红外干燥技术在食品干燥上的应用可行性

隋银强，杨继红，2，刘霞，李华，2，3，王华，2，3，*

（1.西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌712100；2.陕西省葡萄与葡萄酒工程研究中心，陕西杨凌712100；3.西北农林科技大学合阳葡萄试验示范站，陕西渭南715300）

红外线是波长介于0.76 至400 μm 的一段光谱，是不可见光。习惯上又将红外线具体分为短红外、中红外和远红外，其波长范围分别是（0.75～1）～（2.5～3）μm，（2.5～3）～（25～40）μm，（25～40）～400 μm。目前红外技术已经被广泛应用于多个领域并发挥了巨大的作用，诸如医疗（红外辐射治疗仪、红外测温计）[1-2]、军事（夜视仪、红外制导）[3-4]、交通（监测器、测距系统）[5-6]和科研（红外光谱分析仪）[7-8]等领域。

干燥是食品行业中非常重要的一环，具有延长食品保质期、杀菌、改善风味等作用。目前常用于食品干燥的方法有渗透干燥，对流干燥——包括热风干燥、热泵干燥和过热蒸汽干燥，辐射干燥——包括微波干燥和红外干燥，冷冻干燥以及真空干燥等。一个好的干燥方式应该具有成本低、干燥速度快、干燥质量高以及杀菌效果好的特点。目前最常用而且成本最低的干燥方式是在太阳光下自然晾晒，但是这个方法弊端很多，比如干燥速率慢、灭菌效果差、干燥时间严重依赖于天气状况、干燥品质容易受周边环境影响等，所以对于需要立即干燥的产品不适用，而且该法不能保证较优的产品品质。冷冻干燥是干燥品质最好的干燥方法，但是冷冻干燥的干燥速率是最慢的，其在使用过程中往往和真空干燥结合利用，这种做法虽然一定程度上提高了干燥速度，但是由于对低温和真空环境的需求，其对干燥设备的要求也变得比较苛刻，而且能耗也高于其它干燥方法；对于渗透干燥和过热蒸汽干燥，虽然其能耗低，干燥质量相对较好，但其使用范围有限，操作程序复杂，而且不能将物料完全干燥，目前仅仅在小部分领域中使用，还没得到广泛利用；对流热风干燥是目前工业生产上使用较多的一种干燥方式，对设备要求低，具有操作简单、干燥速度相对较快、灭菌效果较好的特点，但是其能耗高，能源利用率低，而且由于在干燥过程中需要高温，会对产品的口感、外观和营养成分等会造成一定程度的破坏，不是一种高效有效的干燥方式；微波干燥具有诸多优点，利用电磁波穿透介质使其内部分子振动产热，热量产生在物料内部，使得物料的各个部位加热速率相同，其干燥速度快、能耗低、干燥不受时间空间的影响，可以进行大规模的工业干燥生产，也是目前研究应用比较多的一种干燥方式，但是微波干燥对物料的质量影响比较大，控制不好干燥参数往往会对物料的香气和质感造成大的损伤，而且由于微波辐射对人体有害，在微波干燥过程中要避免微波的溢出，对干燥设备提出了较高的要求，造成高的初始成本。

红外干燥的基本原理为：红外线辐射器所产生的电磁波，以光的速度直线传播到达被干燥的物料，当红外线或远红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率（也即红外线或远红外线的发射波长和被干燥物料的吸收波长）相匹配时，物料内分子会因强烈振动引起激烈摩擦而产生大量热量，从而达到干燥的目的。红外干燥的特点：从红外发射器发出的能量直接被干燥物料表面吸收，周围的空气不被加热而且物料温度不受周围空气温度的影响，使得该技术具有加热效率较高的特点，此外，红外干燥还具有加热相对均匀的特点[9]。

文章分别在干燥速率、干燥质量和能耗3 个方面总结分析了红外干燥的特点及其在食品干燥领域的研究现状，并通过将其与其它常用干燥方法进行对比，分析了其在食品工业上的应用可行性。

