥時間;同時,Peleg模型可以較好地擬合FD-MVD和FD干制品的復水過程,且復水能力相似。

     

    FD-MVD具有干燥效率高、干燥時間短、干燥能耗低、復水性能與FD產品相似等優點,較FD更適合于工業化發展。Cui等發現MVD-FD樣品的胡蘿卜素和維生素C的保留率與FD樣品相當,且顏色變化最小,雖然聯合干燥樣品收縮率大于FD,但聯合干燥樣品表面平坦無明顯翹曲;且FD樣品與聯合干燥樣品復水比幾乎相同,二者微觀結構相似。這是因為MVD-FD干燥過程是直接通過升華進行的,使制品具有易于復水的多孔性結構。

     

    Li等探究了FD和MVD聯合干燥順序對胡柚干燥品質的影響,無論MVD是先干燥還是后干燥,聯合干燥均比FD顯著縮短了干燥時間,并改善了品質;FD-MVD對胡柚還原糖和類胡蘿卜素的保留率高于MVD-FD和MVD-FDMVD,且FD-MVD樣品的總多酚和總黃酮含量顯著高于FD,所以FD-MVD具有較強的抗氧化能力;MVD-FD樣品顏色與FD樣品相當,吸濕性最弱。

     

    由表4可知,與FD相比,MVD-FD可以縮短干燥時間14%~75%,降低干燥能耗30%~70%,顯著提高樣品還原糖、總多酚、總黃酮、維生素C等營養成分含量,提高樣品的復水性能、降低吸濕能力,且保持與FD樣品相似的微觀結構,含有較多孔隙和空洞,有利于提高復水性能。此外,MVDFD還具有殺菌功能,顯著降低微生物含量。

     


    03

    微波輔助干燥

     

    微波輔助干燥是將微波能應用于干燥過程的各個階段,為干燥物料提供脫水所需的能量。較傳統的干燥方法,微波輔助干燥能夠阻止干燥過程中熱量的散失,保證其充分干燥物料,不僅可以獲得較好的產品品質,還可以大大降低干燥能耗和干燥時間。

     

    Wang等研究表明,較傳統的HAD,微波輔助干燥時間縮短了64.29%,干燥速率是HAD的22~35倍;微波輔助干燥香菇的多糖含量為新鮮樣品的84.97%,較傳統HAD具有較高的保留率,且在干燥過程中產生的硝酸香氣種類和數量均顯著高于HAD;但微波輔助干燥在復水性能方面表現出了負面效應,其復水率是HAD的57.23%,可能是微波輔助干燥導致水分的快速蒸發,有助于內部黏度較高的成分滲出,在物料表面形成了阻礙復水進行的厚層。這與干燥過程中微波功率和熱風溫度以及干燥物料的性質有關。

     

    Horuz等研究發現,微波輔助干燥的樣品其復水性能顯著優于傳統HAD,可能是微波造成細胞損傷,增加了細胞內空腔和細胞間隙,使水分得以更好地遷移,增加了復水能力。此外,由于微波的穿透性可以加速物料加熱,所以微波輔助干燥技術在提高干燥速率、降低干燥能耗方面有顯著性影響。

     

    微波輔助干燥酸櫻桃時,其干燥時間縮短了52.0%~66.6%,干燥能耗降低了55.08%~58.64%,微波功率越大越有利于干燥時間和干燥能耗的降低,且顯著提高了對總多酚和維生素C的保留率。

     

    Abano發現微波輔助熱風干燥芒果較傳統HAD時間縮短了23%,干燥能耗降低了29.7%,營養成分保留率顯著高于傳統HAD。Justyna等發現微波輔助干燥紅甜菜根可以使干燥時間縮短66%,干燥能耗降低20%,且具有更好的色澤和更高的甜菜堿保留率。

     

