超聲滲透脫水-熱風干燥梨的研究

劉云宏，吳建業，劉建學，羅 磊，種翠娟，苗 帥，羅登林

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

超聲滲透脫水-熱風干燥梨的研究

劉云宏，吳建業，劉建學，羅 磊，種翠娟，苗 帥，羅登林

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

超聲波的空化效應及機械效應可有效增強脫水過程中物料內外的質量傳遞速率，因此超聲波技術可用于果蔬滲透脫水的強化，而超聲滲透脫水又常作為其他干燥方式的預處理以提高脫水速率。本研究以碭山梨梨片為實驗材料，進行超聲波滲透脫水預處理聯合熱風干燥研究。結果表明：提高超聲功率及滲透液糖度可顯著增加失重率；與直接熱風干燥相比，單一的滲透脫水預處理延長總脫水時間約30～60 min；而超聲滲透脫水預處理可縮短熱風干燥的干燥時間40～120 min，并提高有效水分擴散系數11%～56%。因此，在熱風干燥前進行超聲滲透脫水預處理，可有效縮短總工藝時間，提高干燥效率。

超聲波；滲透脫水；熱風干燥；梨

熱風干燥作為一種傳統古老的干燥方法，被廣泛應用于谷物、水果、蔬菜、海產品等各類物料的干燥，具有投資低、管理方便等優點，是現代產業化生產干制品的一種重要干燥方式。然而，常規熱風干燥具有耗能、費時、產品品質不高的缺點[1-2]，有必要采取有效措施來提高干燥速率，減少熱風干燥時間。其中，將超聲波技術用于干燥強化得到了干燥界越來越多的關注。

超聲波作為一種物理能量形式，可使介質粒子振動，這種振動在亞微觀范圍內引起超聲空化現象，從而使固液體系中的液體介質的質點運動增加，固體內部結構變化，使微孔擴散得以強化[3-5]。超聲波技術常被用于強化滲透脫水過程[6-7]。國外的有關文獻表明，超聲滲透脫水可顯著提高果蔬的脫水速度與品質[8-12]。國內也有不少有關超聲滲透脫水的研究，結果顯示超聲技術可同時提高果蔬滲透脫水的脫水效率和營養保持率，且效果顯著[13-15]。

然而超聲滲透脫水只能除去部分水分，得到的產品仍具有較高含水率，難以實現長期保藏。為獲得干燥產品，超聲滲透脫水可作為預處理除去物料中部分水分，再利用冷凍干燥、熱風干燥或微波干燥等方法除去剩余水分[16-18]。張文華[19]進行了滲透脫水-熱風干燥胡蘿卜的研究，結果表明滲透脫水預處理可節省干燥時間約1/3，干制品色澤、外形及復水性也優于未滲透物料。Fernandes等[17]進行了超聲滲透脫水-熱風干燥的研究，結果表明超聲滲透脫水預處理可有效縮短干燥時間及提高水分擴散系數。但以上研究并未對超聲滲透脫水各參數對不同干燥條件下熱風干燥特性的影響展開深入探討，也未有梨的超聲滲透脫水-熱風干燥研究報道。本實驗以梨為干燥對象，進行超聲滲透脫水-熱風干燥的實驗研究，探討超聲功率及滲透液糖度對失重率及后續熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數的影響，并與直接熱風干燥進行比較，驗證超聲滲透脫水提高梨的熱風干燥效率的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮碭山梨：購于河南省洛陽市上海市場，并在2～4 ℃條件下貯藏。在每次實驗中，將梨削皮并利用切片機切成直徑40 mm、厚度6 mm的薄片，隨即進行超聲滲透脫水預處理及熱風干燥實驗。

1.2 儀器與設備

GZ-II熱風干燥機 廣東實驗儀器設備廠；KQ5200DE數顯超聲清洗儀 昆山超聲儀器有限公司；BT2235電子天平 常州宏衡電子儀器廠；WYT-4折射儀 上海精密儀器儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗設計

將蔗糖置入盛有蒸餾水的燒杯，配制成不同糖度的滲透溶液。將50 g梨片放入燒杯后，立即將燒杯放入超聲波清洗儀進行超聲滲透脫水實驗，超聲頻率22 kHz，滲透脫水溫度設定為40 ℃。為防止稀釋效應，料液比設定為1∶8。改變滲透時間（20、40、60、80、100 min）、超聲功率（0、40、80、120、160 W）及滲透液糖度（20、40、60oBrix），觀察各參數對失重率的影響。超聲滲透脫水后進行熱風干燥實驗（溫度40、50、60、70 ℃；風速0.5、1.0、1.5 m/s），研究超聲滲透脫水對熱風干燥的干燥時間、總脫水時間及有效水分擴散系數的影響。

