潮濕環境易加速食物腐敗變質,因此食品干燥技術對延長食品保質期至關重要。現有干燥技術主要有加熱干燥、真空冷卻干燥、微波干燥和太陽能干燥。
加熱干燥,通過升高溫度加速水分的蒸發,但較高的溫度會加速某些食品的損壞或變質,此外加熱干燥能耗較高。真空冷卻干燥,雖然不會損壞食物營養結構,但需要真空環境,能耗較高。微波干燥和太陽能干燥與加熱干燥相似,難以避免對食物品質造成一定的損壞。張立等對不均勻電場下液態水蒸發的研究表明,一定電壓下高壓電極產生的離子風,可極大促進液態水的蒸發,為離子風干燥食品提供了原理支撐。
Bai Yaxiang等對比了離子風(針-板式電極)與烤爐對海參的干燥效果,結果表明,盡管烤爐干燥速度快,但烤爐的高溫會使海參變質。而離子風不僅具有良好的干燥效果,而且能耗僅為烤爐干燥的21.31%。Ding Changjiang等對比離子風和烤箱干燥后胡蘿卜片中的胡蘿卜素含量,發現前者含量遠高于后者。
以上研究表明,雖然離子風具有良好的干燥效果且能耗低,但空氣電離出的臭氧等副產物與食品發生化學反應,比如A. Martynenke等研究離子風干燥蘋果片時發現,離子風的確增強了蘋果片水分的蒸發,但蘋果片的顏色同時也發生了改變,其原因可能是放電副產物與蘋果表面發生了化學反應,生成醌類化合物。Yu Hongjian等使用離子風干燥馬鈴薯片時發現,離子風對馬鈴薯還原糖的含量影響較小,但干燥樣品在復水后,存在質量損失現象,損失的成分主要是淀粉。
此外,電極結構對干燥效果也有很大影響。T. Defraeye等對不同電極結構的離子風干燥效果進行了對比,對比結果表明線-網式電極對食品的干燥更均勻,干燥率更高。這是由于電極結構直接決定了離子風流場的形態,食品與氣流的接觸面積不同從而導致最終干燥效果的不同。
離子風干燥法與傳統的干燥方法相比,功耗小、噪聲低,在一定程度上可以防止食品損壞,但氣體放電產生的副產物可能導致食品變質,所以未來離子風在食品干燥領域的應用需要解決的問題:
①由于氣體放電對空氣的電離,會產生臭氧等副產物,可能會與干燥物表面物質發生化學反應,因此必須抑制氣體放電副產物的產生,減小對干燥食品的影響;②目前離子風的強度不高,因此必須優化電極結構,提高干燥效率。
針對副產物問題,可以在電極附近增加吸附裝置,吸收氧化物,吸附裝置可采用網孔狀,這是因為網孔狀裝置不會對離子風的風速產生較大影響。對于電極的優化,需要根據具體的應用效果進行改進,在干燥領域,需要氣流達到一定的速度,又必須使流場均勻。可以采用曲率半徑較小的針電極作為高壓電極,電源采用正極性,正極性的離子風在相同電壓下比負極性離子風強度略高。地電極可以采用網狀電極,網狀電極可以使氣流分布更加均勻,提高干燥效率。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》,論文標題為“離子風的應用研究進展”,作者為張明、李丁晨 等。