香菇干燥技術研究進展

劉 靜 ，翁小祥 ，奚小波 ，2，單 翔 ，2，趙其東 ，張劍峰 ，張瑞宏 ,2

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇揚州 225127；2.江蘇省現代農機農藝融合技術工程中心，江蘇揚州 225127；3.興化市嘉禾食品有限公司，江蘇泰州 225700）

0 引言

香菇是一種含有高蛋白、低脂肪、多氨基酸和大量微量元素的食用菌，素稱“菇中之王”［1］。根據中國食用菌協會統計，2017年全國食用菌產量已達3712萬噸，其中香菇年產量986.51萬噸，占食用菌比達26.58%；出口食（藥）用菌類產品63.08萬噸（干鮮混合計算），貨值38.4億美元，干香菇出口金額最高，達到19.94億美元，占出口總額的一半以上。目前，我國香菇主產區可分為東南（福建、浙江）、華中（湖北、河南）、東北（遼寧、吉林）和西南（四川、重慶、云南）四大產區。我國香菇產量主要來自代料香菇，而代料香菇的主產地是東南和華中產區。此外，段木栽培香菇生產主要集中在華中地區，陜西、甘肅、黑龍江、安徽、廣西、江西和福建等省至今仍存有極少量段木栽培。

香菇在采收之后，由于呼吸和蒸騰作用強烈，因而在常溫下很快開傘、褐變、變味、質量敗壞［2］。新鮮香菇的保鮮期約為3～5天，隨著其體內營養物質的流失，香菇會失去原有的色、香、味，其商品價值大大降低［3］。因此香菇在采摘后常通過干燥技術加工成干制品，干燥不僅可以防止引起腐爛的微生物的生長，而且能最大保持其原有的風味和營養成分，經干燥后的香菇保質期可以達到1～2年，干燥還可以使香菇的體積和體重明顯降低，更便于貯藏和運輸，同時干燥也有利于形成香菇濃郁的香味［4-5］。鮮香菇含水量一般達到80%～95%［6］，干燥過程中需將新鮮香菇的含水量降至安全水分13%以下，并且要保證香菇在儲存期內應有的質量，這對干燥能力的要求就相對較高。本文綜述了目前香菇干燥常見的幾類技術，并對其干燥效果進行對比，為香菇干燥產業提供理論依據和參考。

1 香菇干燥要求

香菇的干燥由內擴散和外擴散兩個過程組成，外擴散主要是香菇表面水分隨著溫度升高而蒸發，內擴散是由于內外濕度梯度而形成的水分從內部滲透到表面的過程。內擴散和外擴散同時進行，但有不同的擴散速率。如果外擴散的速度過快，物料內部水分來不及滲透到外部，會引起物料的表面干結，這不僅阻礙了水分的蒸發，延長了干燥時間，還會影響產品質量。所以，控制好干燥溫度，在外擴散與內擴散之間取得相對的平衡，有利于提高香菇干燥的效率以及提升香菇干燥成品的品質，擴大其經濟效益。

根據中華人民共和國農業行業標準NY5095-2002《無公害食品—香菇》中的規定，干香菇的產品質量標準見表1。

表1 無公害香菇的感官指標Tab.1 Sensory index of pollution-free mushrooms

為得到高品質的香菇，將香菇的干燥過程分成4個階段：預備干燥階段、干燥階段、后干燥階段、完成階段。如何干燥出高質量的香菇，重點在于如何控制好溫度與濕度，升溫與降溫都不宜過快，否則菇蓋易起皺；溫度不能過高，否則易燒焦。掌握好溫度與濕度，使得香菇水分的內擴散與外擴散處于一個相對平衡的狀態，才能得到高品質的干香菇。

2 傳統干燥技術

香菇傳統干燥方式主要有自然晾曬和熱風干燥兩種，傳統干燥其具有簡單易行的優點，但其干燥時間長、外觀品質、營養成分破壞較嚴重，因此已逐漸被更多新型干燥技術替代。

2.1 自然晾曬干燥

日曬干燥是香菇最為原始的干燥方式［7］，該方式所制得的香菇其維生素D的含量較高，但其外觀品質不易于控制，其他營養成分容易被破壞，且該方式受天氣影響較大，因此目前該種干燥方式已漸漸被替代。

