低频超声介入对玛咖切片冷风干燥特性及品质的影响

（三门峡职业技术学院食品园林学院，河南三门峡472000）

玛咖（Lepidium meyenii Walp.）因其具有独特的抗疲劳、延缓衰老等功效，常被当做滋补强身的健康食品[1]。将新鲜玛咖脱水是扩大生产规模，克服产出季节性、地域性限制，方便贮运以及进一步深加工的重要产业上游操作单元。

干燥是果蔬脱水的重要手段[2]。微波真空干燥是一种快速的脱水技术，其能将玛咖脱水时间控制在6 h，但微波加热的不均匀性，导致玛咖切片品质降低严重[3]；真空远红外能够解决玛咖干燥过程中干燥的不均匀性问题，但红外穿透厚度有限，热量仍主要以热辐射的方式传递，导致其干燥时间较长，干制品质量较低[4]。此外，自然晾晒、热风干燥、真空干燥等均被报道应用于玛咖脱水中，但整体效果不佳，难以应用于大规模、高品质玛咖切片干制品工业生产中[5]。

热泵干燥是近年来新兴发展的一种节能、高效、保质干燥技术，其利用热泵除湿原理，控制干燥环境湿度，循环利用系统中干燥残留热，对产品进行脱水操作[6]。使用制冷机替换热泵干燥系统中的加热单元，从而产生低温、低湿度的干燥介质，有利于降低干燥过程中物料的受热强度，保护干制品热敏性成分的降解。这种干燥方式被称为热泵式冷风干燥，简称冷风干燥。任广跃等采用冷风干燥香椿芽，得到叶绿素含量高的产品[7]；李亚丽等利用冷风干燥对双孢菇进行脱水处理很好的避免了双孢菇褐变的发生[6]。王宏慧等将冷风干燥应用于玛咖切片脱水过程中，结果发现，虽然冷风干燥能够得到的产品质量较高，但整个干燥过程需耗时20 h左右，干燥效率较低[8]。因此有必要将高效传质强化技术应用于冷风干燥过程中，从而能够在较低干燥温度下，提高冷风干燥效率。

频率在20 kHz～100 kHz的超声被称作为低频超声，其作用与果蔬中能够产生机械效应、空化效应以及微热效应[8]。其中机械效应能够使物料不断伸缩，产生克服水表面附着力的作用力，促进水分迁移，同时增加水分迁移孔道数量；空化效应能够在物料局部产生瞬时的高温高压，提升水分流动性；微热效应能够产生一定的热量，被物料吸收，强化物料热传递[9]。基于超声特性，将其作用于干燥过程中能够有效的强化、协同干燥过程的进行，提升干燥效率[10]。目前已见关于超声辅助热风[11]、真空冷冻干燥[12]的报道，但鲜有低频超声介入玛咖冷风干燥过程的研究。

本文以玛咖为原料，研究低频超声介入冷风干燥后对其干燥特性及品质特征的影响，并采用Weibull分布函数及回归分析法分别构建低频超声介入下玛咖冷风干燥动力学及品质降解动力学模型。

1 材料与方法

1.1 原料

玛咖：云南省丽江市玉龙雪山当地产区。烘箱法测得所购玛咖干基含水率为3.75 g/g。

1.2 仪器

ZCHZ-08型低频超声-冷风干燥机热泵式冷风系统：诸城市浩正机械科技有限公司；DR28K/40K-03型超声发生系统：深圳德瑞超声波设备有限公司；两部分示意图如图1所示，冷风干燥系统温度为10℃～40℃，进口风速为0～3 m/s；超声频率为28 kHz，超声功率能够在0～300 W之间连续调节，振动盘尺寸为：厚度6 mm，直径110 mm；CR-10plus型色差仪：日本柯尼卡美能达公司；HH-2型水浴锅：上海力辰邦西仪器科技有限公司；Agilent 1260高效液相色谱：安捷伦科技有限公司。

图1 低频超声-冷风干燥机示意图Fig.1 Schematic diagram of low frequency ultrasonic cold air dryer

1.3 干燥试验

参考张明玉等[3]的方法对玛咖进行切片，并将其至于4℃冰箱备用。将备用玛咖切片500 g至于低频超声振动圆盘中进行如下干燥试验：1）设置超声功率为150 W，研究不同冷风温度（20、30、40℃）对玛咖干燥过程的影响；2）设置冷风温度为30℃，研究不同超声功率（50、150、250W）对玛咖干燥过程的影响。试验每1 h取出样品对其进行指标测定。每组试验重复3次，取平均值进行指标分析。试验过程中干燥箱内风速维持在1 m/s，物料干基含水率低于0.052时干燥结束[8]。

