农产品微波组合干燥技术研究进展

李少萍，张小燕，刘瑞祥，郭亚琳，李紫豪，赵庆亮

（中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

中国是农业大国，也是农产品贸易大国。我国农产品产量巨大，刚收获的新鲜农产品，特别是水果和蔬菜，水分含量通常可达75%～95%，采后运输和储藏过程中存在货运成本高、储存难度大及损耗严重等问题[1-2]。干燥是延长新鲜食品保质期、方便后期运输、贮存、销售和出口的有效方法。依据干燥制品的水分含量和最终品质，脱水蔬果被视为不同等级和规格的零食产品。在许多国家，方便食品的普及程度不断增长，刺激了人们对优质脱水蔬菜和水果的需求。预计未来十年，在全球所有新兴经济体中，食品脱水加工技术的需求将呈现持续甚至加速增长的趋势[3]。

干燥是农产品脱水加工的重要方式，将农产品水分含量降低到一定程度，获得干制产品，对减小农产品的运输难度，延长物料的贮存期和降低物料的加工成本具有重要的意义。但农产品干燥是一种高耗时、高耗能的加工过程，目前，我国常用的主要农产品脱水方式有热风干燥、真空冷冻干燥、热泵干燥及微波干燥等。脱水产品的品质和加工成本受干燥方法和干燥进程的影响很大。干燥过程引起各种物理变化和化学变化，包括收缩、表面硬化、呈多孔性、疏松性、复原不可逆性等物理性质的变化，以及营养成分破坏、风味改变和褐变等化学性质的变化[4]。所有这些物理和生化变化都在不同程度上影响产品质量及营养价值。由于农产品物料多样及性质复杂，单一形式的干燥技术很难满足最终产品的品质要求。微波组合干燥技术可以将微波干燥的快速高效与其他干燥方式结合，其速度和效能远远优于常规的干燥方式，从而可较好地解决干燥产品的品质与经济效益之间的矛盾。因此，研究不同干燥方式对干燥产品的影响，开发适合农产品的高效绿色、产品优质的组合干燥方式尤为重要。

1 常用农产品干燥技术研究

1.1 热风干燥技术

热风干燥的干燥介质是热空气，热空气的成本低且处理量大，容易实现自动化，生产方法简单及产量高，但是热风干燥会导致产品表面硬化、高收缩率、低孔隙率、明显变色和复水效果差[5]。普通的热风干燥通常需要约三分之二的总干燥时间才能去除约三分之一的水分，由于干燥时间长，干燥温度较高，氧化反应不可避免，营养物质流失严重，物料的色泽改变较大，引起产品品质降低[6]。研究人员分别以青梅和香菇为原料分析几种干燥方式对脱水干燥产品感官品质的影响，结果表明热风干燥的产品感官品质较差，干燥产品表面皱缩、复水性差和颜色变暗。此外，热风干燥温度较高，加热过程中易使挥发性物质发生反应，会改变产品的气味或者起到增香的作用[7-9]。鲁加惠等[8]的研究结果表明热风干燥的香菇产品比冷冻干燥的产品气味更佳。因此，热风干燥通常适合生产附加值较低且热加工对成品特色成分影响较小的农产品，对于其工艺上的不足，与其他干燥方式进行组合干燥是较好的突破口。

1.2 热泵干燥技术

热泵干燥器的工作原理是逆卡诺循环工作，在工作时，热量主要来自回收干燥过程中排出的温湿空气所含的显热和潜热，需要输入的能量只是热泵压缩机的耗能，而热泵干燥具有消耗少量的能量获得大量热量的特点。因此，和常规的干燥装置相比，热泵干燥的能耗具有明显的节能优势。Chin等[10]以灵芝为原料研究热泵干燥对产品粗多糖含量及色泽的影响，结果表明热泵干燥对粗多糖的保留率较高且产品颜色较好。然而热泵干燥也具有不可避免的缺点。热泵干燥机投资大且后期维护费用高；热泵干燥过程受环境的温度、湿度和热泵干燥器的结构等因素的影响较大[10]。热泵干燥后期干燥速率下降、时间增长，导致干燥产品的感官品质下降，营养成分降低，得不到优良品质的产品[11]。因此，热泵干燥适合干燥生物活性含量较高的产品，批量干燥高水分含量的农产品也具有天然优势，可继续进行组合干燥方式优化进行节能降耗。

