農產品超聲輔助熱泵干燥技術的研究進展

李曉燕，丁奕涵，矯佳偉，鞏雪，李立，王天娜

農產品超聲輔助熱泵干燥技術的研究進展

李曉燕a，丁奕涵a，矯佳偉a，鞏雪b，李立a，王天娜a

（哈爾濱商業大學 a.能源與建筑工程學院 b.輕工學院, 哈爾濱 150028）

概述超聲輔助熱泵干燥技術在農產品干燥中的研究進展，旨在為超聲輔助熱泵干燥技術的工業化應用提供理論指導。對超聲輔助熱泵干燥技術的作用機理、超聲輔助技術對農產品熱泵干燥過程微觀結構及干燥速率的影響、農產品超聲輔助熱泵干燥的過程預測以及最終品質等進行論述，并提出改進措施。超聲輔助熱泵干燥技術的發展極具潛力，目前相關研究仍處于初級階段，其中研究超聲強化效果與熱泵干燥間的交互影響以及建立合適的動力學模型預測干燥過程是實現工業化生產的研究新方向。超聲輔助熱泵干燥技術可有效提升農產品的干燥速率，降低設備能耗，同時可減少干燥產品的營養物質損耗及有害物質產生，提高產品質量，在農產品干燥領域具有廣泛的應用前景。

農產品；超聲波；熱泵干燥

干燥是一種可以有效延長農產品保質期的加工方法[1]。干燥的傳統方法包括陰干、自然晾曬和熱風干燥。自然晾曬和陰干的干燥時間較長，且受季節氣候影響較大，干燥效率較低[2]。熱風干燥雖然在國內外應用較廣，但其干燥溫度較高，使得一些熱敏性農產品干燥品質降低，且能耗較高[3]。因此，在當前“雙碳”政策的背景下，低碳節能的干燥工藝是農產品干燥領域的研究重點。

使用熱泵干燥相較傳統的使用燃煤、電能等能源進行干燥的方式，能夠實現能源節約30%以上的效果[4]，同時熱泵干燥方式的干燥條件更溫和，環境污染更小。近年來已廣泛應用于食用菌、糧食以及果蔬等農產品的干燥加工中。但熱泵干燥技術存在投資成本較高、干燥時間較長等問題，限制了其在農產品干燥產業中的發展[5]。國內外研究表明，采用與其他輔助技術相結合的加工方式，可以進一步提高干燥產品品質、縮短熱泵干燥時間[6-7]。如超聲波輔助熱泵干燥[8]、微波輔助熱泵干燥[9]以及遠紅外輔助熱泵干燥[10]等。其中超聲波輔助技術作用于物料時會產生獨特的機械、空化等效應，可有效降低物料內部的傳熱傳質阻力，強化熱泵干燥過程中物料內部水分的遷移能力，保證物料品質的同時提升了干燥速率，進而降低了干燥成本和干燥時間。但目前國內外關于超聲波輔助熱泵干燥技術在農產品中的應用研究較少，對不同農產品的干燥特性仍需進一步研究。

本文主要從超聲波輔助熱泵干燥技術的作用機理、超聲輔助技術對農產品熱泵干燥過程微觀結構及干燥速率的影響、農產品超聲輔助熱泵干燥的過程預測以及最終品質等方面，分析當前超聲波輔助熱泵干燥技術在農產品加工領域的優勢及不足，提出超聲波輔助熱泵干燥技術在農產品加工領域未來的發展方向。

1 超聲波輔助熱泵干燥技術的作用機理

超聲處理能改善農產品結構，提高農產品內部水分擴散速率，進而縮短農產品熱泵干燥時間，減少干燥能耗[11]。此外，經超聲波處理的食品，在干燥后品質得到有效提高，營養元素和活性物質（如酚類、黃酮類等）損失較少[12]。

