微波真空干燥的原理

微波是一種電磁波，可產生高頻電磁場。介質材料由極性分子和非極性分子組成，在電磁場作用下，極性分子從原來的隨機分布狀態轉向依照電場的極性排列取向，在高頻電磁場作用下造成分子的運動和相互摩擦從而產生能量使得介質溫度不斷提高。因為電磁場的頻率極高，極性分子振動的頻率很大，所以產生的熱量很高。當微波加熱應用于食品工業時，在高頻電磁場作用下，食品中的極性分子(水分子)吸收微波能產生熱量，使食品迅速加熱、干燥。水和一般濕介質在一定的介質分壓作用下，對應一定的飽和溫度，真空度越大，濕物料所含的水或濕介質對應的飽和溫度越低，即沸點溫度低，越易汽化逸出而使物料干燥，真空干燥就是根據這一熱物理特性，在真空條件下將氣相中的低壓水蒸氣及空氣等含量較少的不凝結氣體，借真空泵的抽吸而除去。
      真空干燥時物料的脫水是依靠熱傳導將外來熱量傳遞給被干燥物料的，而在低氣壓環境下，用對流方式進行熱傳遞速度較慢，妨礙了真空干燥優點的發揮。微波干燥是利用介電加熱原理，依靠高頻電磁振蕩來引發分子運動，使被加熱物發熱，加熱方式有別于傳統的對流、傳導與輻射，系微波直接對物體進行加熱，傳熱這一限制因素被打破。微波真空干燥把微波干燥和真空干燥兩項技術結合起來，充分發揮各自優勢，在一定的真空度下水分擴散速率加快，可以在低溫條件下對物料進行干燥，較好地保持了物料的營養成分。微波可為真空干燥提供熱源，克服了真空狀態下常規熱傳導速率慢的缺點，因而大大縮短了干燥時間，提高了生產效率。
2 微波真空干燥的特點
    （1）干燥均勻快速。
    （2）能很好地保持食品的營養成分和風味。
    （3）具有防霉、殺菌、保鮮的作用。
    （4）節能高效、安全環保。
    （5）易于控制及實現連續化生產。微波真空低溫干燥設備
3 幾個重要因素對微波真空干燥效果的影響
3.1物料的種類和大小
    由于物料種類和狀態千差萬別，微波真空干燥工藝并非固定不變。事實上，在微波真空干燥過程中，物料內部逐漸形成疏松多孔狀，其內部的導熱性開始減弱，即物料逐漸變成不良的熱導體。隨著微波真空干燥過程的進行，內部溫度會高于外部，物料體積愈大，其內外溫度梯度就愈大，內部的熱傳導不能平衡微波所產生的溫差，使溫度梯度達到不能接受的水平。因此，一般應預先把物料處理到較小的粒狀或片狀以改進干燥的效果。粉末狀產品在微波干燥時具有其獨特性。當它們被堆積在一起時不應看成是許多小顆粒，而是一個整體，需要特別注意料層的內外溫差。一般當物料以較大的形式出現時，需在物料接近減速干燥期時，降低微波功率，從而有效減少其內外溫差，但反效果是延長了干燥時間。
3.2真空度
    壓力越低，水的沸點溫度越低，物料中水分擴散速度加快。微波真空諧振腔內真空度的大小主要受限于擊穿電場強度，因為在真空狀態下，氣體分子易被電場電離，而且空氣、水汽的擊穿場強隨壓力而降低；電磁波頻率越低，氣體擊穿場強越小。氣體擊穿現象最容易發生在微波饋能耦合口以及腔體內場強集中的地方。擊穿放電的發生不僅會消耗微波能，而且會損壞部件并產生較大的微波反射，縮短磁控管使用壽命。如果擊穿放電發生在食品表面，則會使食品焦糊，一般20kV/m的場強就可擊穿食品(介電常數不同)。所以正確選擇真空度大小非常重要，真空度并非越高越好，過高的真空度不僅能耗增大，而且擊穿放電的可能性增大。
3.3微波功率
    微波有對物質選擇性加熱的特性。水是分子極性非常強的物質，較易受到微波作用而發熱，因此含水量愈高的物質，愈容易吸收微波，發熱也愈快；當水分含量降低，其吸收微波的能力也相應降低。一般在干燥前期，物料中水分含量較高，輸入的微波功率可圖1 微波功率對干燥效果的影響高些，可采用連續微波加熱，這時大部分微波能被水吸收，水分迅速遷移和蒸發；在等速和減速干燥期間，隨著水分的減少，需要的微波能也少，可采用脈沖間隙式微波加熱。微波真空低溫干燥設備
     
