果蔬新型干燥技术的研究进展

吴小恬，刘 静，赵 亚，石启龙

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000）

果蔬因富含维生素、矿物质和膳食纤维等营养物质而深受人们喜爱，但果蔬含水率较高，生命活动和呼吸代谢旺盛，腐败变质。因此，探索先进的果蔬精深加工技术，提高其贮藏稳定性和附加值迫在眉睫。

果蔬干燥是指在自然或人为控制条件下，将果蔬中的大部分水分去除，使其不易腐败变质，并始终保持低含水率或水分活度的一种方法[1]。干燥不仅可以延长果蔬的贮藏期，还可以降低果蔬的质量和体积，节约包装，储运降低成本。目前，果蔬干燥包括自然干燥和人工干燥两种方式，前者利用自然条件使果蔬水分降低从而达到干燥目的，主要包括晒干和阴干；后者利用干燥设备在人工控制的条件下对果蔬进行干燥，常用的果蔬干燥方式有日光干燥（sun drying，SD）、热风干燥（hot air drying，HAD）、冷冻干燥（freeze drying，FD）、微波干燥（microwave drying，MWD）和远红外干燥（far infrared drying，FIRD）等，但存在各自的缺陷，如干燥效率低、能耗高、干燥不均匀、干制品品质差等问题。近年来，一些新型干燥技术，如流化床干燥（fluidized bed drying，FBD）、过热蒸汽干燥（superheated drying，SSD）、射频干燥（radio frequency drying，RFD）、气体射流冲击干燥（air-impingement jet drying，AID）、泡沫干燥（foam mat drying，FMD）、折射窗干燥（refractance window drying，RWD）、电流体动力学干燥（electrohydrodynamic drying，EHD）在果蔬干燥领域崭露头角，显示出巨大的潜力。基于此，本文从工作原理、优缺点和研究进展等方面介绍了果蔬新型干燥技术，探讨了果蔬干燥领域的发展方向，从而为果蔬干燥行业发展提供参考。

1 流化床干燥

FBD 又称沸腾床干燥，是利用气体技术对湿物料进行干燥的过程，是热空气进入干燥室中，使物料以悬浮状态移动，而物料中的水分蒸发并被热空气带走，从而有效除去物料水分的干燥方法[2]。FBD 具有设备操作简单、传热效果好、干燥速度快等优点，可有效避免产品的局部过热，适用于果蔬等热敏性材料的干燥，但在实际应用中，FBD 仍存在热能利用不充分、流化不均匀、热敏感物料干燥稳定性较差等问题[3]。

为了提高猕猴桃切片干制品品质、缩短干燥时间，邹三全等[3]采用FBD 猕猴桃片，研究温度、风速和厚度对其干燥曲线、水分有效扩散系数以及活化能的影响，结果表明，猕猴桃切片整个干燥过程属于降速干燥，FBD的最优条件为温度75 ℃，前中期风速4.5 m/s，中后期风速1.5 m/s，切片厚度10 mm，此时得到的产品质量最佳，而且能够降低干燥设备的能耗，从而降低生产成本。Dereje 等[4]研究不同预处理（柠檬汁、盐溶液浸泡、热水烫漂和对照）和4 种干燥方式（SD、HAD、FD 和FBD）对芒果干片质量的影响，结果表明，FD 和FBD 处理后芒果片质量较好；此外，由于气体流动中颗粒的均匀流态化导致传热和传质系数提高，FBD 处理的芒果切片含水率最低。针对微波热风干燥（microwave hot air drying，MWAD）存在的干燥不均匀、色差大、效率低、能耗高等问题，吕豪等[2]以新鲜毛豆为原料，研究了基于机械振动流态化技术的微波热风振动流化床干燥（microwave-hot-airflow vibrating drying，MAVD），结果表明，MAVD 可使物料表面场强分布更均匀，毛豆仁干燥时间比单独微波流化床干燥缩短了34.1%，比MWAD 干燥时间缩短了12.9%，毛豆仁水分分布的均匀性显著提高。Zahoor 等[5]采用响应面法优化了微波辅助流化床干燥的工艺参数，探讨了干燥参数对红甜椒干燥动力学和对红甜椒抗坏血酸（VC）含量、DPPH 自由基清除能力、复水率和总色泽变化等指标的影响，得出最优干燥参数为微波功率468.04 W，流化干燥温度60.14 ℃，风速16.82 m/s。