近年來，學界對超聲波輔助熱泵干燥的作用機理研究可主要歸納為以下幾點：當食品經過超聲波處理后，超聲波通過高頻振動將能量傳入食品內部產生“海綿效應”，使食品內部結構受到反復的拉伸和壓縮作用，食品不斷交替壓縮和膨脹，從而內部形成海綿狀結構[13]，當食品內部微小孔道中水分表面附著力小于由于“海綿效應”所產生的力時，水分就更易從微小孔道中遷移出來[14]；超聲波作用于食品還會產生空化作用，即食品內部形成的空化氣泡，經過生長、收縮、破裂等過程，使食品細胞局部產生高溫高壓，有利于食品內部與之結合緊密的水分揮發與遷移，其作用機理圖如圖1[15]所示；超聲波產生的空化、機械等特性可以改變食品的理化性質，增加食品內部有利于干燥傳質的微小孔道數量，減小傳熱表面層的厚度[16]，提高食品熱泵干燥過程中的傳熱傳質速率，降低食品營養物質的損失及表面褐變程度。

圖1 超聲波作用機理

2 超聲輔助技術對農產品熱泵干燥過程微觀結構及干燥速率的影響

隨著“雙碳”目標的深入推進，農產品干燥加工技術以低能耗、高效率為重點研究內容[17]。超聲波輔助熱泵干燥技術因具有可提升農產品干燥速率，節能環保等特點，近年來，受到了國內外專家學者的廣泛關注，然而不同的工藝條件對農產品的微觀結構及熱泵干燥速率的影響效果并不相同，需進一步探究。

2.1 對農產品微觀結構的影響研究

采用超聲波輔助所產生的空化、機械等效應在干燥過程中主要表現為微觀結構的變化。微觀結構是決定干燥過程水分遷移速率的關鍵因素。張振亞等[18]通過研究菠蘿干燥過程的微觀結構，得出超聲預處理后的熱泵干燥菠蘿片的微觀結構和未采用超聲預處理組有著很大的差別，未經預處理熱泵干燥后的菠蘿片微觀表面光滑平整，而菠蘿片在經過超聲預處理后微觀結構變化明顯，產生大量孔洞，增加了熱質遷移通道。田伏錦等[19]以馬鈴薯為研究對象，在干燥溫度20 ℃條件下，分析了直接接觸式超聲輔助功率對熱泵干燥馬鈴薯片微觀結構的影響，發現采用24 W超聲波輔助熱泵干燥馬鈴薯片的微觀通道數量明顯增加，且直徑也有所增大，在采用48 W超聲輔助熱泵干燥馬鈴薯片微觀通道的數量和直徑繼續增加，而未采用超聲輔助的對照組結構緊密且無明顯微觀通道產生，不利于水分遷移。實驗結果表明，在適當的范圍內增加超聲功率會擴張一些原有的微觀通道，并促進產生新的微孔，采用超聲輔助對干燥過程的水分遷移有著積極影響，有利于降低干燥過程中水分遷移阻力。

