超聲波應(yīng)用于食品干燥的研究進展

鞏鵬飛，趙慶生，趙兵

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

超聲波應(yīng)用于食品干燥的研究進展

鞏鵬飛1，2，趙慶生1，*，趙兵1，*

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

超聲波干燥具有降低干燥溫度，縮短干燥總時間，減少干制品質(zhì)量損失的優(yōu)點，可與其他干燥方式耦合，用于不同種類食品的干燥。就超聲波干燥與其他干燥技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于食品工業(yè)做一綜述，探究超聲波對食品干燥時間及干燥品質(zhì)的影響。

超聲波；食品干燥；干燥時間；干燥品質(zhì)

干燥是食品工業(yè)生產(chǎn)中重要的操作單元，常用的干燥方法有熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、滲透干燥等。在工業(yè)生產(chǎn)中，食品干燥應(yīng)最大程度保留食品的營養(yǎng)成分和活性成分，保持良好的口感和色澤，且干燥成本不宜過高，而現(xiàn)有干燥方法均不同程度地存在傳質(zhì)傳熱效率低，干燥時間長，干燥過程能耗偏高，干燥后產(chǎn)品質(zhì)量低等問題。因此，需要開發(fā)新的干燥技術(shù)以滿足節(jié)能高效并獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的綠色化生產(chǎn)需求。

在食品工業(yè)中，超聲波被用于超聲提取、超聲滅菌等領(lǐng)域。由于超聲波強化傳質(zhì)傳熱效果明顯，近年來，其在食品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛。本文對超聲波耦合熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、滲透干燥、真空干燥、紅外干燥、熱泵干燥在食品干燥中的應(yīng)用進行了綜述，并對超聲波干燥的前景進行了展望。

1 超聲波在食品干燥中應(yīng)用的機理

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，是在介質(zhì)中傳播的有彈性的機械震蕩。超聲波與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)、機械效應(yīng)和空化效應(yīng)會強化物料的干燥過程。（1）熱效應(yīng)：超聲波在物料中傳播產(chǎn)生的振動能量不斷被物料吸收，從而使被干燥物料溫度升高，干燥過程加快；（2）機械效應(yīng)：超聲波的輻射壓強和強聲壓強會作用于物料，對物料反復(fù)壓縮和拉伸，使物料不斷收縮和膨脹，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生的作用力大于水分表面附著力時會促進物料的水分脫除。同時，超聲波在固-液界面和氣-固界面產(chǎn)生的劇烈擾動有利于形成微小管道，降低邊界層的擴散，促進水分的遷移[1]；（3）空化效應(yīng)：超聲波在液體中傳播時，形成的空化泡在超聲波作用下不斷生長，最終崩裂并在局部微小區(qū)域產(chǎn)生瞬時高溫高壓，瞬時溫度可達(dá)5 200 K，瞬間壓強可達(dá)5.05×107Pa，并伴有強烈的沖擊波和時速高達(dá)400 km/h的微射流[2]，這種現(xiàn)象被稱作空化效應(yīng)。空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波會引起水分子湍流擴散，靠近固體表面產(chǎn)生的微射流會造成水分子與固體表面分子間結(jié)合鍵的斷裂，有利于除去與物料緊密結(jié)合的水分，因此空化效應(yīng)是超聲波干燥的主要效應(yīng)。

2 超聲波在食品干燥中的應(yīng)用

2.1 超聲波-熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥所需設(shè)備簡單，干燥過程易控制，生產(chǎn)成本較低，90%以上的脫水食品的生產(chǎn)采用熱風(fēng)干燥[3]。為了提高干燥效率，熱風(fēng)干燥通常在較高溫度下進行，這就增加了干燥過程中的能耗，同時高溫不利于食品中熱敏性成分和某些活性成分的保存[4]。將超聲波用于熱風(fēng)干燥可降低熱風(fēng)干燥溫度，減少耗能，提高熱風(fēng)干燥效率。BantleM[7]利用超聲波-熱風(fēng)干燥鱈魚，當(dāng)超聲強度為25W/kg，干燥溫度為43℃時，超聲波可使熱風(fēng)干燥時間縮短43%。

將超聲波應(yīng)用于熱風(fēng)干燥還有利于營養(yǎng)成分的保留。Rodríguezó等[8]在30、50、70℃條件下，分別用熱風(fēng)干燥和超聲波-熱風(fēng)干燥處理蘋果，當(dāng)干燥溫度為30℃時，超聲波-熱風(fēng)干燥得到的蘋果總酚含量和類黃酮含量最高。這是由于超聲波可降低蘋果的外部傳質(zhì)阻力，同時表面水分蒸發(fā)速率提高，干燥時間縮短，因此營養(yǎng)成分受熱破壞較小，保留量較高。

在超聲波-熱風(fēng)干燥過程中，干燥時間不僅受溫度、風(fēng)速的影響，超聲波功率同樣會對干燥過程產(chǎn)生影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，超聲波功率越大，熱風(fēng)干燥時間越短。Gamboa-Santos J和Kadam SU分別對草莓[5]和褐藻[6]進行超聲波預(yù)處理，超聲波功率越大，熱風(fēng)干燥時間越短，草莓和褐藻的干燥時間最多可縮短13%～44%和12.62%。

2.2 超聲波-冷凍干燥

冷凍干燥適用于熱敏性或易發(fā)生氧化的食品，采用冷凍干燥可較好的維持食品原有的營養(yǎng)成分含量、色澤和氣味[11-12]。由于冷凍干燥耗能高、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本高，冷凍干燥的應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到了限制[14]。將超聲波用于冷凍干燥可一定程度上實現(xiàn)干燥速率、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)耗能三者間的平衡，滿足消費市場對凍干食品的需求。

由于超聲波有助于除去物料中的結(jié)合水，因此將超聲波用于冷凍干燥可顯著提高物料在低溫下的水分?jǐn)U散，從而促進冷凍干燥過程。楊菊芳等[19]發(fā)現(xiàn)，在最適合的超聲條件下，酸奶的干燥時間可縮短64.7%。同樣，利用超聲波-冷凍干燥鱈魚，鱈魚的傳質(zhì)能力提高，干燥時間縮短[20]，干制品的復(fù)水率提高[21]。

超聲波與冷凍干燥耦合可提高干制品品質(zhì)。Santacatalina JV等[17]發(fā)現(xiàn)，超聲波預(yù)處理使蘋果在干燥過程中水分有效擴散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)分別提高至冷凍干燥的501%和148%，同時蘋果的總酚含量、類黃酮含量等營養(yǎng)成分得到了較好的保留，抗氧化能力未受到顯著影響。此外，有同樣研究表明超聲波-冷凍干燥后的蘋果片顏色更加潔白，維生素C保留量更高[18]。因此，超聲波-冷凍干燥有利于得到品質(zhì)更高的干制品。

2.3 超聲波-滲透脫水

滲透脫水技術(shù)一般用于果蔬干燥前處理、果脯和濃縮果汁的加工等，可抑制農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生褐變，有助于維持產(chǎn)品品質(zhì)[22]，但單純的采用該技術(shù)干燥農(nóng)產(chǎn)品所需干燥時間較長，因此可將超聲波用于果蔬的滲透脫水，以提高脫水速率，并使?fàn)I養(yǎng)成分得到較好的保留[23]。

NowackaM等[25]用35 kHz的超聲波分別處理獼猴桃片10、20、30min，然后將獼猴桃片浸沒于溫度25℃、濃度61.5%（w/w）蔗糖溶液中0、10、20、30、60、120min。利用掃描電鏡對處理后的獼猴桃片檢測，結(jié)果表明超聲處理10min后會使獼猴桃細(xì)胞膜間形成微通道，提高了獼猴桃的傳質(zhì)速率。不僅超聲波作用時間會對滲透脫水過程產(chǎn)生影響，超聲波功率大小也會對滲透脫水過程產(chǎn)生影響。在超聲波強化白蘿卜的滲透脫水過程中，在一定范圍內(nèi)，超聲波功率越大，處理時間越長，白蘿卜脫水速率越快[24]。

需要指出的是，超聲波滲透脫水得到的產(chǎn)品仍具有一定的含水率，難以實現(xiàn)長期保藏，還需采取熱風(fēng)干燥或冷凍干燥等方法進一步除去物料中的水分[28-29]。

2.4 超聲波-真空干燥

真空干燥是在一定真空度下除去物料中水分的干燥技術(shù)。真空干燥可以提高物料干燥過程中水分?jǐn)U散速率及傳質(zhì)傳熱速率，Ba?lar M等[31]利用超聲真空干燥、真空干燥以及烘干處理魚片的研究表明，超聲波可進一步提高魚片在干燥過程中的傳質(zhì)傳熱速率，縮短干燥時間。雖然超聲真空干燥耗能高于真空干燥，但超聲真空干燥所需干燥溫度低，干燥時間短，因此與烘干相比更加經(jīng)濟節(jié)約，在食品干燥工業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛力。Chen等[32]采用同樣的方法比較胡蘿卜片的干燥，結(jié)果顯示超聲波使胡蘿卜片真空干燥時間縮短了41%～53%，超聲真空干燥胡蘿卜片的復(fù)水能力、β-胡蘿卜素含量以及維生素C含量均高于真空干燥和烘干胡蘿卜片。與Ba larM研究結(jié)果不同的是，胡蘿卜超聲真空干燥能耗最低。這可能與被測樣品種類及實驗儀器不同有關(guān)。

2.5 超聲波-紅外干燥

紅外干燥基于水分吸收紅外輻射的特性，可使物料快速干燥，具有熱效率高，產(chǎn)品品質(zhì)好的特點[33]。陳文敏[34]等發(fā)現(xiàn)，超聲波預(yù)處理會改變紅棗表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進紅棗的紅外干燥過程。在適宜超聲條件下，超聲預(yù)處理得到的干制紅棗顏色更加新鮮，維生素C含量、總酚含量和總黃酮含量均高于未超聲預(yù)處理的干燥紅棗。同時，經(jīng)超聲預(yù)處理的干制紅棗酸含量低于未超聲預(yù)處理的紅棗。因此，超聲波-紅外干燥紅棗可有效縮短干燥時間，并得到口感好，營養(yǎng)成分含量高的干制品。Dujmic′F等[35]在梨片的超聲波-紅外干燥中也發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理可改變梨片的組織結(jié)構(gòu)，使得干制品的硬度和韌性降低，干燥總時間顯著縮短。

2.6 超聲波-熱泵干燥

熱泵干燥是一種高效節(jié)能、環(huán)境友好型的干燥技術(shù)[36-37]。但在熱泵干燥后期，會出現(xiàn)干燥速率降低、能耗比增加等問題。研究發(fā)現(xiàn)，將超聲波技術(shù)應(yīng)用于熱泵干燥可有效提高后期干燥速率，并降低干燥反應(yīng)所需能耗。魏彥君[39]對南美白對蝦進行超聲波輔助熱泵干燥，發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理可提高熱泵干燥過程中南美白對蝦的水分?jǐn)U散系數(shù)，干燥時間縮短，干燥能耗減少。同時，超聲波功率、頻率和處理時間不會對蝦肉的韌性、色澤、蝦青素含量等品質(zhì)造成影響。

3 展望

目前，超聲波在食品干燥中的應(yīng)用還存在一定的不足。首先，超聲波促進物料干燥的效果受干燥過程中如風(fēng)速、物料形狀、物料堅硬程度[40]等條件的影響。Garcia-Perez JV等[41]在研究超聲波-流化床干燥胡蘿卜時發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速過高會破壞超聲場，降低超聲強度，減弱超聲波促進胡蘿卜干燥的效果。另有研究發(fā)現(xiàn)由于葡萄籽較為堅硬，超聲波在促進葡萄籽干燥方面效果并不顯著[42-43]，因此當(dāng)超聲波產(chǎn)生的機械壓力小于物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力時，超聲波不會促進物料的干燥過程。其次，由于空化效應(yīng)在超聲波強化干燥過程中占主導(dǎo)作用，隨著空化泡的減少，在干燥后期，空化效應(yīng)不再顯著[44-45]，超聲波促進干燥的效果也相應(yīng)降低?？栈?yīng)的強弱與超聲波功率大小、作用時間長短的關(guān)系尚不明確，也制約了超聲波在食品干燥領(lǐng)域的推廣利用。

食品工業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)必然會對現(xiàn)有干燥技術(shù)提出新的要求，超聲波可通過改變物料微觀結(jié)構(gòu)，促進干燥過程的水分遷移，加快干燥速率，降低干燥溫度，縮短干燥時間，在食品工業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛能和廣闊的發(fā)展空間。我們相信，通過對干燥工藝的進一步探索和改進，我們可以克服超聲波應(yīng)用于食品干燥所存在的問題，開發(fā)出更加節(jié)能高效的干燥技術(shù)，滿足實際生產(chǎn)中不斷產(chǎn)生的新需求。

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Research Progress of Ultrasound in Foodstuff Drying

GONGPeng-fei1，2，ZHAOQing-sheng1，*，ZHAOBing1，*
（1.State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Instituteof ProcessEngineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.Graduate UniversityofChinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

Asan emergent technology，ultrasonic drying has the advantage of drying rapidly at loWtemperature withoutaffecting the quality of the product.So it isbecomingwidely used in drying different kinds of food.This papermainly reviewed the developmentof ultrasonic drying in combination with different drying techniques in food industry.Then itprovided a discussion of the influence ofultrasound on drying timeand drying quality.

ultrasound；food drying；drying time；dryingquality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.044

2016-05-19

國家自然基金青年基金（21506220）

鞏鵬飛（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：植物細(xì)胞工程及天然產(chǎn)物生物煉制。

*通信作者：趙慶生，副研究員；趙兵，研究員，博士生導(dǎo)師。