車興文 丁 羽* 許威廣

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

紅棗又稱大棗，在我國華北、東北、西北等地區(qū)均有種植，年產(chǎn)量持續(xù)增長，紅棗含有眾多微量元素以及人體所需營養(yǎng)成分，其中的維生素C和維生素P可以降低血液中含有的膽固醇含量，因其保健價(jià)值高，被譽(yù)為“活維生素丸”[1-2]。紅棗采摘后含水率高，不宜儲存，在運(yùn)輸過程中易霉?fàn)€，因此，為減少經(jīng)濟(jì)損失，將大部分紅棗進(jìn)行干制。如今隨著經(jīng)濟(jì)的增長，紅棗脆片作為一種休閑食品，以其風(fēng)味獨(dú)特，口感酥脆的特點(diǎn)深受人們的喜愛[3-4]?，F(xiàn)在工廠和農(nóng)戶大多采用自然干燥法、熱風(fēng)干燥法，不能有效地保留紅棗所含的營養(yǎng)成分，且干燥速度慢、時(shí)間長。遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)結(jié)合了遠(yuǎn)紅外輻射干燥和真空干燥的優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，節(jié)能節(jié)電，能降低物料內(nèi)部水分沸點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)物料的快速干燥。

1 遠(yuǎn)紅外真空干燥的原理及特點(diǎn)

紅外輻射波長在微波和可見光波長之間，根據(jù)波長分為三種類型：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外。其中，遠(yuǎn)紅外的波長為5.6～1000μm[5]。

1.1 干燥原理

遠(yuǎn)紅外輻射通過電磁波產(chǎn)生能量輻射到物料表面，根據(jù)物料的化學(xué)鍵性質(zhì)以不同頻率被吸收，從而引起物料內(nèi)粒子的運(yùn)動而不引起化學(xué)變化，使物料溫度升高，在干燥過程中，紅外線能夠穿透物料內(nèi)部使內(nèi)部升溫，物料表面水分蒸發(fā)、內(nèi)部溫度升高產(chǎn)生溫度差和濕度差，物料表面和內(nèi)部水分蒸發(fā)方向一致，加快了物料的干燥速率[6]。遠(yuǎn)紅外干燥物料時(shí)，影響因素有干燥的溫度，物料的切片厚度和輻射距離等[7]。

物料在真空條件處于負(fù)壓狀態(tài)，內(nèi)部的水分沸點(diǎn)降低，使用遠(yuǎn)紅外輻射加熱板作為熱源，采用熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種傳熱方式對物料內(nèi)部水分進(jìn)行加熱，加速物料內(nèi)部水分子的熱運(yùn)動。干燥物料內(nèi)部的蒸汽壓力高，真空環(huán)境的壓力低，產(chǎn)生壓力梯度加快了水分子的移動速度，水分迅速汽化、蒸發(fā)，干燥[8]。

1.2 干燥特點(diǎn)

1.2.1干燥品質(zhì)高、效率快

物料在干燥過程中處于真空環(huán)境，可以減少氧氣、酶等因素與物料中的維生素、糖相遇發(fā)生反應(yīng)，大大提高了物料的干制品質(zhì)。而遠(yuǎn)紅外輻射干燥加熱效率高，時(shí)間短，加熱溫度分布均勻。因此，遠(yuǎn)紅外真空干燥這一結(jié)合干燥方式能實(shí)現(xiàn)物料干燥的品質(zhì)高、速率快、時(shí)間短的要求[9]。

1.2.2 環(huán)保衛(wèi)生、應(yīng)用范圍廣

我國是農(nóng)業(yè)大國，而農(nóng)作物的貯存問題也隨之而來，大多農(nóng)副產(chǎn)品需要干燥處理，目前大多采用自然干燥、陰干，熱風(fēng)干燥等方式，所受環(huán)境因素影響較大，無法保證干制品的衛(wèi)生及營養(yǎng)成分。遠(yuǎn)紅外真空干燥過程中對物料不產(chǎn)生污染，符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，不產(chǎn)生有毒、有害氣體，保證環(huán)境干凈無污染，也可在醫(yī)藥、食品、輕工、化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用。

1.2.3 容易實(shí)現(xiàn)智能控制、自動化

遠(yuǎn)紅外真空干燥加熱穩(wěn)定、真空度易控制，在干燥過程中可以采用智能化電控系統(tǒng)來實(shí)時(shí)對溫度和真空度進(jìn)行控制，比如可以采用固態(tài)繼電器來控制加熱器的電流大小來控制加熱溫度，采用電阻真空計(jì)，對真空度自動控制。電阻真空計(jì)驅(qū)動氣動真空閥自動開關(guān)調(diào)節(jié)真空度。由此來達(dá)到被干燥物料的快速干燥。

