全蛋液雙頻超聲真空干燥與水分遷移規(guī)律研究

白喜婷 侯亞玲 朱文學(xué) 孫國峰

(1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 洛陽 471023； 2.農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備河南省工程技術(shù)研究中心， 洛陽 471023)

0 引言

雞蛋營養(yǎng)豐富、廉價(jià)易得，在我國膳食中占有重要地位。超聲真空干燥技術(shù)是一種食品干燥的新技術(shù)，可用于縮短干燥時(shí)間[1-2]。超聲波主要利用超聲空化效應(yīng)在液體中傳播，因此可通過研究超聲空化氣泡動(dòng)力學(xué)過程來表征超聲作用效果[3]。近些年，雙頻超聲的研究主要集中在提取方向上[4]，有關(guān)干燥方向的應(yīng)用較少，對(duì)于超聲真空干燥全蛋液過程中水分狀態(tài)及其變化規(guī)律的研究十分匱乏。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)(Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)可以快速、準(zhǔn)確地從微觀角度解釋物料內(nèi)部水分狀態(tài)及遷移變化情況[5]。文獻(xiàn)[6]利用低場(chǎng)核磁共振和磁共振成像技術(shù)研究了蝦干燥過程中的水分狀態(tài)；文獻(xiàn)[7]研究了不同花期金銀花紅外干燥過程中的水分分布及狀態(tài)變化。上述研究說明，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)能直觀準(zhǔn)確地分析干燥過程中水分的狀態(tài)和變化規(guī)律。然而，目前利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究超聲真空干燥全蛋液的報(bào)道較少。

本文以全蛋液為研究對(duì)象，探討超聲空化機(jī)理，利用LF-NMR技術(shù)及磁共振成像技術(shù)研究物料內(nèi)部水分的狀態(tài)及變化規(guī)律，以期為雙頻超聲真空干燥的理論研究及應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮雞蛋采購于河南省洛陽市大張超市，并在冰箱中貯藏。采用105℃恒重法，測(cè)得全蛋液的初始干基含水率為3.27 kg/kg[8]。

1.2 儀器與設(shè)備

所用儀器包括：TD-50002型電子天平，余姚市金諾天平儀器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；KMD-M1型超聲波發(fā)生器，深圳市科美達(dá)超聲波設(shè)備有限公司；MINI20-015V-I型低場(chǎng)核磁共振成像分析儀，上海紐邁電子科技有限公司。

對(duì)文獻(xiàn)[9]所用試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，本試驗(yàn)所用雙頻超聲聯(lián)合真空干燥裝置由兩個(gè)超聲電源組成，每個(gè)超聲電源最大輸出功率為900 W(連續(xù)可調(diào))[10]。在尺寸為20 cm×10 cm×10 cm的不銹鋼反應(yīng)器底部粘接了兩個(gè)相同頻率的喇叭形陶瓷壓電超聲波振子，諧振頻率為(28±0.5) kHz。該設(shè)備通過換能器，將聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，并通過不銹鋼反應(yīng)器將超聲波輻射到物料中。超聲波的輻射可使反應(yīng)器內(nèi)物料中的微小氣泡保持振動(dòng)，從而達(dá)到提高干燥效率的目的。在該試驗(yàn)中采用每組槽式超聲換能器的兩個(gè)頻率同時(shí)作用，即雙頻復(fù)合形式。組合超聲系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 組合超聲系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of combined ultrasound system1.真空干燥箱 2.超聲波接收裝置 3.超聲波換能器 4、5.超聲波發(fā)生器

