超聲功率對鐵棍山藥超聲強化熱泵干燥水分遷移的影響

薛 揚，劉云宏，2*，劉恩寵，孫 雪

（1 河南科技大學食品與生物工程學院 河南洛陽 471000 2 食品綠色加工與質量安全控制河南省國際聯合實驗室 河南洛陽 471000）

鐵棍山藥（Dioscorea opposita）屬于薯蕷科薯蕷屬植物[1]，含有大量碳水化合物、多糖、維生素及多種微量元素、必需氨基酸、多酚、尿囊素等物質，有很高的營養、保健價值，具有補脾養胃、生津益肺、補腎澀精的功效[2]。新鮮的鐵棍山藥含水率較高，若儲藏不當容易導致塊莖發芽、腐爛、褐變等一系列品質劣變[3]。一般可對鐵棍山藥進行干燥加工。干燥不僅降低鐵棍山藥的水分活度，延長其貯藏期和貨架期，而且干燥后的鐵棍山藥片為果蔬脆片，豐富了山藥制品種類，拓寬了市場銷量。

熱泵干燥（Heat pump drying，HPD）是一種將熱量從低位熱源轉移到高位熱源進行干燥的現代干燥技術[4]，具有低能耗、高品質[5]、污染少等優點，被廣泛應用于農業和食品工業等領域，如葡萄[6]、香菇[7]、辣椒[8]等果蔬的干燥過程中。HPD 是利用干燥介質進行外部加熱，對于內部介質熱傳遞阻力大的物料，容易產生脫水時間長、干燥速率不高等缺點。近年來，直觸超聲技術（Contact ultrasound，CU）在食品干燥領域備受青睞，它直接通過超聲輻射盤傳入物料內部。CU 獨特的機械效應和空化效應[9]，使物料的組織結構變蓬松，微觀孔道數量增多，有效降低了物料內部的傳質阻力，促進干燥過程中的水分擴散，提高干燥速率，保證產品品質[10]。

將HPD 和CU 兩種技術聯合的超聲強化熱泵干燥（Contact ultrasound enhanced heat pump drying，CU-HPD）應用于農產品干燥，理論上能夠強化HPD 過程中的傳質進程，促進物料內部水分擴散，進而提高干燥效率和提升產品品質[11]。為了探明CU 對HPD 的傳質強化效果，需要采取有效措施來探討CU 對HPD 中水分狀態和脫水過程的影響。低場核磁共振技術（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種快速、準確的水分檢測手段，通過檢測樣品中質子的弛豫特性來反映樣品中水分的狀態及其變化規律[12]，該技術在食品的干燥、儲藏等領域具有廣泛的應用[13-14]。目前未見鐵棍山藥CU-HPD 水分變化的研究報道。

本文以鐵棍山藥為試驗材料，進行CU-HPD試驗，通過掃描電鏡（Scanning electron morphology，SEM）圖片分析CU 功率對鐵棍山藥組織結構的影響，利用LF-NMR 分析不同CU 功率下鐵棍山藥的水分遷移規律，并結合核磁共振成像技術（Magnetic resonance imaging，MRI）分析鐵棍山藥在CU-HPD 過程中的水分分布狀況，以期為CU-HPD 技術在果蔬干燥領域中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用的鐵棍山藥購于洛陽市龍翔農貿市場，其大小均勻、新鮮無損傷。

1.2 儀器與試劑

檸檬酸、L-抗壞血酸、D-異抗壞血酸鈉，以上試劑均為分析純級，天津德恩化學試劑有限公司。

超聲強化熱泵干燥裝置，由河南科技大學自制，具體結構和參數參見文獻[15]；NMI120-015V-1 型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；TM3030Plus 型掃描電子顯微鏡，日本日立高新技術公司；果蔬切片機，福瑞特多功能不銹鋼切片機，佛山市凌齊電器有限公司；恒佳DT 系列電子天平，常熟市嘉衡天平儀器有限公司。