2.2 對農產品熱泵干燥速率的影響研究

合理地應用超聲功率、超聲作用時間以及超聲間歇比等工藝參數可有效提升農產品熱泵干燥速率，節約能耗。一些學者研究了不同超聲條件對熱泵干燥速率的影響。王芳[20]以紅棗為干燥實驗對象，將其在不同超聲功率下進行熱泵干燥實驗，通過實驗發現隨著超聲功率的提高，紅棗內部水分擴散效率顯著上升，干燥速率明顯加快。主要原因是超聲波的能量傳入紅棗內部時，會產生“空化效應”和“海綿效應”，隨著超聲功率的增加，2種效應被加強，促進了紅棗內部的傳熱傳質，從而提升了干燥速率。Zhu等[21]基于低場核磁共振研究了超聲預處理對熱泵干燥扇貝干燥速率的影響。研究結果表明，超聲功率越高，扇貝的結合水和游離水的遷移速度越快，干燥時間越短，通過對不同超聲條件下的食品熱泵干燥曲線分析，得出經過180 W超聲功率處理扇貝的熱泵干燥速率最快，能耗最低。有研究表明，食品熱泵干燥速率與超聲作用時間之間并不是單一的線性關系。楊玉等[22]研究了新鮮紅薯葉的熱泵干燥速率與超聲波作用時間之間的相關性，根據干燥特性曲線分析結果顯示，紅薯葉的干燥速率隨著超聲波作用時間的增加呈現先增加后減少的趨勢。當超聲波作用時間達到120 s時，紅薯葉的干燥速率達到最大值，證明了超聲處理可加快紅薯葉內部水分的擴散速度，提升干燥速率。因此，在保證食品熱泵干燥速率的同時，減少超聲波的作用時間，可有效節約超聲設備的能耗，降低干燥成本。另外，間歇使用超聲也可減少超聲設備能耗，并加快食品內部水分遷移能力，提升熱泵干燥速率。Van-kien等[23]以人參為研究對象，采用超聲間歇作用的方法對其進行了熱泵干燥實驗，研究了不同超聲波發生器間歇比對人參干燥過程的影響。實驗結果表明，采用0.18的超聲波間歇比可有效提高人參的干燥速率，節約超聲波設備能耗。

此外，超聲波強化效果與熱泵干燥溫度之間存在一定的交互影響，在熱泵干燥過程中，超聲波主要通過其產生的空化及機械效應來強化農產品內部的水分遷移能力，從而提高干燥速率。在不同干燥溫度下，相同功率的超聲波所產生的能量及空化、機械等特性不隨干燥溫度的變化而發生改變，但物料內部用于水分蒸發與擴散的熱量會隨著干燥溫度的升高而增大[24]。因此，在超聲波功率不變的條件下，隨著干燥溫度的升高，物料的熱效應越來越顯著，而超聲波產生的空化、機械等特性的作用效果不變[25]，導致超聲波對物料內部水分遷移的影響所占比重逐漸降低，表現為超聲波對物料熱泵干燥的強化效果隨干燥溫度的升高而降低，進而影響食品的熱泵干燥速率。劉云宏等[26]設計了一種接觸式超聲輔助熱泵干燥裝置，其裝置如圖2[26]所示。在不同干燥溫度下對蘋果片進行了熱泵干燥實驗，實驗結果表明，在超聲功率為60 W的情況下，干燥溫度為60 ℃的干燥時間相較于40 ℃的干燥時間縮短了36%，并且得出在低溫條件下，超聲波的強化效果比高溫條件的強化效果更明顯，干燥速率更快。Rodriguez等[27]在超聲功率為90 W，干燥溫度分別為30、50、70 ℃的條件下對蘋果片進行超聲輔助熱泵干燥，通過實驗得出干燥時間相應減少了約54%、46%、17%，并且在進行超聲波輔助干燥時，30 ℃時的超聲強化效果明顯優于70 ℃。因此，在干燥溫度較低的條件下，超聲波強化干燥效果更好。

圖2 接觸式超聲輔助熱泵干燥裝置

3 超聲輔助熱泵干燥對農產品干燥過程及最終品質的影響

根據不同的工藝條件，熱泵干燥后農產品內部由于水分的蒸發，會產生不同特性的微小孔道，導致農產品的理化性質及營養成分發生改變，研究超聲輔助熱泵干燥農產品的干燥過程和最終品質，通過建立干燥動力學模型來預測超聲輔助熱泵干燥過程，分析干燥農產品的品質變化，可以更好地優化加工工藝、提升干燥品質、節約能耗。