2 过热蒸汽干燥

SSD 是一种以过热蒸汽作为干燥介质直接与湿物料接触而去除水分的干燥方法。在封闭系统中，利用物料本身水分蒸发或饱和蒸汽加热形成的过热蒸汽，与物料直接接触，通过对流和热传导不断传递热量，从而达到高效干燥的目的[6]。SSD 具有传热系数高、产品质量好、干燥效率高、环境友好等优点，但由于果蔬含水率和热敏性较高，采用高压或常压SSD 时，果蔬可能会发生玻璃态转化或出现热损伤、融化等现象。

苏煌杰等[7]采用中心组合实验设计，以过热蒸汽真空分段组合干燥法为基础，探讨了不同因素对竹笋干制品复水率和色泽的影响，结果表明，最佳组合工艺条件为过热蒸汽温度119℃，转化时间35 min，真空温度74 ℃，与HAD 相比，优化后的工艺节省时间56.25%、能耗52.65%。与常压或高压下的果蔬SSD 相比，低压过热蒸汽干燥（low-pressure superheated drying，LPSSD）能在低温下干燥，不易产生冷凝和结露现象，物料不易发生变质。为了研究果蔬LPSSD 过程中是否存在反转点温度，李占勇等[8]对青萝卜进行了LPSSD 试验，结果表明，萝卜片存在一个反转点温度，在反转点温度以上，LPSSD 的干燥效率不仅高于真空干燥（vacuum drying，VD），而且VC 的保留率也高于VD。黄小丽等[9]采用了过热蒸汽-热风联合干燥工艺制备马铃薯颗粒全粉，结果表明，马铃薯SSD速率随蒸汽温度和蒸汽流量的增加而增大，随切片厚度的增加而减小，不同条件下SSD 得到的半干马铃薯后续HAD 特性差异不显著，但与传统干燥相比，总干燥时间显著缩短。Malaikritsanachalee 等[10]研究了间歇式和连续式LPSSD 对成熟芒果干燥动力学的影响，探讨了HAD和LPSSD 对芒果干颜色、收缩、复水率和微观结构的影响，结果表明，Page 模型是最适合描述芒果干燥行为的模型，LPSSD 与HAD 相比不仅能够缩短干燥时间，还能使干制品具有更致密的结构和更少的孔隙，其中，间歇式LPSSD 的产品具有比连续式干燥更大的孔隙结构和更高的复水率。Sehrawat 等[11]探讨了干燥方法对芒果品质的影响，结果表明，与VD 和HAD 相比，LPSSD 对芒果中的VC、β-胡萝卜素、总酚含量和抗氧化活性的保留率更高。

3 气体射流冲击干燥

AID 是将具有一定压力的气体通过圆形（或狭缝状）喷嘴高速冲击待干燥物料表面，达到加热/干燥物料的目的。AID 是在物料干燥过程中，由于喷嘴与物料表面的距离非常近，气体射流速度非常高，物料与气流之间产生非常薄的边界层，它的传热系数是传统HAD 的数倍甚至一个数量级[12]。与其它传统干燥相比，AID 具有传热系数高、传热速率可控、干燥速度快等特点，但仍需降低使用成本和扩大使用范围来增强AID 的推广应用。

