果蔬微波干燥與低頻超聲波協(xié)同干燥應(yīng)用研究進(jìn)展

呂豪，韓清華，呂為喬，*，萬(wàn)麗娜

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083）

干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工的重要手段，干燥后農(nóng)產(chǎn)品有利于農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏的同時(shí)還可以減少運(yùn)輸成本。我國(guó)的果蔬產(chǎn)量居世界首位，在國(guó)際貿(mào)易中占有最大的份額，其中脫水果蔬占到我國(guó)果蔬出口貿(mào)易總額的三分之一左右[1]。果蔬脫水可以降低物料中細(xì)菌、霉菌等活性，從而能在環(huán)境溫度下長(zhǎng)時(shí)間保存。合理的干燥手段能最大程度地保留果蔬的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、良好的色澤和口感，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品的深加工。與此同時(shí)，干燥去除了新鮮果蔬的大部分質(zhì)量，這樣可以減少果蔬的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸成本[2]。當(dāng)前果蔬干燥方式仍以傳統(tǒng)熱風(fēng)為主，產(chǎn)品簡(jiǎn)稱(chēng)烘干果蔬。然而，傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥存在干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、傳熱傳質(zhì)效率低等問(wèn)題[3-4]。因此，開(kāi)發(fā)新的高效組合干燥技術(shù)以滿足節(jié)能高效、綠色安全、低碳優(yōu)質(zhì)、智能精準(zhǔn)并獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品十分必要。當(dāng)前研究報(bào)道中，組合干燥技術(shù)手段很多，比如，熱風(fēng)組合干燥、微波組合干燥、真空冷凍干燥、超聲波協(xié)同處理和壓差協(xié)同處理等[5-7]。這些干燥方式分別有著不同的能量提供方式，熱風(fēng)干燥的傳熱主要是通過(guò)干燥介質(zhì)空氣傳熱，水分從物料表面蒸發(fā)，然后從物料內(nèi)部向物料表面擴(kuò)散。微波加熱是全體積加熱，在高頻電磁場(chǎng)的作用下，引起物料分子間運(yùn)動(dòng)和相互摩擦，從而使水分快速蒸發(fā)出來(lái)。真空冷凍干燥是將物料凍結(jié)使物料中水分凍結(jié)成固態(tài)冰，在真空環(huán)境中加熱使物料中水分直接升華。超聲波協(xié)同處理是將超聲波協(xié)同其他干燥方式干燥的一種干燥手段。

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，超聲波與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，從而強(qiáng)化物料的干燥過(guò)程。其中，熱效應(yīng)使能量不斷被物料吸收，使物料溫度升高；機(jī)械效應(yīng)使物料反復(fù)壓縮和拉伸，使結(jié)構(gòu)效應(yīng)作用力大于水分表面附著力促進(jìn)物料水分脫出；空化效應(yīng)是空化泡在超聲波作用下不斷生長(zhǎng)，最終破裂在局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓[8]。

在食品加工中應(yīng)用最多的頻率為20 kHz～100 kHz的低頻超聲波，在這個(gè)階段的超聲波空化效應(yīng)最好[9]?；诘皖l超聲波對(duì)農(nóng)產(chǎn)品物料的特殊影響，常用來(lái)輔助冷凍、解凍和干燥過(guò)程[10-11]。超聲波協(xié)同微波干燥領(lǐng)域的應(yīng)用，就是基于超聲波3種效應(yīng)對(duì)果蔬物性的影響，改善果蔬物料的微波介電特性，促進(jìn)物料快速均勻干燥。