以玛咖切片直接冷风干燥为对照组，参考文献[8]及前期预试验，玛咖直接冷风干燥条件设置为：进口风速1 m/s和干燥温度30℃。

1.4 干基含水率

玛咖切片低频超声-冷风干燥过程中的干基含水率测定采用式（1）计算：

式中：Mt为物料在干燥任意t时刻的干基含水率，g/g；mt、md分别为干燥任意t时刻物料和绝干物料的质量，g。

1.5 有效水分扩散系数

参考任亚敏等[4]的方法，玛咖切片低频超声-冷风干燥过程中的水分比采用公式（2）计算：

式中：M0、Mt分别为玛咖切片初始干基含水率和在任意干燥t时刻干基含水率，g/g；MR为水分比。

参考王宏慧等[8]的处理方法物料干燥过程中的水分比可以表达为式（3）：

式中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；L为物料厚度的一半，m；t为时间，s；M0为初始干基含水率，g/g；Mt为在任意干燥t时刻的干基含水率，g/g；n为组数，本试验干燥时间足够长，可将其视为0，因此，试验中物料水分比又可以简化为式（4）：

对式（4）两边同时取自然对数，转化得到有效水分扩散系数的计算公式（5）：

由式（5）可发现，以lnMR为纵坐标，以t为横坐标作图，得到直线的斜率，即可计算出物料干燥过程中的有效水分扩散系数。

1.6 Weibull分布函数拟合

参考张明玉等[3]的方法，Weibull分布函数表达式如式（6）所示：

式中：MR为水分比；α为尺度参数，h；β为形状参数；t为干燥时间，h。

Weibull分布函数的拟合精度验证采用决定系数R2和离差平方和χ2来表示。R2值越大，χ2值越小表示拟合越好：

式中：N为试验点数；MRi为实测水分比；MRpi为预测水分比。

1.7 总色差

采用便携式色差仪测定玛咖切片干制品L、a、b值，并采用式（9）计算产品总色差[13]：

其中，ΔE为总色差，ΔL、Δa以及 Δb为计算公式如式（10）～（12）所示：

式中：Lt、at、bt分别为物料在干燥任意 t时刻的 L、a、b 值，L0、a0、b0分别为物料初始 L，a，b 值。

1.8 复水比

将5 g玛咖干制品浸泡于30℃水中，并置于30℃恒温水浴锅中20 min，捞出沥干后称取其质量m，则所得产品复水比为：

1.9 玛咖酰胺含量

玛咖酰胺含量的测定参考李爱民等的方法[5]，但色谱条件略有改动。本试验色谱条件为：Di-amonsilC18柱（5 μm×4.6 mm×150 mm），45℃柱温，以乙腈（A）0.1%甲酸水溶液（B）为流动相；0.4 mL/min流速，20 μL进样体积，检测波长为208 nm。

1.10 数据处理

采用Origin pro 8.5对试验数据进行线性/非线性拟合，并分析其拟合度；使用DPS 7.05对试验数据进行方差分析，试验中显著水平定为P＜0.05。每组试验重复3次，取其平均值进行各指标统计分析。

2 结果与分析

2.1 低频超声介入下玛咖冷风干燥特性

不同干燥条件下玛咖含水率随干燥时间变化曲线如图2所示。

由图2可知，不同超声功率条件下玛咖干燥耗时最长为17 h，最短为12 h，相对于冷风直接干燥，低频超声的介入能够降低玛咖干燥耗时，且随着超声功率的增加玛咖干燥耗时不断降低，这表明低频超声的介入能够强化玛咖冷风干燥，提升干燥速率。低频超声作用于果蔬中一方面造成样品不断的压缩和膨胀，其作用力促使物料内部水分克服表面张力，水分流动性增强；另一方面，超声的机械效应和空化效应增加了物料内部孔道数量，水分扩散路径随之增多，干燥过程得到强化。试验条件下，低频超声的介入将玛咖冷风干燥时间降低了5.56%～33.33%。

图2 不同超声功率和干燥温度下玛咖低频超声-冷风干燥曲线Fig.2 Low frequency ultrasonic-cold air drying curve at different ultrasonic power and drying temperature

当超声功率固定在150 W时，干燥温度为20、30、40℃时的干燥时间分别为20、15、11 h，干燥耗时最小值比最大值降低了45%，相对于不同超声功率下玛咖冷风干燥耗时最低值比最大值降低29.41%，表明干燥温度对玛咖冷风干燥耗时的影响较为显著（P＜0.05）。

有效水分扩散系数能够反映水分在物料内部扩散的快慢。玛咖干燥过程中ln MR随时间变化关系图见图3，经计算可得不同干燥条件下玛咖冷风干燥有效水分扩散系数，其结果如图4所示。

玛咖冷风干燥有效水分扩散系数在5.15×10-10m2/s～9.52×10-10m2/s之间，该试验结果同王宏慧等[8]研究结果一致。由图4可知，随着超声介入功率的增加，玛咖有效水分扩散系数不断增大，且大功率超声有着比小功率超声更显著的提升效果；改变干燥温度，有效水分扩散系数的最大值比改变超声有效水分扩散的最大值要大。不同超声功率和不同干燥温度下玛咖冷风干燥有效水分扩散系数的最大值比最小值分别增加了50.51%和84.75%。以上分析说明，超声介入有强化玛咖冷风干燥行为的效果，且高超声功率强化效果较好；相对于超声功率，干燥温度对玛咖干燥特性的影响较为显著（P＜0.05）。

