直觸式超聲功率對梨片超聲強化熱風干燥水分遷移的影響

劉云宏，孫暢瑩，曾 雅

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直觸式超聲功率對梨片超聲強化熱風干燥水分遷移的影響

劉云宏，孫暢瑩，曾 雅

（河南科技大學食品與生物工程學院，洛陽 471023）

為探討直觸式超聲對梨片熱風干燥過程的水分遷移強化效應，在不同超聲功率下進行梨片超聲強化熱風干燥試驗，應用低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技術的自旋-自旋弛豫時間2反演圖譜及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術分析超聲功率對梨片干燥過程中內部水分狀態與遷移變化的影響。結果表明：梨片熱風干燥屬于內部擴散控制，在梨片熱風干燥過程中施加超聲有利于增強內部傳質、加快干燥進程；干燥溫度為45 ℃時，超聲功率升至12、24、36、48 W時，對應平均干燥速率比0 W時分別提高了13.1%、49.1%、83.6%、139.34%，表明提高超聲功率有利于提高脫水速率。掃描電鏡（scanning electron morphology, SEM）觀察發現，施加超聲會導致梨片組織微細孔道的增大與增多，從而有利于水分遷移。LF-NMR結果表明，超聲功率越大，自由水、不易流動水和結合水的峰面積A值變化越顯著，表明提高超聲功率有利于提高水分流動性；結合干燥特性可以看出，干燥過程中首先除去的是自由水，超聲功率由0 W升至48 W，自由水完全被脫除時間由720 min縮短至360 min，表明超聲在自由水存在的情況下能實現較好的聲波能量傳遞及內部水分湍動，進而產生顯著的水分遷移強化效果；超聲功率越大，不易流動水和結合水的脫除速率加快，表明提高超聲功率可增強超聲的高頻振動和擴張作用，有利于減弱組織結構對水分的束縛力并增強水分流動性。MRI圖像直觀顯示出梨片干燥過程中水分減少和水分空間分布變化規律，超聲功率越大，H+質子密度圖紅度值下降越快，說明提高超聲功率有利于加快水分遷移速率。研究結果可為超聲強化熱風干燥的理論研究及技術應用提供參考。

干燥；水分；超聲；梨；低場核磁共振；磁共振成像；水分遷移

0 引 言

梨( Pyrus spp.) 是薔薇科梨屬植物，是人們最喜愛的水果之一[1]。梨含有多種礦物質、糖分、酚類物質、維生素等豐富的營養成分，具有生津，潤燥，清熱，化痰等功效[2-3]。梨除了鮮用之外，將其干制成梨片進行銷售，這不僅能保證梨的食用價值，也拓寬了梨的消費市 場[1,4-5]。熱風干燥是最常用的干燥方式[6]，具有熱效率低、干燥時間長、產品品質不好的缺陷[7]。梨含有大量糖分和膠體物質，對水分的吸附和束縛較強[8]，導致梨在干燥過程中的水分擴散阻力較大。因此，若在不提高溫度的前提下，借助有效措施來降低內部傳質阻力、提高水分擴散，將有利于縮短干燥時間、保護產品品質。

超聲波作為一種機械振動波，在介質內部能夠產生空化效應和機械效應，從而能夠提高水分擴散與遷移[9]，因此，超聲在干燥強化方面的應用正引起人們越來越多的關注。由于氣介式超聲能量衰減大、對內部傳質影響小的不足[10]。因此，采用直觸式超聲來強化干燥過程。直觸式超聲是利用超聲換能器、輻射板、物料三者匹配的超聲裝置，物料放在輻射板上以使超聲能量直接傳入物料內部而不依賴其他介質，從而提升超聲利用率和強化效果。Sabarez等[11]通過對比直觸式超聲強化干燥蘋果片和傳統熱風干燥，發現直觸式超聲可大幅度縮短干燥時間及減少能耗。García-Pérez等[12]通過接觸式超聲強化熱風干燥胡蘿卜和檸檬皮研究，發現超聲能產生更多的組織孔隙，并能提高干燥速率和營養成分含量。目前，超聲強化熱風干燥研究主要側重于超聲對干燥特性和產品品質的影響，然而，有關直觸式超聲對熱風干燥過程中水分狀態和遷移變化的作用機制研究十分匱乏。在干燥過程中，直觸式超聲對物料內部水分狀態和遷移過程產生什么樣的影響，需要通過低場核磁共振進行進一步分析。

