氣介超聲干燥水果及其機(jī)制的研究

謝青青，李 晨，陳尹尹，王 華，楊增濤

(重慶醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，超聲醫(yī)學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400016)

0 引言

干燥是提高水果保質(zhì)期最方便、經(jīng)濟(jì)的方法，通過降低水果中的水分可抑制微生物的生長(zhǎng)和酶促反應(yīng)，從而防止水果劣變。目前常見的干燥技術(shù)主要有熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥等。其中熱風(fēng)干燥過程中的溫升效應(yīng)會(huì)影響水果的品質(zhì)，故不適用于熱敏性水果的干燥[1]。真空冷凍干燥雖然可以保證水果的品質(zhì)，但干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、運(yùn)行成本昂貴，且干燥后的樣品中會(huì)攜帶大量未滅活的微生物[2]。超聲波是一種頻率高于20 kHz的機(jī)械波，可在常溫的情況下去除水分，對(duì)干燥熱敏性水果有突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有一定的殺菌能力[3]。Garcia-Perez等[4]采用不同功率超聲對(duì)橙皮進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其干燥時(shí)間和能耗都有顯著降低。Charoux等[5]發(fā)現(xiàn)非接觸氣介超聲可用于滅活樣品內(nèi)的微生物，且不會(huì)對(duì)樣品的品質(zhì)造成過大影響。Tao等[6]發(fā)現(xiàn)超聲可加速干燥過程，且不會(huì)導(dǎo)致黑莓內(nèi)部溫度升高過多。因此，超聲在水果干燥中有極大的應(yīng)用潛力。

超聲干燥有兩種能量傳遞模式，分別為氣介超聲干燥技術(shù)和接觸式超聲干燥技術(shù)[7]。其中氣介超聲干燥是指超聲能量通過空氣介質(zhì)耦合進(jìn)樣品，而接觸式超聲干燥是指換能器與樣品直接接觸或者是將超聲能量通過固體介質(zhì)耦合進(jìn)樣品。與氣介超聲干燥相比，接觸式超聲干燥的干燥速率更快，但其產(chǎn)生的空化效應(yīng)殘留物會(huì)污染樣品[5]，且對(duì)干燥場(chǎng)所有一定的限制要求。目前對(duì)超聲干燥機(jī)制還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為其機(jī)制主要來源于以下3方面：

1) “海綿效應(yīng)”[8]，即超聲能量耦合進(jìn)樣品后引發(fā)樣品連續(xù)壓縮和膨脹，樣品形似海綿被反復(fù)擠壓和釋放?！昂＞d效應(yīng)”伴有的交替應(yīng)力會(huì)在物料表面產(chǎn)生微小通道，為樣品內(nèi)部的水運(yùn)動(dòng)提供方便。

2) 空化效應(yīng)[9]。超聲空化產(chǎn)生的高溫、高壓和強(qiáng)剪切力使樣品與水分子間的結(jié)合鍵斷裂，減少了對(duì)水分子的束縛力。

3) 增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)過程[10]，降低樣品內(nèi)外層的溫度梯度，強(qiáng)化內(nèi)部水分的擴(kuò)散。

上述關(guān)于超聲干燥機(jī)制的解釋多是基于接觸式超聲，對(duì)氣介超聲干燥機(jī)制的研究相對(duì)較少。因此，本文以實(shí)驗(yàn)研究為主要方法，探究了氣介超聲干燥水果的作用機(jī)制。為探究氣介超聲對(duì)自由水干燥的作用效果，選用磷酸緩沖鹽溶液模擬蘋果組織內(nèi)的自由水，溶液中加入少許聚苯乙烯微球，有助于觀察氣介超聲的微流現(xiàn)象；利用COMSOL Multiphysics對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行仿真，借助熒光顯微鏡觀察分析了氣介超聲對(duì)蘋果片微觀結(jié)構(gòu)的影響；結(jié)合蘋果片無量綱水分比和干燥速率的變化規(guī)律，探究了氣介超聲對(duì)蘋果片干燥過程的影響，這將為更好地詮釋氣介超聲的干燥機(jī)制提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)選用“紅富士”蘋果，其充分成熟、無損傷。實(shí)驗(yàn)所用試劑：鈣熒光增白劑(購(gòu)于Sigma公司)；磷酸緩沖鹽溶液(購(gòu)于HyClone公司)；聚苯乙烯微球，粒徑大小為?(110～150) μm(購(gòu)于天津市倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心)；氫氧化鉀(購(gòu)于Aladdin公司)，用去離子水配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的KOH溶液。

超聲處理裝置：DK-60B型電磁式換能器(渝中區(qū)迪控電子經(jīng)營(yíng)部)；Inc. AG1000型功率信號(hào)放大器(T&C Power Conversion)；BSA224S型電子分析天平(Sartorius)，精度為0.000 1 g；TH4-200型倒置熒光顯微鏡(Olympus)；SMZ 745T型體視顯微鏡(Nikon)；DZF6020型真空干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟與分析方法

1.2.1 超聲微流現(xiàn)象及其理論仿真

通過實(shí)驗(yàn)觀察氣介超聲的微流現(xiàn)象，在磷酸緩沖鹽溶液中加入少許聚苯乙烯微球并充分混勻。取2 μL混合液點(diǎn)于直徑?90 mm培養(yǎng)皿底部，測(cè)得液滴直徑約為?2 mm。去掉皿蓋，倒扣在換能器上方，超聲作用頻率為20 kHz，超聲作用功率為40 W。借助體視顯微鏡觀察氣介超聲作用下聚苯乙烯微球的運(yùn)動(dòng)情況，顯微鏡放大倍數(shù)為50倍。

利用COMSOL Multiphysics對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中超聲激勵(lì)小液滴產(chǎn)生的微流現(xiàn)象進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)設(shè)置圓形下邊界為振動(dòng)邊界條件來模擬外部超聲驅(qū)動(dòng)，由振蕩的速度邊界激發(fā)聲場(chǎng)[11]。在有限元模型中，超聲激勵(lì)頻率為20 kHz，液滴直徑設(shè)置為?2 mm，聚苯乙烯微球的粒徑大小設(shè)置為?100 μm。實(shí)驗(yàn)采用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格單元大小的方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行剖分，對(duì)邊界處的網(wǎng)格需進(jìn)一步細(xì)化，以減小因網(wǎng)格引起的數(shù)值誤差。

1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)的觀察

將蘋果洗凈、去皮，切取2 cm×2 cm×1 mm的蘋果片作為干燥樣品。干燥處理前為防止蘋果發(fā)生褐變，將切好的蘋果片浸入去離子水中數(shù)秒后立即拿出，并用紙巾吸干表面水分。將干燥樣品平鋪在直徑?90 mm培養(yǎng)皿內(nèi)，將如圖1所示的電磁式超聲換能器置于培養(yǎng)皿正上方，換能器與樣品之間留有1 cm的間隙。以兩種不同的方式對(duì)蘋果片進(jìn)行干燥處理，其中實(shí)驗(yàn)組一對(duì)樣品進(jìn)行超聲干燥處理，超聲驅(qū)動(dòng)頻率為20 kHz，驅(qū)動(dòng)功率為20 W，作用時(shí)長(zhǎng)為60 min；實(shí)驗(yàn)組二對(duì)樣品進(jìn)行超聲假照(換能器處于關(guān)閉狀態(tài))，作用時(shí)長(zhǎng)為60 min。最后選用新鮮蘋果作為對(duì)照。

圖1 超聲干燥裝置示意圖

首先從處理后的樣品表面切取厚度約為20 μm的蘋果薄片，并將其置于載玻片上；然后分別加入10 μL的鈣熒光增白劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的KOH溶液對(duì)蘋果細(xì)胞壁進(jìn)行染色，室溫下避光1 min后用去離子水洗滌2～3次，用濾紙吸除殘留的染料，隨即蓋上蓋玻片并用指甲油密封蓋玻片邊緣以防水分流失；最后將制好的染色樣品放置在倒置熒光顯微鏡下進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)分別為40倍、100倍。

1.2.3 含水率與干燥速率的測(cè)定

室溫下，將蘋果片置于培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行干燥脫水，超聲驅(qū)動(dòng)頻率為20 kHz，超聲功率分別設(shè)置為0、20 W、30 W，干燥總時(shí)長(zhǎng)為60 min。干燥期間用分析天平對(duì)樣品進(jìn)行稱重，以此來記錄樣品含水率及干燥速率的變化。采用105 ℃直接干燥法測(cè)得新鮮蘋果的初始干基含水率為(6.40±0.2)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

蘋果片的干基含水率[12]為

(1)

式中：Mt代表t時(shí)刻樣品的干基含水率；Wt為t時(shí)刻樣品的質(zhì)量；Wd為干物質(zhì)質(zhì)量。

無量綱水分比[13]為

(2)

式中：M0為初始干基含水率；Me為最終平衡含水率。平衡含水率表示樣品失水和吸水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，水分不能繼續(xù)被除去，其數(shù)值較小，相對(duì)于Mt，其數(shù)值可忽略，故可將平衡含水率視為0。式(2)可簡(jiǎn)化[14]為

(3)

干燥速率為

(4)

式中：DR為干燥速率；Mt+Δt代表t+Δt時(shí)刻下樣品的干基含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲干燥中的微流現(xiàn)象

圖2為不同時(shí)刻下(0、3 s、6 s、9 s)聚苯乙烯微球在氣介超聲作用下的位移圖。圖中，藍(lán)色圓圈標(biāo)記的是聚苯乙烯微球在不同時(shí)刻下的位置，紅色箭頭代表聚苯乙烯微球旋轉(zhuǎn)的方向。由圖可見，氣介超聲作用下的液滴內(nèi)產(chǎn)生了微流現(xiàn)象，促使聚苯乙烯微球在微流作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，從而增加水分的蒸發(fā)速率，減少擴(kuò)散邊界層。

圖2 氣介超聲作用下聚苯乙烯微球的位移圖

圖3為COMSOL Multiphysics對(duì)超聲激勵(lì)小液滴產(chǎn)生微流現(xiàn)象的仿真結(jié)果圖，其與圖2中聚苯乙烯微球的運(yùn)動(dòng)速度保持相對(duì)一致，分別將激勵(lì)邊界位移的特征長(zhǎng)度設(shè)為3 μm和5 μm。

圖3 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果圖

由圖3(a)、(b)可見，施加的聲功率越大，則聲流速越大，圖中帶箭頭的流線表示速度場(chǎng)，顏色梯度表示速度大小。圖3(c)～(f)采用COMSOL Multiphysics粒子追蹤模塊，確定聚苯乙烯微球在聲場(chǎng)中隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由圖可看出，在不同時(shí)刻(0、3 s、6 s、9 s)下，液滴內(nèi)的聚苯乙烯微球受斯托克斯力在聲場(chǎng)中的分布情況。

2.2 超聲干燥對(duì)蘋果片表面微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4為新鮮蘋果，功率為20 W超聲作用及無超聲作用下的蘋果片組織結(jié)構(gòu)。圖中明亮部分代表細(xì)胞壁，蘋果細(xì)胞通過細(xì)胞壁彼此相連。由圖4(a)、(b)可看出，新鮮蘋果的微觀結(jié)構(gòu)較為均勻和緊湊。由圖4(c)、(d)可看出，與新鮮蘋果相比，超聲干燥后的蘋果組織的孔隙明顯增大，這是由超聲的“海綿效應(yīng)”所導(dǎo)致，即超聲作為一種機(jī)械力在不斷拉扯蘋果組織結(jié)構(gòu)，從而使蘋果組織的孔隙逐漸增大，這將有利于蘋果內(nèi)部的水分?jǐn)U散，進(jìn)而縮短蘋果片的脫水過程。由圖4(e)、(f)可見大量的細(xì)胞變形和結(jié)構(gòu)坍塌，且坍塌處明顯多于超聲干燥后的蘋果片，這表明超聲干燥能更好地保持樣品的微觀結(jié)構(gòu)，抑制樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的坍塌和孔隙度的收縮，改善其質(zhì)構(gòu)性質(zhì)[15]。

圖4 蘋果組織在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)

2.3 不同超聲功率對(duì)蘋果片干燥特性的影響

圖5分別比較了不同超聲功率下蘋果片無量綱水分比及干燥速率隨時(shí)間的變化圖。由圖5(a)可見，與未加超聲作用的蘋果片相比，超聲處理后的蘋果片含水率顯著降低，且超聲功率越大，含水率下降越明顯。隨著超聲功率的增大，超聲的機(jī)械效應(yīng)越強(qiáng)，則越有利于樣品內(nèi)自由水的流動(dòng)，同時(shí)減少了水分與細(xì)胞組織間的吸附力，從而有效提高了傳質(zhì)速率，進(jìn)而縮短了干燥時(shí)間。由圖5(b)可看出，超聲可在短時(shí)間內(nèi)迅速提升蘋果片的干燥速率，且選用的超聲功率越大，蘋果片的干燥速率提升越快。因此，為了獲得更好的干燥效果，可選用功率較大的超聲進(jìn)行干燥處理。

圖5 不同超聲功率下蘋果片干燥過程中的無量綱水分比和干燥速率曲線

3 結(jié)束語

采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合COMSOL仿真的方法，研究了氣介超聲對(duì)自由水干燥的影響。借助熒光顯微鏡觀察分析了氣介超聲干燥對(duì)蘋果片表面微觀結(jié)構(gòu)的影響，探究不同聲功率下蘋果片干燥過程中無量綱水分比及干燥速率隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，自由水在氣介超聲作用下產(chǎn)生微流現(xiàn)象，這將有利于自由水的蒸發(fā)，減少擴(kuò)散邊界層，COMSOL仿真微流結(jié)果與實(shí)驗(yàn)保持相對(duì)一致。氣介超聲處理后的蘋果片組織孔隙變大，這將有利于蘋果內(nèi)部的水分?jǐn)U散。與自然干燥后的蘋果片相比，氣介超聲干燥后的蘋果片組織細(xì)胞變形和結(jié)構(gòu)坍塌更少，這表明氣介超聲能更好地保持蘋果片的微觀結(jié)構(gòu)，改善其質(zhì)構(gòu)性質(zhì)；與未加超聲作用的蘋果片相比，氣介超聲處理后的蘋果片含水率顯著降低，且超聲功率越大，含水率下降越明顯；同時(shí)氣介超聲可在短時(shí)間內(nèi)迅速提升蘋果片的干燥速率，選用的超聲功率越大，蘋果片的干燥速率提升越快。上述結(jié)果為更好地解釋氣介超聲的干燥機(jī)制提供了參考。