超声在食品干燥领域中的研究进展

罗登林 苏孟开 杨日福 刘云宏 任广跃 袁云霞

(河南科技大学食品与生物工程学院1，洛阳 471023) (河南省食品原料工程技术研究中心2，洛阳 471023) (华南理工大学物理与光电学院3，广州 510640)

超声干燥技术方面的研究最早始于20世纪50年代，由Boucher最先开展可闻声和超声干燥实验，后来由俄罗斯科学家进一步发展[1，2]。早期研究均显示超声在加速干燥过程的同时不会导致温度的显著升高。由于超声干燥所具有的独特优势，被认为适合用于热敏性物料的干燥，但存在能效低和噪声高等突出问题。近年来，随着高功率超声设备研究的深入和相关产品的开发，超声干燥又重新引起了人们的重视[3-7]。超声干燥主要是利用超声产生的空化作用、机械作用和热效应等影响物料表面和内部结构，增大细胞孔隙，减小水分迁移阻力，进而提高干燥过程中的传热传质效率，缩短干燥时间。然而，由于目前还没有适合大规模工业化的超声干燥设备，因此这种技术仍然停留在实验室研究阶段。本文主要介绍了近年来超声技术在食品干燥前预处理、渗透脱水、热风干燥和其它方面的应用，以期推动超声干燥理论与技术的发展，为其工业化应用提供参考。

1 超声预处理干燥技术

1.1 对热风干燥的影响

在超声预处理对物料热风干燥的影响方面，许多研究显示经超声预处理后的原料，在后续的热风干燥过程中干燥时间明显缩短，干燥能耗也显著降低，并且产品的性状也有明显的改变。Fernandes等[8]采用频率为25 kHz、功率为4 870 W/min 的超声对浸入水中的切片香蕉预处理20 min后，再进行热风干燥。发现经超声预处理后的切片香蕉在执风干燥过程中水分扩散系数提高了14.4%，总干燥时间缩短，干燥效率也得到了明显提高，这可能归因于超声预处理能促进物料细胞中微通道的形成。Jambrak等[9]探讨了探头式超声预处理对蘑菇、孢子甘蓝和花椰菜热风干燥的影响，与烫漂或未经任何预处理方法相比，超声预处理均能明显提高3种物料的干燥速率，缩短干燥时间，节约能耗和减轻产品品质的劣变。虽然采用超声预处理结合热风干燥所得的产品复水性不如冷冻干燥，但明显优于单一热风干燥。

Tao等[10]认为超声预处理能够有效缩短桑叶的热风干燥时间，且不会造成产品品质的下降。经超声预处理的产品在质量性状、色泽、抗氧化活性和生物活性物质含量方面与未经超声预处理的相似。桑叶经20 kHz、130 W(功率密度63.0 W/L)的探头式超声预处理10 min后再热风干燥(60 ℃)，其干燥总时间缩短了17.2%，干燥能耗降低了17.3%，干燥有效扩散系数和传质系数均随超声能量密度和作用时间的增加而增大，超声预处理对后续热风干燥的内部传质阻力比外部传质阻力影响更大。新鲜菠萝片干燥前若采用25 kHz、4 780 W/m2的超声辐照20 min后，再进行热风干燥，则能使干燥过程水分扩散系数提高45.1%，干燥时间缩短31%[11]。

Ricce等[12]探讨了槽式超声(41 W/L、25 kHz)预处理对热风干燥胡萝卜片(4 mm)脱水性和复水性的影响，发现胡萝卜片的热风干燥效果取决于超声预处理时间的长短，超声预处理时间主要影响物料微观结构的变化，如细胞破裂、微通道形成和细胞肿胀。当超声预处理时间过短(30 min)时，则不利于后续热风干燥，这可能是由于过短的超声预处理时间不足以使细胞中新生成微通道，反而会导致细胞由于吸水膨胀而妨碍干燥过程；但当采用较长的超声预处理时(60 min)，热风干燥的效果会明显得到改善。他认为这归因于超声预处理导致物料毛细孔的疏通和微通道的形成，增大了样品的孔隙率。在复水性方面，较长时间的超声波预处理能增加复水速率，然而可能会引起受破坏细胞持水力的下降，降低了平衡水分的含量。当热风干燥温度太高时，超声波预处理的效果并不明显，因为这时样品的温度效应比超声的作用效应更强。总的来说，超声波预处理能缩短食品的干燥时间和降低其干燥温度。

