太阳能果蔬干燥技术研究进展

程俊雄，曾励强，李金嵘，何 松

湖南人文科技学院 能源与机电工程学院，湖南娄底 417000

果蔬干燥是指在自然条件下或以人工方式去除部分水果和蔬菜水分，从而有效阻碍微生物的生长和繁殖，实现长期保存食品的目标。果蔬经过干燥处理后，质量下降，体积减小，可以节省储存空间和运输成本，不仅便于储存大量水果和蔬菜，还大大提高了果蔬的经济效益[1-2]。

方庆[3]研究发现，在采摘后，如果不能及时进行人为处理，果蔬体内存在的水分和糖类会使其迅速腐败，使得果蔬失去其自身的利用价值。康三江等[4]通过实验表明，中国传统的农产品，如水果、蔬菜和中草药，通常在太阳下直接自然干燥，干燥周期长，云、雨、蚊子、微生物生长和灰尘污染等自然条件对其影响较大；而传统的干燥室、热风干燥和微波干燥等方法容易导致热敏性维生素和其他营养物质流失，且存在能源消耗严重、卫生质量差、产品质量不稳定等缺点。真空冷冻干燥技术可以有效解决上述问题，但其生产设备投入大、生产成本高，无法得到大范围的普及。

针对以上问题，人类逐渐开始运用大自然中太阳的力量予以解决。最原始的果蔬贮藏技术主要是利用太阳辐射热量促使所要贮藏的瓜果蔬菜中的水分蒸发，通过“挤干”果蔬的水分延长果蔬的贮藏时间。张英丽等[5]通过利用太阳能干燥无核紫葡萄的研究发现，太阳能干燥比自然干燥的时间快13 d，效率极高。

随着我国科学技术的不断完善和创新，果蔬干燥技术也得到了进一步发展。科学家将太阳能与科技相结合，使太阳能更高效地应用于果蔬干燥行业。明廷玉等[6]指出，目前太阳能干燥主要用于工业干燥、农业干燥和其他物料的干燥，是中国干燥领域经济发展的催化剂。同时，太阳能干燥技术正朝着智能化、自动化、高效化方向发展，太阳能与其他能源的联合干燥成为该行业的未来发展趋势。

1 自然干燥技术

自然干燥是指在自然环境条件下干燥物料的方法。自然干燥主要是借助太阳的辐射热或自然界的风力，使物料中的水分气化，从而达到除去水分的目的。自然干燥主要分为晒干和阴干两种方式。将原料直接放在太阳底下暴晒，从而使原料表面和内部变得干燥的称为晒干；将原料放在通风良好且能避雨的室内，利用风能脱水干燥的称为阴干[7]。我国西北地区常采用阴干的方式对果蔬进行脱水处理。自然干燥方法简便、设备简单、干燥成本低，但干燥周期较长[8]。

刘丽英等[9]通过测定紫花苜蓿不同收获期的干燥速率、叶绿素含量、主要营养成分等指标，得出苜蓿干燥的最佳环境条件：温度日均值26.29～27.95 ℃，空气湿度日均值34.74%～36.71%，太阳辐射强度日均值268.36～422.33 W/m2，风速日均值1.59～1.82 km/h。郭太雷[10]通过对采用自然干燥法生产的绿肥青干草或草粉进行多次实验分析，发现其中各成分含量分别为吸附水8%～13%，粗蛋白质14.0%～20.5%，粗脂肪2.6%～3.0%，粗纤维22.0%～27.2%，无氮浸出物29.5%，粗灰分10.2%，钙1.02%，磷0.37%，尚含丰富的维生素和微量元素，且具有气味芬芳、品质良好的特点。

2 太阳能在果蔬干燥领域的应用

作为“独一无二”的新能源，太阳能具有可再生性和清洁性。人类利用太阳能历史最悠久、应用最广泛的就是在太阳能干燥领域，太阳能干燥农产品可使传统能源消耗减少50%～100%。传统的农产品太阳能干燥方法是直接喷雾干燥，已经被使用了几千年，但干燥效率低，周期长，面积大，易受风沙和天气的影响，易受灰尘、苍蝇、虫蚁的污染，影响农产品质量。与自然干燥(大气干燥)相比，太阳能干燥的主要优点是大大缩短了干燥时间，提高了产品质量。由于世界面临着巨大的能源危机，能源匮乏严重威胁着经济发展，越来越多的人利用太阳能进行农产品的干燥[11]。

