摘 要 紅外加熱技術(shù)是一種新型的輻射加熱技術(shù)，具有速率快、污染小、節(jié)約能源等優(yōu)勢，在果蔬干燥中應(yīng)用較多。對紅外加熱技術(shù)的原理、優(yōu)點及動力學(xué)模型的發(fā)展做了簡述；并對其在果蔬干燥中的應(yīng)用進行綜述，著重介紹在果蔬干燥中紅外加熱技術(shù)與其他干燥技術(shù)的聯(lián)合使用，并對紅外加熱技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用前景提出展望。

關(guān)鍵詞 紅外加熱技術(shù)；原理；優(yōu)點；果蔬干燥；應(yīng)用

中圖分類號：TS205.1 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.13.003

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果蔬是僅次于糧食的第二大農(nóng)產(chǎn)品，在現(xiàn)代平衡膳食理念中占有非常重要的地位。但新鮮果蔬由于營養(yǎng)豐富、水分含量較高，故微生物生長繁殖較快，易于腐爛；果蔬又具有較強的季節(jié)性和區(qū)域性，并且新鮮果蔬體積大、組織脆，這給貯藏和運輸帶來一定的困難。因此，為了延長果蔬貯藏期，干燥是常用的有效方法之一。果蔬傳統(tǒng)的干燥方法有自然晾曬、陰干和熱風(fēng)干燥[1]，耗時長、效率低、衛(wèi)生差、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，不符合現(xiàn)代食品加工理念。而紅外加熱技術(shù)作為一種新型輻射加熱技術(shù)，將干燥脫水和漂燙滅酶同時進行，具有加熱穿透能力強和物料內(nèi)外同時加熱等優(yōu)勢，在國內(nèi)外得到廣泛使用[2-3]。本文簡要介紹紅外加熱技術(shù)的原理和優(yōu)點，并對其在果蔬干燥中的應(yīng)用進行綜述。

1紅外加熱技術(shù)

紅外線是波長比紅光長的非可見光，波長為0.75～1 000 μm，俗稱紅外光。紅外線根據(jù)波長的長短可分為三部分，即：近紅外線，波長在1～3 μm；中紅外線，波長在3～40 μm；遠紅外線，波長在40～l 000 μm。自然界中的任何物體都在向外輻射紅外線，紅外線的主要作用是熱作用，紅外加熱技術(shù)就是利用這種特性而發(fā)展起來的一種新型干燥技術(shù)。

1.1紅外加熱技術(shù)的原理

紅外加熱技術(shù)是利用紅外輻射元件發(fā)出的紅外線被物料吸收直接轉(zhuǎn)變成熱能而達到加熱干燥目的的一種干燥方法。其實質(zhì)就是紅外線的輻射傳熱過程，紅外線作為一種電磁波，有一定的穿透性，能夠通過輻射傳遞能量[4]。物料吸收紅外線的輻射能后，將輻射能完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲锪戏肿拥霓D(zhuǎn)動能量或使分子的轉(zhuǎn)動能量發(fā)生改變。并且，振動光譜可使物料分子的振動或轉(zhuǎn)動作用的振幅加大，從而加劇其內(nèi)部的振動。由于電子的運動和分子的振動速度極快，因此物料間的晶格和鍵團的振動碰撞較快，摩擦生熱較快，所以，物料在使用紅外加熱時升溫速度較快。特別是紅外線的輻射頻率與物料分子的固有頻率一致時，會產(chǎn)生類似共振的現(xiàn)象，因此物料分子內(nèi)部的運動更加劇烈，升溫更快，從而達到快速干燥的目的[5-6]。由于紅外線有一定的穿透性，紅外加熱時物料內(nèi)部熱量不斷積累，溫度不斷升高；物料外部由于水分的不斷蒸發(fā)吸熱，溫度不斷降低；物料形成一個由內(nèi)到外的溫度差，因此物料的熱擴散過程由內(nèi)向外進行。除此之外，物料內(nèi)部水分含量大于外部，水分總是由內(nèi)向外擴散。因此，物料的濕擴散和熱擴散方向一致，從而加速水分的擴散，即加速物料的干燥過程。

