热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分析

热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分

现代农业科技2010年第21期食品科学

热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分析

吕金虎

李金成

赵春芳

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州510225）

摘要热泵干燥技术具有良好的除湿效果和节能效益。叙述了我国有关热泵干燥技术在脱水蔬菜干燥加工中的应用状况，指出了目前热泵应用中存在的主要问题。为了推广热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中广泛应用，提出了加强对干燥工艺的研究、热泵和其他干燥方法联合应用的研究以及开发专用热泵等措施。

关键词脱水蔬菜；热泵干燥；现状；优势；问题；措施中图分类号S226.6；TK173文献标识码A文章编号1007-5739（2010）21-0377-04

ApplicationandAnalysisontheHeatPumpDryingTechnologyintheDehydratedVegetableProcessing

LVJin-huLIJin-chengZHAOChun-fang

（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ZhongkaiUniversityofAgricultureandEngineering，GuangzhouGuangdong510225）

AbstractTheheatpumpdryingtechnologyhashigherdehumidifyingeffectandenergyefficiency.Itsapplicationindehydratedvegetableprocessinginourcountrywasdescribed，andtheexistingproblemsinusingheatpumpwereindicated.Anditwasputoutthatinordertouseheatpumpextensivelyindehydratedvegetableprocessing，itwasnecessarytointensifyresearchesondryingtechnique，touniteheatpumpandotherdryingmethodsforuse，andtodevelopspecialheatpump.

Keywordsdehydratedvegetable；heatpumpdrying；status；advantage；problem；measures

1我国脱水蔬菜的生产状况

脱水蔬菜又称复水菜，它是利用专门的加工技术与设

上，而我国只有45%，其中二次以上的深加工只占20%。在美国，加工菜与鲜菜的比例已从20世纪60年代的38∶62上升到如今的60∶40[4]，而我国脱水蔬菜品种少，目前主要有长圆葱、青红椒、番茄、甘蓝、梅豆、菠菜、芹菜、香菜和胡萝卜等30多个品种[5]，整个脱水蔬菜产业发展还处于一个较低的水平。

备对新鲜蔬菜进行处理脱去大部分水分而制成干菜，食用时只需将其放入清水中浸泡即可复原，并保留蔬菜原来的色泽、营养和风味。

脱水蔬菜在脱水前后以及复水后的重量有很大的变化。复水性是衡量脱水蔬菜的一个主要技术指标，常用复水扩大倍数表示，它是脱水蔬菜复水后的重量与干菜的重量之比。表1列出了采用烘房技术加工的部分脱水蔬菜的重量变化情况。

表1

品种菠菜甘蓝马铃薯茭白萝卜豌豆扁豆

[1]

2脱水蔬菜干燥技术及应用状况

在脱水蔬菜的加工中可采用的干燥技术有常压热风

干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、远红外干燥和热泵干燥等技术。

我国脱水蔬菜的生产主要采用热风干燥，热风干燥的产品约占全部脱水蔬菜产量的90%。设备主要是隧道式烘干机、箱式烘干机、带式烘干机、链条式烘干机、滚筒式烘干机和烘房等。烘房主要用于西北部地区，以煤和木材为燃料进行加热，特点是成本低，但温度不易控制，产品质量差，档次低；隧道式烘干机存在能耗高、物料受热不均匀和产品质量较低等缺点；带式烘干机、链条式烘干机和滚筒式烘干机具有物料受热均匀、干燥速度较快和产品质量较好的特点，但也存在设备造价高、一次性投资大、设备运行和维护费用高等问题[6]。

我国的脱水蔬菜加工中90%采用常压热风干燥，以热空气作为干燥介质，对蔬菜进行脱水。这种加工方法存在如下缺点：干燥速度慢、加热的温度比较高、易造成蔬菜的营养物质损失和色泽的变化、脱水时间长、耗能大、复水性差和风味较差等[7]，因而采用常压热风干燥的脱水蔬菜在市场上属于低档产品。

远红外干燥与微波干燥具有设备投资大、运营费用高等缺点，因而在实际生产中很少使用[6]。采用真空冷冻干燥技术加工的蔬菜具有品质高、重量轻、色泽好和复水性好等特点，是脱水蔬菜中的高档产品，在我国有少数企业使用真空冷冻干燥设备加工蔬菜。但是，真空冷冻干燥设备投资大、、、。其