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先研究超聲空化氣泡運(yùn)動(dòng)方程即Rayleigh-Plesset方程，通過Matlab數(shù)學(xué)軟件計(jì)算，進(jìn)行雙頻超聲空化氣泡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。隨后，在超聲波總功率為100 W、溫度為50℃、真空度為-0.1 MPa的全程超聲條件下，超聲波頻率分別取28 kHz、28 kHz+28 kHz，研究超聲波頻率對(duì)干燥特性的影響；利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)研究單頻和雙頻超聲波對(duì)全蛋液內(nèi)部水分狀態(tài)及水分遷移的影響規(guī)律，并結(jié)合磁共振成像技術(shù)研究單頻和雙頻超聲波對(duì)全蛋液內(nèi)部水分狀態(tài)及變化影響規(guī)律。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1樣品制備與預(yù)處理

選擇新鮮雞蛋，經(jīng)過清洗、消毒，將蛋殼與蛋液小心分開，在室溫(20℃)下將全蛋液均勻混合并過濾。每次試驗(yàn)用量為100 g。

1.4.2雙頻超聲空化氣泡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬分析

在介質(zhì)中超聲的機(jī)制包括空化、熱和機(jī)械效應(yīng)，其中空化效應(yīng)是超聲作用的主要機(jī)制。空化效應(yīng)及其強(qiáng)度與超聲頻率和超聲強(qiáng)度有關(guān)[11]。

假設(shè)超聲作用在不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)上，空化泡內(nèi)氣體為理想氣體，空化泡運(yùn)動(dòng)滿足球形對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，且該過程為絕熱過程，根據(jù)Rayleigh-Plesset方程，雙頻超聲空化氣泡的動(dòng)力學(xué)模型表示為[12-14]

(1)

式中R——時(shí)間t處空化氣泡的半徑，m

d2R/dt2——空化氣泡上的質(zhì)點(diǎn)加速度，m/s2

dR/dt——空化氣泡上的質(zhì)點(diǎn)速度，m/s

ρl——液體密度，kg/m3

ph——流體壓力，Pa

σ——液體表面張力系數(shù)，N/m

R0——空化氣泡的初始半徑，m

pv——空化氣泡內(nèi)蒸汽壓，Pa

K——?dú)怏w多變指數(shù)，取1

μ——液體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，Pa·s

fA、fB——A、B兩種超聲波頻率，Hz

pA、pB——A、B兩種超聲波聲壓振幅，Pa

φ——雙頻超聲相位差

在聲壓場(chǎng)中，聲壓振幅和聲強(qiáng)的關(guān)系為

(2)

式中p——聲壓振幅，Pa

I——超聲波聲強(qiáng)，W/m2

c——介質(zhì)中的聲速，m/s

式(1)是關(guān)于空化氣泡半徑R的二階非線性常微分方程，可采用Matlab 2014a提供的一種自適應(yīng)步長的四階-五階Runge-Kutta算法(ode45)進(jìn)行求解，初始條件為：t=0時(shí)，R=R0，dR/dt=0。

假設(shè)溫度為30℃，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，選擇液體介質(zhì)為水，進(jìn)行空化氣泡徑向壁運(yùn)動(dòng)模擬。參照文獻(xiàn)[14]可知：ρl=995.65 kg/m3，ph=1.013×105Pa，c=1 509.2 m/s，σ=0.071 2 N/m，μ=0.801 mPa·s，pv=4 247 Pa；空化氣泡初始半徑取1×10-6m；總聲強(qiáng)為1 W/cm2，即單頻超聲激勵(lì)時(shí)聲強(qiáng)取1 W/cm2，雙頻超聲時(shí)兩種頻率超聲聲強(qiáng)均取0.5 W/cm2。假設(shè)雙頻超聲相位差為零，即φ=0時(shí)，以頻率28 kHz為例，分別計(jì)算空化泡半徑隨單頻和雙頻超聲激勵(lì)的變化規(guī)律。

1.4.3超聲真空干燥全蛋液

本研究在超聲波總功率為100 W、溫度為50℃、真空度為-0.1 MPa、全程超聲的條件下進(jìn)行，超聲波頻率分別取28 kHz、28 kHz+28 kHz，在干燥過程中每隔20 min快速取出樣品稱其質(zhì)量，直至前后兩次質(zhì)量讀數(shù)基本不變時(shí)，干燥結(jié)束，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4.4指標(biāo)計(jì)算

水分比表征樣品在一定的干燥條件下未被干燥除去的水分含量，反映了樣品干燥的快慢，計(jì)算公式為[15]

(3)

式中Mt——干燥至t時(shí)刻的干基含水率，kg/kg

M0——初始干基含水率，kg/kg

Me——平衡含水率，kg/kg

由于Me與Mt、M0相比可忽略，因此式(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

干燥速率計(jì)算公式為[15]

(5)

式中Md——干基含水率，kg/kg

Md,i——ti時(shí)刻的干基含水率，kg/kg

Md,i+1——ti+1時(shí)刻的干基含水率，kg/kg

有效水分?jǐn)U散系數(shù)可根據(jù)Fick擴(kuò)散定律來計(jì)算[16]，計(jì)算公式為

(6)

式中Deff——有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s

b——物料厚度的1/2，m

n——迭代數(shù)

對(duì)于長時(shí)間干燥，式(6)可簡(jiǎn)化為[17]

(7)

將式(7)對(duì)數(shù)線性化，可得

(8)

由式(8)可知，lnMR與t呈線性關(guān)系，其斜率為

(9)

對(duì)lnMR與t進(jìn)行線性擬合，求出斜率k，再由式(9)求出有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。

干燥能耗以每干燥一個(gè)單位質(zhì)量水分的耗能計(jì)算，則干燥過程中總脫水量和干燥能耗為[18]

(10)

(11)

式中m1——總脫水量，kg

m——絕干物料質(zhì)量，kg

C1——物料初始濕基含水率，%

C2——物料最終濕基含水率，%

N——干燥能耗，kJ/kg

P′——功率，kW

1.4.5低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)

當(dāng)設(shè)備溫度穩(wěn)定在32℃左右時(shí)，打開設(shè)備，對(duì)樣品進(jìn)行信號(hào)采集[19]。稱量樣品至(1.00±0.02) g，采用核磁共振分析軟件中的多脈沖回波序列采集樣品的橫向弛豫時(shí)間T2，并利用反演軟件得到T2反演譜。參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)子共振頻率主值21 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)200 010，前置放大倍數(shù)1，采樣等待時(shí)間400 ms，回波時(shí)間0.200 ms，回?fù)軅€(gè)數(shù)5 000，采樣頻率200 MHz，模擬增益20.0 dB，累加次數(shù)16。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4.6磁共振成像

通過多層自旋回?fù)苄蛄胁杉瘶悠返腍+質(zhì)子密度圖像。參數(shù)設(shè)置如下：層數(shù)3，層厚5 mm，層間隙2 mm，重復(fù)采樣等待時(shí)間500 ms，累加次數(shù)2，回?fù)軙r(shí)間20 ms，讀取大小256，相位大小192。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Matlab 2014a數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行模擬；采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用Origin 8.5軟件進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果圖的繪制；采用PASW Statistics 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙頻超聲空化氣泡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬

選擇超聲波頻率分別為單頻28 kHz和雙頻28 kHz+28 kHz的條件下進(jìn)行空化氣泡徑向壁運(yùn)動(dòng)的模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 空化泡半徑隨單頻和雙頻激勵(lì)的變化規(guī)律Fig.2 Variation of cavitation bubble radius with single frequency and double frequency excitation

從圖2可以看出，在頻率為28 kHz的單頻超聲場(chǎng)中，空化氣泡最大半徑是初始半徑的61倍；在頻率為28 kHz+28 kHz的雙頻超聲場(chǎng)中，空化氣泡最大半徑是初始半徑的122倍。在總聲強(qiáng)相同的情況下，與單頻超聲激勵(lì)相比，雙頻超聲激勵(lì)空化氣泡最大半徑增大效果明顯，空化氣泡的振幅明顯變大，較高的聲壓幅度會(huì)使空化進(jìn)行得更加劇烈，空化效果變好[12]。這是由于雙頻超聲中，超聲所產(chǎn)生的空化氣泡可以產(chǎn)生許多新的空化核，這些空化核不僅可以再次生長成新的空化氣泡，而且可以為另一個(gè)超聲提供新的空化核。因此，空化效應(yīng)顯著增加，反應(yīng)器的能量效率也得到加強(qiáng)[13]。同時(shí)，雙頻超聲產(chǎn)生的二次效應(yīng)增強(qiáng)了物料與空氣的交換，間接改變了空化氣泡的初始半徑，增強(qiáng)了空化效應(yīng)。因此，在聲強(qiáng)和其他條件相同的情況下，實(shí)際應(yīng)用中采用雙頻復(fù)合超聲可提高空化效果。

2.2 超聲波頻率對(duì)干燥特性的影響

在超聲波總功率為100 W、溫度為50℃、真空度為-0.1 MPa、全程超聲的條件下進(jìn)行干燥，超聲波頻率分別取28 kHz、28 kHz+28 kHz，不同超聲波頻率下的全蛋液干燥曲線及干燥速率曲線如圖3所示(圖中大寫字母表示當(dāng)p<0.05時(shí)同一時(shí)間點(diǎn)不同頻率的差異顯著性，小寫字母表示當(dāng)p<0.05時(shí)同一頻率不同時(shí)間點(diǎn)的差異顯著性)。

圖3 超聲波頻率對(duì)干燥特性的影響Fig.3 Effects of ultrasonic frequency on drying characteristics

由圖3可知，在總聲強(qiáng)相同的條件下，與單頻28 kHz干燥時(shí)間200 min相比，雙頻28 kHz+28 kHz的干燥時(shí)間約降至140 min，干燥時(shí)間縮短了30%。與單頻28 kHz平均干燥速率0.014 6 g/(g·min)相比，雙頻28 kHz+28 kHz的平均干燥速率為0.020 67 g/(g·min)，提高了41.6%。這是由于使用雙頻超聲，超聲波的波形會(huì)出現(xiàn)疊加相長的情況，振幅大幅度增加，超聲波所產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)都得到了增強(qiáng)，進(jìn)而提高了水分從樣品內(nèi)部向表面的移動(dòng)速度，促進(jìn)了熱滲透及傳熱速率，導(dǎo)致更快的水分蒸發(fā)速率[20]。且數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步證明了雙頻超聲的空化效果要優(yōu)于單頻超聲，雙頻超聲對(duì)全蛋液的作用強(qiáng)度必然顯著增加。差異顯著性分析表明，使用單頻28 kHz，干燥時(shí)間為160、180、200 min時(shí)，水分比之間差異不顯著；使用雙頻28 kHz+28 kHz，干燥時(shí)間為100、120、140 min時(shí)，水分比之間差異不顯著，說明此時(shí)干燥已基本結(jié)束。且在p<0.05時(shí)，單頻與雙頻干燥之間差異顯著，可說明雙頻對(duì)于縮短干燥時(shí)間和提高干燥速率是有效的，進(jìn)而可提高能量效率。

2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)及干燥能耗計(jì)算

將本試驗(yàn)干燥過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為-lnMR與t，并采用Origin 8.5軟件進(jìn)行線性擬合，擬合方程的斜率為k，根據(jù)式(9)計(jì)算得到Deff，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

注：同列小寫字母不同表示差異顯著(p<0.05)，下同。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)是物理和熱學(xué)特性中的重要概念，它被用于描述在食物干燥過程中速率下降期間水分的輸送[1]。由表1可知，雙頻超聲作用于全蛋液時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從使用單頻超聲作用時(shí)的5.178×10-8m2/s增加到1.062×10-7m2/s，增加了1倍。因此，與單頻超聲相比，使用雙頻超聲對(duì)水分?jǐn)U散影響更大。這是由于使用雙頻超聲時(shí)，全蛋液內(nèi)水分子動(dòng)能增大，使得水分?jǐn)U散能力增大。這與干燥速率增加規(guī)律一致。不同頻率對(duì)超聲真空干燥全蛋液的干燥能耗影響差異顯著。使用單頻超聲真空干燥，其能耗約為雙頻超聲真空干燥能耗的1.5倍，說明在其它條件相同時(shí)，使用雙頻超聲比單頻超聲更節(jié)能。

2.4 超聲頻率對(duì)橫向弛豫時(shí)間的影響

全蛋液在干燥過程中伴隨有復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。通過LF-NMR技術(shù)研究不同干燥時(shí)間全蛋液內(nèi)部水分狀態(tài)及水分遷移規(guī)律，可以更好地了解在干燥過程中單頻和雙頻超聲波對(duì)全蛋液內(nèi)部水分狀態(tài)的影響。橫向弛豫時(shí)間和峰面積可反映水分子的性質(zhì)、含量及脫除水分的難易程度，較短的橫向弛豫時(shí)間表示水分子與物料中大分子結(jié)構(gòu)之間存在著緊密聯(lián)系，較長的橫向弛豫時(shí)間則表現(xiàn)為水分子與蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu)之間較低的結(jié)合能以及水分子較高的遷移率[21]。氫質(zhì)子的結(jié)合度與樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度相關(guān)，全蛋液內(nèi)部水分與其他成分之間的相互作用是影響氫質(zhì)子弛豫過程的關(guān)鍵因素。

圖4 超聲頻率對(duì)橫向弛豫時(shí)間影響的反演譜Fig.4 Effect of ultrasonic frequency on transverse relaxation time

單頻和雙頻條件下超聲真空干燥全蛋液的橫向弛豫時(shí)間T2反演譜如圖4所示。從橫向弛豫時(shí)間T2反演譜中可看出，每個(gè)曲線上都有3～4個(gè)波峰，其表示樣品中水分所存在的不同狀態(tài)[22]。按照波峰所在區(qū)域劃分水分狀態(tài)，該反演譜T2的范圍為T21(0.1～1 ms)、T22(1～10 ms)、T23(10～1 000 ms)、T24(1 000～10 000 ms)，其對(duì)應(yīng)的峰面積分別為A21、A22、A23、A24。其中馳豫時(shí)間T21的部分水分子被定義為結(jié)合水，這部分水分子存在于溶質(zhì)或其他非水組分附近，與溶質(zhì)分子之間通過化學(xué)鍵結(jié)合，具有與同一體系中其它水相顯著不同的性質(zhì)。馳豫時(shí)間T22的部分水分子被定義為半結(jié)合水，可以代表與大分子組織結(jié)合的輕度結(jié)合水[6,23]。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，可將馳豫時(shí)間T23和T24的部分水分子一起定義為自由水或游離水，這部分水分子在生物體內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)可以自由流動(dòng)的水，是良好的溶劑和運(yùn)輸工具。

由圖4可知，在整個(gè)干燥過程中，反演圖譜中峰的位置整體向左移動(dòng)，且總信號(hào)幅值減小，橫向弛豫時(shí)間縮短。橫向弛豫時(shí)間越短，說明物料中的水分流動(dòng)性越小。在干燥過程中，前期自由水較易脫除，整體峰面積減少較快，對(duì)應(yīng)的干燥速率較快；中后期，隨著大量自由水的脫除，與之相比，半結(jié)合水與結(jié)合水不易脫除，整體峰面積下降速度減慢，對(duì)應(yīng)的干燥速率降低，這與干燥特性研究結(jié)果一致。

