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食品微波真空干燥技术研究进展

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食品微波真空干燥技术研究进展 收稿日期: 2010- 08- 02; � 修稿日期: 2010- 12- 02 基金项目: 国家科技支撑计划专项 ( 2007BAD07B05)、农业部公益性行业荔枝科研专项 ( nyhyzx07- 031 )、福建省高等学校新世纪优秀人 才支持计划 (闽教科�2007 20号 )资助。 作者简介: 李辉 ( 1983- ) ,男,博士,研究方向为现代农产品加工技术。 通信作者: 林河通 ( 1967- ) ,男,博士,教授,博士生导师,研究方向为农产品加工及贮藏工程,通信地址: 350002福州市金山 福建...

食品微波真空干燥技术研究进展
收稿日期: 2010- 08- 02; � 修稿日期: 2010- 12- 02 基金项目: 国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 专项 ( 2007BAD07B05)、农业部公益性行业荔枝科研专项 ( nyhyzx07- 031 )、福建省高等学校新世纪优秀人 才支持计划 (闽教科�2007 20号 )资助。 作者简介: 李辉 ( 1983- ) ,男,博士,研究方向为现代农产品加工技术。 通信作者: 林河通 ( 1967- ) ,男,博士,教授,博士生导师,研究方向为农产品加工及贮藏工程,通信地址: 350002福州市金山 福建农林 大学食品科学学院, E - m ai:l hetong lin@ 163. com。 食品微波真空干燥技术研究进展 李 � 辉 1, 2,袁 � 芳 1,林河通 1, 2,林艺芬 1, 2,陈艺晖1, 2,王绍青 1, 2 ( 1. 福建农林大学食品科学学院, 福州 350002; 2. 福建农林大学农产品产后技术研究所, 福州 350002) 摘要:微波真空干燥是用微波辐射作为加热源在真空条件下进行加热而使物料脱水的过程,具有快 速、高效、低温等优点。本文阐述了微波真空干燥的作用机理,介绍了微波真空干燥的特性及研究现状, 旨在为微波真空干燥技术在食品加工中的研究和应用提供参考。 关键词:食品;干燥技术;微波真空干燥;研究进展 中图分类号: TS205; TS255. 4� 文献标志码: A � 文章编号: 1005- 1295( 2011) 01- 0046- 05 do:i 10. 3969 / .j issn. 1005- 1295. 2011. 01. 012 Research Advances ofM icrowave�vacuum D rying T echnology for Dried Food Processing L IHu i 1, 2 , YUAN Fang 1 , L IN He�tong1, 2, L IN Y i�fen1, 2, CHEN Y i�hu i1, 2, WANG Shao�qing1, 2 ( 1. Co llege of Food Sc ience, Fujian Agriculture and ForestryU niversity, Fuzhou 350002, Ch ina; 2. Institute of PostharvestTechno logy o fAgricu ltura lProducts, Fujian Agriculture and ForestryU niversity, Fuzhou 350002, China) Abstract: M icrow ave�vacuum dry ing is a dehydration