1.2紅外加熱技術(shù)的優(yōu)點

根據(jù)傳熱機理的不同，食品干燥可分為對流、傳導(dǎo)和輻射三種。目前，對流和傳導(dǎo)加熱是應(yīng)用得比較多也是研究得比較深入的。紅外加熱技術(shù)作為一種新型的輻射加熱技術(shù)，與傳統(tǒng)干燥方法相比具有以下的優(yōu)點[7-10]。

1）高效：紅外加熱技術(shù)的主要能量是電磁波，傳遞速度快、介質(zhì)損耗小，且傳熱傳質(zhì)和溫度梯度濕度梯度的方向均一致，因此升溫快、干燥速率大。

2）節(jié)能：紅外加熱技術(shù)輻射的能量與輻射溫度的4次方成正比，與傳統(tǒng)加熱方式相比，生產(chǎn)效率提高20%～30%，節(jié)電30%～50%，節(jié)省其他能源約30%。

3）環(huán)保：紅外加熱技術(shù)輻射的能量直接被物料吸收，不會產(chǎn)生任何廢棄物污染周圍環(huán)境，并且加熱設(shè)備的安全性較高，對人體傷害較小。

4）產(chǎn)品質(zhì)量好：物料在吸收紅外線加熱干燥時，其化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定不易改變，干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量好。

5）節(jié)約成本：紅外加熱器投資少、生產(chǎn)場地小，不會產(chǎn)生其他的費用，因此生產(chǎn)成本較低。

2紅外加熱技術(shù)在果蔬干燥中動力學(xué)模型的發(fā)展

目前，果蔬紅外加熱干燥技術(shù)發(fā)展迅速，但成品品質(zhì)不穩(wěn)定。物料種類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形狀、理化性質(zhì)等均顯著影響產(chǎn)品質(zhì)量，除此之外，干燥條件亦對產(chǎn)品質(zhì)量影響顯著。近年來，許多學(xué)者通過對不同物料的試驗研究，總結(jié)擬合了幾種常用的經(jīng)驗、半經(jīng)驗干燥數(shù)學(xué)模型[11-16]，來定量地描述物料干燥規(guī)律，常見的干燥模型如表1所示。

在上述模型中，模型（2）因擬合度高、誤差小，應(yīng)用比較廣泛，國內(nèi)外對其干燥特性進行了廣泛深入的研究。曾目成等[17]系統(tǒng)地研究了獼猴桃的中短波紅外干燥特性，通過對不同的干燥溫度和功率進行動力學(xué)數(shù)學(xué)模型擬合，得到Page模型對獼猴桃切片干燥過程的擬合性較好，且模型的實驗值和預(yù)測值吻合度較高，對獼猴桃片的紅外干燥過程可進行描述和預(yù)測；王相友等[18]研究了胡蘿卜切片的干燥特性與數(shù)學(xué)模型，亦得出相似的結(jié)論；Esmaiili M等[19]和Sharma等[20]也報道了在果蔬的紅外輻射干燥過程中Page模型具有良好的擬合性。除了對Page模型進行研究外，國內(nèi)外還對其他模型進行了試驗。林喜娜等[21]基于Matlab軟件，利用高斯-牛頓算法，通過決定系數(shù)、誤差平方和及均方誤差的根等擬合優(yōu)度評價指標對各種干燥模型進行評價，結(jié)果表明：蘋果切片紅外輻射干燥過程用修正的Page方程Ⅱ能夠更好地預(yù)測和控制。

