過熱蒸汽和熱風干燥在食品領域中的應用對比

楚倩倩，任廣躍,2*，段續,2，李琳琳，朱凱陽，趙夢月

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471000)2(糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 鄭州，450001)

隨著現代工業的發展及產業升級的加快，干燥技術也有了較大的發展進步，并逐漸在產品質量和成品形成的速率等方面發揮關鍵作用。未來食品的干燥方式是向能耗污染較低、資源循環利用的方向發展[1]。目前保質干燥技術如熱泵干燥、冷凍干燥等，有的干燥效率低，投資成本較高，有的能耗較高，工業化應用不夠普及。而熱風干燥具有操作流程簡便、投資成本低等優點，且過熱蒸汽干燥作為一個節能環?？苫厥盏母稍锓绞?，在食品領域中已經有越來越多的應用，獲得了市場的認可。目前過熱蒸汽-熱風聯合干燥技術應用于食品領域的研究較少、聯合干燥的發展是大勢所趨。

1 過熱蒸汽和熱風干燥機理

1.1 過熱蒸汽干燥機理

過熱蒸汽干燥是指把過熱蒸汽作為傳熱介質，利用其攜帶的大量潛在熱量而去除水分的一種干燥技術[2]。其中過熱蒸汽(superheated steam，SHS)指的是100～400 ℃的高溫蒸汽，這是一種在沸點時從產品內部蒸發水分而沒有擴散阻力的干燥方法[3]。

過熱蒸汽干燥是指讓物料在過熱蒸汽中進行干燥，使得物料內部的水分比較容易被蒸發。過熱蒸汽主要指在一定的壓力下，過熱蒸汽的溫度要求遠遠高于同一壓力下的飽和蒸汽溫度，吸收一定量的蒸餾水后轉化為飽和蒸汽。所以過熱蒸汽可被當作是一種能夠吸水的氣體，也可被當作干燥介質來對濕的物料進行熱、質傳遞[4]。當用過熱蒸汽干燥時，同一加熱壓力下的物料溫度與沸點的溫度相同，氣流和表面的溫差就是運輸熱量的主要驅動力，熱氣流中僅僅包含了水蒸氣和空氣，因此水分的運動主要取決于壓差產生的體積流，而不是依賴于蒸汽分壓差來產生的遷移[5]。

過熱蒸汽干燥系統示意圖如圖1所示。

圖1 過熱蒸汽干燥系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of superheated steam drying system

過熱蒸汽經過熱蒸汽發生器產生后，于干燥室中干燥物料，其壓縮加熱后，可產生循環蒸汽進行循環利用。230～250 ℃的尾氣經回收系統可回收利用，其熱能可直接用于加熱等過程。過熱蒸汽經冷凝后產生冷凝液，可從其中提取有價物質。

1.1.1 過熱蒸汽干燥的傳質與傳熱過程

圖2 過熱蒸汽干燥傳質圖Fig.2 Mass transfer diagram of superheated steam drying

圖3 過熱蒸汽干燥傳熱圖Fig.3 Heat transfer diagram of superheated steam drying

如圖2所示，P0為主流區的壓力，P1為層流內層氣化水分的蒸汽壓，P2為緩沖層中的蒸汽壓力，P3為析出水蒸氣的壓力。過熱蒸汽經過層流內層向空氣中擴散時，阻力是最大的，再經過緩沖過渡層，最終達到空氣的湍流主體，阻力逐漸減小。所以P1和P0間的壓差最大，P3和P0之間的壓差最小，P2處于P1與P3之間。如圖3所示，過熱蒸汽處理物料時，熱量Q從外向內傳遞，與物料表面的水分子形成飽和氣膜，氣化水分和內部水分子向外擴散。

干燥中的傳質是由于溫度梯度引起的熱能擴散。在干燥過程中，能量傳遞貫穿于物料的換熱過程，隨著質量的傳遞，物料中的焓值也會被帶走，所以傳熱傳質并不是相對獨立的。質量的傳輸和微觀粒子的運動與轉移有關，比如物質分子、原子等。過熱蒸汽主要用于破壞結合水，克服水和蒸汽流動的摩擦阻力，通過對流將熱量傳遞給物料，提高物料內外水分子的動能[7]。過熱蒸汽由于能吸水，水分在干燥時由物料內部向外部轉移，水分剛擴散出來就會被過熱蒸汽及時地吸收，傳質是幾乎沒有阻力的。

