超聲在食品干燥領(lǐng)域中的研究進展

羅登林 蘇孟開 楊日福 劉云宏 任廣躍 袁云霞

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，洛陽 471023) (河南省食品原料工程技術(shù)研究中心2，洛陽 471023) (華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院3，廣州 510640)

超聲干燥技術(shù)方面的研究最早始于20世紀50年代，由Boucher最先開展可聞聲和超聲干燥實驗，后來由俄羅斯科學(xué)家進一步發(fā)展[1，2]。早期研究均顯示超聲在加速干燥過程的同時不會導(dǎo)致溫度的顯著升高。由于超聲干燥所具有的獨特優(yōu)勢，被認為適合用于熱敏性物料的干燥，但存在能效低和噪聲高等突出問題。近年來，隨著高功率超聲設(shè)備研究的深入和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，超聲干燥又重新引起了人們的重視[3-7]。超聲干燥主要是利用超聲產(chǎn)生的空化作用、機械作用和熱效應(yīng)等影響物料表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大細胞孔隙，減小水分遷移阻力，進而提高干燥過程中的傳熱傳質(zhì)效率，縮短干燥時間。然而，由于目前還沒有適合大規(guī)模工業(yè)化的超聲干燥設(shè)備，因此這種技術(shù)仍然停留在實驗室研究階段。本文主要介紹了近年來超聲技術(shù)在食品干燥前預(yù)處理、滲透脫水、熱風(fēng)干燥和其它方面的應(yīng)用，以期推動超聲干燥理論與技術(shù)的發(fā)展，為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 超聲預(yù)處理干燥技術(shù)

1.1 對熱風(fēng)干燥的影響

在超聲預(yù)處理對物料熱風(fēng)干燥的影響方面，許多研究顯示經(jīng)超聲預(yù)處理后的原料，在后續(xù)的熱風(fēng)干燥過程中干燥時間明顯縮短，干燥能耗也顯著降低，并且產(chǎn)品的性狀也有明顯的改變。Fernandes等[8]采用頻率為25 kHz、功率為4 870 W/min 的超聲對浸入水中的切片香蕉預(yù)處理20 min后，再進行熱風(fēng)干燥。發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲預(yù)處理后的切片香蕉在執(zhí)風(fēng)干燥過程中水分擴散系數(shù)提高了14.4%，總干燥時間縮短，干燥效率也得到了明顯提高，這可能歸因于超聲預(yù)處理能促進物料細胞中微通道的形成。Jambrak等[9]探討了探頭式超聲預(yù)處理對蘑菇、孢子甘藍和花椰菜熱風(fēng)干燥的影響，與燙漂或未經(jīng)任何預(yù)處理方法相比，超聲預(yù)處理均能明顯提高3種物料的干燥速率，縮短干燥時間，節(jié)約能耗和減輕產(chǎn)品品質(zhì)的劣變。雖然采用超聲預(yù)處理結(jié)合熱風(fēng)干燥所得的產(chǎn)品復(fù)水性不如冷凍干燥，但明顯優(yōu)于單一熱風(fēng)干燥。

Tao等[10]認為超聲預(yù)處理能夠有效縮短桑葉的熱風(fēng)干燥時間，且不會造成產(chǎn)品品質(zhì)的下降。經(jīng)超聲預(yù)處理的產(chǎn)品在質(zhì)量性狀、色澤、抗氧化活性和生物活性物質(zhì)含量方面與未經(jīng)超聲預(yù)處理的相似。桑葉經(jīng)20 kHz、130 W(功率密度63.0 W/L)的探頭式超聲預(yù)處理10 min后再熱風(fēng)干燥(60 ℃)，其干燥總時間縮短了17.2%，干燥能耗降低了17.3%，干燥有效擴散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)均隨超聲能量密度和作用時間的增加而增大，超聲預(yù)處理對后續(xù)熱風(fēng)干燥的內(nèi)部傳質(zhì)阻力比外部傳質(zhì)阻力影響更大。新鮮菠蘿片干燥前若采用25 kHz、4 780 W/m2的超聲輻照20 min后，再進行熱風(fēng)干燥，則能使干燥過程水分擴散系數(shù)提高45.1%，干燥時間縮短31%[11]。

