引言干燥行业多采用能源密集型的传统干燥技术，如辅热干燥技术、热风干燥技术等，与温室气体排放量相关，能耗越高对环境影响越严重[1-5]。传统干燥多采用热干燥技术，容易引发食品、药材等产品的热敏性元素和活性化合物大量流失（如维生素、酚类抗氧化剂和膳食纤维等），感官品质严重下降（如颜色、风味、质地等），伴随较大损失[6-10]。此类问题可以采用真空冷冻干燥等技术解决，但存在能耗高、成本高等劣势[11-12]。因此，研发清洁低碳的非热干燥型技术，是当前干燥行业从能源密集型向绿色低碳转型发展的迫切要求[13]。高压电场干燥(HVEFD)技术，又称电流体动力学干燥技术或离子风干燥技术，是一种新颖的非热干燥型技术，可利用电能产生的离子风和电场力对湿物料直接进行脱水干燥，适于含有热敏感有效成分的食材、药材等物料的干燥加工。该技术具有节能环保、提升果蔬等产品的感官品质、间接提高行业的经济效益等特点；在应用的过程中具有灭菌作用。该技术设备简单，干燥条件灵活可调，可与其他技术兼容组合使用[12-15]。1HVEFD技术基本原理HVEFD工作原理如图1所示。HVEFD装置结构如图2所示。由图1可知，在千伏量级电压范围内，高电压引起发射极电晕放电，导致发射极周围的空气分子发生局部电离，产生离子和电子。发射极和集电极之间产生强电场，在库仑力的作用下离子朝集电极方向移动，与中性空气分子发生碰撞导致空气运动，形成离子风。离子风撞击湿物料表面，扰动物料的饱和边界层，增强传热和传质，加快湿物料的干燥速率。同时，电场中极化水分子受电场力作用提高湿物料干燥效率[15-16]。由图2可知，HVEFD试验装置主要由高压直流电源和干燥箱组成，其关键核心部件是干燥箱内的发射极和集电极。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.020.F001图1HVEFD工作原理10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.020.F002图2HVEFD装置结构2HVEFD技术性能指标为定量地研究HVEFD技术，将其与其他干燥技术定量比较，以评估其性能。定义HVEFD技术的关键性能指标(KPI)包括干燥速度(DR)、干燥时间(DT)、比能耗(SEC)、营养和感官品质属性(NQ)、可扩展性(Sc)、成本指数(CI)以及温室气体排放(GHGE)。HVEFD技术关键性能指标如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.020.T001表1HVEFD技术关键性能指标KPI定义公式参数意义KPI单位DR单位时间内从被干燥产品中除去的水分量[17]。DR=-dMwMddtMw——从产品中除去的水分质量，kg；Md——干燥产品的质量，kg；t——干燥时间，s。kgH2O/kgDT被干燥产品达到临界水分含量所需的时间[18]。DT=TcTc——达到临界水分含量时间[19]，h。hSEC从被干燥产品中蒸发1 kg水分所需要的能量[20]。SEC=WinΔtMwWin——高压电极板消耗功率，kJ/h；Δt——干燥用电时间，h。kJ/kgNQ干燥食品中可用的基本营养元素的数量[21-23]。—包括：维生素（mg/g鲜重）、胡萝卜素（mg/100 g干重）、类黄酮（mg/100 g干重）、多糖（mg/100 g干重）和多酚（mg/100 g干重）等。mg/gSQ可被人类的感官检测到，决定消费者对特定产品的接受程度的干燥食品的感官特性[24-26]。—感官质量包括：颜色（亮度：0~100；红色或绿色：-60~+60；黄色或蓝色：-60~+60），味道（%-评分），硬度（N/m），外观（%-评分），气味（%-评分），复水率。%，N/mSc干燥器中干燥产品的数量除以产品的总干燥时间[27]。