1 干燥速率

干燥速率是评价干燥性能很重要的一方面，在生产中往往追求更快的干燥速度以减少干燥时间。

在红外干燥过程中，红外线穿透物料表面到达物料内部，通过共振引起内部水分相互摩擦而生热，造成物料内部温度比表面温度高，其热扩散方向由内往外；同时，由于物料水分的扩散方向总是由水分较多的内部向水分含量较少的外部进行，实现物料水分的湿扩散与热扩散在方向上的一致性，从而加快了干燥的进程。相反，热风干燥是通过热对流进行加热，其作用部位是物料表面。在热风干燥过程中，物料表面的温度始终高于内部温度，热量由外部传向内部；同时由于湿扩散为由内向外进行，造成湿扩散和热扩散在方向上是相反的，它们之间互相影响，互相阻碍，降低了干燥速度。

研究表明，红外干燥相比大部分干燥方法具有干燥速率快的优势。Shi 等对蓝莓的红外干燥特性进行的研究发现相同干燥温度下（60 ℃），红外干燥相比热风干燥能节省44%的时间[10]；Pan 等也在研究中发现除去相同比例（50%）的水分，红外干燥较热风干燥减少43.9%的用时[11]；此外，红外干燥的速率也要明显高于冷冻干燥[12]和过热蒸汽干燥[13]。然而相比微波干燥，红外干燥用时略长，Tireki 在研究生产面包糠的过程中发现，微波干燥相对传统热风干燥可减少96.5%～98.6 %的时间而红外干燥相比热风干燥只能减少80.2%～94.0%的时间[14]。

红外干燥可以和任何一种干燥技术（诸如真空、热风、微波、过热蒸汽干燥等）结合使用，充分发挥每个干燥方法的特点，让干燥速率最大化。结合微波进行干燥可以最大程度上降低干燥时间：微波干燥具有使干燥物料内部水分迅速外排的特点，但是外排的水分会在物料表面聚积而降低干燥速率，而红外干燥物料的内部水分溢到外部受阻但恰好具有迅速除去物料表面水分的优势[14-15]，将这两种方法结合可以发挥每个方法的优点，弥补各自的缺点，提高干燥速率[15]；红外干燥与传统热风干燥结合同样可以提高干燥速率，Sun 等发现除去相同含量的水分，结合热风预处理的干燥方式比只用红外干燥能提高20%的干燥速度[16]。

影响红外干燥速率的因素主要有红外辐射的功率以及被加热物料的厚度和体积大小，功率越高，物料厚度和体积越小，干燥速率越高[17-19]。这是由于辐射功率越高，单位面积的能量越大，被作用的水分子就越多，从而加快了干燥速率；基于红外波长与水分子吸收波长相匹配而引起水分子剧烈运动的干燥原理，红外干燥对物料具有一定的厚度要求，当物料厚度超出红外线波长，干燥速率就会下降，这也是远红外干燥速率要高于近中红外干燥速率的原因。因此，某种程度而言，红外干燥只适合于薄层干燥，这也是限制红外干燥技术在食品干燥领域应用中的瓶颈，它要求被干燥的物料平铺成薄面，这在一定程度上加大了生产成本，降低了生产效率。此外，有人对红外干燥结合风循环进行了研究，发现结合风循环不能提高红外干燥速度，反而因为降低了物料表面的温度而使干燥速度降低[17，20]。

2 干燥品质

干燥品质是决定干燥方式优劣的最重要的评价标准，品质的高低最终会影响产品的市场竞争力。食品的干燥品质主要分为3 个主要方面：感官指标（口感、外观和香气）、理化指标（营养物质的损伤程度）和微生物指标（干燥的灭菌效果）。

2.1 感官指标

红外干燥技术获得的产品具有相对较好的感官质量。Pan 等比较了热风干燥、蒸汽干燥和红外干燥处理的梨片的感官品质，发现红外干燥处理的梨片的质地和外观都要优于其它两种干燥方式，而且香气更清纯[11]；Gabel 对洋葱进行了红外干燥处理，发现相比市场零售的干燥洋葱和洋葱粉，红外干燥的洋葱颜色更好[21]；同未经干燥处理的杏仁相比，红外处理的杏仁在外观、内部结构、风味和质量上未出现明显的变坏情况[22]，同样，对于龙眼、稻米的红外干燥处理也不会影响其口感质量[23-24]。但是也有些许报道发现红外干燥会明显降低干燥产品的质量，特别是会加深颜色，使产品出现褐变[14，25]。

