食品工艺学论文 - 干燥工艺

摘要：干燥技术是最重要的食品保藏方法之一，随着人们生活水平的提高，人们对干燥食品的数量需求和质量要求越来越高。纵观干燥的发展历史，传统的热风干燥虽然被普遍使用，但已不能满足当前食品干燥的要求。目前比较典型的干燥技术有微波干燥、红外辐射干燥、冲击干燥、渗透干燥、流床干燥、喷雾干燥、冷冻干燥，各种不同的干燥技术都既有其各自优点，又有其局限性，有些干燥方法对设备要求高，干燥成本也比较高；有些方法会造成质量损失，降低产品的市场价值；有些方法能耗大，易造成环境污染。因此，干燥技术仍然在不断革新完善，一些高新技术方法如超声波干燥法、变温压差膨化法、微波冻干、超临界流体干燥正在逐步发展。本文是通过阅读了大量文献之后，对我国食品干燥工艺的技术方法进行综述，探讨了在食品加工中这些方法的运用特点、存在问题、以及发展前景。

关键词：干燥 传统典型干燥 新型干燥 试验性阶段干燥法 正 文

一、食品干燥工艺基本原理

食品干燥的基本过程是食品从外界吸取热量使食品内部水分向表面扩散，扩散到表面的水分又向周围空间蒸发的过程。食品干燥比较复杂，首先是对食加热使其水分汽化的传热过程，然后是汽化后的水蒸气由于其蒸汽分压较大而扩散进入气相的传质过程，而水分从食品内部由于扩散等的作用而到达食品表面，则是一个食品内部的传质过程。因此，干燥过程的特点是传热和传质过程同时并存，两者相互影响而又相互制约，有时传热可以加速传质过程的进行，有时传热又可减缓传质的速率。因此，热量的传递和食品水分的外逸，即食品的湿热传递是食品干燥的基本原理。

二、传统典型干燥工艺

2.1 空气干燥法：以热空气作为干燥介质，通过对流方式与食品进行热量与水分的交换。根据干燥介质与食品流动接触方式不同，分为固定接触式对流干燥和悬浮式接触干燥两大类。其中应用于工业生产最为广泛的方法是：

2.1.1 隧道式干燥——干燥过程是将物料放在料车料盘上，料车在矩形干燥轨道中运动，并与流动的热空气接触，进行湿热交换获得干燥。

2.1.2 流化床——热空气被强制以高速穿过床层，克服颗粒状物料重力的影响，使颗粒暂时处在一个流化状态。流化床干燥已经被证明是一个在有限干燥体积下实现最优化的有效方法。流化床干燥已经在食品颗粒状物料、陶瓷、医药和农产品的干燥中得到了实际的应用。流化床干燥容易操作而且具有以下优点：1．由于气体和颗粒状物料充分接触，实现了最佳的热、质传质效率，从而得到了较高的干燥速率；2．节省空间；3．较高的热效率；4．设备购置、维护费用低；5．工艺条件容易控制。很多食品物料都适合于流化床干燥，例如，豆类、快状蔬菜、水果颗粒、洋葱片和果汁粉等。

2.1.3 喷雾干燥——将液态或浆质状食品喷成雾状，悬浮在热空气中进行干燥的方法。其传热快、干燥时间瞬间，且质量好、溶解性强，适用于热敏性物质。但

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是其设备成本高、热效耗能大。

2.2 接触式干燥法：常用的有滚筒干燥和带式真空干燥。

2.3 冷冻干燥法：干燥过程包含物料预冻、升华干燥和解析干燥三步。冻结是通过控制速度，使食品具有一定的形状和结构，其冰晶的形成也具有既有利于传热和传质，又使食品能够保持良好的性状，升华是食品中水分吸热气化获得干燥。 此法广泛的应用在食品工业中来改善维生素等不稳定成分的稳定性和耐储藏性。冷冻干燥的产品不仅具有较好的稳定性，而且运输储藏方便。但是，冷冻干燥又是一个耗时、耗能的操作，如果工艺条件得不到优化的活，完成干燥过程可能需要几天甚至几周时间。所以，干燥产品的稳定性及耐储性和工艺时间是实现冷冻干燥工艺最优化的两个考虑的主要因素。由于设备昂贵，而且工艺周期长、操作费用高，所以经济性是冷冻干燥最主要的缺点。已经做了很多尝试去降低冷冻干燥的费用，例如与真空干燥联用，使用空气冷冻干燥。

2.4 辐射干燥法：此法利用电磁波作为热源使食品脱水，根据电磁波波长不同分为红外线干燥和微波干燥。

2.5 冲击干燥：此法利用单个或多个蒸汽喷嘴向物料表面垂直喷射气流。因为冲击喷射可以获得较高的热量和物质扩散系数，所以被应用在冷冻、加热食品干燥领域。干空气和过热蒸汽是在冲击干燥中最主要的两种干燥介质。用过热蒸气作为干燥介质时，在干燥开始的瞬间会有部分水蒸汽凝结在产品的表面，就像过热蒸汽与冷的固体接触是发生的现象一样。在食品工业中，空气冲击干燥技术被用在焙烤和烹饪中，产品有玉米粉圆饼、土豆、比萨饼、饼干、面包和蛋糕等。这些产品比在对流烤箱中焙烤的更快、更均匀。