2.2 熱風干燥技術

熱風干燥技術的基本原理是通過熱源加熱空氣，經過熱空氣將熱量傳遞給物料，再利用水分的蒸發擴散作用減少物料中的水分，同時利用溫度梯度，將熱量從物料表面向物料中心傳遞，最終使物料整體含水量控制在合適范圍內［8-9］。

Wenjian Yang等［10］提出，熱風干燥會通過增加木質素含量來促進香菇的木質化，從而影響香菇的營養和食用性。李艷杰等［11］將香菇切片，通過研究切片厚度、熱風溫度、裝載量三個因素對香菇干燥品質的影響，總結得出熱風干燥可以較好保留香菇中可溶性蛋白質和游離氨基酸含量，但對香菇總酚含量及抗氧化活性的破壞較大。薛榮［12］等研究得到香菇經過快速干燥和慢速干燥的效果差別不大，但慢速干燥后的香菇成品品質更高的結論。

熱風干燥的優點在于其操作簡單，且一次處理的物料量較大，成本較低；但同時其干燥的速度相對較緩慢、干燥的成品品質較低，容易造成香菇色澤的變化和營養物質的流失［13］。

3 新型干燥技術

傳統干燥方式不夠環保，消耗高且污染環境，所得產品質量也不穩定，因此，更多新型的干燥技術開始出現，并逐漸運用到香菇干燥中。

3.1 真空冷凍干燥

真空冷凍干燥是一種物理脫水方式，它是利用冰片升華，使水分不經過液化，直接從固體到氣體，從而進行干燥，其過程如圖1所示。

圖1 真空冷凍干燥工作過程Fig.1 Vacuum freeze drying working process

經過預處理、冷凍、升華干燥、解析干燥幾個步驟，得到成品香菇。真空冷凍干燥可以最大化的保留產品的原有成分，因此其干燥后的成品品質也較高［14-15］。冷凍過程中，冰晶的形成對香菇升華干燥的速率以及干燥后風味物質的保留都有直接影響，而冰晶的形成又與冷凍速度直接相關，因此在真空冷凍干燥中，如何控制好溫度以得到適合的冷凍速度就變得十分重要［16-17］。但是真空冷凍干燥同樣存在干燥速度慢、消耗高、成本高、投資大等諸多缺點，并且冷凍后的產品更容易吸潮和氧化，對包裝設備和包裝材料的要求也更高，消耗也高，最終增加了產品的成本［18］。

張力偉［19］對香菇真空冷凍干燥建立了數學模型，并分析出物料厚度、干燥倉壓力、預凍速率、加熱板溫度對香菇干燥成品品質的影響，同時發現真空冷凍干燥的香菇各項指標都優于熱風干燥，且冷凍干燥后的香菇不僅組織疏松而且復水快。Politowicz Joanna等［20］對香菇干燥成品的揮發性成分和感官特征進行綜合評分，并研究了不同干燥方式對香菇的影響，證明了真空冷凍干燥是干燥香菇的最佳方式。

3.2 微波干燥

微波干燥不同于傳統干燥方式，在微波干燥過程中熱量傳遞的方向與水分擴散的方向是一致的，它是一種內部吸收微波能量并轉換為熱能的過程，被干燥的物料其本身就是發熱體，熱量從物料內部傳遞到物料表面［21］，圖2為微波干燥香菇的工作過程。

圖2 微波干燥工作過程Fig.2 Microwave drying process

微波干燥的速度快，效率高，但是存在溫度不均勻的問題，尤其是香菇外表面容易焦，并且設備投資成本大，操作難，能耗高，商業價值不高［22-23］，所以目前大規模生產中不常見該干燥方式。

王?。?4］通過試驗總結微波干燥香菇過程分為加速、恒速和降速三個階段微波干燥同樣優于熱風干燥。黃姬?。?5］通過試驗研究，得到微波功率與裝載量對香菇干燥速率具有較大影響，干燥速率隨微波功率的增大和裝載量的減少而明顯加快。隨著微波功率的增加，香菇多糖含量、游離氨基酸總量及VC含量均呈現先增加再降低的趨勢，同時微波處理時間越長，營養流失越多。

