微波联合干燥方法的发展趋势及展望

158 微波联合干燥方法的发展趋势及展望

孙帅，崔政伟

江南大学机械工程学院（无锡 214122）

摘要微波联合干燥即微波干燥与其他干燥方法的联合应用。例如微波热风干燥，微波真空干燥，微波冷冻干燥及微波喷动床干燥等。随着人们对干燥产品的品质提出了更高要求，各种联合干燥方法应运而生。微波联合干燥以其如下几方面的优点倍受研究者的青睐：大量缩短干燥时间，提高产品干燥质量，灵活生产出各种类型的干燥产品。简要阐述了微波干燥的基本原理，概述了微波联合干燥在果蔬干燥方面的研究状况及不同联合干燥方法的特点及其试验设备，为缩小实验室研究和工业生产之间的差距提供参考。

关键词微波联合干燥；研究现状；设备

Trends and Prospects in Microwave-combined Drying Method

Sun Shuai, Cui Zheng-wei

College of Mechanical Engineering, Jiang Nan University (Wuxi 214122)

Abstract Microwave (MW)-combined drying namely the combined application of microwave drying and other drying methods, such as MW-combined air drying, MW-assisted vacuum drying, MW-assisted freeze-drying, MW-enhanced spouted bed drying. Increasing concerns over product quality and production costs had motivated the researchers to investigate and the industry to adopt combination drying technologies. The advantages of MW-combined drying included the following: shorten drying time, improved product quality, and fl exibility in producing a wide variety of dried products. Expound the principle of microwave drying briefl y, summarize the research status of MW-combined drying on fruits and vegetables, and present the properties together with the laboratory equipment of different MW-combined drying methods. It provided reference for future research and bridges the gap between laboratory research and industrial applications.

Keywords MW-combined drying; research status; equipment

随着时代的发展，科技的进步，多种干燥方法的综合应用成为了现代干燥技术的一种发展趋势[1]。目前，在果蔬脱水干燥方面应用较广泛的干燥方法主要有以下几种：常压热风干燥，真空冷冻干燥，微波干燥等[2]。无论何种干燥方法，都存在其自身的优缺点。热风干燥在我国果蔬脱水加工行业所占的比例高达90%，其操作比较简单，成本比较低廉，对干燥设备的要求也不高，但其干燥时间较长，且干燥后产品的质量较差。真空冷冻干燥，可以得到品质较佳的干燥产品，但其高成本、高能耗的特点也限制了它的广泛应用，一般用来干燥高价值和高附加值的产品。自从1945年Spencer申请了微波加热技术的第一个专利开始，微波干燥以其干燥速度快，干燥产品质量高，反应灵敏，易控制等优点为干燥行业开辟了一条新的路径[3]。但微波腔中电磁场的不均匀分布导致干燥过程中“热点”问题的产生一直以来也是研究者致力解决的一个难题。Dominguez-Tortajada等通过对多馈能系统的研究来改善电磁场的均匀性[4]。Yang等研究了脉动微波与连续微波对物料中温度分布的影响，得出脉动微波加热过程中温度分布更均匀[5]。为了实现以低成本、高效率生产出高质量的干燥产品这一目标，研究者不断研究新的干燥方法，将多种不同的干燥方法进行组合以达到更好的干燥效果，将微波干燥作为热源与其它干燥方法进行联合成为研究者关注的一个热点。

1 微波干燥原理

微波干燥利用的是介质损耗原理。由于物料中水分的损耗因子较大，能大量吸收微波能并转化为热能，促进内部水分蒸发。微波干燥过程中，温度梯度，压力梯度与水分的迁移方向均一致，从而强化了干燥过程。因此，微波干燥具有干燥速度快、干燥效

of chitosan on physico-chemical properties of chicken salt-soluble protein gel [J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22: 74-83.

[55] 张茜，夏文水. 壳聚糖对白鲢鱼鱼糜凝胶的影响[J]. 水产

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专题论述

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率高等优点。下面以水分子为例，简述一下微波干燥过程中的微观原理：水分子由于其共价键电子的分布不在中心，即正负电荷不重叠，所以整个分子呈现电荷的极性。当水分子在自由状态下，这些分子杂乱无章的排列；而在电磁场中时，水分子会按一定的方向排列，当电场方向变化时就会引起水分子极性的转动。也就是说在交变电场感应下，尤其是当电场频率较高时，就会使水分子在极短时间内发生数十亿次的来回转动，这样就会引起分子间强烈的摩擦，使分子运动加剧，待干燥物料受热，水分子脱离物料而起到干燥的目的。其微观原理如图1所示。