1.3 試驗設計

前期研究證實了在超聲頻率為28 kHz 時[16]，本超聲系統的諧振匹配效果最好，因此，本研究中固定了超聲頻率為上述參數。由于超聲功率是探討超聲強化效應最重要的參數，因此本研究針對不同超聲功率下的物料微觀孔道及水分遷移進行探索。熱泵干燥溫度過低導致干燥速率過小，溫度過高則容易導致品質劣變速率加快，因此，本研究設定了較為適中的熱泵干燥溫度（45 ℃）。本研究首先在干燥溫度為45 ℃的條件下對鐵棍山藥進行HPD 試驗。之后在單一HPD 的基礎上，分別施加20，40，60 W 共3 個超聲功率，進行CU-HPD試驗，探討不同超聲功率對鐵棍山藥干燥的強化效應；結合SEM 照片分析超聲功率對鐵棍山藥孔隙率的影響；利用LF-NMR 研究不同CU 功率對鐵棍山藥水分變化的影響；通過MRI 技術分析鐵棍山藥CU-HPD 過程中水分分布狀態。

1.4 試驗方法

1.4.1 鐵棍山藥片干燥處理 新鮮鐵棍山藥的初始干基含水率采用105 ℃直接干燥法[17]測得，為（3.37±0.10）g/g。將預處理后的鐵棍山藥切成5 mm 厚的薄片，每組試驗?。?0±5）g 樣品平鋪于超聲托盤上。打開超聲強化熱泵干燥設備，設置不同的CU 功率（20，40，60 W），進行CU-HPD 試驗。試驗過程中每隔30 min 進行1 次稱重，直至連續2次物料所稱質量不變時，干燥結束。每組試驗重復3 次。

1.4.2 干燥特性的計算

1.4.2.1 干基含水率（M）干基含水率（M）的計算公式為：

式中，M——物料的干基含水率，g/g；mt——t時刻物料的質量，g；md——物料中絕干物質的質量，g。

1.4.2.2 干燥速率（DR）干燥速率（DR）的計算公式為：

式中，DR——干燥速率，g/（g·min）；Mt1——t1時刻物料的干基含水率，g/g；Mt2——t2時刻物料的干基含水率，g/g

1.4.2.3 水分比（MR）水分比（MR）的計算公式為：

式中，MR——物料的水分比；Mt——物料在t時刻的干基含水率，g/g；M0——物料的初始干基含水率，g/g；Me——物料的平衡干基含水率，g/g。

1.4.2.4 有效水分擴散系數（Deff）本文將鐵棍山藥片的水分擴散視為一維擴散。根據菲克擴散定律計算不同CU 功率下物料的有效水分擴散系數[18]。

有效水分擴散系數（Deff）可用下列公式計算求得。

式中：Deff——有效水分擴散系數，m2/s；L——物料的厚度，m；t——干燥時間，s。

將上式簡化，等式兩邊同時取對數可得：

由上式可得-lnMR 與t呈線性關系，其斜率為K。

可根據上式計算Deff值。

1.4.3 掃描電鏡圖片分析和孔隙率的計算 利用SEM 設備得到放大倍數為150 倍的SEM 圖片，觀察不同CU 功率下CU-HPD 對鐵棍山藥微觀結構的影響。使用圖像分析軟件對SEM 圖片進行處理，采用二值化的方法將圖片中的孔道進行標記，利用測量功能對孔道面積和孔徑進行測量，孔道面積用像素表示，孔徑用孔隙多項直徑平均值表示[19]。

孔隙率的計算公式為：

式中，ε——孔隙率；A0——總孔隙面積；A——圖像面積。

1.4.4 低場核磁共振分析 將待測樣品放入低場核磁共振分析儀中，利用多脈沖回波序列（Carrpurcell-meiboom-gill，CPMG）采集樣品的橫向弛豫時間（Transverse relaxation time，T2），利用反演軟件對所得數據進行反演，得到鐵棍山藥樣品的T2反演譜。其主要參數設置如下：偏移頻率為307 229.85 Hz，90°脈沖時間為11.52 μs，180°脈沖時間為26.00 μs，采樣點數為479 992，前置放大倍數為1，采樣等待時間為2 000 ms，回波時間為0.3 ms，累加次數為16，回波個數為15 000。

1.4.5 核磁共振成像分析 將待測樣品置于低場核磁共振分析儀中，使用多層自旋回波序列（Multi-slice spin echo，MSE）采集待測樣品的質子密度圖像。具體參數設置如下：采樣層數為5，層厚為2 mm，層間隙為0.4 mm，重復采樣等待時間為500 ms，累加次數為2，回波時間為20 ms。