1.2 熱風干燥機理

熱風干燥(hot-air drying，HD)是以熱風為傳熱的介質，進行水的傳質和物料間的傳熱，使物料內部的水分慢慢蒸發出來的過程[8]。此干燥方法是通過熱風與食品接觸后，將熱量傳遞到食品表面，再由食品表面緩慢向內部擴散的一種干燥方法[9]。

熱風干燥是利用介質傳熱將能源轉化為熱媒，其形成的熱空氣與物料接觸將熱量傳給物料。物料內部水分轉移到外部，當物料達到一定的含水量時，水分遷移的過程就會趨于停止。同時，受熱物料表面溫度高于物料中心，形成溫度梯度，阻礙水分從中心往表面轉移[10]，從而導致熱風的干燥速率較慢，物料的表皮易硬化。熱風到達干燥室后，通過溫度控制系統將物料中的水分蒸發使其變成干制品。熱風干燥系統的原理如圖4所示。

圖4 熱風干燥系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of hot-air drying system

1.2.1 熱風干燥的傳質與傳熱過程

在物料進行熱風干燥的過程中，傳質過程由內向外，水分從物料的內部蒸發出來，熱量跟隨熱風從外向內傳遞。熱風干燥傳熱傳質過程如圖5所示。

分析PJM容量市場的需求曲線制定原則：在供不應求的情況下，PJM容量市場價格會趨近總成本；在供求基本平衡的情況下，容量市場價格趨近能量市場和輔助服務市場未補償的部分；在供過于求的情況下，容量市場價格會低于能量市場和輔助服務市場未補償的部分。

圖5 熱風干燥傳熱傳質示意圖Fig.5 Heat and mass transfer diagram of hot-air drying

研究傳熱一方面是在干燥過程中提高傳熱效率，為減小設備尺寸、節省費用提供新的思路；一方面是為了提高保溫效果、減少能量損失。熱風干燥在傳熱傳質的過程中，熱量從外部向內部傳遞，水分從內部向外部蒸發。當水分還未全部轉移出來，物料的外殼就已經風干硬化，阻礙了內部水分的擴散。

2 干燥技術的應用

2.1 單一干燥工藝技術的應用

2.1.1 過熱蒸汽干燥的應用

過熱蒸汽干燥技術已被應用于木材、紙張、污泥干燥等方面，并取得了一定的研究成果。隨著干燥技術的不斷改進創新，過熱蒸汽干燥作為一種節能環保安全的干燥技術在食品領域中的應用也愈加廣泛(表1)。在過熱蒸汽干燥過程中，物料中的水分由內向外擴散至表面時，及時被過熱蒸汽吸收，傳質幾乎沒有阻力。其適合需要滅菌和鈍化其酶活性的物料，如谷物類食品、果蔬肉制品等的干燥，但由于其干燥溫度較高，不適合熱敏性物料。

表1 過熱蒸汽干燥在不同食品種類中的應用Table 1 Application of superheated steam drying in different kinds of food

過熱蒸汽技術在食品干制品品質、干燥特性等方面均有較大優勢，使用過熱蒸汽干燥食品，特別是低壓過熱蒸汽在保證成品質量的同時，可降低酶的活性和氧化損失，與其他的干燥工藝相比更具優勢[16]。

2.1.2 熱風干燥的應用

在食品加工領域，90%的果蔬干制品都是由熱風干燥獲得。除了傳統的糧油作物、果蔬類等食品的干燥，熱風干燥在其他食品中的應用范圍也越來越廣(表2)，如食用牡丹、猴頭菇、八角等。但由于受熱不均勻等不足可能引發物料褐變、葉綠素降解等質量問題，再加上能耗較大，干燥速率低等不足之處，傳統熱風干燥已不能滿足現代高質量食品的發展需求。

表2 熱風干燥在不同食品種類中的應用Table 2 Application of hot air drying in different kinds of food

盡管熱風干燥在食品的營養、外觀、干燥速率等方面存在著應用缺陷，但作為傳統且應用范圍較廣的一項干燥技術，其存在和發展也有一定的積極意義。如設備投資少、適用性強、操作、控制簡單，在一定程度上能解放勞動力，避免農作物的收獲率受到天氣的影響等。

2.2 過熱蒸汽和熱風在聯合干燥中的應用

單一的干燥方式不能滿足未來食品干燥的發展需求，如未來食品的形態、個性化以及綠色高效優質等要求，而聯合干燥方式更適合未來食品干燥技術的創新和發展。用單一的熱風干燥方式干燥復雜物料,很難達到質量要求。若把熱風干燥技術與其他干燥技術結合起來進行優勢互補,在不同干燥階段采用不同的干燥方式，不僅能達到節能高效的目的,而且有助于控制整個干燥進程,獲得高品質的成品。

