红外加热技术在果蔬干燥中的应用
摘 要 红外加热技术是一种新型的辐射加热技术，具有速率快、污染小、节约能源等优势，在果蔬干燥中应用较多。对红外加热技术的原理、优点及动力学模型的发展做了简述；并对其在果蔬干燥中的应用进行综述，着重介绍在果蔬干燥中红外加热技术与其他干燥技术的联合使用，并对红外加热技术与其他技术的联合应用前景提出展望。
关键词 红外加热技术；原理；优点；果蔬干燥；应用
中图分类号：TS205.1 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.13.003
知网出版网址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1186.s.20170508.2149.023.html 网络出版时间：2017-5-8 21：49：00
果蔬是仅次于粮食的第二大农产品，在现代平衡膳食理念中占有非常重要的地位。但新鲜果蔬由于营养丰富、水分含量较高，故微生物生长繁殖较快，易于腐烂；果蔬又具有较强的季节性和区域性，并且新鲜果蔬体积大、组织脆，这给贮藏和运输带来一定的困难。因此，为了延长果蔬贮藏期，干燥是常用的有效方法之一。果蔬传统的干燥方法有自然晾晒、阴干和热风干燥[1]，耗时长、效率低、卫生差、产品质量难以控制，不符合现代食品加工理念。而红外加热技术作为一种新型辐射加热技术，将干燥脱水和漂烫灭酶同时进行，具有加热穿透能力强和物料内外同时加热等优势，在国内外得到广泛使用[2-3]。本文简要介绍红外加热技术的原理和优点，并对其在果蔬干燥中的应用进行综述。
1红外加热技术
红外线是波长比红光长的非可见光，波长为0.75～1 000 μm，俗称红外光。红外线根据波长的长短可分为三部分，即：近红外线，波长在1～3 μm；中红外线，波长在3～40 μm；远红外线，波长在40～l 000 μm。自然界中的任何物体都在向外辐射红外线，红外线的主要作用是热作用，红外加热技术就是利用这种特性而发展起来的一种新型干燥技术。
1.1红外加热技术的原理
红外加热技术是利用红外辐射元件发出的红外线被物料吸收直接转变成热能而达到加热干燥目的的一种干燥方法。其实质就是红外线的辐射传热过程，红外线作为一种电磁波，有一定的穿透性，能够通过辐射传递能量[4]。物料吸收红外线的辐射能后，将辐射能完全转变为物料分子的转动能量或使分子的转动能量发生改变。并且，振动光谱可使物料分子的振动或转动作用的振幅加大，从而加剧其内部的振动。由于电子的运动和分子的振动速度极快，因此物料间的晶格和键团的振动碰撞较快，摩擦生热较快，所以，物料在使用红外加热时升温速度较快。特别是红外线的辐射频率与物料分子的固有频率一致时，会产生类似共振的现象，因此物料分子内部的运动更加剧烈，升温更快，从而达到快速干燥的目的[5-6]。由于红外线有一定的穿透性，红外加热时物料内部热量不断积累，温度不断升高；物料外部由于水分的不断蒸发吸热，温度不断降低；物料形成一个由内到外的温度差，因此物料的热扩散过程由内向外进行。除此之外，物料内部水分含量大于外部，水分总是由内向外扩散。因此，物料的湿扩散和热扩散方向一致，从而加速水分的扩散，即加速物料的干燥过程。
1.2红外加热技术的优点
根据传热机理的不同，食品干燥可分为对流、传导和辐射三种。目前，对流和传导加热是应用得比较多也是研究得比较深入的。红外加热技术作为一种新型的辐射加热技术，与传统干燥方法相比具有以下的优点[7-10]。
1）高效：红外加热技术的主要能量是电磁波，传递速度快、介质损耗小，且传热传质和温度梯度湿度梯度的方向均一致，因此升温快、干燥速率大。
2）节能：红外加热技术辐射的能量与辐射温度的4次方成正比，与传统加热方式相比，生产效率提高20%～30%，节电30%～50%，节省其他能源约30%。
