超聲波-熱泵聯(lián)合干燥黃豆種子特性分析

余 飛 楊 昭 楊宗豫

(天津大學 機械工程學院，天津 300350)

黃豆(Glycine max)，是一種種子含有豐富蛋白質(zhì)和脂肪的豆科植物，也是目前世界上最重要的油料作物之一[1]。我國是黃豆的主要消費國，2017年消費量超過1.1億t，位居世界首位。而一般新收獲的種子水分高達25%～35%，高水分會加強種子呼吸作用導致其發(fā)熱霉變[2]，每年都會有大量的黃豆種子因干燥不及時而導致霉變，所以必須及時干燥，把種子含水率降到安全水平以保證種子活力和安全貯藏。

目前，用于種子、果蔬等物料的干燥技術主要包括對流干燥、熱泵干燥、超聲輔助熱泵干燥等。其中，對于種子、果蔬中的熱敏性物料，傳統(tǒng)對流干燥方式對物料長時間高溫干燥后，其干燥產(chǎn)品的風味，顏色和營養(yǎng)成分會受到嚴重損害，導致干燥產(chǎn)品質(zhì)量降低[3]。而熱泵干燥可以較精確地控制干燥箱內(nèi)溫濕度條件，具有環(huán)境友好、干燥產(chǎn)品質(zhì)量較高的特點[4]，但為了保證物料干后質(zhì)量而采用低溫干燥方式會導致干燥時間延長。而超聲波是一種機械振動波，在物料內(nèi)部能夠產(chǎn)生空化作用和機械效應，從而可以提高水分的擴散與遷移[5]。因而國內(nèi)外很多學者提出，將超聲波技術應用于熱泵干燥，彌補熱泵低溫干燥的不足。劉云宏等[6]通過研究接觸式超聲波強化熱風干燥蘋果片，發(fā)現(xiàn)超聲有利于加快物料內(nèi)部傳質(zhì)過程并且干燥速率隨超聲波功率的增大而增大。孫悅等[7]探究不同超聲波功率對紫薯熱風干燥特性以及品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)應用超聲波可以有效降低水分擴散阻力并且在低溫下增大超聲波功率可以提高其總酚和總黃酮的含量。Jambrak等[8]選擇蘑菇、甘藍和菜花為試驗材料，在干燥前進行不同頻率與時間的超聲波預處理，發(fā)現(xiàn)與未處理的物料相比，不僅干燥時間縮短了，復水性能也顯著提高了。Garcia-Perez等[9]研究超聲波對橘子皮干燥過程的影響，發(fā)現(xiàn)采用功率為45、90 W的超聲波，與不加超聲波相比，能夠分別減少約30%和50%的干燥時間。

相比于大多數(shù)的果蔬干燥，種子在干燥過程中不僅要考慮其食用營養(yǎng)質(zhì)量，還要維持其生命活性。活性氧(reactive oxygen species，ROS)對種子生命活力具有重要的影響，在種子新陳代謝過程中會不斷產(chǎn)生，其中丙二醛(malondialdehyde，MDA)作為ROS的產(chǎn)物之一被認為是有毒物質(zhì)，對細胞膜和蛋白質(zhì)等物質(zhì)會造成較大的破壞[10]，并且ROS的不斷積累會對種子產(chǎn)生氧化脅迫，最終導致種子的劣變。而在長時間進化過程當中，種子內(nèi)部形成了抗氧化酶系統(tǒng)，具有清除ROS的能力；該酶保護系統(tǒng)主要由超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)組成，其中SOD是調(diào)節(jié)活性氧自由基和過氧化物含量的重要酶之一，它將兩個超氧自由基催化為H2O2和氧氣，然后通過CAT和POD進行清除[11]，從而將ROS保持在穩(wěn)態(tài)水平[12]。

