超聲處理對果蔬干燥速率及品質的影響

任廣躍 ， 靳力為 ， 段 續 ， 張樂道

（1.河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽471023；2.糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 洛陽471023）

超聲波為頻率高于20 kHz的聲波，具有良好的方向性，在水中傳播距離遠，穿透能力較強等特點。在醫學，軍事，工業和農業都有很多應用。超聲波在食品工業中的超聲滅菌、干燥、過濾、清洗等方面應用十分廣泛，超聲波技術在微生物代謝、酒類發酵、食品檢測等方面也取得最新的應用[1]。

干燥是食品重要的保藏方法之一，通過干燥可以延長食品的貨架期，降低食品的各項成本。隨著消費者生活水平的日益提高，對干燥食品的需求和質量要求也逐漸增高，傳統的熱風干燥雖普遍使用，但已經很難滿足當前市場對干燥食品的需求，目前真空冷凍干燥、紅外干燥、熱風干燥、熱泵干燥等都是應用較為廣泛的食品干燥技術，這些技術雖然都各有優點，但是部分單一的干燥方法存在干燥時間長，能耗較高，造成較高的環境污染；另外，有些干燥方法對設備要求較高，干燥品質一般等，導致干燥食品成本增加而質量并未得到很大提高[2]。

超聲波既可以作為單一干燥方式對食品進行加工，其特點是無需升溫就可將水分從固體中去除，也可作為預處理應用于其他干燥方法之前，還可以與其他干燥方法協同作用，加快水分脫除的速度以及降低固體中殘留水分含量，進而可提高干燥效率，降低能源消耗以達到降低干燥成本的目的。

現今，研究者對超聲波前處理如何提高食品干燥效率的作用機理可歸納為以下幾點：當物料經過超聲波處理后，由于受到反復的拉伸和壓縮作用，物料不斷收縮和膨脹，從而形成海綿狀結構，當該結構效應所產生的力大于物料內部的微細管內水分表面附著力時，水分就更易從微小管道中遷移出來；在超聲波的空化作用下，空化氣泡的形成、增長和劇烈破裂以及由此所引發的一系列理化作用，有助于脫去物料內部與之結合緊密的水分；超聲波的作用加速物料內部形成細微孔道，降低傳熱表面層厚度，提高對流傳質速率[3-4]；超聲波的應用可以在干燥過程中減少外部傳質阻力，甚至比增加的空氣流速還要大，并且在影響內阻的同時，避免了表面硬化的不良影響[5]。

1 超聲處理對高品質物料脫水的影響

1.1 超聲處理對真空冷凍干燥的影響

真空冷凍干燥（Vacuum Freeze-Drying），是指先將物料凍結到共晶點溫度以下，在低壓狀態下，通過冰的升華作用去除物料中水分的干燥方法，屬于物理脫水。一般的干燥方法是將物料內部的水由液態轉變為氣態，而真空冷凍干燥是將物料內部的水分先由液態變為固態再由固態直接升華為氣態[6]。

真空冷凍干燥需在高真空條件下加熱使冰晶升華，由于沒有對流，傳熱效率很低，處理高含水量果蔬物料通常需要30 h以上的時間。此外，干燥過程中的加熱系統、真空系統、大功率制冷系統的長時間運轉使得凍干運行成本十分高昂。超聲協同處理可以不同程度地提高FD的脫水效率，表1列出了超聲波預處理對FD的不同影響。

Ozuna，César等[7]通過研究超聲波在鹽漬鱈魚低溫對流干燥中對產品顏色的影響，發現超聲波促進了鱈魚透明度和黃度的增加，超聲波對低溫對流干燥的增強可以構成冷凍干燥的可負擔的替代方案，但其僅限于高質量食品。

分析表1可知，超聲處理可明顯提高干燥速率，優化干制品品質。除此之外，劉寶華等[14]經過試驗發現，豆腐經300 W超聲處理10 min后，隨著超聲功率的提高，豆腐的平均粒徑和豆腐的析水率逐漸降低，豆腐的硬度、彈性、粘聚性和咀嚼性以及冷凍干燥豆腐復水率逐漸增高。金瑋玲等[15]將香菇切片后在漂燙液中漂燙護色2～3 min，或直接放入蒸籠中熏蒸6 min，快速冷卻后放入浸漬液中超聲處理20 min，經過對比試驗發現漂燙超聲浸漬處理的香菇脆片較其他預處理方式白度最白，偏紅偏黃趨勢最小。周兵等[16]將脫鹽鴨蛋清經超聲波預處理后進行干燥制粉，結果發現超聲波預處理能有效改善蛋清蛋白質的功能特性，使得與未經超聲波預處理的蛋清粉的凝膠性能、乳化性以及乳化穩定性、起泡性及起泡穩定性等特性有明顯差異。

