超聲預處理對果蔬熱風干燥效果及品質的影響

任夢琪 苗云龍 韋海陽 張義偉 徐靜 閆祥熙 苗文娟

摘要 近年來，節(jié)能、高效成為干燥的高標準發(fā)展方向，利用熱風干燥與其他預處理技術的聯(lián)合使用強化干燥過程和干燥效果成為當前的一個重要研究方向。超聲預處理具有縮短干燥時間、減少干燥能耗、提高干制品品質的優(yōu)點。本文闡述了超聲預處理對果蔬熱風干燥效果及品質的影響，并簡述了不同超聲預處理設備的預處理效果，以供相關研究者參考。

關鍵詞 超聲波；果蔬；熱風干燥；干燥品質

中圖分類號 TS255.35? ?文獻標識號 A

文章編號 1007-7731（2023）06-0129-05

Abstract In recent years， energy saving and high efficiency have become the high standard development direction of drying. The combination of hot air drying and other pretreatment technologies to strengthen the drying process and drying effect has become an important research direction. Ultrasonic pretreatment has the advantages of shortening drying time， reducing drying energy consumption and improving the quality of dry products. This paper mainly expounds the effect of ultrasonic pretreatment on the hot air drying effect and quality of fruits and vegetables， and briefly describes the pretreatment effect of different ultrasonic pretreatment equipment for the reference of relevant researchers.

Keywords ultrasonic; fruits and vegetables; hot air drying; drying quality

熱風干燥具有設備投資低、操作簡單、干燥工藝參數易控、自動化程度高等優(yōu)點，廣泛用于農產品、果蔬、中藥材等干制品生產，但一些限制熱風干燥發(fā)展及應用的問題，如傳熱傳質效率低、干燥過程時間長、能耗高、所得干制產品品質低等仍然存在。

超聲波是一種新型食品加工技術，其應用在干燥前處理過程時能較好地保護干制食品的色、香、味及營養(yǎng)物質，同時改變食品物料組織結構，提高干燥效率，減少干燥過程能量消耗。本文就目前國內外科研工作者利用超聲預處理改善果蔬熱風干燥效果及品質的研究進行綜述，并對不同類型超聲預處理設備進行簡要分析。

1 超聲預處理對果蔬熱風干燥效果的影響

1.1 對干燥時間的影響

通過整理目前研究者所得出的結論，以下2種超聲預處理縮短食品干燥時間的機理被普遍認可。①改變物料微觀結構：超聲波對食品物料產生反復壓縮和拉伸作用，使物料反復收縮和膨脹最終形成海綿狀結構，這種海綿結構效應產生的力會大于物料內部通道水分的表面附著力，此時水分較容易通過微小管道轉移出來，加快水分揮發(fā)，進而達到縮短干燥時間的效果。②超聲波空化作用：超聲波處理時會產生一定數量的空化氣泡。隨著時間推移，這些空化氣泡會在物料內部增長、破裂，導致一系列理化效應的產生，這些理化效應有助于除去緊密結合在物料內部及表面的水分，縮短干燥時間[1]。

王潤楠等[2]以研究不同功率下超聲預處理對蘋果片熱風干燥特性及品質的影響為目的進行了一系列實驗，結果表明，干燥速率隨著超聲功率增大而增大，但干燥過程所用時間會隨所用超聲波功率增大而減少，即超聲預處理達到了提高干燥效率的目的。數據顯示，在實驗條件為干燥溫度70 ℃、超聲功率480 W時，干燥速率最快，干制品品質最好。Gamboa-santos等[3]對草莓進行超聲預處理后熱風干燥，發(fā)現設定的超聲功率越大，熱風干燥時間縮短程度越顯著，最快可縮短原干燥時間的13%～44%；嚴小輝等[4]采用超聲預處理的方式對荔枝進行干燥前預處理，發(fā)現超聲條件為40 kHz、354 W、32.6 min時干燥時間可縮短原干燥時間的38.9%。因此，超聲預處理可顯著減少果蔬熱風干燥時間，提高效率，減少能耗。