太阳能干燥就是利用太阳能对各种物料进行干燥，其干燥装置主要有以下几种类型：温室型干燥、集热器型干燥、温室-集热器型干燥、太阳能热泵干燥等。关恒利[12]通过比较以上四种太阳能干燥技术的优缺点，发现不同的农作物适合不同的干燥方式，如集热器式干燥技术适合橡胶产品的干燥。王文茹等[13]综合太阳能利用技术、组合干燥技术、热能回收技术、真空技术和自动控制技术运用于果蔬干燥，研发出一套新型太阳能果蔬组合干燥设备，该产品较其他常规干燥设备效率提高20%左右，能耗降低30%左右，在果蔬干燥加工领域具有非常重要的意义，为果蔬干燥加工工艺及设备提供了技术与设计依据，且干燥获得的产品品质好、效率高、能耗低。

太阳能干燥的运行成本低，在投资方面，太阳能与常规能源烘干差异不大，但在系统运行方面，使用常规能源的干燥设备其燃料成本很高，而太阳能烘干除了风机消耗少量电能，太阳能还是免费的。即使太阳能烘干不能完全取代常规能源烘干的使用，通过将两者有机结合，使太阳能提供的能量占总能耗的较高比例，也可以节约大量的运行成本。

2.1 温室型干燥技术

温室型干燥技术是利用果蔬周围的全部或部分光覆盖材料，使植物在冬季和其他不适合在室外种植的时间点也能进行种植的技术，统称为温室干燥技术。温室型干燥技术主要是利用温室将太阳辐射(短波辐射)转化为长波辐射，并通过温室采光罩进入温室，提高土壤温度和室内温度。太阳辐射所转化而成的长波辐射会被温室采光罩阻挡在温室内，在室内形成一个热池，提高室内温度。太阳能温室的另一个新应用是利用温室干燥农产品[14-15]。

Zaman等[16]于20世 纪80年代中期所做的稻谷混合干燥、温室干燥、自然干燥的3种太阳能干燥装置中，物料同一时间的干燥温度分别为51 ℃、46 ℃和33 ℃，说明混合型干燥器的干燥速率最高，温室次之，自然干燥效率最低。詹长军[17]利用温室型太阳能干燥装置干燥果脯，温室型太阳能干燥装置适合于温度较低的干燥作业，果脯直接受太阳照射，色泽更鲜亮，可提高商品质量；对电力供应的依赖性较弱，既可自然通风，也可强制通风排湿。

太阳能温室利用其温室效应的特征，具有低成本、低能耗和除菌效果显著等优点，太阳能温室的集热温度达64 ℃以上，具备干燥作业的能力，干燥作业时需配合通风策略，建议风速3 m/s，由湿度控制排湿周期。

2.2 集热器型干燥

空气集热器太阳能干燥器的基本结构包括太阳能集热器组件、干燥室、风扇、进口和出口管道、材料支架、透风材料盘、循环风扇和排湿风扇。设计这种干燥器系统时，必须配置辅助器加热装置，保证全天候连续运行干燥。集热器型干燥系统主要是通过使用风扇将太阳能空气吹入太阳能空气集热器，集热器将冷空气加热并送入干燥室，用热空气加热材料，使水分不断蒸发，并用排风扇不断将水分排出干燥室，从而达到干燥材料的目的[18-19]。

高阳[20]利用集热器型干燥技术对金丝小枣进行了干燥研究，其结果表明，将太阳能集热器型干燥装置温升约26 ℃，空气相对湿度低于室外约60%，9 d即可完成干燥，干燥用时比室外自然晾晒减少了一半，且其中营养物质保存良好。

