热风微波耦合技术在果蔬中的研究进展

张冉冉，李文绮，贾文婷

（1.石河子大学食品学院，新疆 石河子 832000；2.石河子质量与计量检测所，新疆 石河子 832000；3.新疆农垦科学院农产品加工研究所，新疆 石河子 832000）

我国果蔬品类丰富且产量大，以鲜售为主。目前，我国的果蔬加工量不足10%，而发达国家的加工量高于70%[1]。新鲜果蔬水分含量高，在采摘、运输、贮藏过程期间易发生损伤[2]，不耐贮藏，再加上由于位置偏远造成的交通不便，导致经济损耗，而对鲜果进行加工可以有效减缓产品损耗，降低成本[3-5]。因此，加工技术的发展对果蔬加工业具有深远影响。

果蔬加工是对新鲜果蔬进行榨汁、腌制、脱水、冷冻等的加工活动，其主要产品包括果蔬汁、罐头、果脯、果蔬脆片等[6-7]。脱水干燥是果蔬加工中重要的加工方式之一，其中热风干燥的技术、微波干燥技术在果蔬领域已广泛应用，如热风干燥的刺梨[8]、猕猴桃果脯[9]、柿子[10-11]等，微波干燥的老山芹[12]、香菇[13]、山楂[14]等。热风干燥的速率低，物料干燥品质差；微波干燥具有易造成物料局部焦化、干燥物料少等缺陷。为了消除单一干燥技术的局限性，热风微波联合干燥技术应运而生。热风微波耦合干燥技术是热风微波联合干燥技术中的一种，是将热风与微波同时作用于物料，实现物料内外同时加热，既提高了干燥后的物料品质，又提高了干燥速率[15-17]，消除了微波和热风技术单独应用时存在的干燥品质差、干燥时间长、能源效率低等缺点。但因大多数热风微波耦合干燥设备是由微波炉改造而来，所以批量化应用到企业中还有很大的局限性。

本文介绍了热风微波耦合技术的基本概念及原理，同时对该技术在果蔬中应用的研究进展进行了综述。

1 热风微波耦合干燥技术

1.1 基本概念

Schiffmann 等[18]在烤肉炉的设计中首次提出将热风与微波相结合的方法，从此开启了热风微波联合干燥技术的研究。热风微波联合干燥已应用于果蔬加工中，如芦笋[19]、马铃薯[20]、灰枣[21]、芒果[22]等。热风微波联合干燥分为串联干燥和耦合干燥。串联干燥是热风和微波先后作用于物料进行干燥；耦合干燥是热风和微波同时进行干燥。热风微波耦合干燥技术实现了物料内外同时加热，传质与传热能力增强，大幅度提高了原料的干燥效率。该技术干燥速率快、VC 保留率高、产品复水性能良好，同时能节省能源[23]。

1.2 原理

在干燥过程中，热风带走物料表面水分，物料内部水分向表面迁移，与能量传递方向相反（图1A）。微波使材料内部产生热量，内部水分吸热蒸发，促使物料内部热量升高，形成由内到外的压力梯度，也就是“泵”效应，推动水分扩散到物料表面，此时传质传热方向相同（图1B）。因此，热风、微波同时作用于物料（图1C），能带走物料的自由水和结合水，加速物料干燥[24-27]。

图1 热风微波耦合干燥原理Fig.1 Principle of hot air and microwave coupled drying

1.3 不同干燥方式的优缺点

热风干燥具有低能耗、操作简单、成本低的优点，已被广泛应用于果蔬干制领域，但其缺点也逐步展露。康三江等[28]热风干燥马茵菜时，虽然颜色与新鲜的马茵菜接近，但可能会引起酶褐变、氧化型褐变，以及叶绿素的降解。Suna[29]对枸杞的干燥研究中发现，与微波干燥相比，热风干燥枸杞的酚类物质含量和抗氧化能力降低。赵愉涵等[30]用热风干燥、分段热风干燥、真空热风干燥和真空冷冻干燥对芹菜叶进行干燥，结果表明，与其他干燥方式相比，热风干燥的叶绿素、VC、总酚、总酮含量最低，对芹菜营养成分的影响最大。

