刘 静，吴小恬，赵 亚，石启龙

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000）

果蔬中含有丰富的营养物质，是人们日常生活中最常见的食物之一。我国是果蔬出口大国，果蔬产量居世界首位。但果蔬含有大量的水分和丰富的营养物质，是微生物生长繁殖的良好介质，属于易腐食品[1]。作为一种可以有效解决物料长期保存的方式，干燥成为一种广泛应用于不同行业的单元操作，尤其在食品工业中的应用更为广泛。通过干燥将果蔬细胞组织中的自由水和部分结合水除去，从而降低含水率和水分活度，形成不适宜微生物生长繁殖的组织环境，抑制酶的活性，有效延长果蔬的货架期[1]。此外，干燥还可以降低包装及运输成本，保持良好的产品外观。

按照热能传递方式，干燥可分为3 类，即对流干燥（如热风干燥、热泵干燥、喷雾干燥）、传导干燥（如滚筒干燥、带式干燥）和辐射干燥（如微波干燥、红外干燥、射频干燥）。不同物料依其特性可选择合适的干燥方式。热泵干燥（heat pump drying，HPD）是应用范围较广的一种干燥方式，干燥过程中物料的水分迁移由物料表面与循环空气/水蒸气之间形成的压差所致，二者之间压差越大，水分迁移速率越快[2]。相比于热风干燥和冷冻干燥，HPD具有干燥温度低、参数易于控制、环境友好、节能等优点，特别适用于果蔬、水产品等热敏性物料的干燥。但HPD 后期存在干燥速率低、能耗高等缺陷，极大地限制了该技术在果蔬干燥领域中的应用[3-5]。目前常采用物理和/或化学预处理作为HPD 的改良方式，但易造成机械损伤或化学试剂残留，引发食品安全问题[6-8]。HPD 与其他干燥方式相结合，即联合干燥，可以有效解决上述问题。联合干燥是基于物料特性，将两种或两种以上的干燥方式结合，通过各种干燥方式优势互补，达到提高干燥速率、改善干制品品质的目的。基于此，本文综述了果蔬热泵联合干燥技术的研究进展及发展趋势，以期为果蔬实现“优质、高效、低能耗”干燥提供理论依据和实践参考。

1 热泵干燥的原理

HPD 装置是由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀和干燥室等组成的封闭循环系统[9]。物料置于干燥室内，干燥介质流经干燥室，吸收来自湿物料中蒸发的水分变为高湿空气；高湿空气流经蒸发器，蒸发器将高温高湿空气等湿降温至露点，然后继续降温析出水分（除湿）；经过蒸发器表面的除湿空气，即低温低湿空气通过风机作用流经冷凝器表面，空气被冷凝器释放出的热量等湿加热,变为高温低湿、具有干燥能力的空气；然后，高温低湿空气进入干燥室，与湿物料进行传热传质，吸收被干燥物料的水分，变为湿空气再次流经蒸发器,如此反复循环，物料中的水分不断通过除湿而减少，进而达到干燥物料的目的[9]。

HPD 利用高温低湿空气对物料进行干燥，将新鲜果蔬加工成干制品或半干制品，以延长其货架期，降低包装和运输成本[4]。目前，HPD 已被广泛应用于食品、陶瓷、药物及化工等领域。HPD 运行成本低，热泵系统输出的热能高于其运行所消耗的电能。与传统干燥方式相比，HPD 更经济[10]。Tunckal 等[11]采用热泵系统干燥香蕉片，研究表明，相比于带式隧道干燥方式，HPD 香蕉片可节省44%的运行成本。

2 热泵联合干燥

HPD 后期存在干燥速率低、能耗高等缺陷，因此可考虑与其他干燥方式相结合，能有效解决上述问题。联合干燥方式包括并联式干燥和串联式干燥。并联式干燥采用两种或两种以上干燥方式同时实施，如大多数在线辅助干燥方式（热泵流化床干燥、隧道式HPD）[12]。串联式干燥首先采用一种干燥方式，然后再使用另一种或多种其他干燥方式，如渗透脱水-热泵联合干燥、热泵-热风联合干燥。采用多种不同的干燥方式组合，结合各自的优点，避免了单一干燥方式干燥时间长、能耗高、产品品质差等问题[13]。