    Altan等研究表明,微波輔助熱風干燥不僅可以降低通心粉的干燥時間,且對其烹飪特性和質構特性有明顯改善作用。此外,胡蘿卜、孜然、樹莓、火龍果等研究表明,微波輔助干燥不僅可以明顯縮短干燥時間、降低干燥能耗,且對物料營養成分的保留有積極效應。

     

    由表5可知,微波輔助干燥對不同干燥方式均有積極作用,所得干制品質量均有所提高。微波具有輻射作用,可以穿透食品物料內部,對物料整體進行加熱使物料內外溫度同時升高,產生大量水蒸氣,內外產生氣壓差,使得內部水分快速向外遷移,極大地提高了干燥速率,同時使物料形成了比原始組織結構更大的孔隙,進而提高了干制品的復水性能。

     

    微波輔助的干制品更具多孔性和蜂窩狀網絡,而常規真空干燥干制品的微觀結構緊密堆積,無可見蜂窩狀網絡,說明微波輔助有助于樣品孔隙和孔洞的產生,更有利于物料的復水。

     


    04

    結論與展望

     

    無論是微波干燥處理技術還是微波聯合干燥、微波輔助干燥,在食品干燥過程中均表現出顯著的強化作用,微波技術的應用可以提高干燥過程中的有效水分擴散系數,促進傳熱傳質的進行,明顯地縮短干燥時間、降低干燥能耗。

     

    此外,微波還可以降低干燥產品的營養成分損失,提高產品品質,抑制產品收縮,降低其微觀結構的塌陷,增加其孔隙和孔洞,提高其復水性能。微波干燥處理改善了單一干燥方式帶來的不足和缺陷,可實現高效率、低能耗、高品質的干燥效果。微波處理在食品干燥領域的研究可從以下方面進行深入:

     

    4.1 食品物料性質的研究和預處理的開發

     

    由于微波的選擇性加熱,物料吸收微波的能力受物料介電性能的影響,為了避免物料干燥不均勻,在干燥過程中應考慮物料介電性能的改善,嘗試干燥前進行預處理,如電離輻射、超聲波、遠紅外輻射等。

     

    后續應深入分析聯合微波干燥過程中物料某種性質隨含水量和溫度的變化,以及不同預處理方式對物料介電性能的影響,并探究物料性質、品質的改變機理,以開發最佳的干燥方法保持產品最理想的特性,如高孔隙率,并盡可能抑制不佳的干燥效果,如過度收縮。

     

    4.2 微波與傳統干燥方法結合工藝的優化

     

    不同干燥方式的聯合、轉換點的選擇、聯合順序均會影響干燥成本和干燥產品質量,需重點研究微波功率、干燥室壓力、微波模式、干燥溫度對干燥能耗、干燥效率、干燥產品質量以及水分遷移機理的影響,尤其是微波模式下探究間歇微波處理、連續微波處理、恒溫微波處理和變溫微波處理對品質的影響,干燥工藝的選擇應盡量降低干燥能耗,保持食品外觀和營養價值。

     

    4.3 微波輔助干燥設備的開發

     

    微波聯合干燥和輔助干燥技術雖然取得了較多研究成果,但仍局限于實驗室,并未進行工業化大批量生產,為了推進微波技術在食品干燥領域的應用,需開發方便、節能、高效的微波輔助干燥機器,此外,還需結合在線監測水分系統和自動控制系統,優化干燥設備結構來促進微波技術工業化的發展。

     

    4.4 微波加熱不均勻性的改善


    微波因其具有穿透性,加熱過程中會出現局部過熱造成加熱不均勻的問題。同時提高均勻性和效率是微波技術應用于干燥領域的難點,后續可結合變頻技術和選頻技術在保證高效率的前提下改變微波加熱的頻率來提高加熱的均勻性,開發雙端口或多端口加熱方式,建立微波多角度加熱溫度和時間的模型,預測物料局部溫度,進一步提高物料加熱的效率和均勻性,使微波處理技術更好地應用于食品干燥領域。

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