1 微波組合干燥果蔬物料的研究進(jìn)展

微波組合干燥方式是充分利用微波高效節(jié)能、功率易控等優(yōu)勢(shì)，充分利用各干燥優(yōu)勢(shì)以彌補(bǔ)微波干燥不均、散熱困難等不足，實(shí)現(xiàn)果蔬的高效高品質(zhì)干燥，并顯著降低干燥過(guò)程的能耗[12]。目前最常見(jiàn)的微波組合干燥有微波熱風(fēng)干燥、微波真空冷凍干燥、微波流態(tài)化干燥、微波熱風(fēng)噴動(dòng)干燥和負(fù)壓微波脈沖噴動(dòng)干燥等。在微波熱風(fēng)組合干燥中，朱德泉等以獼猴桃切片為研究對(duì)象進(jìn)行微波真空干燥試驗(yàn)得出，微波真空干燥獼猴桃切片的能耗最低，同時(shí)質(zhì)量也得到保證[13]。Kowalski等研究發(fā)現(xiàn)，微波熱風(fēng)組合干燥加速甜椒的干燥速率接近4倍，干燥時(shí)間縮短約95%[14]。在微波真空冷凍干燥中，曹有福等通過(guò)對(duì)冬棗片進(jìn)行微波真空冷凍干燥，并與常規(guī)凍干品的品質(zhì)和能耗進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)微波凍干冬棗片的質(zhì)量指標(biāo)接近常規(guī)凍干冬棗片，能耗值比常規(guī)凍干低52.58%[15]。Jiang等也在微波真空冷凍干燥香蕉片時(shí)，也得到了類(lèi)似的結(jié)論[7，16]。

微波流態(tài)化干燥是產(chǎn)業(yè)化前景較好的微波組合干燥方式，分為機(jī)械振動(dòng)提供流態(tài)化的干燥工藝和以氣流噴動(dòng)提供流態(tài)化的干燥工藝。韓清華等研制了集微波、機(jī)械振動(dòng)為一體的微波流態(tài)化組合干燥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，原理圖如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)微波流態(tài)化干燥試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of testbed of hot air microwave fluidized drying

通過(guò)機(jī)械振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的流態(tài)化過(guò)程可以將塊狀的果蔬物料在干燥倉(cāng)內(nèi)翻滾、跳躍、游動(dòng)，有效屏蔽了微波場(chǎng)分布不均帶來(lái)的影響，提高了果蔬物料在微波快速干燥中的濕熱散失效果，該裝備有效緩解了微波干燥不均的技術(shù)難題。并且利用該平臺(tái)對(duì)鮮胡蘿卜顆粒進(jìn)行了干燥試驗(yàn)，得出脫水胡蘿卜顆粒之間的含水率差異在1.22%之內(nèi)，并且保持了胡蘿卜原有色澤、氣味和滋味的干制品合格率達(dá)到88.63%[17]。

在氣流噴動(dòng)提供流態(tài)化的微波干燥領(lǐng)域，華盛頓州立大學(xué)研究報(bào)道較早，在常壓微波干燥領(lǐng)域走在國(guó)際前沿，F(xiàn)eng等在1998年研制了一臺(tái)微波熱風(fēng)噴動(dòng)干燥設(shè)備，圖2為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理圖。該設(shè)備由微波源、微波干燥室、熱風(fēng)源、噴動(dòng)床、水負(fù)載等裝置組合而成。熱風(fēng)溫度為70℃，以1.9 m/s將物料從下方噴起，該設(shè)備在蘋(píng)果丁水分含量低于24%時(shí)，得到很好的干燥效果。該設(shè)備具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了果蔬物料的充分混合，緩解了微波干燥不均和局部過(guò)熱現(xiàn)象；（2）有利于干燥過(guò)程中水分和熱量的散失。實(shí)驗(yàn)中，微波熱風(fēng)噴動(dòng)干燥比普通熱風(fēng)干燥蘋(píng)果丁的時(shí)間縮短了88%[18-19]。

王玉川等在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了負(fù)壓脈沖噴動(dòng)微波干燥裝置，同樣是為實(shí)現(xiàn)物料多自由度的運(yùn)動(dòng)，該裝置在干燥萵苣顆粒實(shí)驗(yàn)時(shí)得到了良好的干燥效果[20-21]。微波組合干燥技術(shù)與裝備的研究在改善果蔬物料微波干燥效率、均勻性和品質(zhì)上，有明顯的進(jìn)展。然而，要使微波干燥過(guò)程和品質(zhì)得到進(jìn)一步得到提升，還需發(fā)展干燥過(guò)程參數(shù)在線協(xié)調(diào)、品質(zhì)在線調(diào)控的精準(zhǔn)微波組合干燥手段[22]。

圖2 微波噴動(dòng)床組合干燥裝備原理Fig.2 The schematic diagram of testbed of microwave spray bed drying

