Experimental analysis of process parameters in a prototype microwave freeze-dryer
本研究通过实验验证了一款紧凑型微波辅助冻干原型机的可行性，证明其实现了稳定的温度控制、具有更高多酚保留率的可比产品质量，以及较之传统搁架加热法显著提升的工艺效率。
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长期以来，如何在不破坏食物味道、质地或营养价值的情况下进行食物保存，一直是科学家和食品生产者面临的挑战。其中一种最有效的方法是真空冷冻干燥。在这个过程中，食物被冻成固体，然后放入真空室，使冰直接变成水蒸气，完全跳过液态阶段。这种技术在去除水分的同时，保持了食物脆弱的结构，使得水果、蔬菜和肉类可以储存多年，并能重新水合到接近原始的状态。然而，传统方法速度缓慢且成本高昂，通常需要数天才能完成，并且需要消耗大量的电力来在从外部缓慢施加热量时保持食物处于冰冻状态。为了解决这个问题，研究人员一直在探索利用微波来加速这一过程的方法，因为微波可以由内而外地加热食物。核心问题在于，这种内部加热是否可以得到足够的控制，从而在快速干燥食物的同时，不会将其烧焦或破坏其品质。
来自波兰和挪威的一个工程师团队最近建造了一台紧凑的一体化机器来测试这个想法。他们构建了一个原型真空冷冻干燥机，该设备可以装入一个单一的不锈钢箱中，将冷冻单元、干燥室和微波加热系统整合在一个紧凑的空间内。与以往那些通常需要在不同机器之间移动食物或使用复杂外部冷却系统的实验性装置不同，这款新设备将一切都包含在内。它使用了一种以环保著称的特定类型制冷剂，并将捕集冰的机制直接集成在干燥室内部。研究人员想要观察这种紧凑的设计是否能够处理好平衡：既要冻结食物，又要利用微波进行快速干燥，同时还要保持温度稳定以保存食物的营养。
为了验证这一点，团队使用了多种常见食物进行了系列测试：马铃薯、胡萝卜、苹果和鸡胸肉。他们将这些食物的切片放入室中，冻成固体，然后开始干燥过程。实验的一个关键部分涉及如何最好地使用机器的两个微波发生器。他们测试了仅运行一个发生器、运行另一个，或者同时运行两个发生器的情形。他们发现，通过以特定的模式开启和关闭两个发生器，可以获得最一致的结果。这种设置使他们能在约28至33小时内干燥三公斤重的负载。虽然这比一些传统方法更快，但研究人员指出，该机器消耗了大量能量，每去除一公斤水，根据食物类型的不同，耗电量在23至28千瓦时之间。当他们运行包括初始冻结阶段在内的完整循环时，一批马铃薯的总能耗接近89千瓦时。
这种新机器与标准商业真空冷冻干燥机之间最显著的区别在于处理过程中的温度表现。在传统机器中，热量通过金属架由下而上加热，食物的温度会剧烈波动，有时甚至会产生20到30摄氏度的温差。这是因为加热垫的开关循环产生了不均匀的热点和冷点，从而可能损坏食物。相比之下，微波原型机由内而外加热食物，从而产生了更加平滑且均匀的温度分布。新机器中的食物保持在一个狭窄且稳定的范围内，温度波动仅为3到4摄氏度。这种稳定性至关重要，因为它意味着整批食物都能均匀干燥，降低了因部分食物过热而烧焦、而其他部分仍保持湿润的风险。
研究人员还检查了干燥食物的质量，以观察微波处理是否损害了其营养价值。他们重点研究了富含维生素和赋予其橙色色素化合物的胡萝卜。他们发现，微波干燥的胡萝卜在外观和口感上与传统机器干燥的非常相似。两种方法生产的食物都能同样好地进行再水合，吸收水分的速度也一致。然而，在营养成分方面存在一些差异。传统方法保留了略多一点的橙色色素（即类胡萝卜素），而微波法导致这些色素的分解稍多一些。另一方面，微波干燥的胡萝卜保留了略多一点的多酚（一种有益的抗氧化剂），甚至显示出其提取能力比新鲜蔬菜还要略有提高。这表明，这种强烈的快速加热可能有助于将这些有益化合物从植物细胞中释放出来。
研究结论认为，这种紧凑的微波辅助方法是一种可行的干燥食物方式，与传统的隔板加热机器相比，它提供了更好的温度控制和更均匀的过程。虽然目前的原型机比标准机型消耗更多能量，但研究人员将其归因于机器的特定设计以及部分微波能量被反射而非被食物吸收。他们相信，随着对机器形状和微波引导方式的进一步改进，能源效率可以得到极大提升。这项工作证明，构建一个更小、更集成的系统来快速且安全地干燥食物是完全可能的，这为未来更高效地保存高质量食物打开了大门。
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