超声波强化真空冷冻干燥酸奶中水分蒸发的研究

杨菊芳， 周 正， 吴 昊， 查梦吟， 陈存社

（北京工商大学食品添加剂与配料北京高校工程研究中心/北京市食品风味化学重点实验室，北京 100048）

超声波强化真空冷冻干燥酸奶中水分蒸发的研究

杨菊芳， 周 正， 吴 昊， 查梦吟， 陈存社*

（北京工商大学食品添加剂与配料北京高校工程研究中心/北京市食品风味化学重点实验室，北京 100048）

结合超声波和真空冷冻干燥的优点，对酸奶进行干燥.与真空冷冻干燥相比，在不同超声作用时间、超声波功率和脉冲的条件下，检测酸奶干燥过程中水分损失率、干燥总时间，建立相应条件下的干燥动力学模型.结果表明：超声波干燥显著的提高了物料在较低气流速度和低温下的水分扩散，有效的缩短了干燥总时间.干燥酸奶的最佳条件为超声波功率55%（总功率为900W）、超声脉冲5∶3、超声波作用时间1.5 h，此时干燥时间在同等条件下最短，比对照组平均缩短了20.58 h.干燥的数学模型符合指数方程Wt=W0e-Kt.

超声波；真空冷冻干燥；酸奶；蒸发数学模型

干燥技术是食品保藏的重要方法之一，随着人们生活水平的提高，人们对干燥食品质量要求越来越高.现在常用的食品干燥方法有：热风干燥、渗透干燥、微波干燥、流化床干燥、红外辐射干燥、冷冻干燥等，这些干燥方法有各自的优点和局限性［1-2］，为了尽可能的保持食品的营养特性、降低生产成本及其满足市场的需求，需要研究开发新的食品干燥技术.

真空冷冻干燥是一种保持食品原有营养价值较好的干燥方法［3］，它是在真空状态下，使预先冻结的物料中的水分从冰态直接升华为水蒸汽而被除去，从而使物料得到干燥［4］.从加工设备和工艺参数来看其具有3个方面的缺陷：能耗高、加工成本大、干燥时间长，因而在工业化生产中的应用受到一定的限制［5-6］.而超声波是20世纪才发展起来的一项高新技术，因其独特的热效应、机械效应和空化效应而在功能活性成分提取、食品杀菌与保鲜、食品结晶与冻结、食品干燥等方面有着越来越广泛的应用［7-9］.利用超声波干燥能有效结合真空冷冻干燥和超声波的优点，在保持食品的风味和营养价值的同时降低干燥的能耗，改善产品的感官特性，尤其有利于薪稠食品物料的干燥.

干燥过程曲线由物料升温段、等速干燥段和降速干燥段组成，传统的干燥模型只适合降速阶段，很难用一个数学模型来精确地表达整个干燥过程.利用超声波干燥试验装置进行试验，分析在不同超声波作用时间、超声波功率和超声波脉冲条件下薪稠酸奶的干燥特性，并建立薪稠物料超声波干燥数学模型，进而揭示稠酸奶的干燥规律和干燥机理，为薪稠物料的超声波干燥工艺建立及其设备研制提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

酸奶，市售，蒙牛乳业有限公司：生产批号Y20120930NG41，2013年5月28日生产，在实验室4℃冰箱中贮存；YOD-203型真空冷冻干燥系统，Thermo Fisher Scientific公司；RV8.A65413906型过滤油泵，Thermo Fisher Scientific公司；VPOF110型真空油泵，Thermo Fisher Scientific公司；-40℃冰箱，郑州超低温冰箱有限公司；JA5003型电子天平，上海精密科学仪器有限公司；JY92-ⅡDN型超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 失水率的测定

通过测定干燥前后酸奶的质量确定酸奶失水率，计算方法见式（1）.

失水率=（m1-m2）/m1100%， （1）式（1）中，m1为干燥前的质量，g；m2为干燥后的质量，g.

1.2.2 干燥终点及干燥总时间的确定

根据国家GB 5009.3—2010标准中含水量的测定，在酸奶的干燥过程中，每隔0.5 h迅速取出样品测定一次质量，直到质量不再变化为止，记录相应的干燥时间.

1.2.3 酸奶干燥实验

以超声作用时间、超声波功率、超声波脉冲为因素对酸奶进行干燥实验，其中对照组除了未进行超声波作用外，其余条件都严格保持一致.