2.1 并联式热泵联合干燥

并联干燥是指使用两种或两种以上的干燥方法建立的干燥系统。通常以辅助干燥手段（如流化床、隧道式、滚筒等）为基础添加其他干燥系统（如HPD 系统、热风干燥系统等），以弥补单一干燥系统的缺陷，充分发挥各自的优点。

2.1.1 热泵流化床干燥

流化床又称为沸腾床或流态化干燥器，是一种利用固体流态化原理进行干燥的装置[14]。热泵流化床干燥系统是在流化床的基础上辅以HPD 装置，或者在HPD 装置中植入流化床系统，从而将来自物料的废气通过热泵系统循环起来，重新用于物料的干燥，达到节约能源、提高干燥效率的目的[15]。相比于传统干燥方式，热泵流化床是在封闭系统中进行循环干燥，有效避免了来自外界环境的物理、化学和生物污染，能获得优质产品[16]。张绪坤等[16]利用热泵流化床组合系统对胡萝卜丁进行干燥，研究表明，热泵流化床干燥时间短于箱式热泵干燥，在物料初始干燥阶段能够较好地发挥热泵干燥的优势，适用于含水率较高物料的干燥。另外，为了避免热敏性物料（水果、蔬菜）干燥时的氧化变质现象，可将干燥系统设置为真空环境，或将干燥介质替换为惰性气体。Adapa 等[15]利用封闭式热泵流化床对苜蓿、马齿苋、人参等进行干燥。结果表明，干燥系统的单位能耗除湿量（specific moisture evaporation rate，SMER）控制在0.06～0.61 kg/(kW·h)，热泵干燥的再循环特性使干燥能效提高了22%，比电加热干燥器干燥时间显著缩短了65%。

热泵流化床干燥作为一种新型的干燥系统，能显著提高干燥效率，但存在投资成本高、设备清洗繁琐等问题，限制了其在果蔬干燥中的应用。这些问题可以通过系统设计、结构改良等方式加以解决。另外，联合装置的封闭循环结构，可以在实际应用时，针对干燥物料添加辅助加热器或变频调速器等，大幅度调节干燥介质流速、温度等[17]，使其能够合理地应用于果蔬干燥，具有广阔的应用前景。

2.1.2 隧道式HPD

隧道式干燥装置的干燥室为狭长的隧道，根据被干燥的物料与干燥介质相对运动的方向，隧道式干燥可以分成逆流、顺流和混合隧道式干燥等三种形式[18]。传统隧道式干燥采用燃煤热风干燥，消耗大量的不可再生能源，干燥效率低，而且对环境造成巨大的破坏。将热泵系统与隧道式干燥结合即隧道式HPD 装置，与传统的燃煤热风干燥系统相比，有效发挥了HPD 的节能优势，可以作为燃煤热风系统良好的替代方式[19]。

热泵系统可以吸收来自隧道式干燥后的能量。通过HPD 系统中的冷凝器加热进入隧道式干燥室的低温低湿空气，有效利用能源。另外，相比于传统干燥方式，隧道式HPD 系统可以有效避免物料的氧化变质，获得更优质的干制品。曹雪等[19]研究了空气温度、风速和相对湿度对隧道式HPD 系统中山楂饼干燥特性的影响。研究表明，联合干燥系统的干燥室空气温度最高达到65 ℃，平均干燥时间120～130 min，SMER 0.83～1.02 kg/(kW·h)。

2.1.3 滚筒式HPD

滚筒式干燥系统干燥物料时，物料被装进滚筒干燥器中，滚筒转动增加物料与干燥介质之间的接触面积，从而提高传热传质效率，达到干燥物料的目的[20]。物料在滚筒中受多方面力的作用，同时受滚筒旋转的离心力作用，滚筒的转速是影响物料干燥品质的关键[20]。滚筒干燥器与HPD 系统联合，二者以串联的形式连接，热泵系统的干燥室改造为一个可以旋转的滚筒，物料在热泵干燥环境中受滚筒作用力进行旋转，使物料均匀干燥，加快干燥速率，有效缩短干燥时间。

Oktay[21]设计了一种滚筒式HPD 系统，通过改变环境参数研究其干燥特性，并与自然干燥效果进行了比较。结果表明，在保持干燥参数统一的情况下，滚筒式HPD系统物料的平均干燥速率是自然干燥速率的4 倍。Kaveh等[20]研究了空气温度和滚筒转速对青豆干燥动力学、品质等性能的影响，得出随着干燥室温度和滚筒转速的增加，系统中能量利用率增加，而干燥时间则随着转速和空气温度的增加而减少。

