微波真空干燥技术研究进展

摘 要：本文阐述了微波真空干燥技术的原理、优点，分析了影响微波真空干燥的因素、微波真空干燥特性及其动力学模型等，为以后的研究推广提供依据。

关键词：干燥;微波真空干燥;动力学模型

Research Progress of Microwave Vacuum Drying Technology

LI Panpan， HU Qinkai， ZHANG Min

（Shandong Wandefu Biological Technology Co.， Ltd.， Dongying 257000， China）

Abstract： This paper describes the principle and advantages of microwave vacuum drying technology， analyzes the factors affecting microwave vacuum drying， the characteristics of microwave vacuum drying and its dynamic model， and provides a basis for future research and promotion.

Keywords： drying; microwave vacuum drying; dynamic model

干燥作为食品保藏的重要手段，广泛应用于食品生产的各个环节。目前使用较多的干燥方式为喷雾干燥、闪蒸干燥、滚筒干燥等热风干燥，但传统热风干燥由于温度高，导致产品中的热敏性成分损失较多，对色泽也造成一定的影响，进而影响食品的质量及功能成分。与热风干燥相比，食品真空冷冻干燥虽然能较好地保留食品的营养成分，维持较好的色香味，但真空冷冻干燥成本太高，更适用于高附加值产品，对绝大多数低附加值产品来说，需要解决经济效益和质量之间不匹配的问题。微波真空干燥是一种通过优化干燥过程，将微波干燥和真空干燥两者的优势整合，以达到最优效果的干燥方式。近年来微波真空干燥受到研发人员和相关技术厂家的广泛关注。

1 微波真空干燥的原理

微波干燥的热源来源于微波，其主要原理是通过水分子在微波电场干扰下移动而转化成热能进行干燥。微波振荡周期极短形成高频电场，当湿物料进入微波高频电场时，水分子会根据微波电场的方向进行排列;当外电场方向变化时，极性水分子相应的排列方向随之进行转换，在水分子摆动过程中，分子间将发生剧烈摩擦和碰撞，将微波能转化为分子动能，进而产生大量热量，使物料的温度升高。

真空干燥是利用湿物料在不同的真空度下对应的沸点不同，真空度越高，湿物料所含的水对应的沸点越低，水分子越容易气化溢出。湿物料在真空环境下，干燥温度低于100 ℃时水即达到沸点，然后使用真空泵间隙抽湿以降低物料中的水汽含量，使物料内水蒸气（或其他溶剂）及空气等含量较少的不凝结气体获得足够的动能脱离物料表面，进而达到干燥的目的。

2 微波真空干燥技术的优点

微波真空干燥技术是将真空干燥与微波干燥技术进行整合，充分发挥各自的优势。由于干燥采用的热源为微波，热量直接作用到物料内部，因此微波真空干燥克服了真空干燥时真空状态下热传导速度低的问题，同时真空状态又使物料中的水分（或其他溶剂）汽化温度降低，使干燥速度提高。此外，低干燥温度对物料中的营养物质破坏较小，产生美拉德反应程度低，能耗也降低。因此，与常规干燥方法相比，该技术的优势主要体现在以下几个方面。

2.1 效率高

常规的真空干燥设备使用的热源是蒸汽，热量传递方式为热传导，即干燥过程需要从外到内进行加热，这种加热过程速度较慢，在加热过程中造成大量的热损失。由于微波真空干燥设备使用的热源是电磁波，热量直接对物料内部进行加热，不必再以传导的方式从物料表面开始内部传递，因此传热速度快，物料升温速度快。研究表明，常温水在3～5 min

内即可加热到100 ℃，因此干燥周期短、干燥速度快、能源消耗低，微波真空干燥可比常规干燥技术的工效提高4倍以上，同时避免了热不良导体的物料加热速度缓慢的弊端。

2.2 加热均匀

由于微波加热与传统的热量传递方式不同，当使用微波加热时，其产生的电磁波可作用到物料的各个部位而产生热能。因此，无论物料是什么外形，使用微波加热，物料内外的温差均较小，不会产生因内外加热不一致而导致物料“外糊内生”的情况。同时，内外加热均匀的物料，对其膨化效果有一定的好处，可提高干燥物料的质量。

2.3 易实现自动化控制和连续化生产

微波的功率调节快速且无惯性，可通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）来连锁控制干燥的加热和终止，实现自动化控制，节省劳动力。