3）环保：红外加热技术辐射的能量直接被物料吸收，不会产生任何废弃物污染周围环境，并且加热设备的安全性较高，对人体伤害较小。
4）产品质量好：物料在吸收红外线加热干燥时，其化学性质较稳定不易改变，干燥后的产品质量好。
5）节约成本：红外加热器投资少、生产场地小，不会产生其他的费用，因此生产成本较低。
2红外加热技术在果蔬干燥中动力学模型的发展
目前，果蔬红外加热干燥技术发展迅速，但成品品质不稳定。物料种类、内部结构和外部形状、理化性质等均显著影响产品质量，除此之外，干燥条件亦对产品质量影响显著。近年来，许多学者通过对不同物料的试验研究，总結拟合了几种常用的经验、半经验干燥数学模型[11-16]，来定量地描述物料干燥规律，常见的干燥模型如表1所示。
在上述模型中，模型（2）因拟合度高、误差小，应用比较广泛，国内外对其干燥特性进行了广泛深入的研究。曾目成等[17]系统地研究了猕猴桃的中短波红外干燥特性，通过对不同的干燥温度和功率进行动力学数学模型拟合，得到Page模型对猕猴桃切片干燥过程的拟合性较好，且模型的实验值和预测值吻合度较高，对猕猴桃片的红外干燥过程可进行描述和预测；王相友等[18]研究了胡萝卜切片的干燥特性与数学模型，亦得出相似的结论；Esmaiili M等[19]和Sharma等[20]也报道了在果蔬的红外辐射干燥过程中Page模型具有良好的拟合性。除了对Page模型进行研究外，国内外还对其他模型进行了试验。林喜娜等[21]基于Matlab软件，利用高斯-牛顿算法，通过决定系数、误差平方和及均方误差的根等拟合优度评价指标对各种干燥模型进行评价，结果表明：苹果切片红外辐射干燥过程用修正的Page方程Ⅱ能够更好地预测和控制。
3红外加热技术在果蔬干燥中的应用
3.1果蔬干燥中红外加热技术单独使用的研究
随着科学技术的发展，国内外的专家学者对红外加热技术进行了大量的研究。张丽丽等[22]研究了不同干燥参数下蒜片的红外干燥特性，并通过软件对其干燥模型进行了拟合求解，结果表明：Diffusion Approach模型的相关系数较高、误差平方和与根均方差较低，因此该模型能较准确地拟合蒜片的红外干燥特性。张慜等[23]对香菇的红外干燥特性进行了研究，结果表明：干燥时间的长短与干燥参数息息相关，随着干燥温度和风速的增加，辐射距离和装载系数的减小，香菇的干燥时间不断降低。巨浩羽等[24]研究了苹果片的红外干燥特性，结果表明：干燥温度、切片厚度和辐射距离对苹果片的干燥特性和色泽影响较大。徐凤英等[25]应用Image-Pro、SPSS 软件对荔枝红外干燥的均匀性与果壳孔隙分形色变进行了研究。隋银强等[26]报道了酿酒葡萄皮渣的红外干燥特性，结果表明：连续红外干燥的干燥速率最高且对总多酚和原花青素具有较好的保护作用。
除此之外，红外干燥作为一种高效的干燥方法还广泛用于诸如洋葱、草莓、苹果、杏仁等果蔬的干燥处理，其干燥速度快、干燥品质好、干燥过程方便，易操作，而且杀菌效果明显[27-32]。
3.2果蔬干燥中红外加热技术与其他技术联合应用的研究
随着人们对产品品质要求的提高，单独使用红外加热技术已经不能满足干燥要求，这就促使人们将红外加热技术与其他先进干燥技术联合使用。所谓联合干燥是指充分利用各自干燥方式的特点，将2种或2种以上的干燥方式相结合的一种混合干燥技术。可优化干燥过程，达到提高产品品质，减少干燥时间，增加经济效益的目的。目前，国内外已经有红外-热风（IR-HA）联合干燥、红外-微波（IR-MD）联合干燥、红外-真空（IR-VD）联合干燥以及红外加热技术与其他先进技术联合干燥的方式。
3.2.1 红外-热风联合干燥