1.3 微波干燥技术

微波干燥是通过微波穿透物料，即微波可以不借助热梯度的情况下加热产品，对脱水具有积极作用。微波干燥技术具有速度快、效率高、加热温度和功率均可调节、自动化程度高等优点。微波干燥时间短，可以有效保护酚类等抗氧化性活性成分，王振帅等[12]研究了不同干燥方式对朝鲜蓟粉多酚含量、抗氧化性及香气成分的影响，结果表明微波组酚类物质含量保留效果最好，抗氧化能力最强，香气物质增加且呈香效果较好。但单纯利用微波进行干燥的局限性较大，微波干燥存在物料装载量过大时均匀性得不到保障，微波热源散热性差，干燥温度不易控制，同时在一定条件下易发生放电现象，且微波干燥设备投资大、维护成本高、易受外界因素影响[13]。

1.4 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥技术是利用冰晶升华的原理，在高度真空的环境下，将已冻结的食品物料的水分不经过冰的融化直接从固体冰升华为蒸汽，一般真空干燥物料中的水分是在液态下转化为汽态而将食品干制。由于该干燥技术在低温、低氧环境下进行，大多数生物反应停滞，且处理过程水分无流动，直接以固体的形式升华，使物料原有结构和外形得到最大程度保护，最终获得物理感官和内外品质兼备的优质干燥产品。真空冷冻干燥产品具有低收缩率、高孔隙率、色泽浅和复水效果较好的特点[14-16]。而对于给定的干燥速率，真空冷冻干燥可使产品在比大气压更低的温度下干燥，而且脱水过程中不存在空气可以减少氧化。真空冷冻干燥由于其低温和缺氧的环境，有助于保存矿物质和维生素，对一些易分解的物质如酚类、酮类保留效果也较好。Schulze等[17]和Mejia-Meza等[18]分别以苹果、蓝莓为研究对象，得出苹果中槲皮素的总含量和槲皮素糖苷的组成不受真空冷冻的影响；冷冻干燥的蓝莓具有较高的抗氧化活性，多酚和花色苷的保留率更高。王晓敏等[19]的研究结果表明真空冷冻干燥对金针菇品质影响最低，多酚氧化酶活性最低，适宜用来对金针菇进行干燥处理。因此，真空冷冻干燥特别适用于对热敏感和活性成分含量较高的产品，例如高糖含量的水果和某些高价值的果蔬[20]。但真空冷冻干燥技术存在设备成本高、能耗大、时间长、干燥工艺复杂等缺点[21]。

2 微波组合干燥技术的应用研究

微波加热使农产品物料传热传质同向，具有很高的能量转换效率，可方便地与其他干燥方法结合起来以发挥各自的优势。微波相关的组合干燥利用了常规干燥方法和微波加热的优势，因此比单独进行微波干燥或其他单一的干燥工艺更优。作为辅助干燥方法，微波技术已广泛用于农产品的脱水干燥。组合干燥技术可以将不同干燥方式的优点有机结合起来，避免了单一干燥方法的弊端。迄今为止，关于微波组合干燥方式的应用研究成果呈现强适应性、节能降耗、品质提升等众多优势。

2.1 微波热风干燥技术

微波热风组合干燥技术与单一的热风或微波干燥方式相比，在很多方面都具有明显的优越性，可以大幅提高干燥速率、降低干燥能耗、改善干燥产品的品质等，因而广泛地应用于农产品加工中。Xu等[22]研究了热风干燥和微波真空干燥结合干燥甘蓝。结果表明，总干燥时间比热风干燥减少了约一半，而营养成分和叶绿素的保留值却得到了显著提高。而且微波真空干燥产品具有更多孔的质地，微波干燥对产品显示出有效的杀菌作用，干燥产品的质量好。

Wang等[23]的研究表明，间歇性微波辅助热风干燥大大缩短了干燥时间，提高了干燥速度。当使用微波辅助干燥时，多糖含量最高（240.28 mg/100 g）。此外，微波辅助干燥过程中产生的硝酸香气的种类和数量较多，热风干燥处理的香菇显示出最多的硫代芳香族化合物（7.7%）。因此，利用热风与微波组合干燥香菇等芳香物料，不仅提高速度，而且具有增强物理性能或化学成分的作用。

2.2 微波热泵干燥技术

随着热泵干燥技术逐渐成熟和人们对环境问题的重视，热泵干燥技术已广泛应用于农产品等领域，但热泵干燥后期干燥速率过慢，热泵和微波干燥的组合可以提供所需的干燥条件，以实现更快的干燥速度、更低的收缩率、更好的产品外观以及更低的运行成本。

结合热泵干燥和微波干燥的优点，田冰等[24]采用热泵-微波联合干燥方法干燥青花椒，初期含水率较高先用热泵干燥，待物料水分含量降到一定程度后再用微波干燥，这样能够节能减排、提高干燥效率和产品品质，为联合干制青花椒的工业化生产提供参考依据。

关志强等[25]以罗非鱼片为研究对象，前期热泵干燥阶段，采用低温干燥方式，可避免罗非鱼片蛋白质变性、营养成分流失、感官变差等。取热泵干燥风速3.0 m/s，能较好地避免鱼片表面“硬壳”效应。后期微波干燥阶段，采取间歇干燥方式，可改善干制罗非鱼片口感、保持较好的色泽和减缓蛋白质变性等。热泵干燥罗非鱼片至40%含水率以后，干燥速率逐渐变慢，取40%作为热泵-微波组合干燥转换时的含水率，能得到品质较佳的干制罗非鱼片。因此将热泵与微波结合起来进行分段干燥，可节能降耗、节约成本。

2.3 微波真空干燥技术

微波真空干燥是一种基于微波加热的干燥方法，它是通过将微波辐射结合到常规真空干燥机中来加热和蒸发水分，而不是通过传导和对流加热来完成的。微波真空干燥结合了微波快速进行加热和低温蒸发水分以及通过真空更快去除水分的优点。与在常压和冷冻干燥条件下干燥的食品相比，微波真空干燥可以提高产品质量。真空干燥也减少了氧气的暴露，限制了氧化并保持了脱水产品的风味和颜色，在保存内部具有多孔结构的蛋白质方面也显示出优势[26]。

微波真空干燥越来越多地用于食品科学研究和农产品的商业干燥中。大量研究证实，微波真空干燥可以缩短干燥时间，提高能源效率并减少能耗，而且可以生产高质量的干燥产品，其特性与冷冻干燥产品相似或更好[27]。Qu等[28]的研究表明，真空微波干燥可以提高干燥绿茶的抗坏血酸和氨基酸含量。微波干燥被认为更有利于保留抗坏血酸、叶绿素和其他绿茶活性成分。Gaware等[29]使用不同方法干燥番茄，微波真空干燥仅用36 min即可将水分从94.2%降低到5%以下，而热风干燥、热泵干燥和冷冻干燥分别需要200、200、580 min才能除去相同量的水分。Duan等[30]研究了不同的干燥方法对干燥海参产品质量和总干燥时间的影响。冷冻干燥可以带来最佳质量，但干燥时间最长；热风干燥海参的质量最差，干燥时间也很长；微波真空干燥可以实现较好的质量和更短的干燥时间。

微波干燥比冷冻干燥或空气干燥提供更快的热传递，微波真空干燥技术是过去十年中经过广泛测试的干燥技术，具有很大的优势和发展潜力。Lao等[31]的研究表明，与微波冷冻干燥相比，微波真空干燥可以将干燥时间缩短达89%。较短的干燥时间有助于保留重构过的甘薯颗粒中花青素和其他营养成分。微波真空干燥是代替冷冻干燥和热空气干燥的有效方法，与冷冻干燥相比，微波干燥具有以较低的成本和更快的速度生产脱水水果和蔬菜产品的潜力。

2.4 微波真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥是一种最佳的干燥技术方法，因为它可以保持原始物质的结构、营养和颜色，但干燥时间长、干燥成本高是真空冷冻干燥最明显的局限。微波真空冷冻干燥技术结合了微波和真空冷冻的优点，可以提高能源效率和产品质量，将其应用于高附加值农产品的脱水干燥具有很强的发展潜力。冷冻干燥与微波真空干燥相结合被认为是一种高质量、高效、节能的干燥方法，已成为干燥脱水领域研究的热点，主要应用于脱水苹果片、海参和蘑菇片等[32]。