微波干燥作为一种新型干燥技术，具有干燥速率快、能量利用率高、设备控制简单等优点。近年来，微波干燥被广泛应用于果蔬行业。微波作用于物料将其转化为热能，从而达到干燥物料的目的[31]。在不同干燥方式对竹笋的研究中发现，微波干燥竹笋耗时最短，但使蛋白质变性严重，相比鲜笋损失了92.97%[32]。在微波干燥对红枣品质的研究中发现，由于过度加热，干燥后的红枣焦苦味明显，余味较长[33]。由此可见，虽然微波干燥耗能低，但有时会使物料受热不均造成其局部焦化，品质下降，且设备维修费用高昂。

将热风、微波两种干燥方式相结合同时作用于物料，形成热风微波耦合干燥，分别发挥各自技术的优点，合理分配两者之间的能量比例，减少干燥时间，节约能耗，从而提升物料干燥品质。于海明[34]对山楂进行热风微波耦合干燥时发现，在热风速度恒定时控制热风温度，随着微波功率由3 W/g 增加到15 W/g，干燥时间缩短了64.7%。Talens 等[35]对橘皮分别进行热风和热风微波耦合干燥处理，与热风干燥相比，热风微波耦合干燥的处理时间和能耗显著减少，并且不影响橘子纤维的化学成分、保水能力和颜色。Horuz等[36]将（409.6±1.4）g 的酸樱桃分别在50、60、70 ℃下进行热风干燥，120、150、180 W 微波与50、60、70 ℃热风耦合干燥，将酸樱桃样品从初始含水量80.75%干燥至最终含水量25%，热风微波耦合干燥时间相较于热风干燥缩短了52%。热风微波耦合干燥时间缩短了干燥，提高了干燥速率，并使干燥样品具有较高的总酚含量、抗氧化能力、VC 含量和复水能力。

2 耦合技术在果蔬干燥中的研究

目前，国内外已有学者利用热风微波耦合技术对果蔬（如芹菜[37]、花生[38]、苹果片[39]等）干燥进行研究。热风微波耦合干燥技术的应用明显提高了果蔬的干燥速率，干燥后的物料品质有所提高。表1 总结了热风微波耦合干燥技术在山药、萝卜、杏脯、芹菜等果蔬中的研究应用，研究考察了热风温度、微波功率、热风速度等因素对热风微波耦合干燥的速率、干燥后物料品质等的影响。

表1 热风微波耦合干燥技术在果蔬干燥方面的应用Table 1 Application of hot air and microwave coupled drying technology in fruit and vegetable drying

Wang 等在[40]微波耦合热风干燥山药时，以热风温度、热风速度、切片厚度和微波功率密度为自变量，以干燥产品复水率和总糖含量为响应值，采用单因素试验和响应面法对工艺参数进行优化。优化的工艺参数为：热风速度2.5 m/s，热风温度61.7 ℃，切片厚度8.5 mm，微波功率密度5.9 W/g。Lee 等[41]采用热风（70 ℃，5 m/s）、微波（50 W）、热风微波耦合（70 ℃，5 m/s，50 W）3 种不同干燥方式对萝卜切片进行干燥时发现：热风微波耦合干燥的时间比热风和微波单独干燥分别缩短了75.0%和33.3%；在干燥的最后阶段，热风和微波导致萝卜片的干燥不均匀，中间和边缘的含水量差异较大；在萝卜片的干燥过程中，采用热风微波耦合干燥可以提高干燥的均匀性。Horuz 等[42]在微波功率为120、150、180 W，温度为50、60、70 ℃的条件下，采用土耳其国产微波-热风混合烘箱对杏脯的结晶行为和动力学进行了研究，当含水率从77%（湿基）降到25%时，干燥操作结束，试验结果表明，微波功率和空气温度的增加加快了干燥速度，缩短了杏脯的干燥时间。Chen 等[43]采用热风干燥（50、60、70 ℃）和热风微波耦合干燥（50、60、70 ℃，0～700 W）两种方式制备干燥芹菜茎片，结果表明：与热风干燥相比，热风微波耦合干燥可有效缩短干燥时间；干燥时间的缩短有利于最大限度地减少产品表现出的颜色变化，同时能最大限度地保留芹菜特有的香气。Ma等[44]在对莲藕片进行热风微波耦合干燥（样品厚度5～17 mm，风速1.5～3.5 m/s，温度50～70 ℃，微波功率2～10 W/g）的研究中发现：随着切片厚度、热风温度、风速和微波功率的增大，藕片的含水率随之减小，干燥速率随之增大；当微波功率为8 W/g 时，干燥速率达到最大值。由此可见，热风微波耦合干燥技术可明显缩短干燥周期，有效节约时间。

