朱凯阳，任广跃,2*，段续,2，李琳琳,2

1(河南科技大学 食品与生物工程学院，河南 洛阳，471000)2(粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 郑州，450001)

中国资源丰富，地域辽阔，是农业大国，农产品的产量居世界首位[1]。农业生产活动中各植物动物性产品即为农产品，国家标准中规定的农产品是指种植业、畜牧业和渔业产品，各类经过加工的产品不再属于农产品的范畴[2]。目前，农产品干燥的主要方法有自然晾晒干燥、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波干燥、微波-真空干燥、红外-喷动干燥、真空-冷冻干燥等新型干燥技术。其中，红外辐射技术是一种高效节能又符合环保要求的新型无污染干燥技术，红外辐射技术具有效率高、能耗低、污染小等优点[3]。目前，红外技术用于许多食品制造过程，如干燥、煮沸、加热、多酚回收、冷冻干燥、抗氧化剂回收、微生物抑制、食品烘烤、果汁制造和烹饪食品等[4]。

1 远红外辐射的原理及特点

1.1 红外辐射的原理

红外辐射按波长可分为近红外、中红外和远红外，如图1[5]所示，它们都是电磁波。在物料干燥中主要使用红外线中的长波段，其波长范围为25～1 000 μm[6]，能量主要以辐射形式直接作用于物料。由图2[7]可知，在红外辐射中，由于红外线具有穿透性，使能量先在物料内部集聚，当农产品的原子、分子遇到红外线吸收其能量时，引起粒子的加剧运动，使分子的振动能级产生变化，从而使物料内部升温[8]，由于水分的不断蒸发吸热，外部温度降低，形成内高外低的温度梯度。根据热力学第二定律可知，热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体。在此时物料中，热量以物料自身为传导介质，沿该温度梯度由内向外进行热量传递，进而实现对整个物料的加热。除此之外，农产品中绝大部分物料内部含水率比表皮含水率大，形成与温度梯度一致的湿度梯度。因此，在内高外低的温度梯度和湿度梯度共同作用下，红外辐射干燥可以大大提升物料的干燥速率[9]。

图1 突出红外辐射范围的电磁波谱[5]Fig.1 Electromagnetic spectrum highlighting infrared radiation range

图2 红外辐射干燥与普通干燥机理比较[7]Fig.2 Comparison of infrared drying and ordinary drying mechanism

1.2 红外辐射的特点

目前，中国农产品干燥方式主要以传统日晒干燥和可实现规模化生产的热风干燥为主。日晒干燥受限于自然环境；热风干燥主要原料为燃煤、燃油、生物质燃料等，原料燃烧释放热能的同时还产生大量烟尘，使得干燥过程对农产品本身和自然环境造成污染[10]。因此，红外辐射干燥技术显得愈发重要。

红外辐射技术的特点：(1)热损失小，易控制。红外辐射中不存在传热界面，提高加热质量，减少不必要的热损失;(2)传热效率高。红外辐射在不使物料过热的情况下，可以使热源达到较高的温度[11]；(3)热吸收快，节约能源。大部分农产品物料对红外辐射的吸收率较高，此时能量大部分集中在物料的吸收峰带，大部分辐射能会被吸收,实现较好的匹配,达到减耗的效果[12]，如图3所示；(4)加热引起食物材料的变化损失较小。红外线光子能量低，在加热过程中生物组织热分解小，物料化学性质不易改变，从而使得加热后的产品质量高；(5)辐射可达一定深度、受热均匀[13]。红外辐射是物料内外同时加热的过程，传热、传质方向一致，可使物料不受本身颜色的影响，受热比较均匀，避免局部的过热损失。

图3 红外辐射、吸收匹配[12]Fig.3 Far infrared radiation and absorption matching

1.3 红外辐射元件的发展

红外辐射技术是上世纪70年代迅速发展的一项节能新技术。现今经过半个世纪的发展，作为技术核心的远红外加热元件也得到不断改进，波长范围不断加宽，使其对被加热物有着更广泛的适应性。远红外加热元件按供热方式可以分为电加热辐射器和燃气加热辐射器；按结构形式可以分为灯状辐射元件、管状辐射元件和板灯状辐射元件。红外辐射元件最初是采用红外灯泡和碳化硅板，到20世纪80年代，出现了微晶玻璃灯、乳白石英管等。进入90年代，出现了远红外定向强辐射器[14](如图4所示)，使得加热方式发生了改变，电能辐射转化率由40%提高到70%以上[15]。进入21世纪，又出现了纳米发热体的红外辐射元件(如图5所示)，以纳米材料为发热体，大幅提高了热效率使电能转换率可高达92%～98%[16]。与此同时，在选择红外干燥设备的构件时，应考虑红外辐射的吸收率、透射率和反射率，散热器灯反射器的材料应为不透明的高反射率材料。经受红外干燥的材料应该具有低反射率，以最小化加热所需的功率。3个基本辐射定律[6]决定了红外能量的分布和数量。斯特藩-玻尔兹曼定律[17]和普朗克定律[18]提供了用于确定辐射器发射的强度和光谱分布的手段；维恩位移定律[19]表示最大发射波长由红外加热源的温度决定。