半干型荔枝干经超声(40 kHz、354 W、32.6 min)预处理后再进行热风干燥，则能缩短干燥时间38.9%[13]。经超声预处理后的荔枝外果皮中产生了明显的显微通道，且与超声作用时间长短存在密切的关系。当超声处理40 min后，荔枝果皮产生的显微通道达最大值(30 μm)。苹果片经超声预处理后，发现在后续热风干燥过程中其内部水分子扩散速率明显提高，其干燥速率提高了67.2%[14]。超声声强越大，越有利于水分的扩散，而超声的热效应可以忽略。当超声声强达1.5 W/cm2时，水分扩散系数约为无超声时的2倍。超声对样品中心区域的水分迁移速率影响较大，而对靠近表面区域的影响相对较小，这主要归因于超声的机械作用和空化作用对苹果内部组织结构产生的影响。

1.2 对真空冷冻干燥的影响

真空冷冻干燥虽然所得产品的品质高，但干燥时间长，能耗高，导致生产成本昂贵，通常适用于附加值高的产品。为了降低其生产成本，提高生产效率，一些学者也开始探索物料冷冻干燥前采用超声预处理方法的可行性。周頔等[15]探讨了超声预处理对苹果片真空冷冻干燥的影响，发现超声功率影响最显著，各因素的影响主次顺序为：超声功率>超声水温>超声处理时间。经超声预处理的冻干苹果片在VC保留、外观色泽和口感疏松等方面更具优势。超声预处理和真空冻结均会导致冻干苹果片的组织孔隙增大和结构变松散，这有利于冻干过程中水分的移去。在对细胞微观结构影响方面，超声导致细胞间形成狭长形孔隙，而真空冻干则使细胞组织形成偏圆形的多孔结构；当二者叠加作用时，细胞的组织结构则呈现杂乱排列，变形较严重。为了改善香菇干燥的品质和缩短干燥时间，段续等[16]考察了超声预处理对香菇冷冻干燥的影响，发现超声预处理(超声功率300 W，处理时间10 min，脉冲频率5s:3s)可提高香菇冷冻干燥速率，使其干燥时间缩短29.4%，产品的复水能力提高29%。当超声功率低于250 W时，高的超声功率处理更有助于缩短冷冻干燥时间，但对产品复水性的影响不明显。香菇冷冻干燥时间和产品复水性还受超声作用时间的影响，但前者与超声脉冲频率之间不存在显著的相关性。影响香菇冷冻干燥效率的因素大小顺序为：超声功率>超声处理时间>超声脉冲频率。

2 超声强化渗透脱水技术

渗透脱水是食品领域中一种常见的加工方法，渗透脱水具有低温和低能耗的优势，同时还有助于保持果蔬中营养成分。果蔬类若先经渗透脱水后再干燥，则其干燥时间通常可缩短10%～15%，而干燥的有效荷载可提高2～3倍，从而生产效率显著提高并节约了能耗。但研究发现，对于组织结构紧密的新鲜物料，采用渗透脱水技术则速率非常缓慢(需几周至几个月)。因此，这制约了渗透脱水技术的应用范围。

超声的空化效应能破坏物料组织的细胞结构，诱导其表面产生新的微观通道，使其结构变得疏松和多孔。空化效应还会引起固液界面产生剧烈的湍流，加快固液体系中液体介质的质点运动速度和物料组织的脱气。超声的声冲击流可使固液界面的扩散边界层变薄，强化了悬浮固-液间边界层的扩散。超声的这些作用均有助于提高渗透过程中的传质效率和脱水速率，从而改善干燥产品的组织结构、复水性和风味[17]。另外，超声预处理会造成部分糖的损失，这样可以获得低糖的干燥产品。