1）真空冷冻干燥与超声干燥.称取等量的样品于小烧杯中，对照组预冻后直接进行真空冷冻干燥，实验组在真空冷冻干燥的同时加以超声波强化作用2 h，每隔0.5 h测定一次其水分减少量，两组样品均干燥至样品质量不再变化为止.记录每个时间点的水分减少量及样品完全干燥所用的时间.

2）超声波作用时间的影响实验.分别称取25 g样品于小烧杯中，进行五组实验，分别编号0-1，1-1，2-1，3-1，4-1，实验条件为超声功率25%（总功率为900W），脉冲5∶2（即超声波开5 s，停2 s的间歇作用方式），依次超声波处理0，0.5，1，1.5，2 h，再进行真空冷冻干燥.记录每组样品完全干燥的时间.

3）超声波功率的影响实验.分别称取25 g样品于小烧杯中，分别编号0-2，1-2，2-2，3-2，4-2，实验条件为脉冲为5∶2，超声波作用时间为1.5 h，超声功率依次为0（即无超声波作用），10%，25%，40%，55%，接着进行真空冷冻干燥.每个功率下平行作用三次，记录实验组和对照组中物料完全干燥的总时间.

4）超声波脉冲的影响实验.分别称取25 g样品于小烧杯中，分别编号0-3，1-3，2-3，3-3，4-3，实验条件为超声功率为55%，作用时间为1.5 h，超声波脉冲依次为0（即无超声波作用），5∶1，5∶2，5∶3，5∶4，接着进行真空冷冻干燥.每个脉冲下平行作用三次，记录实验组和对照组中物料完全干燥的总时间.

2 结果分析

2.1 超声波对真空冷冻干燥过程的影响

超声波干燥与真空冷冻干燥的对比结果，如表1和图1.利用在真空干燥的过程中加入超声波的空化作用、热效应和机械作用强化整个干燥过程，使物料中的水分更容易升华而去除，由此探讨一种优于真空冷冻的干燥技术.

表1 酸奶的干燥速率对比Tab.1 Comparison of drying rate of yogurt

图1 超声波对酸奶干燥速率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic on the drying rate of yogurt

由图1和表1可知，从干燥速率来看：在0～2 h内实验组的失水率明显比对照组高很多，在0.5 h实验组的失水量是对照组的13.75倍，超声波作用结束（2 h）时其失水量为对照组的4.43倍，之后实验组的失水率变化趋势趋于平缓，对照组在干燥后期其失水率也趋于平缓，原因可能是这个阶段物料中的自由水已经蒸发完，而物料中的结合水不容易失去，失去相等量的水所需的干燥时间更长.

随着干燥时间的延长，实验组的失水率一直比对照组高，但这种幅度在逐步减少；从干燥总时间来看：实验组的物料20 h即可达到完全干燥，而对照组则需要25.5 h；从干燥后得到产品来看：实验组干燥方式干燥速率快，得到感官性状较好的的产品.说明超声波有助于物料中水分的蒸发，强化真空冷冻干燥过程，并且能得到较好的干燥产品.

有研究发现超声波对结晶过程起辅助作用，一方面由于超声波能补充和加强形成临界晶核的波动能继而加速起晶过程［10］，另一方面能控制结晶生长的速度，确保晶体细小均匀［11］.而在真空冷冻干燥过程由于超声波作用形成较细小的冰晶，在干燥过程对物料的损害降到最低［12］，另外，超声波诱导结晶过程中的空化作用能够持续清洁冻结过程中物料表面的覆盖物，从而保证冷冻过程中的热传导效率［13］，这也从另一角度说明超声波干燥有利于生产出品质更佳的产品.从干燥物料的特性来看，厚度很薄的物料，干燥层对水蒸气的迁移速率影响不大，升华出来的水气能很快地穿过，若是体积较大的块状物体或者是薪稠胶体物料，干燥层对水蒸气迁移速率影响较大，干燥层内的水气压力随着厚度的增加呈指数上升，而这也是利用超声波干燥体系干燥薪稠物料的优势所在.

2.2 超声波作用时间的影响

在超声波功率25%，脉冲5∶2下，依次处理0，0.5，1，1.5，2 h后进行真空冷冻干燥，得到每组样品完全干燥的总时间，如图2.