2.2 串联式热泵联合干燥

HPD 在果蔬干燥中具有明显的优势，但较低的温度范围限制了物料干燥后期的干燥速率[3]。另外，虽然HPD在整个物料干燥过程中能够提供一个稳定的干燥环境，但由于果蔬种类与组织结构的复杂性，使果蔬的干燥过程变得复杂。干燥参数需要根据不同的物料进行合理的调整[3]。目前，凭借单一的HPD 系统还无法有效地对温度和湿度等参数进行精准的控制。因此，将HPD 系统与其他干燥方式串联式结合，如热泵-热风联合干燥技术、热泵-微波联合干燥技术、热泵-远红外联合干燥技术，这些联合干燥具有不同于单独HPD 的优势，能相互弥补不足，充分发挥各自技术的优点，有效改善HPD 过程中较低的温度设定范围，对物料进行快速、有效地干燥[21-23]。

2.2.1 热泵-热风联合干燥

热风干燥设备简单、成本低、干燥速率快，但物料干燥过程中与空气直接接触，使果蔬容易氧化变质；另外，较高的干燥温度使果蔬中热敏性物质遭到严重破坏，干制品品质下降[22]。结合热泵低温干燥的特点，热泵-热风联合干燥系统应运而生。热泵-热风联合干燥将热风干燥技术的干燥速率快与HPD 的产品品质好的优点有机结合。物料干燥前期采用HPD 技术，而干燥后期替换为热风干燥，既加快了干燥速率又提高了干制品品质[23]。

张迎敏等[22]采用热泵-热风联合干燥红薯叶粉，响应面优化得到干燥参数为HPD 温度52 ℃、热风干燥温度73 ℃、转换点含水率58%，获得最佳红薯叶色泽，在确保产品品质的基础上提高了红薯叶干燥后期的干燥效率，达到了节能的目的。胡居吾[23]利用热泵-热风联合干燥装置对蔓三七叶进行干燥，建立了干燥过程数学模型并与实验结果进行比较。结果表明，热泵-热风联合干燥过程可以通过修正的单项指数模型和Page 方程分段模拟；联合干燥前期发挥了HPD 系统干燥过程温和的优点，在低温环境中进行脱水，既能防止蔓三七叶表面开裂，又可以有效防止蔓三七叶中的活性物质受热降解；干燥中后期采用短时高温热风干燥后，干燥速率又迅速增大，显著缩短了单独采用HPD 所需的干燥时间。

2.2.2 热泵-微波联合干燥

微波是指频率300 MHz～3 000 GHz，波长0.1 mm～1.0 m 的电磁波。微波加热过程中，首先产生高频振荡的电磁波，微波能在物料内部转化为热能。利用物料表面与内部形成的温度差，对物料进行由内向外的干燥[24]。与传统干燥方式相比，微波干燥具有干燥效率高、能耗低等优点，但微波干燥技术单独干燥物料时，出现物料干燥不均匀，局部发生烧焦、碳化等现象。将微波干燥技术与HPD 相结合，干燥前期采用低温HPD，干燥后期采用微波干燥，可有效解决HPD 后期干燥速率减慢、干燥时间延长以及微波由内向外干燥不均匀等问题[24]。

Chong 等[24]比较了间歇式热风干燥、HPD、真空微波干燥和热泵-真空微波联合干燥对苹果片干制品品质的影响。结果表明，热泵真空微波联合干燥得到的苹果片外观质量最好，抗氧化活性和总酚含量最高，热泵真空微波干燥苹果片的总酚含量高于另外三种干燥方式的60%～70%。Shi 等[25]采用响应面法研究了干燥温度、风速、转换点含水率和微波功率对热泵-微波联合干燥雪莲果的平均干燥速率、SMER、总色差、复水比和收缩率的影响。结果表明，热泵-微波联合干燥雪莲果最优干燥参数为温度42.7 ℃、风速1.69 m/s、转换点含水率50%、微波功率2 W/g；在此条件下，雪莲果平均干燥速率0.262 kg/(kg·h)，SMER 0.222 kg/(kW·h)，总色差23.59。