张平安等[18]进行了超声强化龙眼渗透脱水的实验研究，分析了渗透脱水时间、超声处理时间和超声声强对物料脱水率、失重率、固形物得率、细胞膜透性等的影响。研究发现超声能够明显强化龙眼渗透脱水过程，提高其脱水率，所建立的超声强化龙眼渗透脱水的经验动力学方程理论值与实验值有较好的一致性。Santacatalina等[19]的研究结果进一步证实，在苹果块的渗透脱水方面，与传统搅拌渗透脱水技术相比，采用超声强化渗透脱水技术能使苹果片的脱水率和干物质含量分别增加14%～27%和11%～23%。在西兰花渗透脱水方面，超声的应用能加速西兰花内部组织水分的移除，降低其水分流动性，渗透脱水的时间由传统方法的2 h缩短至30 min[20]。另外，超声预处理时间也有重要的影响，合适的处理时间(<40 min)有助于西兰花的渗透脱水，时间太长反而不利。

孙宝芝等[21]认为，超声的空化作用能显著强化苹果和梨的渗透脱水过程中的质量传递，这主要归因于声空化产生的冲击流和微扰动效应。另外在超声强化过程中，高的溶液浓度会导致物料脱水率和干物质含量增加，而较厚的物料会使膜内的传质阻力增大，脱水速率下降。而另有研究则显示，浓度梯度可引起苹果块中可溶性固形物(可溶性糖类、矿物质、有机酸等)由物料内部转移至渗透液中，导致干物质含量下降[22]。与经微波预处理法相比，超声预处理法更能加快苹果块的干燥速率，所得产品较柔软且水分活度较高。而从节能方面而言，超声预处理更具有优势。董红星等[23]研究发现，高的超声空化强度有助于提高马铃薯渗透脱水的速率和固形物得率，而过长的超声作用时间则会引起固形物得率下降。对于胡萝卜的渗透脱水，固形物得率则随超声作用时间的延长而增加，采用高浓度的渗透液能提高胡萝卜的失水率和固形物得率。这说明对于具有不同结构物料的参透脱水，超声的作用效果有所差异，这还需更多的实验来进一步验证。对于含水量高的原料，采用超声预处理后再热风干燥效果更好。而对于含水量较低的原料，采用渗透预处理再热风干燥可能更合适。超声预处理虽然在改善干燥速度方面优势明显，但由于延长了干燥工艺，造成操作复杂性的增加。另外，在渗透预处理过程中，高强度和长时间的超声作用会造成对原料内部结构的破坏，导致其汁液流失，质构失去脆性和硬度，固形物含量减少等不得影响，对于某些原料，还会导致其吸水率升高而降低干燥效果[24]。

在超声强化物料渗透脱水过程中，声强、频率、作用时间和渗透液浓度是均需要考虑的因素。声强和溶液黏稠度决定着声空化的强烈程度，溶液黏稠度往往与渗透液浓度呈正比，即声强越大，渗透液浓度越高，空化泡破裂时产生的声空化强度越高，而高的超声频率会降低空化泡产生的数量和强度。超声作用时间太长则会对新鲜果蔬的内部结构产生严重破坏作用，导致质构变软，内部物质流失，产品品质下降。超声加快渗透脱水的质量传递过程可归结为三个方面：超声空化作用使固液界面的边界层变薄，减小了边界层传质阻力； 超声作用减小了固液界面处溶液浓度与主体溶液浓度的梯度差，减小了外部传质阻力；超声的微扰效应强化了固液传质过程的限速步骤，即微孔扩散过程。

3 超声耦合热风干燥技术

为了扩大超声在干燥领域中的应用范围和提高其干燥效果，近年来一些学者设计并开发出了气介式超声换能器。该设备在一定程度上克服了传统超声换能器在声阻抗上无法与空气相匹配，使得超声能量借助空气传播成为可能，目前已有将其直接与传统的热风干燥技术相耦合的研究报道[25-29]。