红外的辐射强度、干燥物料的厚度以及干燥时间都会影响干燥品质，在不同的干燥条件下，其干燥产品的质量差异明显[17-18，26]。此外，干燥温度对干燥质量也有一定影响[25，27]。

红外干燥可与其他干燥方法结合利用从而得到更好的干燥品质。Nathakaranakule 等分别将热泵干燥和热风干燥与红外干燥结合后对龙眼进行处理，发现结合红外干燥能提高干燥龙眼的多孔结构，带来低收缩性、高复水性、低硬度和低柔韧性的特点[24]；此外，将冷冻干燥与红外干燥结合可以提高干燥山药的复水性和总色差[28]；将低压过热蒸汽干燥和真空干燥与红外干燥结合使用可以使香蕉片更加清脆，提高香蕉片的孔隙度[29-30]；微波干燥和红外干燥结合相比单独利用微波和红外处理都能提高干燥产品的外观颜色[14]。这种结合干燥的方法用于提高产品干燥质量的应用不仅体现在食品干燥上，在其它干燥领域上也得到了很好的验证[31-32]。

2.2 理化指标

干燥对产品成分的结构会带来影响，特别是对温度和氧气敏感的成分。干燥条件不当会对产品的营养成分造成巨大的破坏，降低产品的价值。干燥产品的理化指标是评价干燥质量的一个很重要的方面。

相对而言，红外干燥对产品营养物质的破坏程度较小。Basman 对红外干燥技术用于快速蒸煮面条生产可行性进行了研究，他发现红外干燥处理的面条的黏度值增大，总膳食纤维、酶抗性淀粉和直链淀粉脂质的含量也有所增加，但其总有机质、面条的蒸煮时间和蒸煮损失降低，干燥质量较高[33]；Sellami 等比较了红外干燥与阴干、热风干燥以及微波干燥处理的月桂树叶，发现相比其它干燥方法，室温下阴干和45 ℃红外干燥对月桂树叶精油的破坏最小，其提取物中含氧单萜含量较高，挥发性物质损失较小[34]；红外干燥对总黄酮成分也具有很好的保护作用[35]；此外，Lee 等发现，由于对样品结构产生了影响从而提高了提取效率，相比冷冻干燥，红外干燥处理的深海褐藻提取物的多酚含量要更高，对释放深海褐藻中的生物活性物质更有效[36]。

将红外干燥与其它干燥方法结合利用同样可以降低对干燥物料营养物质的损伤。Niamnuy 等研究了大豆中的生物活性物质——异黄酮在不同干燥方法下的变化情况，发现与热风流化床和过热蒸汽流化床干燥相比，红外和热风干燥结合的方法对异黄酮的破坏最小，同时干燥产品具有较高的抗氧化活性[37]；将红外干燥与冷冻干燥结合使用相比只采用冷冻干燥也能够更好地保护干燥西兰花中的总多酚和硒代半胱氨酸物质[38]。

与其它干燥方法一样，不同温度的红外处理也会影响干燥产品的营养物质含量。Senevirathne 在5 个温度（40、50、60、70、80 ℃）下对柑橘滤饼进行了红外干燥，发现不同的温度处理下的多酚和总黄酮差异显著，在70 ℃下具有最高的多酚和总黄酮含量[35]；而Niamnuy 在4 个温度（50、70、130、150 ℃）下对大豆进行红外干燥，发现随着温度升高，大豆异黄酮内部转化速率增加，在150 ℃条件下各种异黄酮的降解速率达到最高[39]。