process that uses m icrow ave radiat ion for heat gen� eration in the vacuum cond it ions, and its advantages are rap id, effic ient and low temperature. The mechan ism ofm icrow ave�vacuum dry ing w as expla ined and the characteristics and current research simulat ion o f m icro� wave�vacuum dry ing w ere also introduced in this paper. The objective of this paperw as to prov ide the refer� ences for the research and application o fm icrow ave�vacuum dry ing for dried food processing. Key words: food; dry ing techno logy; m icrow ave�vacuum dry ing; research advance 0� 引言 干燥是最古老的食品贮藏方法之一, 食品干 燥的主要目的是降低水分含量, 使微生物和化学 反应引起的腐败变质降低到最小程度。常用的干 燥方法有太阳能干燥、热风干燥、冷冻干燥、真空 干燥、微波干燥、远红外干燥等。食品加工的趋势 是最大程度地保持食品原有的色、香、味及营养成 分,而干燥工艺和设备对食品的品质有很大影响。 微波真空干燥是一种新型的干燥方式,是通过在 真空条件下对物料进行微波加热而达到水分的蒸 发。微波真空干燥综合了微波干燥的快速、整体 加热和真空干燥的低温、快速除湿等优点。早在 20世纪 70年代国外就已出现关于微波真空干燥 机商业应用的报道。我国对微波真空干燥的研究 46 包装与食品机械 � 2011年第 29卷第 1期 相对较晚, 南京三乐微波技术发展有限公司于 1987年开始微波真空干燥技术研究。近年来, 国 内外众多高校和科研院所对微波真空干燥的机 理、传热传质模型、能耗和工艺等进行了深入研 究,微波真空干燥成为国内外食品干燥领域研究 的热点。本文对微波真空干燥的研究现状进行综 述,旨在为食品微波真空干燥技术的研究与应用 提供科学依据和生产指导。 1� 微波真空干燥的作用原理 微波真空干燥是用微波辐射作为加热源在真 空条件下进行加热而使物料脱水的过程。微波干 燥是靠电磁波把能量传播到被加热物体的内部, 其原理是:微波辐射到干燥物料上并穿透进入食 品内部,被加热物料内的偶极分子 (如水 )在电磁 场的作用下有序排列作高速摆振运动,分子运动 的结果造成分子间的碰撞和摩擦加剧而产生大量 的摩擦热,从而使物料内各部分在同一瞬间获得 热能而升温,大量的水分子从物料逸出,达到干燥 的目的 [ 1- 2]。在干燥过程中能量转化经过了两个 步骤, 先是微波辐射能转化为有序运动的分子的 动能, 然后通过碰撞转化为热能。 在真空状态下,水的沸点相应降低,真空不仅 能使产品保持低温,还能产生压力梯度提高干燥 速率。真空干燥具有干燥温度低、产品复水性高 以及色泽和口感好等特点。因此将微波干燥与真 空干燥相结合不仅可以避免常压微波干燥温度过 高对食品产生的不利影响, 而且可以进一步缩短 干燥时间,提高产品质量。 2� 微波真空干燥的特性 微波真空干燥是一种快速、高效的脱水方法, 与传统干燥方法得到的产品相比, 其干燥的产品 性质独特,且产品质量高。传统干燥技术的一些 局限性及存在的问题可以通过微波真空干燥得以 解决。下面从干燥速率、产品品质及加工过程的 能耗等 3个方面对微波真空干燥特性进行介绍。 