研究者们设计了在换能器与待干燥物料间两种不同的超声能量传递模式，即非接触空气超声耦合式干燥技术和接触式超声耦合式干燥技术(图1)[30]。非接触空气耦合式超声干燥系统是指超声振动器不与物料直接接触，包括热风设备和超声设备，其中超声设备由控制单元、超声发生器单元和超声换能器单元所组成，换能器可置于干燥室内或室外。接触式超声干燥是指超声振动器与物料直接接触，可分为不带静压和带有静压的，带静压是为了保证超声换能器与被干燥物料间保持充分接触。由于绝大多数食品原料，尤其是水果和蔬菜，在脱水过程中会发生明显的收缩从而导致其体积显著减小。因此，将样品压在振动盘下以确保具有恒定的超声功率输出。在低的空气流速和低的温度下，空气耦合式超声干燥能缩短干燥时间20%～30%和提高产品质量，而接触式静压超声干燥则仅能明显提高干燥产品的质量。

注:CV为对流干燥(空气流动方向)；Sp为样品；Td为换能器；Vc为真空；SP-静压。
图1 不同的超声强化热风干燥系统

Magalhães等[31]比较了4种干燥技术包括热风干燥、超声协同热风干燥、超声预处理-超声协同热风干燥苹果的差异，发现与传统单一热风干燥相比，超声预处理-热风干燥和超声耦合热风干燥均能提高水分的有效扩散系数，强化外部传质效率和缩短干燥时间，提高有效扩散系数、外部传质效率和缩短干燥时间最高程度分别可达93%、30%和58%。另有研究认为，超声强化热风干燥的效果很大程度上取决于原料的物理性状，对于结构致密的百里香叶，超声对干燥过程中内部传质阻力的强化作用明显低于外部传质阻力，只有当风速低于一定值(<3 m/s)时超声才有强化效果[32]。Clemente等[33]的研究结论相似，考察风速和超声功率对热风干燥葡萄籽效果的影响，发现当风速超过1.5 m/s时物料外部传质阻力可以忽略不计，并根据Peleg模型和扩散模型分别计算出传质系数k值和水分扩散系数De值，结果显示附加超声前后k值和De值均无明显变化，可能因为葡萄籽具有致密的结构和坚硬的质地。Siucińska等[34]认为超声能够强化热风干燥传质，尤其是物料的表面层，但不会破坏其细胞结构和引起物料温度的升高。Ortuo等[35]表明在干燥温度40 ℃、风速1 m/s、声强154.3 dB的条件下，超声能使热风干燥橙皮平均水分扩散系数提高50%，缩短干燥时间45%以上，实现节能30%左右，橙皮的表面被压缩，表皮下白层形成更多的孔隙，有利于水分的移去，这是由于超声的“海绵”效应，即循环的压缩和膨胀作用。与在相比，在较低温度下(30 ℃)比高温(70 ℃)时超声强化水分扩散和传质作用以及对物料细胞组织的影响更明显。

4 超声与其他干燥技术的耦合

4.1 超声耦合喷雾干燥技术

现有的喷雾干燥方法通常存在喷出的液滴大小不均一、喷口阻塞和物料不均匀等现象，同时干燥过程离不开高温空气的参与，这就有可能造成物料的失活和变性等。另外，高温喷雾干燥过程需要大量的水蒸气、压缩空气和水，造成极大的耗能，不利于集约型产业的发展。若将超声与现有喷雾干燥技术相结合，则有助于解决问题。利用超声产生的高频振动和空化作用，使黏稠的物料形成更加均匀、细小的液滴，使其在短时间内水分迅速蒸发，提高干燥效率和保护物料中的活性成分。与传统喷雾干燥技术相比，超声喷雾干燥技术具有干燥速度快、温度低、最终含水率低等显著优点，能有效解决黏稠物料的喷口阻塞问题，在较短时间内得到质量好且稳定的产品。王安如等[36]发明了一种超声喷雾干燥装置，包括干燥室、超声喷嘴和真空泵(图2)，超声喷嘴安装在干燥室的顶部，并与外部物料管道连接，超声喷嘴连接有超声控制器，用来调节超声的频率以控制超声喷嘴的喷量。