2 低頻超聲波協(xié)同干燥在果蔬干燥中的主要應(yīng)用

超聲波作用于果蔬物料主要是發(fā)揮其機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，進(jìn)而改變物料特性和加工效果，目前在果蔬干燥領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。超聲波往往是輔助其他干燥方式進(jìn)行干燥，通?？梢栽诒ＷC產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高干燥效率，例如：超聲波熱風(fēng)干燥、超聲波滲透脫水、超聲波冷凍干燥和超聲波紅外干燥等。

在超聲波輔助熱風(fēng)干燥方面，Riera-Franco等將500 W高功率的超聲波在線應(yīng)用到蘋(píng)果、胡蘿卜、香菇等不同果蔬的熱風(fēng)干燥中，發(fā)現(xiàn)超聲波可以加快物料內(nèi)部分子振動(dòng)，在保證干燥品質(zhì)的情況下，比熱風(fēng)干燥的時(shí)間減少到原來(lái)的三分之一[23]。Cárcel等設(shè)計(jì)了一種超聲波熱風(fēng)組合干燥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并附有在線稱(chēng)重功能，如圖3所示。該設(shè)備由超聲發(fā)生器、超聲波換能器、干燥室、熱風(fēng)源等組合，以蘋(píng)果丁為試驗(yàn)對(duì)象，分別以熱風(fēng)風(fēng)速 1、2、3、5 m/s，熱風(fēng)溫度 45℃和 60℃對(duì)蘋(píng)果丁進(jìn)行單獨(dú)的熱風(fēng)干燥和加入超聲波協(xié)同熱風(fēng)干燥，超聲波功率為75 W，頻率為21 kHz。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲波熱風(fēng)組合干燥比單獨(dú)的熱風(fēng)加熱的干燥時(shí)間縮短35%，與此同時(shí)，提高了脫水蘋(píng)果丁中維生素VB1、VB2、VB3和 VB6的含量[24]。

圖3 超聲波輔助熱風(fēng)干燥原理圖Fig.3 The schematic diagram of tested of ultrasonic assisted hot air drying

國(guó)內(nèi)學(xué)者羅登林等設(shè)計(jì)了一臺(tái)超聲波熱風(fēng)組合干燥試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)超聲波協(xié)同作用來(lái)強(qiáng)化熱風(fēng)干燥，實(shí)現(xiàn)了大功率超聲與介質(zhì)空氣的高效耦合干燥。實(shí)驗(yàn)研究了香菇片熱風(fēng)干燥、超聲波協(xié)同熱風(fēng)干燥的過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱風(fēng)干燥中附加頻率20 kHz、功率150 W、輻射圓盤(pán)直徑21 cm的超聲波時(shí)，香菇片的干燥時(shí)間比單獨(dú)熱風(fēng)干燥時(shí)間縮短50%，能耗降低22%[25]。

圖4 超聲波聯(lián)合熱風(fēng)干燥裝置示意圖Fig.4 The schematic diagram of testbed of ultrasound-hot drying

García-Pérez等以橘子皮為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥比單純的熱風(fēng)干燥減少干燥時(shí)間約45%，同時(shí)有效水分?jǐn)U散速率和質(zhì)量傳遞速率顯著提高，能耗降低約20%[26]。嚴(yán)小輝等發(fā)現(xiàn)在干燥前超聲波預(yù)處理能夠縮短干燥時(shí)間，電鏡掃描結(jié)果表明超聲預(yù)處理對(duì)荔枝內(nèi)外果皮結(jié)構(gòu)有明顯影響，但是超聲波的預(yù)處理對(duì)物料的干燥效率和物料品質(zhì)的影響有限[27]。

超聲波輔助滲透脫水過(guò)程中，單純的滲透脫水處理果蔬等物料的時(shí)間較長(zhǎng)，超聲波用于果蔬的滲透脫水，可以提高脫水速率，并使?fàn)I養(yǎng)成分得到較好的保留。劉云宏等研究了碭山梨梨片超聲波滲透脫水預(yù)處理聯(lián)合熱風(fēng)干燥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與直接熱風(fēng)干燥相比，單一的滲透脫水預(yù)處理延長(zhǎng)總脫水時(shí)間約30min～60min；而超聲滲透脫水預(yù)處理可縮短熱風(fēng)干燥時(shí)間40min～120min，并提高有效水分?jǐn)U散速率11%～56%[28]。Nowacka等研究了超聲波處理獼猴桃片的滲透脫水效果，結(jié)果表明超聲波處理后的獼猴桃細(xì)胞膜間形成微通道，提高了獼猴桃片的脫水速率[29]。因此，在熱風(fēng)干燥前進(jìn)行超聲滲透脫水預(yù)處理，可有效縮短干燥時(shí)間，提高干燥效率。