2. 1� 干燥速率 食品物料的干燥速率是由食品内部的热量传 递和水分从食品到外界环境的质量传递这两者间 的相对速率和相互作用决定的。微波加热可以在 被干燥物料的内部产生热量, 食品中的水吸受热 量后在原位置蒸发并以水蒸气的形式向 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面扩 散。一旦温度达到了食品中溶液的沸点,在食品 内部形成的压力差就会推动蒸汽向表面扩散。因 此,在微波真空干燥过程中,水分由内层向外层的 迁移速度很快,特别是在物料的后续干燥阶段,优 势更为明显。Therdtha i等研究发现, 将薄荷叶干 燥至 10%的干基含水量, 微波真空干燥能比热风 干燥缩短 85 ~ 90%的时间 [ 3 ]。微波真空干燥速 度比热风和冷冻干燥快很多, 蕨菜微波真空干燥 所需时间是热风干燥的 9. 6%, 是冷冻干燥的 8. 8% [ 4]。将 1. 0 kg 胡萝卜片的水分含量从 91. 4%降到 10% , 微波真空干燥需 33 m in, 而热 风和冷冻干燥分别需 8 h和 72 h [ 5]。 影响微波真空干燥速率的因素有微波强度、 真空度和物料的形状及大小等。微波的有效功率 和食品的介电特性,决定微波能转化为热能的效 率,因此直接影响微波真空干燥过程的干燥速率。 但微波强度过高会在腔体内产生电弧和放电现 象。真空度也能影响干燥速率,真空度越高,水的 沸点温度越低,物料中水蒸气的扩散驱动力越大, 干燥速率越快。但在微波真空干燥时,并不是真 空度越高越好, 真空度增高,能耗加大, 干燥成本 增加, 而且会产生击穿放电现象。食品的形状是 影响微波加热的关键因素, 比较理想的形状是球 形、柱形、粒状、片状和环形等, 干燥前预先把物料 进行处理可以达到改进干燥的效果。 Drouzas等研究发现,模拟水果凝胶的薄层干 燥速率常数随微波功率的增加和绝对压力的降低 而增大 [ 6]。F ig iel用微波真空干燥方法干燥蒜瓣 和蒜片时发现,在装载量相同的条件下 ( 60 g), 增 加微波功率能提高干燥速率,用 720W 干燥所需 时间是 240W时的 1 /3; 此外,蒜瓣的切分程度也 会影响干燥时间 [ 7]。 2. 2� 产品品质 2. 2. 1� 营养成分保留率 与热风干燥相比, 微波真空干燥产品的色、 香、味、营养素、热敏性和易氧化的生物活性组分 能得到更好地保留,这归因于微波真空干燥过程 的低温、干燥速率快和低氧条件。微波真空干燥 食品的功能成分保留率高使其与传统干燥方式相 比有巨大的优势。 微波真空干燥的蕨菜中维生素 C含量与冷 冻干燥的没有显著差异, 是热风干燥蕨菜的 4. 5 倍。L in等干燥胡萝卜片时发现, 微波真空干燥 47 食品微波真空干燥技术研究进展 ! ! ! 李辉,袁芳, 林河通,林艺芬 , 陈艺晖,王绍青 能很好地保留热敏性物料的维生素。热风干燥与 微波真空干燥时胡萝卜素的损失率分别为19. 2% 和 3. 2%, 维生素 C的保留率分别为 38% 和 79%。 2. 2. 2� 复水性 微波真空干燥的产品具有良好的复水性, 这 归因于干燥过程中的膨化效应、无表面硬化和干 燥温度低。在微波真空干燥过程中,水分蒸发所 产生的膨胀力能在干制品内部形成蜂窝状结构, 同时由于食品内部的水分蒸汽压力明显高于腔体 压力, 由此产生的压力差能够阻止水分蒸发后导 致的结构塌陷。表面硬化被认为是影响复水率的 一大障碍,而在微波真空干燥过程中这一现象能 够得以消除或极大减少。因为物料内的水被认为 是在原处蒸发,以水蒸气的方式向外扩散,这样由 内向外的溶质迁移会很小, 也就不会导致表面硬 化的出现 [ 8]。微波真空干燥的复水性介于冷冻 干燥和热风干燥产品之间, 通过电子扫描电镜观 察发现,微波真空和冷冻干燥的样品具有相似的 结构 [ 9]。 