许多基于微波冷冻干燥的试验研究表明，与其他的冷冻干燥方法相比，微波冷冻干燥的干燥速率大有提升，总体时间减少了50%～75%，产品显示出比传统的冻干产品更高的挥发性物质保留水平[19]。Duan等[33]为了开发一种改进的海参脱水方法，将微波冷冻干燥作为一种可能的方法进行了测试。结果表明，微波冷冻干燥可以将干燥时间减少到传统真空冷冻干燥过程的一半左右。微波冷冻干燥海参与相应冷冻产品的复水率和感官值等指标之间无显著差异，为了提高干燥速度，在升华阶段可采用较高的微波功率。Cui等[34]对比了冷冻干燥和微波真空冷冻干燥对胡萝卜切片的胡萝卜素保留率和苹果切片的维生素C保留率的影响，结果表明两种干燥方式对研究的成分保留率接近，并且相比传统的热风干燥，胡萝卜素保留率更高。用微波真空冷冻干燥方法制备的样品与冻干样品相比具有非常接近的复水能力、保色性和质地，但收缩率略高，并且大大缩短了干燥时间，提高了干燥产品的品质。相关研究表明[35-37]微波真空冷冻干燥能有效保留产品的生物活性成分，适用于干燥功能性农产品。Cui等[38]研究表明，与冷冻干燥相比，微波真空冷冻干燥是生产富含益生菌苹果干零食的更好选择，该零食在室温25℃下具有更高的细菌稳定性和更好的感官接受度，如松脆度和颜色。微波真空冷冻干燥具有更短的处理时间和减少能源耗费，因此在冷冻干燥方面具有经济优势。

微波冷冻干燥是加速干燥过程和提高整体质量的最有前途的技术之一，这对中等价值的产品（例如普通水果和蔬菜）用途很大，微波冷冻干燥技术在改良现有农产品冻干工艺、技术领域具有潜力，但该项技术大多处于实验室研究阶段，适宜工业化批量生产的微波真空冷冻干燥设备研制仍存在一定难度。

2.5 其他微波组合干燥技术

微波组合干燥方式对干燥速率和干燥产品的品质都有较好的影响，除了前文介绍的几种微波组合干燥方式外，还有其他许多关于微波辅助干燥方式，各有优势，均可不同程度提高干燥效率和提高产品质量。如Argyropoulos等[39]研究了热风与微波-真空干燥和冷冻干燥相结合的不同干燥方法对用电动蔬菜切片机垂直切割获得5 mm蘑菇切片的定性属性的影响。与传统单一热风干燥的切片相比，热风和微波真空组合干燥产生的干燥产品品质更佳，表现出更低的颜色变化，更高的孔隙率，更大的水合能力和更柔软的质地。在干燥状态下，通过组合干燥方法制成的蘑菇具有蓬松的结构和独特的酥脆质地。

Cui等[3]将微波真空干燥与空气干燥相结合干燥大蒜片，干燥后的大蒜片质量与冷冻干燥产品相近，远优于传统的热风干燥大蒜片。

曾广琳等[16]比较不同干燥方法对番木瓜粉品质和抗氧化活性的影响，结果表明微波泡沫干燥法能生产出较高品质的番木瓜粉。但是在番木瓜色泽和水分含量方面要略逊色于热风干燥和真空冷冻干燥，不过在抗氧化活性方面，则要好于真空冷冻干燥法。

Kantrong等[40]以香菇为原料研究不同的压力、微波功率和红外辐射功率对干燥产品品质的影响，发现干燥速率随着较低的绝对压力、较高的微波功率和较高的红外功率而增加。就产品质量和能耗而言，合适的干燥条件为微波功率267 W、绝对压力18.66 kPa、红外功率200 W。

3 结语

根据国内外微波组合干燥技术的研究状况，发现与微波相关的组合干燥优点包括：缩短干燥时间，提高产品品质和较好的感官，提高生产多种干燥产品的灵活性。采用微波加热与其他干燥方式组合，不仅能够有效解决单一微波干燥存在的问题，还能够发挥其他干燥方式的优点。因此，未来农产品微波组合干燥技术必将朝着高品质、高效率、高节能和实用性等方向发展。

组合干燥是在干燥周期的不同阶段采用不同干燥方法的干燥技术，这样的技术包括诸如热风干燥+微波或冷冻干燥、真空冷冻+微波干燥等。为加快组合干燥技术在我国农产品干燥中的应用和发展，可从以下几方面加强研究：1）不同物料的物理结构和影响成分差别很大，要通过大量开展不同种类物料的干燥产品特性研究，研发不同组合干燥方式以适应不同物料的干燥特性，提高干燥方式的适用性和实用性，为技术开发提供较全面理论依据。2）微波功率、物料厚度和形状、组合方式的转化点对干燥产品的品质有很大的影响，应对不同的影响因素开展试验，从而得到最佳的产品质量和较高干燥效率。3）吸收成熟的技术和设备优点，改进优化国产冻干机结构，提高性能，尽可能的降低能耗，开发更经济的微波加热设备和微波干燥工艺。