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(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向，利用熱風(fēng)干燥與其他預(yù)處理技術(shù)的聯(lián)合使用強(qiáng)化干燥過程和干燥效果成為當(dāng)前的一個重要研究方向。超聲預(yù)處理具有縮短干燥時間、減少干燥能耗、提高干制品品質(zhì)的優(yōu)點。本文闡述了超聲預(yù)處理對果蔬熱風(fēng)干燥效果及品質(zhì)的影響，并簡述了不同超聲預(yù)處理設(shè)備的預(yù)處理效果，以供相關(guān)研究者參考。

關(guān)鍵詞 超聲波；果蔬；熱風(fēng)干燥；干燥品質(zhì)

中圖分類號 TS255.35? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)干燥具有設(shè)備投資低、操作簡單、干燥工藝參數(shù)易控、自動化程度高等優(yōu)點，廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、中藥材等干制品生產(chǎn)，但一些限制熱風(fēng)干燥發(fā)展及應(yīng)用的問題，如傳熱傳質(zhì)效率低、干燥過程時間長、能耗高、所得干制產(chǎn)品品質(zhì)低等仍然存在。

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

1 超聲預(yù)處理對果蔬熱風(fēng)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(jié)論，以下2種超聲預(yù)處理縮短食品干燥時間的機(jī)理被普遍認(rèn)可。①改變物料微觀結(jié)構(gòu)：超聲波對食品物料產(chǎn)生反復(fù)壓縮和拉伸作用，使物料反復(fù)收縮和膨脹最終形成海綿狀結(jié)構(gòu)，這種海綿結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生的力會大于物料內(nèi)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(zhuǎn)移出來，加快水分揮發(fā)，進(jìn)而達(dá)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(chǎn)生一定數(shù)量的空化氣泡。隨著時間推移，這些空化氣泡會在物料內(nèi)部增長、破裂，導(dǎo)致一系列理化效應(yīng)的產(chǎn)生，這些理化效應(yīng)有助于除去緊密結(jié)合在物料內(nèi)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(yù)處理對蘋果片熱風(fēng)干燥特性及品質(zhì)的影響為目的進(jìn)行了一系列實驗，結(jié)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(yù)處理達(dá)到了提高干燥效率的目的。數(shù)據(jù)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(zhì)最好。Gamboa-santos等[3]對草莓進(jìn)行超聲預(yù)處理后熱風(fēng)干燥，發(fā)現(xiàn)設(shè)定的超聲功率越大，熱風(fēng)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(yán)小輝等[4]采用超聲預(yù)處理的方式對荔枝進(jìn)行干燥前預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)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(yù)處理可顯著減少果蔬熱風(fēng)干燥時間，提高效率，減少能耗。

1.2 對干燥能耗的影響

熱風(fēng)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(dǎo)致部分生物活性成分損失，不利于干制品品質(zhì)的保持。研究發(fā)現(xiàn)，將超聲預(yù)處理用于熱風(fēng)干燥前處理過程可明顯降低熱風(fēng)干燥溫度，減少干燥能耗。張鎖龍等[5]為獲得較高品質(zhì)的干燥稻谷采用了超聲波預(yù)處理的方式，發(fā)現(xiàn)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(yù)處理后再對香菇片進(jìn)行熱風(fēng)干燥，可使單位能耗減少約22%，進(jìn)一步驗證了超聲預(yù)處理具有降低干燥時間和能耗的效果。通過以上結(jié)果可知超聲波技術(shù)和熱風(fēng)干燥技術(shù)的聯(lián)合相比于單一的熱風(fēng)干燥可實現(xiàn)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?jǐn)U散系數(shù)的影響