Ricce等[12]探討了槽式超聲(41 W/L、25 kHz)預(yù)處理對熱風(fēng)干燥胡蘿卜片(4 mm)脫水性和復(fù)水性的影響，發(fā)現(xiàn)胡蘿卜片的熱風(fēng)干燥效果取決于超聲預(yù)處理時間的長短，超聲預(yù)處理時間主要影響物料微觀結(jié)構(gòu)的變化，如細胞破裂、微通道形成和細胞腫脹。當(dāng)超聲預(yù)處理時間過短(30 min)時，則不利于后續(xù)熱風(fēng)干燥，這可能是由于過短的超聲預(yù)處理時間不足以使細胞中新生成微通道，反而會導(dǎo)致細胞由于吸水膨脹而妨礙干燥過程；但當(dāng)采用較長的超聲預(yù)處理時(60 min)，熱風(fēng)干燥的效果會明顯得到改善。他認為這歸因于超聲預(yù)處理導(dǎo)致物料毛細孔的疏通和微通道的形成，增大了樣品的孔隙率。在復(fù)水性方面，較長時間的超聲波預(yù)處理能增加復(fù)水速率，然而可能會引起受破壞細胞持水力的下降，降低了平衡水分的含量。當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度太高時，超聲波預(yù)處理的效果并不明顯，因為這時樣品的溫度效應(yīng)比超聲的作用效應(yīng)更強?？偟膩碚f，超聲波預(yù)處理能縮短食品的干燥時間和降低其干燥溫度。

半干型荔枝干經(jīng)超聲(40 kHz、354 W、32.6 min)預(yù)處理后再進行熱風(fēng)干燥，則能縮短干燥時間38.9%[13]。經(jīng)超聲預(yù)處理后的荔枝外果皮中產(chǎn)生了明顯的顯微通道，且與超聲作用時間長短存在密切的關(guān)系。當(dāng)超聲處理40 min后，荔枝果皮產(chǎn)生的顯微通道達最大值(30 μm)。蘋果片經(jīng)超聲預(yù)處理后，發(fā)現(xiàn)在后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中其內(nèi)部水分子擴散速率明顯提高，其干燥速率提高了67.2%[14]。超聲聲強越大，越有利于水分的擴散，而超聲的熱效應(yīng)可以忽略。當(dāng)超聲聲強達1.5 W/cm2時，水分擴散系數(shù)約為無超聲時的2倍。超聲對樣品中心區(qū)域的水分遷移速率影響較大，而對靠近表面區(qū)域的影響相對較小，這主要歸因于超聲的機械作用和空化作用對蘋果內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

1.2 對真空冷凍干燥的影響

真空冷凍干燥雖然所得產(chǎn)品的品質(zhì)高，但干燥時間長，能耗高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本昂貴，通常適用于附加值高的產(chǎn)品。為了降低其生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，一些學(xué)者也開始探索物料冷凍干燥前采用超聲預(yù)處理方法的可行性。周頔等[15]探討了超聲預(yù)處理對蘋果片真空冷凍干燥的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率影響最顯著，各因素的影響主次順序為：超聲功率>超聲水溫>超聲處理時間。經(jīng)超聲預(yù)處理的凍干蘋果片在VC保留、外觀色澤和口感疏松等方面更具優(yōu)勢。超聲預(yù)處理和真空凍結(jié)均會導(dǎo)致凍干蘋果片的組織孔隙增大和結(jié)構(gòu)變松散，這有利于凍干過程中水分的移去。在對細胞微觀結(jié)構(gòu)影響方面，超聲導(dǎo)致細胞間形成狹長形孔隙，而真空凍干則使細胞組織形成偏圓形的多孔結(jié)構(gòu)；當(dāng)二者疊加作用時，細胞的組織結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)雜亂排列，變形較嚴重。為了改善香菇干燥的品質(zhì)和縮短干燥時間，段續(xù)等[16]考察了超聲預(yù)處理對香菇冷凍干燥的影響，發(fā)現(xiàn)超聲預(yù)處理(超聲功率300 W，處理時間10 min，脈沖頻率5s:3s)可提高香菇冷凍干燥速率，使其干燥時間縮短29.4%，產(chǎn)品的復(fù)水能力提高29%。當(dāng)超聲功率低于250 W時，高的超聲功率處理更有助于縮短冷凍干燥時間，但對產(chǎn)品復(fù)水性的影響不明顯。香菇冷凍干燥時間和產(chǎn)品復(fù)水性還受超聲作用時間的影響，但前者與超聲脈沖頻率之間不存在顯著的相關(guān)性。影響香菇冷凍干燥效率的因素大小順序為：超聲功率>超聲處理時間>超聲脈沖頻率。

2 超聲強化滲透脫水技術(shù)

滲透脫水是食品領(lǐng)域中一種常見的加工方法，滲透脫水具有低溫和低能耗的優(yōu)勢，同時還有助于保持果蔬中營養(yǎng)成分。果蔬類若先經(jīng)滲透脫水后再干燥，則其干燥時間通?？煽s短10%～15%，而干燥的有效荷載可提高2～3倍，從而生產(chǎn)效率顯著提高并節(jié)約了能耗。但研究發(fā)現(xiàn)，對于組織結(jié)構(gòu)緊密的新鮮物料，采用滲透脫水技術(shù)則速率非常緩慢(需幾周至幾個月)。因此，這制約了滲透脫水技術(shù)的應(yīng)用范圍。

超聲的空化效應(yīng)能破壞物料組織的細胞結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)其表面產(chǎn)生新的微觀通道，使其結(jié)構(gòu)變得疏松和多孔?？栈?yīng)還會引起固液界面產(chǎn)生劇烈的湍流，加快固液體系中液體介質(zhì)的質(zhì)點運動速度和物料組織的脫氣。超聲的聲沖擊流可使固液界面的擴散邊界層變薄，強化了懸浮固-液間邊界層的擴散。超聲的這些作用均有助于提高滲透過程中的傳質(zhì)效率和脫水速率，從而改善干燥產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)、復(fù)水性和風(fēng)味[17]。另外，超聲預(yù)處理會造成部分糖的損失，這樣可以獲得低糖的干燥產(chǎn)品。

張平安等[18]進行了超聲強化龍眼滲透脫水的實驗研究，分析了滲透脫水時間、超聲處理時間和超聲聲強對物料脫水率、失重率、固形物得率、細胞膜透性等的影響。研究發(fā)現(xiàn)超聲能夠明顯強化龍眼滲透脫水過程，提高其脫水率，所建立的超聲強化龍眼滲透脫水的經(jīng)驗動力學(xué)方程理論值與實驗值有較好的一致性。Santacatalina等[19]的研究結(jié)果進一步證實，在蘋果塊的滲透脫水方面，與傳統(tǒng)攪拌滲透脫水技術(shù)相比，采用超聲強化滲透脫水技術(shù)能使蘋果片的脫水率和干物質(zhì)含量分別增加14%～27%和11%～23%。在西蘭花滲透脫水方面，超聲的應(yīng)用能加速西蘭花內(nèi)部組織水分的移除，降低其水分流動性，滲透脫水的時間由傳統(tǒng)方法的2 h縮短至30 min[20]。另外，超聲預(yù)處理時間也有重要的影響，合適的處理時間(<40 min)有助于西蘭花的滲透脫水，時間太長反而不利。

孫寶芝等[21]認為，超聲的空化作用能顯著強化蘋果和梨的滲透脫水過程中的質(zhì)量傳遞，這主要歸因于聲空化產(chǎn)生的沖擊流和微擾動效應(yīng)。另外在超聲強化過程中，高的溶液濃度會導(dǎo)致物料脫水率和干物質(zhì)含量增加，而較厚的物料會使膜內(nèi)的傳質(zhì)阻力增大，脫水速率下降。而另有研究則顯示，濃度梯度可引起蘋果塊中可溶性固形物(可溶性糖類、礦物質(zhì)、有機酸等)由物料內(nèi)部轉(zhuǎn)移至滲透液中，導(dǎo)致干物質(zhì)含量下降[22]。與經(jīng)微波預(yù)處理法相比，超聲預(yù)處理法更能加快蘋果塊的干燥速率，所得產(chǎn)品較柔軟且水分活度較高。而從節(jié)能方面而言，超聲預(yù)處理更具有優(yōu)勢。董紅星等[23]研究發(fā)現(xiàn)，高的超聲空化強度有助于提高馬鈴薯滲透脫水的速率和固形物得率，而過長的超聲作用時間則會引起固形物得率下降。對于胡蘿卜的滲透脫水，固形物得率則隨超聲作用時間的延長而增加，采用高濃度的滲透液能提高胡蘿卜的失水率和固形物得率。這說明對于具有不同結(jié)構(gòu)物料的參透脫水，超聲的作用效果有所差異，這還需更多的實驗來進一步驗證。對于含水量高的原料，采用超聲預(yù)處理后再熱風(fēng)干燥效果更好。而對于含水量較低的原料，采用滲透預(yù)處理再熱風(fēng)干燥可能更合適。超聲預(yù)處理雖然在改善干燥速度方面優(yōu)勢明顯，但由于延長了干燥工藝，造成操作復(fù)雜性的增加。另外，在滲透預(yù)處理過程中，高強度和長時間的超聲作用會造成對原料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致其汁液流失，質(zhì)構(gòu)失去脆性和硬度，固形物含量減少等不得影響，對于某些原料，還會導(dǎo)致其吸水率升高而降低干燥效果[24]。

在超聲強化物料滲透脫水過程中，聲強、頻率、作用時間和滲透液濃度是均需要考慮的因素。聲強和溶液黏稠度決定著聲空化的強烈程度，溶液黏稠度往往與滲透液濃度呈正比，即聲強越大，滲透液濃度越高，空化泡破裂時產(chǎn)生的聲空化強度越高，而高的超聲頻率會降低空化泡產(chǎn)生的數(shù)量和強度。超聲作用時間太長則會對新鮮果蔬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重破壞作用，導(dǎo)致質(zhì)構(gòu)變軟，內(nèi)部物質(zhì)流失，產(chǎn)品品質(zhì)下降。超聲加快滲透脫水的質(zhì)量傳遞過程可歸結(jié)為三個方面：超聲空化作用使固液界面的邊界層變薄，減小了邊界層傳質(zhì)阻力； 超聲作用減小了固液界面處溶液濃度與主體溶液濃度的梯度差，減小了外部傳質(zhì)阻力；超聲的微擾效應(yīng)強化了固液傳質(zhì)過程的限速步驟，即微孔擴散過程。

3 超聲耦合熱風(fēng)干燥技術(shù)

為了擴大超聲在干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍和提高其干燥效果，近年來一些學(xué)者設(shè)計并開發(fā)出了氣介式超聲換能器。該設(shè)備在一定程度上克服了傳統(tǒng)超聲換能器在聲阻抗上無法與空氣相匹配，使得超聲能量借助空氣傳播成為可能，目前已有將其直接與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)相耦合的研究報道[25-29]。

研究者們設(shè)計了在換能器與待干燥物料間兩種不同的超聲能量傳遞模式，即非接觸空氣超聲耦合式干燥技術(shù)和接觸式超聲耦合式干燥技術(shù)(圖1)[30]。非接觸空氣耦合式超聲干燥系統(tǒng)是指超聲振動器不與物料直接接觸，包括熱風(fēng)設(shè)備和超聲設(shè)備，其中超聲設(shè)備由控制單元、超聲發(fā)生器單元和超聲換能器單元所組成，換能器可置于干燥室內(nèi)或室外。接觸式超聲干燥是指超聲振動器與物料直接接觸，可分為不帶靜壓和帶有靜壓的，帶靜壓是為了保證超聲換能器與被干燥物料間保持充分接觸。由于絕大多數(shù)食品原料，尤其是水果和蔬菜，在脫水過程中會發(fā)生明顯的收縮從而導(dǎo)致其體積顯著減小。因此，將樣品壓在振動盤下以確保具有恒定的超聲功率輸出。在低的空氣流速和低的溫度下，空氣耦合式超聲干燥能縮短干燥時間20%～30%和提高產(chǎn)品質(zhì)量，而接觸式靜壓超聲干燥則僅能明顯提高干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。

注:CV為對流干燥(空氣流動方向)；Sp為樣品；Td為換能器；Vc為真空；SP-靜壓。
圖1 不同的超聲強化熱風(fēng)干燥系統(tǒng)

Magalh?es等[31]比較了4種干燥技術(shù)包括熱風(fēng)干燥、超聲協(xié)同熱風(fēng)干燥、超聲預(yù)處理-超聲協(xié)同熱風(fēng)干燥蘋果的差異，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)單一熱風(fēng)干燥相比，超聲預(yù)處理-熱風(fēng)干燥和超聲耦合熱風(fēng)干燥均能提高水分的有效擴散系數(shù)，強化外部傳質(zhì)效率和縮短干燥時間，提高有效擴散系數(shù)、外部傳質(zhì)效率和縮短干燥時間最高程度分別可達93%、30%和58%。另有研究認為，超聲強化熱風(fēng)干燥的效果很大程度上取決于原料的物理性狀，對于結(jié)構(gòu)致密的百里香葉，超聲對干燥過程中內(nèi)部傳質(zhì)阻力的強化作用明顯低于外部傳質(zhì)阻力，只有當(dāng)風(fēng)速低于一定值(<3 m/s)時超聲才有強化效果[32]。Clemente等[33]的研究結(jié)論相似，考察風(fēng)速和超聲功率對熱風(fēng)干燥葡萄籽效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速超過1.5 m/s時物料外部傳質(zhì)阻力可以忽略不計，并根據(jù)Peleg模型和擴散模型分別計算出傳質(zhì)系數(shù)k值和水分擴散系數(shù)De值，結(jié)果顯示附加超聲前后k值和De值均無明顯變化，可能因為葡萄籽具有致密的結(jié)構(gòu)和堅硬的質(zhì)地。Siucińska等[34]認為超聲能夠強化熱風(fēng)干燥傳質(zhì)，尤其是物料的表面層，但不會破壞其細胞結(jié)構(gòu)和引起物料溫度的升高。Ortuo等[35]表明在干燥溫度40 ℃、風(fēng)速1 m/s、聲強154.3 dB的條件下，超聲能使熱風(fēng)干燥橙皮平均水分擴散系數(shù)提高50%，縮短干燥時間45%以上，實現(xiàn)節(jié)能30%左右，橙皮的表面被壓縮，表皮下白層形成更多的孔隙，有利于水分的移去，這是由于超聲的“海綿”效應(yīng)，即循環(huán)的壓縮和膨脹作用。與在相比，在較低溫度下(30 ℃)比高溫(70 ℃)時超聲強化水分擴散和傳質(zhì)作用以及對物料細胞組織的影響更明顯。

4 超聲與其他干燥技術(shù)的耦合

4.1 超聲耦合噴霧干燥技術(shù)

現(xiàn)有的噴霧干燥方法通常存在噴出的液滴大小不均一、噴口阻塞和物料不均勻等現(xiàn)象，同時干燥過程離不開高溫空氣的參與，這就有可能造成物料的失活和變性等。另外，高溫噴霧干燥過程需要大量的水蒸氣、壓縮空氣和水，造成極大的耗能，不利于集約型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。若將超聲與現(xiàn)有噴霧干燥技術(shù)相結(jié)合，則有助于解決問題。利用超聲產(chǎn)生的高頻振動和空化作用，使黏稠的物料形成更加均勻、細小的液滴，使其在短時間內(nèi)水分迅速蒸發(fā)，提高干燥效率和保護物料中的活性成分。與傳統(tǒng)噴霧干燥技術(shù)相比，超聲噴霧干燥技術(shù)具有干燥速度快、溫度低、最終含水率低等顯著優(yōu)點，能有效解決黏稠物料的噴口阻塞問題，在較短時間內(nèi)得到質(zhì)量好且穩(wěn)定的產(chǎn)品。王安如等[36]發(fā)明了一種超聲噴霧干燥裝置，包括干燥室、超聲噴嘴和真空泵(圖2)，超聲噴嘴安裝在干燥室的頂部，并與外部物料管道連接，超聲噴嘴連接有超聲控制器，用來調(diào)節(jié)超聲的頻率以控制超聲噴嘴的噴量。

注：1.干燥室；2.超聲波噴嘴；3.物料管道；4.物料泵；5.流化床；6.物料收集管；7a.第一真空泵；7b. 第二真空泵；8a.第一真空管道；8b. 第二真空管道；9. 空氣冷卻室；10. 擋料隔板；11.物料收集室；12.觀察窗。
圖2 超聲波噴霧干燥裝置示意圖

4.2 超聲耦合冷凍干燥技術(shù)

Sch?ssler等[37]將接觸式超聲與冷凍干燥技術(shù)結(jié)合起來用于蔬菜的干燥，其設(shè)備如圖3所示。超聲系統(tǒng)包括2個超聲桿通過鈦螺紋螺栓固定在不銹鋼環(huán)上，孔徑為500 μm的不銹鋼篩網(wǎng)被焊接在環(huán)上。超聲處理器由帶有振幅可調(diào)節(jié)的超聲發(fā)生器驅(qū)動，激光干涉法應(yīng)用于監(jiān)測超聲桿和篩網(wǎng)框接觸點的激發(fā)振幅。研究發(fā)現(xiàn)，超聲可以改變水果冷凍干燥過程中的升華速率，采用間歇性超聲作用方式(10%)可將冷凍干燥時間縮短11.5%，同時獲得高品質(zhì)的冷凍干椒，產(chǎn)品在體積密度、顏色、抗壞血酸含量和再水合特性等方面均有所改善。

注：1. 超聲處理器UIP1000；2. 超聲BS2d34；3. 無振動法蘭；4.丙烯酸蓋子；5. 超聲干燥篩；6. 溫度傳感器；7. 干燥室；8. 架子；9. 冷凍干燥器；10. 水出口；11. 真空調(diào)節(jié)器；12. 真空管；13. 電平指示器。
圖3 接觸式超聲協(xié)助冷凍干燥實驗室系統(tǒng)

4.3 超聲耦合熱泵干燥技術(shù)

Bantle等[38]開發(fā)了一種超聲協(xié)助熱泵干燥的系統(tǒng)(圖4)。該系統(tǒng)采用兩種冷凝器來保持干燥空氣不會過熱，第一個冷凝器將多余的能量從壓縮機轉(zhuǎn)移到區(qū)域供熱系統(tǒng)，第二個冷凝器將干燥空氣再加熱到所需的干燥溫度。具體過程為：首先在蒸發(fā)器中冷卻來自隧道的干燥空氣，通過冷凝器將水冷卻到一定溫度后除去；空氣在第二冷凝器中再次加熱到初始溫度，恢復(fù)熱量。由于水在蒸發(fā)器中被除去，所以在通過冷凝器后空氣的相對濕度較低，可以在隧道入口處再次利用。在超聲(25 W/kg)作用下，物料的干燥時間減少了43%(20 ℃)。在干燥初始階段，超聲能明顯加快干燥速率，而在干燥結(jié)束階段時超聲的影響變?nèi)?。盡管附加超聲時物料的脫水速率更快，但干燥能耗增加了數(shù)倍?？紤]到節(jié)能方面，附加的超聲聲強不超過2 W/kg，干燥時間能縮短50%以上。

4.4 超聲耦合太陽能干燥技術(shù)

Kouchakzadeh等[39]設(shè)計了一種超聲聯(lián)合太陽能平板床干燥開心果的裝置(圖5)。該裝置在平板床上安裝有2個傳感器和由2個螺栓固定的20 kHz 超聲換能器。負載傳感器位于平板的中間，與基底接觸。超聲換能器放置在角落的對面，由一個外延壓電的換能單元片所組成。超聲的引入(1 000 W)能使開心果的平均干燥效率由8.5%提高至28%。開心果采用傳統(tǒng)自然曬干方法時干燥速率緩慢，可能還會產(chǎn)生黃曲霉毒素，若采用超聲(20 kHz、17 W)輔助干燥后，其干燥時間能縮短到4 h。

圖4 超聲協(xié)助熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

圖5 超聲聯(lián)合太陽能水平床干燥開心果的設(shè)備示意圖

5 超聲干燥的作用機理

超聲干燥技術(shù)主要利用超聲改變物料表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小水分遷移阻力，達到強化傳熱傳質(zhì)過程，提高干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)的目的。目前雖然大量研究證實超聲在干燥領(lǐng)域效果明顯，但對其干燥機理還缺乏統(tǒng)一的認識，認為其機理主要來源于三個方面。

1)聲波的壓縮和膨脹效應(yīng)。聲波在介質(zhì)中傳播，一方面使介質(zhì)質(zhì)點在平衡位置附近來回振動，同時在介質(zhì)中產(chǎn)生了壓縮和膨脹過程，使介質(zhì)具有了振動動能及形變位能，兩部分之和就是由聲擾動使介質(zhì)得到的聲能量，擾動的傳播使聲能量也跟著轉(zhuǎn)移。因此聲波的傳播過程實質(zhì)上就是聲振動能量的傳播過程。當(dāng)物料處于超聲場中時，由聲波產(chǎn)生的周期性壓縮和膨脹作用使得物料內(nèi)部介質(zhì)質(zhì)點交替受到壓縮和拉伸作用，減弱了水分與物料組分間的作用力，形成內(nèi)部擠水滲流；另一方面，這種作用還有利于改變物料內(nèi)部細胞間結(jié)構(gòu)，形成新的微孔道，減弱了水分在物料中的遷移阻力，加快了物料內(nèi)部水分向外的擴散速率。

2)超聲的空化和機械效應(yīng)。超聲空化產(chǎn)生的高溫(5 000 K)、高壓(500 MPa)和強剪切力致使物料組分與水分子間的結(jié)合鍵斷裂，減弱了對水分子的束縛力，由難去除的結(jié)合水變?yōu)樽杂伤?；超聲空化產(chǎn)生的強大沖擊波，形成水分子的湍流擴散，同時在靠近固體表面的地方產(chǎn)生微射流，使水分子與固體表面分子之間的結(jié)合鍵斷裂，使固體表面活化；超聲空化和機械作用改變了物料的孔隙結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部變的蓬松多孔，減小了水分在物料中的遷移阻力，有利于水分子的溢出；超聲產(chǎn)生的微擾效應(yīng)減小了固-液傳質(zhì)邊界層厚度和濃度梯度差，有利于傳熱傳質(zhì)。

3)超聲的熱效應(yīng)。超聲在傳播過程中導(dǎo)致介質(zhì)質(zhì)點間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，致使介質(zhì)溫度升高，形成干燥過程中的內(nèi)熱源。在干燥過程中，超聲的熱效應(yīng)通常被認為是次要的甚至可以忽略。

6 結(jié)論與展望

超聲作為一種能負載高能量的聲波，具有聲波的傳播特性和在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化效應(yīng)等特點。許多研究表明，超聲在干燥前預(yù)處理、滲透脫水、熱風(fēng)干燥及其他干燥技術(shù)方面均顯示出明顯的強化作用。超聲可以提高有效水分擴散系數(shù)和傳質(zhì)過程，從而明顯縮短干燥時間，提高干燥效率，降低干燥能耗。另外，超聲還能提高干燥產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和品質(zhì)，減少營養(yǎng)元素和活性物質(zhì)如酚類、黃酮類和皂苷類物質(zhì)的損失，抑制產(chǎn)品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的塌陷和孔隙度的收縮，減少產(chǎn)品的開裂，改善其質(zhì)構(gòu)性狀，提高其復(fù)水性等。雖然近年來有關(guān)超聲干燥方面的研究取得了許多成果，但仍然在存在一些難題需要突破。

1)超聲與干燥介質(zhì)和干燥物料之間的聲阻抗匹配問題。干燥介質(zhì)和干燥物料的聲學(xué)性質(zhì)(溶液、熱風(fēng)等)是隨著干燥過程的進行而發(fā)生顯著改變的，如超聲滲透脫水過程中溶液的聲阻抗值隨時間延長而減小，而超聲預(yù)處理過程溶液的聲阻抗值變化則剛好相反，這些都會影響到超聲能量發(fā)射器與干燥介質(zhì)或傳播介質(zhì)之間的聲阻抗匹配效率問題。另外，干燥物料的聲學(xué)性質(zhì)也會隨干燥時間的延長而發(fā)生明顯變化，如超聲耦合熱風(fēng)干燥過程中物料的聲阻抗值是逐漸減小的，這會導(dǎo)致干燥介質(zhì)(熱風(fēng))與物料之間的聲阻抗匹配效率下降。因此，如何設(shè)計出具有寬頻率跟蹤和自動調(diào)節(jié)聲阻抗匹配的超聲器件是今后的方向之一。

2)超聲換能器在運行過程中的散熱問題。如果超聲匹配一旦失衡，會導(dǎo)致?lián)Q能器的溫度迅速升高，如果不及時散熱，將會嚴重影響到設(shè)備工作的穩(wěn)定性甚至導(dǎo)致設(shè)備燒毀，要解決這個問題，一方面需要開發(fā)一個高效的冷卻系統(tǒng)，另一方面需要開發(fā)一種具有大壓電常數(shù)、低介電損耗和小的溫度系數(shù)等特征的高性能壓電陶瓷材料，以減少熱量的產(chǎn)生。

3)超聲干燥設(shè)備的工業(yè)化放大問題。由于超聲能量隨傳播距離的延長衰減較快，特別是在一些低密度介質(zhì)中，如空氣、甲醇、乙醇等，如果介質(zhì)受熱這種現(xiàn)象更加突出。因此，超聲能量發(fā)射器距離物料越近干燥效果越好，但這不利于實際工業(yè)的放大。實際上，超聲能量是靠介質(zhì)傳遞的，密度高的介質(zhì)能量負載大，衰減弱，傳播效果好。空氣由于密度小，傳播過程中超聲能量損失相對就大。因此，如何提高干燥介質(zhì)的密度和超聲能量的有效傳播距離是今后在超聲干燥工業(yè)放大中值得注意的問題。

4)超聲干燥的機理問題。由于干燥介質(zhì)和物料不同，超聲產(chǎn)生的主導(dǎo)作用效應(yīng)也存在顯著的差異。如在液體介質(zhì)中(如水或溶液)，通常認為是超聲的空化作用起主導(dǎo)，而在氣體介質(zhì)中(如空氣)，則將超聲的強化作用主要歸結(jié)于其產(chǎn)生的高頻機械波動效應(yīng)。然而，目前鮮有研究證實超聲在物料內(nèi)部產(chǎn)生了哪些效應(yīng)，以及哪種效應(yīng)占主導(dǎo)作用。而對于一些具有高黏稠性的半固態(tài)物料的干燥，如中藥浸膏和凝膠類，在超聲的作用效應(yīng)及機理方面鮮有報道。