注：1.干燥室；2.超声波喷嘴；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. 空气冷却室；10. 挡料隔板；11.物料收集室；12.观察窗。
图2 超声波喷雾干燥装置示意图

4.2 超声耦合冷冻干燥技术

Schössler等[37]将接触式超声与冷冻干燥技术结合起来用于蔬菜的干燥，其设备如图3所示。超声系统包括2个超声杆通过钛螺纹螺栓固定在不锈钢环上，孔径为500 μm的不锈钢筛网被焊接在环上。超声处理器由带有振幅可调节的超声发生器驱动，激光干涉法应用于监测超声杆和筛网框接触点的激发振幅。研究发现，超声可以改变水果冷冻干燥过程中的升华速率，采用间歇性超声作用方式(10%)可将冷冻干燥时间缩短11.5%，同时获得高品质的冷冻干椒，产品在体积密度、颜色、抗坏血酸含量和再水合特性等方面均有所改善。

注：1. 超声处理器UIP1000；2. 超声BS2d34；3. 无振动法兰；4.丙烯酸盖子；5. 超声干燥筛；6. 温度传感器；7. 干燥室；8. 架子；9. 冷冻干燥器；10. 水出口；11. 真空调节器；12. 真空管；13. 电平指示器。
图3 接触式超声协助冷冻干燥实验室系统

4.3 超声耦合热泵干燥技术

Bantle等[38]开发了一种超声协助热泵干燥的系统(图4)。该系统采用两种冷凝器来保持干燥空气不会过热，第一个冷凝器将多余的能量从压缩机转移到区域供热系统，第二个冷凝器将干燥空气再加热到所需的干燥温度。具体过程为：首先在蒸发器中冷却来自隧道的干燥空气，通过冷凝器将水冷却到一定温度后除去；空气在第二冷凝器中再次加热到初始温度，恢复热量。由于水在蒸发器中被除去，所以在通过冷凝器后空气的相对湿度较低，可以在隧道入口处再次利用。在超声(25 W/kg)作用下，物料的干燥时间减少了43%(20 ℃)。在干燥初始阶段，超声能明显加快干燥速率，而在干燥结束阶段时超声的影响变弱。尽管附加超声时物料的脱水速率更快，但干燥能耗增加了数倍。考虑到节能方面，附加的超声声强不超过2 W/kg，干燥时间能缩短50%以上。

4.4 超声耦合太阳能干燥技术

Kouchakzadeh等[39]设计了一种超声联合太阳能平板床干燥开心果的装置(图5)。该装置在平板床上安装有2个传感器和由2个螺栓固定的20 kHz 超声换能器。负载传感器位于平板的中间，与基底接触。超声换能器放置在角落的对面，由一个外延压电的换能单元片所组成。超声的引入(1 000 W)能使开心果的平均干燥效率由8.5%提高至28%。开心果采用传统自然晒干方法时干燥速率缓慢，可能还会产生黄曲霉毒素，若采用超声(20 kHz、17 W)辅助干燥后，其干燥时间能缩短到4 h。

图4 超声协助热泵干燥系统示意图

图5 超声联合太阳能水平床干燥开心果的设备示意图

5 超声干燥的作用机理

超声干燥技术主要利用超声改变物料表面和内部结构，减小水分迁移阻力，达到强化传热传质过程，提高干燥效率和产品品质的目的。目前虽然大量研究证实超声在干燥领域效果明显，但对其干燥机理还缺乏统一的认识，认为其机理主要来源于三个方面。

1)声波的压缩和膨胀效应。声波在介质中传播，一方面使介质质点在平衡位置附近来回振动，同时在介质中产生了压缩和膨胀过程，使介质具有了振动动能及形变位能，两部分之和就是由声扰动使介质得到的声能量，扰动的传播使声能量也跟着转移。因此声波的传播过程实质上就是声振动能量的传播过程。当物料处于超声场中时，由声波产生的周期性压缩和膨胀作用使得物料内部介质质点交替受到压缩和拉伸作用，减弱了水分与物料组分间的作用力，形成内部挤水渗流；另一方面，这种作用还有利于改变物料内部细胞间结构，形成新的微孔道，减弱了水分在物料中的迁移阻力，加快了物料内部水分向外的扩散速率。