图2 超声波作用时间对物料干燥的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on drying time of yogurt

由图2可知，相对于对照组而言，有超声波作用的实验组总干燥时间都比对照组少，并且随着超声波作用时间的延长，物料的总干燥时间呈现先减少再升高的趋势，在超声波作用时间为1.5 h时干燥时间最短，比未使用超声波处理的对照组干燥时间缩短了15.75 h（减少49.2%）.说明超声波有利于物料特别是薪稠物料的干燥，但超声作用的时间不宜过长，时间过长由于超声波的热效应产生的热过多使冻结的物料塌陷，破坏冷冻干燥体系.这与国内外把超声波作为预处理手段用于食品的真空冷冻干燥过程能增加冻干过程中的水分迁移速度，从而降低真空冷冻干燥的成本的研究相吻合［14-17］.另一方面从水相变图也可知在三相点以上，冰需转化成水，水再转化为气，其过程是普通的蒸发干燥.只有在三相点以下，冰才能由固相直接转变为气相，这就是升华.因而，若要得到冻干食品，其升华温度必须低于三相点温度，否则得到的是蒸发干燥食品.这也就说明超声波作用时间不宜过长，超声波作用时间越长热效应越显著，势必使升华温度高于三相点温度无法得到理想的冻干产品.

2.3 超声波功率的影响

在超声功率依次为0，10%，25%，40%，55%，超声波脉冲为5∶2下作用1.5 h，接着进行真空冷冻干燥.得到每组样品完全干燥的总时间.如图3.

图3 超声波功率对干燥效果的影响Fig.3 Effects of ultrasonic power on drying time of yogurt

超声波功率可表示为单位时间内所含超声能量的大小，超声波功率越大，作用于酸奶的能量就越大，越能促进其水分的蒸发.由图3可知，实验组的总干燥时间都比对照组低，说明超声波能强化真空冷冻干燥过程中水分的蒸发；酸奶的干燥时间曲线呈现先降低再升高最后再降低的趋势，可能的解释为：真空冷冻干燥过程是物料得到的升华热使冰在三相点以下的温度下升华，升华速率的大小，显然与供给的热流量及冰升华潜热有关，由于超声波的热效应给水分子的升华提供了更多的能量及其超声波的空化效应使水分子更易于从物料表面逸出使得在刚开始时干燥时间变短，但由于整个作用体系是在真空冷冻的环境下，加大超声波的输出功率使冷冻的物料发生解冻、塌陷，一旦物料体系发生塌陷将直接影响干燥过程的进行，所以干燥时间曲线继而呈现升高的趋势，可是随着超声波功率的继续增大，其对物料的空化效应、机械效应和热效应将逐渐增强使水分子极易汽化而达到蒸发的目的，最终干燥时间曲线呈现再降低的趋势.由于所选用的超声波变幅杆为φ6（变幅杆的大小直接决定超声波的振幅和频率，φ6为该试验所用的超声波细胞粉碎机JY92-ⅡDN型的标准配置），要求最大输出功率为55%，实验中在此条件下干燥时间最短，比未使用超声波处理的对照组干燥时间缩短了15.83h（49.7%）.

2.4 超声脉冲的影响

在超声波功率55%，脉冲依次为0，5∶1，5∶2，5∶3，5∶4的条件下，作用1.5 h，接着进行真空冷冻干燥.得到每组样品完全干燥的总时间.如图4.

图4 超声波脉冲对物料干燥的影响Fig.4 Effect of ultrasonic pulse on drying time of yogurt

由图4可知，实验组的总干燥时间均比对照组低，在超声脉冲为5∶3时干燥时间最短，比未使用超声波处理的对照组干燥时间缩短了20.58 h（减少64.7%），而在超声波脉冲为5∶4时干燥时间比脉冲为5∶3时略有增大.该试验说明只有合适的间隔时间才能提高超声波作用效果，使物料由于超声波作用形成合适的微孔道，在干燥过程中水分逸出才能更加快速.而干燥总时间与超声波脉冲直接相关，超声波作用的间歇时间过短时，产生过量的热不利于真空冷冻干燥：由于冰的热扩散速度是水的9倍，因此在一定的条件下，冰的温度变化速度比水大得多，过量的热首先被冰吸收使其融化，此时干燥过程变成水的融化、蒸发和升华同时进行，水的熔化烩为6.012 kJ，水的蒸发烩为40.657 kJ，冰的升华烩为50.91 kJ，由此一方面不利于形成具有良好感官的产品另一方面也增加干燥总时间.

3 酸奶超声波干燥数学模型的建立

物料的干燥是一个复杂的传热传质过程，建立干燥数学模型可以对物料的干燥过程进行分析、控制和预测.将不同干燥条件下的干燥变化曲线转变成水分比变化曲线，并对各种干燥模型进行线性化处理，最后进行线性回归与计算，从而选择正确合理的干燥模型.目前，用来描述物料整个干燥过程的常见模型有3种［18-19］.