每個(gè)采樣時(shí)間在28 kHz和28 kHz+28 kHz下真空干燥全蛋液的T2和峰面積A2的定量數(shù)據(jù)如表2、3所示。在干燥初期，反演譜中自由水對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值逐漸減小，橫向弛豫時(shí)間逐漸縮短，峰面積也在減小。自由水先脫除，是因?yàn)樽杂伤鲃?dòng)性大，與大分子物質(zhì)結(jié)合的能力弱[25]。峰面積減小的原因是，大部分自由水被蒸發(fā)，小部分自由水在濃度梯度的作用下，一部分轉(zhuǎn)化為半結(jié)合水，另一部分與蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)結(jié)合，使結(jié)合水含量升高[26]。隨著自由水大量脫除，干燥以脫除結(jié)合水、半結(jié)合水為主，表現(xiàn)為結(jié)合水和半結(jié)合水對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值和橫向弛豫時(shí)間逐漸開始減小，到干燥后期，半結(jié)合水大量損失，其峰面積逐漸趨于零[27]。此時(shí)H+通過氫鍵與蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)緊密結(jié)合，則表現(xiàn)為T21所對(duì)應(yīng)的峰面積不再減小，其對(duì)應(yīng)的質(zhì)子庫被指定為與蛋白質(zhì)相互作用的水[28]。

在整個(gè)干燥過程中，T21和T22的橫向弛豫時(shí)間幾乎沒有變化，表明其所代表的水分遷移率不受干燥時(shí)間延長的影響。在干燥過程中，超聲頻率為28 kHz、干燥時(shí)間為140 min及超聲頻率為28 kHz+28 kHz、干燥時(shí)間為40 min和60 min時(shí)，出現(xiàn)T22消失，這可能是因?yàn)檩^高的干燥溫度加速T22的左移，導(dǎo)致T21和T22部分重疊，另一方面，半結(jié)合水容易轉(zhuǎn)化成結(jié)合水或者自由水，導(dǎo)致半結(jié)合水的損失[29]。在頻率28 kHz時(shí)，T23對(duì)應(yīng)的峰面積A23從3 912.892 g-1降至1 425.71 g-1，T24對(duì)應(yīng)的峰面積A24在干燥時(shí)間為140 min時(shí)已完全消失；超聲頻率為28 kHz+28 kHz時(shí)，T23對(duì)應(yīng)的峰面積A23從3 912.892 g-1降至1 302.397 g-1，T24對(duì)應(yīng)的峰面積A24在干燥時(shí)間為80 min時(shí)已完全消失。T24消失，是因?yàn)門23與T24所代表的水分均為自由水，隨著干燥的進(jìn)行，T24所代表的峰向左遷移，與T23所代表的峰重合。根據(jù)文獻(xiàn)[30]的研究，在干燥中后期，自由水已基本除去，然而T23所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值并未趨于零，是因?yàn)門23所對(duì)應(yīng)的峰內(nèi)存在有脂質(zhì)峰，水與脂質(zhì)相結(jié)合使自由水對(duì)應(yīng)的峰面積沒有減小到零[31]。文獻(xiàn)[32]認(rèn)為在橫向弛豫時(shí)間10～100 ms內(nèi)存在脂質(zhì)的特征弛豫峰。文獻(xiàn)[33]在測(cè)量主要蛋黃成分的橫向弛豫時(shí)間時(shí)，認(rèn)為T23所對(duì)應(yīng)的質(zhì)子庫可分配給脂質(zhì)以及脂質(zhì)與水相互作用的質(zhì)子。

表2 28 kHz超聲真空干燥全蛋液的橫向弛豫時(shí)間及峰面積Tab.2 Transverse relaxation time and peak area of whole egg liquid with 28 kHz ultrasonic vacuum drying

表3 28 kHz+28 kHz超聲真空干燥全蛋液的橫向弛豫時(shí)間及峰面積Tab.3 Transverse relaxation time and peak area of whole egg liquid with 28 kHz+28 kHz ultrasonic vacuum drying

2.5 全蛋液干燥過程的核磁共振圖像分析

作為一種非侵入性方法，核磁共振成像技術(shù)(MRI)已被應(yīng)用于顯示食品中水分含量及其分布狀態(tài)。采集在單頻28 kHz和雙頻28 kHz+28 kHz超聲作用下，真空干燥全蛋液不同時(shí)間段的H+質(zhì)子密度圖像，經(jīng)紐邁核磁共振圖像處理軟件處理后得到圖像如圖5所示。