1.5 數據處理

采用Excel 2019 軟件進行數據整理，Origin、Image-Pro Plus 等軟件進行試驗數據分析及圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性

不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性曲線如圖1所示。從圖1a 可知，施加CU 能夠減少干燥時間，且隨著超聲功率的逐漸增大，干燥時間顯著減少。在未施加超聲（0 W）時，干燥過程所需的時間為630 min，平均干燥速率為0.0053 g/（g·min）。當分別施加功率為20，40，60 W 的超聲波時，干燥所需的時間分別為600，450，390 min，對應減少的幅度為4.8%，28.6%，38.1%；平均干燥速率分別為0.0056，0.0075，0.0086 g/（g·min），分別提高了5.7%，41.5%，62.3%。由此可見，相較于單一的干燥條件，施加CU 可以縮短干燥時間，提升干燥速率。這是由于在CU-HPD 干燥過程中，將鐵棍山藥切片直接放在超聲輻射板上，超聲能直接傳入物料內部[11]。在超聲的機械效應和空化效應作用下，鐵棍山藥內部結構變得疏松，降低了物料內部對水分的束縛力，從而有效降低內部擴散阻力，提高水分遷移能力，使干燥速率得以提升。

從圖1b 可知，鐵棍山藥的干燥過程呈現為降速干燥過程，這說明鐵棍山藥干燥的快、慢受內部擴散阻力影響，屬于內部擴散控制，這與圖1a 干燥曲線反映的結果相一致，即物料在降速干燥階段，流動性較弱的不易流動水存在于細胞質中，相對較難被去除，就導致干燥速率逐漸變得緩慢[20]。與單一的HPD 相比，CU-HPD 可將干燥時間縮短4.8%～38.1%，平均干燥速率提高5.7%～62.3%，表明CU 與HPD 結合，能有效縮短干燥時間，提高干燥速率。

圖1 不同CU 功率下鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性曲線Fig.1 Drying characteristic curves of Dioscorea opposita by CU-HPD under different ultrasonic power

2.2 有效水分擴散系數

有效水分擴散系數是表征物料在一定條件下脫水能力的參數[21]，鐵棍山藥在CU-HPD 下的有效水分擴散系數Deff為0.887×10-10～1.393×10-10m2/s，其具體變化規律如表1所示。從表1 可知，鐵棍山藥的Deff值隨著超聲功率的提高而變大。在超聲功率為0 W 時Deff值為0.887×10-10m2/s，將超聲功率提升至20，40，60 W 時，Deff分別為0.970×10-10，1.267×10-10，1.393×10-10m2/s，與未施加超聲時相比Deff值分別增大9.4%，42.8%，57.0%，這說明CU 能夠加快鐵棍山藥內部的水分擴散，且超聲功率越高，鐵棍山藥內部水分擴散的越快。這是由于CU 作用于鐵棍山藥時，能使其內部致密的組織結構變得疏松，并產生細小的微觀孔道，減小組織結構對水分的束縛力，降低鐵棍山藥干燥時的傳質阻力，有利于水分的去除。

表1 不同CU 功率下鐵棍山藥的有效水分擴散系數Table 1 Effective moisture diffusion coefficients of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.3 鐵棍山藥的微觀結構

不同CU 功率下鐵棍山藥的微觀結構如圖2所示。由圖可見，在未施加超聲（0 W）時，鐵棍山藥切面的表面比較皺縮，組織結構較為致密，微孔道的數目不多，且孔徑較小。這種結構會使鐵棍山藥的傳質阻力變大，從而不利于物料內部的水分遷移。施加超聲能夠發現山藥切面的部分組織結構變得疏松，微孔道的數目增多，孔徑變大。CU 功率越大，鐵棍山藥切面的組織結構越疏松，微孔道越多，孔徑越大。這與萬芳新等[22]在胡蘿卜超聲強化遠紅外輻射干燥的研究結果類似，這說明施加CU能夠強化干燥過程中鐵棍山藥的內部傳質，促進物料內部水分擴散，且隨著CU 功率的提高，這種強化效應越明顯，越有利于物料內部的水分擴散。