3紅外加熱技術(shù)在果蔬干燥中的應(yīng)用

3.1果蔬干燥中紅外加熱技術(shù)單獨使用的研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的專家學(xué)者對紅外加熱技術(shù)進行了大量的研究。張麗麗等[22]研究了不同干燥參數(shù)下蒜片的紅外干燥特性，并通過軟件對其干燥模型進行了擬合求解，結(jié)果表明：Diffusion Approach模型的相關(guān)系數(shù)較高、誤差平方和與根均方差較低，因此該模型能較準確地擬合蒜片的紅外干燥特性。張慜等[23]對香菇的紅外干燥特性進行了研究，結(jié)果表明：干燥時間的長短與干燥參數(shù)息息相關(guān)，隨著干燥溫度和風(fēng)速的增加，輻射距離和裝載系數(shù)的減小，香菇的干燥時間不斷降低。巨浩羽等[24]研究了蘋果片的紅外干燥特性，結(jié)果表明：干燥溫度、切片厚度和輻射距離對蘋果片的干燥特性和色澤影響較大。徐鳳英等[25]應(yīng)用Image-Pro、SPSS 軟件對荔枝紅外干燥的均勻性與果殼孔隙分形色變進行了研究。隋銀強等[26]報道了釀酒葡萄皮渣的紅外干燥特性，結(jié)果表明：連續(xù)紅外干燥的干燥速率最高且對總多酚和原花青素具有較好的保護作用。

除此之外，紅外干燥作為一種高效的干燥方法還廣泛用于諸如洋蔥、草莓、蘋果、杏仁等果蔬的干燥處理，其干燥速度快、干燥品質(zhì)好、干燥過程方便，易操作，而且殺菌效果明顯[27-32]。

3.2果蔬干燥中紅外加熱技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的研究

隨著人們對產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高，單獨使用紅外加熱技術(shù)已經(jīng)不能滿足干燥要求，這就促使人們將紅外加熱技術(shù)與其他先進干燥技術(shù)聯(lián)合使用。所謂聯(lián)合干燥是指充分利用各自干燥方式的特點，將2種或2種以上的干燥方式相結(jié)合的一種混合干燥技術(shù)?？蓛?yōu)化干燥過程，達到提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少干燥時間，增加經(jīng)濟效益的目的。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有紅外-熱風(fēng)（IR-HA）聯(lián)合干燥、紅外-微波（IR-MD）聯(lián)合干燥、紅外-真空（IR-VD）聯(lián)合干燥以及紅外加熱技術(shù)與其他先進技術(shù)聯(lián)合干燥的方式。

3.2.1 紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥

熱風(fēng)干燥能及時帶走物料表面蒸發(fā)出的水蒸汽，使物料內(nèi)部水分得到擴散，紅外加熱技術(shù)能使物料內(nèi)外水分同時加熱，溫度梯度和濕度梯度方向一致，從而加快物料的干燥過程。Nathakaranakule等[33]研究了龍眼的遠紅外輔助熱風(fēng)干燥，結(jié)果表明：該技術(shù)不僅能顯著提高干燥速率和復(fù)水率，降低產(chǎn)品的收縮率和硬度，而且龍眼干制品外觀呈深紅色。Ponkham等[34]對環(huán)形菠蘿片進行了遠紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擴散系數(shù)主要受遠紅外強度和熱風(fēng)溫度的影響；4次方模型對干燥過程中色澤的變化擬合度較高；修正的Midilli-Kucuk模型對干制品的剪切力比擬合度較高；二次模型對干燥過程中的收縮動力學(xué)擬合度較高。Somkiat jaturonglumlert等[35]也系統(tǒng)地研究了水果皮遠紅外熱風(fēng)聯(lián)合干燥的傳熱和傳質(zhì)過程。