由于單一真空冷凍干燥要求條件較高，干燥時間較長，干燥后物料品質較為一般，引入超聲波前處理后大大縮短了干燥時間，提升了干燥效率，降低能耗，從而節約了干燥成本；干燥過后物料的復水率也有較好的提高，總體干燥品質較單一真空冷凍干燥也有所提高。Katharina Sch?ssler等[17]通過研究用于蔬菜冷凍干燥過程中的接觸式超聲系統，以紅甜椒塊作為研究對象，發現達到最終水分含量所需干燥時間比未加入超聲波處理的減少了11.5%，且超聲處理對產品體積密度，抗壞血酸含量，顏色和復水率等方面均為產生負面影響。

超聲波可以對結晶作用起到輔助作用，超聲波可補充和強化形成臨近涇河的波動能而加速結晶過程，超聲波還可控制結晶生長的速度，使晶體細小而均勻，在真空冷凍干燥中由于超聲波作用而形成的細小冰晶可降低干燥過程中對物料的損害[18-20]，因此可生產出高品質的產品。超聲增強冷凍的過程是一個較為復雜的過程，Saclier M等[21]對超聲增強冷凍的過程進行了研究，建立了超聲誘導冰晶一次成核的理論模型，該模型建立在汽蝕氣泡坍塌過程中形成的高壓增加了水的平衡凍結溫度，進而提高過冷水平，促進冰成核的理論基礎上，建立了超聲振幅、過冷度等工作參數與核數的關系。

真空冷凍干燥過程實際是物料中的冰在一定溫度下升華，由于超聲波的作用給水分子升華提供了更多能量，并且超聲波對物料產生的空化效應或者組織破碎從而形成更多微孔道，加速水分的逸出，但如果功率過大，可能會導致物料組織內部破壞劇烈，物料發生解凍和塌陷，反而不利于水分的逸出，導致凍干時間增加，復水率降低[22]。

表1 超聲波預處理對真空冷凍干燥的影響Table 1 Effect of ultrasonic pretreatment on vacuum freeze-drying

1.2 超聲處理對常壓冷凍干燥的影響

當含濕物料凍結后，如果在常壓條件下使其周圍的水蒸氣分壓低于生化界面上的飽和蒸汽分壓，則冷凍物料的水分即可得以升華，也就是說FD處理就可以在常壓狀態下進行，即常壓冷凍干燥（Atmospheric Freeze Drying，AFD）。與 FD 相比，AFD不設置真空系統，理論上可以節省約1/3的能耗。但目前AFD技術最突出的問題是干燥時間太長，通常是真空冷凍干燥的3～4倍，過長的干燥時間也增加了其他系統的能耗，故節能效果并不明顯，這也同樣制約了AFD的實際應用。

SantacatalinaJ V等[23]運用超聲波在胡蘿卜AFD中，試驗發現干燥速率有效提高，且AFD有效水分擴散率提高73%。另一方面使用超聲波強化的AFD樣品復水能力較未經過超聲處理的樣品高，干燥樣品硬度差異不顯著（p＜0.05）。 Moreno C 等[24]通過研究如超聲波的應用對蘋果AFD干燥過程以及樣品質量和抗氧化能力的影響發現超聲處理進一步降低了TPC、AA和AC的含量，可能是由于超聲波產生的能量是細胞損傷和氧轉移的改善，最終導致抗氧化能力輕微降低。Bantle等[25]研究發現在空氣場超聲波存在下采用流化床進行常壓冷凍干燥，有效擴散系數可提高達14.8%，認為在超聲波存在的情況下，固氣界面傳質速率越高，湍流界面越高，邊界層越小，進而干燥速率越快。

多頻超聲波可提高脫水速率，但強化AFD行為及機理尚不明確，目前僅有Colucci等[26]將超聲波用于茄子的AFD處理，證實了超聲波處理可顯著提高AFD干燥速率，但對其干燥過程強化機理未進行深入研究。

探索超聲波在常壓冷凍干燥過程中對產品品質的影響機制，進而揭示超聲波協同常壓冷凍干燥作用條件下果蔬物料中水分升華機理與微孔道形成機制，特別是闡明超聲波對常壓冷凍干燥過程中升華-冷凝-重結晶的抑制機制，以期更好的推動低能耗、高效率的常壓冷凍干燥技術在高端凍干食品領域的應用。

2 超聲處理對單一常規干燥的影響

2.1 超聲處理對熱風干燥的影響

熱風干燥是一種較為傳統的干燥方法，被廣泛應用于各種物料的干燥。熱風干燥具有便于管理、成本低等有點，是目前干制品行業的一種重要干燥方式。但熱風干燥對物料進行的是表面加熱，能量由外向內傳遞，水分子由內向外擴散導致熱風干燥存在干燥時間長、傳熱傳質效率低、產品品質較差等缺點[27]，如何選擇有效措施來提高干燥速率，減少其干燥時間，是解決熱風干燥的關鍵性問題。超聲協同處理可以不同程度地提高熱風干燥效率，表2列出了超聲波預處理對熱風干燥的不同影響。