2.4 有利于提升产品质量

由于物料干燥过程中存在一定的真空度，与普通干燥方式相比，物料干燥温度降低。因而有利于保存物料中的风味物质，减少营养因子的流失，有利于提取功能性物质和提高农产品的附加值。同时微波有杀菌、消毒的作用，有利于延长物料的保质期。

2.5 在干燥过程中物料更安全

在整个干燥过程几乎没有微波泄露，不会造成放射性损害，不会对食品本身造成污染。此外，微波干燥不需要热风，所以没有粉尘不会造成环境污染。

2.6 经济效益高

常规干燥通过热传导或热辐射，往往时间长、能耗高、速度慢，导致加工成本高。微波加热不需要媒介传导，可同时对物料内部进行加热，因此对于提升干燥效率、降低能源和成本有显著效果。研究显示，微波真空与传统加热方式相比，速度和效能是其4倍以上。

3 影响微波真空干燥的因素

3.1 物料的特性和外部形状

由于物料的自身特性，在干燥过程中，物料内部变得疏松多孔。随着干燥的继续，疏松多孔的物料传热性变弱，进而导致内外温差较大。通过实践表明，物料体积越大，内外温度梯度越大。一般建议干燥前对物料进行预处理，以片状或颗粒状进行干燥。粉末状物料在干燥时，应对料层厚度进行控制，并监测料层内外温差。

3.2 选择合适的真空度

真空度越高，水（或其他溶剂）的沸点温度越低，物料中的水分（或其他溶剂）越容易扩散。但真空度并不是越高越好，真空度过高，不仅能耗增加，还会增加击穿放电的可能性。击穿放电除了损耗大量能源外，还会缩短磁管的使用寿命。如果击穿放电发生在产品表面，容易造成产品焦糊，进而影响产品质量和风味。

3.3 设备功率控制

湿物料内不同物质吸收微波后的加热特性不同。水分子极性强的容易加热，因此物料水分越高，越容易吸收热量。但当干燥一定时间后，物料中的含水量降低，水分吸收微波的能力减弱，干燥速度变慢，效率变低。

因此在干燥的不同阶段，微波功率的控制不同。在干燥前期，物料中水分含量高，水分移动速度快，宜采用连续微波加热将水分快速蒸发;在干燥等速和减速期，物料中含水量减少，水分迁移速度变慢，宜采用脉冲间隙式微波加热，减少微波能量投入。

3.4 干燥时间

产品含水量与干燥时间密不可分，干燥时间越长，含水量越低。在干燥过程中，干燥速度随干燥时间的增加而降低。

4 微波真空干燥特性及动力学模型

王亚娟等[1]采用数值模拟胡萝卜微波真空干燥动力学方程，研究发现在单因素微波功率密度干燥下，微波功率密度越大，胡萝卜片的干燥速度越快，干燥时间越短，产品越易焦糊。以3种不同微波功率密度（20.0 W/g、5.0 W/g和0.6 W/g）下的胡萝卜干燥动力学方程为对象，进行遗传算法优化获得多功率组合工艺参数，加工的胡萝卜片干基水分含量（0.078±0.005）g/g，没有焦糊;与0.6 W/g单一微波功率的干燥结果相比，不但产品收缩和焦糊现象减少，而且干燥效率提高了4.77倍。采用计算机遗传算法可达到优化多功率组合的微波真空干燥加工工艺的目的，减少实验工作量。

汤小红等[2]发现采用微波真空干燥，随着微波功率和真空度的增加和物料加载量的降低，油茶籽的干燥速率增加，干燥时间减少，其中对干燥速率、能耗的影响程度，真空度大于微波功率和加载量。通过对比热风干燥、微波间歇干燥、微波真空干燥对油茶籽的影响发现，微波间歇干燥的时间为微波真空干燥的3倍，但其干燥速度曲线波动较大。热风干燥所需的时间最长，是微波真空干燥时间的4～32倍，且热风干燥的速度曲线没有恒速干燥阶段，只有加速干燥阶段和减速干燥两个阶段。

程新峰等[3]采用Weibull分布函数和Dincer模型对菊芋干燥曲线进行拟合，并结合尺度参数（α）、形状参数（β）、滞后因（G）和干燥系数（S）等分析了干燥过程的传热和传质机制。菊芋整个干燥过程分为升速、恒速和降速3个阶段，并且微波强度越大，最大干燥速率越高，升速阶段历时越短。干燥过程并非完全由内部扩散主导，干燥过程物料温度变化由内部导热和边界对流换热共同控制。当微波强度适宜时，干燥菊芋细胞结构规则，部分区域含有孔洞，高微波强度下干燥样品部分组织结构坍塌，细胞内物质外泄。