2.3 微生物指标

作为评价干燥质量很重要的指标，微生物含量是评价食品安全系数和保存期的重要依据。红外干燥能够起到很好的灭菌的效果，提高产品的质量安全。

Gabel 等比较了60、70 ℃和80 ℃下热风和红外干燥处理洋葱的微生物情况，对干燥洋葱的酵母菌和霉菌残存数量统计后发现，无论在哪种干燥条件下，红外处理后的洋葱的酵母菌和霉菌的残存数量都要明显小于热风干燥处理后的洋葱的微生物残存数量[20]。利用红外和热风结合的干燥方式会取得更好的灭菌效果，Yang 等采用了红外、热风以及红外与热风结合的方法，分别在130、140 ℃和150 ℃下对杏仁进行了干燥灭菌处理，发现灭菌效果随着温度升高而增加；除去相同数量的小球菌，红外与热风结合的方法相比热风干燥的方法能节省38%～62%的时间，在相同的干燥程度上其灭菌效果也要高于单独采用热风干燥或者红外干燥，而且灭菌程度可以达到食品工业生产对微生物数量控制的要求[40]。

3 干燥能耗

在农业能耗方面，农产品和食品干燥的能耗占很大比例。在世界能源匮乏的当今年代，降低能耗，提高能源利用率具有非常重要的意义。红外干燥由于不加热干燥介质而且具有加热效率高的特点，使得其具有相对较低的能耗。

红外干燥相比热风干燥能够很大程度上降低能耗，Ning 等即发现对于人参的干燥，红外干燥相比热风干燥能降低9.67%～14.85%的能耗[41]。Motevali 等对热风、微波、真空以及红外干燥石榴皮的能耗情况进行了研究，发现能耗最高的干燥方式是真空干燥，为2.72 kW·h～12.83 kW·h，能耗最小的为微波干燥，介于0.167 kW·h～0.35 kW·h，红外干燥的能耗略高于微波干燥，但是低于热风干燥的能耗（2 kW·h～11 kW·h），约为0.66 kW·h～3 kW·h[42]，此外，他们还对蘑菇进行了干燥的能耗研究，发现能耗最低的同样是微波干燥，其次是红外干燥，在这个研究中他们还采用了红外干燥与热风干燥结合的干燥方式，发现这种干燥方法的能耗要高于单独使用红外干燥，但是远低于热风干燥[43]；将红外干燥和微波干燥结合可以最大程度上降低能耗，Wang 等采用响应面分析法得出将红外干燥用于干燥的第一阶段、将微波干燥用于干燥的第二阶段可以得到最低的能耗率，而且能耗率受两个干燥阶段转换时间的影响[44]；Nimmol 也在实验中发现将红外与低压过热蒸汽干燥结合也可以降低能耗[13]。

影响红外干燥能耗的因素主要是红外辐照强度。有研究表明，随着辐照强度（辐照功率）的增强，其总能耗降低[24]。这可能是由辐照强度增大，所需干燥时间缩短所致。但是考虑到能耗为功率与干燥时间的相互作用，所以最小的能耗应该在综合辐照强度和干燥时间后得到。需要指出的是红外干燥过程中通风会增加能耗，而且随着风速增大，能耗增大，这是由于通风会降低红外干燥速度，而且通风设备本身要消耗能量所致[42]。

4 结语

红外干燥是一种新兴的干燥方式，其干燥过程中不加热介质，空气不会吸收红外能量，干燥效率高。同微波干燥相比，同样具有干燥速度快、能耗低、不受时间空间影响、可大规模生产的特点，而且红外对人身体无害，对设备的要求低，不需要高的初始成本，操作简单，干燥质量相对较好，是一个值得研究利用的干燥方法。

由于红外干燥的技术特点，其在干燥过程中可以很方便的与其它一甚至多个干燥方法结合使用，充分发挥各干燥方法的优点，弥补各自的缺点，达到更好的干燥品质。红外干燥方法在将来的食品工业生产上必将得到更加广泛的应用。

[1] LAHIRI B B,BAGAVATHIAPPAN S,JAYAKUMAR T,et al.Medical applications of infrared thermography：a review[J].Infrared Physics ＆ Technology,2012,55(4):221-235

[2] CUNHA C B,EDUARDO F P,ZEZELL D M,et al.Effect of irradiation with red and infrared laser in the treatment of oral mucositis[J].Lasers in Medical Science,2012,27(6):1233-1240

[3] ROGALSKI A.History of infrared detectors[J].Opto-Electronics Review,2012,20(3):279-308

[4] HOPKINS R J, PELFREY S H, SHAND N C.Short-wave infrared excited spatially offset Raman spectroscopy (SORS）for throughbarrier detection[J].Analyst,2012,137(19):4408-4410