超聲波輔助真空冷凍干燥方面，周新麗等研究了接觸式超聲波輔助胡蘿卜的平板冷凍過(guò)程。結(jié)果表明，在胡蘿卜樣品厚度為5 mm，樣品冷凍溫度為1℃時(shí)施加178.7 W功率的超聲波10 s能顯著提高（P＜0.05）樣品的成核溫度，使凍干胡蘿卜的孔隙當(dāng)量直徑從無(wú)超聲波輔助條件下對(duì)照組樣品的66.29 μm提高到了80.81 μm，同時(shí)干燥至實(shí)際含水率為10%時(shí)，升華干燥速率提升29.1%[30]。Sch?ssler等用甜辣椒作為實(shí)驗(yàn)材料，分析了不同干燥時(shí)間不同超聲波頻率下甜辣椒的干燥特性，連續(xù)的超聲波預(yù)處理熱效應(yīng)很高（溫度升高超過(guò)50℃），干燥時(shí)間相對(duì)于單獨(dú)的冷凍干燥縮短了 11.5%[31]。

超聲波輔助紅外干燥方面，陳文敏等研究了紅棗超聲預(yù)處理對(duì)紅棗紅外干燥的影響，紅棗超聲預(yù)處理顯著縮短了紅棗中短波紅外干燥時(shí)間，干燥后產(chǎn)品品質(zhì)顯著優(yōu)于未經(jīng)超聲處理的紅外干燥后產(chǎn)品[32]。

目前，超聲波在果蔬干燥領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一定不足。超聲波在促進(jìn)干燥的過(guò)程中受風(fēng)速、物料形狀、物料堅(jiān)硬程度等條件的影響。García－Pérez等研究超聲波流化床干燥胡蘿卜時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速過(guò)高會(huì)破壞超聲場(chǎng)，降低超聲波的強(qiáng)度，減弱超聲干燥胡蘿卜的效果[33]。Clemente等研究發(fā)現(xiàn)，葡萄籽較為堅(jiān)硬，超聲波在促進(jìn)葡萄籽干燥方面效果不顯著，并認(rèn)為由于超聲波超聲的機(jī)械壓力小于物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力，超聲波很難加快物料的干燥速度，另外空化效應(yīng)在超聲干燥過(guò)程中起主導(dǎo)作用，干燥后期空化效應(yīng)不顯著時(shí)，超聲波促進(jìn)物料干燥的效果相應(yīng)降低[34]。

3 低頻超聲波協(xié)同微波干燥應(yīng)用研究進(jìn)展

微波干燥屬于新一代干燥技術(shù)，干燥效率高，干燥品質(zhì)變化快。超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)都有助于調(diào)整物料的介電特性，促進(jìn)物料均勻高品質(zhì)干燥。由于微波和超聲波分別屬于電磁波和機(jī)械波，他們的傳遞介質(zhì)有著巨大差別，因此微波超聲波協(xié)同組合干燥技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥在國(guó)內(nèi)目前研究的很少，在國(guó)外已經(jīng)有部分學(xué)者開(kāi)始相關(guān)研究。Horuz Erhan等研究了超聲波預(yù)處理對(duì)番茄切片在微波熱風(fēng)組合干燥中番茄切片的干燥時(shí)間和干后品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波功率120W的情況下，超聲波預(yù)處理40min相對(duì)于沒(méi)有超聲預(yù)處理的情況下，干燥時(shí)間減少7.38%。微波功率和超聲預(yù)處理對(duì)最后產(chǎn)品的質(zhì)量有顯著的影響[35]。

將超聲波和微波干燥兩種干燥工藝集合到一體的干燥方式是一種新穎的設(shè)計(jì)思路，Kowalski等設(shè)計(jì)了一臺(tái)集熱風(fēng)、微波和超聲波干燥于一體的干燥試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示[36]。

圖5 混合干燥機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.5 The schematic diagram of testbed of mixed drying

該混合干燥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括微波發(fā)生系統(tǒng)、熱風(fēng)干燥系統(tǒng)和超聲波發(fā)生系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠使被干物料既可以單獨(dú)進(jìn)行熱風(fēng)干燥、微波干燥和超聲處理，也可以隨意組合其中兩種或者3種干燥方式進(jìn)行干燥，并且可以在線監(jiān)測(cè)整個(gè)干燥過(guò)程，例如熱風(fēng)溫度和濕度，風(fēng)速，物料質(zhì)量，能耗等。采集端程序可以對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)記錄。實(shí)驗(yàn)以草莓為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了熱風(fēng)干燥，微波熱風(fēng)干燥，超聲波輔助熱風(fēng)干燥，超聲波輔助微波熱風(fēng)干燥，微波熱風(fēng)干燥30min后進(jìn)行超聲波熱風(fēng)干燥，最后得出，超聲輔助熱風(fēng)和微波熱風(fēng)干燥對(duì)草莓干燥動(dòng)力學(xué)和干后品質(zhì)都有提升，微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥提高了草莓干燥動(dòng)力學(xué)并且顯著降低能耗，但是熱效應(yīng)限制了其應(yīng)用，影響產(chǎn)品質(zhì)量，特別是產(chǎn)品色澤。微波熱風(fēng)輔以超聲干燥是一種更好的組合干燥方式。

Dadan等以洋香菜葉為研究對(duì)象得出，超聲波預(yù)處理是洋香菜葉微波熱風(fēng)干燥的最優(yōu)方式之一[37]。Zhao等研究了超聲波預(yù)處理情況下對(duì)微波真空干燥蓮子的干燥動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明，頻率較低、功率較大的超聲波預(yù)處理下的微波真空干燥蓮子可以有效減少干燥時(shí)間6.25%～31.25%[38]。MagdalenaSledz等以羅勒植物為研究對(duì)象，研究了超聲波預(yù)處理情況下微波熱風(fēng)干燥羅勒植物的干燥動(dòng)力學(xué)、水分?jǐn)U算系數(shù)、總酚含量、抗氧化活性和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲波的預(yù)處理可以有效減少干燥時(shí)間2%，能耗最大節(jié)約26.2%[39]。

與此同時(shí)，本團(tuán)隊(duì)正研發(fā)設(shè)計(jì)的低頻超聲波-微波組合干燥試驗(yàn)平臺(tái)，兼顧了負(fù)壓和常壓兩種環(huán)境，實(shí)現(xiàn)微波和超聲波的聯(lián)合干燥，如圖6所示。

圖6 微波超聲波組合干燥原理圖Fig.6 The schematic diagram of microwave ultrasonic combined drying

該平臺(tái)包括超聲發(fā)生系統(tǒng)，微波發(fā)生系統(tǒng)，物料裝載狀態(tài)分常壓和負(fù)壓。設(shè)備的創(chuàng)新之處在于不銹鋼板隔微波，利用水來(lái)傳遞和鋼板的緊密配合超聲波，突破了微波超聲波傳遞介質(zhì)之間不能耦合作用的矛盾。常壓和負(fù)壓兩種環(huán)境可以自由選擇，該方案將首次實(shí)現(xiàn)超聲波和微波的實(shí)時(shí)組合干燥，但超聲波的利用效率需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)考證。

4 結(jié)論與展望

1）微波與傳統(tǒng)干燥手段的組合干燥能緩和果蔬物料微波干燥不均、干燥后期局部容易焦糊的技術(shù)缺陷，實(shí)現(xiàn)干燥品質(zhì)的改進(jìn)。低頻超聲波可憑借自身的機(jī)械作用和空化作用改變物料微觀結(jié)構(gòu)，改變介電特性，促進(jìn)干物料水分遷移。

2）超聲波輔助熱風(fēng)干燥，在保證干燥品質(zhì)的前提下，有效的改進(jìn)了熱風(fēng)干燥的干燥效率。超聲波在輔助果蔬物料滲透脫水、真空冷凍干燥、紅外干燥等領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。

3）基于微波對(duì)水的吸收和超聲波對(duì)熱空氣流和液體的依賴(lài)，在超聲波輔助微波干燥的研究較少。目前研發(fā)設(shè)計(jì)的微波超聲波組合干燥通過(guò)不銹鋼板和水槽的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了超聲波和微波的耦合。超聲波和微波組合干燥的效果，超聲波的傳遞效率和利用效率是今后研究超聲波微波組合干燥的重點(diǎn)任務(wù)。

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