3 热风微波耦合技术的影响因素

3.1 微波功率

微波功率是热风微波耦合技术的影响因素之一，热风微波耦合干燥过程中，微波功率的高低影响着果蔬的干燥速率，选择合适的微波功率，可节省干燥时间，提升干燥效率。凌铮铮等[45]对花生进行间歇热风-微波耦合干燥时发现，当微波功率＞1.0 W/g 时，干燥速率显著上升。易丽等[46]在应用热风微波耦合技术干燥番木瓜片的研究中发现，微波功率是最主要的影响因素，采用微波功率5.5 W/g 对番木瓜进行干燥时，可明显缩短番木瓜的干燥时间，提升干燥效率。

3.2 热风温度

在热风微波耦合干燥过程中，温度的升高会加速物料表面水分的散失，干燥速率与热风温度成正比。周韵等[47]对胡萝卜进行热风微波耦合干燥时，固定微波功率2.5 W/g，热风速度1.0 m/s，干燥速率随着热风温度的升高而提高。宋瑞凯等[48]在马铃薯丁热风微波耦合干燥的试验中发现，马铃薯丁干燥的时间随着温度的升高而逐渐减少。当热风温度为50、60、70 ℃时，其干燥完成时间分别为450、300、250 min。因此，热风温度的高低对干燥速率有一定影响，提高温度可缩短干燥时间，节省能源。

3.3 物料的预前处理

物料的预前处理是指在干燥前通过技术手段（热烫、超声、化学试剂浸渍等）对物料进行处理，以提高物料的干燥速率，提升干燥品质[49]。罗东升等[50]分别用热烫、高压二氧化碳和油酸乙酯结合预冻3 种方式对200 g 红枣进行预处理，再进行分段间歇微波耦合热风干燥。研究发现：相较于无处理组，预处理组的干燥速率快、能耗低，产品的抗氧化能力得到提高；其中油酸乙酯结合预冻的预处理方式能耗最低，干燥速率高；高压二氧化碳预处理后的红枣VC、酚类和总酮含量高于其他处理方式。由此可见，对物料进行预处理可明显提升热风微波耦合干燥的速率，使干燥的红枣品质得以提升。Abbaspour-Glandeh 等[51]对山楂进行超声波预处理后，分别采用热风法、红外-热风法、微波-热风法、超声波+热风法、超声波+微波-热风法、超声波+红外-热风法和冷冻干燥法对山楂果实进行干燥处理，结果表明：超声波+微波-热风法的干燥时间最短，为45 min，与未经超声预处理的微波-热风法相比，干燥时间缩短了25 min。因此，经过预处理的山楂再经热风微波联合干燥显著缩短了干燥时间。

3.4 物料形态

张琦等[52]在微波功率200 W、微波温度70 ℃、风速1.0 m/s 不变的情况下，分别对质量为100、150、200、250、300 g 左右的鲜枣进行热风微波耦合干燥，结果表明：干燥速率随鲜枣质量的增加而降低；干燥的物料越少，其受微波和热风的影响越大。因此，物料形态是热风微波耦合干燥的关键影响因素之一。研究人员在对山药[40]、藕片[44]等的热风微波耦合干燥试验中也证明了该结论。

3.5 热风速度

在干燥物料时，流动的空气可以带走物料表面的水分。因此，风速的提高可以加速带走物料表面的水分，从而提高干燥速率。王招招等[53]选取新鲜花生进行热风微波耦合干燥，在风速对花生干燥特性的单因素试验中发现，当风速为0.2、0.5、0.8 m/s 时，其最大干燥速率随着风速的提高而增大，分别为0.26、0.35、0.38 g/（g·min），证明了风速越大，干燥速率越快。

4 展望

热风微波耦合干燥作为一种新型干燥技术，相较于传统的热风干燥更加节能，可提升物料的干燥效率，对比微波干燥技术，使物料受热更均匀，提升干燥品质。热风微波耦合技术不断地在果蔬领域研究应用，虽然该技术设备还没有完全成熟，在企业中实现规模化、产业化还需要一定时间，但随着热风微波耦合干燥设备的加速成熟，更多科研人员的试验探究，热风微波耦合干燥技术将会在果蔬干制方面发挥重要作用。