超声预处理对果蔬热风干燥效果及品质的影响

任梦琪 苗云龙 韦海阳 张义伟 徐静 闫祥熙 苗文娟

摘要 近年来，节能、高效成为干燥的高标准发展方向，利用热风干燥与其他预处理技术的联合使用强化干燥过程和干燥效果成为当前的一个重要研究方向。超声预处理具有缩短干燥时间、减少干燥能耗、提高干制品品质的优点。本文阐述了超声预处理对果蔬热风干燥效果及品質的影响，并简述了不同超声预处理设备的预处理效果，以供相关研究者参考。

关键词 超声波；果蔬；热风干燥；干燥品质

中图分类号 TS255.35   文献标识号 A

文章编号 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

热风干燥具有设备投资低、操作简单、干燥工艺参数易控、自动化程度高等优点，广泛用于农产品、果蔬、中药材等干制品生产，但一些限制热风干燥发展及应用的问题，如传热传质效率低、干燥过程时间长、能耗高、所得干制产品品质低等仍然存在。

超声波是一种新型食品加工技术，其应用在干燥前处理过程时能较好地保护干制食品的色、香、味及营养物质，同时改变食品物料组织结构，提高干燥效率，减少干燥过程能量消耗。本文就目前国内外科研工作者利用超声预处理改善果蔬热风干燥效果及品质的研究进行综述，并对不同类型超声预处理设备进行简要分析。

1 超声预处理对果蔬热风干燥效果的影响

1.1 对干燥时间的影响

通过整理目前研究者所得出的结论，以下2种超声预处理缩短食品干燥时间的机理被普遍认可。①改变物料微观结构：超声波对食品物料产生反复压缩和拉伸作用，使物料反复收缩和膨胀最终形成海绵状结构，这种海绵结构效应产生的力会大于物料内部通道水分的表面附着力，此时水分较容易通过微小管道转移出来，加快水分挥发，进而达到缩短干燥时间的效果。②超声波空化作用：超声波处理时会产生一定数量的空化气泡。随着时间推移，这些空化气泡会在物料内部增长、破裂，导致一系列理化效应的产生，这些理化效应有助于除去紧密结合在物料内部及表面的水分，缩短干燥时间[1]。

王润楠等[2]以研究不同功率下超声预处理对苹果片热风干燥特性及品质的影响为目的进行了一系列实验，结果表明，干燥速率随着超声功率增大而增大，但干燥过程所用时间会随所用超声波功率增大而减少，即超声预处理达到了提高干燥效率的目的。数据显示，在实验条件为干燥温度70 ℃、超声功率480 W时，干燥速率最快，干制品品质最好。Gamboa-santos等[3]对草莓进行超声预处理后热风干燥，发现设定的超声功率越大，热风干燥时间缩短程度越显著，最快可缩短原干燥时间的13%～44%；严小辉等[4]采用超声预处理的方式对荔枝进行干燥前预处理，发现超声条件为40 kHz、354 W、32.6 min时干燥时间可缩短原干燥时间的38.9%。因此，超声预处理可显著减少果蔬热风干燥时间，提高效率，减少能耗。

1.2 对干燥能耗的影响

热风干燥通常需采用较高的干燥温度，干燥能耗由此增大。同时食品中部分生物活性成分对高温极其敏感，因此干燥会导致部分生物活性成分损失，不利于干制品品质的保持。研究发现，将超声预处理用于热风干燥前处理过程可明显降低热风干燥温度，减少干燥能耗。张锁龙等[5]为获得较高品质的干燥稻谷采用了超声波预处理的方式，发现200 W的超声波处理稻谷3 min后，干燥稻谷时间最多可缩短25 min，能耗降低18.25%；罗登林等[6]采用超声波预处理后再对香菇片进行热风干燥，可使单位能耗减少约22%，进一步验证了超声预处理具有降低干燥时间和能耗的效果。通过以上结果可知超声波技术和热风干燥技术的联合相比于单一的热风干燥可实现提高干燥速率，降低干燥能耗，节约资源[7-8]。

1.3 对有效水分扩散系数的影响

干燥过程中的水分扩散速率越高，干燥时间越短，效率越高。刘云宏等[9]在梨片干燥处理前进行超声预处理，研究干燥过程中的梨片内部水分迁移及微观结构变化，发现增大超声功率能够显著增大水分扩散速率；Rodríguez等[10]将超声波应用于苹果的热风干燥前处理过程，在干燥温度为50 ℃、超声波功率为45、90 W时，物料干燥过程的有效水分扩散系数分别比单一使用热风干燥提高了77.4%及124%。这是由于超声波能量可通过干燥介质传播到物料内部，此过程中产生的微扰效应可通过扩大水分扩散通道、增加微毛细管数量、降低水分吸附力、提高水分子能量等实现物料内部水分扩散阻力的下降及水分扩散动量的增加[11-13]，进而提高有效水分扩散系数，提高干燥速率，节约能源。超声功率越大，超声波对物料产生的微扰效应越显著，越有利于物料内部水分迁移，对应的有效水分扩散系数越高[14-15]。