3.1 超聲輔助熱泵干燥過程的預測研究

合適的干燥動力學模型可以避免進行全方位實驗來確定干燥過程中的關鍵參數，可節省大量的時間和資源，同時可以預測農產品干燥速率及水分變化規律。在超聲預處理輔助熱泵干燥方面，魏彥君[28]研究了超聲輔助熱泵干燥技術對南美白對蝦的干燥動力學模型，在研究超聲波輔助熱泵干燥南美白對蝦的干燥過程時，對Page模型、Two Term模型和Lewis模型等8種薄層干燥數學模型進行擬合計算。結果顯示，Two Term模型的擬合度最佳，最適合描述該干燥過程。進一步對比了Two Term模型的水分比預測值和實驗值的數據曲線，發現兩者吻合度很高，驗證了該模型的準確性。劉秋華等[29]研究了超聲輔助熱泵干燥對山藥片的5種常用數學干燥模型。研究結果表明，應用Weibull distribution模型可較好地描述熱泵干燥過程中的干燥行為，更方便地進行干燥過程水分監測，同時該模型可為山藥超聲輔助熱泵干燥產品的實際工業化生產提供理論指導。在直接接觸式超聲輔助熱泵干燥方面，Liu等[30]采用Weibull模型對獼猴桃超聲強化熱泵干燥的含水量變化曲線進行擬合，測定系數為0.991 6～0.995 1，均方根誤差的范圍為0.008 5～ 0.016 2，得出Weibull模型適用于預測獼猴桃在超聲強化熱泵干燥期間的含水量變化，得到的尺度參數和形狀參數表明，超聲功率的提高可以加快食品有效水分的擴散率。

3.2 超聲輔助技術對農產品熱泵干燥品質的影響研究

3.2.1 對感官品質的影響

食品干燥后的感官品質是評價干制品品質的一個重要指標，包括其色澤、口感、風味等方面。苗帥[31]通過對比研究未采用超聲輔助、超聲30 W及超聲60 W條件下直觸超聲對熱泵干燥蘋果片品質的影響，發現隨著超聲功率增加可減少物料色差值，說明超聲可提高物料表面色澤。當采用60 W的超聲輔助時，干燥蘋果片的色澤最好。李改蓮等[32]進行了火龍果熱泵干燥感官品質的比較研究，分析了超聲、凍融、燙漂、滲透及汽蒸等5種預處理方式對干燥火龍果的影響，以色澤、風味、口感、形態為評價標準，得到了火龍果感官得分最高的干燥工藝為醋酸鋅（質量分數為0.2%）滲透預處理輔助熱泵干燥。趙亞等[33]在超聲波功率為90 W的條件下，研究不同超聲預處理時間對扇貝柱熱泵干燥品質的影響，實驗結果表明，超聲波預處理30 min的扇貝柱干制品色澤及韌性顯著提高。羅靜等[34]將羅非魚片在5種不同的超聲功率下進行預處理，再進行熱泵干燥實驗。通過實驗結果可知，羅非魚片在超聲輔助聚葡萄糖滲透熱泵干燥過程中，最佳的超聲預處理功率為400 W。在此條件下，干燥羅非魚片的白度值高于直接熱泵干燥組，且硬度較低。與其他預處理方式相結合可進一步提升農產品超聲輔助熱泵干燥的最終品質。成膜預處理是一種獨特的非熱處理方法，能夠有效地減少物料在干燥過程中與氧氣的接觸，降低了氧化反應等對干燥產品品質的破壞[35]。趙亞等[36]發現成膜預處理技術會對超聲波輔助熱泵干燥扇貝柱品質產生影響，使用成膜預處理結合超聲波輔助的熱泵干燥方法相較于僅使用超聲波預處理的熱泵干燥方法，有效地提高了扇貝柱的硬度、內聚性、彈性和咀嚼性，降低了收縮率和總色差值，得出海藻酸鈉成膜預處理為提高超聲輔助熱泵干燥扇貝柱品質的最佳方式。