由表2可見，超聲處理不僅可以縮短熱風干燥時間，提高干制品品質，還可降低熱風干燥至同等含水量下的能耗。張鎖龍等[32]使用200 W的超聲波處理稻谷3 min后，稻谷干燥時間最快可縮短25 min，能耗降低18.25%；羅登林等[33]在香菇熱風干燥中附加頻率為20 kHz，功率為150 W，輻照圓盤直徑為21 cm的超聲波，干燥時間縮短至單一熱風干燥的50%，蒸發每千克水所需能耗減少約22%。此外，Garcia-Perez等[34]在30～70℃范圍內利用超聲波對胡蘿卜塊進行了干燥試驗，發現低溫下超聲波對熱風干燥強化效果較好，高溫下超聲波對熱風干燥的強化效果較弱。

通過以上比較可知，經超聲處理后的物料內部結構發生變化，是內部微孔道擴散得以強化，將超聲波技術聯合輔助熱風干燥后，相比單一熱風干燥不僅提高了干燥速率、降低干燥能耗，而且對于提升干制品品質也有一定的強化作用。

適當短時間的超聲處理所產生的空化效應可強化水分向外部擴散的過程，進而加快物料的干燥速度，超聲波功率的大小可影響物料內部結構和性狀的機械作用的強度，同時超聲波會使物料內部產生微細管并可增加毛細孔隙的尺寸，同樣可利于物料內部水分的擴散[34]。但過長的超聲時間會導致物料組織結構的明顯破壞[35]，因此導致干燥過程中物料內部水分揮發不均勻，降低物料的復水率。

表2 超聲波預處理對熱風干燥的影響Table 2 Effect of ultrasonic pretreatment on hot air drying

2.2 超聲處理對熱泵干燥的影響

熱泵干燥是一種較為現代化的干燥技術，具有操作簡便、環境污染小、能耗相對較低等優點，但熱泵干燥的設備投資較大，干燥時間長，使得熱泵技術一直在干燥產業中受到限制。如果在熱泵干燥前或干燥過程中加以超聲波處理輔助，降低物料內部水分遷移阻力，強化內部水分的遷徙能力，則可有助于從根本上提高熱泵干燥的干燥速率，進而降低干燥時間和干燥成本[36]。

表3列出了一系列超聲波對熱泵干燥的影響，超聲波前處理對熱泵的干燥速率有顯著的提高作用，并且對干制品的品質也有更好的保護作用。

超聲波的高頻振動可將能量直接傳入物料內部，物料內部組織結構受到了強烈、反復的超聲波作用產生了海綿效應[40]，由于其產生的海綿效應所產生的力大于物料內部細微管內水分的表面附著力，則水分更容易從內部遷移出來[41]，進而加快干燥速率。

在超聲波的作用下，強烈的空化效應還形成了較多微細孔道，有利于物料內部水分遷移與揮發，較單一熱泵干燥降低了其傳質阻力，進而縮短干燥時間，提高干燥速率[36]，隨著超聲功率的增加，超聲所產生的機械效應和空化效應均有所增強，導致物料內部的水分湍動更為強烈，使物料內部水分有效彌補了熱泵干燥的不足之處。超聲預處理對熱泵干燥干制品的品質也有一定程度的優化效果。

表3 超聲波預處理對熱泵干燥的影響Table 3 Effect of ultrasonic pretreatment on heat pump drying

2.3 超聲處理對真空干燥的影響

真空干燥是傳統干燥技術之一，目前應用相對比較廣泛，有很多優點，如在真空條件下，水的沸點較低，可以實現低溫干燥；在缺氧狀態下，可抑制部分細菌的生長繁殖；真空干燥過程中還可回收一些有毒有害氣體，可被稱之為“綠色環保型”干燥方式[42]。但真空干燥存在干燥時間長，傳熱速度慢，對于物料營養成分的保留程度依然有限[43]，故可采用其他方式輔助優化干燥過程。

馬怡童等[44]對全蛋液加以50℃的干燥溫度，2.0 W/g的超聲聲能密度持續作用2.5 h，通過試驗發現加入超聲作用且聲能密度分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 W/g時，干燥時間分別縮短了30%、40%、45%、50%、55%，平均干燥速率分別提高了40.4%、62.6%、76.0%、90.6%、110.0%，且干燥產品質地疏松，易于與容器分離，利于粉碎及后期加工。鞏鵬飛[45]通過試驗發現超聲輔助真空干燥可提高胡蘿卜片有效擴散系數，且干制品顏色鮮亮，形變較小；內部形成的微小孔道較為均勻，復水比較高。