1.2 對干燥能耗的影響

熱風干燥通常需采用較高的干燥溫度，干燥能耗由此增大。同時食品中部分生物活性成分對高溫極其敏感，因此干燥會導致部分生物活性成分損失，不利于干制品品質的保持。研究發(fā)現，將超聲預處理用于熱風干燥前處理過程可明顯降低熱風干燥溫度，減少干燥能耗。張鎖龍等[5]為獲得較高品質的干燥稻谷采用了超聲波預處理的方式，發(fā)現200 W的超聲波處理稻谷3 min后，干燥稻谷時間最多可縮短25 min，能耗降低18.25%；羅登林等[6]采用超聲波預處理后再對香菇片進行熱風干燥，可使單位能耗減少約22%，進一步驗證了超聲預處理具有降低干燥時間和能耗的效果。通過以上結果可知超聲波技術和熱風干燥技術的聯(lián)合相比于單一的熱風干燥可實現提高干燥速率，降低干燥能耗，節(jié)約資源[7-8]。

1.3 對有效水分擴散系數的影響

干燥過程中的水分擴散速率越高，干燥時間越短，效率越高。劉云宏等[9]在梨片干燥處理前進行超聲預處理，研究干燥過程中的梨片內部水分遷移及微觀結構變化，發(fā)現增大超聲功率能夠顯著增大水分擴散速率；Rodríguez等[10]將超聲波應用于蘋果的熱風干燥前處理過程，在干燥溫度為50 ℃、超聲波功率為45、90 W時，物料干燥過程的有效水分擴散系數分別比單一使用熱風干燥提高了77.4%及124%。這是由于超聲波能量可通過干燥介質傳播到物料內部，此過程中產生的微擾效應可通過擴大水分擴散通道、增加微毛細管數量、降低水分吸附力、提高水分子能量等實現物料內部水分擴散阻力的下降及水分擴散動量的增加[11-13]，進而提高有效水分擴散系數，提高干燥速率，節(jié)約能源。超聲功率越大，超聲波對物料產生的微擾效應越顯著，越有利于物料內部水分遷移，對應的有效水分擴散系數越高[14-15]。

2 超聲預處理對果蔬熱風干燥品質的影響

2.1 微觀結構

果蔬干制過程中微觀結構變化與水分遷移和細胞破裂有關，兩者會導致細胞結構出現不同程度的收縮和結構塌陷。熱風干燥后果蔬會呈現出高密度、組織較少和不規(guī)則的細胞結構，并且細胞間隙增加，細胞壁破壞嚴重[16]。有多位研究人員通過掃描電鏡等方法觀察超聲預處理對熱風干燥果蔬微觀結構的影響。郝啟棟等[17]對干制蒜片進行掃描電鏡觀察，結果表明，超聲預處理后再將蒜片熱風干燥270 min，蒜片產生了疏松多孔結構，細胞壁輪廓變得清晰。張迎敏等[18]在對經超聲預處理后的紅薯葉與未經預處理的紅薯葉進行對比時發(fā)現，由于經過超聲波處理，物料受到反復拉伸和壓縮后不斷收縮和膨脹，最終形成海綿狀結構，微觀結構發(fā)生改變。因此前者組織結構更完整，整體更加平坦、均勻、疏松，且細胞開孔孔徑更大，復水率更高。

2.2 復水比

研究顯示超聲預處理對熱風干燥后物料復水比有明顯提高作用，即經超聲預處理后食品原料的復水比與未經預處理的食品物料復水比相比有明顯提高。李澤珍等[19]以提高常壓熱風干燥后的香蕉片的感官評分和復水率為目的，在干燥香蕉片前采用超聲預處理，并研究超聲波預處理的影響機理。結果表明，經預處理后的干制品感官評分和復水率均明顯提高，原因是經適當時間的超聲波處理后，原料內部組織逐漸形成海綿狀疏松結構，在蒸發(fā)過程中更有利于蒸發(fā)通道的生成，水分蒸發(fā)效果更佳，但預處理時間不宜過長；王潤楠等[2]采用超聲處理蘋果片，發(fā)現處理后蘋果組織內部微孔通道增多，在復水過程中水分快速通過微孔結構后滲透到蘋果組織內部，復水速率加快，復水比增大；Ricce等[20]在對胡蘿卜片進行熱風干燥前給予41 W/L、25 kHz的超聲預處理，干制品指標表明在經較長時間的超聲波預處理后的胡蘿卜片的復水速率明顯增加。但是同上述結果類似，時間過長可能會因受到外力破壞而導致細胞持水力下降，細胞平衡水分的含量下降。過長時間的超聲處理會破壞物料內部組織結構[21]，使干燥過程中物料內部水分揮發(fā)不均勻，物料復水率下降，但經適當短時間的超聲處理后，水分向物料外部擴散的過程得到強化，這個過程中產生的空化效應會使物料的干燥速度增快，物料的復水率得到一定程度提高。