圖2 不同CU 功率下鐵棍山藥的微觀結構Fig.2 Microstructure of Dioscorea opposite under different ultrasonic power

利用圖像處理軟件Image-Pro Plus 計算不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑。不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑如表2所示。未施加超聲（0 W）時，孔隙率為0.083，平均孔徑為9.331 μm。當分別施加20，40，60 W 超聲時，鐵棍山藥相應的孔隙率分別為0.176，0.281 和0.381，平均孔徑分別為10.907，13.563 μm 和17.702 μm。超聲功率越大，鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑越大，與圖2 反映的一致。Shi 等[19]在香蕉片的超聲-遠紅外輻射干燥中發現超聲功率增大，物料的孔隙率也逐漸變大。

表2 不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率和平均孔徑Table 2 Porosity and average pore size of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.4 鐵棍山藥CU-HPD 的水分遷移規律

根據LF-NMR 原理，質子的不同化學環境會導致其不同的T2弛豫時間以及不同的自由度。T2弛豫時間可以間接反映水的相性特征[23]，因此，利用物料的T2弛豫時間曲線可以表征干燥過程中物料內部的水分狀態變化和水分遷移規律。弛豫時間越短，水與物料的結合越緊密，自由度越低，流動性就越差。反之，弛豫時間越長，自由度越高，水分流動性就越好。被不同T2峰覆蓋的信號面積可以代表不同狀態水分的相對含量[24]。圖3 是新鮮鐵棍山藥片的T2弛豫時間曲線，該曲線上有3個峰T21、T22和T23，由此可以將鐵棍山藥T2弛豫時間曲線劃分為3 個區域：0.01～10 ms、10～100 ms和100～10 000 ms，其對應的峰面積分別為A21、A22、A23，它們分別代表結合水、不易流動水和自由水。結合水通過氫鍵與大分子物質緊密結合[25]，不易流動水存在于細胞質基質中[26]，自由水則存在于細胞間隙以及流動性較高的纖維組織之間[13]。根據T2弛豫時間曲線，新鮮鐵棍山藥核的磁共振信號中A23明顯高于A22和A21，說明新鮮鐵棍山藥的水分主要是自由水，而且遠多于不易流動水和結合水的含量。

圖3 新鮮鐵棍山藥的T2 弛豫時間曲線Fig.3 Transverse relaxation time curve of fresh Dioscorea opposita

圖4 是不同超聲功率下CU-HPD 過程中鐵棍山藥的T2弛豫時間曲線。由圖可知，新鮮的鐵棍山藥核磁共振信號幅值最大，說明新鮮的鐵棍山藥水分含量最高。隨著干燥的進行，整個橫向弛豫時間曲線的峰有一定程度的左移，峰面積不斷減小。其中結合水的弛豫時間和A21基本不變；不易流動水的弛豫時間逐漸變短，A22則是先增高后降低；自由水的弛豫時間變短，A23一直降低，直至為0。這說明在干燥過程中，鐵棍山藥內部的結合水含量非常穩定，不易流動水的含量先增大再減小，自由水的含量則是不斷減少，直至完全去除。即干燥過程對物料中結合水的影響比對自由水的影響要小得多[27]。

由圖4a～4d 可知，施加CU 之后，A23下降速度明顯加快，且超聲功率越高，A23下降速度越快。在A23減小的過程中A22先緩慢增大，然后逐漸下降。A21則幾乎不變。這表明在鐵棍山藥CU-HPD 過程中，鐵棍山藥內部的自由水含量一直在減少，直至完全去除；不易流動水含量先緩慢增大，后逐漸減小，干燥結束時物料中仍存在部分不易流動水；結合水含量則在干燥過程中幾乎不變。

圖4 不同CU 功率下鐵棍山藥的T2 弛豫時間曲線Fig.4 Transverse relaxation time curves of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.5 鐵棍山藥CU-HPD 的水分狀態變化