2.2.1 過熱蒸汽在聯合干燥中的應用

過熱蒸汽干燥在肉類、果蔬類等不同物料中的應用，表明過熱蒸汽干燥在食品干燥領域中具備良好的發展潛力，特別是過熱蒸汽干燥在逆轉點溫度以上比熱風干燥速率快，干燥品質高。過熱蒸汽干燥進行劇烈，并且蒸汽溫度較高，故干燥后期會對物料品質產生一定的影響，因此可進行過熱蒸汽干燥與其他低溫干燥方式相結合的聯合干燥技術的研究[22]。目前已經有很多干燥技術與過熱蒸汽進行聯合，形成了諸多新的聯合干燥技術(表3)。

表3 過熱蒸汽在聯合干燥中的應用Table 3 Application of superheated steam in combined drying

過熱蒸汽以自身優勢與其他干燥方式進行聯合，形成了一項新的干燥技術，在一定程度上中和了雙方技術的優勢及不足之處，如過熱蒸汽與真空聯合干燥兼具了過熱蒸汽干燥速率高和真空干燥品質高的特點，改善了成品的品質，提高了干制效率，是干燥技術的又一次革新，為未來聯合干燥技術的廣泛使用提供了更多的理論和實踐經驗。

2.2.2 熱風在聯合干燥中的應用

熱風干燥目前的應用不局限于果蔬，而是在食品其他領域有著較多的應用，正逐步發揮著它更大的作用。若想使熱風干燥在發展的過程中不被淘汰，就意味著技術的成熟與進步，如今已經有越來越多的技術和熱風干燥進行聯合，從而形成新的干燥技術(表4)。

表4 熱風在聯合干燥中的應用Table 4 Application of hot-air in combined drying

由于單一干燥方式難以滿足食品的高品質要求，可根據物料的不同特性，不同狀態的水分遷移難易狀況等，將物料脫水分階段進行聯合干燥處理。熱風干燥通過與其他的干燥方式進行結合，在干燥成品的干燥速率、品質能耗等方面都得到了改善，如射頻干燥能彌補熱風干燥不均勻的不足，真空冷凍-熱風聯合干燥兼具了熱風干燥低成本和冷凍干燥品質高的特點。聯合干燥即將多種單元化操作按照優勢互補的原則結合在一起，雖然增加了工序，但在一定程度上克服了單一干燥所引起的問題，為熱風干燥在未來食品中的應用發展提供了思路，其將會有更廣闊的應用空間。

2.3 過熱蒸汽與熱風的對比以及聯合干燥

過熱蒸汽干燥技術具有一些熱風干燥所不具備的優點：干燥速率快、凈能耗低、排放物少，特別適合高水分物料干燥，但并未真正推廣為工農業所用。在傳統的干燥技術中，以熱風干燥為代表，具有操作步驟簡便、生產成本低、使用范圍廣等特點，在農產品干燥生產實踐作為最主要的干燥方式之一[34]。

2.3.1 過熱蒸汽和熱風干燥的對比干燥

由于過熱蒸汽在干燥過程和熱風干燥相似，這2種干燥方式各有優缺點，通過對其應用的對比(表5)，分析兩者的優缺點，可將其優缺點結合起來，取長補短。熱風干燥的傳質是通過水分的擴散作用將水分從濕物料的表面傳到熱風中，而過熱蒸汽干燥則是通過濕物料表面和過熱蒸汽之間的蒸汽分壓差產生的體積流達到傳質目的，此傳質過程幾乎無阻力，所以后者的傳質速度更快，干燥時間更短。在縮短干燥時間、節省能源使用、保證操作安全的同時，食品的干燥品質也達到較好的狀態。

表5 過熱蒸汽和熱風干燥應用對比Table 5 Comparison of superheated steam and hot air drying applications

針對過熱蒸汽和熱風干燥在農產品、肉制品、奶制品等不同種類食品的應用，將其品質速率、干燥成本等進行對比。

品質速率：經過熱蒸汽處理過的食品，外觀品質較好，收縮率較低，結構更完整。由于過熱蒸汽的溫度較高，物料中大部分的微生物因不耐高溫而被滅活或被抑制了活性。過熱蒸汽處理過的雜糧，其霉菌毒素的化學結構被破壞、數量減少[42]。學者通過對酒精糟研究發現：由于過熱蒸汽干燥過程無傳質阻力，可大幅提高干燥效率，對于對流傳熱系數，熱風干燥比過熱蒸汽干燥低[43]。上述結果表明，過熱蒸汽干燥產品質量優越，可彌補熱風干燥品質不一的不足。過熱蒸汽干燥一定程度上節約了能源，較大程度提高了干燥機的熱效率。