[5] OLMEDA D,ESCALERA A,ARMINGOL J M.Far infrared pedestrian detection and tracking for night driving[J].ROBOTICA,2011,29：495-505

[6] IWASAKI Y, KAWATA S.A robust method for detecting vehicle positions and their movements even in bad weather using infrared thermal images [C]//Technological Developments in Education and Automation,Berlin：Springer-Verlag Berlin,2010：213-217

[7] WETTERLIND J,STENBERG B,ROSSEL R A V.Soil analysis using visible and near infrared spectroscopy[J].Methods in molecular biology(Clifton,N.J.）,2013,953：95-107

[8] ROME C, GRAVIER J, MORILLE M , et al.Near-infrared optical imaging of nucleic acid nanocarriers in vivo[J].Methods in molecular biology(Clifton,N.J.）,2013,948：49-65

[9] KHIR R, PAN Zhongli , SALIM A , et al.Moisture diffusivity of rough rice under infrared radiation drying [J].LWT-Food Science and Technology,2011,44(4):1126-1132

[10] SHI J,PAN Zhongli,MCHUGH T H,et al.Drying and quality characteristics of fresh and sugar-infused blueberries dried with infrared radiation heating[J].LWT-Food Science and Technology,2008,41(10):1962-1972

[11] PAN Zhongli.Feasibility of using infrared heating for blanching and dehydration of fruits and vegetables[C]//ASAE Annual International Meeting.Tampa,Florida.17-20 July 2005：1-10

[12] SHIH C,PAN Zhongli,McHugh T.Sequential infrared radiation and freeze-drying method for producing crispy strawberries[J].TRANSACTIONS OF THE ASABE,2008,51(1):205-216

[13] NIMMOL C, DEVAHASTIN S, SWASDISEVI T, et al.Drying and heat transfer behavior of banana undergoing combined low-pressure superheated steam and far-infrared radiation drying[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(14/15):2483-2494

[14] TIREKI S, SUMNU G, ESIN A.Production of bread crumbs by infrared-assisted microwave drying[J].European Food Research and Technology,2005,222(1/2):8-14

[15] KOWALSKI S J , MIERZWA D.Convective drying in combination with microwave and IR drying for biological materials[J].Drying Technology,2009,27(12):1292-1301

[16] SUN J,HU X,ZHAO G,et al.Characteristics of thin-layer infrared drying of apple pomace with and without hot air pre-drying[J].Food Science and Technology International,2007,13(2):91-97

[17] KOCABIYIK H,TEZER D.Drying of carrot slices using infrared radiation [J].International Journal of Food Science ＆ Technology,2009,44(5):953-959

[18] ZHU Yi, Pan Zhongli.Processing and quality characteristics of apple slices under simultaneous infrared dry-blanching and dehydration with continuous heating [J].Journal of Food Engineering,2009,90(4):441-452

[19] SHI Junling,PAN Zhongli,MCHUGH T H,et al.Effect of berry size and sodium hydroxide pretreatment on the drying characteristics of blueberries under infrared radiation heating[J].Journal of Food Science,2008,73(6):259-265

[20] GABEL M, PAN Zhongli, AMARATUNGA K S P, et al.Catalytic Infrared Dehydration of Onions [J].Journal of Food Science, 2006,71(9):351-357

[21] GABEL M, PAN Zhongli.Quality and Safety Characteristics of Infrared Dried [C]//ASAE Annual International Meeting.Ottawa,Ontario,Canada.1-4 August 2004：1-10

[22] BINGOL G,YANG Jihong,BRANDL M T,et al.Infrared pasteurization of raw almonds [J].Journal of Food Engineering,2011,104(3):387-393

[23] PAN Zhongli,KHIR R,BETT-GARBER K L.Drying characteristics and quality of rough rice under infrared radiation heating[J].American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2011, 54(1):203-210

[24] NATHAKARANAKULE A, JAIBOON P, SOPONRONNARIT S.Far-infrared radiation assisted drying of longan fruit[J].Journal of Food Engineering,2010,100(4):662-668

