0 引言

世界上有枣树的国家大约有 50 多个,但都没形成经济栽培。在我国除东北三省、青海省外[1],国内其他省市自治区都有枣树分布。目前,全国枣树面积186. 7 万 hm2左右,年产量达 447 万 t,按 13 亿人口计算,人均鲜枣占有量 3. 4kg; 制干率按 60% 计算,人均约为 2kg。近 10 年来,新疆南疆地区枣发展迅速,面积和产量迅速扩大,经营管理技术水平不断提高。截至目前,我国仍是世界上产枣大国,枣树的栽培面积和红枣的年产量约占全世界的 95% 以上; 且红枣的种植面积近年不断上升,产量也逐年增加,在全球枣产量国际市场中占据主导地位。

红枣含糖量较高,鲜枣含糖量约为 19% ~ 44% ,干枣含糖量约为 50% ~87%[2]。每 100g 枣果肉发热量约为 1 293kJ,与小麦面粉\\(1 427kJ\\) 相接近,并且红枣含有人体所需要的 18 种氨基酸。红枣蛋白主要由氨基酸组成,因此称为“木本粮食”和“铁杆庄稼”。

其富含多种维生素,尤其是 Vc 含量较高,故鲜枣也被称为“维生素丸”之美誉[3],还富含铁、锌、钙等矿质元素。但是,红枣最大的缺点是放置时间长易烂,运输时易损伤。在红枣产品加工方面,干制仍然是目前红枣最为重要的初级加工方式。因此,红枣的干燥技术是红枣加工过程中不可缺少的一个重要环节。

1 红枣的干燥技术

干燥就是从物体中去除水分的操作过程,目的是防止其腐烂变质,便于贮存。常见干燥方法有两种[4]: 一种是自然干燥法,是在大气中进行的干燥方法,俗称晒干、吹干和晾干。这种方法是借太阳的辐射热量或自然界中的风力,使枣中的水分气化,达到去除水分的目的,不需要人工加热和排出干燥介质等。此干燥方法的优点是简单方便、成本低廉,晾干后的红枣色泽比较鲜艳,果皮皱纹少; 但缺点是受自然条件的局限性,干燥时间较长,其过程和干燥的过程很难控制达到要求,产品质量较差,特别是维生素 C的损失多。二是人工干燥法[5]。物料\\(红枣\\) 干燥的基本因素是人工制成的机械能、物理化学能和热能,与其相适应的有机械干燥法、物理化学干燥法和加热干燥法,具有干燥速度快、生产效率高、干制品质量较好、物料\\(红枣\\) 干净卫生等优点。此方法的缺点是需要消耗能源,技术性强,生产成本高。

目前,大多数是采用加热去除水的方法,就是借助热能,通过介质以传导或辐射的方式,作用于物料\\(红枣\\) ,使其中的水分汽化并排除掉,达到干燥的目的。我国人工干燥技术分为热风干燥技术、红外干燥技术、微波干燥技术及太阳能干燥技术。

1. 1 热风干燥技术

热风干燥也称为空气干燥法,以加热管将箱内的空气加热作为热源。其主要原理是利用热源\\(电\\) 提供热量,使其干燥箱温度升高,把热量传到物料红枣中,让物料\\(红枣\\) 与周围有温度差把红枣内部水分蒸发出来,使水分汽化并且被空气带出去,从而达到干燥的特效[6]。此干燥方法是我国应用最为普遍的一种干燥技术。据试验,红枣烘干比晾晒可提高制干率4% ~ 11% ,这是因为烘干过程能缩短时间。由于对热源进行了不断改进,又形成了热泵干燥技术,其具有对污染低、干燥时间短及耗能低等优点。

常见的热风干燥制法有烘房的方法、隧道式干制法、传送带干制法及通风平床干制法。其中,主要的设备是常压加热对流式干燥方法中的厢式干燥机,如图 1 所示。厢式干燥机的干燥过程是: 将红枣放在物料盘中,热空气在红枣上方飘过,与红枣进行湿热交换。