由于果蔬中含有的生物活性物质在生产加工中容易损失，而AID 具有耗时短、耗能少、营养物质损失少等特点，在果蔬干燥方面的研究逐渐深入。杨慧等[13]采用单因素试验、响应面法分析了AID 的温度、风速对无核紫葡萄干燥成品的花青素含量、VC 含量、感官评分及干燥时间的影响，结果表明，干燥温度和风速对成品的花青素含量、VC 含量、感官评分和干燥时间均有影响，并存在交互性，其中AID 无核紫葡萄最佳工艺参数为温度66 ℃、风速13 m/s。贾梦科等[14]探讨苹果片AID 过程中风温、切片厚度和风速及其交互作用对VC 含量、复水率、单位能耗的影响，并用遗传算法、fgoalattain 函数法、隶属度综合评价法等3 种方法进行优化，结果表明，遗传算法优化的结果最好，最佳工艺参数为气流温度63.24℃，切片厚度2mm，气流速度12 m/s。Tan 等[15]探索了不同温度对AID 番茄切片干燥曲线和动力学模型的影响，比较了AID 与HAD干燥番茄片的色泽、总多酚含量、番茄红素含量和抗氧化活性等指标，结果表明，AID 提高了番茄片的干燥速度，修正Page 模型能准确预测番茄片的AID 干燥特性；此外，AID 在缩短干燥时间、提高干燥速度、降低番茄片总多酚含量、番茄红素的损失和抗氧化能力方面都优于HAD，AID 番茄片的最适温度为80 ℃。Luo 等[16]比较了脉冲AID、HAD 和FD 对香菇感官品质的影响，结果表明，尽管脉冲AID 得到香菇的游离氨基酸和可溶性糖总量略有下降，但是脉冲AID 能够在一定程度上抑制酶的活性和美拉德反应，显著改善了干香菇的风味；因此，脉冲AID 综合了HAD 和FD 的优势，是很有前景的干燥技术。为探索红枣脆片的新型加工方法，钱婧雅等[17]以新鲜脆熟期红枣为原料，对比了AID、中短波红外干燥（medium and short infrared wave drying，MSIWD）、脉动真空干燥（pulsed vacuum drying，PVD）等3 种干燥方式对红枣脆片的干燥特性、色泽、VC 保留率以及微观结构的影响，结果表明，AID 的干燥时间最短，但PVD 红枣脆片色泽、VC 保留率、复水性能和质地最佳。

4 射频干燥

RFD 是利用频率为3 kHz～300 MHz 的高频交流电磁波加热物料的一种干燥方法。RFD、MWD 都属于介电加热技术，二者干燥原理相似，RFD 原理包括离子迁移和偶极旋转[18]。离子迁移是指物料中带正电荷的离子在电磁场作用下向阴极区移动，带负电荷的离子向阳极区移动，并在交变电场作用下来回移动，通过离子与其他分子的碰撞或水分子氢键的断裂，将离子动能转化为热能，从而实现物料的升温和加热[18]。偶极子旋转是将物料置于高频交变电场中，随着电场的不断变化，物料中极性分子的极性迅速变化，产生分子间的相互摩擦、碰撞和加热，从而提高材料温度，去除水分[18]。RFD 是一种非电离辐射快速加热技术，物料温度上升迅速，可大大缩短加热时间，提高产品质量。通过极性分子转动与离子振荡摩擦，在物料内部产生热量，具有穿透深度大，加热均匀性较好和选择性加热等特点，但不适用于高含水率物料的干燥。

传统热风干燥温度一般较高，在食品表面易形成硬壳，品质劣变，且伴随着巨大的能量消耗。采用RFD 具有更高的干燥速率，能更好地保持食品物料的营养成分，受到研究者的广泛关注。Zhang 等[19]研究了RFD 对马铃薯多酚氧化酶（PPO）相对活性、质构和微观结构等指标的影响，结果表明，RFD 温度80 ℃下，PPO 几乎完全失活；圆二色谱分析表明，由于α-螺旋含量的降低，RFD改变了PPO 的二级结构。由于空气在RFD 下无法被加热且物料内部温度急剧升高的原因，物料在RFD 过程中会出现水分凝积和局部损伤等问题。RFD 与HAD 联合使用，可有效改善这些问题。殷嘉乐等[20]研究热风辅助射频干燥（hot air-assisted radio frequency drying，HA-RFD）过程中VC 随温度变化的降解动力学模型，结果表明，与其他果蔬相比，胡萝卜丁的VC 在HA-RFD 过程中相对更稳定。Zhang 等[21]将HA-RFD 作为芒果片第2 阶段的干燥方法，结果表明，HA-RFD 可以缩短干燥时间，提高芒果片质量。Roknul等[22]对比了HA-RFD、红外干燥（IRD）、热风-微波干燥（HA-MWD）和HAD 对莴苣干燥时间和品质特性的影响，结果表明，HA-RFD 的干燥时间最短，仅需120 min，莴苣的色泽、复水能力和弹性都比其他干燥方式好，而且干制后的莴苣品质较优。周旭[23]研究了猕猴桃的射频真空干燥（radio frequency-vacuum drying，RFVD）动力学，结果表明，RFVD 猕猴桃的色泽、VC 保留率和复水性能均优于HAD；对比HAD、RFVD 和HA-RFVD 的干燥效果，结果表明，RFVD 时间最短，HA-RFVD 次之，HAD 耗时最长。