部分蔬菜烘前烘后重量及复水情况

烘前重量

烘后重量

kg100100100100100100100kg7.839.0015.688.336.9412.5012.50

复水后重量复水扩大倍数

倍kg

78.30

90.0058.8158.9551.9587.5087.5010.010.03.87.07.37.07.0

脱水蔬菜具有新鲜蔬菜的色、香、味，以及便于贮运、储藏时间长等优点，使得国内外市场对脱水蔬菜的需求量逐年增加。近年来，随着我国农业产业结构的调整和对外贸易的进一步扩大，脱水蔬菜已成为我国蔬菜出口创汇的主要产品之一，我国脱水蔬菜出口量居世界第1位，年出口平均增长率高达18.5%[2]。我国脱水蔬菜90%以上用于出口，产品主要出口日本、美国、欧盟、韩国和东南亚等地区。我国脱水蔬菜的生产企业主要集中在山东、江苏、浙江、甘肃、河北、陕西、安徽和宁夏等省份[3]。但是我国农产品加工总量和加工水平与世界发达国家相比还存在较大的差距，发达国家农产品加工业产值与农业产值之比大都是3∶1，而我国只有0.6∶1.0；发达国家农产品加工程度达到80%以

作者简介吕金虎（1963-），男，陕西黄陵人，副教授。研究方向：制冷与空调技术。

377

热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分

食品科学

能耗所占生产成本约为2000元/t，真空冷冻干燥其能耗所占生产成本达到4万元/t[3]；在英国市场上销售的脱水大蒜，采用热风干燥的大蒜价格为15.9英磅/kg；而采用真空冷冻干燥的大蒜价格为83.8英磅/kg；同时真空冷冻干燥设备

[8]

现代农业科技

表3

干燥方式热泵干燥热风干燥日晒

2010年第21期

白菜干燥方式与结果

白菜C含量mg/100g干重

胡萝卜素含量μg/100g干重

白菜叶绿素含量mg/100g干重

的投资费用很高，约为热风干燥设备的10倍[6]；并且在我国还存在国产冻干设备性能落后、工作可靠性差等问题[7]，从而限制了真空冷冻干燥技术在脱水蔬菜加工中的广泛使用。

不同的蔬菜品种适合不同的干燥方式，并不是所有的蔬菜采用昂贵的真空冷冻干燥设备就能生产出好产品、获得高利润，因此研究与应用较为廉价的干燥技术，提高常见蔬菜的加工品质与档次是解决问题的关键。而热泵干燥技术不但投资与生产成本较低，而且可以提高产品的质量。

27.233.754.771.1642471.34894.9

表4

干燥方式热泵干燥热风干燥

干燥温度

青椒干燥方式与结果

叶绿素保存率

℃50～60%64.8

VC保存率

%52.1

除湿率

·kg/（kWh）

1.2

是外观色泽、营养成分保存率、复水性和能耗成本，热泵干燥都优于热风干燥。

马一太等[15]以白菜种子为例，采用热泵干燥技术研究了干燥过程的温度、干燥空气的相对湿度、空气流速和种子初含水率对干燥过程以及种子活力的影响。结果表明：热泵干燥是一种良好的种子干燥技术，合理调节运行参数完全可以保证种子的干燥质量。同时，由于种子的发芽率和健芽率受干燥温度的影响最大，认为白菜种子的干燥温度不宜超过40℃。

李云林等[16]利用R-110型闭式热泵干燥机对食用菌干燥，与蒸汽热风式和火力热风式烘干干燥结果相比较，经热泵干燥的香菇外形收缩均匀、不变形，菇型圆整、色泽悦目、气味清香纯正和无焦味或烟味。采用传统烘烤工艺加工的香菇达到出口外销标准的量仅为10%，而采用热泵干燥工艺其达标量可达到60%。同时，采用热泵干燥技术对牛肝菌进行干燥处理，经热泵干燥的牛肝菌片面平整、不扭曲卷边、颜色美观、气味芳香纯真。

邹宇晓等[17]对南瓜进行了热风干燥、热泵干燥和真空微波干燥的比较试验，试验结果表明：采用热风干燥不利于南瓜类胡萝卜素的保存，南瓜干品颜色褐变较严重，而热泵干燥与真空微波干燥对南瓜的颜色保护良好，对类胡萝卜素

3热泵干燥技术的应用现状

热泵干燥技术是20世纪70年代末发展起来的一项高

新技术，因其具有独特的干燥原理、高效节能、除湿快和能良好地保持物料的品质而受到重视[9]。随着我国人民生活水平的提高和科学技术的快速发展，热泵干燥技术也逐渐应用到脱水蔬菜的干燥领域。

宗文雷等[10]针对蒜片、姜片和圆葱丝进行了热泵干燥和烘房回笼火道干燥对比研究，其中蒜片的技术指标的对比结果如表2所示。研究结果表明，将热泵干燥技术应用于脱水蒜片、脱水姜片和脱水圆葱丝的工业化生产中，干燥温度一般不高于75℃，加工时间不超过8h，热效率在85%以上，产品复水率和合格率均大于90%。与传统的烘房回笼火道干燥技术相比，热泵干燥技术生产的脱水蔬菜质量好、能耗低、工作效率高。

表2

干燥方法热泵干燥烘房干燥

脱水蒜片的加工方法与技术指标

干燥时间

热效率

含水量

复水率

干燥温度

℃60～6580～85h5.5～6.524.0～26.0%85～9040～45%≤6≤6%≥90≤70

的保存较好。其中热泵干燥温度为50℃时获得的南瓜干品中类胡萝卜素的含量与采用真空微波干燥所获得的含量接近。

张海红等[11]采用热泵干燥技术对甘蓝进行了热泵干燥工艺参数的试验研究，得到甘蓝热泵干燥的最佳组合工艺参数，与热风干燥相比，节能达到40%～50%。

李媛媛等[12]针对油豆角采用热泵干燥的干燥特性进行了研究，确定了油豆角在不同温度下的干燥速率，为确定油豆角热泵干燥的工艺参数奠定了基础。试验结果认为油豆角的理想干燥温度为32℃。

李远志等[13]针对白菜与胡萝卜进行了热泵干燥、热风干燥和日晒干燥的对比试验，认为热泵干燥温度低，干燥介质空气的温度可控制在15～35℃，避免了蔬菜在干燥过程中由于高温而引起的褐变、营养素变性和复水性差等缺点，能保证脱水蔬菜的质量。采用热泵干燥、热风干燥和日晒时，白菜的叶绿素含量与VC含量以及胡萝卜素的含量如表3所示。试验结果表明，热泵干燥的效果最好，其干燥的白菜叶绿素、VC及胡萝卜素的含量均为最高。

徐刚等[14]以青椒为例采用热泵干燥和热风干燥，并进，4，4热泵干燥技术的优势

与常规的热风干燥设备相比，在脱水蔬菜的加工中热

泵干燥具有以下优势。

4.1高效节能

在能源紧张的今天，高效节能装置是社会倡导的主流。

由于热泵干燥装置中加热空气的热量主要来自回收干燥室排出的低温湿空气中所含的显热和潜热，需要输入的能量只有热泵压缩机的耗功，因而热泵具有消耗少量功即可制取大量热量的优势，将1份电能转化为3～4份热能。与常规的干燥设备相比，热泵干燥效率高，节能效果明显，其节能一般达30%以上[18]。

4.2温度可调，自动化程度高

热泵干燥的温度可调，较宽的温度调节范围使热泵能

够对不同蔬菜进行干燥加工；热泵干燥可以采用较先进的控制元件与装置，通过调节蒸发器的蒸发温度、冷凝器的冷凝温度和空气的循环量，实现干燥温度的适时控制，自动化378

热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分

吕金虎等：热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分析

4.3产品色泽好、品质高

热泵供热手段比较温和。在干燥过程中，可根据蔬菜的

坤等[21]的研究表明：单位时间除湿量在干燥的初始阶段比较高，随着时间的增加而急剧下降；物料的含水率在干燥的初始阶段下降迅速，经干燥一定时间后趋于平缓。这是因为在干燥的初始阶段，物料的水分较大，水分从物料内向外蒸发的速度快，但是经过一段时间干燥后，物料的含水率降到一定的水平时，在物料中的水分向外蒸发的速度减缓，即在热泵干燥初期，除湿率SMER大，在干燥后期，除湿率SMER变小。

特性与要求，调节循环空气的温度、湿度及循环流量，使得表面水分的蒸发速度与内部向表面迁移速度基本相同，接近自然干燥，从而保证了被干燥蔬菜的品质好、色泽好和产品等级高。

4.4内环境卫生，外环境环保

热泵可采用环保制冷剂，不会对大气臭氧层造成破坏。

热泵干燥装置中干燥介质在其中封闭循环，没有物料粉尘、挥发性物质及异味随干燥废气向环境排放而带来的污染，干燥室排气中的余热直接被热泵回收用来加热干燥介质，没有机组对环境的热污染。

谢继红等[19]对热泵干燥装置进行了技术经济与环境分析，与以电能和天然气为能源的热风干燥装置相比，热泵干燥装置在技术、经济和环境方面均具有明显的优势；与以煤为能源的热风干燥装置相比，热泵干燥装置的经济性略低。

目前在我国脱水蔬菜所用的加工技术是热风干燥技术、真空冷冻干燥技术和热泵干燥技术。根据以上分析，表5给出了这3种加工技术在设备投资、运行费用、产品质量和产品价格等方面的情况。从表5可以看出，热风干燥加工技术在我国应用较广。

表5

干燥技术类型与投资和产品状况

5.2间歇工作，干燥规模小

闭式结构的热泵干燥机，配置的压缩机功率一般较小，

一般都低于10kW，因而箱体的体积有限。每次干燥所放置的蔬菜仅限于箱体所容纳的量，故干燥的规模较小。同时由于闭式结构，热泵干燥对蔬菜而言只能采用间歇式工作方式，即在蔬菜干燥完成后，从干燥箱中取出，再装入湿蔬菜进行干燥，不能实现蔬菜的连续作业，难于实现大批量的生产。

5.3变温运行较为困难

虽然热泵可以在一定的温度范围内实现变温运行，但

是热泵的性能系数COP同热泵的蒸发温度和冷凝温度有关。为了获得较高的干燥温度，势必得提高热泵的冷凝温度，但这会使得热泵的性能系数COP值下降，同时导致供热量降低，从而无法满足干燥温度的要求，并使热泵的节能特性受到影响。

6措施研究

热泵干燥具有良好的除湿与节能效果，如何在脱水蔬

技术类型设备投资运行费用产品质量产品价格使用状况热风干燥低低低低广热泵干燥中低-中中-高中较少真空冷冻干燥高高高昂贵少

菜的干燥加工中发挥热泵干燥的优势，克服现存的问题，这需要采取一些综合措施。

5热泵干燥存在的问题

热泵的效率可用热泵性能系数COP来表示，其定义为

6.1干燥工艺的研究

合理的干燥工艺可以实现高效与节能。但目前大部分

消耗单位能量所获得的热量，其计算公式为：

研究都是将干燥系统和物料内部传热传质机理分开研究，缺少系统化研究。为了将热泵干燥技术应用于脱水蔬菜的加工，必须研究不同脱水蔬菜与热泵相适应的干燥工艺。这需研究脱水蔬菜的质量指标以及质量指标随温度、含水量和干燥时间等的变化关系，为脱水蔬菜的最佳热泵干燥工艺的确定提供依据。

COP=Q

P

其中，Q为热泵输出的热量，单位为kW；P为热泵系统所消耗的功率，单位为kW。

热泵的性能也可以采用除湿率SMER来表示。除湿率

SMER的定义为消耗单位能量所除去湿物料中的水分量，其

计算公式为：

6.2专用热泵的开发

蔬菜的种类较多，但不同的蔬菜有其不同的特性。因

SMER=W

其中，W为热泵除去的水分量，单位为kg；P为热泵系统所消耗的功率，单位为kW。

热泵干燥具有热效率高、节能、干燥温度低、干燥物的品质好和卫生等特点，尤其适合于营养丰富、含水率高和热敏性的蔬菜及鱼类物料的干燥。但是目前使用的热泵装置主要为闭式（又称箱式）结构，在应用过程中存在如下问题。

此，通过对干燥工艺的研究，可以针对某类或某种脱水蔬菜开发综合技术经济指标优势明显的专用热泵。

6.3采用联合干燥，提高干燥速度

热泵干燥在低温干燥中有较强的优势，因此可以将热

泵与其他干燥方法相结合。张绪坤等[22]针对胡萝卜采用了热泵与热风联合干燥的方法进行了对比试验研究。在干燥初期采用热泵干燥，干燥温度为35℃；当胡萝卜中的水分降到20%时换为热风干燥，干燥温度为65℃。研究结果表明热泵与热风组合干燥使产品质量明显改善，产品的色泽与营养成分均比热风干燥的产品得到大幅提高。由此可见，在脱水蔬菜的初始干燥中采用热泵，充分发挥热泵在低温干燥中除湿快又节能的特点，而在脱水蔬菜的中后期，从整个

5.1干燥中后期，干燥速度慢，干燥时间长

热泵除湿干燥的本质也是对流干燥，干燥过程必然受

到物料内部的传热与传质的控制。随着干燥时间的增加，物。379

热泵干燥技术在脱水蔬菜加工中的应用与问题分

食品科学

干燥过程中缩短干燥时间，提高产品的质量，以达到高效节能的目的。

现代农业科技2010年第21期

7结语

随着科学技术与经济的发展，人们的环保意识和节能意

识日益加强。在全球能源紧张的今天，节能技术与产品必将越来越受到重视。热泵干燥技术以其优良的除湿效果和节能效益已在脱水蔬菜的干燥加工中得到试验研究和实践应用的验证，并且对产品的质量能够保证和有所提高，这使得热泵干燥技术在脱水蔬菜的加工中必将获得广泛的应用。

为了满足脱水蔬菜干燥加工的需要，在热泵研究与应用方面，仍需加强对不同蔬菜的干燥工艺的研究、专用热泵的开发以及热泵和其他干燥方法的联合应用的研究等工作。

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