由圖5可知，隨著干燥的進(jìn)行，全蛋液的H+質(zhì)子密度圖像的亮度逐漸降低，紅色區(qū)域持續(xù)減小，表明在干燥過程中，水的松弛信號(hào)越長，含水率越小，這是因?yàn)槌暩稍锼a(chǎn)生的能量被物料吸收轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致物料中水分遷移、蒸發(fā)，大量自由水被除去，圖像變暗[34]。圖中紅色區(qū)域由外到內(nèi)逐漸減小，說明采集到的信號(hào)強(qiáng)度從外到內(nèi)逐漸減小，這是因?yàn)樵诟稍飼r(shí)，物料內(nèi)部水分比表面水分更難脫除，因此物料表面的水分先失去，這時(shí)由于內(nèi)外濃度差，物料內(nèi)部水分會(huì)向外部遷移，圖中對(duì)應(yīng)紅色區(qū)域表現(xiàn)出下降趨勢(shì)[6]。在相同時(shí)間段，相比于單頻超聲干燥，使用雙頻超聲干燥所得到的H+質(zhì)子密度圖像亮度更低，圖像信號(hào)強(qiáng)度更弱，這說明雙頻超聲更易促進(jìn)全蛋液內(nèi)部水分脫除。從圖5還可以看出，圖像顏色明暗相間，這表示干燥樣品中的水分分布不均勻。文獻(xiàn)[35]觀察到在干燥結(jié)束時(shí)，H+質(zhì)子密度圖像已看不到，其圖形難以辨認(rèn)，然而圖5中在干燥最后階段，雖然含水率的降低導(dǎo)致MRI圖像不清楚，但仍可看到MRI圖像。兩者現(xiàn)象不一致，可能的原因是部分水分子與脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致H+質(zhì)子信號(hào)仍可以被采集，這與前文橫向弛豫時(shí)間研究結(jié)果一致。

圖5 單頻和雙頻條件下全蛋液干燥過程中H+質(zhì)子密度圖像Fig.5 H+ proton density image during whole egg liquid drying under single-frequency and dual-frequency conditions

3 結(jié)論

(1)研究了雙頻超聲真空干燥全蛋液的可行性，證實(shí)了雙頻超聲波在全蛋液干燥中的有效性。雙頻超聲空化氣泡運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，相同頻率的雙頻超聲比聲壓幅值為其兩倍的單頻超聲具有更好的空化效果。雙頻超聲干燥試驗(yàn)結(jié)果表明，使用雙頻超聲，干燥時(shí)間縮短了30%，平均干燥速率提高了41.6%，這說明雙頻超聲有利于縮短物料干燥時(shí)間和提高干燥速率，進(jìn)而可提高能量效率。

(2)運(yùn)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)及磁共振成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，使用雙頻超聲時(shí)，T2反演譜圖上總體峰面積的下降較單頻超聲顯著，說明雙頻超聲有利于提高物料內(nèi)水分的流動(dòng)性，更有利于干燥的進(jìn)行。干燥初期，自由水較易脫除，反演譜中其對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值逐漸減小，橫向弛豫時(shí)間逐漸縮短，峰面積逐漸下降；在干燥中后期，結(jié)合水和半結(jié)合水對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值和橫向弛豫時(shí)間逐漸開始減小和縮短。干燥結(jié)束時(shí)，T22所對(duì)應(yīng)的峰面積趨于零。

(3)磁共振成像結(jié)果可直觀顯示物料在干燥過程中水分分布情況。成像結(jié)果顯示，在同一時(shí)間段，雙頻超聲干燥比單頻超聲干燥的H+質(zhì)子密度圖像亮度低，說明雙頻超聲更易促進(jìn)全蛋液內(nèi)部水分脫除。