物料盘越多,烘干的红枣数量就越多,可以缩短干燥时间,大大提高效率。该干燥结构由绝缘材料、空气加热器、物料盘、可调节叶片及风机等组成。

1. 2 红外干燥技术

红外干燥技术的原理是: 基于物质构成的基本质点是电子、原子或分子,这些质点即使是处于基态,都在一直运动着—转动或者振动,这种运动都有本身的固有频率。当遇到具有某个频率的红外线辐射时,如果被干燥红枣中分子运动的固有频率与红外线的频率相接近,就会发生与振动学中共振运动相类似的情况,质点就会吸收红外线并且使运动进一步激化,转换成分子热运动使其温度不断升高,从而达到干燥红枣的目的。红外干燥的特点[7]: ①热辐射率较高。②热损失较小。辐射加热不会存在传热界面,远红外线直接辐射到被加热物体的表面,远红外线在空气传播时损失较小。③加热速度快,传热效率较高。在红枣的干燥加工过程中,不仅要使产品的色、香、味好,而且要尽最大可能保存红枣的营养成分; 选用其他加热方法时,传热速度慢。采用远红外线加热时,让热源与红枣不直接接触,因此能保证红枣在不过热的情况下,提高热源的温度。④操作控制简单容易。远红外线同其他的光线一样,都具有传播、漫反射等性质。⑤具有一定的穿透能力。虽然红外线的穿透能力没有微波强烈,但也具有穿透能力,即对红枣内部直接加热的能力。⑥产品质量较好。远红外线的光子能量比紫外线要小得多,一般情况下只会产生热效果,不会使红枣成分产生化学变质。另外[8],远红外加热的速度比较快、时间较短,所以红枣成分热分解的可能性较低。

1. 3 微波干燥技术

微波一般情况下是指波长在 1mm ~ 1m 范围\\(频率为 300 ~300 000MHz\\) 的电磁波[9]。微波干燥的过程是内部加热,红枣的最内层首先加热,最内层水分蒸发由内层到外层。此干燥技术的原理基于被加热的介质是由许多极性分子组成。在没有电场的情况下,这些偶极子在介质中就会做无规则的运动; 当介质处于电场作用下,偶极分子就会重新排列。如果改变电场的方向,则偶极子的取向也会相应的变化; 如果电场迅速不断改变方向,则偶极子也随之发生变化,迅速地摆动。微波加热系统主要是由微波管、高压电源、连接波导、加热器及冷却系统等几个部分组成,如图 2 所示。

微波干燥技术的原理[10]是: 由微波加热系统直流电源提供高压并转换成微波能量,微波能量通过连接波导传输到加热器,对被加热物料\\(红枣\\) 进行加热。

由于分子的热运功和相邻分子间的相互作用,偶极子随着外电场方向的不断改变而进行有规则的摆动就会受到阻碍和干扰,会产生类似摩擦现象的作用,使分子得到能量,以热的方式表现出来,使介质温度不断升高。微波干燥的原理与其他干燥原理不同: 普通干燥时水分是从表面开始蒸发,慢慢地向红枣内部扩散,一般需要很高的外部温度才能达到干燥效果; 而在微波干燥中,是红枣内部产生热量,传质推动力主要是红枣内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯度,如图 3 所示。

微波干燥技术的特点[11]: ①加热速度快。微波不是靠热传导,而是通过内部加热,因此可以让红枣内部温度提高很快,所需要的加热时间很短,一般情况下用常规方法 1/10 ~ 1/100 的时间就能完成此加热过程。②加热均匀性较好。微波加热都是采用内部加热,极易达到均匀加热的目的,避免了一些不均匀现象的发生。③加热容易瞬时控制。微波加热的热惯性较小,能够很快发热和升温,容易控制操作,有利于用于自动化流水线使用。④能够选择性吸收。微波的吸收与红枣物质的介电系数有关,因为水的介电系数较高,所以这有利于水分的蒸发; 而干物质吸收的微波能量少,温度低,不能太热,且加热时间短,能够保持红枣的香、色、味等。⑤加热效率较高。由于加热过程中始终加工红枣本身,基本上不辐射散热,所以热效率高,能够达到 80% 。

同时,微波干燥也存在一些问题: 微波加热在某种程度上就等同于是“内热式”的,有一些空气不被加热,相当于是室温; 被加热的红枣表面由于有一定的散热,其温度就会比内部低,所以在一些高温下所发生的化学反应就不会进行。