1.3.2 失重率測定

超聲滲透脫水處理后物料的失重率采用式（1）計算。

式中：m0為物料初始質量/g；m1為超聲滲透脫水后物料質量/g。

1.3.3 含水率測定

熱風干燥過程定期稱取物料質量m，當最終含水率達到0.06 g/g干基時干燥停止。熱風干燥過程中物料含水率（M）采用式（2）計算。

式中：m為熱風干燥過程中不同時間下的物料質量/g；md為絕干物質的質量/g。

1.3.4 有效水分擴散系數測定

由于梨片厚度遠小于其直徑，可將物料看成大的平板，濕份擴散特性為一維擴散。同時，和物料含水率相比，其平衡含水率Me很小，在水分比（MR）計算中可忽略不計，即Me≈0。因此，根據Fick第二擴散定律的解析，MR采用式（3）[20]計算。

式中：Deff為有效水分擴散系數/（m2/s）；L為物料厚度的一半/m；t為時間/s；Me、M0與Mt分別為平衡含水率、初始含水率及t時刻的含水率。

將ln（MR）和t的對應關系作圖，獲得斜率F后利用式（4）計算Deff。

2 結果與分析

2.1 超聲滲透時間對失重率的影響

在滲透液糖度60oBrix、滲透液溫度40 ℃、超聲波功率120 W的條件下，進行超聲滲透脫水實驗，考察超聲滲透時間對失重率的影響，結果如圖1所示。

圖1 超聲滲透時間對失重率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic-assisted osmosis time on weight reduction ratio

由圖1可知，隨著滲透時間的增加，失重率快速上升，但在60 min后，失重率上升速率變緩，差異顯著性趨于不明顯。由于物料內外存在滲透壓差，會促使水分由物料內部向表面擴散并進入到滲透液中，而超聲的空化作用則強化這一傳質過程。但當超聲滲透脫水進行到中后期，物料水分含量下降，滲透壓差明顯降低，最終導致傳質推動力下降及脫水速率變緩。另外，超聲處理時間過長會導致果蔬組織結構的明顯破壞[8]。因此，確定后續研究的超聲滲透脫水時間為60 min。

2.2 超聲功率對失重率的影響

在滲透液糖度60oBrix、滲透溫度40 ℃、超聲滲透脫水時間60 min的條件下，調節不同超聲波輸出功率進行超聲滲透脫水實驗，失重率結果如圖2所示。

圖2 超聲功率對失重率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on weight reduction ratio

由圖2可知，超聲波的功率對超聲滲透脫水的影響較大，具有明顯的差異顯著性。隨著超聲波功率的增大，梨的失重率上升，這是由于超聲波功率增大，產生的空化效應增強，滲透脫水的傳質速率加快[21]，從而導致失重率增加。另外，超聲振蕩會在物料內部形成微毛細管，同樣有利于水分擴散[17]。但當超聲波功率超過120 W后，差異顯著性不明顯，表明其空化效應對水分傳遞的影響逐漸穩定，從而導致對失重率的影響變弱。

2.3 滲透液糖度對失重率的影響

在滲透溫度40 ℃、超聲波功率120 W、滲透時間60 min的條件下，進行不同滲透液糖度下的超聲滲透脫水實驗，結果如圖3所示。

圖3 滲透液糖度對失重率的影響Fig.3 Effect of osmotic solution concentration on weight reduction ratio

由圖3可知，梨的失重率隨著滲透液糖度的增加而增加，且表現出明顯的差異顯著性。這是因為滲透脫水是物料中的水分向溶液中擴散，其擴散速率主要取決于其傳質推動力即滲透壓差。滲透壓差越大，其水分擴散速率就越快，致使失重率隨著滲透液糖度的增加而上升。但是滲透液糖度過高，會導致溶液的黏度升高，外部傳質阻力增大，將影響擴散速率[12]。故滲透液糖度以不超過60oBrix為宜。