[25] KAMMOUN B A,GHANEM N,MIHOUBI D,et al.Effect of infrared drying on drying kinetics, color, total phenols and water and oil holding capacities of orange (citrus sinensis）peel and leaves[J].International Journal of Food Engineering,2011,7(5):1-25

[26] SHIH C, PAN Zhongli, McHugh T.et al.Sequential infrared radiation and freeze-drying method for producing crispy strawberries[J].Transactions of the Asabe,2008,51(1):205-216

[27] ZHU Yi,PAN Zhongli,MCHUGH T H,et al.Processing and quality characteristics of apple slices processed under simultaneous infrared dry-blanching and dehydration with intermittent heating[J].Journal of Food Engineering,2010,97(1):8-16

[28] LIN Y P,TSEN J H,KING V.Dehydration of yam slices using FIRassisted freeze drying [J].Journal of Food Engineering,2007,79(4):1295-1301

[29] NIMMOL C,DEVAHASTIN S,SWASDISEVI T,et al.Drying of banana slices using combined low-pressure superheated steam and far-infrared radiation[J].Journal of Food Engineering,2007,81(3):624-633

[30] LEONARD A, BLACHER Sl, NIMMOL C, et al.Effect of far-infrared radiation assisted drying on microstructure of banana slices：An illustrative use of X-ray microtomography in microstructural evaluation of a food product [J].Journal of Food Engineering, 2008,85(1):154-162

[31] KOWALSKI S J,RAJEWSKA K.Convective Drying Enhanced with Microwave and Infrared Radiation[J].Drying Technology,2009,27(7/8):878-887

[32] PAWAR S B,KUMAR P,MUJUMDAR A S,et al.Infrared-convective drying of organic pigments [J].Drying Technology,2008,26(3):315-322

[33] BASMAN A,YALCIN S.Quick-boiling noodle production by using infrared drying[J].Journal of Food Engineering,2011,106(3):245-252

[34] SELLAMI I H,WANNES W A,BETTAIEB I,et al.Qualitative and quantitative changes in the essential oil of Laurus nobilis L.leaves as affected by different drying methods[J].Food Chemistry,2011,126(2):691-697

[35] SENEVIRATHNE M, KIM S H, KIM Y D, et al.Effect of far-infrared radiation drying of citrus press-cakes on free radical scavenging and antioxidant activities[J].Journal of Food Engineering,2010,97(2):168-176

[36] LEE S H.Effects of far infrared radiation drying on antioxidant and anticoagulant activities of ecklonia cava extracts[J].Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry,2010, 53(2):175-183

[37] NIAMNUY C,NACHAISIN M,LAOHAVANICH J,et al.Evaluation of bioactive compounds and bioactivities of soybean dried by different methods and conditions[J].Food Chemistry, 2011, 129(3):899-906

[38] MAHN A,ZAMORANO M,BERRIENTOS H,et al.Optimization of a process to obtain selenium-enriched freeze-dried broccoli with high antioxidant properties[J].LWT-Food Science and Technology,2012,47(2):267-273

[39] NIAMNUY C , NACHAISIN M, NATTAPOL P, et al.Kinetic modelling of drying and conversion/degradation of isoflavones during infrared drying of soybean[J].Food Chemistry,2012,133(3):946-952

[40] YANG Jihong, BINGOL G, PAN Zhongli, et al.Infrared heating for dry-roasting and pasteurization of almonds[J].Journal of Food Engineering,2010,101(3):273-280

[41] NING Xiaofeng, HAN Chungsu.Drying characteristics and quality of taegeuk ginseng (Panax ginseng C.A.Meyer）using far-infrared rays[J].International Journal of Food Science and Technology,2013,48(3):477-483

[42] MOTEVALI A, MINAEI S, KHOSHTAGAZA M H.Evaluation of energy consumption in different drying methods [J].Energy Conversion and Management,2011,52(2):1192-1199

[43] MOTEVALI A,MINAEI S,KHOSHTAGHAZA M H,et al.Comparison of energy consumption and specific energy requirements of different methods for drying mushroom slices[J].Energy,2011,36(11):6433-6441

[44] WANG Jun,SHENG Kuichuan.Far-infrared and microwave drying of peach[J].LWT-Food Science and Technology,2006,39(3):247-255