超聲波強化真空冷凍干燥酸奶中水分蒸發(fā)的研究

楊菊芳， 周 正， 吳 昊， 查夢吟， 陳存社

（北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心/北京市食品風味化學重點實驗室，北京 100048）

超聲波強化真空冷凍干燥酸奶中水分蒸發(fā)的研究

楊菊芳， 周 正， 吳 昊， 查夢吟， 陳存社*

（北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心/北京市食品風味化學重點實驗室，北京 100048）

結合超聲波和真空冷凍干燥的優(yōu)點，對酸奶進行干燥.與真空冷凍干燥相比，在不同超聲作用時間、超聲波功率和脈沖的條件下，檢測酸奶干燥過程中水分損失率、干燥總時間，建立相應條件下的干燥動力學模型.結果表明：超聲波干燥顯著的提高了物料在較低氣流速度和低溫下的水分擴散，有效的縮短了干燥總時間.干燥酸奶的最佳條件為超聲波功率55%（總功率為900W）、超聲脈沖5∶3、超聲波作用時間1.5 h，此時干燥時間在同等條件下最短，比對照組平均縮短了20.58 h.干燥的數學模型符合指數方程Wt=W0e-Kt.

超聲波；真空冷凍干燥；酸奶；蒸發(fā)數學模型

干燥技術是食品保藏的重要方法之一，隨著人們生活水平的提高，人們對干燥食品質量要求越來越高.現在常用的食品干燥方法有：熱風干燥、滲透干燥、微波干燥、流化床干燥、紅外輻射干燥、冷凍干燥等，這些干燥方法有各自的優(yōu)點和局限性［1-2］，為了盡可能的保持食品的營養(yǎng)特性、降低生產成本及其滿足市場的需求，需要研究開發(fā)新的食品干燥技術.

真空冷凍干燥是一種保持食品原有營養(yǎng)價值較好的干燥方法［3］，它是在真空狀態(tài)下，使預先凍結的物料中的水分從冰態(tài)直接升華為水蒸汽而被除去，從而使物料得到干燥［4］.從加工設備和工藝參數來看其具有3個方面的缺陷：能耗高、加工成本大、干燥時間長，因而在工業(yè)化生產中的應用受到一定的限制［5-6］.而超聲波是20世紀才發(fā)展起來的一項高新技術，因其獨特的熱效應、機械效應和空化效應而在功能活性成分提取、食品殺菌與保鮮、食品結晶與凍結、食品干燥等方面有著越來越廣泛的應用［7-9］.利用超聲波干燥能有效結合真空冷凍干燥和超聲波的優(yōu)點，在保持食品的風味和營養(yǎng)價值的同時降低干燥的能耗，改善產品的感官特性，尤其有利于薪稠食品物料的干燥.

干燥過程曲線由物料升溫段、等速干燥段和降速干燥段組成，傳統(tǒng)的干燥模型只適合降速階段，很難用一個數學模型來精確地表達整個干燥過程.利用超聲波干燥試驗裝置進行試驗，分析在不同超聲波作用時間、超聲波功率和超聲波脈沖條件下薪稠酸奶的干燥特性，并建立薪稠物料超聲波干燥數學模型，進而揭示稠酸奶的干燥規(guī)律和干燥機理，為薪稠物料的超聲波干燥工藝建立及其設備研制提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酸奶，市售，蒙牛乳業(yè)有限公司：生產批號Y20120930NG41，2013年5月28日生產，在實驗室4℃冰箱中貯存；YOD-203型真空冷凍干燥系統(tǒng)，Thermo Fisher Scientific公司；RV8.A65413906型過濾油泵，Thermo Fisher Scientific公司；VPOF110型真空油泵，Thermo Fisher Scientific公司；-40℃冰箱，鄭州超低溫冰箱有限公司；JA5003型電子天平，上海精密科學儀器有限公司；JY92-ⅡDN型超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 失水率的測定

通過測定干燥前后酸奶的質量確定酸奶失水率，計算方法見式（1）.

失水率=（m1-m2）/m1100%， （1）式（1）中，m1為干燥前的質量，g；m2為干燥后的質量，g.

1.2.2 干燥終點及干燥總時間的確定

根據國家GB 5009.3—2010標準中含水量的測定，在酸奶的干燥過程中，每隔0.5 h迅速取出樣品測定一次質量，直到質量不再變化為止，記錄相應的干燥時間.

1.2.3 酸奶干燥實驗

以超聲作用時間、超聲波功率、超聲波脈沖為因素對酸奶進行干燥實驗，其中對照組除了未進行超聲波作用外，其余條件都嚴格保持一致.

1）真空冷凍干燥與超聲干燥.稱取等量的樣品于小燒杯中，對照組預凍后直接進行真空冷凍干燥，實驗組在真空冷凍干燥的同時加以超聲波強化作用2 h，每隔0.5 h測定一次其水分減少量，兩組樣品均干燥至樣品質量不再變化為止.記錄每個時間點的水分減少量及樣品完全干燥所用的時間.

2）超聲波作用時間的影響實驗.分別稱取25 g樣品于小燒杯中，進行五組實驗，分別編號0-1，1-1，2-1，3-1，4-1，實驗條件為超聲功率25%（總功率為900W），脈沖5∶2（即超聲波開5 s，停2 s的間歇作用方式），依次超聲波處理0，0.5，1，1.5，2 h，再進行真空冷凍干燥.記錄每組樣品完全干燥的時間.

3）超聲波功率的影響實驗.分別稱取25 g樣品于小燒杯中，分別編號0-2，1-2，2-2，3-2，4-2，實驗條件為脈沖為5∶2，超聲波作用時間為1.5 h，超聲功率依次為0（即無超聲波作用），10%，25%，40%，55%，接著進行真空冷凍干燥.每個功率下平行作用三次，記錄實驗組和對照組中物料完全干燥的總時間.

4）超聲波脈沖的影響實驗.分別稱取25 g樣品于小燒杯中，分別編號0-3，1-3，2-3，3-3，4-3，實驗條件為超聲功率為55%，作用時間為1.5 h，超聲波脈沖依次為0（即無超聲波作用），5∶1，5∶2，5∶3，5∶4，接著進行真空冷凍干燥.每個脈沖下平行作用三次，記錄實驗組和對照組中物料完全干燥的總時間.

2 結果分析

2.1 超聲波對真空冷凍干燥過程的影響

超聲波干燥與真空冷凍干燥的對比結果，如表1和圖1.利用在真空干燥的過程中加入超聲波的空化作用、熱效應和機械作用強化整個干燥過程，使物料中的水分更容易升華而去除，由此探討一種優(yōu)于真空冷凍的干燥技術.

表1 酸奶的干燥速率對比Tab.1 Comparison of drying rate of yogurt

圖1 超聲波對酸奶干燥速率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic on the drying rate of yogurt

由圖1和表1可知，從干燥速率來看：在0～2 h內實驗組的失水率明顯比對照組高很多，在0.5 h實驗組的失水量是對照組的13.75倍，超聲波作用結束（2 h）時其失水量為對照組的4.43倍，之后實驗組的失水率變化趨勢趨于平緩，對照組在干燥后期其失水率也趨于平緩，原因可能是這個階段物料中的自由水已經蒸發(fā)完，而物料中的結合水不容易失去，失去相等量的水所需的干燥時間更長.

隨著干燥時間的延長，實驗組的失水率一直比對照組高，但這種幅度在逐步減少；從干燥總時間來看：實驗組的物料20 h即可達到完全干燥，而對照組則需要25.5 h；從干燥后得到產品來看：實驗組干燥方式干燥速率快，得到感官性狀較好的的產品.說明超聲波有助于物料中水分的蒸發(fā)，強化真空冷凍干燥過程，并且能得到較好的干燥產品.

有研究發(fā)現超聲波對結晶過程起輔助作用，一方面由于超聲波能補充和加強形成臨界晶核的波動能繼而加速起晶過程［10］，另一方面能控制結晶生長的速度，確保晶體細小均勻［11］.而在真空冷凍干燥過程由于超聲波作用形成較細小的冰晶，在干燥過程對物料的損害降到最低［12］，另外，超聲波誘導結晶過程中的空化作用能夠持續(xù)清潔凍結過程中物料表面的覆蓋物，從而保證冷凍過程中的熱傳導效率［13］，這也從另一角度說明超聲波干燥有利于生產出品質更佳的產品.從干燥物料的特性來看，厚度很薄的物料，干燥層對水蒸氣的遷移速率影響不大，升華出來的水氣能很快地穿過，若是體積較大的塊狀物體或者是薪稠膠體物料，干燥層對水蒸氣遷移速率影響較大，干燥層內的水氣壓力隨著厚度的增加呈指數上升，而這也是利用超聲波干燥體系干燥薪稠物料的優(yōu)勢所在.