5 泡沫干燥

FMD 是在液态或半液态的食品物料中添加可食用起泡剂，通过机械搅拌的方式，使物料中混入大量空气，待形成均匀稳定的泡沫后再进行干燥。FMD 过程中，液膜形成的小室称为泡沫，这些气泡的毛细作用，使物料中的水分由内部向外部转移，密集的气泡可以增加材料的表面积，加速水分子蒸发，泡沫的孔隙率和较高的表面积提高了传质速率，从而缩短了脱水时间[24]。与喷雾干燥和FD 相比，FMD 是一种相对简单、成本低的方法，目前主要应用于果蔬粉制造领域。但物料产生泡沫后，内部混入大量空气，空气的热传递系数降低，不利于物料内部的热量和水分传递，因而干燥速度慢，对于热敏性强的果蔬，长时间加热会对其营养成分产生不利影响[25]。

Chaux-Gutiérrez 等[26]研究了FMD 工艺参数对芒果果肉粉干燥动力学和品质的影响，结果表明，FMD 能够有效获得芒果粉，成品的类胡萝卜素保留量高、色泽变化小。Levate 等[27]优化了火龙果粉FMD 的搅拌时间和发泡剂比例，确定了火龙果浆最佳FMD 工艺条件分别为26.88 min、4.12 kg/100 kg（白心火龙果）和23.5 min、3.44 kg/100 kg（红心火龙果）。Abbasi 等[28]研究了不同干燥温度、发泡剂（蛋清蛋白）和泡沫稳定剂（甲基纤维素）对MFD 酸樱桃粉理化性质的影响，结果表明，MFD 可以在较低的温度和较短的干燥时间内得到高品质樱桃粉。为了提高桑葚粉干燥效率及产品质量，李斌等[24]采用热风泡沫干燥（hot air foam drying，HAFD）与中短波红外泡沫干 燥（short and medium wave infrared foam drying，SMIRFD）制备桑葚粉，分析干燥方式对桑葚粉色泽、粒径、微观结构等指标的影响，研究表明，FMD 有利于桑葚果浆中水分的散失，SMIRFD 在70 ℃能够制备高质量的桑葚粉。曾广琳等[29]以水分活度、微观结构、晶体形态为评价指标，分别对HAD、微波泡沫干燥（microwave foam drying，MW-FD）和FD 所得的番木瓜粉进行分析，研究表明，虽然MW-FD 番木瓜粉水分活度与褐变程度最高，综合考虑其玻璃化转变温度和自由基清除能力，MW-FD能生产出较高品质的番木瓜粉。

6 折射窗干燥

RWD 又称“偏流窗”干燥，是一种利用传导和辐射的新型薄层干燥技术，RWD 将经过调制处理的浆类物料快速干燥成粉状物料。RWD 以循环热水为热源，在热水表面覆盖特制的聚酯膜，将果肉等湿料均匀地喷洒在聚酯膜上。热量通过聚酯膜传递到湿物料，物料蒸发的水蒸气通过排风机迅速排出，加速物料脱水，物料与聚酯膜分离，达到干燥终点[30]。RWD 采用95～97 ℃热水作为热源，可有效提高干燥效率。由于在低温常压条件下操作，RWD 能在很大程度上保持产品的色泽和营养成分，具有干燥周期长、能耗低等特点，但干燥设备占地面积过大限制了其在干燥领域中的应用。