图1 微波加热干燥原理

2 微波联合干燥方法及其试验设备

2.1 热风微波联合干燥

热风干燥又称常规对流干燥，以热空气为干燥介质。热风干燥的应用历史比较悠久，技术也相当成熟。国内外专家学者在此方面也做了大量研究。例如：Koyuncu等[6]通过用不同的热风条件对栗子进行干燥，发现温度对干燥速率的影响比较显著，而风速的影响却不大；李志远等[7]通过对哈密瓜的热风干燥试验，得出高含糖量产品经热风干燥后感官效果差，因此不宜采取此种方法进行干燥。热风干燥中，传热方向与传质方向相反，干燥后期由于产品表面含水量的急剧下降而萎缩，影响了热质传递的效率，干燥速率也大大降低。而微波干燥过程中的传热方向与传质方向相同，把微波干燥和热风干燥两种方法联合可以提高干燥速率，缩短干燥时间。目前，热风微波联合干燥主要有两种类型：热风微波串联干燥和热风微波耦合干燥。串联干燥即热风干燥和微波干燥分阶段进行，而耦合干燥即热风与微波同时作用于干燥产品。串联干燥在国内外的研究比较普遍，而耦合干燥虽然在国外的实验室有比较好的进展，但在国内研究尚少。

Varith等[8]通过对龙眼肉进行热风微波干燥，得出联合干燥相对于65 ℃热风干燥减少了64.3%的干燥时间和48.2%的能耗；Jia等[9]通过对土豆和胡萝卜的联合干燥进行仿真，发现当产品的水分扩散系数小于一个特定的阀值时，干燥速率随水分扩散系数的增大而增大，而当产品的水分扩散系数大于阀值时，干燥速率不会相应增加，然而，利用微波进行容积加热时，产品的水分扩散系数会相应增大；陈桂芬等通过用响应面分析法对热风微波耦合干燥油菜籽工艺进行优化，得出较佳的干燥工艺：热风温度为58.9 ℃，热风

速度为1.262 m/s，微波功率为1.972 W/g，干燥时间为306 min时，油脂的过氧化值为1.0472 nmol/kg [10]；Uprit 等用联合干燥方法对奶酪进行干燥，得出当热风温度为53.5 ℃，微波功率为111.5 W时，干燥产品的质量较好[11]。图2是Uprit等设计的热风微波联合干燥设备原理图，此设备具有在线检测样品质量和实时调节微波功率的功能。当控制器设置好温度后，鼓风机开始运转，当设备空转30 min后可以得到比较稳定的干燥

环境。

1-鼓风机 2-自耦变压器 3-加热器 4-阀门 5-镀锌钢管 6-温度和湿度指示器 7-出风口 8-钢丝网 9-马达支架 10-温度指示计 11-干燥室 12-样品座 13-旋转盘 14-支撑杆 15-圆板 16-马达 17-电子天平

图2 热风微波联合干燥设备原理图

2.2 真空微波联合干燥

水的沸点会随着压力的降低而降低，当压力足够低时，水会在较低的温度下沸腾，真空干燥就是利用此种原理来对产品进行干燥的[12]。真空干燥过程中，将被干燥的产品放在密闭的干燥室内，边抽真空边加热，使产品内的水分通过压力差和浓度差扩散到产品表面，水分子在物料表面获得足够动能后逃逸到真空室内的低压空间，然后被真空泵抽走，达到干燥的目的。20世纪80年代后期，美国、加拿大的几所高校将真空和微波技术相结合，开始了真空微波联合干燥的研究。真空微波干燥技术综合了真空和微波的双重优点，既降低了干燥温度，又加快了干燥速度，对干燥产品原有的色香味、维生素等热敏性营养成分也可以比较好的保留，被认为是最有可能解决干燥产品质量和经济效益之间矛盾的一种新技术，引起国内外学者和工业界的广泛关注[13]。

目前，国外微波真空干燥技术研究主要集中在微波真空干燥机理理论、物料工艺研究以及装置的研发方面。微波真空干燥机理理论的研究集中在物料吸收微波能的大小计算、物料内部温度场分布规律、以及水分扩散蒸发规律，在微波真空干燥技术的物料工艺方面也作了大量的研究工作，微波真空干燥设备较成熟，产品系列化，已进入工业化生产。例如美国加州大学Fresno分校为干燥无籽葡萄而研发的微波真空干燥设备已经在果蔬干燥方面得到了很好的推广。我国在90年代初开始进行微波真空干燥技术的研究工作，仍处于起步阶段，微波真空干燥机理理论研究和物料干燥工艺研究报道相对较少，开发微波真空干燥设备的

专题论述