已有研究主要集中在超聲波強化果蔬類物料的熱風干燥，關于超聲波對農(nóng)產(chǎn)品種子的干燥特性以及生命活性的影響鮮見報道。本研究擬以黃豆種子為試驗材料，探究超聲參數(shù)和干燥溫度對種子干燥動力學特性、抗氧化酶活性和發(fā)芽特性的影響，以期獲取較優(yōu)的干燥工藝參數(shù)，為超聲波與熱泵聯(lián)合干燥技術在種子加工工藝中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃豆種子(中黃25)采購于天津當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場，在干燥試驗之前將其密封儲存在4.0±0.1 ℃的冰箱中。種子初始干基含水率為32%，含水率采用以下方法測定：先用微型植物粉碎機將種子攪碎成3份粉末，每份5 g豆粉，然后放入溫度設定為105 ℃的電熱鼓風干燥箱中，烘干至恒質(zhì)量。

1.2 儀器與設備

超聲波與熱泵聯(lián)合干燥設備由天津大學先進制冷與熱泵實驗室研發(fā)，具體結構見參考文獻[13]。DGG-101-2SB型電熱鼓風干燥箱(天津科學儀器設備有限公司)，F(xiàn)Z-102型微型植物粉碎機(天津泰斯特儀器有限公司)，JA5003型電子天平(上海精密科學儀器有限公司)，THD-M1系列超聲波裝置(深圳科美達超聲波有限公司)，GL-16G-II型高速冷凍離心機(上海安亭儀器廠)，752N型紫外分光光度計(上海精密儀器科學有限公司)，DK-98-IIA型電熱恒溫水浴鍋(天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1試驗方法

在干燥試驗12 h前從冰箱中取出黃豆種子放置于室溫環(huán)境，試驗時當干燥箱內(nèi)干燥空氣的溫度穩(wěn)定之后，將種子以單層均勻的形式平鋪在物料托盤中，然后把裝有樣品的托盤直接放在超聲波換能器上進行聯(lián)合干燥試驗。由于高溫會對種子的生命活性造成較大的破壞[14-15]，本研究選取空氣干燥溫度分別為28、32、36和40 ℃；同時為研究大范圍內(nèi)超聲波功率的影響，采用超聲波的功率分別為0(未加入超聲波)、50、100、150和200 W，頻率固定為28 kHz；其中0 W為對照組，其他組為試驗組。本試驗總干燥時間為420 min，在干燥過程中每隔 15 min 將樣品從干燥箱中取出稱重1次，此操作不超過15 s。

1.3.2干燥動力學參數(shù)計算

本試驗采用干基含水率(后面的含水率皆為干基)隨時間的變化曲線來描述黃豆種子的干燥過程，其計算公式如下：

(1)

式中：Mt為種子的含水率，g/g；Wt為種子在任意時刻t的濕重，g；W為種子的干重，g。不同干燥時間黃豆種子的水分比MR由式(2)計算得到：

(2)

式中：M0為初始含水率，g/g；Me為平衡含水率，g/g。對于球形黃豆種子，干燥過程的水分擴散系數(shù)可由費克擴散方程求解：

(3)

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)，m2/s；r為種子平均半徑，m；t為干燥時間，s。式(3)取對數(shù)形式可得到以下表達式：

(4)

通過對ln(MR)與t的線性回歸得到的斜率k，從而求出黃豆種子在整個干燥過程的有效水分擴散系數(shù)Deff。

1.3.3SOD活性

采用氮藍四唑法(NBT)進行測定干燥后黃豆種子的SOD活性，并略有一些改進。取0.3 g粉碎后的豆粉與5 mL濃度為0.1 mol/L，pH為7.0～7.4的磷酸鹽緩沖液混合，在冰水浴下研磨至勻漿，然后離心20 min取0.02 mL上清液進行酶液測定，分別取T-SOD盒中的試劑一1 mL、試劑二0.1 mL、試劑三0.1 mL和試劑四0.1 mL依次加入酶液中，混合均勻后置于37 ℃恒溫水浴中40 min，之后加入2 mL顯色劑混勻室溫放置10 min，最后于550 nm處測定其吸光度。以反應液中SOD抑制率達到50%時所對應的SOD量為1個 SOD活性單位，U/g。

1.3.4POD活性

應用愈創(chuàng)木酚法進行測定，具體方法步驟參見參考文獻[16]。

1.3.5CAT活性

使用紫外吸收法進行測定，具體方法步驟參見參考文獻[16]。

1.3.6丙二醛(MDA)含量

采用硫化巴比妥酸法進行測定，具體方法步驟參見參考文獻[16]。

1.3.7種子發(fā)芽指標

將干燥后的黃豆種子用去離子水浸泡10 min，之后將其放入發(fā)芽盒(11 cm×17 cm×7 cm)中的兩層完全濕潤的發(fā)芽試紙之間，然后把發(fā)芽盒放入20 ℃的電熱鼓風干燥箱中，測試進行5 d，試驗期間按需加入去離子水并每天統(tǒng)計發(fā)芽個數(shù)，當胚根的尖端突破了種皮則認為發(fā)芽[17]。試驗以50粒種子為1組，共3組。發(fā)芽率(GP)、平均發(fā)芽時間(MGT)和發(fā)芽指數(shù)(GI)，分別指的是種子發(fā)芽的數(shù)量、發(fā)芽的平均時間以及發(fā)芽速率，計算公式如下：

GP=Gn/G

(5)

MGT=∑Gt×Dt/Gn

(6)

(7)

式中：Gn為5 d內(nèi)發(fā)芽總數(shù)；G為測試種子的總數(shù)；Gt為發(fā)芽試驗開始后第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為對應發(fā)芽天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

干燥動力學試驗、發(fā)芽試驗與酶活性測定中每組均重復3次，作圖及數(shù)據(jù)分析均選用平均值。試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010、Origin 9.1和SPSS 22.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 干燥溫度對黃豆種子干燥動力學的影響

超聲波功率分別為0(未加入超聲波)、50、100、150和200 W時，不同干燥溫度下黃豆種子的干基含水率隨時間的變化見圖1。當干燥時間相同時，升高溫度可以使種子的最終含水率顯著降低。在28 ℃時,超聲波功率分別為0、50、100、150和200 W，種子干燥420 min后的含水率分別降為22.47%、19.99%、16.79%、15.96%和15.26%；當以此含水率為最終含水率時，在相應的超聲波功率條件下，當溫度提高至40 ℃時所需的干燥時間分別為76、115、198、196和203 min，分別縮短了81.90%、72.62%、52.87%、53.33%和51.66%?？梢姡谕怀暡l件下升高干燥溫度能夠顯著加快干燥速率，縮短干燥時間，這是因為溫度的提高增大了從干燥介質(zhì)到物料的熱流量，加強了水分的擴散，從而提高了干燥速率[18]。在一些相似的研究中，Doymaz等[19]在干燥綠豌豆時將溫度從55 ℃增大到65 ℃，發(fā)現(xiàn)干燥時間可減少16.7%～27.8%；Sharayei等[20]在干燥藏紅花瓣的過程中將干燥溫度從40 ℃升高到60 ℃，干燥時間減少了83.70%。同時對比5個干燥曲線發(fā)現(xiàn)，隨著超聲波功率的增大，干燥溫度對黃豆種子干燥特性的影響逐漸減小，升高溫度使干燥時間縮短的幅度也逐漸減少，尤其是在超聲波功率增強至100 W后，干燥溫度提高所提升干燥速率的幅度要顯著小于0和50 W的干燥條件。

圖1 同一超聲波功率(P超)下溫度(T)對黃豆種子干燥曲線的影響Fig.1 Drying curve of soybean seed at different drying temperatures under the same ultrasonic power

2.2 超聲波功率對黃豆種子干燥動力學的影響

圖2示出4種相同干燥溫度下超聲波功率對黃豆種子干燥曲線的影響?？梢?，與未加入超聲波(0 W)的對照組相比，超聲波-熱泵聯(lián)合干燥使種子含水率下降得更快，并且除去的水分含量隨超聲波功率的提高而提高。在干燥溫度分別為28、32、36和40 ℃，種子干燥420 min后的含水率分別降為22.47%、19.22%、15.13%和12.86%。以此含水率為基準，28 ℃時超聲波功率為50、100、150和 200 W 的試驗組所需干燥時間分別為215、131、116和101 min，相比對照組分別縮減了48.81%、68.81%、72.38%和75.95%；32 ℃時，試驗組的干燥時間分別縮短為261、187、169和156 min；36 ℃時試驗組干燥時間分別縮短至338、300、268和246 min；40 ℃時試驗組干燥時間分別縮短至396、350、305和287 min。

超聲波的加入也能夠顯著加快黃豆種子的干燥速率。這一方面可能是由于高頻超聲波的空化作用，在物料內(nèi)部會產(chǎn)生大量的空化泡并隨即爆破，并且空化泡爆破的瞬間會在局部微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極大的高溫高壓，并且會伴有強烈的沖擊波和高速微射流[21-22]，其中沖擊波可以使水分子發(fā)生湍流擴散，并且靠近物料中干物質(zhì)表面產(chǎn)生的微射流能夠使水分子與干物質(zhì)表面分子間的結合鍵斷裂，非常有利于除去與干物質(zhì)結合緊密的水分，從而加快了水分的擴散；另一方面是因為超聲波的機械效應，會使物料內(nèi)部組織持續(xù)發(fā)生壓縮和拉伸現(xiàn)象[23]；這些效應可以提高物料內(nèi)部水分的湍動和水分子的能量，減小與質(zhì)壁間緊密的水分附著力[24]，因而提高了水分的擴散能力，加快了干燥速率。同時對比4個干燥曲線圖能夠看出，隨著干燥溫度的提升，超聲波功率對黃豆種子干燥特性的影響逐漸減小，增大超聲波功率使干燥時間縮短的幅度也逐漸減小，尤其在干燥溫度提升至36 ℃之后，超聲波功率提高所提升干燥速率的幅度要顯著小于28和32 ℃的干燥條件。

圖2 同一干燥溫度(T)下超聲波功率(P超)對黃豆種子干燥曲線的影響Fig.2 Drying curve of soybean seed under different ultrasonic powers at the same drying temperature

2.3 有效水分擴散系數(shù)

有效水分擴散系數(shù)Deff是干燥動力學中的一個非常重要的物理量，可以用來量化物料內(nèi)部水分擴散的能力，并且能夠用來說明不同干燥條件對物料干燥過程中水分遷移的影響[25]。圖3示出干燥溫度和超聲波功率對黃豆種子Deff的影響，其變化范圍值為3.035×10-11～11.394×10-11m2/s，符合大部分物料水分擴散系數(shù)的范圍(10-12～10-8m2/s)[26]。在超聲波功率為0、50、100、150和200 W時，當干燥溫度從28 ℃提高至40 ℃，有效水分擴散系數(shù)分別提高了153.0%、97.2%、46.1%、47.7%和47.8%?？梢姡稍餃囟鹊纳吣軌蝻@著提高干燥速率。這可能是由于溫度的提高能夠激活物料內(nèi)部的水分子，加快水分的擴散，從而提高Deff。從圖3中也可以看出，Deff隨超聲波功率的增大而增大。在28 ℃時，與0 W的對照組相比，超聲波功率為50、100、150和200 W的試驗組Deff的值分別提高了41.4%、113.1%、134.3%和154.0%；而在40 ℃時4個試驗組的Deff卻分別只提高了10.2%、23.1%、36.8%和48.4%，這表明超聲波功率對Deff的影響會隨干燥溫度的提高而減小。這可能是因為高溫下干燥介質(zhì)可攜帶大量的熱能，因而超聲波的能量相較于總能量較小，進而對水分擴散影響減小[27]。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，圖4、5同。The different lowercase in the figure indicate significant differences among titers at P<0.05. The same as Figs.4 and 5.圖3 不同干燥條件下黃豆種子的有效水分擴散系數(shù)Fig.3 Effective moisture diffusion coefficient of soybean seeds under different drying conditions

2.4 干燥溫度和超聲波功率對SOD、POD和CAT活性的影響

種子的老化變質(zhì)會嚴重影響其質(zhì)量及產(chǎn)量，而活性氧ROS的累積是造成種子變質(zhì)的主要原因，種子內(nèi)部清除ROS的酶主要包括SOD、POD和CAT，它們在不同干燥條件下的變化見圖4。

由圖4(a)可以看出，SOD的活性隨著溫度的提高不斷下降；與28 ℃相比，在未加超聲(0 W)時干燥溫度為32、36和40 ℃的SOD活性分別降低了5.1%、11.8%和22.4%，在超聲功率50 W時SOD活性分別降低了4.4%、10.9%和22.7%，超聲功率100 W時分別降低了4.3%、10.8%和21.5%，超聲功率150 W時分別降低了4.8%、11.6%和21.9%，超聲功率200 W時分別降低了5.9%、13.8%和26.3%。此外，在超聲功率范圍0～100 W 時，SOD的活性隨超聲波功率升高而提高，當功率增加至200 W時，SOD的活性會顯著下降(P<0.05)。這表明干燥溫度過高或超聲功率過大都會對SOD的活性造成不利的影響，并且干燥溫度對SOD的活性影響程度要大于超聲功率。

圖4 不同干燥條件對干后黃豆種子SOD(a)、POD(b)和CAT(c)活性影響Fig.4 Activities of SOD, POD and CAT in dried soybean seeds under different drying conditions

在所有試驗條件下，POD的活性隨溫度的升高先增大后減少，其中在同一超聲功率下36 ℃時的POD活性都要顯著高于其他干燥溫度(P<0.05)(圖4(b))。此外，超聲波的應用能夠顯著提升POD的活性；相比于對照組(0 W)，超聲功率為50、100、150和200 W時POD的活性在28℃分別提高了74.3%、88.8%、78.9%和53.9%，在32℃分別提高了73.6%、87.2%、49.7%和35.9%，在36 ℃分別提高了28.1%、65.5%、29.3%和23.7%，在40 ℃分別提高了27.8%、61.0%、45.9%和33.5%?？梢?，超聲功率對POD活性的提升會隨溫度的升高而逐漸降低，其最大值出現(xiàn)在溫度為36 ℃且超聲功率為100 W的條件下。

圖4(c)示出干燥溫度和超聲波功率對黃豆種子CAT活性的影響?？梢姡敻稍餃囟扔?8 ℃升高至36 ℃時，CAT活性顯著提高，而繼續(xù)升高至40 ℃時，CAT的活性顯著降低(P<0.05)；在所有溫度范圍內(nèi)與對照組(0 W)相比，加入超聲波之后CAT的活性明顯提高，并且在超聲波功率范圍為0～150 W內(nèi)，CAT的活性隨超聲功率的升高而提高，但當功率繼續(xù)增加至200 W時，CAT的活性會明顯下降(P<0.05)。與POD不同的是，CAT活性最大值出現(xiàn)在溫度為36 ℃且超聲功率為150 W的試驗組。

在黃豆種子抗氧化防御系統(tǒng)中，適當強度的超聲波對酶活性有積極的影響，能夠提高酶促反應的效率，但超聲波作用機理較復雜，目前關于超聲波對種子及其他農(nóng)產(chǎn)品抗氧化酶影響的研究很少。Chen等[28]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理過的藻類對ROS活性氧自由基的清除能力以及SOD和CAT的活性均有顯著的提高。Safari等[29]研究發(fā)現(xiàn)歐榛經(jīng)超聲波處理后其內(nèi)部SOD和CAT的活性相比對照組分別提高了1.7倍和4倍。

2.5 干燥溫度和超聲波功率對MDA含量的影響

圖5示出不同干燥條件對干燥后黃豆種子MDA含量的影響?？梢?，隨著溫度的升高，MDA的含量不斷升高，尤其是在36和40 ℃會有顯著性提升(P<0.05)；在超聲波功率分別為0、50、100、150和200 W時，當干燥溫度從28 ℃提升至40 ℃，MDA質(zhì)量摩爾濃度分別提升了93.5%、105.8%、54.4%、24.6%和20.8%。而在所有試驗條件下超聲波的應用可以使MDA含量下降，并且在試驗溫度為36和40 ℃時下降的顯著性要明顯高于28和32 ℃。MDA是一種在質(zhì)膜氧化過程中所產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，較高的溫度會強化質(zhì)膜過氧化過程，從而致使MDA含量升高[30]；而在本實驗中超聲波的應用可以降低MDA含量，可能是由于超聲波可以使某些加速質(zhì)膜過氧化過程的酶失活，從而保護細胞不被MDA破壞。

圖5 不同干燥條件對干后黃豆種子MDA含量影響Fig.5 Content of MDA in dried soybean seeds under different drying conditions

2.6 干燥溫度和超聲波功率對發(fā)芽特性的影響

表1示出不同干燥條件對干燥后黃豆種子發(fā)芽率(GP)、平均發(fā)芽時間(MGT)和發(fā)芽指數(shù)(GI)的影響?？梢?，在所有試驗條件下，干燥溫度的升高都會使種子的發(fā)芽率顯著性下降，平均發(fā)芽時間延長及發(fā)芽指數(shù)降低(P<0.05)。對照組(0 W)中干燥溫度從28 ℃升高至40 ℃，導致發(fā)芽率從98.67%降低到69.33%，平均發(fā)芽時間從2.51 d延長至3.20 d，發(fā)芽指數(shù)從22.27降至12.41。這可能是由于高溫干燥會破壞種子的內(nèi)部組織結構和生命必需物質(zhì)，致使其生命活力的降低，最終表現(xiàn)為發(fā)芽率降低以及發(fā)芽速率變慢[31]。

由表1還可以看出，在28和32 ℃時超聲波的應用對種子發(fā)芽率的影響不顯著；在36和40 ℃時種子的GP隨超聲功率的增大先增加后減小，其中100 W超聲相比對照組(0 W)GP最高可分別提高10.6%和20.2%。此外在所有試驗條件下種子的MGT都會隨超聲功率的增大先減小后增大，GI隨超聲功率的增大先升高后降低；當溫度為28、32、36和40 ℃時，試驗組100 W相比對照組MGT最高可分別縮短15.5%、9.3%、11.1%和7.8%，GI最高可分別提高17.3%、9.1%、20.4%和28%。該結果表明適當強度的超聲波有利于提高種子的發(fā)芽率，縮短發(fā)芽時間和提高發(fā)芽指數(shù)。這可能主要是由于超聲波的空化作用可以使種子的孔隙變大并使種子外殼破碎，提高其吸水能力并促進氧的吸收，從而提高種子的發(fā)芽率并縮短種子的發(fā)芽周期[32-33]。

表1 不同干燥條件下黃豆種子的發(fā)芽率(GP)、平均發(fā)芽時間(MGT)和發(fā)芽指數(shù)(GI)Table 1 The GP， MGT and GI of dried soybean seeds under different drying conditions

3 結 論

隨著工業(yè)發(fā)展對農(nóng)產(chǎn)品干燥工藝要求的提高，單一的熱泵干燥方式很難同時滿足高效節(jié)能以及干燥品質(zhì)優(yōu)良等眾多要求，本研究選取黃豆種子進行超聲波-熱泵聯(lián)合干燥試驗分析。結果表明，干燥溫度和超聲功率的大小對黃豆種子干燥特性具有較大的影響。在所有試驗條件下，當干燥溫度從28 ℃升高至40 ℃，干燥時間縮短了51.66%～81.90%；超聲波功率從0 W增加到200 W，干燥時間縮短了31.67%～75.95%；有效水分擴散系數(shù)Deff的大小隨溫度的升高與超聲功率的增大而增大，其數(shù)值范圍為3.035×10-11～11.394×10-11m2/s；而過高的干燥溫度和較大的超聲功率都會使種子的生命活力顯著降低，其中包括抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性降低，有毒物質(zhì)MDA的含量顯著增加，種子發(fā)芽率降低，平均發(fā)芽時間增大以及發(fā)芽速率減小。綜合考慮，較優(yōu)的理化特性和發(fā)芽特性所對應的干燥條件為：溫度范圍28～36 ℃，超聲波功率范圍100～150 W。因此將適當強度的超聲波與熱泵進行結合，不僅可以縮短干燥時間，加快干燥速率，還可以保證種子的生命活性。