微波真空干燥技术在食品工业中的应用与展望

微波真空干燥技术在食品工业中的应用与展望张国深，徐振方，潘澜澜（大连水产学院机械工程学院，辽宁大连116023）术存在的问题，介绍了该技术在国内外的研宄现状。微波真空干燥是综合微波干燥和真空干燥各自优点的一项新技术，非常适合食品的干燥生产，随着微波真空干燥设备的计算机监测技术和自动化水平的不断提高，微波真空干燥技术将在食品生产中获得更广泛地应用。
干燥是食品保藏的重要手段，在食品生产中应用非常广泛，干燥的方法有热风干燥、微波干燥、真空干燥和冷冻干燥等。热风干燥是目前应用多、为经济的干燥方法，但经热风干燥的食品，其色、香、味难以保留，维生素等热敏性营养成分或活性成分损失较大；微波干燥的一个大缺点是易出现过度加热。
2微波真空干燥的特点与常规干燥方法相比，微波真空干燥具有以下特点：高效微波真空干燥采用辐射传能，是介质整体加热，无需其它传热媒介，所以传热速度快、效率高、干燥周期短、能耗低，可提高工效4倍以上。
加热均匀微波加热是物料里外同时加热，物料的里外温差很小，不会产生常规加热中出现的里外加热不一致的状况，因而使干燥质量大大提高。
易控由于微波功率具有可快速调整且无惯性的特点，易于即时控制，工艺参数调整方便，便于连续生产及实现自动化。
环保无有毒、有害、废水或气体的产生，工厂环境清洁卫生，能实现真正的清洁生产。
产品质量好微波真空干燥对物料中热敏感性成分及生物活性物质的保持率，一般可达到90~95且微波真空干燥时间较冷冻干燥时间大大缩短，成品品质达到或超过冻干产品。
微波具有消毒、杀菌之功效，产品安全卫生，并可延长保质期。
脱水蔬菜加工中，各种干燥设备的工艺性能、经济效益、产品质量等比较结果见表1和表2.由表2可见，微波真空干燥设备的效率为常规真空干燥设备的4倍。可见，微波真空干燥是一项经济效益显著、推广价值极高的高新技术。
表1用不同干燥设备加工脱水蔬菜的比较13设备类型-成品品质设备特征杀菌营养成分保持率风味色观复水性咀嚼感设备成本运行成本干燥时间占地作用微波真空设备基本保存3min恢复完好冷冻成本的1/2小有冷冻干燥设备全部保存3min恢复差白也昂贝中无热风干燥设备热分解、无保存大幅度变化一般便宜大无表2用微波真空设备与常规真空设备干燥脱水蔬菜的效率比较设备类型功耗/去水量/（kgDh效率/微波真空设备常规真空设备3微波真空干燥的研究现状美、法、日本等国于20世纪80年代开始进行工业化微波真空脱水干燥技术的研究及干燥设备的己取得了良好的研究效果。中国从80年代后期开始这方面的研究。
目前国内外对微波真空干燥技术的研究主要集中在以下3个方面。
3.数学模型研究目前，干燥生产过程中在线检测水分含量及物料内部温度还难以实现，数学模型的研究对干燥过程的优化和控制具有重要的意义。微波真空干燥实质上是物料中的水分吸收微波能后，进行迁移、扩散和蒸发的过程。因此，对数学模型的研究主要集中在两方面：一是研究计算物料吸收微波能的大小及物料内部温度场的分布规律；二是研究水分扩散、蒸发的规律。由于物料的介电特性随水分含量的变化而变化，故物料中电场分布及吸收的微波能是一个动态变化的过程。要十分准确地确定，需求解动态麦克斯韦方程，这在工程中没有必要。许多研究都是假设从物料表面输入的微波能是大小均匀且与表面垂直，并假设微波能在物料内部呈指数衰减，再利用差分法或有限元法预测物料内部温度分布大小。
中国南京三乐微波技术发展有限公司于1987年开始对微波真空干燥技术进行研究，近几年在技术上不断创新，攻克了微波在低真空状态下易拉弧放电的技术难点，现己进入实用性微波真空干燥机的批量生产阶段。
3.3微波真空干燥关键技术的研究1真空度压力越低，水的沸点温度越低，物料中水分扩散速度越快。微波真空谐振腔内真空度的大小主要受限于击穿电场强度，在真空状态下，气体分子易被电场电离，而且空气、水汽的击穿场强随压力而降低；电磁波频率越低，气体击穿场强越小。
气体击穿现象容易发生在微波馈能耦合口以及腔体内场强集中的地方。击穿放电的发生，不仅会消耗微波能，而且会损坏部件并产生较大的微波反射，缩短磁控管使用寿命。如果击穿放电发生在食品表面，则会使食品焦糊。一般20kV/m的场强就可击穿食品（因介电常数的不同而异）。
正确选择真空度的大小非常重要，真空度并非越高越好，过高的真空度不仅能耗大，而且击穿放电的可能性大。一般微波频率为2450MHz时，选择真空度2~4kPa己足够，2kPa时水的汽化温度是20*C，4kPa时水的汽化温度约28*C，如果设备设计和操作合理，完全可以保证干燥前期的干燥温度在30*C左右2. 2加热均匀性问题理论上，谐振腔内模式越多，加热越均匀。但形成模式的数目受腔体尺寸、形状、耦合口位置及数量、物料多少等诸多因素影响。微波真空干燥器的谐振腔尺寸一旦固定，其谐振腔内的振荡模式就可通过计算机程序确定。如何避免在干燥后期产生“热点”，己成为微波真空干燥设备设计的关键要点之一。
为避免在干燥后期产生“热点”，大多数厂家在谐振腔内设计了一个物料旋转盘，使物料随旋转盘动起来，以达到加热均匀的目的。2002年9月，中国海尔公司##提出“旋转微波”概念，即撤掉物料旋转盘，通过改变波导的形状，使微波以旋转的形式进入谐振腔，彻底避免了一次革命“。
3微波能变化的控制一般在干燥前期，物料中水分含量较高，输入的微波能要高些，可采用连续微波加热，这时大部分微波能被水吸收，水分迅速迁移和蒸发；在等速和减速干燥期间，随着水分的减少，需要的微波能也减少。要解决这一微波工业中的难题，可采用脉冲间隙式微波加热或采用变频技术等也进行了用微波真空干燥果蔬的研究，结果表明，微波真空干燥的果蔬制品，其色、香、味及热敏性成分的保留率十分接近冷冻干燥的，只是干燥后的果蔬制品质构较硬，与冷冻干燥的有一定差距，但干燥时间和生产成本可大幅度降低。
微波真空干燥技术在其它食品加工领域也具有很大的发展潜力。目前，己有Lin等进行了微波真空干燥小虾的试验，并将微波真空干燥的小虾与热风干燥及冷冻干燥的小虾进行质量对比评价，发现利用微波真空干燥的小虾比热风干燥的收缩小，复水性和水分保持能力强，并且在色泽、组织和风味等方面与复水冷冻虾接近。作者用自制的微波真空干燥设备对扇贝丁进行了干燥试验，结果干燥后的扇贝丁，其色、香、味及干燥时间都达到了较理想的效果。
目前，国内外微波真空干燥装置的结构还比较单调，技术性能还有很多需完善的地方，干燥设备的性能、特别是自动监测和自动控制能力亟待提高，这是微波真空干燥技术不能广泛应用于食品生产中的主要原因之一。近年来，微机技术应用迅速发展，高性能、**格的MCS作程序自动化，而且能对电源系统的工作进行优化实时控制，充分发挥微波功率能快速调整及无惯性、易于即时控制的特点。作者曾在自制的微波真空干燥试验设备中利用DUT系列数据采集模块、多路传感器，通过RS?485总线及标准通信协议将数据输送给PC机，在软件的支持下可实现可视化，可进行人机对话，在线显示温度、真空度及物料的重量，实现实时监控，极大地方便了试验研究。因此，加强这方面的理论和实际应用研究，可以促进微波真空干燥技术的广泛应用。
5结语微波真空干燥技术非常适合食品的干燥生产，但微波真空干燥设备的设计是以电磁波传输理论为基础的，从事设备设计的技术人员一般不了解食品的工艺、特性，而食品工艺研究人员积累的大量常规食品加热的经验又不能全部移植于微波加热系统，两者的结合需要一定时间，这是目前影响微波真空干燥技术在食品业迅速推广的另外一个原因。今后应进一步加强行业之间的合作，尽快突破这个瓶颈。
与国外微波真空设备相比，国内微波技术本身并不逊色，但在机电一体化技术、自动控制水平、整机运行可靠性程度和生产线配套能力等方面存在明显差距，这是今后国内从事微波应用技术工作的科研人员急需解决的课题。随着微波真空干燥设备的计算机自动监测和控制水平的不断提高，微波真空干燥技术将在食品生产中获得更广泛的应用。