1. 4 太阳能干燥技术

太阳能干燥就是使红枣直接吸收太阳热转变为热能,或者是通过太阳集热管加热的空气进行换热,使物料\\(红枣\\) 表面与其内部之间传热的过程。红枣内部的水分随着温度上升而扩散到表面,最终扩散到空气中。随着温度升高,红枣内部的水分慢慢减少,直到达到安全水分及干燥的要求。太阳能干燥[12]通常是把空气作为干燥介质,充分利用太阳能,能够有效提升干燥的温度,大大缩短干燥时间,解决了大量红枣被腐烂等问题。

图 4 所示为太阳能干燥红枣设备的结构简图。

其中,烘干系统[13]由物料盘、风机及干燥室等构成; 供电系统由太阳能集热管、电热装置和导风管道构成。红枣与热量进行交换的前期,红枣表面的水分被蒸发带到空气中去,此过程是外扩散过程。在这个过程中,干燥速率主要由红枣本身的温度及空气的流动速度等因素所决定。而在干燥的中后期,红枣的水分是由内部向外部扩散的过程,最终散发到空气中,此过程称之为内扩散过程。在这个过程中,干燥速率主要与红枣的温度和本身性质等有关。

目前,我国太阳能干燥装置采光面多数是 200m2以下的中小型,已知的最大的太阳能干燥装置采光板是 650m2的腊味干燥装置。例如[14],山西省秸山县充分利用太阳能干燥红枣,干燥速度比之前快了 3 倍多,干燥时的腐烂红枣率明显下降,由原来的 10% ~20% 下降为 2% ~ 3% 。干枣的外形较好,质量有所提升。太阳能干燥与自然晒晾相比较最大的优势: ①能够大幅度缩短干燥时间和提高红枣产品的质量。②太阳能干燥的红枣比自然干燥的红枣便于贮藏,其原因是太阳能干燥室内有较高的温度。③红枣的含糖量有明显提升。

2 红枣干燥技术的发展趋势

我国是农业大国,农副产品丰富,特别是在西部地区—新疆。为了鼓励和促进当地经济的快速发展,近几年红枣干燥技术及产品加工发展较快。随着人们对红枣营养价值了解的不断深入[15],对红枣的干燥技术要求也有较大提升。对于红枣的干燥,今后着重考虑以下几个方面:

1\\) 目前,经过几代科技人员多年的努力,标志着干燥技术发展水平的理论基础研究,逐步缩短了与其他国家先进技术的差距,能够利用当前可行的技术进行红枣干燥控制。

2\\) 随着信息技术的快速发展[16],红枣干燥技术将朝着自动化、智能化、程序化等方向发展; 同时,数学模拟、计算机辅助设计、干燥专家软件系统、计算机控制的实施及应用将我国的干燥技术推向了一个更高的水平。

3\\) 整个干燥过程将会由计算机控制,能够有效地进行动态预测、模拟及操作管理,从而达到干燥的预期效果。

3 红枣干燥技术的对比与分析

通过热风干燥、红外干燥、微波干燥及太阳能干燥技术的对比会发现,每种干燥技术都存在优缺点,如表 1 所示。干燥操作技术是一个很复杂的过程,许多问题不能只靠理论,需要借助丰富的经验才能解决。

在不断完善各种干燥技术方法和设备的同时,根据红枣的特点,将 2 种或 2 种以上的干燥方法相互弥补,分开干燥或者同时进行组合式干燥成为发展的趋势。王俊等[19]\\(1999\\) 应用红外与微波组合干燥桃,探讨了各参数对干燥速率、电耗和干燥质量的影响,并获得了较好的参数组合。徐贵力等\\(2001\\) 在分析现有的物料干燥设备及其存在问题的基础上,进行了现有干燥方法的同条件对比试验。采用组合式干燥方法,不仅可使物料干燥时间缩短和能耗降低,而且提高了物料干制品的优等率。

4 结论

随着人们物质生活水平的不断提高,饮食结构需求也不断改善。由于红枣种植面积不断增加,因此必须广泛推广红枣干燥技术,提高红枣干燥的规?;透咝Ъ庸つ芰?,以便提升市场的竞争力。

目前,我国广泛使用的自然干燥、热风干燥等均不能保证红枣的品色、货架期及营养价值,而采用组合式干燥技术[20],不仅可以改善产品质量,而且能提高干燥速率。因此,集各种干燥方式的优点一体的多功能组合式干燥技术室未来发展趋势。

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