低場核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）利用射頻脈沖激發的H+在磁場中的自旋弛豫特性，根據H+在磁場中產生的磁共振信號，可以快速、準確地從微觀角度解釋物料內部水分狀態及遷移變化情

況[13-14]。Jia等[15-17]利用LF-NMR技術，分別研究了小麥、西蘭花、水稻干燥過程中的內部水分變化規律、水分空間分布狀況以及水分廓線特征變化。現有研究表明，作為可視化水分遷移的有效手段，LF-NMR技術能夠準確、直觀地分析干燥過程中水分狀態及水分遷移變化規律，然而，利用LF-NMR技術來探索直觸式超聲強化熱風干燥過程中水分狀態及水分遷移變化的研究鮮見報道。

因此，本文以皇冠梨為原料進行直觸式超聲強化熱風干燥梨片的干燥特性研究，采用掃描電鏡（scanning electron morphology, SEM）觀察不同超聲功率對梨片微觀結構的影響，利用LF-NMR技術從微觀上探討直觸式超聲對梨片熱風干燥過程的強化效應，分析不同超聲功率對干燥過程中梨片內部不同水分狀態及遷移的影響，并結合H+質子密度圖像直觀的探討不同超聲功率對梨片干燥過程中的水分分布空間及遷移的變化規律，本文研究成果以期為超聲強化熱風干燥的理論研究及應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

皇冠梨購于河南省洛陽市大張超市，挑選個體大小均勻、新鮮無損傷，購回后于2～4℃的冰箱中冷藏。采用105 ℃加熱干燥法[18]測得所用梨的初始干基含水率為8.90±0.05 g/g。

1.2 儀器與設備

超聲強化熱風干燥裝置（河南科技大學自制），具體結構和參數見文獻[19]。切片機（德州天馬糧油機械有限公司），DT-2000E型電子天平（常熟市嘉衡天平儀器有限公司），ALC-210.3型電子天平（賽多利斯艾科勒公司），101-3ES型電熱鼓風干燥箱（北京市永光明醫療儀器廠），JSM-6010LA型掃描電鏡（日本電子株式會社），MINI20-015V-I型低場核磁共振成像分析儀（上海紐邁電子科技有限公司）。

1.3 試驗設計

本研究首先在35、45、55 ℃干燥溫度下進行了未施加超聲和施加超聲強化的熱風干燥梨片的試驗，探討不同溫度下直觸式超聲強化熱風干燥特性。隨后，在45 ℃干燥溫度下，采用0、12、24、36、48 W共5個超聲功率水平進行超聲強化熱風干燥，探討不同超聲功率的干燥強化效應，通過掃描電鏡微觀觀察不同超聲功率對梨片表面組織結構的影響，利用低場磁共振弛豫（magnetic resonance spectroscopy，MRS）技術研究不同超聲功率對梨片內部水分狀態及水分遷移的影響規律，并結合磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI) 技術得到的H+質子密度圖像來研究不同超聲功率對梨片內部水分分布空間及水分遷移的影響規律。

1.4 試驗方法

1.4.1 梨片干燥處理

預試驗結果表明，雖然本研究所用超聲系統的工作頻率可在20~100 kHz之間調節，但其諧振頻率為28± 0.5 kHz，在這個頻率下超聲輻射板振動最為強烈，頻率過大和過小均由于超聲換能器內部及與輻射板的不匹配而導致超聲輻射強度明顯變弱，因此，本研究固定超聲頻率為28 kHz。為更好探索超聲功率對干燥過程及物料內部水分的影響，固定干燥倉內吹過物料上方的風速為1 m/s，并未采用很高的干燥介質流速。每次干燥前，將梨洗凈去皮，用切片機切成厚度為5 mm、直徑為5 cm的圓形薄片。干燥時，將梨片（約70 g）均勻平鋪在超聲強化熱風干燥機中的超聲振動圓盤上，將超聲發生器的工作方式設定為連續工作。干燥過程中每隔30 min將物料連同超聲輻射裝置迅速取出稱其質量，然后迅速放回繼續干燥，直至連續2次質量讀數基本不變時結束干燥，每次所稱質量減去超聲輻射裝置質量即為物料質量。每組試驗均重復3次。

