我国微波干燥食品的现状及其发展前景

摘 要   本文分析阐述了微波干燥的机理、特点以及微波干燥系统的基本组成。概述了微波干燥在国内外的应用情况，同时对其今后的发展进行了分析展望。 　　关键词      干燥 微波 食品 　　快速而经济地干燥食品并保持其良好品质，一直是我们研究的重要课题。一般的食品干燥方法耗时长、速度慢，由表及里形成负的温度梯度，不利于水分蒸发，常规干燥表层先干会阻碍内部水分的扩散。采用热风干燥要消耗大量的燃气或燃油，这不仅污染环境，而且对食品的营养价值产生不良影响。而微波干燥不同于热风及其它干燥方式，食品吸收微波后内部直接升温，形成较小的正温度梯度，有利于内部水分的扩散，使干燥速度大大加快，是一项值得深入研究的新技术。 　　1 微波干燥的基本原理及特点 　　1.1 微波干燥的机理分析 　　微波是指波长范围为1 ～1 000 mm，频率范围为3.0 × 102～3.0 × 105 MHz 具有穿透特性的电磁波，常用的微波频率为915 MHz 和2 450 MHz。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波功率，通过波导输送到微波加热器中，使需要加热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热利用的是介质损耗原理，而且水的损耗因数比干物质大得多，电磁场释放能量中的绝大部分被物料中的水分子吸收。一般情况下，被干燥物料中的水分子由于布朗运动，分子的排列杂乱无章并迅速变化，极性相互抵消，宏观上不呈现极性。而被置于由微波发生器产生的电场中时，微波场以每秒几亿次的高速周期地改变外加电场的方向，使介质的极性水分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。 　　微波加热造就物料体热源的存在，改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和迁移势梯度方向，形成了微波干燥的独特机理。由于物料中的水分介质损耗较大，能大量吸收微波能并转化为热能，因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。在物料表面由于蒸发冷却的缘故，使物料表面温度略低于里层温度；同时由于物料内部产生热量，以致内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度。如果物料的初始含水率很高，物料内部的压力非常快地升高，则水分可能在压力梯度的作用下从物料中排出。初始含水率越高，压力梯度对水分排出的影响越大，也即有一种“泵”效应，驱使水分流向表面，加快干燥速度。由此可见，微波干燥过程中，温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件，当然要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内向外的干燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥，这就克服了在常规干燥中因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点。 　　1.2 微波干燥的特点 　　1.2.1 干燥速度快、干燥时间短由于微波能够深入到物料内部而不是靠物体本身的热传导进行加热，所以加热时间非常短，干燥时间可缩短5 0 % 或更多。 　　1.2.2 产品质量高 　　微波加热温度均匀，表里一致，干燥产品可以做到水分分布均匀。由于微波对水有选择加热的特点，可以在较低温度下进行干燥，而不致使产品中的干物质过热而损坏。微波加热还可以产生一些有利的物理或化学作用。 　　1.2.3 反应灵敏、易控制 　　通过调整微波输出功率，物料的加热情况可以瞬间改变，便于连续生产和实现自动化控制，提高劳动生产率，改善劳动条件。 　　1.2.4 热能利用率高，节省能源、环保、设备占地少 　　微波加热设备本身不耗热，热能绝大部分（＞8 0 % ）都作用在物料上，热效率高，所以节约能源，一般可节电3 0 % ～5 0 % ；对环境温度几乎没有影响，微波干燥设备可以做得较小。 　　1.2.5 不偿失低温杀菌，保持食品营养和风味微波加热具有热效应和生物效应，因此能在较低的温度下杀灭霉菌和细菌，最大限度地保持物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成份。 　　微波干燥经常与热风干燥相联合，可以提高干燥过程的效率和经济性。因为热空气可以有效地排除物料表面的自由水分，而微波干燥提供了排除内部水分的有效方法，两者结合就可以发挥各自的优点使干燥成本下降。微波干燥与普通方法联合一般有3 种方式：①预热。首先用微波能对物料进行预热，然后用普通干燥器进行干燥；②增速干燥。当干燥速度进入降速阶段时将微波能加入普通干燥器，此时物料表面是干的，水分都在内部。加入的微波能使物体内部产生热量和蒸汽压，把水分驱至表面并迅速被排除。③终端干燥。普通干燥器在接近干燥终了时效率最低，也许有2 / 3 的干燥时间花费在排除最后的1 / 3 的水分上。在普通干燥器的出口处加一个微波干燥器，可提高普通干燥器的处理量。 　　1.3 微波干燥系统 　　基于微波干燥的基本原理，微波干燥系统主要由微波发生器、波导装置、微波干燥器、排湿冷却装置、传动系统、控制系统以及安全保护系统等部分组成，如图1 所示。 　　微波发生器是干燥设备的关键部分，它由磁控管和微波电源组成，其主要作用是产生所需要的微波能量。微波管产生的微波通过波导装置无损耗地传输到微波干燥器中，微波干燥器是实现物料与微波相互作用的空间，微波能量在此转化为被干燥物料的内能，使物料中的水分蒸发而干燥。排湿冷却装置的作用是排出物体中蒸发出来的水蒸汽以及将物料通风冷却。在对物料连续干燥处理的微波设备中，还具有配套的物料输送系统，该系统的传输速度和调速范围，要适应被干燥物料的工艺要求，连续不断地将它们送入微波干燥器中进行干燥，并将干燥后的物料输送出来进行下一道工序。传动系统多由调速电机和减速器组成。物料输送带均采用低耗微波介质材料，如聚四氟乙烯玻璃纤维带、聚乙烯带等；控制系统是用来调节设备的各种运行参数，保证设备的输出功率、输送速度、排湿冷却装置等能根据最佳工艺规范的要求，及时、方便和灵活地控制与调整。控制系统既可安装在微波发生器上，又可与主机分开，也可把若干台微波干燥设备的控制系统集中安装在一个总控制台上进行工艺参数的总控制。 　　2 微波干燥食品在国内外的发展概况 　　微波干燥起源于上世纪40 年代，到60 年代国外才大量应用。由于微波干燥的独特优点使得其发展很快。国外已在轻工业、食品工业、化学工业、农业和农产品加工等方面得到应用。由于微波对水有选择加热的特点，使得粮食、油料作物、茶叶、蚕茧、木材、纸张、烟草等含水物质均可用微波进行干燥。上世纪7 0 年代以来，国外微波干燥的应用还在继续扩大，特别是在食品干燥方面。我国微波干燥技术的应用始于上世纪7 0 年代初期，到目前已应用于轻工、化工及农产品食品加工等方面。尽管我国在微波干燥方面已经有一些成功的范例，但从整个食品行业来看，装机功率仍然非常低，与发达国家相比仍有很大的差距。 　　目前，成功应用微波干燥的食品种类很多，大致可以分为： 　　果蔬类——土豆片、薯片、菠菜、白菜、西红柿、胡萝卜、竹笋、蒜、苹果脯、葡萄、香蕉、黄桃、山楂、南瓜、葱、紫菜、西红柿、洋葱等； 　　肉制品——鸡肉、鱼片、对虾、香肠、牛肉干、猪肉等； 　　米面类——玉米片、通心面、糕点、面包、方便面、肉馅饼、方便米粉、大米等； 　　药材类——人参、药丸、鹿茸、蛇、枸杞、花粉、蜂王浆等； 　　饮料类——咖啡、桔粉、果汁、奶粉等； 　　农副土特产品——茶叶、大豆、花生、山野菜、瓜子、木耳、烟叶、谷物、油菜籽、香菇、海带等； 　　其它——蛋黄粉、魔芋粉、豆腐皮、槟榔芋等。 　　微波干燥食品的种类还有待于进一步地开发研究，目前不少研究人员仍在进行这方面的工作。 3 微波干燥食品发展前景 　　IDS 主席Mujumdar 教授指出：1990 年以来，干燥的能源价格依然是重要的，但对于干燥研究而言不再是最关键的因素，现在是由新产品和新的加工过程的需求推动干燥研究。同时指出，如今的热风干燥不是一种环保良好的作业，矿物燃料的燃烧产生的二氧化碳是被称之为“绿色居室效应”的主要成分。基于这些考虑，当前干燥的总目标是“以最 　　快的速度排除液体（通常是水）并对产品有最小的负面影响；不破坏环境以及投入最低的资金和操作费用”。因此，此领域的实际工程策略，是对各种规模的干燥过程，从百万级（从经济和环保考虑）到微量级（物料性质）进行探索和联合考虑。还指出对流、传导和微波干燥可否联合的构想。食品的干燥也应以此为目标进行研究。微波干燥作为一项新技术正符合这样的发展要求。 　　我国自1 9 7 3 年由南京电子管厂（现南京三乐电气总公司）率先研制成功工业微波干燥设备以来，经过2 0 余年的发展，我国在微波加热设备方面已经完全能够国产化，磁控管的寿命和质量大大提高，整机生产技术已经过关，并能向国外出口。在工业、医疗和高新科技等领域都完全走向实用性阶段，并发展成为一支新的产业，特别是食品、轻纺、化工、农产品干燥等方面，在节约能源，提高生产率，改善劳动条件和提高产品质量等方面都取得了明显的经济效益和社会效益。我国已先后开发了用于食品工业的系列微波炉、食品干燥机等微波设备。但是因微波干燥设备的技术要求较高，现在生产微波干燥设备的企业还比较少，产品缺少系列化。目前生产微波设备的企业主要有以下四种类型：①以三乐电气总公司等为代表的老牌国有企业；②以格兰仕为代表的以内资为主的股份公司；③以上海松下等为代表的以外资为主的合资企业；④规模较小的私营或集体企业。 　　相对来说，我国微波干燥食品的研究要滞后一些。由于微波干燥和烹制的特点，在开发微波干燥食品时首先要解决其色泽、风味和包装等问题，为此这方面还有大量的工作要做，有关部门对此十分重视，微波食品的开发已被列入国家“九五”攻关计划。而且我国是一个拥有众多人口的发展中国家，食品工业在国民经济中起着举足轻重的作用，庞大的消费体已为微波食品的开发提供了广阔的潜在市场，只有加快研究和开发的步伐，才能使微波能的应用取得更大的经济和社会效益。 　　微波干燥的研究要明确以下几点: 　　1 ）不是所有需要干燥的食品都可以用微波来干燥；2 ）微波干燥食品一定要考虑到其经济效益，充分利用不同干燥工艺的优点进行优化组合；3 ）微波干燥设备的研制开发必须和产品的工艺研究紧密结合。 　　4 结束语 　　可以预见，微波干燥将作为一项高新技术，以其独特的加热特点和干燥机理为食品干燥开辟了一条崭新的途径，应用前景十分广阔。微波技术将在完善自身技术方法和设备的同时，不断与其它干燥技术相结合，向着更广更深的方向发展，新兴的微波真空干燥技术、微波冷冻干燥技术以及微波膨化技术等都将在理论的建立、完善和应用中不断发展。 · 行业聚焦： 近年来我国干燥企业推出的新型干燥设备技术 　　1.牧草干燥技术 　　最近研制成功6CM－6E型茶叶微波杀青干燥设备，并投入生产试验。该机应用微波技术取代传统的热传导加热杀青和干燥方法，杀青时间短，受热均匀，能较好地保证茶叶自然舒展，外形美观。所制成的绿茶水分含量有所降低，水浸出物、茶多酚、氨基酸、维生素等含量增加，色泽更加翠绿，香气怡人，提高了茶叶的品质。 　　2.新型离心干燥设备 　　Rieter公司推出的新型C双锥回转真空干燥机用于工制药、医疗卫生、农业科研、环境保护等研究应用领域，作粉末干燥、烘培以及各类玻璃容器的消毒和灭菌只用。特别适合于对干燥热敏性、易分解、易氧化物质和复杂成分物品进行快速高效的干燥处理。双锥回转真空干燥机可以减少物料染菌的机会，可以保证原材料的纯洁度。其次，它的维修工作很简单，因为它的结构比较简单，以及它的体积也较少的原因，让它的维修工作显得非常地简单。然而想要杜绝产品安全危害，需保证双锥回转真空干燥机的清洁卫生。 　　双锥回转真空干燥机的化学清洗就是通过化学反应的方法，除去表面的污垢，使金属还原本来的面目。然后再通过化学处理，使之生成超微粉碎是近20年迅速发展起来的一项高新技术，能把原材料加一成微米甚至纳米级的微粉，已经在各行各业得到了广泛的应用。鉴于粉碎是中药生产及应用中的基本加工技术，超微粉碎已愈来愈引起人们的关注，虽然起步较晚，开发研制的品种相对较少，但已显露出特有的优势和广阔的应用前景。 　　1. 超微粉碎技术概述 　　超微粉碎技术是粉体工程中的一项重要内容，包括对粉体原料的超微粉碎，高精度的分级和表面活性改变等内容。据原料和成品颗粒的大小或粒度，粉碎可分为粗粉碎，细粉碎，微粉碎和超微粉碎，这是一个大概的分类。值得注意的是，各国各行业由于超微粉体的用途，制备方法和技术水平的差别，对超微粉体的粒度有不同的脉动燃烧喷雾干燥技术是将脉动燃烧器与传统喷雾干燥过程相结合而成的一种新型干燥技术，具有能源利用率高，排放污染小，传热传质效率高，设备简单等优点，该技术利用一种更有效的热能发生器——脉动燃烧器产生的高频、高温、高速振荡尾气流直接将液态物料雾化成小雾滴，然后快速完成雾滴的干燥过程[1]。传统的喷雾干燥设备由于喷嘴容易堵塞和磨损，经常需要停机修理和更换喷嘴。作者在对脉动燃烧器运用过程的研究中发现，利用脉动燃烧器产生的高速脉动气流可直接雾化料液，无需喷嘴和高压泵，可免除喷嘴维修的时间和费用，也无需气体泵送装置，这显然是脉动燃烧喷雾干燥技术所具有的一个最大优点。以脉动气流作为雾化动力，对料液进行雾化操作是一个平面内摆动或振动。按其平面运动轨迹又分为直线运动、圆周运动、椭圆运动和复杂运动。摇动筛和振动筛属于这一类。 　　摇动筛是以曲柄连杆机构作为传动部件。电动机通过皮带和皮带轮带动偏心轴回转，借连杆使机体沿着一定方向作往复运动。机体运动方向垂直于支杆或悬杆中心线，由于机体的摆动运动，使筛面上的物料以一定的速度向排料端移动，物料同时得到筛分。 　　摇动筛与上述几种筛子相比，其生产率和筛分效率都比较高。其缺点是动力平衡差。现在选矿厂很少用它，而被结构更合理的振动筛取代。 　　在选矿厂应用最多，按其传动机构的不同，又可以分为以下几种：偏心振动筛、惯性振动筛、自定中心振动筛、共振筛。

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