从干燥曲线图1可以看出，酸奶的的含水率与干燥时间大致呈指数关系，于是选择以下两种数学模型进行拟合，见式（2）和式（3）.

式（2）和式（3）中，Wt为干燥时间t时物料含水率（干基）；t为干燥时间；A、K、n为待定系数，与物料的初始条件及干燥条件有关.

为便于分析，将式（2），式（3）分别取对数，化成线性形式如式（4）和式（5）.

式（4）在ln Wt-t坐标系中表示的是直线方程.将试验数据描绘在该坐标系中，结果如图5，对照组和实验组的的实验数据在ln Wt-t坐标系中大致呈直线.说明用式（4）描述干燥曲线较好.因此确定用式（2）来描述酸奶的含水率随时间的变化规律.式（5）表示ln［ln A-ln Wt］-ln t的坐标系，将试验数据描绘在该坐标中，其结果如图6，可以看出，试验数据在该坐标系内呈曲线，说明用式（3）来描述干燥曲线时误差较大［20］.

很显然，当t=0时，参数A=W0，W0为物料初始含水率.参数K是与干燥介质温度、物料的种类、物料的厚度、超声波功率、脉冲和超声波作用时间等因素相关的函数.

图5 对照组和实验组的ln（Wt）与t的关系Fig.5 Correlations between ln（Wt）and t in control and experimental groups

图6 对照组和实验组的ln（ln（Wt））与ln（t）的关系Fig.6 Correlations between ln（ln（Wt））and ln t in control and experimental groups

4 结 论

1）超声波干燥能显著提高物料在较低气流速度和低温下的水分扩散，有效的缩短干燥总时间.

2）真空冷冻干燥下超声波作用酸奶其干燥速率明显高于真空冷冻干燥过程，干燥曲线呈先升高后趋于平缓的趋势，在0.5 h时干燥速率达到最大值，此时失水率（15.97%）接近无超声波作用时干燥4 h的失水率.有超声波作用时干燥后期更容易达到干燥终点，原因是由于超声波的空化作用有助于去除物料中的结合水，节省了干燥总时间.

3）在真空冷冻干燥下超声波作用酸奶其最佳的条件为：超声波功率55%，超声脉冲5∶3，超声波作用时间1.5 h，此时干燥时间在同等条件下最短，比对照组缩短了20.58 h，同比干燥时间减少了64.7%.

4）薪稠物料酸奶的干燥模型符合指数模型，为Wt=W0e-Kt.

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Study on W ater Evaporation of Ultrasonic Vacuum Freeze Drying Yogurt

YANG Ju-fang， ZHOU Zheng， WU Hao， Zha Meng-yin， CHEN Cun-she*
（Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients/Beijing Key Laboratory of Food Flavor Chemistry，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

In this study，ultrasonic and vacuum freeze drying were combined to dry yogurt.Compared with the vacuum freeze drying，the effects of ultrasonic time，power，and pulse on water evaporation and drying time of yogurt were determined.Meanwhile，the drying kinetics model was established.The results showed that the ultrasonic synergistic vacuum freeze drying，significantly improving moisture diffusion of thematerialunder the conditions of the low air velocity and low temperature，could shorten the total drying time.The optimal drying conditions were ultrasonic power 495W（55%），ultrasonic pulse 5∶3，and ultrasonic time 1.5 h.Compared with the control group，the total drying time under the optimal conditions decreased 20.58 h.Moreover，the drying kineticsmodelwas Wt=W0e-Kt.

ultrasonic；vacuum freezing drying；yogurt；drying kineticsmodel

李 宁）

TS205.1

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.01.010

2095-6002（2014）01-0053-06

杨菊芳，周正，吴昊，等.超声波强化真空冷冻干燥酸奶中水分蒸发的研究.食品科学技术学报，2014，32（1）：53-58. YANG Ju-fang，ZHOU Zheng，WU Hao，et al.Study on water evaporation of ultrasonic vacuum freeze drying yogurt.Journal of Food Science and Technology，2014，32（1）：53-58.

2013-07-24

北京市自然科学基金资助项目（KZ20110011013）.

杨菊芳，女，硕士研究生，研究方向为食品工程新技术；*陈存社，男，教授，博士，主要从事食品工程新技术方面的研究.通讯作者.