高压电场干燥技术在农产品干燥中的应用研究与发展

陶思宇 段纪发 李传峰 童子荣 马博

摘 要：对农产品运用高压电场干燥技术具有缩短干燥时间、提升干燥速率、干燥成品品质佳等优点。该文分析了高压电场干燥装置的基本结构和原理，探究了电压大小和电极板形状对干燥速率的影响，揭示了在一定范围内，干燥速率和电压呈线性正相关，且针电极干燥速率大于板电极。

关键词：高压电场干燥技术;农产品干燥;应用

中图分类号 S377;O441 文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）16-0151-03

Application and Development of High Voltage Electric Field Drying Technology in Agricultural Products Drying

TAO Siyu et al.

（Tarim University， College of Economic and Management， Alar 843300， China; The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Alar 843300， China）

Abstract： The application of high-voltage electric field drying technology to agricultural products has the advantages of shortening drying time， improving drying rate and producing good quality of dried products. This paper analysis the basic structure and principle of high-voltage electric field drying device， explores the effect of voltage value and electrode plate shape on the drying rate， and concludes that the drying rate and voltage value are linearly positively related and the drying rate of the needle electrode is greater than that of the plate electrode.

Key words： High voltage electric field drying technology; Agricultural products drying; Application

农产品极易发生口味、形状和营养上的变化，这是由于农产品在加工、储存和运输过程中各种物理和化学变化所引起的。干燥技术的发展为解决这一问题作出了巨大贡献。干燥是利用热能蒸发并去除固体膏状或液体材料中的液体以获得固体产品的过程，目的是延长食品的储存期限并方便食品的运输。干燥方法有很多，如热风干燥、自然干燥、远红外干燥、微波干燥和高压电场干燥[1]。其中，农产品在高压静电场处理过程中不会加热，这有效保留了其最优良的特征。在日常生活中，被高压电场干燥后的农产品品质优良，并且具有很长的存储时间。干燥成品最大程度地保持了农产品的原始形状，同时保留了其颜色、香气、味道、营养成分等。

1 高压电场干燥装置基本结构与原理

高压电场干燥设备主要部件为变压电源、升压器和干燥室系统[2]，如图1所示。根据实际情况﹐由外接电源给变压电源供电，并通过升压器进行升压，通过两极板的作用即可在干燥室内产生一个高压非均匀电场。当物料置于两极板之间就会受到高压电场的作用，在高压电场的作用下，物料中的水分蒸发较活跃，导致蒸发速度变快，加快了干燥速率。

过去主要通过传热传质的方式对材料进行干燥，而高压电场干燥的电场能传质，无论在加热还是在干燥上，与传统的干燥方式都有着显著的区别。它是利用高压电场产生的离子风实现对材料的干燥。通过离子的相互运动，让其与周围的其他分子发生接触和碰撞，进而在需要干燥的材料上空形成一股离子风。由于受离子风运动的影响，材料表面的水蒸气蒸发较快，这也就意味着材料可以在较短的时间内被干燥完毕[3-6]。

2 高压电场干燥技术在农产品中的应用研究现状

高压电场干燥技术以其良好的适应性和经济性被广泛应用于农产品干燥加工。在早期探索阶段，白亚乡等[7]指出电流体动力学干燥装置的干燥速度与能耗受针-板电极的电压大小、上下电极和针间距等工艺参数的影响。研究表明：干燥速度和电压在一定范围内呈线性正相关;干燥速度的快慢由针间距和上下电极间距的不同所引起，且都存在最佳值，使得干燥速度最佳。该研究揭示了电流体动力学干燥机理，为今后研制高压电场干燥设备及其改造提供了理论基础。内蒙古大学农业物理工程技术研究中心的梁运章[8]根据“高压电场能传质”的创新原理开发了GXJ-2型静电干燥机，并使用该高压电场干燥机和烘箱对知母饮片、厚朴饮片、赤芍饮片、陈皮饮片、薄荷饮片进行对比干燥试验。结果表明：在对中药饮片干燥过程中，高压电场干燥速度比烘箱快7.7%～42.86%，干燥成品的有效成分多保留2.7%～30%。该设备的开发在一定程度上推进了高压电场干燥产品品质評价体系的建立。另外，该仪器还具有自动化程度高、体积较小、制造成本低等优点，解决了不可批量生产的难题，极大地促进了设备推广和我国中药干制产业发展，开创了高压电场烘干中药的先河。

为确定水产品最佳干燥工艺参数，提高水产品的干燥质量，白亚乡、许焱等[9-11]开展了水产品干燥领域的研究，在同一温度、不同高压电场强度下，研究斑鰶鱼、海米、扇贝柱的收缩率、复水率以及感官，并与其他干燥方式进行对比。结果表明：在同一温度下，高压电场在33～45kV，水产品的各个检测指标均高于其他单一干燥方式。干燥加工是果蔬加工的一种基本方法，但目前的干燥工艺耗时耗力。随着干燥工艺参数的进一步完善，为了能更好地将高压电场干燥技术应用于果蔬脱水的研究中，于彰彧等[12]在高压电场一定的情况下，通过控制胡萝卜片干燥过程中的温度，使得胡萝卜片的复水性和能源利用率得到明显提高。由此可见，在高压电场干燥过程中，应根据不同物料特性适时调整干燥温度以提升干燥效率。Esehaghbeygi A等[13]研究了高压静电场（HVEF）处理的番茄片的干燥速率，与传统风干相比，HVEF干燥方法显著降低了干燥成品的水分含量、表面温度和表观颜色，但收缩率几乎无异，平均干燥速率为传统风干的2倍，耗能仅为16.5MJ/g。在农产品干燥过程中，高压电场会影响农产品表面的微观结构，随着高压电场强度的增加，会导致传热传质因子呈增长关系，电晕放电得越强，水从样品表面蒸发的速度就越快。

3 高压电场干燥与其他干燥技术联合干燥

随着干燥理论研究的深入，高压电场干燥技术迅速发展，并呈与多技术联合发展的趋势，白亚乡等[14]将海参作为试验对象，使用高压电场联合真空冷冻干燥方法，对品质和复水率进行研究。结果表明：由于该联合干燥的环境是真空条件且温度较低，海参体内的水分向样品表面移动时不会带动可溶性物质，样品表面不会形成硬壳，因此联合干燥后海参品质优良且硬度较低、收缩率较小。Sriariyakul W等[15]利用远红外辐射（FIR）和高压电场（HVEF）辅助热风干燥对芦荟原浆进行研究。结果表明：在0.2m/s的风速和高压电场作用下，干燥能耗显著降低，结合FIR和HVEF热风干燥芦荟原浆的最佳条件为风速0.2m/s、温度70℃、高压电场强度3.75kV/cm。王航等[16]运用高压电场耦合热风干燥技术研究香蕉片干燥速率和含水率。王进康等[17]从恒速干燥阶段和降速干燥阶段研究高压热风干燥条件对玉米特性的影响。结果表明：高压电场耦合热风干燥工艺能明显改善干燥物料的干燥品质、缩短干燥时间、提高干燥效率，表明高压热风干燥使物料表面水分加速蒸发， 因此物料内部水分向表面的移动速率也加快， 从而加快了物料的干燥速度。该研究成果已经推广应用到甘蓝、青椒、马铃薯片等的干燥加工中，有效改善了以往使用纯热风干燥产品表面出现硬壳的缺点，提高了成品品质。

综上所述，高压电场干燥技术是一种基于高压电场传质的优良技术，具有能耗低、干燥均匀、物料不升温、干燥成品品质优良的优点，在干燥技术领域有着不可替代的地位，但同时也存在一些问题：一是高压电场干燥在干燥物料过程中存在如何建立与完善干燥模型的问题;二是目前的研究虽然基本趋于成熟，但大部分只是基于实验室水平，实际的应用还需开发适合农产品加工的仪器设备。

4 影响高压电场干燥的因素

高压电场干燥是目前使用较为广泛的干燥方法，由于其物料在干燥过程中受两极板之间的高压非均匀电场作用，因此影响高压电场干燥的因素有电压大小、电极形状等，其中以电压大小影响最为显著。

4.1 电压大小 王云龙等[18]通过试验证明电压大小是影响花椒精油含量的主要因素。通过对高压电场干燥过程中芸豆角复水率进行测定，发现在温度一定的条件下，干燥电压越高，复水率越高。由此可见，电压大小是影响高压电场干燥的最主要因素，且在一定范围内，电压越高，物料干燥速率越快[19]。

4.2 电极形状 不同的电极形状也是影响高压电场干燥的重要因素。丁昌江等[20]在高壓电场的基础上，采用针状和板状电极对熟牛肉进行干燥试验。结果表明：针状电极的干燥速度明显高于板状电极，前者的速度是后者的2～3倍。廖超[21]研究表明，采用针—网—针结构的高压电场干燥系统，随电场强度（4～6kV/cm）的增加，平均干燥速率逐渐增加，干燥时长逐渐减少，与板电极相比，干燥速率最快提高了68.3%，干燥时长最高减少了41.9%。其他试验结果也表明，在一定的高压范围内，针电极干燥速率优于板电极。这是因为针电极具有加速电晕放电产生的趋势，将针尖端带电相反的离子吹向针尖下方，增强电晕放电传热和传质。

5 展望

目前，高压电场技术已趋于成熟，并已开始应用于农产品干燥中，但在今后发展过程中还要注意几个关键点。一要提高整个干燥过程的自动化程度，降低劳动强度。不同物料的特性不同，相同物料在不同状态时其特性也不尽相同，因此要根据具体情况制定合适的干燥工艺，对干燥过程模型、模拟领域的研究需更加深入，利用高压电场耦合其他干燥方式，建立完整的干燥体系，包括干燥前对物料预检验、干燥过程中实时监测调控干燥工艺参数、干燥后检测。只有建立了完整的体系才能确保干燥成品的品质[22]。二要因地制宜推广适当规模的加工企业，推进产地加工发展，推动高压电场干燥技术与其他农产品加工过程相结合，以减少加工前运输、储存所造成的能源消耗和农产品损失。

优化高压电场干燥关键技术、提高农产品干燥效率、提升干燥品质，对推进农产品产业健康持续发展具有重要的现实意义。因此，高压电场干燥技术要与时俱进，与新能源、新材料、新理论相结合，探索发现高压电场干燥技术的微观原理，加快新设备的研制，研究干燥过程中物料间的相互作用，提高热效率，并推进高压电场干燥技术实施可持续绿色发展。

参考文献

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（责编：徐世红）