劉云宏，吳建業(yè)，劉建學(xué)，羅 磊，種翠娟，苗 帥，羅登林

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥梨的研究

劉云宏，吳建業(yè)，劉建學(xué)，羅 磊，種翠娟，苗 帥，羅登林

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

超聲波的空化效應(yīng)及機(jī)械效應(yīng)可有效增強(qiáng)脫水過(guò)程中物料內(nèi)外的質(zhì)量傳遞速率，因此超聲波技術(shù)可用于果蔬滲透脫水的強(qiáng)化，而超聲滲透脫水又常作為其他干燥方式的預(yù)處理以提高脫水速率。本研究以碭山梨梨片為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行超聲波滲透脫水預(yù)處理聯(lián)合熱風(fēng)干燥研究。結(jié)果表明：提高超聲功率及滲透液糖度可顯著增加失重率；與直接熱風(fēng)干燥相比，單一的滲透脫水預(yù)處理延長(zhǎng)總脫水時(shí)間約30～60 min；而超聲滲透脫水預(yù)處理可縮短熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間40～120 min，并提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)11%～56%。因此，在熱風(fēng)干燥前進(jìn)行超聲滲透脫水預(yù)處理，可有效縮短總工藝時(shí)間，提高干燥效率。

超聲波；滲透脫水；熱風(fēng)干燥；梨

熱風(fēng)干燥作為一種傳統(tǒng)古老的干燥方法，被廣泛應(yīng)用于谷物、水果、蔬菜、海產(chǎn)品等各類物料的干燥，具有投資低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)干制品的一種重要干燥方式。然而，常規(guī)熱風(fēng)干燥具有耗能、費(fèi)時(shí)、產(chǎn)品品質(zhì)不高的缺點(diǎn)[1-2]，有必要采取有效措施來(lái)提高干燥速率，減少熱風(fēng)干燥時(shí)間。其中，將超聲波技術(shù)用于干燥強(qiáng)化得到了干燥界越來(lái)越多的關(guān)注。

超聲波作為一種物理能量形式，可使介質(zhì)粒子振動(dòng)，這種振動(dòng)在亞微觀范圍內(nèi)引起超聲空化現(xiàn)象，從而使固液體系中的液體介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)增加，固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，使微孔擴(kuò)散得以強(qiáng)化[3-5]。超聲波技術(shù)常被用于強(qiáng)化滲透脫水過(guò)程[6-7]。國(guó)外的有關(guān)文獻(xiàn)表明，超聲滲透脫水可顯著提高果蔬的脫水速度與品質(zhì)[8-12]。國(guó)內(nèi)也有不少有關(guān)超聲滲透脫水的研究，結(jié)果顯示超聲技術(shù)可同時(shí)提高果蔬滲透脫水的脫水效率和營(yíng)養(yǎng)保持率，且效果顯著[13-15]。

然而超聲滲透脫水只能除去部分水分，得到的產(chǎn)品仍具有較高含水率，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保藏。為獲得干燥產(chǎn)品，超聲滲透脫水可作為預(yù)處理除去物料中部分水分，再利用冷凍干燥、熱風(fēng)干燥或微波干燥等方法除去剩余水分[16-18]。張文華[19]進(jìn)行了滲透脫水-熱風(fēng)干燥胡蘿卜的研究，結(jié)果表明滲透脫水預(yù)處理可節(jié)省干燥時(shí)間約1/3，干制品色澤、外形及復(fù)水性也優(yōu)于未滲透物料。Fernandes等[17]進(jìn)行了超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的研究，結(jié)果表明超聲滲透脫水預(yù)處理可有效縮短干燥時(shí)間及提高水分?jǐn)U散系數(shù)。但以上研究并未對(duì)超聲滲透脫水各參數(shù)對(duì)不同干燥條件下熱風(fēng)干燥特性的影響展開深入探討，也未有梨的超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥研究報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以梨為干燥對(duì)象，進(jìn)行超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的實(shí)驗(yàn)研究，探討超聲功率及滲透液糖度對(duì)失重率及后續(xù)熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響，并與直接熱風(fēng)干燥進(jìn)行比較，驗(yàn)證超聲滲透脫水提高梨的熱風(fēng)干燥效率的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮碭山梨：購(gòu)于河南省洛陽(yáng)市上海市場(chǎng)，并在2～4 ℃條件下貯藏。在每次實(shí)驗(yàn)中，將梨削皮并利用切片機(jī)切成直徑40 mm、厚度6 mm的薄片，隨即進(jìn)行超聲滲透脫水預(yù)處理及熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)。

1.2 儀器與設(shè)備

GZ-II熱風(fēng)干燥機(jī) 廣東實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備廠；KQ5200DE數(shù)顯超聲清洗儀 昆山超聲儀器有限公司；BT2235電子天平 常州宏衡電子儀器廠；WYT-4折射儀 上海精密儀器儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將蔗糖置入盛有蒸餾水的燒杯，配制成不同糖度的滲透溶液。將50 g梨片放入燒杯后，立即將燒杯放入超聲波清洗儀進(jìn)行超聲滲透脫水實(shí)驗(yàn)，超聲頻率22 kHz，滲透脫水溫度設(shè)定為40 ℃。為防止稀釋效應(yīng)，料液比設(shè)定為1∶8。改變滲透時(shí)間（20、40、60、80、100 min）、超聲功率（0、40、80、120、160 W）及滲透液糖度（20、40、60oBrix），觀察各參數(shù)對(duì)失重率的影響。超聲滲透脫水后進(jìn)行熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)（溫度40、50、60、70 ℃；風(fēng)速0.5、1.0、1.5 m/s），研究超聲滲透脫水對(duì)熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間、總脫水時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響。

1.3.2 失重率測(cè)定

超聲滲透脫水處理后物料的失重率采用式（1）計(jì)算。

式中：m0為物料初始質(zhì)量/g；m1為超聲滲透脫水后物料質(zhì)量/g。

1.3.3 含水率測(cè)定

熱風(fēng)干燥過(guò)程定期稱取物料質(zhì)量m，當(dāng)最終含水率達(dá)到0.06 g/g干基時(shí)干燥停止。熱風(fēng)干燥過(guò)程中物料含水率（M）采用式（2）計(jì)算。

式中：m為熱風(fēng)干燥過(guò)程中不同時(shí)間下的物料質(zhì)量/g；md為絕干物質(zhì)的質(zhì)量/g。

1.3.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)測(cè)定

由于梨片厚度遠(yuǎn)小于其直徑，可將物料看成大的平板，濕份擴(kuò)散特性為一維擴(kuò)散。同時(shí)，和物料含水率相比，其平衡含水率Me很小，在水分比（MR）計(jì)算中可忽略不計(jì)，即Me≈0。因此，根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析，MR采用式（3）[20]計(jì)算。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；L為物料厚度的一半/m；t為時(shí)間/s；Me、M0與Mt分別為平衡含水率、初始含水率及t時(shí)刻的含水率。

將ln（MR）和t的對(duì)應(yīng)關(guān)系作圖，獲得斜率F后利用式（4）計(jì)算Deff。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲滲透時(shí)間對(duì)失重率的影響

在滲透液糖度60oBrix、滲透液溫度40 ℃、超聲波功率120 W的條件下，進(jìn)行超聲滲透脫水實(shí)驗(yàn)，考察超聲滲透時(shí)間對(duì)失重率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲滲透時(shí)間對(duì)失重率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic-assisted osmosis time on weight reduction ratio

由圖1可知，隨著滲透時(shí)間的增加，失重率快速上升，但在60 min后，失重率上升速率變緩，差異顯著性趨于不明顯。由于物料內(nèi)外存在滲透壓差，會(huì)促使水分由物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散并進(jìn)入到滲透液中，而超聲的空化作用則強(qiáng)化這一傳質(zhì)過(guò)程。但當(dāng)超聲滲透脫水進(jìn)行到中后期，物料水分含量下降，滲透壓差明顯降低，最終導(dǎo)致傳質(zhì)推動(dòng)力下降及脫水速率變緩。另外，超聲處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致果蔬組織結(jié)構(gòu)的明顯破壞[8]。因此，確定后續(xù)研究的超聲滲透脫水時(shí)間為60 min。