Sc=Mdt—kg/hCI生产特定数量的干燥产品所发生的总成本与干燥产品的数量之比[28]。CI=CMdC——生产总成本，元。元/kgGHGE每单位质量干燥产品的等效二氧化碳排放量的测量值[28]。GHGE=MCO2-eqMdMCO2-eq——等效二氧化碳排放量，kg。kgCO2-eq/kg3HVEFD技术的研究现状与分析HVEFD技术源自Asakawa发现的“浅川效应”[12]。在高压电场下，水的蒸发变得十分活跃。施加高压的水蒸发速度加快，且电场消耗能量很小[29]。3.1国外HVEFD技术研究现状与分析近年来国外HVEFD技术研究状况如表2所示，主要包括[30-41]：10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.020.T002表2近年来国外HVEFD技术研究状况国家试验样品方法与内容研究结果文献来源智利智利海参研究HVEFD技术对样品的干燥速率和复水性能的影响。海参的干燥速率和复水性能均得到提高。Martynenko[30]等土耳其杏子研究HVEFD与热风干燥技术对样品的颜色和复水性能的影响。两者组合干燥技术，干燥后产品的复水性能更高，HVEFD干燥后产品的色泽相对更优。Tamarit[31]等加拿大白香槟酒、蘑菇研究HVEFD技术对样品的干燥速率和能耗的影响。HVEFD技术干燥速率是自然空气对流干燥效率的1.70~5.23倍，是强制空气对流干燥速率的1.1~2.0倍。Ahmet[32]等印尼稻谷研究HVEFD装置对稻米的干燥效果的影响。HVEFD装置处理的稻谷中水分减少量比日晒法高出5倍；HVEFD设备功耗以50 g稻谷用电计，约1.3 W/h，设备温度较低，为非热干燥。Ramadhanty[33]等美国湿多孔材料数值建模研究HVEFD的干燥速率。HVEFD技术因离子风作用，干燥速率提高40％；但离子风速超过一定阈值，干燥速率的增速减弱。Yang[34]等瑞士—模拟研究不同的发射极-集电极设计配置对干燥速度的影响。线型发射极-网型集电极配置干燥速度较高；数值模拟是HVEFD技术实现工业应用价值的工具。Defraeye[35]等伊朗柑橘片研究HVEFD和热风干燥两种方法对柑橘切片的能耗和营养成分的影响。HVEFD技术处理的柑橘片总酚含量和抗氧化能力分别为热风法的1.37倍和1.15倍；热风干燥的平均能耗是HVEFD的48.66倍。Elmizadeh[36]等伊朗香蕉片模拟研究HVEFD技术对香蕉片的干燥效果。增加电场强度可加快香蕉片的干燥速率，缩短干燥时间；扩散模型是最合适的预测模型。Pirnazari[37]等加拿大苹果片研究HVEFD技术对苹果片的色泽、干燥速率以及能耗的影响。高电压使苹果片干燥速率提高1.5~4.0倍；低于10 kV时，HVEFD对苹果片色泽的影响不明显；与交流/直流转换器的总能耗相比，HVEFD过程耗能为1%~2%。Martynenko[38]等韩国红辣椒研究HVEFD技术预处理的红辣椒的干燥效果的影响。与烘干箱干燥相比，HVEFD技术将红辣椒干燥时间缩短34.7%，色泽保留度更好。Won[39]等法国蘑菇片研究电压和气流对干燥蘑菇片的收缩率、复水率、剪切强度、色泽和微观结构等参数的影响。在较高电压或空气流速下，蘑菇片的干燥速率快，复水性好，但较高电压或空气流速易形成皱纹和断裂结构，导致更大的收缩和剪切强度，对色泽也有明显的影响。Dinani[40]等伊朗香蕉片对比HVEFD与微波干燥两种方法对干燥速率、能耗、产品品质等方面的优劣。HVEFD能耗（0.34 kJ/g）远小于微波干燥能耗（9.66 kJ/g）；HVEFD产品品质更优；高压电场干燥速率与微波干燥速率相当。Ali[41]等注：“—”表示无此项内容。（1）HVEFD技术对干燥产品品质提升效果。