2.3 温室-集热器型干燥

温室-集热器型干燥器主要由太阳能温室干燥箱、太阳能空气集热器、温湿度控制系统组成。运行时，风机将外部低温空气强制送入太阳能空气集热器，此时太阳能空气集热器将太阳辐射能转化为空气加热器热能，将外部低温空气干燥成太阳能温室干燥箱内的热空气。物料在太阳能温室内被干燥，并通过太阳能电池板直接吸收太阳辐射，热空气通过太阳能空气。来自集热器的热空气通过辐射和对流传热，同时通过风机和温湿度控制系统进行干燥。一方面，材料通过太阳能电池板直接吸收太阳辐射；另一方面，热空气通过太阳能空气集热器的辐射和对流传热被加热。同时，温湿度控制系统通过干燥风机的送风量和风量调节热空气的温度和湿度，满足物料的干燥过程，达到干燥目的。

张慧媛[21]通过调查发现了新疆的葡萄、杏仁和哈密瓜等特色水果的产量逐年增加，但无法保障其干燥后的干果产量、品质和卫生情况的问题，并通过实践找出了解决方法，即可以通过采用温室-集热器型太阳能干燥技术来提升葡萄干等干制品的品质。

2.4 太阳能热泵联合干燥

太阳能集热器和热泵技术的组合干燥系统被称为太阳能热泵干燥系统，太阳能热泵干燥系统由太阳能集热器、热泵、蓄热装置、供暖末端装置和控制系统5大部分组成。

太阳能和空气源热泵联合供暖系统，在天气晴朗，太阳辐射强度较大时，采用太阳能单独进行干燥作业，太阳能集热器将空气加热后，通过风机送入干燥室对物料进行干燥，干燥后的废气直接排入大气；在阴雨天或夜晚等太阳能辐射强度较小时，采用热泵单独进行干燥作业，冷空气通过热泵系统加热后形成热空气，通过风机送入干燥室，排出的废气经过热泵系统进行余热回收，实现循环利用；当气温较低或多云时，太阳能辐射强度较小，提供的热量不能够满足干燥需求，则采用联合干燥作业模式，由太阳能集热器和热泵系统同时供热，并回收余热；在冬季环境温度较低时，依靠太阳能集热器的转换热量，一方面可以缓解空气源热泵传热不足的问题，另一方面可以解决空气源热泵的除霜问题。

太阳能集热器与热泵系统联合的干燥技术在果蔬干燥行业中的广泛应用，使传统的果蔬干燥工艺得到了优化和改进。为进一步提高果蔬、木材、烟草等农产品干燥过程中的能源利用效率并充分利用清洁能源，近年来，国内一些学者提出了热泵技术与太阳能相结合的联合干燥方案，并进行了相关理论和试验研究。景元琳等[22]总结了太阳能热泵联合干燥系统的太阳能干燥系统单独运行、热泵干燥系统单独运行、太阳能热泵联合干燥3种运行模式和国内近年来关于该技术的研究现状，并通过实践证明，该技术在木材干燥领域相比传统燃煤干燥可节能36.7%～41.1%，并且具有节省时间、环保及可提升产品品质等优势。

白旭升等[23]阐述了太阳能热泵联合干燥的工作模式，综述了太阳能热泵联合干燥在木材、农副产品等行业的应用现状，发现太阳能热泵系统是将热泵系统应用于干燥过程中，解决了太阳能受环境影响因素较大、热流密度低的问题，同时具备除湿的特点，能够控制干燥室内的相对湿度，可提高系统的性能系数、减少能源的消耗。Qiu等[24]对太阳能热泵干燥系统进行了研究，系统中加入了储水罐以有效回收热量并改善太阳能的利用状况，同时根据太阳能辐射强度，系统可自动切换运行模式，结果表明在太阳能和热泵联合干燥模式下，系统可节省40.53%的能耗。

3 结束语

太阳能干燥技术作为一种新能源技术受到广泛关注。太阳能的科学利用为我国解决了大部分资源难题，尤其是在利用太阳能对农作物进行干燥贮藏方面取得了较大成就。太阳能干燥技术具有能源效率高、环境友好和保留干燥食品中的营养成分的优点，但也具有能量密度低、不稳定、容量小和热效率低的缺点。随着太阳能干燥技术的进一步发展，太阳能集热器的创新研究已经大大提高了太阳能热利用效率。

扩大太阳能干燥的应用范围是太阳能干燥技术发展的重点。我国农业资源丰富，需要进行干燥，以利于储存和增值，许多工业生产过程也需要干燥。因此，必须降低太阳能干燥投资成本，加大推广力度，实现节能减排的目标。