鑒于微波干燥具有干燥速度快效率高而溫度不易控制的特點，在生產中多與其他干燥方式聯合使用，通常會在干燥中后期輔助微波干燥，大大縮短后期的干燥時長，同時又不影響香菇干制品的品質，提高生產效率和經濟價值。目前該方面研究的重點會集中在何時在干燥過程中加入微波以及與何種方式聯合干燥，這需要不斷地試驗調整干燥組合與干燥工藝。

3.3 紅外輻射干燥

紅外輻射干燥主要是物料吸收了輻射器所發出的紅外線導致其內部分子運動加快，從而使物料溫度上升，水分發生蒸發作用。中短波紅外是紅外中波長介于0.75～4 μm的紅外線，其輻射頻率更高，并且能量高、穿透性強。此外在進行紅外輻射干燥之前，香菇通常還會進行高溫預干燥，高溫預干燥明顯提高了干燥后的香菇的復水率和硬度，但降低了其收縮程度、褐變程度和甲醛含量，在整個預干燥過程中，酶的活性較高，有利于形成調味物質［26］。紅外加熱后的香菇物理化學性質不易改變，因此加熱后的香菇干制品營養價值高，外觀變形小，品質屬于上層。

王洪彩等研究了香菇中短波紅外干燥特性，發現中短波紅外干燥的香菇的感官品質和化學品質均優于熱風干燥后的香菇。郭玲玲［27］研究分析了中短波紅外的干燥溫度、切片厚度和輻射距離對干燥香菇品質的影響，其中影響最大的為干燥溫度，切片厚度次之，輻照距離影響最小，并根據試驗確定了中短紅外干燥香菇的最佳工藝條件為：干燥溫度55 ℃，切片厚度4.5 mm，輻照距離120 mm。

紅外干燥技術雖然優勢明顯，但也存在較多缺點。紅外輻射的本質是對物料表層進行了加熱，因此其穿透深度只能到表面幾毫米處，其內部的加熱情況并不明顯。因此對于體積較大或較厚的物料來說，盡量發揮紅外輻射的穿透性是提高其干燥品質的關鍵。

3.4 熱泵干燥

熱泵干燥工作過程主要分為壓縮、冷凝、節流、蒸發四個過程。在干燥行業通常運用空氣源熱泵進行干燥，其工作原理如圖3所示，低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，再通過冷凝器不斷向外界散發熱量，用來干燥物料，而凝結的制冷劑液體則經過節流裝置降溫降壓，最終進入蒸發器，利用剩余熱量不停進行循環。

圖3 空氣源熱泵工作原理Fig.3 Air source heat pump working principle

熱泵干燥技術高效節能，設備投資和運行成本低，干燥條件可調節范圍寬，并且熱泵干燥能保證被干燥物料的品質，合格率好。聶林林［28］等通過實驗綜合比較得出當干燥室內的風溫為50 ℃，風速為3 m/s，裝載量為1 500 g時，熱泵干燥制得的干制香菇的品質較好。

熱泵干燥的優點在于可以從排氣中回收能量以及可以獨立控制干燥氣體的溫度和濕度。熱泵干燥有除濕機組和干燥室，可回收熱量并降低干燥過程能量消耗。熱泵干燥與熱風干燥類似，但熱泵干燥所得香菇其形狀規則變形較小，原因在于熱泵干燥能夠及時排濕，有利于香菇內部形成更加疏松的結構，因此其復水性更加。同時熱泵干燥制得的干制品中保留的揮發性成分的數量較多，其也有助于香菇特殊香味的形成。

香菇在干燥的中后期階段含水量會下降，其內部與表面的水蒸氣氣壓差減小，使干燥速度變慢。對此，可以引入新型換熱元件，例如相變材料、熱管等相變傳熱裝置，提高干燥介質的傳熱效率，減少香菇的干燥時間和熱泵干燥系統的能耗。

3.5 太陽能干燥

姚利利［29］通過試驗，建立了香菇太陽能干燥動力學模型，經正交試驗優化得出香菇太陽能干燥最適工藝，綜合考慮干燥時間和干燥能耗，香菇太陽能干燥的最適工藝參數為：干燥溫度55 ℃，干燥風速8 m/s，干燥量6 kg。