    以菠蘿漿為原料，研究了菠蘿粉微波真空干燥過程中微波功率對干燥效果的影響。結果如圖1所示。隨著微波功率的增加，菠蘿漿的含水量遞減。微波發射功率對物料的外觀質量影響顯著。當微波功率大于2kW時，物料出現局部過熱，以及出現打火現象，內部出現燒焦現象，色澤變差，光澤度下降。因此在保證物料達到要求的含水量的前提下，降低微波功率，可提高干制品的外觀質量，節約能源。     
3.3微波時間
    微波真空干燥時間的選擇十分重要，也受到許多因素的影響。以菠蘿漿為原料，研究了真空微波干燥菠蘿粉過程中微波時間對干燥效果的影響，得到如圖2所示的結果。在98.2~99.2kPa的真空度下，在干燥初期物料的濕基含水率變化很小，這是由于物料內部的水分子還沒有充分吸收大量的微波能，熱源不充足造成的；隨著干燥的繼續進行，物料內部的極性分子震動加劇，更多的能量轉化為熱量，促進水分子的運動，物料的水分含量變化很大。在微波真空干燥后期，物料內部逐漸形成疏松多孔狀，其內部的導熱性開始減弱，水分含量也趨于穩定。此外，干燥時間還受到對成品含水率的要求的影響。如一般干燥成品，含水率可以控制在3%~5%，如要求低至1% 或以下，干燥時間需相應地延長。微波真空低溫干燥設備

4 微波真空干燥在農產品加工中的應用
4.1在果蔬脫水加工中的應用
    微波真空干燥技術加工溫度低、營養成分損失率低、脫水效率高，因此對含水率較高的水果蔬菜進行脫水加工時，更能發揮其優勢。
    1979年法國第一次在工業規模上應用微波真空技術生產的柑橘粉呈發泡狀，易溶解，很好地保持了天然色、香、味，其維生素的保持率遠高于噴霧干燥 。美國加州大學研究用微波真空干燥技術生產脫水膨化葡萄，能很好地保持鮮葡萄風味和色澤，外形也能不萎縮，由于微波干燥溫度低，干燥時間短，維生素B1，維生素B2，維生素C能得到較高的保留率。等分別采用熱風干燥、真空干燥、冷凍干燥、微波真空干燥與真空干燥聯合干燥法對大蒜進行干燥，結果發現微波真空干燥與40℃真空干燥聯合干燥法干燥時間大大縮短，而干燥后蒜的硫代亞磺酸酯保留率比較接近冷凍干燥，可達到90%，與真空冷凍干燥蒜的色差差異極小，甚至比凍干蒜的白度略好，但唯一不足的是蒜質構緊密不如冷凍干燥疏松。等對加工南瓜汁時得到的大量副產品南瓜渣采用不同微波功率和壓強條件進行微波真空干燥，發現在668.37W，4000Pa條件下干燥時，物料中胡蘿卜素的保留率最高，達到92.31%。采用微波真空干燥膨化技術加工蘋果脆片，可在40℃左右，數分鐘內達到干燥和膨化蘋果片的目的，極大地提高生產能力，產品外形美觀、色香味俱佳、口感酥脆、營養成分高，實現了蘋果脆片的快速、低溫、非油炸膨化加工。研究了用微波真空干燥設備干燥酶解后的澄清型香蕉汁制作速溶香蕉粉的工藝，發現微波真空干燥后產品的多項指標均優于熱風干燥的產品。筆者以廣東省農業機械研究所研制開發的微波真空干燥實驗設備為平臺，研究了菠蘿粉的微波真空干燥特性，試驗結果表明菠蘿粉產品較好地保持了菠蘿原有的色澤、香味及維生素C 等營養成分，水分含量在5% 以下，溶解性好。
4.2在水產品加工中的應用
    微波真空干燥技術在其它食品加工領域也具有很大的發展潛力。目前，已有微波真空干燥小蝦的試驗，并將微波真空干燥的小蝦與熱風干燥及冷凍干燥的小蝦進行質量對比評價，發現利用微波真空干燥的小蝦比熱風干燥的收縮小，復水性和水分保持能力強，并且在色澤、組織和風味等方面與復水冷凍蝦接近。張國琛等用自制的微波真空干燥設備對扇貝丁進行了干燥試驗，結果發現干燥后的扇貝丁色、香、味及干燥時間都達到了較理想的效果。微波真空低溫干燥設備
4.3在其他農產品加工中的應用
    利用微波真空方式干燥蜂蜜速度快、溫度低，干燥后的固體蜂蜜較好地保留了蜂蜜原有的品質。干燥過程中不會發生美拉德反應，干燥后的蜂蜜顏色基本沒有變化，干燥前后其揮發性香氣成分雖有一定變化，但不影響其原始風味。國內近幾年這方面的技術應用逐漸增多，如玉米片真空微波加工生產線，采用微波蒸煮干燥新工藝實現了玉米片連續化工業生產。此外，微波真空干燥還可加工生產蛋黃粉、蘑菇類等。