2 遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人們生活水平的不斷提高，食品的安全、質(zhì)量受到高度重視，其中以脫水果蔬加工為代表的綠色食品受到人們的關(guān)注與喜愛?，F(xiàn)在中國的脫水果蔬加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越快，市場上的需求也呈增長趨勢。遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)也越來越多地被應(yīng)用到脫水果蔬加工行業(yè)里面。

在遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)上蔣煥新與劉云宏對干燥過程中溫度的變化及建立干燥動力學(xué)模型進(jìn)行了研究試驗(yàn)。蔣煥新等[10]人采用遠(yuǎn)紅外真空干燥胡蘿卜的過程中創(chuàng)辦了溫度變化的數(shù)學(xué)模型，并得到了影響溫度變化的因素，主要受功率密度、干燥時(shí)間、相應(yīng)真空壓力下水的飽和溫度、真空度所影響，并建立模型運(yùn)用到其他切片果蔬的干燥過程中。劉云宏等[11]人在使用遠(yuǎn)紅外真空干燥金銀花的過程中確立了動力學(xué)模型，可以預(yù)料水分比的改變，并得到遠(yuǎn)紅外真空干燥過程中溫度升高、壓力減小、物料量減少所需的干燥時(shí)間越短。

針對單一干燥與聯(lián)合干燥的對比，徐貴力等[12]人使用遠(yuǎn)紅外單一干燥與遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥對香菇進(jìn)行干燥，遠(yuǎn)紅外單一干燥香菇時(shí)，香菇表面干裂及色澤變深等問題，遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥香菇時(shí)，香菇處于負(fù)壓狀態(tài)相比于遠(yuǎn)紅外干燥，縮短了干燥時(shí)間、干燥速率增快，提高了香菇的干制品質(zhì)。在干燥前期使用遠(yuǎn)紅外排濕氣流干燥方法有效地將濕氣流排出干燥室，香菇的含水率快速地降至50%左右，在干燥后期使用遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)，將香菇的含水率降到安全值，這種方法不僅縮短干燥時(shí)間，而且有效地保證了香菇的干燥品質(zhì)。

基于在整個(gè)干燥過程中各工藝參數(shù)的影響，日本學(xué)者S.Mongpraneet使用遠(yuǎn)紅外真空干燥技術(shù)干燥洋蔥的試驗(yàn)研究，研究中指出在干燥過程中有加速干燥、恒速干燥和降速干燥3個(gè)過程，同時(shí)表明遠(yuǎn)紅外輻射強(qiáng)度水平與干燥速度、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品葉綠素含量之間有著明顯的影響[13]。

在選用遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥方式的情況下，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者開始注重遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥的理論和工藝開展研究，優(yōu)化干燥動力學(xué)模型和相關(guān)工藝參數(shù)。徐鳳英等[14]人對荔枝進(jìn)行遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥，在干燥過程中研究了荔枝升溫過程中的熱量傳遞過程，在使用遠(yuǎn)紅外真空干燥，高真空度、保壓效果方式、高溫作用、近距離，增大了干燥室內(nèi)的熱傳遞，增強(qiáng)了荔枝內(nèi)部水分向外蒸發(fā)汽化的動力，真空的負(fù)壓力與遠(yuǎn)紅外輻射加溫多勢場的作用結(jié)合下，加快荔枝水分的干燥速率。

在遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備方面，遠(yuǎn)紅外真空干燥常出現(xiàn)物料干燥不均勻、遠(yuǎn)紅外輻射距離不能調(diào)節(jié)等問題。郁雯霞等[15]針對這一問題對遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，在保證遠(yuǎn)紅外真空設(shè)備能達(dá)到較高真空度的前提下，能夠調(diào)節(jié)真空度及干燥功率，有效地解決了物料干燥不均勻的問題。

3 遠(yuǎn)紅外真空技術(shù)干燥紅棗片的應(yīng)用意見

對于紅棗水分大、含糖量高、不易貯存等特點(diǎn)，選擇良好的干燥方式成為必然趨勢，棗片在干燥的過程中，在水分梯度和溫度梯度的作用下，棗片內(nèi)部的水分以外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散兩種形式向外遷移，將紅棗去核切片后干燥，能有效避免紅棗表面水分蒸發(fā)過快，內(nèi)部水分?jǐn)U散無法補(bǔ)償表面蒸發(fā)的水分，從而導(dǎo)致紅棗表面硬化，降低干燥速率，形成內(nèi)控現(xiàn)象，然而將紅棗切片后，其內(nèi)部水分?jǐn)U散速率大于棗片表面水分汽化速率，產(chǎn)生較大水分梯度，形成外控現(xiàn)象，加快干燥速率。目前遠(yuǎn)紅外真空干燥紅棗片技術(shù)還處于初級階段，在遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥技術(shù)干燥紅棗片的加工品質(zhì)上還具有很大的研究發(fā)展空間。

3.1 遠(yuǎn)紅外真空干燥紅棗片品質(zhì)的主要影響因素

干燥后的紅棗片要有合適的貯存含水量、保持紅棗片的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分，具有一定的質(zhì)構(gòu)特性、光學(xué)特性和復(fù)水特性等。在遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥過程中影響棗片干燥品質(zhì)的因素有干燥溫度、干燥時(shí)間、真空度、空氣濕度等。選擇合適的因素范圍能有效避免棗片干制后發(fā)生物理、化學(xué)等變化。

3.1.1 遠(yuǎn)紅外輻射溫度的影響

遠(yuǎn)紅外輻射溫度是影響干燥物料品質(zhì)的重要因素，加熱過程中物料內(nèi)外水分形成溫度差且具有同向性，促使棗片水分迅速蒸發(fā)。在干燥過程中升高溫度，棗片的干燥速率增快，但物料容易出現(xiàn)體積收縮、表面裂痕、香味缺失、維生素?fù)p失下降、酶失活等現(xiàn)象。較低的干燥溫度可以有效地保留棗片的營養(yǎng)成分，避免物料出現(xiàn)品質(zhì)劣變現(xiàn)象，但同時(shí)所需的干燥時(shí)間也相應(yīng)的增長。

3.1.2 真空度的影響

在標(biāo)壓狀態(tài)下，水的沸點(diǎn)為100℃，隨著真空度的升高，水的沸點(diǎn)降低，在其他相同的干燥條件下，棗片內(nèi)部的水分子快速向外遷移蒸發(fā)，縮短棗片干燥所需的時(shí)間，同時(shí)隨著壓力的降低，可有效地避免物料的氧化作用，在使用不同的真空度對物料進(jìn)行干燥時(shí)，干燥品質(zhì)也有所不同[16]，所以在遠(yuǎn)紅外真空干燥棗片的過程中根據(jù)棗片的干燥品質(zhì)確定合理的真空度還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3.1.3 干燥室內(nèi)空氣濕度的影響

在遠(yuǎn)紅外真空干燥物料的過程中，在某一干燥溫度、真空度下，棗片中的水分蒸發(fā)汽化擴(kuò)散到干燥室內(nèi)，形成飽和差，干燥室內(nèi)的濕度越高，飽和差越小，干燥能力越弱，從而減緩棗片的水分向外擴(kuò)散，使干燥時(shí)間增長，降低干燥速率，反之，當(dāng)干燥室內(nèi)的濕度越低時(shí)，飽和差越大，干燥能力增強(qiáng)，加快了干燥速率。遠(yuǎn)紅外真空干燥在工作過程中抽取和釋放真空時(shí)加快了干燥室內(nèi)氣流的循環(huán)速度，有效地將干燥室內(nèi)的濕熱空氣排出，從而加快干燥速率。

3.2 遠(yuǎn)紅外真空干燥紅棗片的機(jī)理及關(guān)鍵工藝研究

使用遠(yuǎn)紅外真空技術(shù)對不同的物料進(jìn)行干燥，干燥機(jī)理也存在著許多差異，紅棗片在干燥過程中其品質(zhì)特性變化多樣，具有多種質(zhì)量指標(biāo)。建立紅棗片遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥過程中的數(shù)學(xué)模型，對優(yōu)化遠(yuǎn)紅外真空干燥棗片的機(jī)理及過程有著重大的作用，尋找干燥過程中溫度、真空度、棗片的厚度等因素與干制棗片的含水量、營養(yǎng)成分、感官質(zhì)量等指標(biāo)的關(guān)系變量，對遠(yuǎn)紅外真空技術(shù)干燥棗片的工藝、品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測參考。

3.3 遠(yuǎn)紅外真空干燥關(guān)鍵技術(shù)裝備研究

根據(jù)物料的干燥品質(zhì)特性要求，研究優(yōu)化干燥動力學(xué)模型及相關(guān)工藝參數(shù)，可以采用智能化技術(shù)對遠(yuǎn)紅外真空干燥設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、檢測，提高物料的干燥速率、干燥品質(zhì)，增大干燥物料的規(guī)模，操作方便快捷，進(jìn)一步開發(fā)實(shí)現(xiàn)連續(xù)規(guī)?；a(chǎn)的自動控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶和企業(yè)的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與展望

隨著人們的生活水平不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品加工貯存與利用的重要性不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品貯存保鮮的主要方法就是干燥，遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥技術(shù)結(jié)合了遠(yuǎn)紅外輻射干燥與真空干燥的優(yōu)點(diǎn)，縮短物料的干燥時(shí)間，有效地保留了干制品的營養(yǎng)成分，提高干制品的干燥品質(zhì)，為農(nóng)產(chǎn)品的貯藏和保鮮提供了有效的措施，降低了農(nóng)產(chǎn)品的損失，提高了農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。實(shí)現(xiàn)高效、安全、可連續(xù)生產(chǎn)的智能化干燥設(shè)備的技術(shù)及研制是農(nóng)產(chǎn)品遠(yuǎn)紅外真空聯(lián)合干燥的未來發(fā)展方向。