1-接线端子；2-保温材料；3-壳体；4-辐射板； 5-发热体；6-耐热反射基材隔热层图4 红外定向强辐射器的结构[14]Fig.4 Structure of infrared directional strong radiator

1-壳体；2-发热体；a-装配图；b-壳体剖面图；c-发热体剖面图图5 纳米发热体的红外辐射元件[16]Fig.5 Far infrared radiation element of nano heater

1.4 红外辐射在农产品干燥中数值模拟

1.4.1 动力学模型

目前，红外辐射干燥技术发展迅速，但干燥成品质量受干燥条件、物料种类、内部结构和外部形状、理化性质的显著影响。近年来，许多学者通过对不同物料的试验研究，总结拟合了几种常用的经验、半经验干燥数学模型，来定量地描述物料干燥规律，常见的干燥模型如表1所示。

在上述模型中，模型1针对单一红外辐射干燥的拟合度高、误差小，应用比较广泛，国内外对其干燥特性进行了广泛深入的研究。模型6可以对红外辐射联合干燥进行拟合，万芳新等[20]的研究结果证明了weibull分布函数可以较好地预测物料干燥过程中水分比的变化规律。

表1 干燥动力学模型Table 1 Drying kinetic model

1.4.2 温度场数值模拟

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场。它是时间和空间坐标的函数，反映了温度在空间和时间上的分布。温度T这个变量通常是空间坐标(x，y，z) 和时间变量t的函数，即T=T(x，y，z，t)。在红外辐射干燥中研究的温度场为三维瞬态温度场，是指红外干燥器的温度在时间和空间上的分布。温度场模拟是依据传热学原理，根据实际的传热边界条件，通过计算机对温度场模型进行数值模拟分析。

在以往的研究中并没有对温度场进行较为形象的表达，目前依靠计算机，使用计算流体力学软件FLUENT，可以对温度场进行细致的描述。红外辐射温度场模拟难点在于传热，辐射换热要考虑空间内不同方向上的传热，因此，在位置、沿方向的辐射传递方程(RTE)为[21]：

对红外辐射干燥过程进行数值模拟建立数学模型，可以直观地显示目前还不易观测到的一些现象；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。

表2 FLUENT辐射模拟模型Table 2 Fluent radiation simulation model

2 红外辐射技术在农产品干燥中的应用

2.1 红外辐射技术在粮油作物干燥中的应用

在中国，主要粮油作物即谷类中的小麦和玉米，两者产量在近五年的粮油作物产量中占50%以上，其余三类粮油作物每年的产量也在稳步提升[22]。由表3可知，红外辐射技术在粮油作物中运用不同于果蔬产品，在粮食干燥中易产生裂纹现象，从而影响干燥品质[35]。而红外辐射对物料由内而外进行加热，可以从根本上避免这一现象的产生。红外辐射对粮油作物进行干燥，不仅可以缩短干燥时间，减少能耗，同时还可以保留被干燥物料绝大部分的营养物质，进而保证物料品质。另一方面，现有研究对红外辐射技术应用在粮油作物干燥中仅仅停留在试验阶段，由试验结果去检测该方法的优劣，此模式下会对该技术的应用产生一定限制。因此，在今后的研究中，应当侧重在该方法下热力学、动力学模型的建立，建立准确的数学模型有助于选择更好地干燥条件，同时突破试验场地的限制。

2.2 红外辐射技术在食用菌干燥中的应用

食用菌是具有果肉或果胶的大型真菌。它富含多种营养成分，具有抗肿瘤、抗氧化、降血脂、增强免疫力等多种生理功能[36]。在中国，每年食用菌的总产量保持稳步上升，到2019年我国食用菌总产量已达3 961.91万t[37]。目前中国食用菌工厂化生产量低于总产量，在工厂化生产和自给自销后还有大量剩余。然而，鲜食用菌类的含水量高达70%～95%，不耐贮藏，极易变质腐败。为了更好地解决食用菌的贮藏问题，红外辐射技术被人们应用到食用菌的干燥贮藏中。

食用菌种类较多，组织状态各不相同。由表4可知，不同种类的食用菌干燥特性不尽相同，面对种类繁多的菌类食品，红外干燥扮演着越来越重要的角色。对茶树菇、香菇、杏鲍菇等进行红外辐射干燥，可以较显著地提高干制品的色泽和风味，保持更好的外观，同时缩短干燥时间，减小能耗。但是，红外干燥也有一定的局限性，越来越多的研究表明，单一的干燥方式已无法满足在该领域的应用需求，未来食用菌干燥发展的重点将是联合干燥工艺。

