果蔬联合干燥过程中物料内部温度与水分分布研究

热敏性物料干燥过程中，导致热敏性有效成分发生物理、化学变化和物料组织结构变化的前提是高温和高水分环境，避免干燥过程中物料内部局部高温、高水分同时出现，可有效提高干燥产品质量，同时降低干燥成本和能耗。本项目立足于自主研制的热泵－热风联合干燥装置及工艺，重点研究联合干燥过程中物料内部的非稳态热量和水分传递现象。采用核磁共振成像技术(MRI)和探针法，通过实验测量，获得联合干燥过程中果蔬内部温度、水分分布与变化规律；在实验数据基础上，探索非稳态干燥环境中果蔬内部的传热与传质过程机理，建立表达该联合干燥过程的质热传递模型；通过测定典型热敏性成分保持率、观察物料组织微观结构变化，为联合干燥技术最佳工艺确定提供理论基础。本项目的开展有利于丰富对非稳态干燥环境中物料内部真实传递现象的客观认识，可为热敏性物料新型干燥技术的开发提供依据。

果蔬具有热敏性，其干燥一直是加工难题。果蔬干燥除要求具有较高的干燥效率外，更重要的是保持产品的高品质。热风干燥由于干燥温度高，许多有效（或营养）成分易受到热破坏；冷冻干燥虽然可以维持干燥产品外形和高保留物料的有效成分，但因其设备投资高、运行成本高等缺陷，只适用于高附加值物料的干燥。探索基于果蔬生物特性的高质量、低能耗干燥技术成为国内外科研工作者面临的重要课题。研究发现，热敏性天然产物干燥过程中，物料内部高温和高水分环境会导致有效（或营养）成分发生物理、化学变化和组织结构变化。避免干燥过程中物料内部高温、高水分同时出现，可有效提高产品干燥质量，同时降低成本和能耗。基于上述理论，申请人提出对热敏性物料采用热泵－热风分段式联合干燥。本项目采用低场核磁共振技术(MRI和T2)和探针法，实测了干燥过程中胡萝卜内部温度、水分分布与变化规律，分析了由热泵干燥转入热风干燥时切换点对干燥过程和产品质量的影响，获得了较佳的分段干燥工艺。实验表明，干燥过程可以改变物料内部水分分布状态，物料自由水分的脱除方式显著影响干燥效率和产品质量。干燥初始，水分、温度梯度在物料表面迅速形成；温度曲线存在快速升温段。随着干燥的进行，物料湿区直径收缩比率大于实测直径收缩比率，表面成为“干区”；物料水分廓线沿径向、轴向同时向中心不规则收缩，其内部的水分传递是一个多维、非稳态传递过程，并具有non-Fickian传递特征；Henderson-Pabis模型可以很好地描述该干燥过程。第一阶段采用40℃热泵干燥将胡萝卜片干至含水率40% w.b.，除去95.4%的自由水后，第二阶段采用逐步升温的70℃热风干燥至安全水分，该分段干燥过程在大幅度缩短干燥时间的同时，获得了高质量的干燥产品。本项目自主提出的热泵－热风分段式联合干燥技术，体现了变温、分段干燥思想，这一干燥技术和相关理论可以应用到热敏性果蔬脱水生产中。