T2弛豫時間曲線的變化與水分狀態的變化密切相關。不同超聲功率對水分變化有不同程度的作用。在干燥溫度45 ℃時，不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 的水分狀態變化曲線如圖5所示。超聲功率為0 W 時，A23在540 min 完全消失，施加CU 之后，A23完全消失的時間隨著CU 功率的提高而逐漸縮短至480～300 min；在A23下降的過程中，A22先增大后減小，但在干燥結束時并未完全消失。提高超聲功率，A22達到峰值的時間由180 min 縮短到120～90 min，且CU 功率越大A22達到峰值的時間越短；A21則是幾乎不變。這說明鐵棍山藥在CU-HPD 過程中自由水含量一直減小，施加超聲對提高自由水的流動性、促進自由水的脫除具有十分明顯的作用，且提高CU 功率會顯著縮短自由水被完全去除的時間。不易流動水含量先增大后減小，隨著CU 功率的提高，不易流動水達到峰值的時間越來越短，這說明鐵棍山藥在干燥過程中內部水分存在相互轉化的現象，干燥中后期不易流動水逐漸去除，而在干燥過程結束時，物料中仍有部分不易流動水存在。結合水的含量在CU-HPD 過程中幾乎不變，表明由于這部分水分的結合力強，在干燥過程中難以除去，施加CU 對物料內部的結合水基本上沒有產生作用。以上結果表明，在鐵棍山藥CU-HPD 過程中，CU 能降低內部組織對不易流動水的束縛力和提高自由水的流動性，從而促進內部水分遷移和去除[20]。

圖5 不同CU 功率下不同狀態水的峰面積Fig.5 Peak area of moisture in different states under different ultrasonic power

2.6 鐵棍山藥CU-HPD 的MRI 圖像分析

干燥溫度45 ℃時，不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 過程中質子密度圖像如圖6所示，在圖像中信號越強，表明質子密度越高，即物料的含水量越高；信號越弱，質子密度越低，物料的含水量越低[20]。從圖6 可以看出，新鮮鐵棍山藥的含水量很高，隨著干燥的進行，物料中的水分不斷被去除，質子密度從外到內不斷降低，說明水分從外到內逐漸流失，物料內水分含量不斷降低。這和李定金等[28]的研究結果一致。在干燥后期，物料內部質子密度變化較慢，說明鐵棍山藥內部水分由于擴散阻力的作用，比表面水分更難去除。干燥結束時，圖像與背景色非常接近，說明此時物料的水分含量極低。比較不同超聲功率下質子密度圖的變化，發現在0 W 時質子密度下降比較慢，隨著超聲功率的增加，相對質子密度下降較快。這一現象表明，在鐵棍山藥CU-HPD 過程中CU 對物料水分遷移有顯著的影響，CU 功率越高其對物料內部水分遷移的強化效應就越明顯，物料中水分去除的就越快。

圖6 不同CU 功率下鐵棍山藥CU-HPD 過程中質子密度圖像Fig.6 Proton density image during CU-HPD of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

3 結論

CU 在鐵棍山藥HPD 中的應用，有助于促進物料內部水分遷移，能夠減少干燥時間，提高干燥速率。和單一的HPD 相比，CU 功率在20～60 W 范圍內，CU-HPD 的干燥時間減少了4.8%～38.1%，干燥速率提高了5.7%～62.3%，Deff值增大了9.4%～57.0%。結合SEM 圖片，施加CU 能夠使鐵棍山藥內部組織結構變疏松，隨著CU 功率的提高，微孔道數量增加，孔徑變大，孔隙率從0.083 增大到0.381。

LF-NMR 分析表明，鐵棍山藥內部存在3 種狀態水：自由水、不易流動水和結合水。水分狀態分析表明，鐵棍山藥在CU-HPD 中，物料內部水分存在相互轉化。自由水的含量不斷降低，直至完全去除；不易流動水的含量在干燥過程中先緩慢增高后逐漸降低，在干燥結束時仍存在少量不易流動水；結合水的含量幾乎不變。提高CU 功率，物料內部水分遷移速率變快，促進內部水分的去除。MRI 圖像顯示，在CU-HPD 過程中，物料水分從外到內逐漸流失，且CU 功率越高，對鐵棍山藥內部水分向外擴散的促進作用越顯著，越有利于水分的去除。

綜上所述，在鐵棍山藥HPD 過程中施加CU進行傳質強化，有利于提高干燥速率，且CU 功率越高，對物料內部水分狀態的影響越顯著，越有利于水分去除。