表3 红外辐射技术在干燥粮油作物中的应用Table 3 Application of far infrared radiation heating technology in dry grain and oil crops

表4 红外辐射技术在食用菌干燥中的应用Table 4 Application of far infrared radiation heating technology in edible fungi drying

2.3 红外辐射技术在果蔬干燥中的应用

在中国，果蔬是仅次于粮食的第二大农产品，2019年果蔬产量已达9.77×108t[47]。新鲜果蔬水分含量高、营养较丰富，有利于微生物生长繁殖，易于腐烂；同时又具有很强的季节性和地域性特点，且新鲜果蔬组织脆，不易运输。为了更好地延长果蔬的保质期，加强贮藏的便利性，干燥是常用的有效方法之一。自然日晒干燥、阴干和热风干燥是果蔬传统的干燥方式，该法耗时长、效率低、产品的质量难以控制，不是现在所追求的高效节能干燥方式。而红外加热技术作为一种新型辐射加热技术，具有加热均匀、效率高、能耗低、可以保证产品的质量等优势。

由表5中可知，红外辐射技术作为一种新型的加热技术，在果蔬的干燥贮藏中相较于传统的干燥加热方式应用范围更广、效率更高、能耗更小、污染更少。该技术对现如今兴起的干制果蔬类休闲食品也起到了一定的支撑作用，针对当下即食果蔬干制品，红外加热技术的应用使果蔬干制品的种类得到大大扩充，现有的研究已经表明在果蔬干制品领域中，红外加热技术正在逐渐代替原有的干燥技术。但随着科技的进步，人们发现单一干燥有时不能很好地适应物料，因而现如今越来越多的学者和企业把红外加热与其他加热方式结合，由此创造出干燥效果更好的干燥方法，联合干燥正在兴起。

表5 红外辐射技术在果蔬干燥中的应用Table 5 application of far infrared radiation heating technology in fruit and vegetable drying

2.4 红外辐射联合干燥技术在农产品干燥中的应用

随着时代的进步，人们对农产品品质的要求越来越高，单独使用红外辐射技术已经不能满足干燥的要求，将红外辐射与其他干燥技术联合使用已成为现在农产品干燥的热点。

由表6可知，红外辐射技术正在与越来越多的干燥技术联合使用，超声-远红外干燥、真空-远红外干燥、热风-远红外干燥、热泵-远红外干燥、微波-远红外干燥、蒸汽-远红外干燥、冷冻-中红外干燥等，与传统干燥方法相比，红外辐射干燥与热风干燥、真空干燥、微波干燥和冷冻干燥相结合，可以减少干燥时间和能量需求，并且还可以保持产品质量以实现综合干燥效果。但现在的联合干燥仅仅只是2种加热方式联合使用，对于3种以上的加热方式联合还未见报道，在以后的研究中，可以尝试对更多的加热方式联合；对联合加热过程也可以进行改进，利用间歇加热、交叉加热等综合不同加热方式对物料进行干燥处理。

3 结论与讨论

尽管红外辐射干燥在能源效率和时间节省方面显示出巨大的优势，但它也有一定的局限性。红外辐射穿透深度低，由于红外辐射的穿透深度有限，还需要进一步研究红外线在不同农产品中的穿透深度；此外一些农产品物料是多层干燥，该情形下红外干燥会导致干燥不均匀。相比之下，当红外干燥与其他干燥方法或预处理相结合时，可以克服这些不足。另一方面，在干燥农产品时，使用的红外波长需要非常具体，因为每种食物成分都有特定的红外吸收带，为了实现特定应用的高效率，红外辐射可在添加合适的滤光器后使用，此时仅允许特定波长通过的红外干燥将更加适合于农产品的干燥。

表6 红外辐射联合干燥技术在农产品干燥中的应用Table 6 Application of far infrared radiation heating technology combined drying in drying of agricultural products

红外或红外辅助干燥方法中涉及的各种过程变量需要针对不同农产品进行优化。研究发现，红外干燥可以保持或增加干燥农产品中的酚类化合物含量；但关于红外干燥对酚类化合物稳定性的影响需要进一步研究。此外，红外干燥对其他生物材料和红外加热系统的各种配置还需要大量的建模工作。通过现有的文献初步可以确定，红外干燥在实验室和小规模的应用是有希望的。考虑到单一红外干燥或与其他干燥技术相结合的能量效率、干燥效率和有效性，它对食品加工业具有巨大的潜在影响。在能源日益紧缺的情况下，传统的干燥技术越来越跟不上时代的脚步，大力发展高效节能的红外辐射技术具有重要意义。但单独使用红外辐射干燥已经不能满足干燥要求，因此，将红外辐射干燥与其他先进的干燥技术联合起来，进而得到一种集诸多优点于一体的联合干燥方式已成为当今研究的热点。同时，设计可实现高效、安全、可连续生产的智能化干燥设备是农产品联合干燥的未来发展方向之一。