干燥過程中的水分?jǐn)U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(jìn)行超聲預(yù)處理，研究干燥過程中的梨片內(nèi)部水分遷移及微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)增大超聲功率能夠顯著增大水分?jǐn)U散速率；Rodríguez等[10]將超聲波應(yīng)用于蘋果的熱風(fēng)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?jǐn)U散系數(shù)分別比單一使用熱風(fēng)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(zhì)傳播到物料內(nèi)部，此過程中產(chǎn)生的微擾效應(yīng)可通過擴(kuò)大水分?jǐn)U散通道、增加微毛細(xì)管數(shù)量、降低水分吸附力、提高水分子能量等實現(xiàn)物料內(nèi)部水分?jǐn)U散阻力的下降及水分?jǐn)U散動量的增加[11-13]，進(jìn)而提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)，提高干燥速率，節(jié)約能源。超聲功率越大，超聲波對物料產(chǎn)生的微擾效應(yīng)越顯著，越有利于物料內(nèi)部水分遷移，對應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)越高[14-15]。

2 超聲預(yù)處理對果蔬熱風(fēng)干燥品質(zhì)的影響

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

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

2.2 復(fù)水比

研究顯示超聲預(yù)處理對熱風(fēng)干燥后物料復(fù)水比有明顯提高作用，即經(jīng)超聲預(yù)處理后食品原料的復(fù)水比與未經(jīng)預(yù)處理的食品物料復(fù)水比相比有明顯提高。李澤珍等[19]以提高常壓熱風(fēng)干燥后的香蕉片的感官評分和復(fù)水率為目的，在干燥香蕉片前采用超聲預(yù)處理，并研究超聲波預(yù)處理的影響機(jī)理。結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)處理后的干制品感官評分和復(fù)水率均明顯提高，原因是經(jīng)適當(dāng)時間的超聲波處理后，原料內(nèi)部組織逐漸形成海綿狀疏松結(jié)構(gòu)，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(yù)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(xiàn)處理后蘋果組織內(nèi)部微孔通道增多，在復(fù)水過程中水分快速通過微孔結(jié)構(gòu)后滲透到蘋果組織內(nèi)部，復(fù)水速率加快，復(fù)水比增大；Ricce等[20]在對胡蘿卜片進(jìn)行熱風(fēng)干燥前給予41 W/L、25 kHz的超聲預(yù)處理，干制品指標(biāo)表明在經(jīng)較長時間的超聲波預(yù)處理后的胡蘿卜片的復(fù)水速率明顯增加。但是同上述結(jié)果類似，時間過長可能會因受到外力破壞而導(dǎo)致細(xì)胞持水力下降，細(xì)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)[21]，使干燥過程中物料內(nèi)部水分揮發(fā)不均勻，物料復(fù)水率下降，但經(jīng)適當(dāng)短時間的超聲處理后，水分向物料外部擴(kuò)散的過程得到強(qiáng)化，這個過程中產(chǎn)生的空化效應(yīng)會使物料的干燥速度增快，物料的復(fù)水率得到一定程度提高。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)

超聲預(yù)處理在熱風(fēng)干燥果蔬的質(zhì)構(gòu)方面也產(chǎn)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(nèi)部水分狀態(tài)及干燥特性，在對超聲預(yù)處理對其影響的研究中發(fā)現(xiàn)，和對照組相比，超聲預(yù)處理能夠改善獼猴桃片質(zhì)構(gòu)特性，顯著降低獼猴桃片的硬度、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性，這可能與超聲預(yù)處理引起的獼猴桃片微觀結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)，超聲使獼猴桃片內(nèi)部出現(xiàn)變形和塌陷，形成微觀通道，使之組織結(jié)構(gòu)更加疏松多孔，但超聲預(yù)處理對獼猴桃片的彈性和內(nèi)聚性沒有顯著性影響，說明干燥產(chǎn)品的形變恢復(fù)速度以及產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yù)處理香菇，發(fā)現(xiàn)其可以改變香菇內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，在微波干燥時水分可以快速蒸發(fā)，使得香菇片結(jié)構(gòu)更加緊密、彈性適中、質(zhì)地特性更好。以上結(jié)果表明，超聲預(yù)處理可以在一定程度上改善干制品質(zhì)構(gòu)，同時需根據(jù)干制原料特點選擇合適的超聲預(yù)處理時間和功率。

