蔬菜营养丰富,是人体必需维生素、矿物质、微量元素和膳食纤维的重要来源。然而蔬菜含水量较高,采后保鲜期短,极易萎蔫、腐败。干燥是延长蔬菜货架期的一种重要方法。目前较为成熟的热风干燥技术生产的产品品质较差,而传统真空冷冻干燥(TFD)的产品虽然品质好,但其干燥效率低、能耗高。随着人们生活水平的提高,国际市场对于高品质、高效率、低能耗干燥产品的需求日益增长。开展蔬菜干燥的兼顾能耗和品质的减损研究,对脱水蔬菜行业的发展意义重大。为此,本课题搭建了红外冷冻干燥(IRFD)平台,研究了三种特色蔬菜的红外冷冻干燥的减损效果及机理。本文的主要研究内容如下:利用红外辐射代替传统真空冷冻干燥的加热源,搭建了红外冷冻干燥(IRFD)平台,同时以三种特色蔬菜:上海青叶柄(叶菜类)、菜用红薯(根茎类)及菜用蛹虫草(菌菇类)为对象,分析了它们的红外吸收特性以及红外辐射对其的穿透性。选择了镍铬合金丝石英管作为红外冷冻干燥的辐射器;根据温度场分布的均匀性及辐射强度,选择4个单根功率为450 W或10个单根功率为100 W的红外灯管排布作为辐射源,确定最佳辐射距离为70 mm;在整个红外光谱区,水表现出对辐射能的强吸收和弱散射的特性,而三种特色蔬菜的主要成分为水,占80%以上,因此其光学性质主要由水决定。红外吸收光谱表明上海青叶柄、菜用红薯及菜用蛹虫草属于毛细多孔物料,具有相似的吸收光谱。在波长为3、6、7.5及10μm附近,三种特色蔬菜都具有较强的吸收峰;红外辐射对三种特色蔬菜的穿透性较弱,只有2 mm深处的温度高于表面温度,说明红外辐射是在浅层起作用。当红外灯管的功率从100 W增加到450 W,峰值波长从5.78μm降低至3.85μm时,对于三种特色蔬菜的穿透性基本不变,说明红外辐射对这三种物料的穿透性能依赖于峰值波长的关系并不明显。而上海青叶柄和菜用蛹虫草在450 W的红外灯管干燥下会引起产品色差及收缩率的明显增加,因此选用100 W的红外灯管干燥这两种蔬菜,而选用450 W的红外灯管干燥菜用红薯。研究了超声波预处理对三种特色蔬菜红外冷冻干燥的影响及其减损机理。在超声波功率为200、400和600 W时,上海青叶柄、菜用红薯及菜用蛹虫草的红外冷冻干燥时间分别减少了7.34%~15.60%、3.33%~13.33%和3.85%~12.82%;但超声波预处理会造成上海青叶柄中叶绿素及抗坏血酸含量的显著下降(p<0.05)。同时,经超声波预处理的菜用蛹虫草中虫草素的含量也显著降低(p<0.05)。对菜用红薯而言,超声波预处理可使红外冷冻干燥后的样品中总酚、黄酮类化合物及β-胡萝卜素的含量显著增加(p<0.05)。在机理方面,超声波的应用可增加样品中水分的自由度,使得水分更容易被去除。此外超声波处理也造成了样品微观结构的改变,微孔通道的形成和孔隙的扩大有利于形成较大的冰晶,在后续的红外冷冻干燥中可加速升华进程,缩短干燥时间。但超声波预处理会造成上海青叶柄及菜用蛹虫草营养品质的下降,因此,在后续的干燥过程中,只对红薯进行超声波预处理。评估了红外冷冻干燥的减损效果。与TFD相比,在温度相同时,IRFD可显著提高三种特色蔬菜的干燥效率,缩短干燥时间。在五种经验干燥数学模型中,Midilli模型对不同冻干条件下物料的含水率曲线均有最好的拟合效果(R~2均在0.99以上,RMSE和χ~2均较低);综合温度、水分含量、色差、收缩率及微观结构可知,IRFD干燥的三种特色蔬菜的均匀度略低于TFD,但差异不明显,即IRFD干燥的产品仍具有较好的均匀度;以上海青叶柄、菜用红薯和菜用蛹虫草在冷冻干燥过程中的中心温度和水分含量的变化为依据,确定了三种特色蔬菜升华/解吸干燥的转换点为样品中心温度达到0℃,上海青叶柄、菜用红薯和菜用蛹虫草的湿基水分含量为10%;通过对比IRFD和TFD空载时的升温速率和降温速率,发现IRFD的热源在温度变化上的惰性远低于TFD。在冷冻干燥中,IRFD更利于大规模的连续化生产。在干燥温度相同时,IRFD产品的感官品质与TFD产品的相似。而红外常压干燥(IRD)的三种特色蔬菜感官评分明显低于IRFD和TFD,处于评价等级的第Ⅲ级;IRFD干燥的上海青叶柄、菜用红薯和菜用蛹虫草的硬度和脆度较TFD高,具有更好的质构特性。此外,IRFD干燥的菜用红薯中总酚、β-胡萝卜素、DPPH清除率及还原力显著高于TFD(p<0.05)。对上海青叶柄和菜用蛹虫草而言,在不同的冷冻干燥温度下,IRFD和TFD在其营养特性和抗氧化能力方面略有不同,但差异不显著(p>0.05)。总体而言,与TFD相比,IRFD对这三种特色蔬菜的干燥品质具有一定的减损效果。与同温度下的TFD相比,IRFD对上海青叶柄、菜用红薯及菜用蛹虫草的能耗减损率分别为15.72%~19.00%,47.82%~50.52%和11.88%~18.37%。虽然IRD所需的干燥能耗最低,但其在干燥产品的感官品质、营养特性、抗氧化能力及特征风味的保留与IRFD和TFD有较大差距。阐明了红外冷冻干燥对三种特色蔬菜能耗及品质的减损机理。在IRFD中,物料的传质及传热方向一致,有利于加速冷冻干燥进程;与TFD相比,在温度相同时,IRFD可显著提高三种特色蔬菜的干燥效率,缩短干燥时间。此外,当干燥温度相同时,IRFD较TFD的有效水分扩散系数高。这就从传质动力学的角度进一步阐明了IRFD干燥效率高于TFD;三种特色蔬菜的有效水分扩散系数与干燥时间及能耗之间呈极显著(p<0.01)或显著(p<0.05)的负相关性,同时,有效水分扩散系数和干燥时间与三种特色蔬菜的营养特性和抗氧化性也呈现出较为明显的相关性。因此,红外冷冻干燥的减损主要是基于冻干过程中有效水分扩散系数的提高及干燥时间的缩短。