2.2 超聲功率對(duì)失重率的影響

在滲透液糖度60oBrix、滲透溫度40 ℃、超聲滲透脫水時(shí)間60 min的條件下，調(diào)節(jié)不同超聲波輸出功率進(jìn)行超聲滲透脫水實(shí)驗(yàn)，失重率結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲功率對(duì)失重率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on weight reduction ratio

由圖2可知，超聲波的功率對(duì)超聲滲透脫水的影響較大，具有明顯的差異顯著性。隨著超聲波功率的增大，梨的失重率上升，這是由于超聲波功率增大，產(chǎn)生的空化效應(yīng)增強(qiáng)，滲透脫水的傳質(zhì)速率加快[21]，從而導(dǎo)致失重率增加。另外，超聲振蕩會(huì)在物料內(nèi)部形成微毛細(xì)管，同樣有利于水分?jǐn)U散[17]。但當(dāng)超聲波功率超過(guò)120 W后，差異顯著性不明顯，表明其空化效應(yīng)對(duì)水分傳遞的影響逐漸穩(wěn)定，從而導(dǎo)致對(duì)失重率的影響變?nèi)酢?/p>

2.3 滲透液糖度對(duì)失重率的影響

在滲透溫度40 ℃、超聲波功率120 W、滲透時(shí)間60 min的條件下，進(jìn)行不同滲透液糖度下的超聲滲透脫水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 滲透液糖度對(duì)失重率的影響Fig.3 Effect of osmotic solution concentration on weight reduction ratio

由圖3可知，梨的失重率隨著滲透液糖度的增加而增加，且表現(xiàn)出明顯的差異顯著性。這是因?yàn)闈B透脫水是物料中的水分向溶液中擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率主要取決于其傳質(zhì)推動(dòng)力即滲透壓差。滲透壓差越大，其水分?jǐn)U散速率就越快，致使失重率隨著滲透液糖度的增加而上升。但是滲透液糖度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致溶液的黏度升高，外部傳質(zhì)阻力增大，將影響擴(kuò)散速率[12]。故滲透液糖度以不超過(guò)60oBrix為宜。

超聲功率及滲透液糖度對(duì)失重率影響的方差分析如表1所示，可知兩因素均對(duì)失重率的影響顯著。通過(guò)二次多項(xiàng)式逐步回歸，可得以超聲功率（X1）及滲透液糖度（X2）表示的失重率（Y）模型方程如下：

表1 超聲功率及滲透液糖度對(duì)失重率的方差分析Table 1 Analysis of variance for the effects of ultrasonic power and osmotic concentration on weight reduction ratio

2.4 超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的干燥特性

在滲透溫度40 ℃、滲透時(shí)間60 min的條件下，改變超聲波功率為0、40、80、120、160 W和滲透液糖度20、40、60oBrix，進(jìn)行超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥研究，其中熱風(fēng)干燥參數(shù)設(shè)定為溫度60 ℃、風(fēng)速1 m/s。熱風(fēng)干燥的干燥曲線及干燥速率曲線如圖4～5所示，熱風(fēng)干燥時(shí)間、總脫水時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表2所示，其中總脫水時(shí)間等于超聲滲透脫水時(shí)間和熱風(fēng)干燥時(shí)間的總和。

圖4 不同超聲功率下超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.4 Drying curves and drying rate curves of hot air drying after osmotic dehydration with different ultrasonic powers

圖5 不同滲透液糖度下超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.5 Drying curves and drying rate curves of hot air drying after osmotic dehydration with different osmotic concentrations

由圖4～5可知，超聲功率增加，超聲滲透脫水預(yù)處理后的熱風(fēng)干燥時(shí)間明顯縮短。超聲功率越高，超聲滲透脫水處理后梨的含水率越低，在熱風(fēng)干燥中需要除去的水分越少，越有利于熱風(fēng)干燥的進(jìn)行。同時(shí)，超聲波會(huì)在物料內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)管及增大毛細(xì)孔隙尺寸[17]，也有利于物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散。嚴(yán)曉輝等[22]的電鏡掃描結(jié)果顯示超聲處理對(duì)荔枝的組織結(jié)構(gòu)有明顯影響，因此超聲預(yù)處理有利于干燥速率的提高，超聲功率越大，影響越顯著。另一方面，滲透液糖度增加，可提高超聲滲透脫水預(yù)處理的失重率并降低后續(xù)熱風(fēng)干燥需要脫除水分的質(zhì)量，同樣可縮短熱風(fēng)干燥時(shí)間。

表2 不同超聲功率及滲透液糖度下超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 2 Influences of ultrasonic power and osmotic concentration on drying time and effective moisture diffusivity coefficient of hot air drying

在熱風(fēng)溫度60 ℃及風(fēng)速1 m/s的條件下，未經(jīng)超聲滲透脫水預(yù)處理直接熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間為340 min（圖4）。由表2可知，和直接熱風(fēng)干燥相比，沒有超聲波強(qiáng)化的滲透脫水，會(huì)導(dǎo)致總脫水時(shí)間延長(zhǎng)30～60 min。雖然滲透脫水可除去物料中部分水分，但失重率較低，有較多的水分需要在熱風(fēng)干燥中除去。另外，滲透脫水容易在物料表面形成一層薄膜，從而加大熱風(fēng)干燥的傳質(zhì)阻力并降低熱風(fēng)干燥速率[18]。而利用超聲來(lái)強(qiáng)化滲透脫水，除了明顯提高失重率及增強(qiáng)微細(xì)管外，超聲的空化作用會(huì)阻止表面致密膜的形成，有利于后續(xù)熱風(fēng)干燥的脫水過(guò)程。Soria等[23]認(rèn)為超聲的微擾效應(yīng)會(huì)降低物料表面水分吸附力并產(chǎn)生微孔道，有利于水分的遷徙與脫除。因此，在超聲滲透脫水中采用較高的超聲功率及滲透液糖度，可縮短總脫水時(shí)間及提高Deff值。

超聲功率及滲透液糖度對(duì)后續(xù)熱風(fēng)干燥時(shí)間t1及其有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff,1影響的方差分析見表3，可知兩因素對(duì)后續(xù)熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)均為顯著性影響。

表3 超聲功率及滲透液糖度對(duì)后續(xù)熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)的方差分析Table 3 Analysis of variance for the effects of ultrasonic power and osmotic concentration on drying time( ) and diffusivity cofficient( eff,1) of hot air drying

在滲透液糖度60oBrix、滲透溫度40 ℃及超聲波功率120 W的條件下，對(duì)梨進(jìn)行60 min的超聲滲透脫水預(yù)處理后，進(jìn)行不同溫度及風(fēng)速的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)，干燥曲線及干燥速率曲線如圖6～7所示。同時(shí)進(jìn)行了直接熱風(fēng)干燥的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥及熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)如表4所示。干燥溫度和風(fēng)速的提高，會(huì)提高質(zhì)熱傳遞速率，從而縮短干燥時(shí)間，但溫度對(duì)干燥時(shí)間及速率的影響比風(fēng)速更為顯著，這與直接熱風(fēng)干燥的影響規(guī)律一致。和直接熱風(fēng)干燥相比，在熱風(fēng)干燥前進(jìn)行超聲滲透脫水預(yù)處理，可縮短干燥時(shí)間40～120 min，并提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)11%～56%，這與文獻(xiàn)[17]的結(jié)果相似。通過(guò)t檢驗(yàn)對(duì)直接熱風(fēng)干燥和超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的脫水時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)進(jìn)行雙樣本差異顯著性分析，P時(shí)間=0.037 6，PDeff=0.037 6，均小于0.05，可得超聲滲透脫水預(yù)處理可有效縮短總脫水時(shí)間和提高熱風(fēng)干燥的水分?jǐn)U散性能。

圖6 超聲滲透脫水預(yù)處理后不同溫度下熱風(fēng)干燥的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.6 Drying curves and drying rate curves of hot air drying at different temperatures with ultrasonic-assisted osmosis pretreatment

圖7 超聲滲透脫水預(yù)處理后不同風(fēng)速下熱風(fēng)的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.7 Drying curves and drying rate curves of hot-air drying at different air velocities with ultrasonic-assisted pretreatment

表4 有無(wú)超聲滲透脫水的熱風(fēng)干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 4 Dehydration time and eff values of hot-air drying with or without ultrasonic-assisted osmosis pretreatment

干燥溫度及風(fēng)速對(duì)干燥時(shí)間t及有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff影響的方差分析如表5所示，可知無(wú)論是超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥還是熱風(fēng)干燥，干燥溫度及風(fēng)速對(duì)t及Deff的影響均極顯著。通過(guò)二次多項(xiàng)式逐步回歸，可得以干燥溫度（X3）及風(fēng)速（X4）表示的超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間t2及其有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff,2、直接熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間t3及其有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff,3模型方程如下：

表5 超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥及熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間及有效水分?jǐn)U散系數(shù)的方差分析Table 5 Analysis of variance for the effects of drying temperature and air velocity on , eff,2 of ultrasonic-assisted osmosis followed by hot air drying and , eff,3 of direct hot air drying

3 結(jié) 論

3.1 和常規(guī)滲透脫水相比，采用超聲滲透脫水技術(shù)可增強(qiáng)梨片內(nèi)部和表面的傳質(zhì)速率，從而提高脫水速率。提高超聲波功率及滲透液糖度，均有利于提高滲透速率，且超聲功率和滲透液糖度對(duì)失重率的影響顯著。

3.2 將超聲滲透脫水預(yù)處理及熱風(fēng)干燥工藝結(jié)合起來(lái)用于梨的干燥。和直接熱風(fēng)干燥相比，單純的滲透脫水預(yù)處理會(huì)增加總脫水時(shí)間。而超聲滲透脫水預(yù)處理不但脫除了部分水分，而且改善了物料內(nèi)部水分?jǐn)U散狀態(tài)，有利于后續(xù)熱風(fēng)干燥的進(jìn)行。在高含水率物料如梨的熱風(fēng)干燥工藝前引入超聲滲透脫水預(yù)處理，可有效縮短熱風(fēng)干燥時(shí)間及總工藝時(shí)間，提高熱風(fēng)干燥過(guò)程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，最終提高脫水效率。

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Ultrasonic-Assisted Osmotics Dehydration and Subsequent Hot-Air Drying of Pear Slices

LIU Yun-hong, WU Jian-ye, LIU Jian-xue, LUO Lei, CHONG Cui-juan, MIAO Shuai, LUO Deng-lin
(College of Food and Bio-engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

In this study, fresh-cut slices of ‘Dangshan’ pear were pretreated by means of ultrasonic-assisted osmotic dehydration before hot-air drying for the purpose of obtaining enhanced dehydration rate. The influences of operational parameters including ultrasonic power and osmosis concentration on weight reduction ratio, drying time and effective moisture diffusivity were examined. The results showed that increasing the ultrasonic power and sugar concentration in the osmotic solution signifi cantly improved weight reduction ratio. Compared with direct hot air drying, the total dehydration time for pear slices pretreated by osmotic dehydration without ultrasonic treatment was prolonged by 30?60 min, but shortened by 40?120 min for those pretreated by ultrasonic-assisted osmotic dehydration, simultaneously with an increase in effective moisture diffusivity coefficient of 11%?56%. Therefore, it is concluded that the use of ultrasonic-assisted osmotic dehydration as a pretreatment procedure before hot air drying can signifi cantly shorten the total process time and subsequently improve the drying effi ciency.

ultrasonic; osmotic dehydration; hot-air drying; pear

TS255.36

A

1002-6630（2014）03-0023-06

10.7506/spkx1002-6630-201403005

2013-09-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11004049；31171723）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12A210005）

劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥及貯藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn