微波乾燥食品的現狀及其發展前景

      快速而經濟地乾燥食品並保持其良好品質，一直是我們研究的重要課題。一般的食品乾燥方法耗時長、速度慢，由表及里形成負的溫度梯度，不利於水分蒸發，常規乾燥表層先干會阻礙內部水分的擴散。採用熱風乾燥要消耗大量的燃氣或燃油，這不僅污染環境，而且對食品的營養價值產生不良影響。而微波乾燥不同于熱風及其它乾燥方式，食品吸收微波后內部直接升溫，形成較小的正溫度梯度，有利於內部水分的擴散，使乾燥速度大大加快，是一項值得深入研究的新技術。

     1 微波乾燥的基本原理及特點

     1.1 微波乾燥的機理分析

      微波是指波長範圍為1 ～1 000 mm，頻率範圍為3.0 × 102～3.0 × 105 MHz

      具有穿透特性的電磁波，常用的微波頻率為915 MHz 和2 450MHz。微波發生器的磁控管接受電源功率而產生微波功率，通過波導輸送到微波加熱器中，使需要加熱的物料在微波場的作用下被加熱。微波加熱利用的是介質損耗原理，而且水的損耗因數比干物質大得多，電磁場釋放能量中的絕大部分被物料中的水分子吸收。一般情況下，被乾燥物料中的水分子由於布朗運動，分子的排列雜亂無章並迅速變化，極性相互抵消，宏觀上不呈現極性。而被置於由微波發生器產生的電場中時，微波場以每秒几億次的高速週期地改變外加電場的方向，使介質的極性水分子迅速擺動，產生顯著的熱效應，從而使物料內部和表面的溫度同時迅速升高。

      微波加熱造就物料體熱源的存在，改變了常規加熱乾燥過程中某些遷移勢和遷移勢梯度方向，形成了微波乾燥的獨特機理。由於物料中的水分介質損耗較大，能大量吸收微波能並轉化為熱能，因此物料的升溫和蒸發是在整個物體中同時進行的。在物料表面由於蒸發冷卻的緣故，使物料表面溫度略低於里層溫度；同時由於物料內部產生熱量，以致內部蒸汽迅速產生，形成壓力梯度。如果物料的初始含水率很高，物料內部的壓力非常快地升高，則水分可能在壓力梯度的作用下從物料中排出。初始含水率越高，壓力梯度對水分排出的影響越大，也即有一種“泵”效應，驅使水分流向表面，加快乾燥速度。由此可見，微波乾燥過程中，溫度梯度、傳熱和蒸汽壓遷移方向均一致，從而大大改善了乾燥過程中的水分遷移條件，當然要優于常規乾燥。同時由於壓力遷移動力的存在，使微波乾燥具有由內向外的乾燥特點，即對物料整體而言，將是物料內層首先乾燥，這就克服了在常規乾燥中因物料外層首先乾燥而形成硬殼板結阻礙內部水分繼續外移的缺點。

      1.2 微波乾燥的特點

      1.2.1 乾燥速度快、乾燥時間短由於微波能夠深入到物料內部而不是靠物體本身的熱傳導進行加熱，所以加熱時間非常短，乾燥時間可縮短5 0% 或更多。

      1.2.2 產品質量高

      微波加熱溫度均勻，表裡一致，乾燥產品可以做到水分分布均勻。由於微波對水有選擇加熱的特點，可以在較低溫度下進行乾燥，而不致使產品中的干物質過熱而損坏。微波加熱還可以產生一些有利的物理或化學作用。

      1.2.3 反應靈敏、易控制

      通過調整微波輸出功率，物料的加熱情況可以瞬間改變，便於連續生產和實現自動化控制，提高勞動生產率，改善勞動條件。

      1.2.4 熱能利用率高，節省能源、環保、設備佔地少

      微波加熱設備本身不耗熱，熱能絕大部分（＞8 0 % ）都作用在物料上，熱效率高，所以節約能源，一般可節電3 0 % ～5 0 %；對環境溫度幾乎沒有影響，微波乾燥設備可以做得較小。

      1.2.5

      不償失低溫殺菌，保持食品營養和風味微波加熱具有熱效應和生物效應，因此能在較低的溫度下殺滅黴菌和細菌，最大限度地保持物料的活性和食品中的維生素、色澤和營養成份。

      微波乾燥經常與熱風乾燥相聯合，可以提高乾燥過程的效率和經濟性。因為熱空氣可以有效地排除物料表面的自由水分，而微波乾燥提供了排除內部水分的有效方法，兩者結合就可以發揮各自的優點使乾燥成本下降。微波乾燥與普通方法聯合一般有3種方式：①預熱。首先用微波能對物料進行預熱，然後用普通乾燥器進行乾燥；②增速乾燥。當乾燥速度進入降速階段時將微波能加入普通乾燥器，此時物料表面是干的，水分都在內部。加入的微波能使物體內部產生熱量和蒸汽壓，把水分驅至表面並迅速被排除。③終端乾燥。普通乾燥器在接近乾燥終了時效率最低，也許有2 / 3 的乾燥時間花費在排除最後的1 / 3 的水分上。在普通乾燥器的出口處加一個微波乾燥器，可提高普通乾燥器的處理量。

      1.3 微波乾燥系統

      基於微波乾燥的基本原理，微波乾燥系統主要由微波發生器、波導裝置、微波乾燥器、排濕冷卻裝置、傳動系統、控制系統以及安全保護系統等部分組成。               

      微波發生器是乾燥設備的關鍵部分，它由磁控管和微波電源組成，其主要作用是產生所需要的微波能量。微波管產生的微波通過波導裝置無損耗地傳輸到微波乾燥器中，微波乾燥器是實現物料與微波相互作用的空間，微波能量在此轉化為被乾燥物料的內能，使物料中的水分蒸發而乾燥。排濕冷卻裝置的作用是排出物體中蒸發出來的水蒸汽以及將物料通風冷卻。在對物料連續乾燥處理的微波設備中，還具有配套的物料輸送系統，該系統的傳輸速度和調速範圍，要適應被乾燥物料的工藝要求，連續不斷地將它們送入微波乾燥器中進行乾燥，並將乾燥后的物料輸送出來進行下一道工序。傳動系統多由調速電機和減速器組成。物料輸送帶均採用低耗微波介質材料，如聚四氟乙烯玻璃纖維帶、聚乙烯帶等；控制系統是用來調節設備的各種運行參數，保証設備的輸出功率、輸送速度、排濕冷卻裝置等能根據最佳工藝規範的要求，及時、方便和靈活地控制與調整。控制系統既可安裝在微波發生器上，又可與主機分開，也可把若干台微波乾燥設備的控制系統集中安裝在一個總控制臺上進行工藝參數的總控制。

      2 微波乾燥食品在國內外的發展概況

       微波乾燥起源於上世紀40 年代，到60年代國外才大量應用。由於微波乾燥的獨特優點使得其發展很快。國外已在輕工業、食品工業、化學工業、農業和農產品加工等方面得到應用。由於微波對水有選擇加熱的特點，使得糧食、油料作物、茶葉、蠶繭、木材、紙張、煙草等含水物質均可用微波進行乾燥。上世紀70 年代以來，國外微波乾燥的應用還在繼續擴大，特別是在食品乾燥方面。我國微波乾燥技術的應用始於上世紀7 0年代初期，到目前已應用於輕工、化工及農產品食品加工等方面。儘管我國在微波乾燥方面已經有一些成功的範例，但從整個食品行業來看，裝機功率仍然非常低，與發達國家相比仍有很大的差距。