王文成等[4]将膜分离后的绿茶浓缩液用微波真空干燥制取速溶绿茶粉，通过对制备的产品在微观结构、茶多酚、咖啡碱和儿茶素类含量上的区别分析对比微波真空干燥与喷雾干燥法的不同。研究发现前者制取绿茶茶粉具有孔洞的块状特点。与喷雾干燥相比，微波真空干燥的颗粒、粉状的损耗降低，在底层的茶多酚、咖啡碱和儿茶素类含量高于顶层，而喷雾干燥法制备的茶粉介于二者之间。

张威等[5]以绿橙浓缩汁为原料，采用真空低温连续干燥与冷冻干燥进行对比，速溶绿茶酚和绿橙提取物的风味保持基本相同，产品溶解性较好，茶多酚、维生素C保留率高;采用真空低温连续干燥与喷雾干燥、热风干燥对比，速溶绿茶酚和绿橙提取物的风味有明显差异，茶多酚、维生素C含量大大降低。

张宇等[6]采用微波真空干燥法制备蓝莓粉，以蓝莓粉中的花青素含量、感官评分和色差值作为评判指标，研究发现影响蓝莓粉品质的各因素主次顺序为真空压强>微波功率>麦芽糊精添加量，其中微波功率和真空压强的交互作用显著，与冻干蓝莓粉的色差值较小。

唐小闲等[7]以小黄姜为原料，研究发现小黄姜真空微波干燥过程表现为2个阶段，即前期加速和后期降速。微波功率越大，干燥速率越快，小黄姜干基含水率达到平衡时所需的时间越短。干燥速率受切片厚度、装载量、微波时间间隔的影响，切片厚度越厚、装载量越大、微波间隔时间越长，干燥速度越慢，干燥时间越长。小黄姜的微波真空干燥过程符合Page模型。

吴涛等[8]研究不同微波功率和真空度对黑莓干燥过程中温度的影响，研究发现黑莓在微波功率为400 W、-80 kPa真空度的条件下加热2 min后，热点的温度维持在60 ℃左右，温度差异性为0.27，符合黑莓的干燥要求。

5 展望

微波真空干燥的工业化使用起源于20世纪80年代的法国，其利用微波真空技术生产的柑橘粉保持了很好的色香味，并且与喷雾干燥相比，柑橘粉中的微生物保持率也高。微波真空干燥在我国的研究虽然较晚，但通过几年的努力，已经工业化研制成功的微波真空干燥设备可达到10 kW。微波真空干燥与真空冷冻干燥相比，能耗更低，较大限度地保留了物料本身的营养成分，因此微波真空干燥可在一定程度上替代真空冷冻干燥，可应用于化工原料、食品、药品和保健品的杀菌和干燥，也可应用于具有热敏性且附加值较高的果蔬和农副产品，还可用于酶制剂的干燥和高价值原料提取等，为生命科学、医药工程、化工工程、新材料应用以及食品精深加工提供了一种新的干燥方式。随着研究的深入和认识的提高，微波真空干燥的使用范围将会越来越广。

参考文献

[1]王亚娟，张凤娟，滕建文，等.胡萝卜片微波真空干燥动力学数值拟合[J].食品工业科技，2020，41（18）：17-23.

[2]汤小红，李程懿，黄丹，等.油茶籽微波真空干燥特性[J].中南林业科技大学学报，2021，41（6）：139-146.

[3]程新峰，潘玲，李宁，等.菊芋微波真空干燥过程的水分扩散特性及模型拟合[J].食品工业科技，2022，43（6）：33-40.

[4]王文成，胡银凤，饶建平，等.微波真空干燥速溶绿茶工艺优化[J].食品与发酵工业，2021，47（4）：202-207.

[5]张威，陈悦水.茶（果）汁真空低温连续干燥与其他干燥工艺的应用比较研究[J].食品工业科技，2010，31（4）：308-309.

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[7]唐小闲，刘艳，咸兆坤，等.小黄姜真空微波干燥特性及其动力学研究[J].食品科技，2021，46（10）：87-94.

[8]吴涛，宋春芳，孟丽媛，等.黑莓微波真空干燥传热特性[J].食品与机械，2017，33（4）：54-60.