RWD 可将果蔬切片、果蔬浆和果蔬汁等物料加工成片状、粉状或其他形状产品，而不损失其中的热敏性营养成分。张卫鹏等[30]以胡萝卜浆为原料验证了自行设计的RWD 装置，结果表明，与HAD 胡萝卜浆相比，2 种RWD 方式的干燥时间缩短了150%，且品质显著提高。Azizi 等[31]研究了猕猴桃的RWD 的干燥动力学，探讨了干燥温度、切片厚度和聚酯膜厚度对干制品品质的影响，结果表明，RWD 干燥猕猴桃不仅干燥时间短，还能使猕猴桃的品质、结构和组织保持较好的完整性，RWD 可作为处理高价值食品、保健品和食品补充剂的干燥工艺。Deependra 等[32]研究了远红外辅助折射窗干燥（FIR-RWD）对苹果切片的干燥动力学与产品理化特性的影响，与单独RWD 和HAD 相比，FIR-RWD 分别缩短了50%和69%的干燥时间，在更好地保留原有的营养物质与风味物质的同时，改善了产品的多孔结构，是热敏性产品干燥的优良选择。Shende 等[33]采用响应面法对RWD 芒果的工艺参数进行了优化，确定了最佳的干燥条件为干燥温度95 ℃，果浆厚度2.49 mm。此外，还与托盘干燥和烘箱干燥进行了比较，发现RWD 干燥时间短、营养物质保留率高的同时，粉末颗粒表面光滑且厚度均匀。Tontul 等[34]比较了HAD 和RWD 对山茱萸粉的理化性质的影响，结果表明，与HAD 相比，RWD 具有更好的干燥效果，RWD温度对山茱萸粉物性影响不大，山茱萸粉最适RWD 温度为90 ℃。

7 电流体动力学干燥

EHD 又称高压电场干燥，是一种利用高压电场产生的电晕风与放热相互作用导致食品中的水分快速蒸发的新型干燥技术。EHD 主要是在高压电场下，电极附近空气等介质会被击穿，并使其携带电荷，在电场力的作用下定向移动，由此形成离子风，离子风的作用导致干燥物料内的水分蒸发和传热传质增强[35]。EHD 是一种基于介质击穿的非热干燥技术，具有成本低、能耗少的优点，适合于热敏性固体和半固体物料的干燥，但存在后期干燥速度下降且会产生臭氧的问题。

EHD 在物料干燥过程中，不同的电场条件对干燥速率有很大的影响。王云龙[36]研究了不同电压、铺放量和针极距离对花椒干燥水分比和干燥速率的影响，并采用Box-Bohnken 中心组合设优化了EHD 花椒的干燥参数，结果表明，针极距离对花椒EHD 干燥影响不显著，而电压越高，装载量越少，干燥时间越短；花椒EHD 干燥的最优工艺参数为电压19.87 kV、铺放量54.55 g、针极距离3.83 cm。Ding 等[37]研究了不同电压对EHD 干燥胡萝卜片的干燥速率和产品品质的影响，结果表明，干燥速率随着电压的增加而增加，与HAD 相比，EHD 干燥的胡萝卜片具有更高的胡萝卜素含量和更优的复水性能。Yu 等[38]研究了EHD 对马铃薯片的含水率、外观、复水率、可溶性还原糖含量等指标的影响，结果表明，电压和针极距离对干制品的复水率有显著影响，而对可溶性还原糖的影响不显著，EHD 能显著加快马铃薯片的干燥速度且成品不发生褐变；马铃薯片EHD 干燥工艺的最佳参数为电压20 kV、针距4 cm。Polat 等[39]研究了EHD、HAD 及二者联合干燥对杏子的干燥动力学、颜色、复水率及微观结构的影响，结果表明，EHD 与HAD 联合干燥成品的复水率高于单独HAD 或EHD，联合干燥在降低能耗和缩短干燥时间的同时，生产出较优品质的干制杏子。

8 结论与展望

与传统干燥方法相比，新型干燥工艺能有效提高果蔬的干燥效率，减少干燥过程中营养物质和风味物质的损失，保证产品质量。尽管新型干燥具有能耗低、干燥时间短、产品品质高等特点，但干燥工艺和干燥设备的结合性差，许多干燥理论的研究尚处于探索阶段，缺乏与实践的结合，所以应加强理论与实际结合，提高新型干燥技术的一体化和设备的全程自动化水平，从而推进果蔬干燥的产业化。同时，针对加热物料的特性和食品加工工艺的要求选择适合的加热方法进行联合，从而提高加热效率，缩短加热时间，最大限度地保持食品原有风味和营养成分，是未来果蔬干燥行业的发展趋势，且应向着理论的完善和推广范围扩大的方向不断发展。因此，应该更大力度地开发与研究新型果蔬的联合干燥技术，使其优势互补，发挥其最高价值。