热泵-微波联合干燥结合了HPD 和微波干燥两种干燥方式的优点，提高了干制品品质，在一定程度上降低了能耗。但是，其不确定性因素仍然存在，不同组织结构的物料其干燥转换点需要综合各自干燥时间和成品性能综合确定，这增加了热泵-微波联合干燥的复杂性。

2.2.3 热泵-远红外联合干燥

远红外波长范围4～1 000 μm，远红外干燥属于辐射传热，由电磁波传递能量，远红外线照射被加热物体时，物体内部分子能够与原子发生“共振”现象，振动和旋转使物体温度升高，达到加热目的[26]。远红外凭借其较低的光子能量在干燥时只引起物料的热效应，不会引起化学变化。因此，含有热敏性物质的果蔬适用于远红外干燥[26]。远红外技术穿透物料的最大距离仅几毫米，对于较厚的物料，干燥能力较差。另外，由于远红外干燥不需要加热介质，当物料采用单一远红外干燥时，难以及时排出物料中蒸发的水分，使干燥环境中湿度逐渐增大，进一步影响干燥效果。

热泵-远红外联合干燥既可以解决远红外干燥所导致的环境湿度增大的问题，同时可以提高HPD 后期结合水的去除效率。Aktas 等[27]比较了单独HPD 与热泵-远红外联合干燥对胡萝卜丝品质的影响。结果表明，远红外辅助HPD 能有效提高胡萝卜丝的干燥速率。热泵-远红外联合干燥系统能源利用率较高，是单一HPD 系统的2.5～3.5 倍。由于联合干燥有效的热扩散，系统的能效比高于单一HPD 系统的48%～50%。Song 等[28]探讨了山药在热泵-远红外联合干燥不同功率下的干燥效果，同时与单一HPD 进行了比较。研究表明，热泵-远红外联合干燥（HPD＋FIR）有效提高了干燥速度，干燥后的山药片色泽优于单一HPD 产品。此外，与HPD、HPD＋500 FIR 和HPD＋3 000 FIR 干燥的山药切片相比，HPD+1 500 FIR干燥的山药切片收缩率更低，复水能力更强，硬度更低，在此干燥条件下可以获得最佳干燥产品。

目前，远红外辅助HPD 主要应用于食品的干燥处理。此外，该技术也可以应用于食品杀菌、钝化酶等方面。远红外与热泵联合干燥能充分发挥组合优势，在食品尤其果蔬干燥领域中的应用前景十分广阔。

2.2.4 热泵-压差膨化联合干燥

变温压差膨化设备主要由加热/冷却系统、真空系统、压力调节系统、控制系统组成。新鲜果蔬经过预处理，预干燥至含水率为15%～50%后，置于膨化罐。瞬时减小的罐内压力使物料内部水分瞬间蒸发，导致物料内部组织迅速膨胀，形成均匀的蜂窝状结构[29]。然后，在真空状态下继续干燥至含水率≤7%，得到膨化果蔬产品。压差膨化的果蔬具有良好的酥脆性，便于贮藏，而且能最大程度地保留果蔬原有营养成分。其中，膨化产品的酥脆性取决于膨化前果蔬的含水率。含水率过高，干燥时间延长，内部组织结构间形成较大的空隙；含水率过低，膨化效果不明显，影响产品的外观和口感[29]。

目前，国内外对果蔬压差膨化的研究还主要集中在干燥工艺领域，主要研究膨化温度、膨化压力、初始含水率等膨化工艺参数对干制产品膨化度、酥脆性的影响[30-34]。果蔬变温压差预干燥的研究很少，良好的预干燥方式可降低对果蔬组织的损伤，保证后续压差膨化效果。目前，涉及到的果蔬压差膨化预干燥方式包括微波干燥[35]、热风干燥[36]、冷冻干燥[37]、远红外干燥[38]等。HPD作为一种干燥温度低、参数易控制、热敏性物质保留率高的干燥方式，在压差膨化预干燥中尚未得到良好的运用。基于HPD 条件温和、参数易于控制、节能等优点，HPD 作为压差膨化的预干燥方式将有良好的干燥效果，具有非常广阔的应用前景。