2. 2. 3� 产品质地结构 微波真空干燥可赋予食品酥脆的口感, 有别 于冷冻干燥产品的富有弹性和热风干燥产品的坚 硬。脆性的产生可能与微波真空干燥赋予食品的 多孔结构和膨化性有关。 Zhang等发现, 适宜的 水分含量和微波功率以及高的真空度可以提高鱼 片的膨化率和脆度 [ 10]。韩清华等研究用微波真 空干燥膨化高品质苹果脆片, 在优化的工艺条件 下,干燥 4m in时膨化率最大可达到 321% [ 11]。 2. 3� 能耗 微波真空干燥的操作费用和能耗费用比热风 干燥要稍高一些。在生产量相同的前提下, 微波 真空干燥所需的投资费用相对较高,但其能量消 耗却比气流干燥要低。最经济的方法是热风与微 波真空联合干燥,前期用热风干燥除掉自由水和 轻度结合水,后期用微波真空干燥除去最后的紧 密结合水。Hu等干燥毛豆时发现,热风与微波真 空联合干燥与热风干燥相比, 明显缩短了干燥时 间,并极大减轻了微波真空干燥机的负荷 [ 12]。通 过减小微波强度、降低腔体压力和采用间歇微波 干燥等都可以提高微波真空干燥的热能利用率和 干燥效率。Changure等用微波真空干燥草莓时发 现,当微波强度较低或采用间歇微波干燥时可以 提高能量利用率 [ 13]。 3� 微波真空干燥在食品加工中的应用 3. 1� 微波真空干燥在果蔬加工中的应用 微波真空干燥具有快速、高效、低温等优点, 能较好地保持食品原有的色、香、味和易氧化、热 敏性成分。因此可用于高档产品的干燥,如热敏 性的水果、蔬菜等,以提高产品品质和缩短干燥时 间。 Drouzas等对香蕉片进行微波真空干燥,产品 在口感、风味、气味和复水性等方面都有很好的质 量特性,与冷冻干燥没有显著差异 [ 14]。Bondaruk 等比较了微波真空干燥和对流干燥条件对土豆干 制品的影响 [ 15]。研究发现微波真空干燥能抑制 干制期间物料的颜色变化, 土豆丁在微波真空干 燥时淀粉和总糖的损失都低于强制对流干燥。 G iri等研究了蘑菇的微波真空干燥动力学和复水 特性, 并通过响应面法优化了微波真空干燥工 艺 [ 16- 17]。 3. 2� 微波真空干燥在畜产品和水产品加工中的 应用 韩翠萍等用真空微波干燥方法生产乳粉 [ 18]。 Zhang等用真空微波工艺加工香脆鳙鱼片, 取得 了较好的效果。张国琛等进行了扇贝柱的微波真 空干燥试验,发现微波真空干燥对提高扇贝柱的 干燥速度和改善产品品质具有明显优势 [ 19 ]。 3. 3� 微波真空过程与其它过程联合干燥 联合干燥是指把两种或两种以上形式的干燥 器串联组合起来, 达到单一干燥器所不能达到的 目的, 这种干燥方式称为联合干燥 [ 20]。联合干燥 不仅可以缩短干燥时间、改善产品质量,还可以节 省能量。微波真空干燥与其他干燥方式联合可以 降低脱水过程的成本、能量效率和提高终产品的 质量。 3. 3. 1� 微波真空与热风联合干燥 热风和微波真空联合干燥可提高现有操作过 程下热风干燥机的生产量和产品质量。众所周 知,在热风干燥的最后阶段, 产品温度达到最高 值,而蒸发冷却是最小值,因此,在此阶段产品质 量损失最为严重。热风干燥的这个高温过程可用 微波真空干燥完成, 来消除温度的不利影响。徐 艳阳等对甘蓝进行热风和微波真空联合干燥试 验 [ 21] , 结果表明: 联合干燥缩短了干燥时间约 48. 33% ,提高了产品的营养成分保存率、叶绿素 48 包装与食品机械 � 2011年第 29卷第 1期 保存率;微波真空干燥使产品质构疏松。 微波真空干燥后期也可用热风进行干燥。 Cui等用微波真空干燥大蒜片至 10% 水分 (湿 基 ), 然后用 45∀ 的热风继续完成产品的干 燥 [ 22]。联合干燥不仅大大缩短了干燥时间,而且 能提高蒜的辣味、颜色、口感和复水率。 3. 3. 2� 渗透脱水与微波真空联合干燥 E rle等先用蔗糖或蔗糖 /钙溶液渗透处理, 再 用微波真空干燥苹果和草莓 [ 23]。研究发现,渗透 前处理减少了产品体积收缩,以鲜样体积为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 草莓和苹果的体积保留率分别从 20% 提高到 50%和 60%。扫描电镜图片显示经渗透前处理 的样品细胞结构保存完好。但是, 延长渗透处理 时间 ( 3~ 22 h)不能提高微波真空干燥的脱水率。 Changrue等采用渗透 -微波真空联合干燥草莓和 胡萝卜,研究了渗透预处理对物料介电常数和损 耗因数的影响, 并对联合干燥特性和品质进行了 探讨 [ 24]。 3. 3. 3� 热泵与微波真空联合干燥 宋杨等采用热泵与微波真空联合的方式对海 参进行干燥 [ 25]。先在热泵中干燥至 40%的含水 率, 再以微波真空干燥至 13%湿基含水率。结果 表明, 联合干燥方法与单纯热泵干燥相比,干燥时 间缩短 50%以上,产品复水率有较大提高。 3. 3. 4� 微波真空与冷冻联合干燥 Cui等采用微波真空与真空冷冻联合干燥胡 萝卜和苹果片 [ 26]。研究显示,联合干燥产品的胡 萝卜素和维生素 C保留率、复水性、颜色和结构 等均与冷冻干燥相近,但缩短了干燥时间、降低了 能耗。何学连等研究了白对虾冷冻和微波真空最 佳联合干燥工艺,获得了较高品质的白对虾干制 品 [ 27]。 4� 微波真空干燥建模 用于描述微波真空干燥期间热量和水分传递 的模型能为辅助过程优化和设备设计提供有价值 的信息。已有几种用于微波加热和微波干燥建模 的方法,但对于微波真空干燥进行的研究相对较 少。Cui等以胡萝卜片为试验材料, 研究了薄片 物料在微波真空干燥过程中内部的温度分布和变 化情况 [ 28]。Cui等对微波真空干燥胡萝卜片动力 学进行了建模, 干燥微波功率为 162. 8 ~ 336. 5 W,压力为 3. 0~ 7. 1 kPa[ 29]。发现在水分含量约 为 2 kg /kg干基时, 脱水速率与水分含量基本呈 线性关系。在此水分含量以下时引入校正系数使 模型与试验数据相适应。 Ressing等建立了二维 的有限元模型用于描述生面团球在微波真空干燥 中的膨化过程 [ 30]。这个模型把热与固体力学影 响结合在一起, 用于研究食物在微波真空干燥过 程的膨化机制。Poonnoy等用人工神经网络方法 预测微波真空干燥番茄片的温度和水分含量 [ 31]。 ANN的输入层为干燥时间、初始温度、初始含水 量和真空压力,输出层为 ti+ 1时刻的温度和水分 含量。模型能够提供关于微波强度和真空压力的 信息, 这有利于避免物料的热损伤和提高干燥效 率。 5� 前景与展望 微波真空干燥综合了微波干燥和真空干燥的 优势, 具有快速、高效、低温等优点, 能较好地保持 食品原有的色、香、味及营养成分, 可有效避免干 燥过程中生物活性成分的热、氧破坏。产品的组 织结构和复水率等物理特性可以和冷冻干燥的产 品相媲美, 但操作成本比冷冻干燥要便宜得多。 因此, 微波真空干燥可以实现用较低的成本生产 出较高品质的产品, 此项技术应用前景广阔。目 前微波真空干燥在食品工业中的应用还比较有 限,这可能与设备投资成本高及存在的一些技术 问题有关,如干燥过程存在的排湿困难、加热不均 匀、干燥终点判断困难、对物料的尺寸和形状要求 较高等。但随着现代化计算机控制系统的发展、 更经济的微波设备的出现和微波真空干燥工艺的 研究, 其商业应用将成为现实。当今大众对快餐 食品和功能食品的需求也为微波真空干燥的商业 化应用提供了机遇。 参考文献: [ 1] 曹崇文. 微波真空干燥技术现状 [ J]. 干燥技术与设 备, 2004, 2( 3) : 5- 9. 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