3.2.2 紅外-微波聯(lián)合干燥

紅外線穿透力較強，用于果蔬干燥時速度快、品質(zhì)佳。微波的穿透性更強，且內(nèi)外同時加熱，對于較難干燥脫水或在后期干燥難以失去水分的農(nóng)產(chǎn)品較適宜。Wang等[36]研究了桃子的遠紅外-微波（FIR-MD）干燥特性，結(jié)果表明：隨著遠紅外和微波功率的增加，脫水速率亦增加；遠紅外功率、微波功率和轉(zhuǎn)換點含水率對能耗率和產(chǎn)品感官質(zhì)量有顯著影響。曹新志等[37]研究了胡蘿卜的紅外-微波（IR-MD）聯(lián)合干燥特性，以胡蘿卜的品質(zhì)為評價指標，通過儀器和感官分析得出紅外-微波聯(lián)合干燥時成品的品質(zhì)較好且干燥速率較快。甘斯佳[38]先利用遠紅外將黃花菜殺青到一定程度（含水率為40%），再利用微波干燥到規(guī)定的含水率（13%），這種方法既可縮短干燥時間，又可保證產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)測定蛋白質(zhì)保存率為87.3%。

3.2.3 紅外-真空聯(lián)合干燥

紅外真空干燥最大的特點是在真空環(huán)境下進行干燥，干燥室的內(nèi)壓大于外壓，果蔬在壓力差和濕度梯度的作用下達到快速干燥的目的。Mongpraneet等[39]研究了威爾士洋蔥的遠紅外真空干燥，結(jié)果表明：整個干燥過程可分為升速、恒速和降速3個階段，產(chǎn)品干燥速率和葉綠素保存率主要受輻射強度的影響。楊志偉等[40]采用響應(yīng)面法對芒果果脯加工工藝條件進行了優(yōu)化，最佳工藝為：干燥時間4.5 h、絕壓42.3 kPa、遠紅外加熱溫度55.4℃。Swasdisevi等[41]對香蕉片進行了遠紅外-真空（FIR-VD）聯(lián)合干燥研究，通過對聯(lián)合干燥過程中含水率和溫度的預(yù)測值與實驗對比，表明所建立的數(shù)學(xué)模型完全能夠描述聯(lián)合干燥過程中含水率及溫度的變化。

3.2.4 其他聯(lián)合干燥技術(shù)

除此之外，也有研究報道了紅外加熱技術(shù)與熱泵、氣體射流沖擊方法和低壓過熱蒸汽聯(lián)合干燥。徐剛等[42]對胡蘿卜片進行了遠紅外-熱泵（FIR-HPD）聯(lián)合干燥工藝研究，得出胡蘿卜FIR-HPD聯(lián)合干燥工藝的最佳工藝參數(shù)為：物料熱燙時間120 s，HPD溫度45℃，F(xiàn)IR熱源輻射功率2 kW，HPD與FIR切換點的物料含水率為50%。鄭霞等[43]研究了哈密瓜片的紅外聯(lián)合氣體射流沖擊方法，結(jié)果表明：整個干燥過程均為降速階段；采用該方法可使干燥時間縮短到2.0～3.5 h。Nimmol 等[44-45]研究了遠紅外和低壓過熱蒸汽聯(lián)合干燥香蕉片的傳熱過程，結(jié)果表明：香蕉片干燥動力學(xué)和熱傳遞受干燥介質(zhì)溫度和壓強的影響較大。

4展望

紅外加熱技術(shù)作為一種新型的加熱技術(shù)，具有高效、節(jié)能、無污染的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的加熱技術(shù)相比應(yīng)用范圍更廣泛。但在我國，紅外加熱技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合在果蔬干燥中的應(yīng)用仍處于起步階段，還未形成規(guī)模，尤其是在紅外加熱機理及其最佳轉(zhuǎn)換點的確定方面，與發(fā)達國家相比還存在很大的差距。因此，若要將聯(lián)合干燥技術(shù)做到自動控制，就需建立合理的數(shù)學(xué)模型，這是以后研究的一個重點，也是難點所在。另外，聯(lián)合干燥技術(shù)的設(shè)備也需要不斷改進，自動化控制、安全操作、在線精確檢測將成為未來的發(fā)展方向。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）