干燥成本：設備生產投資大、結構較為復雜。鑒于過熱蒸汽對設備的腐蝕，生產中對設備的材料要求較高[44]。干燥設備為閉路循環系統，要求在喂料和卸料時密封性能要好[4]。有學者依據使用過熱蒸汽干燥1 kg水的熱量凈消耗量，分析了立式振動輸送干燥機的能量消耗，其熱能和電能的消耗分別降低了大約74%和20%[5]。又有學者用過熱蒸汽蒸發1 kg水消耗了815.4 kJ的能量，其能量比熱風干燥低[45]。上述結果表明，過熱蒸汽干燥機器成本較高而干燥過程消耗成本較低，熱風干燥可在一定程度上降低生產成本。

通過過熱蒸汽和熱風干燥的應用對比可得，2種干燥方式各有優缺點。在一定的物料范圍內，過熱蒸汽干燥成品在營養品質、干燥速率等方面都優于熱風干燥。過熱蒸汽干燥技術在食品干燥領域的工業化生產中還有較大的發展空間，由于其溫度過高，在食品領域的應用還有一定的限制，工廠化生產有待發展。而熱風干燥的范圍較廣，是目前的主流工業化生產的方式，但需要革新。兩者對比，如何進行優勢互補，協同共進才是干燥技術發展需要考慮的問題。

2.3.2 過熱蒸汽和熱風干燥的聯合干燥

CHRYAT等[46]研究表明，聯合干燥可以縮短干燥時間，提高能量效率和物料品質。聯合干燥方式可將各種干燥技術的優點結合起來，根據物料的特性而形成多樣化的節能環?？焖俚男滦透稍锛夹g，使干燥速率更快、干燥成品的品質更高，更適應現代工業化的生產需求。過熱蒸汽和熱風聯合干燥既推動了傳統熱風干燥的改進創新，又擴大了過熱蒸汽的應用范圍(表6)。

表6 過熱蒸汽-熱風聯合干燥的應用Table 6 Application of superheated steam hot air combined drying

過熱蒸汽和熱風干燥可通過優勢互補進行聯用，結合過熱蒸汽和熱風干燥的原理，通過過熱蒸汽-熱風干燥一體化裝備可實現將過熱蒸汽干燥過程中產生的尾氣回收，通過進行溫濕度調節形成熱風，直接用于熱風干燥中。此過程可將過熱蒸汽干燥中產生的廢棄熱量回收利用，避免了熱風產生過程的熱量消耗。此時的熱風干燥可變為無氧熱風干燥，在提高操作安全性和干燥速率的同時，也避免物料在干燥過程中與氧氣接觸發生氧化褐變。

3 總結與展望

針對不同干燥特性的物料可進行不同的組合方式，如何以最優的組合條件進行聯合干燥還需要進一步的優化研究?？蓪⒉煌母稍锛夹g進行對比，得出其優勢互補之處進行聯合使用，既加快了干燥效率，又提升了干燥品質，在一定程度上節省了能源，降低了加工成本，更適應了未來食品的發展需求。過熱蒸汽和熱風干燥可在一定程度上取長補短，并落地應用，表明了過熱蒸汽和熱風干燥具有很大的發展潛力，可廣泛應用于食品干燥領域乃至其他領域。

未來研究方向：

(1)構建干燥模型模擬干燥行為。通過建立干燥模型來模擬過熱蒸汽-熱風干燥聯合干燥的干燥行為，從而驗證此干燥技術和一體化裝備的可行性。

(2)明確不同物料的物性及工藝特點?？筛鶕韪稍镂锪系母稍锾匦?、加工需求、工業化發展等方面特性獲得物料干燥的最佳聯合干燥方式。

(3)推進工廠化生產落地應用。研究過熱蒸汽-熱風干燥一體化裝備，將過熱蒸汽和熱風2種干燥技術裝備進行集成，共用一個干燥倉體，過熱蒸汽處理后，切斷蒸汽通道，接通熱風管道實施熱風干燥處理。同時，可設置過熱蒸汽回收裝置用來強化熱風干燥過程。