2.3 產品質構

超聲預處理在熱風干燥果蔬的質構方面也產生了較大的影響。苑麗婧等[1]以獼猴桃為研究對象，研究干燥過程中獼猴桃內部水分狀態(tài)及干燥特性，在對超聲預處理對其影響的研究中發(fā)現，和對照組相比，超聲預處理能夠改善獼猴桃片質構特性，顯著降低獼猴桃片的硬度、膠著度、咀嚼度和回復性，這可能與超聲預處理引起的獼猴桃片微觀結構的改變有關，超聲使獼猴桃片內部出現變形和塌陷，形成微觀通道，使之組織結構更加疏松多孔，但超聲預處理對獼猴桃片的彈性和內聚性沒有顯著性影響，說明干燥產品的形變恢復速度以及產品內部結構的抗斷裂能力和抵抗力沒有發(fā)生明顯改變。戚思影[22]用低頻超聲預處理香菇，發(fā)現其可以改變香菇內部組織結構，在微波干燥時水分可以快速蒸發(fā)，使得香菇片結構更加緊密、彈性適中、質地特性更好。以上結果表明，超聲預處理可以在一定程度上改善干制品質構，同時需根據干制原料特點選擇合適的超聲預處理時間和功率。

2.4 產品色澤

由于干制過程中果蔬中的酶和微生物不能完全失活，導致干燥過程中果蔬會發(fā)生一定程度的褐變，色澤會受到影響。如多酚氧化酶在氧氣和水共同作用下發(fā)生酶促褐變，使干制品顏色變暗，L*值降低，即亮度降低。此外，隨著干燥溫度升高，果蔬中糖類物質發(fā)生Maillard反應，也使得干制品L*值降低。超聲處理可在一定程度上抑制果蔬干褐變酶的酶活性，同時超聲處理也可以改變果蔬內部組織結構，使果蔬片內部形成較多微孔通道，干燥時水分可以更快速地蒸發(fā)出來，有效維持果蔬干原有顏色。

在超聲預處理對干制農產品色澤的影響方面也有大量研究成果，其中孟繁博等[23]研究了超聲預處理熱風干燥火龍果片品質的變化情況，發(fā)現超聲預處理后的火龍果干片色澤更接近鮮果。同時，超聲處理也可以改變火龍果果片的內部組織結構，果片內部形成了較多的微孔通道，水分可以更快速地蒸發(fā)出來，有效維持果干原有的顏色，避免因干燥過程造成色澤破壞。楊慧珍等[15]對花椰菜進行超聲處理發(fā)現，隨著超聲處理時間增加，花椰菜干制品色澤與新鮮樣品更接近，說明對于花椰菜干制品色澤的保持來說，較長時間超聲處理后對其更加有利。張莉會[24]采用超高壓結合超聲預處理草莓片后進行相關指標測定。通過對比分析指標可以發(fā)現，隨著超聲時間的增加草莓色澤（a*）會逐漸增大。張振亞等[25]在熱泵干燥菠蘿片時發(fā)現，超聲預處理有助于維持菠蘿片原有的色澤，其中經過60 ℃超聲預處理的實驗組與鮮果的色差最小。由以上結果可知，可通過超聲預處理工藝優(yōu)化保持農產品原有色澤。

2.5 營養(yǎng)成分

黃酮類物質和酚類物質是維持果蔬品質的重要的次生代謝產物，可以有效地抑制膜脂過氧化反應并清除活性氧自由基，在植物自身的抗氧化過程中起到了非常重要的作用[26]。但隨著果蔬干燥時間的推移，在酶的作用下這些次生代謝產物會轉化為其他物質，其中酚類物質還會發(fā)生熱分解、氧化，導致其含量的下降[27]。張莉會等[28]發(fā)現在干燥草莓片前用蔗糖結合超聲滲透預處理可降低草莓中的溶解氧含量，使酚類物質氧化分解的可能性降低，更有利于保護其中的營養(yǎng)成分。田震等[29]以香蔥為原料，對超聲結合熱風干燥技術相比于單一熱風干燥技術的優(yōu)勢研究進行了實驗，發(fā)現超聲波不僅提高了香蔥表面水分的蒸發(fā)率，同時還降低了香蔥葉柄的外部傳質阻力，縮短了干燥時間。且干制香蔥葉柄中蒜氨酸和硫代亞磺酸酯的保留率隨超聲功率的增大呈現先增加后降低的趨勢。因此，經超聲預處理后的硫代亞磺酸酯和蒜氨酸受到的熱破壞比較小，從而其保留率有所提高，但當超聲功率過大時產生的提取效應會不利于營養(yǎng)成分的保留。提取效應會使硫代亞磺酸酯等有效成分等溶解于超聲溶液中，降低了其保留率。因此，控制合適的超聲波功率和時間可增加干燥制品營養(yǎng)成分的保留率，提高干制品價值。

3 超聲預處理設備開發(fā)

超聲清洗機、超聲波細胞破碎儀、超聲波洗槽、超聲探頭發(fā)生器等傳統(tǒng)的超聲設備存在著聲場分布不均勻、超聲頻率單一和因超聲功率過大導致的能耗偏高等問題，因此開發(fā)適用于干燥前預處理的超聲專用設備顯得尤為必要。近年來這些新型設備也逐漸被開發(fā)利用。如江蘇大學設計的由紅外系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可以對操作參數進行控制的紅外超聲干燥設備就可以達到使預處理和干燥過程在最佳工藝參數下進行的效果，該設備還可以在控制工藝參數的同時實現利用低功率超聲波預處理提高菠蘿蜜干燥效果的作用[30]。再如天津大學開發(fā)的超聲波與熱泵聯(lián)合干燥設備可以克服單一干燥方式很難同時滿足高效節(jié)能以及干燥品質優(yōu)良等眾多要求的問題，在實際應用過程中該設備可以減少干燥黃豆種子的干燥時間，最多可縮短原干燥時間的51.66%～81.90%[31]。Zhang等[32]使用實時檢測的雙頻超聲預處理設備干燥黃秋葵，超聲預處理過程中通過一個聚偏氟乙烯（PVDF）傳感器進行實時監(jiān)測，可以使預處理后的黃秋葵內部隧道結構更支持水分遷移，提高干燥速率及干制品品質，達到高效節(jié)能目的。以上新型預處理設備均可在一定程度上解決單一干燥方法帶來的局限性，具有非常大的應用優(yōu)勢。伴隨著科技和設備開發(fā)設計技術不斷進步，超聲干燥設備功能與性能將會更加全面與完善。

4 結論與展望

超聲預處理不僅可以促進干燥過程的水分遷移，還可以改變果蔬微觀結構，提高有效水分擴散系數和傳質過程，從而明顯縮短產品的干燥時間，節(jié)約資源，降低能耗，提高效率。另外，超聲還能減少果蔬活性成分及營養(yǎng)物質的損失，提高復水性，改善食品色澤、質構等。超聲聯(lián)合熱風干燥技術能有效強化傳熱傳質，提高果蔬熱風干燥品質，但聯(lián)合使用參數的選擇、超聲影響果蔬干燥效果及品質的機制仍有待進一步的探究。隨著食品工業(yè)的發(fā)展及超聲技術的不斷進步，超聲聯(lián)合熱風干燥技術將在我國國民經濟建設中發(fā)揮重要作用，其應用前景將變得更為廣闊。

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（責編：王 菁）

基金項目 安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202110 377145）；滁州市科技計劃類項目（2020ZN011）。

作者簡介 任夢琪（2002—），女。研究方向：食品加工。