2.4 產(chǎn)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(dǎo)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(zhì)發(fā)生Maillard反應(yīng)，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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，使果蔬片內(nèi)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(yù)處理對干制農(nóng)產(chǎn)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(yù)處理熱風(fēng)干燥火龍果片品質(zhì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)超聲預(yù)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，果片內(nèi)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(jìn)行超聲處理發(fā)現(xiàn)，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(jié)合超聲預(yù)處理草莓片后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定。通過對比分析指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)，超聲預(yù)處理有助于維持菠蘿片原有的色澤，其中經(jīng)過60 ℃超聲預(yù)處理的實驗組與鮮果的色差最小。由以上結(jié)果可知，可通過超聲預(yù)處理工藝優(yōu)化保持農(nóng)產(chǎn)品原有色澤。

2.5 營養(yǎng)成分

黃酮類物質(zhì)和酚類物質(zhì)是維持果蔬品質(zhì)的重要的次生代謝產(chǎn)物，可以有效地抑制膜脂過氧化反應(yīng)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(chǎn)物會轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，其中酚類物質(zhì)還會發(fā)生熱分解、氧化，導(dǎo)致其含量的下降[27]。張莉會等[28]發(fā)現(xiàn)在干燥草莓片前用蔗糖結(jié)合超聲滲透預(yù)處理可降低草莓中的溶解氧含量，使酚類物質(zhì)氧化分解的可能性降低，更有利于保護(hù)其中的營養(yǎng)成分。田震等[29]以香蔥為原料，對超聲結(jié)合熱風(fēng)干燥技術(shù)相比于單一熱風(fēng)干燥技術(shù)的優(yōu)勢研究進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)先增加后降低的趨勢。因此，經(jīng)超聲預(yù)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(dāng)超聲功率過大時產(chǎn)生的提取效應(yīng)會不利于營養(yǎng)成分的保留。提取效應(yīng)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(yù)處理設(shè)備開發(fā)

超聲清洗機(jī)、超聲波細(xì)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(shè)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(dǎo)致的能耗偏高等問題，因此開發(fā)適用于干燥前預(yù)處理的超聲專用設(shè)備顯得尤為必要。近年來這些新型設(shè)備也逐漸被開發(fā)利用。如江蘇大學(xué)設(shè)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(shù)進(jìn)行控制的紅外超聲干燥設(shè)備就可以達(dá)到使預(yù)處理和干燥過程在最佳工藝參數(shù)下進(jìn)行的效果，該設(shè)備還可以在控制工藝參數(shù)的同時實現(xiàn)利用低功率超聲波預(yù)處理提高菠蘿蜜干燥效果的作用[30]。再如天津大學(xué)開發(fā)的超聲波與熱泵聯(lián)合干燥設(shè)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(zhì)優(yōu)良等眾多要求的問題，在實際應(yīng)用過程中該設(shè)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(yù)處理設(shè)備干燥黃秋葵，超聲預(yù)處理過程中通過一個聚偏氟乙烯（PVDF）傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，可以使預(yù)處理后的黃秋葵內(nèi)部隧道結(jié)構(gòu)更支持水分遷移，提高干燥速率及干制品品質(zhì)，達(dá)到高效節(jié)能目的。以上新型預(yù)處理設(shè)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(yīng)用優(yōu)勢。伴隨著科技和設(shè)備開發(fā)設(shè)計技術(shù)不斷進(jìn)步，超聲干燥設(shè)備功能與性能將會更加全面與完善。

4 結(jié)論與展望

超聲預(yù)處理不僅可以促進(jìn)干燥過程的水分遷移，還可以改變果蔬微觀結(jié)構(gòu)，提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)和傳質(zhì)過程，從而明顯縮短產(chǎn)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(zhì)的損失，提高復(fù)水性，改善食品色澤、質(zhì)構(gòu)等。超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥技術(shù)能有效強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)，提高果蔬熱風(fēng)干燥品質(zhì)，但聯(lián)合使用參數(shù)的選擇、超聲影響果蔬干燥效果及品質(zhì)的機(jī)制仍有待進(jìn)一步的探究。隨著食品工業(yè)的發(fā)展及超聲技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲聯(lián)合熱風(fēng)干燥技術(shù)將在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用，其應(yīng)用前景將變得更為廣闊。

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（責(zé)編：王 菁）

基金項目 安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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。