图3 玛咖干燥过程中ln MR随时间变化关系图Fig.3 The relationship between ln MR and drying time in the drying process of maca

图4 不同干燥条件下玛咖冷风干燥有效水分扩散系数Fig.4 The effective moisture diffusion coefficient of the cold-air drying of maca under different drying conditions

Weibull分布函数不仅能够描述果蔬干燥动力学，还能够探究干燥机理[14]。表1为采用Weibull分布函数对不同干燥条件下玛咖冷风干燥过程中水分比同时间变化数据的拟合结果。

表1 Weibull分布函数拟合参数、精度指标Table 1 Fitting parameters，fitting precision indexes of Weibull distribution function

不同干燥条件下Weibull分布函数拟合R2（＞0.9）和离差平方和χ2（处于10-5数量级）均得到较优结果，表现出对玛咖冷风干燥过程较好的拟合。玛咖冷风干燥尺度函数α表征着干燥开始时的水分脱出速率，其值约等于脱出物料63%水分时所消耗的时长。由表1可知，低频超声的介入提升了物料初始干燥时的干燥速率，且高功率超声强化效果明显。Weibull分布函数形状参数β可以用来表征物料干燥过程中水分迁移的机制，由表1可以看出，玛咖冷风干燥过程中其形状参数均小于1，表明整个干燥过程处于降速干燥阶段，水分的迁移关键影响因素为内部水分的外迁阻力[14]。

2.2 低频超声介入对玛咖冷风干燥产品品质的影响

为探究低频超声的介入对玛咖冷风干燥产品特征的影响，本文选取总色差、复水比及玛咖特征功能性成分玛咖酰胺为品质指标对玛咖冷风干燥进行品质评价，其结果如图5所示。褐变反应是果蔬干燥过程中颜色衰退的主要原因[7]。

图5 不同干燥条件下玛咖制品总色差、复水比和玛咖酰胺测定结果Fig.5 Determination results of total color difference，rehydration ratio and macaramide of dried maca product under different drying conditions

由图5A可以看出，超声介入会引起玛咖干燥过程中发生更多的褐变反应，且随着超声功率的增加褐变现象更为严重。这可能因为超声介入产生了热效应，使物料温度提升，褐变反应加剧。同样的，干燥温度增加，物料温度随之增加，导致干制品颜色变差。改变超声功率色差最大值比最小值增加了44.73%，而改变干燥温度色差最大值比最小值增加了198.25%，由此能够发现，干燥温度相对于超声功率对产品色差的影响更显著。

产品复水比能够反应产品内在多孔结构崩塌程度[15]。由图5B能够发现超声的介入能够帮助玛咖产生更多的孔隙通道，这是由超声作用于果蔬中的机械效应和空化效应协同产生的结果[10]。玛咖冷风干燥温度升高会造成产品局部温度积累，水分迁移速率不均匀，由水分扩散造成的剪切应力也不均匀，导致产品内部多孔结构破坏，产品复水性能下降。

玛咖酰胺是玛咖内关键性的功能性活性成分。图5C表明超声介入能够提升玛咖酰胺含量。此外，随着超声功率和干燥温度的提升玛咖酰胺的含量在不断提升。关于玛咖中玛咖酰胺的产生机理，目前尚未有明确的定论，但一般认为玛咖酰胺是玛咖次生代谢产物[16]。就本研究结果而言，当超声介入到玛咖冷风干燥过程中或者提升干燥温度时，由于超声热效应产生的热量及温度提升产生的热量促进玛咖干燥过程中玛咖酰胺合成相关酶群的活性，从而使玛咖干制品中玛咖酰胺含量增加。但研究发现，当干燥温度过高时会使与玛咖酰胺合成相关的酶失活，且合成玛咖酰胺的前体热不稳定性物质会分解，最终导致产品内玛咖酰胺含量降低。本试验结果及玛咖酰胺随干燥条件的变化趋势同杨芳等[16]以及李爱民等[5]的研究结论相似。

3 结论

试验研究超声介入下玛咖冷风干燥特性和品质特征。结果发现，超声介入能够提升干燥效率和产品品质，且随着超声功率的增加干燥耗时不断降低，产品复水比和玛咖酰胺含量不断增加，但产品颜色降解变得更为严重。超声的介入并没有改变玛咖冷风干燥机理：整个干燥行为能够用Weibull分布函数很好的描述，干燥过程主要受内部水分扩散限制，干燥主要受干燥温度的影响。

本研究为低频超声场应用于玛咖高效率、高品质干燥中提供了理论依据，但研究发现不同的干燥参数影响着不同的干燥效率及品质指标，仍然需要进一步深入研究，以为工业大规模应用提供简易操作、综合效果均优的优化干燥条件。此外，玛咖酰胺含量变化是一个复杂的过程，有必要在进一步的研究中动态监控干燥过程中玛咖酰胺的含量变化，以此为依据优化干燥条件，或指导复杂联合干燥工艺的进行。