与传统对流干燥技术相比，HVEFD技术可减少苹果片和香蕉片的颜色降解（减少9%~36％）；与传统风热干燥技术相比，HVEFD技术可提供优异的外观、风味、收缩率（减少25％~32％）和更高的复水率（增加8％~9％）；与强制空气对流干燥技术结合使用，可增强果蔬干的颜色属性；在HVEFD技术前进行热风处理，可减少果蔬干的酶促反应，且改善其结构性能。（2）HVEFD的装置工艺参数与干燥产品品质的关系。研究表明，电压、电场强度与果蔬干的色泽、复水率、收缩率等参数具有关联；发射极与集电极间距对果蔬干影响较大；发射极针或线之间的间隙在增强果蔬干色泽、复水率方面尤为重要。目前多数HVEFD技术的研究集中在单个工艺参数对果蔬干个别感官品质的影响。量化多个HVEFD工艺参数对多种感官品质参数影响仍属空白。常用的HVEFD装置两极设计分为3种，即多针型发射极-板型集电极、单线型发射极-板型集电极、多线型发射极-板型集电极。这些设计配置已用于实验室评估果蔬的干燥效果，如杏子、香蕉、蘑菇、苹果、柑橘、智利海参、红辣椒和稻谷等。但该技术缺少工业规模化果蔬的干燥研究，对被干燥样品的形状和厚度、集电极的大小和几何形状、放置在集电极上的被干燥样品数量、产品之间的间距等方面研究也相对较少。有效扩展HVEFD技术的应用规模，需要经济高效的电极设计配置。比对不同HVEFD装置的干燥效果，认为线型发射极-网型集电极设计配置对果蔬的干燥效果具有发展潜力，但试验设计中需要考虑量化的工艺参数与产品品质、能源和成本效率之间的关系，变量的工艺参数包括发射极到集电极之间的间隙、电极的几何形状和尺寸、网孔尺寸、样品厚度和装载密度等的影响。（3）HVEFD试验装置电极设计配置与能耗的关系。能耗是HVEFD技术大规模推广的关键指标。现有HVEFD装置明确显示，果蔬的HVEFD能耗远低于传统干燥技术能耗。HVEFD果蔬的比能耗值在0.12~16.50 kJ/g范围内，远低于对流干燥的比能耗值180~1 800 kJ/g范围。比能耗值由实验室HVEFD装置电极间高压和电流值计算所得。将HVEFD技术升级到工业级规模进行应用，缺少交流市电转换高压直流电的耗能数据和HVEFD装置容量数据，未来需要深入研究。（4）基于数值模型方法研究HVEFD动力学。研究表明，数值建模是HVEFD技术优化实现工业应用的有效工具，是HVEFD装置优化设计及其干燥研究的数字化途径，但相关文献资料非常少。3.2国内HVEFD技术研究现状与分析近年来国内HVEFD技术研究状况如表3所示[42-53]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.020.T003表3近年来国内HVEFD技术研究状况试验样品方法与内容研究结果文献来源马铃薯片研究HVEFD和热风干燥对马铃薯蛋白质二级结构的影响。HVEFD对马铃薯蛋白质二级结构的影响比热风干燥的影响小。白爱枝[42]等胡萝卜研究热风干燥联合HVEFD对胡萝卜的干燥时间、能耗、复水性能的影响。可提高胡萝卜干燥速率，缩短干燥时间，产品品质更优；与热风干燥相比能耗低。刘寅[43-44]等香蕉片研究HVEFD对香蕉片品质特性影响。经HVEFD处理的香蕉片产品：色泽金黄、中心无褐变、大小均匀规整、口感酥脆，具有浓郁香蕉芳香味。玉米研究HVEFD对玉米干燥特性的影响。明显加快玉米的干燥速率，干燥过程的恒速和降速两个阶段，电场和空气流速的变化对玉米干燥特性的影响不同。季旭[45]等花椒研究HVEFD对花椒的干燥效果。电场和样品铺放量对干燥的影响较为显著，发射极针间距对干燥过程影响不显著，确定花椒精油含量提取率为8.423 mL/100 g。王云龙[46]等枸杞研究多针型发射极——板型集电极配置中离子风和电场对枸杞干燥特性的影响。离子风和非均匀电场均对枸杞干燥特性参数影响较大；随着发射极针距的增大，枸杞的干燥速率逐渐降低。Ni[47]等马铃薯片研究HVEFD技术对马铃薯片的水分含量、微观结构、复水性能、糖含量和能耗等参数的影响。产品外观较好；电压和电极间距影响产品复水率；薯片淀粉在复水过程中损失最大；从干燥速率、产品品质和能耗等方面考虑，高压20 kV、电极间距4 cm的干燥条件是马铃薯片高压电场干燥最佳参数。Yu[48]等枸杞研究HVEFD系统在干燥枸杞过程中能耗、多糖含量等参数的影响。在相同的电场强度下，不同电压和放电间隙下的干燥速率无明显差异；与烘箱干燥相比，HVEFD处理的枸杞多糖含量提高；比能耗随放电间隙和电压的减小而减小；在HVEFD系统中，较低的放电间隙和电压下，可提高干燥速率且降低能耗；在HVEFD过程中，对细胞损伤程度较小。Yang[49-50]等研究HVEFD对枸杞的干燥速率、收缩率、复水性能和维生素C含量等参数的影响。与20 kV、24 kV、28 kV和32 kV相比，枸杞干燥速率分别提高约1.877 7倍、2.001 7倍、2.367 6倍和2.660 8倍。胡萝卜片研究HVEFD对胡萝卜干燥速度率和产品品质的影响。与烘箱干燥相比，采用HVEFD技术处理胡萝卜，干燥产品明显提高干燥速率、胡萝卜素含量和复水性能。Ding[51]等海参研究HVEFD对海参的干燥速率，能耗，产品品质、复水性能、蛋白质等参数的影响。与单独HVEFD相比，其联合真空冷冻干燥的海参品质显著提高，收缩率小、硬度低，复水性能和蛋白质含量高，感官品质好。白亚乡[52]等知母等中药材研究HVEFD对知母等中药材干燥效果影响。HVEFD比热风干燥速率快7.70%~42.86%，干燥后有效成分多保留2.7%~30.0%。丁昌江[53]等（1）HVEFD技术对果蔬、中药材的干燥速率、营养成分等参数的影响。对于HVEFD技术，国内研究结果与国外研究结果保持一致。如在知母等中药饮片的HVEFD试验中发现，HVEFD干燥速率比热风干燥速率高出7.7%~42.86%，干燥后产品的有效成分保留率高出2.7%~30%。（2）HVEFD试验装置部分工艺参数对果蔬干燥速率、效果等参数的影响。研究表明，HVEFD试验装置的发射极与集电极间隙、电压等参数显著影响干燥速率。发射极针间距对干燥速率的影响不明显，被干燥样品的铺放量对干燥速率的影响较为严重。如在枸杞的HVEFD试验中发现，HVEFD技术使得枸杞的干燥速率明显快于传统干燥方法，干燥速率约提高2倍；在花椒的HVEFD试验中发现，电场和铺放量对干燥速率的影响较为显著，但发射极针距的影响甚微。（3）HVEFD技术在能耗方面的优势。研究表明，HVEFD装置具有低能耗性。如在枸杞的HVEFD干燥试验中，HVEFD装置的能耗远低于烘箱干燥能耗，其比能耗随着电极间隙和电压的减小而减小，与国外研究保持一致。研究中没有考虑交流市电到高压直流电的转换耗能和HVEFD装置容量大小对系统总能耗的影响。系统总能耗是将HVEFD技术从实验室规模升级至工业应用级规模的基础数据，但国内外缺乏关于HVEFD系统总能耗数据。（4）利用数学模型开展HVEFD动力学研究。学者将部分HVEFD技术试验结果与数学模型结果进行比较，给出部分适合描述某种果蔬干燥动力学的数学模型。国内暂时没有构建数值模型，开展HVEFD动力学研究的相关文献报道。4HVEFD技术应用前景分析HVEFD技术应用主要表现在以下几个方面：（1）HVEFD技术是一项节能环保技术。（2）HVEFD技术一种设备温度较低的非热干燥，是食品、药材等特色农产品加工行业提升产品效益的重要技术路径。（3）HVEFD技术的研究处于起步阶段，是干燥行业绿色低碳转型发展科技创新高点。近年来，国内外HVEFD技术的研究集中在干燥速率和产品质量的提升方面，已初步获得一些规律。HVEFD技术可以显著提升产品的干燥速率和干燥后产品的感官品质；可以提高干燥后产品的营养成分留存率等。在样品干燥过程中，HVEFD技术可以降低能耗。但HVEFD技术的系统性研究仍缺少基础数据，如系统总能耗、样机优化设计数据、样品装载数据等。因此，加快HVEFD技术研究和应用具有重大意义。