1.4.2 指標計算

干基含水率的計算公式為[20]

式中為物料干基含水率，g/g；M為時刻物料質量，g；d為絕干物料質量，g。

干燥速率的計算公式為[21]

式中DR為干燥速率，g/(g·min)，M和MΔt分別為干燥時間和Δ的干基含水率，g/g。

1.4.3 梨片表面結構的電鏡掃描檢測

利用SEM觀察與超聲輻射板接觸的梨片表面微觀結構，電鏡放大倍數設置為300 倍。

1.4.4 LF-NMR檢測

試驗中應用低場核磁共振分析儀，溫度穩定在（32±0.05）℃范圍內，打開低場核磁共振分析軟件，對每個樣品進行信號采集。稱量每個樣品的質量在（0.60± 0.005）g后，放入LF-NMR專用玻璃管中，并置于磁體永久磁場中心位置的射頻線圈中心，利用多脈沖回波序列（carr-purcell-meiboom-gill, CPMG）采集樣品的自旋-自旋弛豫時間2，重復測定3次以補充數據，最后利用反演軟件將數據反演的迭代次數設為10萬次得到2反演譜。相應參數設置如下：質子共振頻率主值SF=21 MHz，采樣點數TD=1 080 020，前置放大倍數PRG=1，采樣等待時間TW=400 ms，回波時間TE=0.300 ms，回撥個數NECH=18 000，采樣頻率SW=200 MHz，模擬增益RG1=20.0 dB，累加次數NS=64。

1.4.5 磁共振成像（MRI）

每次將圓形薄片樣品從中間切成長2 cm、寬1 cm、厚度為干燥過程時梨片實際厚度的樣本，放入長度20 cm、直徑1.5 cm的玻璃管中并置于磁體永久磁場中心位置的射頻線圈中心，采用多層自旋回撥序列（multi-slice spin echo，MSE）采集樣品切面的H+質子密度圖像。成像參數：層數4，層厚2.8 mm，層間隙1.5 mm，重復采樣等待時間500 ms，累加次數2，回撥時間20 ms，讀取大小256，相位大小192。

1.5 數據處理

采用Excel 2010軟件進行數據整理；采用SPSS17軟件多重比較法對數據進行顯著性分析（<0.05）；采用 Origin 9.1 軟件進行試驗結果圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 超聲功率對梨片熱風干燥特性的影響

2.1.1 不同溫度下熱風干燥及超聲強化熱風干燥梨片的干燥特性

在不同干燥溫度下，未施加超聲和施加48 W超聲的梨片熱風干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示。

圖1 不同溫度下熱風干燥及超聲強化熱風干燥梨片的干燥曲線和干燥速率曲線

由圖1a可知，在干燥溫度35、45、55 ℃條件下，單一熱風干燥所需干燥時間分別為2 400、1 440、1 140 min，在施加了功率為48 W的超聲后，干燥時間分別縮短至960、600、480 min，減少幅度分別為60.0%、58.3%、57.8%，方差分析結果表明超聲功率以及溫度對干燥時間均具有顯著影響（<0.05）。可見，在熱風干燥中采用直觸式超聲進行強化，能夠顯著縮短干燥時間，從而提高干燥效率。由圖1b可以看出，梨片干燥過程呈明顯的降速干燥，說明梨片干燥屬于內部擴散控制，內部擴散阻力決定了傳質過程的快慢。施加超聲后能夠有效提高干燥速率，說明超聲能夠通過減少內部擴散阻力來提高內部傳質速率。將物料直接放在超聲輻射盤上，超聲輻射板產生的超聲波能直接傳入物料并作用于物料內部，高頻超聲的空化效應能在物料組織內部快速產生大量微泡并隨即爆破，微泡爆破瞬間會產生強大的動能和壓縮能[22-23]，超聲的機械效應會使物料組織結構發生高頻、反復擴張和收縮[24]。這些效應能提高組織內部水分的湍動并提高水分子能量，減弱與質壁結合緊密的水分的吸附力[25]，從而提高水分遷移能力。Chemat 等[22]認為超聲的“微擾”作用能夠增強熱風干燥過程中水分子的各種運動、減少物料組織對水分子的束縛，從而促進水分遷移。Liu 等[19]認為在熱風干燥過程中采用超聲強化，還能擴張物料內部細胞間隙和毛細微管，增大傳質通道，也有利于內部水分的向外遷移。