2.2 超聲波作用時間的影響

在超聲波功率25%，脈沖5∶2下，依次處理0，0.5，1，1.5，2 h后進行真空冷凍干燥，得到每組樣品完全干燥的總時間，如圖2.

圖2 超聲波作用時間對物料干燥的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on drying time of yogurt

由圖2可知，相對于對照組而言，有超聲波作用的實驗組總干燥時間都比對照組少，并且隨著超聲波作用時間的延長，物料的總干燥時間呈現先減少再升高的趨勢，在超聲波作用時間為1.5 h時干燥時間最短，比未使用超聲波處理的對照組干燥時間縮短了15.75 h（減少49.2%）.說明超聲波有利于物料特別是薪稠物料的干燥，但超聲作用的時間不宜過長，時間過長由于超聲波的熱效應產生的熱過多使凍結的物料塌陷，破壞冷凍干燥體系.這與國內外把超聲波作為預處理手段用于食品的真空冷凍干燥過程能增加凍干過程中的水分遷移速度，從而降低真空冷凍干燥的成本的研究相吻合［14-17］.另一方面從水相變圖也可知在三相點以上，冰需轉化成水，水再轉化為氣，其過程是普通的蒸發(fā)干燥.只有在三相點以下，冰才能由固相直接轉變?yōu)闅庀?，這就是升華.因而，若要得到凍干食品，其升華溫度必須低于三相點溫度，否則得到的是蒸發(fā)干燥食品.這也就說明超聲波作用時間不宜過長，超聲波作用時間越長熱效應越顯著，勢必使升華溫度高于三相點溫度無法得到理想的凍干產品.

2.3 超聲波功率的影響

在超聲功率依次為0，10%，25%，40%，55%，超聲波脈沖為5∶2下作用1.5 h，接著進行真空冷凍干燥.得到每組樣品完全干燥的總時間.如圖3.

圖3 超聲波功率對干燥效果的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power on drying time of yogurt

超聲波功率可表示為單位時間內所含超聲能量的大小，超聲波功率越大，作用于酸奶的能量就越大，越能促進其水分的蒸發(fā).由圖3可知，實驗組的總干燥時間都比對照組低，說明超聲波能強化真空冷凍干燥過程中水分的蒸發(fā)；酸奶的干燥時間曲線呈現先降低再升高最后再降低的趨勢，可能的解釋為：真空冷凍干燥過程是物料得到的升華熱使冰在三相點以下的溫度下升華，升華速率的大小，顯然與供給的熱流量及冰升華潛熱有關，由于超聲波的熱效應給水分子的升華提供了更多的能量及其超聲波的空化效應使水分子更易于從物料表面逸出使得在剛開始時干燥時間變短，但由于整個作用體系是在真空冷凍的環(huán)境下，加大超聲波的輸出功率使冷凍的物料發(fā)生解凍、塌陷，一旦物料體系發(fā)生塌陷將直接影響干燥過程的進行，所以干燥時間曲線繼而呈現升高的趨勢，可是隨著超聲波功率的繼續(xù)增大，其對物料的空化效應、機械效應和熱效應將逐漸增強使水分子極易汽化而達到蒸發(fā)的目的，最終干燥時間曲線呈現再降低的趨勢.由于所選用的超聲波變幅桿為φ6（變幅桿的大小直接決定超聲波的振幅和頻率，φ6為該試驗所用的超聲波細胞粉碎機JY92-ⅡDN型的標準配置），要求最大輸出功率為55%，實驗中在此條件下干燥時間最短，比未使用超聲波處理的對照組干燥時間縮短了15.83h（49.7%）.

2.4 超聲脈沖的影響

在超聲波功率55%，脈沖依次為0，5∶1，5∶2，5∶3，5∶4的條件下，作用1.5 h，接著進行真空冷凍干燥.得到每組樣品完全干燥的總時間.如圖4.

圖4 超聲波脈沖對物料干燥的影響Fig.4 Effect of ultrasonic pulse on drying time of yogurt

由圖4可知，實驗組的總干燥時間均比對照組低，在超聲脈沖為5∶3時干燥時間最短，比未使用超聲波處理的對照組干燥時間縮短了20.58 h（減少64.7%），而在超聲波脈沖為5∶4時干燥時間比脈沖為5∶3時略有增大.該試驗說明只有合適的間隔時間才能提高超聲波作用效果，使物料由于超聲波作用形成合適的微孔道，在干燥過程中水分逸出才能更加快速.而干燥總時間與超聲波脈沖直接相關，超聲波作用的間歇時間過短時，產生過量的熱不利于真空冷凍干燥：由于冰的熱擴散速度是水的9倍，因此在一定的條件下，冰的溫度變化速度比水大得多，過量的熱首先被冰吸收使其融化，此時干燥過程變成水的融化、蒸發(fā)和升華同時進行，水的熔化燴為6.012 kJ，水的蒸發(fā)燴為40.657 kJ，冰的升華燴為50.91 kJ，由此一方面不利于形成具有良好感官的產品另一方面也增加干燥總時間.

3 酸奶超聲波干燥數學模型的建立

物料的干燥是一個復雜的傳熱傳質過程，建立干燥數學模型可以對物料的干燥過程進行分析、控制和預測.將不同干燥條件下的干燥變化曲線轉變成水分比變化曲線，并對各種干燥模型進行線性化處理，最后進行線性回歸與計算，從而選擇正確合理的干燥模型.目前，用來描述物料整個干燥過程的常見模型有3種［18-19］.

從干燥曲線圖1可以看出，酸奶的的含水率與干燥時間大致呈指數關系，于是選擇以下兩種數學模型進行擬合，見式（2）和式（3）.

式（2）和式（3）中，Wt為干燥時間t時物料含水率（干基）；t為干燥時間；A、K、n為待定系數，與物料的初始條件及干燥條件有關.

為便于分析，將式（2），式（3）分別取對數，化成線性形式如式（4）和式（5）.

式（4）在ln Wt-t坐標系中表示的是直線方程.將試驗數據描繪在該坐標系中，結果如圖5，對照組和實驗組的的實驗數據在ln Wt-t坐標系中大致呈直線.說明用式（4）描述干燥曲線較好.因此確定用式（2）來描述酸奶的含水率隨時間的變化規(guī)律.式（5）表示ln［ln A-ln Wt］-ln t的坐標系，將試驗數據描繪在該坐標中，其結果如圖6，可以看出，試驗數據在該坐標系內呈曲線，說明用式（3）來描述干燥曲線時誤差較大［20］.

很顯然，當t=0時，參數A=W0，W0為物料初始含水率.參數K是與干燥介質溫度、物料的種類、物料的厚度、超聲波功率、脈沖和超聲波作用時間等因素相關的函數.

圖5 對照組和實驗組的ln（Wt）與t的關系Fig.5 Correlations between ln（Wt）and t in control and experimental groups

圖6 對照組和實驗組的ln（ln（Wt））與ln（t）的關系Fig.6 Correlations between ln（ln（Wt））and ln t in control and experimental groups

4 結 論

1）超聲波干燥能顯著提高物料在較低氣流速度和低溫下的水分擴散，有效的縮短干燥總時間.

2）真空冷凍干燥下超聲波作用酸奶其干燥速率明顯高于真空冷凍干燥過程，干燥曲線呈先升高后趨于平緩的趨勢，在0.5 h時干燥速率達到最大值，此時失水率（15.97%）接近無超聲波作用時干燥4 h的失水率.有超聲波作用時干燥后期更容易達到干燥終點，原因是由于超聲波的空化作用有助于去除物料中的結合水，節(jié)省了干燥總時間.

3）在真空冷凍干燥下超聲波作用酸奶其最佳的條件為：超聲波功率55%，超聲脈沖5∶3，超聲波作用時間1.5 h，此時干燥時間在同等條件下最短，比對照組縮短了20.58 h，同比干燥時間減少了64.7%.

4）薪稠物料酸奶的干燥模型符合指數模型，為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 寧）

TS205.1

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.01.010

2095-6002（2014）01-0053-06

楊菊芳，周正，吳昊，等.超聲波強化真空冷凍干燥酸奶中水分蒸發(fā)的研究.食品科學技術學報，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

北京市自然科學基金資助項目（KZ20110011013）.

楊菊芳，女，碩士研究生，研究方向為食品工程新技術；*陳存社，男，教授，博士，主要從事食品工程新技術方面的研究.通訊作者.