超聲功率及滲透液糖度對失重率影響的方差分析如表1所示，可知兩因素均對失重率的影響顯著。通過二次多項式逐步回歸，可得以超聲功率（X1）及滲透液糖度（X2）表示的失重率（Y）模型方程如下：

表1 超聲功率及滲透液糖度對失重率的方差分析Table 1 Analysis of variance for the effects of ultrasonic power and osmotic concentration on weight reduction ratio

2.4 超聲滲透脫水-熱風干燥的干燥特性

在滲透溫度40 ℃、滲透時間60 min的條件下，改變超聲波功率為0、40、80、120、160 W和滲透液糖度20、40、60oBrix，進行超聲滲透脫水-熱風干燥研究，其中熱風干燥參數設定為溫度60 ℃、風速1 m/s。熱風干燥的干燥曲線及干燥速率曲線如圖4～5所示，熱風干燥時間、總脫水時間及有效水分擴散系數如表2所示，其中總脫水時間等于超聲滲透脫水時間和熱風干燥時間的總和。

圖4 不同超聲功率下超聲滲透脫水-熱風干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.4 Drying curves and drying rate curves of hot air drying after osmotic dehydration with different ultrasonic powers

圖5 不同滲透液糖度下超聲滲透脫水-熱風干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.5 Drying curves and drying rate curves of hot air drying after osmotic dehydration with different osmotic concentrations

由圖4～5可知，超聲功率增加，超聲滲透脫水預處理后的熱風干燥時間明顯縮短。超聲功率越高，超聲滲透脫水處理后梨的含水率越低，在熱風干燥中需要除去的水分越少，越有利于熱風干燥的進行。同時，超聲波會在物料內部產生微細管及增大毛細孔隙尺寸[17]，也有利于物料內部水分的擴散。嚴曉輝等[22]的電鏡掃描結果顯示超聲處理對荔枝的組織結構有明顯影響，因此超聲預處理有利于干燥速率的提高，超聲功率越大，影響越顯著。另一方面，滲透液糖度增加，可提高超聲滲透脫水預處理的失重率并降低后續熱風干燥需要脫除水分的質量，同樣可縮短熱風干燥時間。

表2 不同超聲功率及滲透液糖度下超聲滲透脫水-熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數Table 2 Influences of ultrasonic power and osmotic concentration on drying time and effective moisture diffusivity coefficient of hot air drying

在熱風溫度60 ℃及風速1 m/s的條件下，未經超聲滲透脫水預處理直接熱風干燥的干燥時間為340 min（圖4）。由表2可知，和直接熱風干燥相比，沒有超聲波強化的滲透脫水，會導致總脫水時間延長30～60 min。雖然滲透脫水可除去物料中部分水分，但失重率較低，有較多的水分需要在熱風干燥中除去。另外，滲透脫水容易在物料表面形成一層薄膜，從而加大熱風干燥的傳質阻力并降低熱風干燥速率[18]。而利用超聲來強化滲透脫水，除了明顯提高失重率及增強微細管外，超聲的空化作用會阻止表面致密膜的形成，有利于后續熱風干燥的脫水過程。Soria等[23]認為超聲的微擾效應會降低物料表面水分吸附力并產生微孔道，有利于水分的遷徙與脫除。因此，在超聲滲透脫水中采用較高的超聲功率及滲透液糖度，可縮短總脫水時間及提高Deff值。

超聲功率及滲透液糖度對后續熱風干燥時間t1及其有效水分擴散系數Deff,1影響的方差分析見表3，可知兩因素對后續熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數均為顯著性影響。

表3 超聲功率及滲透液糖度對后續熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數的方差分析Table 3 Analysis of variance for the effects of ultrasonic power and osmotic concentration on drying time( ) and diffusivity cofficient( eff,1) of hot air drying

在滲透液糖度60oBrix、滲透溫度40 ℃及超聲波功率120 W的條件下，對梨進行60 min的超聲滲透脫水預處理后，進行不同溫度及風速的熱風干燥實驗，干燥曲線及干燥速率曲線如圖6～7所示。同時進行了直接熱風干燥的對照實驗，超聲滲透脫水-熱風干燥及熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數如表4所示。干燥溫度和風速的提高，會提高質熱傳遞速率，從而縮短干燥時間，但溫度對干燥時間及速率的影響比風速更為顯著，這與直接熱風干燥的影響規律一致。和直接熱風干燥相比，在熱風干燥前進行超聲滲透脫水預處理，可縮短干燥時間40～120 min，并提高有效水分擴散系數11%～56%，這與文獻[17]的結果相似。通過t檢驗對直接熱風干燥和超聲滲透脫水-熱風干燥的脫水時間及有效水分擴散系數進行雙樣本差異顯著性分析，P時間=0.037 6，PDeff=0.037 6，均小于0.05，可得超聲滲透脫水預處理可有效縮短總脫水時間和提高熱風干燥的水分擴散性能。