      目前，成功應用微波乾燥的食品種類很多，大致可以分為：

      果蔬類——土豆片、薯片、菠菜、白菜、西紅柿、胡蘿蔔、竹筍、蒜、蘋果脯、葡萄、香蕉、黃桃、山楂、南瓜、蔥、紫菜、西紅柿、洋蔥等；

      肉制品——雞肉、魚片、對蝦、香腸、牛肉乾、豬肉等；

      米面類——玉米片、通心面、糕點、麵包、方便面、肉餡餅、方便米粉、大米等；

       藥材類——人蔘、藥丸、鹿茸、蛇、枸杞、花粉、蜂王漿等；

       飲料類——咖啡、桔粉、果汁、奶粉等；

       農副土特產品——茶葉、大豆、花生、山野菜、瓜子、木耳、煙葉、穀物、油菜籽、香菇、海帶等；

       其它——蛋黃粉、魔芋粉、豆腐皮、檳榔芋等。

       微波乾燥食品的種類還有待于進一步地開發研究，目前不少研究人員仍在進行這方面的工作。

3 微波乾燥食品發展前景

       IDS 主席Mujumdar 教授指出：1990年以來，乾燥的能源價格依然是重要的，但對於乾燥研究而言不再是最關鍵的因素，現在是由新產品和新的加工過程的需求推動乾燥研究。同時指出，如今的熱風乾燥不是一種環保良好的作業，礦物燃料的燃燒產生的二氧化碳是被稱之為“綠色居室效應”的主要成分。基於這些考慮，當前乾燥的總目標是“以最快的速度排除液體（通常是水）並對產品有最小的負面影響；不破坏環境以及投入最低的資金和操作費用”。因此，此領域的實際工程策略，是對各種規模的乾燥過程，從百萬級（從經濟和環保考慮）到微量級（物料性質）進行探索和聯合考慮。還指出對流、傳導和微波乾燥可否聯合的構想。食品的乾燥也應以此為目標進行研究。微波乾燥作為一項新技術正符合這樣的發展要求。

      我國自1 9 7 3 年研製成功工業微波乾燥設備以來，經過2 0餘年的發展，我國在微波加熱設備方面已經完全能夠國產化，磁控管的壽命和質量大大提高，整機生產技術已經過關，並能向國外出口。在工業、 和高新科技等領域都完全走向實用性階段，併發展成為一支新的產業，特別是食品、輕紡、化工、農產品乾燥等方面，在節約能源，提高生產率，改善勞動條件和提高產品質量等方面都取得了明顯的經濟效益和社會效益。我國已先後開發了用於食品工業的系列微波爐、食品乾燥機等微波設備。但是因微波乾燥設備的技術要求較高，現在能生產微波乾燥設備的企業還比較少，產品缺少系列化。

      相對來說，我國微波乾燥食品的研究要滯后一些。由於微波乾燥和烹制的特點，在開發微波乾燥食品時首先要解決其色澤、風味和包裝等問題，為此這方面還有大量的工作要做，有關部門對此十分重視，微波食品的開發已被列入國家“九五”攻關計劃。而且我國是一個擁有眾多人口的發展中國家，食品工業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，龐大的消費體已為微波食品的開發提供了廣闊的潛在市場，只有加快研究和開發的步伐，才能使微波能的應用取得更大的經濟和社會效益。

      微波乾燥的研究要明確以下幾點:

      1 ）不是所有需要乾燥的食品都可以用微波來乾燥；

      2 ）微波乾燥食品一定要考慮到其經濟效益，充分利用不同乾燥工藝的優點進行優化組合；

      3 ）微波乾燥設備的研製開發必須和產品的工藝研究緊密結合。

     4 結束語

      可以預見，微波乾燥將作為一項高新技術，以其獨特的加熱特點和乾燥機理為食品乾燥開闢了一條嶄新的途徑，應用前景十分廣闊。微波技術將在完善自身技術方法和設備的同時，不斷與其它乾燥技術相結合，向著更廣更深的方向發展，新興的微波真空乾燥技術、微波冷凍乾燥技術以及微波膨化技術等都將在理論的建立、完善和應用中不斷髮展。