Rahman等［30］建立了兩種考慮收縮效應的干燥香菇的數學模型，兩種模型都使用擴散方程來考慮香菇在干燥過程中的物理變化，并從模型中獲得的有關水分含量和厚度評估的信息得出與實驗數據的最佳擬合，開發并模擬了香菇干燥曲線的數學模型。

太陽能干燥雖然節能減耗，但其本質和日曬與熱風并無太多不同，同樣較難控制干香菇的品質。而且由于天氣的不確定性，太陽能的供熱也產生不確定性，因此如何儲存以及最大化利用太陽能，減少能量損耗未來會是研究重點［31］。

4 聯合干燥技術

由于單一干燥方式的局限性，目前香菇干燥產業多運用聯合干燥的方式。該方式可以根據香菇的特性，將兩種或兩種以上的干燥方式進行優勢互補并分階段進行干燥。多數聯合干燥都具有速度快、時間短的優點，并且其干燥成品的品質比單一干燥方式的成品品質更高。

4.1 熱風相關聯合干燥技術

4.1.1 熱風微波聯合干燥

熱風干燥難以深入內部，干燥過程緩慢，香菇表面易焦化，且溫濕度不易控制，而微波干燥加熱不夠均勻，內部溫度過高而來不及散熱，影響香菇產品品質。因此，提出熱風微波聯合干燥的方式。

高倫江等［32］通過試驗分析比較了熱風干燥、熱風微波聯合干燥兩種方式對香菇干燥速率、復水比、色澤及風味成分的影響，得出結論：熱風微波聯合干燥無論是在干燥速率還是復水比等方面，其綜合品質都明顯優于單一的熱風干燥。

張慧等［33］在熱風微波聯合干燥的基礎上，探討了聯合干燥轉換點的干基參數性能對香菇干燥品質的影響，得出其最優干燥工藝參數為轉換點干基含水率4.20 g/g，熱風溫度為60.60 ℃，微波功率密度30.00 W/g，該研究為熱風微波分段聯合干燥提供了參考。

4.1.2 真空熱風聯合干燥

真空干燥香菇，其產品復水性好，色澤良好，但耗時長，成本高。熱風干燥耗時短，成本低，但產品復水性差。因此提出真空熱風聯合干燥，先將香菇真空干燥至一定程度，然后熱風干燥。

吳明暉等［34］通過二次回歸旋轉設計試驗，研究了真空熱風聯合干燥技術，并綜合考慮復水性、色澤以及干燥成本等多個因素，確定了真空熱風聯合干燥香菇的最佳工藝為真空度300 Pa，加熱板溫度60 ℃，切片厚度8 mm，水分轉化點為50%，熱風溫度60 ℃。

4.1.3 遠紅外熱風聯合干燥

熱風干燥能及時帶走物料表面蒸發出的水蒸氣，使物料內部水分得到擴散，遠紅外輻射能使物料內外水分同時得到加熱，形成內高外低的溫度梯度，尤其是在干燥達到一定程度后，這種溫度梯度很明顯，這與物料內水分含量梯度方向一致，加快了物料的干燥［35-36］。

4.2 熱泵相關聯合干燥

4.2.1 太陽能熱泵聯合干燥

由于太陽能干燥受天氣影響較大，陰雨天氣會出現供熱不足的情況，因此，太陽能干燥通常不會單獨出現，往往會和其他干燥方式一起出現，最常見的是太陽能熱泵聯合干燥。太陽能熱泵聯合干燥方式是太陽能系統和熱泵系統的結合體。當太陽能輻射充足時，系統采用太陽能系統進行干燥；當太陽能輻射不足時，系統采用熱泵系統進行干燥。

Seyfi ?evik 等［37］在研究中，提出了一種簡單且具有成本效益的帶有平板集熱器和水源熱泵的太陽能輔助熱泵系統（SAHP）。通過試驗，太陽能（SE）系統和熱泵（HP）系統可以分開使用，也可以一起使用，并且已經為該系統開發了計算機程序。干燥空氣溫度，相對濕度，產品重量等均通過PLC進行監視和控制。該系統價格便宜，質量好且可持續，并且可以為產品進行高效率建模。因此，可以以更少的能量輸入和更多的可控條件來干燥產品。

Freeman和Mitehell對并聯式、串聯式和混合式三種太陽能熱泵聯合系統進行全面的模擬分析研究，并比較其性能，研究結果表明，在空氣作為輔助熱源的情況下，并聯式太陽能熱泵系統是最實用的［38］。圖4為并聯式太陽能熱泵聯合干燥系統工作流程圖，當日照條件較好時，可以單獨采用太陽能系統進行干燥；當日照不足時，則開啟熱泵輔助加熱干燥。

圖4 并聯式太陽能熱泵聯合干燥流程圖Fig.4 Combined drying flow chart of parallel solar heat pump

郝亞萍［39］搭建了可根據干燥室內物料的干燥實況以及外界條件選擇合適的干燥方式的干燥模型，實現各階段能源利用最大化目標。同時還根據恒溫干燥試驗，提出變溫干燥香菇的干燥工藝，并通過試驗證明變溫干燥更適合于香菇干燥。

4.2.2 熱泵真空聯合干燥

基于熱泵干燥與真空干燥這兩種方式的優缺點，提出一種熱泵真空聯合干燥香菇的方式，并進行分階段干燥，期望優勢互補，得到品質與真空干燥相近，但能耗又低于真空干燥的干制香菇。

程慧等［40］在單因素試驗基礎上進一步進行優化設計，研究熱泵溫度、真空度和轉換點含水率對單位能耗、感官評分、復水比以及硬度的影響，并與單一干燥模式進行對比，得出其最佳工藝參數為熱泵溫度49 ℃，真空度110 Pa，轉換點含水率56%。

4.3 其他聯合干燥技術

4.3.1 遠紅外微波聯合

遠紅外具有一定的穿透性，干燥快且能耗低，其干燥成品品質也好；而微波的穿透性強，適合香菇干燥后期除去內部水分。因此提出遠紅外微波聯合干燥技術，該干燥技術可在降低成本的情況下大大提高香菇干燥品質。

劉正懷等［41］通過試驗得到如果在試驗中越早從微波干燥轉換到遠紅外干燥，其干燥速率會更高，且能耗小，并且遠紅外溫度越高，速率越高。并經優化得到最佳工藝參數：遠紅外干燥箱溫度為66.81 ℃，微波干燥功率為1.13 W/g，轉換節點時香菇的含水率53%。

4.3.2 微波真空聯合干燥

微波干燥具有加熱速度快、干燥時間短、能源利用率高等優點，但是單純用微波干燥進行食藥用真菌干燥，容易產生由于過熱引起的產品燒傷、邊緣焦化、結殼和硬化等現象。采用真空和微波相結合的技術可以在真空條件下對產品進行微波加熱而達到脫水目的，同時可以避免氧化、改善干燥的品質，具有快速、高效節能、低溫、產品質量好、經濟效益好的特點［42-43］。黃姬俊通過二次正交試驗，得到香菇微波真空干燥在真空度-90 kPa下的最佳工藝條件為：微波功率2 650 W，裝載量171 g。

微波真空干燥有助于保持大量的味覺活性氨基酸，改善了營養保留和顏色屬性，可以更有效保留熱敏性成分或生理活性成分，通過微波真空干燥產生的香菇樣品其塌陷結構少，在皺縮、密度、色澤、復水等多方面都優于單一干燥方式。

5 結語

香菇在世界市場上大多以干制品進行交易，且每年出口額龐大，大力發展香菇干燥產業，對加快我國現代經濟的發展和農業的發展都具有重要的意義。聯合干燥是香菇干燥行業未來發展的重點，選用多種干燥方式的組合，既能提高干燥效率，又能最大程度的保證干燥質量。目前聯合干燥技術研究的重難點在于干燥方式的組合，不同干燥方式的工作順序以及轉換干燥方式的時間節點?；谙愎降母稍锲焚|和干燥特性研究，開發節能環保且低投入高產出的新型香菇干燥裝備，不但能夠大幅度提高香菇采摘后的附加價值，提高其市場競爭力，而且能帶動相關產業健康發展。