圖6 超聲滲透脫水預處理后不同溫度下熱風干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.6 Drying curves and drying rate curves of hot air drying at different temperatures with ultrasonic-assisted osmosis pretreatment

圖7 超聲滲透脫水預處理后不同風速下熱風的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.7 Drying curves and drying rate curves of hot-air drying at different air velocities with ultrasonic-assisted pretreatment

表4 有無超聲滲透脫水的熱風干燥時間及有效水分擴散系數Table 4 Dehydration time and eff values of hot-air drying with or without ultrasonic-assisted osmosis pretreatment

干燥溫度及風速對干燥時間t及有效水分擴散系數Deff影響的方差分析如表5所示，可知無論是超聲滲透脫水-熱風干燥還是熱風干燥，干燥溫度及風速對t及Deff的影響均極顯著。通過二次多項式逐步回歸，可得以干燥溫度（X3）及風速（X4）表示的超聲滲透脫水-熱風干燥的干燥時間t2及其有效水分擴散系數Deff,2、直接熱風干燥的干燥時間t3及其有效水分擴散系數Deff,3模型方程如下：

表5 超聲滲透脫水-熱風干燥及熱風干燥的干燥時間及有效水分擴散系數的方差分析Table 5 Analysis of variance for the effects of drying temperature and air velocity on , eff,2 of ultrasonic-assisted osmosis followed by hot air drying and , eff,3 of direct hot air drying

3 結 論

3.1 和常規滲透脫水相比，采用超聲滲透脫水技術可增強梨片內部和表面的傳質速率，從而提高脫水速率。提高超聲波功率及滲透液糖度，均有利于提高滲透速率，且超聲功率和滲透液糖度對失重率的影響顯著。

3.2 將超聲滲透脫水預處理及熱風干燥工藝結合起來用于梨的干燥。和直接熱風干燥相比，單純的滲透脫水預處理會增加總脫水時間。而超聲滲透脫水預處理不但脫除了部分水分，而且改善了物料內部水分擴散狀態，有利于后續熱風干燥的進行。在高含水率物料如梨的熱風干燥工藝前引入超聲滲透脫水預處理，可有效縮短熱風干燥時間及總工藝時間，提高熱風干燥過程的有效水分擴散系數，最終提高脫水效率。

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Ultrasonic-Assisted Osmotics Dehydration and Subsequent Hot-Air Drying of Pear Slices

LIU Yun-hong, WU Jian-ye, LIU Jian-xue, LUO Lei, CHONG Cui-juan, MIAO Shuai, LUO Deng-lin
(College of Food and Bio-engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

In this study, fresh-cut slices of ‘Dangshan’ pear were pretreated by means of ultrasonic-assisted osmotic dehydration before hot-air drying for the purpose of obtaining enhanced dehydration rate. The influences of operational parameters including ultrasonic power and osmosis concentration on weight reduction ratio, drying time and effective moisture diffusivity were examined. The results showed that increasing the ultrasonic power and sugar concentration in the osmotic solution signifi cantly improved weight reduction ratio. Compared with direct hot air drying, the total dehydration time for pear slices pretreated by osmotic dehydration without ultrasonic treatment was prolonged by 30?60 min, but shortened by 40?120 min for those pretreated by ultrasonic-assisted osmotic dehydration, simultaneously with an increase in effective moisture diffusivity coefficient of 11%?56%. Therefore, it is concluded that the use of ultrasonic-assisted osmotic dehydration as a pretreatment procedure before hot air drying can signifi cantly shorten the total process time and subsequently improve the drying effi ciency.

ultrasonic; osmotic dehydration; hot-air drying; pear

TS255.36

A

1002-6630（2014）03-0023-06

10.7506/spkx1002-6630-201403005

2013-09-16

國家自然科學基金項目（11004049；31171723）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（12A210005）

劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向為農產品干燥及貯藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn