超聲功率對(duì)鐵棍山藥超聲強(qiáng)化熱泵干燥水分遷移的影響

薛 揚(yáng)，劉云宏，2*，劉恩寵，孫 雪

（1 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 河南洛陽 471000 2 食品綠色加工與質(zhì)量安全控制河南省國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471000）

鐵棍山藥（Dioscorea opposita）屬于薯蕷科薯蕷屬植物[1]，含有大量碳水化合物、多糖、維生素及多種微量元素、必需氨基酸、多酚、尿囊素等物質(zhì)，有很高的營養(yǎng)、保健價(jià)值，具有補(bǔ)脾養(yǎng)胃、生津益肺、補(bǔ)腎澀精的功效[2]。新鮮的鐵棍山藥含水率較高，若儲(chǔ)藏不當(dāng)容易導(dǎo)致塊莖發(fā)芽、腐爛、褐變等一系列品質(zhì)劣變[3]。一般可對(duì)鐵棍山藥進(jìn)行干燥加工。干燥不僅降低鐵棍山藥的水分活度，延長其貯藏期和貨架期，而且干燥后的鐵棍山藥片為果蔬脆片，豐富了山藥制品種類，拓寬了市場(chǎng)銷量。

熱泵干燥（Heat pump drying，HPD）是一種將熱量從低位熱源轉(zhuǎn)移到高位熱源進(jìn)行干燥的現(xiàn)代干燥技術(shù)[4]，具有低能耗、高品質(zhì)[5]、污染少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域，如葡萄[6]、香菇[7]、辣椒[8]等果蔬的干燥過程中。HPD 是利用干燥介質(zhì)進(jìn)行外部加熱，對(duì)于內(nèi)部介質(zhì)熱傳遞阻力大的物料，容易產(chǎn)生脫水時(shí)間長、干燥速率不高等缺點(diǎn)。近年來，直觸超聲技術(shù)（Contact ultrasound，CU）在食品干燥領(lǐng)域備受青睞，它直接通過超聲輻射盤傳入物料內(nèi)部。CU 獨(dú)特的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)[9]，使物料的組織結(jié)構(gòu)變蓬松，微觀孔道數(shù)量增多，有效降低了物料內(nèi)部的傳質(zhì)阻力，促進(jìn)干燥過程中的水分?jǐn)U散，提高干燥速率，保證產(chǎn)品品質(zhì)[10]。

將HPD 和CU 兩種技術(shù)聯(lián)合的超聲強(qiáng)化熱泵干燥（Contact ultrasound enhanced heat pump drying，CU-HPD）應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥，理論上能夠強(qiáng)化HPD 過程中的傳質(zhì)進(jìn)程，促進(jìn)物料內(nèi)部水分?jǐn)U散，進(jìn)而提高干燥效率和提升產(chǎn)品品質(zhì)[11]。為了探明CU 對(duì)HPD 的傳質(zhì)強(qiáng)化效果，需要采取有效措施來探討CU 對(duì)HPD 中水分狀態(tài)和脫水過程的影響。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（Low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）是一種快速、準(zhǔn)確的水分檢測(cè)手段，通過檢測(cè)樣品中質(zhì)子的弛豫特性來反映樣品中水分的狀態(tài)及其變化規(guī)律[12]，該技術(shù)在食品的干燥、儲(chǔ)藏等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[13-14]。目前未見鐵棍山藥CU-HPD 水分變化的研究報(bào)道。

本文以鐵棍山藥為試驗(yàn)材料，進(jìn)行CU-HPD試驗(yàn)，通過掃描電鏡（Scanning electron morphology，SEM）圖片分析CU 功率對(duì)鐵棍山藥組織結(jié)構(gòu)的影響，利用LF-NMR 分析不同CU 功率下鐵棍山藥的水分遷移規(guī)律，并結(jié)合核磁共振成像技術(shù)（Magnetic resonance imaging，MRI）分析鐵棍山藥在CU-HPD 過程中的水分分布狀況，以期為CU-HPD 技術(shù)在果蔬干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)所用的鐵棍山藥購于洛陽市龍翔農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，其大小均勻、新鮮無損傷。

1.2 儀器與試劑

檸檬酸、L-抗壞血酸、D-異抗壞血酸鈉，以上試劑均為分析純級(jí)，天津德恩化學(xué)試劑有限公司。

超聲強(qiáng)化熱泵干燥裝置，由河南科技大學(xué)自制，具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)參見文獻(xiàn)[15]；NMI120-015V-1 型核磁共振分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；TM3030Plus 型掃描電子顯微鏡，日本日立高新技術(shù)公司；果蔬切片機(jī)，福瑞特多功能不銹鋼切片機(jī)，佛山市凌齊電器有限公司；恒佳DT 系列電子天平，常熟市嘉衡天平儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

前期研究證實(shí)了在超聲頻率為28 kHz 時(shí)[16]，本超聲系統(tǒng)的諧振匹配效果最好，因此，本研究中固定了超聲頻率為上述參數(shù)。由于超聲功率是探討超聲強(qiáng)化效應(yīng)最重要的參數(shù)，因此本研究針對(duì)不同超聲功率下的物料微觀孔道及水分遷移進(jìn)行探索。熱泵干燥溫度過低導(dǎo)致干燥速率過小，溫度過高則容易導(dǎo)致品質(zhì)劣變速率加快，因此，本研究設(shè)定了較為適中的熱泵干燥溫度（45 ℃）。本研究首先在干燥溫度為45 ℃的條件下對(duì)鐵棍山藥進(jìn)行HPD 試驗(yàn)。之后在單一HPD 的基礎(chǔ)上，分別施加20，40，60 W 共3 個(gè)超聲功率，進(jìn)行CU-HPD試驗(yàn)，探討不同超聲功率對(duì)鐵棍山藥干燥的強(qiáng)化效應(yīng)；結(jié)合SEM 照片分析超聲功率對(duì)鐵棍山藥孔隙率的影響；利用LF-NMR 研究不同CU 功率對(duì)鐵棍山藥水分變化的影響；通過MRI 技術(shù)分析鐵棍山藥CU-HPD 過程中水分分布狀態(tài)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 鐵棍山藥片干燥處理 新鮮鐵棍山藥的初始干基含水率采用105 ℃直接干燥法[17]測(cè)得，為（3.37±0.10）g/g。將預(yù)處理后的鐵棍山藥切成5 mm 厚的薄片，每組試驗(yàn)?。?0±5）g 樣品平鋪于超聲托盤上。打開超聲強(qiáng)化熱泵干燥設(shè)備，設(shè)置不同的CU 功率（20，40，60 W），進(jìn)行CU-HPD 試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中每隔30 min 進(jìn)行1 次稱重，直至連續(xù)2次物料所稱質(zhì)量不變時(shí)，干燥結(jié)束。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.4.2 干燥特性的計(jì)算

1.4.2.1 干基含水率（M）干基含水率（M）的計(jì)算公式為：

式中，M——物料的干基含水率，g/g；mt——t時(shí)刻物料的質(zhì)量，g；md——物料中絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4.2.2 干燥速率（DR）干燥速率（DR）的計(jì)算公式為：

式中，DR——干燥速率，g/（g·min）；Mt1——t1時(shí)刻物料的干基含水率，g/g；Mt2——t2時(shí)刻物料的干基含水率，g/g

1.4.2.3 水分比（MR）水分比（MR）的計(jì)算公式為：

式中，MR——物料的水分比；Mt——物料在t時(shí)刻的干基含水率，g/g；M0——物料的初始干基含水率，g/g；Me——物料的平衡干基含水率，g/g。

1.4.2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）本文將鐵棍山藥片的水分?jǐn)U散視為一維擴(kuò)散。根據(jù)菲克擴(kuò)散定律計(jì)算不同CU 功率下物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)[18]。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）可用下列公式計(jì)算求得。

式中：Deff——有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L——物料的厚度，m；t——干燥時(shí)間，s。

將上式簡化，等式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得：

由上式可得-lnMR 與t呈線性關(guān)系，其斜率為K。

可根據(jù)上式計(jì)算Deff值。

1.4.3 掃描電鏡圖片分析和孔隙率的計(jì)算 利用SEM 設(shè)備得到放大倍數(shù)為150 倍的SEM 圖片，觀察不同CU 功率下CU-HPD 對(duì)鐵棍山藥微觀結(jié)構(gòu)的影響。使用圖像分析軟件對(duì)SEM 圖片進(jìn)行處理，采用二值化的方法將圖片中的孔道進(jìn)行標(biāo)記，利用測(cè)量功能對(duì)孔道面積和孔徑進(jìn)行測(cè)量，孔道面積用像素表示，孔徑用孔隙多項(xiàng)直徑平均值表示[19]。

孔隙率的計(jì)算公式為：

式中，ε——孔隙率；A0——總孔隙面積；A——圖像面積。

1.4.4 低場(chǎng)核磁共振分析 將待測(cè)樣品放入低場(chǎng)核磁共振分析儀中，利用多脈沖回波序列（Carrpurcell-meiboom-gill，CPMG）采集樣品的橫向弛豫時(shí)間（Transverse relaxation time，T2），利用反演軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到鐵棍山藥樣品的T2反演譜。其主要參數(shù)設(shè)置如下：偏移頻率為307 229.85 Hz，90°脈沖時(shí)間為11.52 μs，180°脈沖時(shí)間為26.00 μs，采樣點(diǎn)數(shù)為479 992，前置放大倍數(shù)為1，采樣等待時(shí)間為2 000 ms，回波時(shí)間為0.3 ms，累加次數(shù)為16，回波個(gè)數(shù)為15 000。

1.4.5 核磁共振成像分析 將待測(cè)樣品置于低場(chǎng)核磁共振分析儀中，使用多層自旋回波序列（Multi-slice spin echo，MSE）采集待測(cè)樣品的質(zhì)子密度圖像。具體參數(shù)設(shè)置如下：采樣層數(shù)為5，層厚為2 mm，層間隙為0.4 mm，重復(fù)采樣等待時(shí)間為500 ms，累加次數(shù)為2，回波時(shí)間為20 ms。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin、Image-Pro Plus 等軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性

不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性曲線如圖1所示。從圖1a 可知，施加CU 能夠減少干燥時(shí)間，且隨著超聲功率的逐漸增大，干燥時(shí)間顯著減少。在未施加超聲（0 W）時(shí)，干燥過程所需的時(shí)間為630 min，平均干燥速率為0.0053 g/（g·min）。當(dāng)分別施加功率為20，40，60 W 的超聲波時(shí)，干燥所需的時(shí)間分別為600，450，390 min，對(duì)應(yīng)減少的幅度為4.8%，28.6%，38.1%；平均干燥速率分別為0.0056，0.0075，0.0086 g/（g·min），分別提高了5.7%，41.5%，62.3%。由此可見，相較于單一的干燥條件，施加CU 可以縮短干燥時(shí)間，提升干燥速率。這是由于在CU-HPD 干燥過程中，將鐵棍山藥切片直接放在超聲輻射板上，超聲能直接傳入物料內(nèi)部[11]。在超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)作用下，鐵棍山藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，降低了物料內(nèi)部對(duì)水分的束縛力，從而有效降低內(nèi)部擴(kuò)散阻力，提高水分遷移能力，使干燥速率得以提升。

從圖1b 可知，鐵棍山藥的干燥過程呈現(xiàn)為降速干燥過程，這說明鐵棍山藥干燥的快、慢受內(nèi)部擴(kuò)散阻力影響，屬于內(nèi)部擴(kuò)散控制，這與圖1a 干燥曲線反映的結(jié)果相一致，即物料在降速干燥階段，流動(dòng)性較弱的不易流動(dòng)水存在于細(xì)胞質(zhì)中，相對(duì)較難被去除，就導(dǎo)致干燥速率逐漸變得緩慢[20]。與單一的HPD 相比，CU-HPD 可將干燥時(shí)間縮短4.8%～38.1%，平均干燥速率提高5.7%～62.3%，表明CU 與HPD 結(jié)合，能有效縮短干燥時(shí)間，提高干燥速率。

圖1 不同CU 功率下鐵棍山藥CU-HPD 的干燥特性曲線Fig.1 Drying characteristic curves of Dioscorea opposita by CU-HPD under different ultrasonic power

2.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

有效水分?jǐn)U散系數(shù)是表征物料在一定條件下脫水能力的參數(shù)[21]，鐵棍山藥在CU-HPD 下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff為0.887×10-10～1.393×10-10m2/s，其具體變化規(guī)律如表1所示。從表1 可知，鐵棍山藥的Deff值隨著超聲功率的提高而變大。在超聲功率為0 W 時(shí)Deff值為0.887×10-10m2/s，將超聲功率提升至20，40，60 W 時(shí)，Deff分別為0.970×10-10，1.267×10-10，1.393×10-10m2/s，與未施加超聲時(shí)相比Deff值分別增大9.4%，42.8%，57.0%，這說明CU 能夠加快鐵棍山藥內(nèi)部的水分?jǐn)U散，且超聲功率越高，鐵棍山藥內(nèi)部水分?jǐn)U散的越快。這是由于CU 作用于鐵棍山藥時(shí)，能使其內(nèi)部致密的組織結(jié)構(gòu)變得疏松，并產(chǎn)生細(xì)小的微觀孔道，減小組織結(jié)構(gòu)對(duì)水分的束縛力，降低鐵棍山藥干燥時(shí)的傳質(zhì)阻力，有利于水分的去除。

表1 不同CU 功率下鐵棍山藥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 1 Effective moisture diffusion coefficients of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.3 鐵棍山藥的微觀結(jié)構(gòu)

不同CU 功率下鐵棍山藥的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可見，在未施加超聲（0 W）時(shí)，鐵棍山藥切面的表面比較皺縮，組織結(jié)構(gòu)較為致密，微孔道的數(shù)目不多，且孔徑較小。這種結(jié)構(gòu)會(huì)使鐵棍山藥的傳質(zhì)阻力變大，從而不利于物料內(nèi)部的水分遷移。施加超聲能夠發(fā)現(xiàn)山藥切面的部分組織結(jié)構(gòu)變得疏松，微孔道的數(shù)目增多，孔徑變大。CU 功率越大，鐵棍山藥切面的組織結(jié)構(gòu)越疏松，微孔道越多，孔徑越大。這與萬芳新等[22]在胡蘿卜超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥的研究結(jié)果類似，這說明施加CU能夠強(qiáng)化干燥過程中鐵棍山藥的內(nèi)部傳質(zhì)，促進(jìn)物料內(nèi)部水分?jǐn)U散，且隨著CU 功率的提高，這種強(qiáng)化效應(yīng)越明顯，越有利于物料內(nèi)部的水分?jǐn)U散。

圖2 不同CU 功率下鐵棍山藥的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of Dioscorea opposite under different ultrasonic power

利用圖像處理軟件Image-Pro Plus 計(jì)算不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑。不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑如表2所示。未施加超聲（0 W）時(shí)，孔隙率為0.083，平均孔徑為9.331 μm。當(dāng)分別施加20，40，60 W 超聲時(shí)，鐵棍山藥相應(yīng)的孔隙率分別為0.176，0.281 和0.381，平均孔徑分別為10.907，13.563 μm 和17.702 μm。超聲功率越大，鐵棍山藥的孔隙率及平均孔徑越大，與圖2 反映的一致。Shi 等[19]在香蕉片的超聲-遠(yuǎn)紅外輻射干燥中發(fā)現(xiàn)超聲功率增大，物料的孔隙率也逐漸變大。

表2 不同CU 功率下鐵棍山藥的孔隙率和平均孔徑Table 2 Porosity and average pore size of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.4 鐵棍山藥CU-HPD 的水分遷移規(guī)律

根據(jù)LF-NMR 原理，質(zhì)子的不同化學(xué)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其不同的T2弛豫時(shí)間以及不同的自由度。T2弛豫時(shí)間可以間接反映水的相性特征[23]，因此，利用物料的T2弛豫時(shí)間曲線可以表征干燥過程中物料內(nèi)部的水分狀態(tài)變化和水分遷移規(guī)律。弛豫時(shí)間越短，水與物料的結(jié)合越緊密，自由度越低，流動(dòng)性就越差。反之，弛豫時(shí)間越長，自由度越高，水分流動(dòng)性就越好。被不同T2峰覆蓋的信號(hào)面積可以代表不同狀態(tài)水分的相對(duì)含量[24]。圖3 是新鮮鐵棍山藥片的T2弛豫時(shí)間曲線，該曲線上有3個(gè)峰T21、T22和T23，由此可以將鐵棍山藥T2弛豫時(shí)間曲線劃分為3 個(gè)區(qū)域：0.01～10 ms、10～100 ms和100～10 000 ms，其對(duì)應(yīng)的峰面積分別為A21、A22、A23，它們分別代表結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水。結(jié)合水通過氫鍵與大分子物質(zhì)緊密結(jié)合[25]，不易流動(dòng)水存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中[26]，自由水則存在于細(xì)胞間隙以及流動(dòng)性較高的纖維組織之間[13]。根據(jù)T2弛豫時(shí)間曲線，新鮮鐵棍山藥核的磁共振信號(hào)中A23明顯高于A22和A21，說明新鮮鐵棍山藥的水分主要是自由水，而且遠(yuǎn)多于不易流動(dòng)水和結(jié)合水的含量。

圖3 新鮮鐵棍山藥的T2 弛豫時(shí)間曲線Fig.3 Transverse relaxation time curve of fresh Dioscorea opposita

圖4 是不同超聲功率下CU-HPD 過程中鐵棍山藥的T2弛豫時(shí)間曲線。由圖可知，新鮮的鐵棍山藥核磁共振信號(hào)幅值最大，說明新鮮的鐵棍山藥水分含量最高。隨著干燥的進(jìn)行，整個(gè)橫向弛豫時(shí)間曲線的峰有一定程度的左移，峰面積不斷減小。其中結(jié)合水的弛豫時(shí)間和A21基本不變；不易流動(dòng)水的弛豫時(shí)間逐漸變短，A22則是先增高后降低；自由水的弛豫時(shí)間變短，A23一直降低，直至為0。這說明在干燥過程中，鐵棍山藥內(nèi)部的結(jié)合水含量非常穩(wěn)定，不易流動(dòng)水的含量先增大再減小，自由水的含量則是不斷減少，直至完全去除。即干燥過程對(duì)物料中結(jié)合水的影響比對(duì)自由水的影響要小得多[27]。

由圖4a～4d 可知，施加CU 之后，A23下降速度明顯加快，且超聲功率越高，A23下降速度越快。在A23減小的過程中A22先緩慢增大，然后逐漸下降。A21則幾乎不變。這表明在鐵棍山藥CU-HPD 過程中，鐵棍山藥內(nèi)部的自由水含量一直在減少，直至完全去除；不易流動(dòng)水含量先緩慢增大，后逐漸減小，干燥結(jié)束時(shí)物料中仍存在部分不易流動(dòng)水；結(jié)合水含量則在干燥過程中幾乎不變。

圖4 不同CU 功率下鐵棍山藥的T2 弛豫時(shí)間曲線Fig.4 Transverse relaxation time curves of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

2.5 鐵棍山藥CU-HPD 的水分狀態(tài)變化

T2弛豫時(shí)間曲線的變化與水分狀態(tài)的變化密切相關(guān)。不同超聲功率對(duì)水分變化有不同程度的作用。在干燥溫度45 ℃時(shí)，不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 的水分狀態(tài)變化曲線如圖5所示。超聲功率為0 W 時(shí)，A23在540 min 完全消失，施加CU 之后，A23完全消失的時(shí)間隨著CU 功率的提高而逐漸縮短至480～300 min；在A23下降的過程中，A22先增大后減小，但在干燥結(jié)束時(shí)并未完全消失。提高超聲功率，A22達(dá)到峰值的時(shí)間由180 min 縮短到120～90 min，且CU 功率越大A22達(dá)到峰值的時(shí)間越短；A21則是幾乎不變。這說明鐵棍山藥在CU-HPD 過程中自由水含量一直減小，施加超聲對(duì)提高自由水的流動(dòng)性、促進(jìn)自由水的脫除具有十分明顯的作用，且提高CU 功率會(huì)顯著縮短自由水被完全去除的時(shí)間。不易流動(dòng)水含量先增大后減小，隨著CU 功率的提高，不易流動(dòng)水達(dá)到峰值的時(shí)間越來越短，這說明鐵棍山藥在干燥過程中內(nèi)部水分存在相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，干燥中后期不易流動(dòng)水逐漸去除，而在干燥過程結(jié)束時(shí)，物料中仍有部分不易流動(dòng)水存在。結(jié)合水的含量在CU-HPD 過程中幾乎不變，表明由于這部分水分的結(jié)合力強(qiáng)，在干燥過程中難以除去，施加CU 對(duì)物料內(nèi)部的結(jié)合水基本上沒有產(chǎn)生作用。以上結(jié)果表明，在鐵棍山藥CU-HPD 過程中，CU 能降低內(nèi)部組織對(duì)不易流動(dòng)水的束縛力和提高自由水的流動(dòng)性，從而促進(jìn)內(nèi)部水分遷移和去除[20]。

圖5 不同CU 功率下不同狀態(tài)水的峰面積Fig.5 Peak area of moisture in different states under different ultrasonic power

2.6 鐵棍山藥CU-HPD 的MRI 圖像分析

干燥溫度45 ℃時(shí)，不同超聲功率下鐵棍山藥CU-HPD 過程中質(zhì)子密度圖像如圖6所示，在圖像中信號(hào)越強(qiáng)，表明質(zhì)子密度越高，即物料的含水量越高；信號(hào)越弱，質(zhì)子密度越低，物料的含水量越低[20]。從圖6 可以看出，新鮮鐵棍山藥的含水量很高，隨著干燥的進(jìn)行，物料中的水分不斷被去除，質(zhì)子密度從外到內(nèi)不斷降低，說明水分從外到內(nèi)逐漸流失，物料內(nèi)水分含量不斷降低。這和李定金等[28]的研究結(jié)果一致。在干燥后期，物料內(nèi)部質(zhì)子密度變化較慢，說明鐵棍山藥內(nèi)部水分由于擴(kuò)散阻力的作用，比表面水分更難去除。干燥結(jié)束時(shí)，圖像與背景色非常接近，說明此時(shí)物料的水分含量極低。比較不同超聲功率下質(zhì)子密度圖的變化，發(fā)現(xiàn)在0 W 時(shí)質(zhì)子密度下降比較慢，隨著超聲功率的增加，相對(duì)質(zhì)子密度下降較快。這一現(xiàn)象表明，在鐵棍山藥CU-HPD 過程中CU 對(duì)物料水分遷移有顯著的影響，CU 功率越高其對(duì)物料內(nèi)部水分遷移的強(qiáng)化效應(yīng)就越明顯，物料中水分去除的就越快。

圖6 不同CU 功率下鐵棍山藥CU-HPD 過程中質(zhì)子密度圖像Fig.6 Proton density image during CU-HPD of Dioscorea opposita under different ultrasonic power

3 結(jié)論

CU 在鐵棍山藥HPD 中的應(yīng)用，有助于促進(jìn)物料內(nèi)部水分遷移，能夠減少干燥時(shí)間，提高干燥速率。和單一的HPD 相比，CU 功率在20～60 W 范圍內(nèi)，CU-HPD 的干燥時(shí)間減少了4.8%～38.1%，干燥速率提高了5.7%～62.3%，Deff值增大了9.4%～57.0%。結(jié)合SEM 圖片，施加CU 能夠使鐵棍山藥內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變疏松，隨著CU 功率的提高，微孔道數(shù)量增加，孔徑變大，孔隙率從0.083 增大到0.381。

LF-NMR 分析表明，鐵棍山藥內(nèi)部存在3 種狀態(tài)水：自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水。水分狀態(tài)分析表明，鐵棍山藥在CU-HPD 中，物料內(nèi)部水分存在相互轉(zhuǎn)化。自由水的含量不斷降低，直至完全去除；不易流動(dòng)水的含量在干燥過程中先緩慢增高后逐漸降低，在干燥結(jié)束時(shí)仍存在少量不易流動(dòng)水；結(jié)合水的含量幾乎不變。提高CU 功率，物料內(nèi)部水分遷移速率變快，促進(jìn)內(nèi)部水分的去除。MRI 圖像顯示，在CU-HPD 過程中，物料水分從外到內(nèi)逐漸流失，且CU 功率越高，對(duì)鐵棍山藥內(nèi)部水分向外擴(kuò)散的促進(jìn)作用越顯著，越有利于水分的去除。

綜上所述，在鐵棍山藥HPD 過程中施加CU進(jìn)行傳質(zhì)強(qiáng)化，有利于提高干燥速率，且CU 功率越高，對(duì)物料內(nèi)部水分狀態(tài)的影響越顯著，越有利于水分去除。