3.2.2 對復水率的影響

除了干燥食品的感官品質外，復水率也是衡量果蔬干燥品質優劣的重要指標之一，高復水率表明干燥食品組織結構損傷較小，干燥品質較高。薛揚等[37]以鐵棍山藥為研究對象，研究了不同干燥條件對直觸超聲輔助熱泵干燥食品品質的影響。經研究發現，在相同的干燥溫度下，隨著超聲功率的增加，鐵棍山藥的復水率也會增加。而在相同的超聲功率下，干燥溫度的升高也會導致復水率的增大。具體實驗結果顯示，在超聲功率為60 W、干燥溫度為65 ℃的條件下，干燥產品達到了最佳復水率，為2.31%，高于在該干燥溫度下僅采用熱泵干燥鐵棍山藥的復水率。楊玲等[38]對比了不同預處理方式對野蘑菇熱泵干燥后品質的影響，發現采用常溫超聲波預處理的方式可以提高野蘑菇干燥后的復水率，并減少了營養物質的流失，且與漂燙、超聲漂燙預處理后的干燥品質相比，常溫超聲預處理野蘑菇干燥后色澤更佳，得出在常溫條件下超聲預處理5 min，野蘑菇干燥品質最好。

3.2.3 對營養成分的影響

隨著人們對食品質量的關注程度逐漸提高，對干燥食品的要求也越來越高，干燥后食品營養物質的保留程度直接決定著其食用價值。日常食用的蔬菜和水果是人們攝入酚類物質的主要方式，研究表明酚類物質對人體健康及慢性病的發病率有著積極影響[39]。超聲波處理會引發空化效應，以破壞細胞膜并形成微通道和自由基[40-41]，從而導致酚類物質的釋放。不同的酚類物質需要使用不同的超聲處理條件，因此若超聲處理使用不當，則可能會導致酚類物質發生轉化或降解[42]。賴春香等[43]進行了一項實驗，比較了超聲、微波、NaCl浸漬、熱燙和凍融5種預處理方法對龍眼進行熱泵干燥后品質的影響。實驗結果表明，在與直接熱泵干燥的龍眼相比較時，超聲和微波預處理提高了龍眼干品中總酚和游離酚的含量，而超聲和NaCl浸漬預處理則提高了結合酚的含量。相反，NaCl浸漬、熱燙和凍融預處理降低了龍眼干品的總酚和游離酚含量，得出超聲預處理在熱泵干燥過程中對酚類物質具有較好的保護效果。超聲波的應用會影響類胡蘿卜素的降解。金聽祥等[44]以胡蘿卜為研究對象，對比分析了5種預處理方式對其最終干燥品質的影響。結果顯示，與其他幾種預處理方式相比，超聲波預處理對胡蘿卜熱泵干燥的品質影響最大，干燥后類胡蘿卜素的保留率最高。針對紅棗、藍莓、枸杞等表面帶有蠟質層的果蔬，堿性油酸乙酯溶液可將蠟質層水解，降低干燥過程中傳質阻力，同時樣品中營養物質含量及抗氧化能力均得到提升[45]。王兆凱等[46]用堿性油酸乙酯聯合超聲對枸杞進行預處理然后進行熱泵干燥。利用掃描電鏡對處理后的枸杞樣品表面檢測，結果表明，與超聲預處理相比，采用堿性油酸乙酯聯合超聲預處理方法，可以有效地破壞枸杞的蠟質層，并在樣品表面形成更多的微通道，便于水分遷移，并提高干燥枸杞的總黃酮含量、總酚含量及抗氧化能力。

3.2.4 對種子發芽率的影響

對豆類而言，發芽率是評價豆類干燥品質的一個重要指標。余飛等[47]以黃豆種子為研究對象，為了提升黃豆種子的品質并保證發芽率，采用直觸超聲與熱泵進行聯合干燥，研究不同熱泵干燥溫度對種子的發芽特性及理化特性的影響。研究結果表明，當干燥溫度過高時，黃豆種子干燥后過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性都有所降低，同時增加了有害物質丙二醛的含量，種子干燥后的品質降低。因此，為了保證黃豆種子干燥后的品質，最適宜的干燥溫度為28～36 ℃。Yang等[48]研究了間歇比對直觸超聲強化紅豆種子熱泵干燥特性的影響，采用響應面法（Reponse Surface Methodology, RSM）對該工藝參數進行優化，分析了其對有效水分擴散率及種子品質的綜合影響。研究結果表明，在合理的超聲波間歇比下，低溫熱泵干燥可獲得較高的發芽率，合理應用超聲波可顯著提高紅豆種子的干燥品質。楊宗豫[49]通過研究干燥溫度對紅小豆種子直觸超聲熱泵干燥特性的影響，發現溫度高于40 ℃紅小豆種子的發芽率會嚴重降低。綜合考慮，得出超聲聯合熱泵間歇干燥紅小豆種子的最佳干燥參數：溫度為37.10 ℃、超聲波功率為102.80 W、間歇比為0.59。