在加入超聲波之后，超聲波所產生的機械效應可產生剪切力，而空化效應對物料內部產生較大的破化作用，這兩種效應相結合可對物料內部產生強大的破壞力，增大物料內部的孔隙率，降低水分的擴散阻力，進而干燥速率得到提高，真空干燥的干燥時間可隨著超聲波功率的增加而降低，干制品的品質也有所提高，超聲波的加入彌補了真空干燥的部分缺點，使得整體干燥過程更加優化。

但目前對于超聲真空干燥過程中水分遷移規律及機理的研究還比較少，需建立廣泛適用的超聲真空干燥模型，為超聲真空干燥的應用提供理論基礎，并且可針對不同的物料類型，進一步研究超聲功率、真空度等條件對干燥過程的影響，進而對干燥工藝進行優化[45]。

2.4 超聲處理對紅外干燥的影響

紅外線為波長是0.75～1 000 μm的電磁波，也稱之為熱輻射，分為近紅外（0.75～1.5 μm）、中紅外（1.5～5.6 μm）、遠紅外（5.6～1 000 μm）[46]。 紅外線穿透物體的深度約等于波長，因此遠紅外比近紅外效果好。紅外線干燥具有熱輻射效率高、熱損失較小且易于控制、傳熱效率高、熱吸收效率高以及對物料造成的損失較小等特點[47]。但發現紅外干燥在對較厚的物料時干燥效率很低，為了解決這一問題，可合理的選擇將紅外干燥技術與別的干燥技術相結合，以便達到高效、低耗、優質的干燥效果。

表4列出了超聲波處理對紅外干燥的影響，通過表格可知，超聲波的作用可明顯降低干燥時間，提高干燥效率，優化干制品的品質。

此外， 有人使用超聲波頻率（0，20，50 kHz）與紅外功率（0， 757.50，1 515 W/m2）研究發現：隨著超聲頻率和紅外功率的增大，有效擴散系數增大，活化能降低，但阿倫尼烏斯常數增加。

表4 超聲波預處理對紅外干燥的影響Table 4 Effect of ultrasonic pretreatment on infrared drying

紅外干燥加入超聲波輔助后，由于經超聲處理在物料內部產生的機械振動是內部結構松弛，水分擴散通道增加，其轉移阻力減小，從而加快干燥速率，縮短干燥時間[28，53]。通過比較發現，無論是遠紅外干燥還是中短波紅外干燥，其干燥速率均有不同程度的提升，且能耗也有所降低，且單一遠紅外干燥技術就較傳統干燥和熱風干燥相比更加節約能源，效果更加顯著[47]，在加入超聲波強化后，紅外干燥的優勢也更加突出。加入超聲波的前處理后，干制品品質也有不同幅度的提升。所以超聲波可整體優化強化紅外干燥。

3 結 語

超聲波輔助干燥作為一個較為方便易行的輔助干燥技術，在食品干燥技術中的應用不斷增加。由于超聲顯著的傳質強化效果和對物料的各種強化作用，使得在與其他干燥方式相結合不僅可以提高其干燥速率，降低整體能耗，而且對干制品的品質也有不同程度的提升，彌補單一干燥方式的不足，進而達到高效、低能耗、高品質的干燥效果。

超聲波預處理之后，物料由于受到超聲波的拉伸和反復壓縮作用之后，物料不停收縮和膨脹，內部形成多孔的海綿狀結構，當物料內部微細管內的水分表面附著力小于海綿結構所產生的力時，水分更易從組織內部轉移出來；在超聲波的作用下，物料內部空化氣泡的形成與增生以及由于氣泡劇烈破裂產生的一系列理化效應，加速去除物料內部與物料緊密結合的水分；超聲波還可促進物料內部形成細微孔道，進而減小傳熱表面的厚度，增加對流傳質速度。在超聲波的這些綜合作用下，物料的干燥速度得以加快。

目前對超聲輔助干燥的研究大多是將超聲與其他干燥方式結合起來探討其中干燥工藝參數的影響，而對超聲輔助干燥與物料特性等因素間的關聯研究鮮有報道，即如何更科學的將超聲與其他干燥過程相結合，實現超聲強化作用的更大化，將是高端食品脫水處理的新方向。未來的研究勢必進一步深入研究超聲波的應用如何影響產品質量，雖然少數的初步研究表明，在干燥過程中應用超聲波有節約能耗的效果，但是又不能確定該過程的能源效率，這不僅包括每個產品的最佳工藝組合，還包括開發更有效的系統，使其能夠受益于所產生的總聲能，從而提高干燥速度。