3 其他热泵辅助干燥方式

3.1 热泵真空联合干燥

真空干燥技术是一种高效的干燥方式，在真空环境下物料中水分的沸点比在常压下低，水分蒸发后由真空系统除去。真空干燥技术相比于传统干燥方式具有干燥速率快、干燥温度低、干燥环境密封等优点。真空环境下，物料不与空气接触，能有效防止物料干燥过程中氧化变质现象的出现，保留了产品的香气、色泽及营养成分[39]。真空干燥较低的干燥温度适用于热敏性物质的干燥，可以很好地保留果蔬的营养成分，不改变其理化性质、组织结构，保持较好的感官品质。热泵真空干燥解决了HPD 后期干燥速率减慢的问题，为物料提供真空干燥环境，有效避免了HPD 因干燥时间过长而导致物料氧化的问题[40]。

Artnaseaw 等[40]设计了一种热泵真空干燥系统并对辣椒进行干燥，研究了真空压力、温度等参数对辣椒干制品色泽、收缩率、复水率及表面结构的影响，结果表明，干燥时间随温度的升高或压力的降低而缩短，温度对复水率与收缩率影响不显著，产品收缩率随压力增加而增加，复水比则随干燥压力增加而降低。另外，干燥介质温度和压力显著影响辣椒干制品的表面结构，干燥压力比温度影响更为显著，随着压力降低，产品表面结构更光滑。Ashok 等[41]设计了一种新型热泵真空干燥器，分别讨论了辣木叶在压力0.9 bar 和0.8 bar、空气速度1.1 m/s 和1.4 m/s 下的干燥特性。结果表明，同一空气流速下，压力条件为0.8 bar 时，水分蒸发量相比0.9 bar 条件下增加了26.04%。干燥压力0.8 bar、风速1.4 m/s 时，水分蒸发速率最快，干燥效率最高。Dikmen 等[42-43]研究了新鲜欧芹叶热泵真空干燥的品质变化。结果表明，压力0.6 bar、干燥温度36 ℃时，干燥效率最高，干制品品质最好。热泵真空干燥的干燥机理比传统热风干燥更为复杂。但在适当干燥参数下能够得到更优质的干燥产品，特别是其真空干燥特性更有利于热泵真空联合干燥系统在果蔬干燥中的应用。

3.2 热泵-气调联合干燥

HPD 过程中，产品品质变化的一个主要原因来自于产品所处的环境，在氧气的参与下，物料在干燥过程中会发生酶促褐变等化学变化，为了从干燥设备方面解决这一问题，Ashok 等[41]设计了新型真空HPD 设备，在提高干燥效率的基础上，有效解决了物料氧化变质的问题。另外，采用氮气、二氧化碳等惰性气体代替氧气作为HPD 的加热介质，可以抑制物料中酶的活性，减少风味成分的损失，提高干制品品质[44-46]。作为干燥介质的惰性气体可以在热泵系统中循环使用，节约改良成本，提高经济效益。Cam 等[47]利用密闭式氮气气氛干燥系统对草莓片进行干燥并与热风干燥效果相比较。结果表明，氮气气氛干燥装置将热风干燥中草莓片抗坏血酸损失率由28%降低到7%，花青素的损失率由40%降低到20%。Hawlader 等[48]以苹果、番石榴和马铃薯为研究对象，在以氮气、二氧化碳等惰性气体改良条件下的HPD 设备中进行干燥，研究改良条件对颜色、表面孔隙率和复水率的影响。结果表明，热泵-气调干燥产品的色泽与真空干燥或冷冻干燥相似，硬度较小，多孔结构增多，复水速度加快。

4 小结

HPD 是一项高效、节能的技术，适用于果蔬等热敏性物料的干燥。HPD 后期能耗高、效率低，限制了其在果蔬干燥领域中的应用。热泵联合（串联和并联）干燥在合理控制干燥参数（温度、相对湿度、干燥风速等）、有效保留热敏性物质、节能等方面展现出鲜明的优势，在果蔬“优质、高效、低能耗”干燥方面具有广阔的开发和应用前景。

未来HPD 和热泵联合干燥领域的发展应偏重：（1）开发新型热泵联合干燥装置及技术，如太阳能辅助HPD；（2）加强交叉科学如人工智能（AI）、计算流体动力学（CFD）在果蔬HPD 数学模型构建、品质在线及无损监测、干燥系统自动化控制等方面的研发；（3）加强非热预处理方式，如低温等离子体、超声波、脉冲电场、成膜预处理等在HPD 中的应用。