热风干燥能及时带走物料表面蒸发出的水蒸汽，使物料内部水分得到扩散，红外加热技术能使物料内外水分同时加热，温度梯度和湿度梯度方向一致，从而加快物料的干燥过程。Nathakaranakule等[33]研究了龙眼的远红外辅助热风干燥，结果表明：该技术不仅能显著提高干燥速率和复水率，降低产品的收缩率和硬度，而且龙眼干制品外观呈深红色。Ponkham等[34]对环形菠萝片进行了远红外热风联合干燥研究，结果发现：扩散系数主要受远红外强度和热风温度的影响；4次方模型对干燥过程中色泽的变化拟合度较高；修正的Midilli-Kucuk模型对干制品的剪切力比拟合度较高；二次模型对干燥过程中的收缩动力学拟合度较高。Somkiat jaturonglumlert等[35]也系统地研究了水果皮远红外热风联合干燥的传热和传质过程。
3.2.2 红外-微波联合干燥
红外线穿透力较强，用于果蔬干燥时速度快、品质佳。微波的穿透性更强，且内外同时加热，对于较难干燥脱水或在后期干燥难以失去水分的农产品较适宜。Wang等[36]研究了桃子的远红外-微波（FIR-MD）干燥特性，结果表明：随着远红外和微波功率的增加，脱水速率亦增加；远红外功率、微波功率和转换点含水率对能耗率和产品感官质量有显著影响。曹新志等[37]研究了胡萝卜的红外-微波（IR-MD）联合干燥特性，以胡萝卜的品质为评价指标，通过仪器和感官分析得出红外-微波联合干燥时成品的品质较好且干燥速率较快。甘斯佳[38]先利用远红外将黄花菜杀青到一定程度（含水率为40%），再利用微波干燥到规定的含水率（13%），这种方法既可缩短干燥时间，又可保证产品质量，经测定蛋白质保存率为87.3%。
3.2.3 红外-真空联合干燥
红外真空干燥最大的特点是在真空环境下进行干燥，干燥室的内压大于外压，果蔬在压力差和湿度梯度的作用下达到快速干燥的目的。Mongpraneet等[39]研究了威尔士洋葱的远红外真空干燥，结果表明：整个干燥过程可分为升速、恒速和降速3个阶段，产品干燥速率和叶绿素保存率主要受辐射强度的影响。杨志伟等[40]采用响应面法对芒果果脯加工工艺条件进行了优化，最佳工艺为：干燥时间4.5 h、绝压42.3 kPa、远红外加热温度55.4℃。Swasdisevi等[41]对香蕉片进行了远红外-真空（FIR-VD）联合干燥研究，通过对联合干燥过程中含水率和温度的预测值与实验对比，表明所建立的数学模型完全能够描述联合干燥过程中含水率及温度的变化。
3.2.4 其他联合干燥技术
除此之外，也有研究报道了红外加热技术与热泵、气体射流冲击方法和低压过热蒸汽联合干燥。徐刚等[42]对胡萝卜片进行了远红外-热泵（FIR-HPD）联合干燥工艺研究，得出胡萝卜FIR-HPD联合干燥工艺的最佳工艺参数为：物料热烫时间120 s，HPD温度45℃，FIR热源辐射功率2 kW，HPD与FIR切换点的物料含水率为50%。郑霞等[43]研究了哈密瓜片的红外联合气体射流冲击方法，结果表明：整个干燥过程均为降速阶段；采用该方法可使干燥时间缩短到2.0～3.5 h。Nimmol 等[44-45]研究了远红外和低压过热蒸汽联合干燥香蕉片的传热过程，结果表明：香蕉片干燥动力学和热传递受干燥介质温度和压强的影响较大。
4展望
红外加热技术作为一种新型的加热技术，具有高效、节能、无污染的优点，与传统的加热技术相比应用范围更广泛。但在我国，红外加热技术与其他技术的联合在果蔬干燥中的应用仍处于起步阶段，还未形成规模，尤其是在红外加热机理及其最佳转换点的确定方面，与发达国家相比还存在很大的差距。因此，若要将联合干燥技术做到自动控制，就需建立合理的数学模型，这是以后研究的一个重點，也是难点所在。另外，联合干燥技术的设备也需要不断改进，自动化控制、安全操作、在线精确检测将成为未来的发展方向。
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（责任编辑：丁志祥）