2 超声预处理对果蔬热风干燥品质的影响

2.1 微观结构

果蔬干制过程中微观结构变化与水分迁移和细胞破裂有关，两者会导致细胞结构出现不同程度的收缩和结构塌陷。热风干燥后果蔬会呈现出高密度、组织较少和不规则的细胞结构，并且细胞间隙增加，细胞壁破坏严重[16]。有多位研究人员通过扫描电镜等方法观察超声预处理对热风干燥果蔬微观结构的影响。郝启栋等[17]对干制蒜片进行扫描电镜观察，结果表明，超声预处理后再将蒜片热风干燥270 min，蒜片产生了疏松多孔结构，细胞壁轮廓变得清晰。张迎敏等[18]在对经超声预处理后的红薯叶与未经预处理的红薯叶进行对比时发现，由于经过超声波处理，物料受到反复拉伸和压缩后不断收缩和膨胀，最终形成海绵状结构，微观结构发生改变。因此前者组织结构更完整，整体更加平坦、均匀、疏松，且细胞开孔孔径更大，复水率更高。

2.2 复水比

研究显示超声预处理对热风干燥后物料复水比有明显提高作用，即经超声预处理后食品原料的复水比与未经预处理的食品物料复水比相比有明显提高。李泽珍等[19]以提高常压热风干燥后的香蕉片的感官评分和复水率为目的，在干燥香蕉片前采用超声预处理，并研究超声波预处理的影响机理。结果表明，经预处理后的干制品感官评分和复水率均明显提高，原因是经适当时间的超声波处理后，原料内部组织逐渐形成海绵状疏松结构，在蒸发过程中更有利于蒸发通道的生成，水分蒸发效果更佳，但预处理时间不宜过长；王润楠等[2]采用超声处理苹果片，发现处理后苹果组织内部微孔通道增多，在复水过程中水分快速通过微孔结构后渗透到苹果组织内部，复水速率加快，复水比增大；Ricce等[20]在对胡萝卜片进行热风干燥前给予41 W/L、25 kHz的超声预处理，干制品指标表明在经较长时间的超声波预处理后的胡萝卜片的复水速率明显增加。但是同上述结果类似，时间过长可能会因受到外力破坏而导致细胞持水力下降，细胞平衡水分的含量下降。过长时间的超声处理会破坏物料内部组织结构[21]，使干燥过程中物料内部水分挥发不均匀，物料复水率下降，但经适当短时间的超声处理后，水分向物料外部扩散的过程得到强化，这个过程中产生的空化效应会使物料的干燥速度增快，物料的复水率得到一定程度提高。

2.3 产品质构

超声预处理在热风干燥果蔬的质构方面也产生了较大的影响。苑丽婧等[1]以猕猴桃为研究对象，研究干燥过程中猕猴桃内部水分状态及干燥特性，在对超声预处理对其影响的研究中发现，和对照组相比，超声预处理能够改善猕猴桃片质构特性，显著降低猕猴桃片的硬度、胶着度、咀嚼度和回复性，这可能与超声预处理引起的猕猴桃片微观结构的改变有关，超声使猕猴桃片内部出现变形和塌陷，形成微观通道，使之组织结构更加疏松多孔，但超声预处理对猕猴桃片的弹性和内聚性没有显著性影响，说明干燥产品的形变恢复速度以及产品内部结构的抗断裂能力和抵抗力没有发生明显改变。戚思影[22]用低频超声预處理香菇，发现其可以改变香菇内部组织结构，在微波干燥时水分可以快速蒸发，使得香菇片结构更加紧密、弹性适中、质地特性更好。以上结果表明，超声预处理可以在一定程度上改善干制品质构，同时需根据干制原料特点选择合适的超声预处理时间和功率。

2.4 产品色泽

由于干制过程中果蔬中的酶和微生物不能完全失活，导致干燥过程中果蔬会发生一定程度的褐变，色泽会受到影响。如多酚氧化酶在氧气和水共同作用下发生酶促褐变，使干制品颜色变暗，L*值降低，即亮度降低。此外，随着干燥温度升高，果蔬中糖类物质发生Maillard反应，也使得干制品L*值降低。超声处理可在一定程度上抑制果蔬干褐变酶的酶活性，同时超声处理也可以改变果蔬内部组织结构，使果蔬片内部形成较多微孔通道，干燥时水分可以更快速地蒸发出来，有效维持果蔬干原有颜色。

在超声预处理对干制农产品色泽的影响方面也有大量研究成果，其中孟繁博等[23]研究了超声预处理热风干燥火龙果片品质的变化情况，发现超声预处理后的火龙果干片色泽更接近鲜果。同时，超声处理也可以改变火龙果果片的内部组织结构，果片内部形成了较多的微孔通道，水分可以更快速地蒸发出来，有效维持果干原有的颜色，避免因干燥过程造成色泽破坏。杨慧珍等[15]对花椰菜进行超声处理发现，随着超声处理时间增加，花椰菜干制品色泽与新鲜样品更接近，说明对于花椰菜干制品色泽的保持来说，较长时间超声处理后对其更加有利。张莉会[24]采用超高压结合超声预处理草莓片后进行相关指标测定。通过对比分析指标可以发现，随着超声时间的增加草莓色泽（a*）会逐渐增大。张振亚等[25]在热泵干燥菠萝片时发现，超声预处理有助于维持菠萝片原有的色泽，其中经过60 ℃超声预处理的实验组与鲜果的色差最小。由以上结果可知，可通过超声预处理工艺优化保持农产品原有色泽。

2.5 营养成分

黄酮类物质和酚类物质是维持果蔬品质的重要的次生代谢产物，可以有效地抑制膜脂过氧化反应并清除活性氧自由基，在植物自身的抗氧化过程中起到了非常重要的作用[26]。但随着果蔬干燥时间的推移，在酶的作用下这些次生代谢产物会转化为其他物质，其中酚类物质还会发生热分解、氧化，导致其含量的下降[27]。张莉会等[28]发现在干燥草莓片前用蔗糖结合超声渗透预处理可降低草莓中的溶解氧含量，使酚类物质氧化分解的可能性降低，更有利于保护其中的营养成分。田震等[29]以香葱为原料，对超声结合热风干燥技术相比于单一热风干燥技术的优势研究进行了实验，发现超声波不仅提高了香葱表面水分的蒸发率，同时还降低了香葱叶柄的外部传质阻力，缩短了干燥时间。且干制香葱叶柄中蒜氨酸和硫代亚磺酸酯的保留率随超声功率的增大呈现先增加后降低的趋势。因此，经超声预处理后的硫代亚磺酸酯和蒜氨酸受到的热破坏比较小，从而其保留率有所提高，但当超声功率过大时产生的提取效应会不利于营养成分的保留。提取效应会使硫代亚磺酸酯等有效成分等溶解于超声溶液中，降低了其保留率。因此，控制合适的超声波功率和时间可增加干燥制品营养成分的保留率，提高干制品价值。

3 超声预处理设备开发

超声清洗机、超声波细胞破碎仪、超声波洗槽、超声探头发生器等传统的超声设备存在着声场分布不均匀、超声频率单一和因超声功率过大导致的能耗偏高等问题，因此开发适用于干燥前预处理的超声专用设备显得尤为必要。近年来这些新型设备也逐渐被开发利用。如江苏大学设计的由红外系统、超声波系统和控制系统组成，可以对操作参数进行控制的红外超声干燥设备就可以达到使预处理和干燥过程在最佳工艺参数下进行的效果，该设备还可以在控制工艺参数的同时实现利用低功率超声波预处理提高菠萝蜜干燥效果的作用[30]。再如天津大学开发的超声波与热泵联合干燥设备可以克服单一干燥方式很难同时满足高效节能以及干燥品质优良等众多要求的问题，在实际应用过程中该设备可以减少干燥黄豆种子的干燥時间，最多可缩短原干燥时间的51.66%～81.90%[31]。Zhang等[32]使用实时检测的双频超声预处理设备干燥黄秋葵，超声预处理过程中通过一个聚偏氟乙烯（PVDF）传感器进行实时监测，可以使预处理后的黄秋葵内部隧道结构更支持水分迁移，提高干燥速率及干制品品质，达到高效节能目的。以上新型预处理设备均可在一定程度上解决单一干燥方法带来的局限性，具有非常大的应用优势。伴随着科技和设备开发设计技术不断进步，超声干燥设备功能与性能将会更加全面与完善。

4 结论与展望

超声预处理不仅可以促进干燥过程的水分迁移，还可以改变果蔬微观结构，提高有效水分扩散系数和传质过程，从而明显缩短产品的干燥时间，节约资源，降低能耗，提高效率。另外，超声还能减少果蔬活性成分及营养物质的损失，提高复水性，改善食品色泽、质构等。超声联合热风干燥技术能有效强化传热传质，提高果蔬热风干燥品质，但联合使用参数的选择、超声影响果蔬干燥效果及品质的机制仍有待进一步的探究。随着食品工业的发展及超声技术的不断进步，超声联合热风干燥技术将在我国国民经济建设中发挥重要作用，其应用前景将变得更为广阔。

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（责编：王 菁）

基金项目 安徽省大学生创新创业训练计划项目（S202110 377145）；滁州市科技计划类项目（2020ZN011）。

作者简介 任梦琪（2002—），女。研究方向：食品加工。