2.6 渗透干燥：在食品中，渗透干燥是将含水物料浸在含有可食用溶质的高渗透压的水溶液中(果汁或盐水)，实现物料的部分脱水的过程。此法的特点：第一，浸泡过程实现了脱水和配方加工的双重效果。第二，渗透脱水本身不能使产品达到品质稳定的低含水量，因此，经过渗透处理的产品需要进行进一步的加工，例如，热风、冷冻或者真空干燥等来达到产品品质要求。

三、新型干燥工艺

3.1 微波真空干燥法——3.1.1 干燥原理：微波辐射到干燥物料上并穿透进入食品内部，被加热物料内的偶极分子(如水)在电磁场的作用下有序排列作高速摆振运动，分子运动的结果造成分子间的碰撞和摩擦加剧而产生大量的摩擦热，从而使物料内各部分在同一瞬间获得热能而升温，大量的水分子从物料逸出，达到干燥的目的。真空干燥具有干燥温度低、产品复水性高以及色泽和口感好等特点。因此将微波干燥与真空干燥相结合不仅可以避免常压微波干燥温度过高对食品产生的不利影响，而且可以进一步缩短干燥时间，提高产品质量。

3.1.2 此法的特点是：干燥速率大、营养成分保留率高微波真空干燥的蕨菜中维生素C含量与冷冻干燥的没有显著差异，是热风干燥蕨菜的4．5倍。“n等干燥胡萝卜片时发现，微波真空干燥能很好地保留热敏性物料的维生素。热风干燥与微波真空干燥时胡萝卜素的损失率分别为19．2％和3．2％，维生素C的保留率分别

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为38％和79％。良好的复水性，这归因于干燥过程中的膨化效应、无表面硬化和干燥温度低。与其他方法的耦合：与热风干燥法、热泵、冷冻相联合运用。

3.1.3 发展前景：微波真空干燥综合了微波干燥和真空干燥的优势，具有快速、高效、低温等优点，能较好地保持食品原有的色、香、味及营养成分，可有效避免干燥过程中生物活性成分的热、氧破坏。产品的组织结构和复水率等物理特性可以和冷冻干燥的产品相媲美，但操作成本比冷冻干燥要便宜得多。因此，微波真空干燥可以实现用较低的成本生产出较高品质的产品，此项技术应用前景广阔。

3.2 微波冻干联合干燥：单纯利用微波干燥，容易出现边缘或尖角部分焦化现象，同时，微波干燥时干燥终点不易判别，容易产生干燥过度现象。因此，目前利用微波干燥多是采用微波与真空干燥结合的一种新型的组合干燥技术，随着工作压强的降低，溶剂(水)的沸点下降，扩散速度加快。但是，由于在低压环境中，对流方式传递热是非常困难的，真空干燥存在传热速度慢，干燥时间长等缺点。而微波加热能够弥补真空干燥中热量传递慢的缺点，使微波干燥与真空干燥相结合的真空微波干燥技术能够在低温条件下短时间内完成干燥任务。 此法多用于海产品，使海产品在冻结状态下脱水，可以最大限度地保留食品原有的营养、味道和芳香，保持食品原来的形状和颜色，并抑制酶和细菌的生长。冻结后均匀分布的细小冰晶在升华后留下大量空穴，使冻干食品呈多孔海绵状，复水时水分能迅速渗入到冻干品内部，与干物质充分、迅速接触，因而复水性很好。

有研究者对海参进行了微波辅助冷冻干燥的研究，由于海参离开海水后很快会发生自溶，所以海参一般都是脱水后在市场上流通。传统的海参干制方法耗时太长，而且品质较差；真空冷冻干燥方法可以获得品质优良的海参干制品，但能耗太大。为了寻找一种能够替代冷冻干燥的干燥方法，将微波作为冷冻干燥的热源，进行微波辅助冷冻干燥，并与其他典型干燥方法进行了比较，发现微波辅助冷冻干燥能有效缩短冻干时间，节能幅度达30%以上，其产品和常规冻干产品无明显差异。同时，对微波在低压环境下的气体放电现象进行了研究，找到了放电发生的规律。通过对海参微波辅助冷冻干燥特性的研究，得出了合理的微波加载方案。 存在问题：加热不均匀——干燥室微波分布不均，微波与传热传质相互影响，干燥中物料温度检测，此法依然属于蒸发脱水，产品的外观和内在品质还是存在较大缺陷。

3.3 热泵干燥：是利用热泵从低温热源吸收热量，将其在较高温度下释放，从而对物料进行干燥的方法。与普通的热风干燥相比，热泵干燥在封闭的环境下进行，充分利用了干燥排出的水蒸汽潜热，能耗低，是一种节能型新技术。 对于含水率较高的食品，干燥过程中去除的水量大，因此利用热泵干燥水产品 存在的主要问题是设备组成较为复杂，使用过程中的维护费用高，干燥时间也很长，此外，热泵干燥依然属于蒸发干燥，存在水分迁移，无机盐的迁移会引起海 产品表面发硬结壳，同时水分迁移会引起产品皱缩严重，热泵干燥产品属于中档产品。

3.4 果蔬变温压差膨化干燥：指物料膨化和真空干燥温度不同，早干燥过程中温

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度不断变化；压差是物料膨化瞬间经历了一个有高温到低压的过程；膨化是利用相变和气体的热压效应原理使被加工物料内水分瞬间升温气化、减压膨化，并依靠气体膨胀力，带动组织中高分子物质结构变性，从而形成网状结构、定型的多孔状物质；干燥是膨化在真空状态下出去水分的过程。

干燥技术特点：1、设备构造相对简单易于操作。2、能耗较低，采取循环冷却水和间歇式争气加热。3、技术适用性广，可干燥的果蔬种类丰富。4、产生的废弃物少。技术难点：1、要寻找合适的前处理方式。2、过程中要尽量减少营养物质的损失。3、如何确保产品有较长的保质期。4、原料不同膨化工艺差异大。

3.5 过热蒸汽干燥：用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而去除水分的工作方式，与传统热风干燥相比此番在以水蒸气作为干燥介质，干燥机排出的废气全部是蒸汽，利用冷凝的方法回收蒸汽的潜热再加以利用。其干燥特点：1、可利用蒸汽的潜热，热效率高节能。2、干后产品品质好。3、过热蒸汽传热系数大。4、过热蒸汽比热大，蒸汽用量少减少设备体积与废气的净化量。5、无爆炸和失火危险。此法的缺点：1、设备投资大。2、喂料易产生结露现象。3、不适合热敏性物料。

3.6 太阳能干燥法 有研究者用自行研制的十型太阳能干燥设备．对干湿梅进行自然对流干燥，测定了相关系数的实验参数，并进行整体物料及能量衡算，通过改变单位有效太阳辐射能，建立自然对流干燥模型，结果表明太能干燥设备自然对流干燥样品的干燥效率为61.60％，干燥于14h自完成．较自然日晒干燥时间缩短72.O％，并且为太阳能干燥设备的实际应用及广式凉果干燥过程中产品质量 的预测、干燥条件的控制提供了理论依据。

四、试验阶段型干燥工艺

4.1 超声波干燥法：超声波是频率大于20 kHz 的声波，有多种物理和化学效应，超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机械机制和空化机制三种。当功 率超声波干燥物料时，产生如下作用：(1)结构影响：物料受到超声波干燥时，反复受到压缩和拉伸作用，使物料不断收缩和膨胀，形成海绵状结构。当这种构效应产生的力大于物料内部微细管内水分的表面附着力时，水分就容易通过微小管道转移出来。(2)空化作用：在超声波压力场内，空化气泡的形成、增长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应，有助于除去与物料结合紧密的水分。(3)其他作用，如改变物料的形变，促进形成微细通道，减小传热表面层的厚度，增加对流传质速度。不同的超声波干燥方法，起主要作用的超声波机理不同，以超声波喷雾干燥为例，就是空化作用最重要。超声波预处理可以减少物料水分含量，改变食品物料的组织机构，加快其后进行的热风干燥速度。有研究者用超声波对对蘑菇，孢子甘蓝和花椰菜进行预处理，然后进行热风干燥。试验结果表明，超声预处理可以显著提高干燥系数，缩短总干燥时间。以渗透干燥作为对比，超处理的效果比渗透预处理更明显，超声波预处理比较适合处理水分含量高的样品，对于水分含量较低的样品，则建议使用渗透干燥。另外，在蒸馏水中超声预处理会造成糖分的损失，这样可以生产低糖干燥水果。

发展前景：超声波还可以和喷雾干燥、热风耦合进行液体食品的干燥，但是超声预处理虽然能提高干燥速度，但是，工艺复杂，且在处理过程中，由于超声波在空气中传播衰减很快，并且空气与干燥物料中的声阻不匹配，使声能不能顺利

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转化，所以超声波干燥还不能实现大规模应用。由于声化学作用，超声波干燥是否会使物料产生化学反应，影响其营养成分，也应该进一步研究。

4.2 超临界C02干燥：是利用超临界C02的兼具液体性质与气体性质，其密度比一般气体要大两个数量级，而与液体相近；它的粘度比液体小，但扩散速度比液体快(约两个数量级)等性质。目前，超临界c02干燥技术在材料和医药领域已有着广泛的应用，例如凝胶材料的干燥[5-61、药品的干燥等。但是超临界CO2，干燥在食品工业中的应用，目前在国内还未见报道。

结语：通过查阅了大量文献资料，尤其是在对2005-2011这段时间的学术期刊进行阅读和总结之后，我对我国目前的干燥技术和其发展有了系统性的全面认识。其中有我所熟知的传统干燥，如空气干燥、接触式干燥、流化床干燥等；也有我所陌生的声波干燥、电磁波干燥和超真空干燥法。在前辈们的研究基础上我有了对食品干燥工艺的新视野。 参考文献：[1]曹崇文．微波真空干燥技术现状[J]．干燥技术与设备，2004，2(3)：5—9．

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