4 結語

采用超聲波輔助熱泵干燥技術可強化干燥過程中農產品內部的傳質過程，減少傳質阻力，有效提升農產品的干燥速率，降低設備能耗。同時采用合適的工藝參數（如超聲間歇比、超聲波功率及超聲作用時間等）可減少農產品在干燥過程中營養物質的損耗與有害物質的產生，改善農產品干燥后品質。因此，該技術具有廣闊的應用前景，能為農產品干燥加工產業的發展和智能裝備開發提供有效途徑。然而目前對超聲輔助農產品熱泵干燥技術的研究還相對較少，尚缺乏系統性的理論研究和實驗驗證，在不同種類食品干燥中的適用性還需要進一步研究和驗證。當前超聲輔助熱泵干燥技術存在的問題與相應解決措施總結如下。

1）在超聲輔助熱泵干燥過程中，由于超聲設備的持續工作導致其換能裝置溫度逐漸升高，若不及時散熱，將會影響設備正常工作，進而影響農產品干燥速率及品質。因此為減少熱量產生，未來需考慮開發一個高效適用的超聲波換能裝置冷卻系統，從而提升超聲輔助熱泵干燥技術在實際應用中的效果，為其投入實際生產提供有力支撐。

2）如今熱泵干燥系統所采用的制冷劑主要是R134a、R410a等，其GWP（全球變暖潛能值）普遍較高。隨著我國“雙碳”政策的不斷推進，采用低碳高效的制冷劑是未來熱泵系統發展的主要研究方向，二氧化碳制冷劑是近年來的研究熱點，也是熱泵干燥系統制冷劑的一種合適替代品[50]，因此未來將二氧化碳熱泵干燥系統與超聲波輔助技術聯合應用，探究超聲波工藝對二氧化碳熱泵干燥系統的影響具有重要研究價值。

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Research Progress of Ultrasound-assisted Heat Pump Drying Technology for Agricultural Products

LI Xiaoyana, DING Yihana, JIAO Jiaweia, GONG Xueb, LI Lia, WANG Tiannaa

(a. School of Energy and Architectural Engineering, b. School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

The work aims to summarize the research progress of ultrasound-assisted heat pump drying technology in agricultural product drying, so as to provide theoretical guidance for the industrial application of ultrasound-assisted heat pump drying technology. The action mechanism of ultrasound-assisted heat pump drying technology, the effect of ultrasound-assisted technology on the microstructure and drying rate of agricultural products during heat pump drying process, the process prediction of ultrasound-assisted heat pump drying for agricultural products and the final quality were discussed. Furthermore, the measures for improvement were put forward. The development of ultrasound-assisted heat pump drying technology had great potential, and the related research was still in the primary stage, in which the interaction between ultrasound enhancement and heat pump drying as well as the establishment of suitable kinetic model to predict the drying process were the new direction of the research to realize the industrialized production. The use of ultrasound-assisted heat pump drying technology can enhance the rate at which agricultural products are dried, decrease energy usage of the equipment and simultaneously minimize nutrient loss and the presence of harmful substances in the dried products. This technology also has the potential to enhance product quality and has broad potential applications in agricultural product drying.

agricultural products; ultrasound; heat pump drying

TS255.3

A

1001-3563(2024)09-0053-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.007

2024-01-11

國家自然科學基金（51476049）