2)超声的空化和机械效应。超声空化产生的高温(5 000 K)、高压(500 MPa)和强剪切力致使物料组分与水分子间的结合键断裂，减弱了对水分子的束缚力，由难去除的结合水变为自由水；超声空化产生的强大冲击波，形成水分子的湍流扩散，同时在靠近固体表面的地方产生微射流，使水分子与固体表面分子之间的结合键断裂，使固体表面活化；超声空化和机械作用改变了物料的孔隙结构，其内部变的蓬松多孔，减小了水分在物料中的迁移阻力，有利于水分子的溢出；超声产生的微扰效应减小了固-液传质边界层厚度和浓度梯度差，有利于传热传质。

3)超声的热效应。超声在传播过程中导致介质质点间产生内摩擦，致使介质温度升高，形成干燥过程中的内热源。在干燥过程中，超声的热效应通常被认为是次要的甚至可以忽略。

6 结论与展望

超声作为一种能负载高能量的声波，具有声波的传播特性和在液体介质中产生空化效应等特点。许多研究表明，超声在干燥前预处理、渗透脱水、热风干燥及其他干燥技术方面均显示出明显的强化作用。超声可以提高有效水分扩散系数和传质过程，从而明显缩短干燥时间，提高干燥效率，降低干燥能耗。另外，超声还能提高干燥产品的营养价值和品质，减少营养元素和活性物质如酚类、黄酮类和皂苷类物质的损失，抑制产品内部微观结构的塌陷和孔隙度的收缩，减少产品的开裂，改善其质构性状，提高其复水性等。虽然近年来有关超声干燥方面的研究取得了许多成果，但仍然在存在一些难题需要突破。

1)超声与干燥介质和干燥物料之间的声阻抗匹配问题。干燥介质和干燥物料的声学性质(溶液、热风等)是随着干燥过程的进行而发生显著改变的，如超声渗透脱水过程中溶液的声阻抗值随时间延长而减小，而超声预处理过程溶液的声阻抗值变化则刚好相反，这些都会影响到超声能量发射器与干燥介质或传播介质之间的声阻抗匹配效率问题。另外，干燥物料的声学性质也会随干燥时间的延长而发生明显变化，如超声耦合热风干燥过程中物料的声阻抗值是逐渐减小的，这会导致干燥介质(热风)与物料之间的声阻抗匹配效率下降。因此，如何设计出具有宽频率跟踪和自动调节声阻抗匹配的超声器件是今后的方向之一。

2)超声换能器在运行过程中的散热问题。如果超声匹配一旦失衡，会导致换能器的温度迅速升高，如果不及时散热，将会严重影响到设备工作的稳定性甚至导致设备烧毁，要解决这个问题，一方面需要开发一个高效的冷却系统，另一方面需要开发一种具有大压电常数、低介电损耗和小的温度系数等特征的高性能压电陶瓷材料，以减少热量的产生。

3)超声干燥设备的工业化放大问题。由于超声能量随传播距离的延长衰减较快，特别是在一些低密度介质中，如空气、甲醇、乙醇等，如果介质受热这种现象更加突出。因此，超声能量发射器距离物料越近干燥效果越好，但这不利于实际工业的放大。实际上，超声能量是靠介质传递的，密度高的介质能量负载大，衰减弱，传播效果好。空气由于密度小，传播过程中超声能量损失相对就大。因此，如何提高干燥介质的密度和超声能量的有效传播距离是今后在超声干燥工业放大中值得注意的问题。

4)超声干燥的机理问题。由于干燥介质和物料不同，超声产生的主导作用效应也存在显著的差异。如在液体介质中(如水或溶液)，通常认为是超声的空化作用起主导，而在气体介质中(如空气)，则将超声的强化作用主要归结于其产生的高频机械波动效应。然而，目前鲜有研究证实超声在物料内部产生了哪些效应，以及哪种效应占主导作用。而对于一些具有高黏稠性的半固态物料的干燥，如中药浸膏和凝胶类，在超声的作用效应及机理方面鲜有报道。