2.1.2 不同超聲功率對梨片超聲強化熱風干燥特性的影響

以熱風溫度45 ℃時為例，不同超聲功率下的梨片熱風干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。由圖可知，超聲功率為0 W時（未施加超聲）所需干燥時間為1 440 min，當超聲功率升至12、24、36、48 W時，所需干燥時間分別縮短至1 260、960、780、600 min，對應的減少幅度分別為12.5%、33.3%、45.8%、58.3%。超聲功率為12、24、36、48 W時的平均干燥速率分別為0.69、0.91、1.12、 1.46 g/（g·min），與0 W對應的平均干燥速率0.61 g/（g·min）相比，分別提高了13.1%、49.1%、83.6%、139.34%。可見，在梨片熱風干燥中應用直觸式超聲，超聲功率越大，干燥速率越快、干燥時間越短，對應的強化效果越明顯。超聲功率為12 W時對應的強化效果要遠弱于其它超聲功率水平，根據圖2也可看出其干燥曲線和干燥速率曲線與單一熱風干燥的干燥曲線和干燥速率曲線較為接近，這可能是由于超聲功率為12 W時的功率密度較低（0.17 W/g），其超聲強度不足以對物料內部的水分湍動及微細通道產生明顯作用，從而強化效果極其有限。隨著超聲功率的增大，超聲產生的機械效應和空化作用越強，越有利于提高物料內部水分的湍動及流動性、減弱水分與細胞組織之間的吸附力[23, 25]，從而能夠實現傳質速率的有效提高，進而顯著縮短干燥時間。

圖2 不同超聲功率下超聲強化熱風干燥梨片的干燥曲線和干燥速率曲線

在氣介式超聲強化熱風干燥梨片的研究[26]中，在溫度50 ℃、超聲輻射距離10 cm的條件下，將熱風干燥時間縮短30.7%所需氣介式超聲功率為150 W，而在本研究中，在干燥溫度45 ℃時施加功率為24 W的直觸式超聲即能實現33.3%干燥時間的縮短幅度。這一方面可能是所用設備不一樣而產生不同的干燥強化結果，另一方面也說明直觸式超聲能利用較低的功率實現良好的強化效果。

2.1.3 不同超聲功率對熱風干燥梨片微觀結構的影響

以熱風溫度45 ℃條件下的超聲強化熱風干燥過程為例，超聲功率為0、12、24、36、48 W時，與超聲輻射板接觸的梨片表面微觀結構如圖3所示。由圖可見，在未施加超聲時，由于干燥過程中梨片組織結構的不斷收縮，梨片表面結構較為致密，毛細孔道的數目不多、尺寸不大，這會增大水分擴散阻力，從而不利于水分遷徙。當施加功率為12 W的超聲強化時，可以看出梨片表面微觀結構仍較為致密，說明12 W的超聲只能對促進物料內部水分遷移有一定的積極作用，但其功率較低，不足以改變梨片的組織結構及擴張微細孔道。當施加功率24 W的超聲進行干燥強化，梨片表面微細孔道的數目明顯增多、尺寸也有所增大，這可能是超聲的空化效應及微擾效應除了能夠強化梨片水分湍動，其微泡爆破和高頻振蕩會減弱組織收縮、增大微細孔道，從而有利于干燥過程的水分遷移與流動。當超聲功率提高至36 W及48 W時，梨片表面組織結構已較為疏松，且微細孔道尺寸明顯增大，說明超聲功率越高，超聲對梨片組織的空化和機械效應越顯著，越有利于水分遷移通道的保持。Chemat 等[22]發現超聲能在增強水分湍動、提高水分流動性的同時還能減弱物料內部微毛細管收縮。García-Pérez等[12]也發現在胡蘿卜和檸檬皮熱風干燥中施加超聲，可以提高組織結構的孔隙率，進而有助于物料內部水分的向外遷移。

圖3 不同超聲功率下超聲強化熱風干燥梨片微觀結構的SEM圖片

2.2 超聲功率對NMR反演譜總信號幅值的影響

本研究以干燥溫度45 ℃為例，研究超聲功率對梨片熱風干燥過程中水分狀態變化的影響。在45 ℃時，不同超聲功率下的超聲強化熱風干燥梨片的自旋-自旋弛豫時間2反演譜如圖4所示。由于新鮮梨片的含水率高，導致2在>100 ms時出現2個明顯的波峰，干燥一段時間后，這2個峰逐漸減小為1個峰，因此>100 ms的2個波峰代表著1種狀態水峰。通常水分在果蔬中可以分為3種狀態：自由水、不易流動水和結合水[27]。參考王雪媛等[28-29]對蘋果、櫻桃等水果內部水分研究及本試驗中梨片2反演譜，得到梨片3種水分狀態分別對應為：結合水21（0.01~10 ms）、不易流動水22（10~100 ms）和自由水23（>100 ms）。結合水是存在于梨片細胞壁中通過氫鍵與蛋白質、糖類等大分子形成的水分；不易流動水是指存在于細胞質和細胞外隙中親附于膠體表面的水分，流動性介于結合水和自由水之間，容易發生轉化；自由水是指存在于梨片液泡、原生質和細胞間隙中相對自由流動的水分[30-32]。峰面積表示不同水分狀態弛豫時間內對應的信號幅值和，可代表該狀態水分的相對含量，峰面積占總信號幅值0的比例為峰比例。3種水分狀態弛豫時間21、22、23對應的峰面積分別為21、22、23，對應的峰比例分別為21、22、23，其中0=21+22+23。

由圖4可見，隨著干燥的進行，2反演圖譜整體向左移動，信號幅值減小，弛豫時間縮短，這與圖2的干燥特性研究結果一致。弛豫時間越短，水分流動性越小；弛豫時間越長，水分流動性越大。干燥早期以脫除自由水為主，自由水流動性大，梨片中H+質子與大分子物質相結合能力弱，表現出弛豫時間2較長；隨著自由水大量的脫除，干燥以脫除不易流動水為主，此時梨片內部水分流動性減小，到干燥后期，則以脫除結合水為主，此時梨片中H+質子通過氫鍵與蛋白質、糖類等大分子形成緊密難以脫除或轉化的水分，表現出弛豫時間2短，從而導致2反演圖譜整體是向左移動，信號幅值整體減小[28]。

圖4 不同超聲功率下超聲強化熱風干燥梨片的自旋-自旋弛豫時間反演譜

由圖4的2反演圖譜還可看出，在干燥前期，超聲功率越大，反演譜中的自由水23對應的信號幅值減少的越多、弛豫時間越短。這是因為自由水主要存在于液泡、原生質和細胞間隙中，流動性較大，提高超聲功率能增強其空化效應和機械效應，致使梨片細胞間隙擴大，同時也產生更多的微細孔洞，從而使自由水快速的遷移。干燥前期，不易流動水22和結合水21的信號幅值和弛豫時間隨著干燥的進行而逐漸增加，且超聲功率越大，增加得越多。這是由于隨著脫水的進行以及組織液濃度的升高，超聲功率越大，物料中的生化反應越強烈，高自由度水分向低自由度水分的遷移轉化速率越快[13]。干燥中后期，梨片不易流動水和結合水的信號幅值和橫向弛豫時間隨著自由水的脫除而逐漸開始減小，超聲功率越大其脫除速率越快。這是由于超聲波在物料內部傳播時，能夠引起物料更強烈的高頻振動，可破壞不易流動水及結合水與物料內部之間的作用力，致使不易流動水及結合水逐漸減少[33]。Jia等[15]利用LF-NMR研究了西蘭花干燥過程的水分狀態變化，也發現其不易流動水和結合水含量會隨著干燥進行而不斷變化。

2.3 超聲功率對自由水遷移變化的影響

在超聲功率0、12、24、36、48 W時，梨片干燥過程的自由水變化規律如圖5所示。由圖5a可見，在干燥過程中，5種超聲功率下梨片的自由水整體呈現下降趨勢，超聲功率為0、12、24、36、48 W時，自由水完全被脫除的時間分別為720、660、600、480、360 min，超聲功率為48 W時自由水完全脫除時間顯著少于未超聲時所需時間（<0.05）。綜合圖5與圖2的水分變化規律，結果表明在干燥過程的含水率變化中，在上述時間節點之前主要以脫除自由水為主，且在干燥中期時，自由水已基本除去。由圖5b可知，隨著干燥進行，超聲功率越大，自由水向外遷移的速率就越快，其峰比例下降的越快。結合梨片表面微觀結構SEM圖可以看出，超聲功率增大時，梨片間隙增大同時還產生大量微孔道，自由水外遷受到的束縛力減小，有利于增加其流動性，從而縮短自由水被完全脫除時間。圖5a自由水的峰面積變化曲線和圖2a梨片的干燥曲線相似，說明干燥過程中自由水含量變化直接影響干燥結果。這與劉宗博等[30]研究雙孢菇遠紅外干燥過程中自由水遷移結果類似。

2.4 不同超聲功率對不易流動水遷移變化的影響

在不同超聲功率條件下，梨片干燥的不易流動水變化曲線如圖6所示。隨著自由水被脫除，不易流動水也開始發生相應遷移。由圖可見，在5種超聲功率作用下，梨片在干燥過程中的不易流動水整體呈現先增后減的趨勢。

在干燥前期，不易流動水峰面積22隨干燥時間的延長而呈現增加的趨勢。這可能是由于干燥初期自由水被脫除后導致梨片內的糖類碳水化合物濃度升高，造成細胞液濃度差，在濃度梯度作用下自由水向不易流動水遷移[28]，另一方面可能是梨片細胞質內營養物質及酶分解出的結合水向不易流動水遷移[28,32]。干燥后期不易流動水峰面積呈現下降的趨勢，這是由于超聲直接作用于物料內部組織，從而使物料內組織結構產生“海綿效應”[32]，降低不易流動水所受到的束縛力，從而提高其流動性。超聲功率越大，對不易流動水的影響越顯著（<0.05）。這可能是超聲直接作用于物料內部組織，從而使物料內組織結構產生“海綿效應”，超聲功率越大，產生的“海綿效應”越顯著，內部水分遷移速率越快[33]，越有利于不易流動水的脫除。

圖5 不同超聲功率對自由水遷移變化的影響

2.5 不同超聲功率對結合水遷移變化的影響

不同超聲功率對結合水遷移變化的影響如圖7所示。由圖7a可見，5種超聲功率的梨片在干燥過程中結合水整體均呈現先增后減的趨勢。

在干燥前期，結合水21隨干燥時間的延長而呈現增加的趨勢，一方面，自由水含量減少，造成梨片細胞活性降低及組織液濃度升高，促使一些水分通過氫鍵與梨片內部大分子聯接而形成結合水[29, 34]，另一方面，隨著自由水的脫除，梨片內部流動性減小，部分不易流動水向細胞壁遷移，造成細胞壁果膠分子內親水基團與不易流動水中H+質子間發生轉換，產生氫鍵鍵能較弱的物理結合水[35]。由圖可知，在干燥前期的同一干燥時間時，超聲功率越大,結合水峰面積越大，這是由于干燥前期主要是脫除的是自由水，超聲功率越大，脫除的自由水越多，梨片細胞組織收縮的越嚴重，梨片內部組織結構對水分的吸附力與束縛力增大，促使一些高自由度的水分通過氫鍵與大分子物質的活性基團結合后，其吉布斯自由能上升、流動性大幅下降，從而轉化為吸附力較強的結合水[13]。由圖還可看出，超聲功率越大，結合水最大峰面積越小，這是因為超聲功率越大，水分子內能越強，物料內部水分向外遷移的速度就越快[36]，相對較少的自由水轉化為不易流動水，相對結合水也較少。

圖6 不同超聲功率對不易流動水遷移變化的影響

圖7 不同超聲功率對結合水遷移變化的影響

在干燥后期，結合水峰面積曲線隨著自由水的全部脫除后而開始呈現下降的趨勢，超聲功率為48 W時的下降趨勢更顯著（<0.05）。這一過程對應著圖2中干燥曲線后端的變化較緩慢部分，這一部分的干燥速率低、水分脫除慢。這是因為當自由水被全部脫除后，不易流動水及結合水開始脫除，這時，由不易流動水結合果膠大分子等產生的結合水和鍵能較弱的結合水也開始逐漸被干燥脫除，同時梨片內部酶和營養物質的受熱分解使部分結合水向不易流動水遷移，超聲功率越強，其高頻振動對上述現象的影響越顯著。但是由于一些鍵能較強的結合水無法脫除，因此，在梨片干燥過程中，結合水對干燥效果的影響較小。

2.6 梨片超聲強化熱風干燥過程的MRI圖像

在0、12、24、36、48 W超聲功率下的梨片超聲強化熱風干燥的H+質子密度圖像如圖8所示。含水率的多少用不同的顏色表示，如圖中右側圖例所示，其中，紅度值越大代表H+質子越多、含水率越多，紅度值減小甚至向藍度值轉變，表明含水率減小。利用MRI圖像可以直觀了解梨片干燥過程中水分分布空間。由圖可知，新鮮梨片的含水率高、分布較為均勻，隨著干燥時間的延長，與熱風接觸的物料表面水分首先減少，產生的水分濃度差會推動物料內部水分逐漸向熱風接觸面遷移，對應的紅度值也表現出下降的趨勢。這一現象與Hwang等[17,37]利用MRI分別研究水稻和玉米干燥過程中的H+質子密度圖像變化規律相近。超聲功率越大，MRI圖的紅度值下降地越快，說明超聲的機械效應和空化效應能夠促進水分向蒸發表面遷移。隨著干燥的進行，物料持續收縮，這是由于水分不斷減少而產生的收縮應力而導致物料組織結構收縮。同時，物料H+質子密度圖像面積不斷減少，且梨片內部H+質子密度圖像變化較緩，說明由于傳質阻力大，物料內部水分比表面水分更難脫除。在同一時間下，超聲功率為48 W時物料的H+質子密度圖像面積要小于其他超聲功率時的H+質子密度圖像面積，表明超聲可以促進物料內部水分遷移。由600 min的MRI圖可知，超聲功率為0、12、24、36 W時物料內部還殘存一些水分，而48 W超聲功率下物料的MRI圖已看不到H+質子密度圖像，表明自由水已全部脫除，且超聲功率為48 W時比其他超聲條件更快地達到干燥終點，說明在梨片熱風干燥過程中施加超聲能夠對物料內部水分產生顯著影響，從而更快地脫除水分。

圖8 不同超聲功率下的梨片熱風干燥過程中H+質子密度圖像

3 結 論

本文利用SEM、LF-NMR及MRI等方法，從微觀上系統分析了超聲功率對梨片熱風干燥水分遷移的強化效應。

1）在梨片熱風干燥過程中施加12~48 W超聲后，干燥時間可縮短12.5%~58.3%，平均干燥速率可提高13.1~139.34%，表明在干燥過程中施加直觸超聲有利于加快干燥進程，且超聲功率越高，對干燥進程的強化效果越明顯。SEM結果表明，超聲功率越高，越有利于在梨片表面形成更疏松的組織結構，微細孔道越大、越多，從而越利于梨片內部水分遷移。

2）LF-NMR結果表明，流動性最大的自由水在梨片干燥過程中最先被脫除，超聲功率由0 W升至48 W，自由水完全被脫除時間由720 min縮短至360 min，表明提高超聲功率有利于加快自由水向外遷移速率。結合水及不易流動水整體呈現先上升后下降的趨勢，超聲功率越大，對脫除不易流動水及結合水的影響越顯著，表明超聲功率越大能提高梨片內部水分的湍動及水分子能量，減弱細胞組織對水分的吸附力，從而有利于吸附力較強的水分脫除。超聲功率增大有利于提高水分流動性和促進內部水分遷移。MRI圖像的H+質子密度圖可形象直觀地表征梨片干燥過程的水分分布變化規律，在干燥過程中，含水率持續減少、含水區域不斷變小，且超聲功率越大，脫水所需時間越短，表明提高超聲功率有利于加快水分遷移。

綜上所述，采用低場核磁技術可以快速、直觀地檢測到直觸式超聲對梨片熱風干燥過程水分遷移的強化效應，且超聲功率越大，產生的強化效應越強烈、越有利于干燥過程的水分遷移。

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Effect of contact ultrasound power on internal moisture migration of pear slices during ultrasound enhanced hot air drying

Liu Yunhong, Sun Changying, Zeng Ya

(471023,)

Ultrasound strengthening technology has gained more and more attention in drying research, however, the strengthening mechanism of ultrasound on water status and moisture migration during drying has been unclear until now. In order to investigate the strengthening effect of contact ultrasound on moisture migration of pear slices during hot air drying process, the experiments of ultrasound reinforced hot air drying on pear slices were conducted with different ultrasound powers. The scan electric microscope was used to observe the surface microstructure of dried pear slices at different ultrasound powers. The low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology and nuclear magnetic resonance imaging (MRI) technology were applied to analyze the influence of ultrasound power on internal water state and moisture migration of pear slices during hot air drying. The results showed that hot air drying of pear slices belongs to internal diffusion control, and the reduction ratios of drying time were 60.0%, 58.3% and 57.8% when contact ultrasound of 48 W was applied in hot air drying of pear slices at 35, 45 and 55 ℃, respectively, which indicated that the application of contact ultrasound could significantly accelerate drying process. The drying time reduced from 1440 min to 1260, 960, 780, 600 min when contact ultrasound assistance at 12, 24, 36, 48 W was applied in hot air drying of pear slices at 45 ℃, which showed that higher ultrasound power could lead to higher water removal rate and shorter drying time. The results of scan electric microscope showed that the application of ultrasound could improve the number of micro-capillaries as well as enlarge the size of micro-capillaries, and higher ultrasound power produced looser microstructure of pear surface that was contacted with ultrasound radiation board, which was favorable to moisture migration and water diffusion. The LF-NMR results showed that the peak amplitudes of inversion spectrum kept decreasing during the drying process and higher ultrasound power led to faster decreasing rate of the amplitudes, which represented that free water, immobilized water and bound water inside pear slices changed and migrated during drying process, and higher ultrasound power could accelerate the migration of the 3 kinds of water. Free water, with the greatest mobility and the highest content, was the first kind of water for total removal. The removal time of free water was 720, 660, 600, 480 and 360 min at ultrasound powers of 0, 12, 24, 36 and 48 W, respectively. Ultrasound showed great strengthening effect on free water removal, which indicated that ultrasound could achieve good energy transmission and strong water turbulence at the existence of free water. The contents of immobilized water and bound water decreased during the drying, however, the immobilized water and bound water inside pear slices could not be removed completely. The peak areas became smaller with the increase of ultrasound power, which indicated that the increase in ultrasound power could improve water mobility and reinforce moisture migration. The MRI results showed the change of moisture content and water distribution at different ultrasound powers during the drying process, and higher ultrasound power caused faster moisture reduction, which indicated that the MRI images could visually illustrate the change and transformation of water inside pear slices and the application of ultrasound could accelerate internal moisture migration significantly and increase drying rate. The research can present reference to the theoretical study and technical application of ultrasound enhanced hot-air drying technology.

drying; moisture; ultrasonics; pear; low-field nuclear magnetic resonance; nuclear magnetic resonance imaging; moisture migration

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036

TS255.3

A

1002-6819(2018)-19-0284-09

2018-05-02

2018-08-14

國家自然科學基金資助項目（U1404334）；河南省高校創新人才資助項目（19HASTIT013）；河南省高校青年骨干教師資助項目（2015GGJS- 048）

劉云宏，副教授，博士，主要從事農產品干燥理論與技術研究，Email：beckybin@haust.edu.cn

劉云宏，孫暢瑩，曾 雅. 直觸式超聲功率對梨片超聲強化熱風干燥水分遷移的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(19)：284－292. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036 http://www.tcsae.org

Liu Yunhong, Sun Changying, Zeng Ya. Effect of contact ultrasound power on internal moisture migration of pear slices during ultrasound enhanced hot air drying [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 284－292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036 http://www.tcsae.org