果蔬微波干燥与低频超声波协同干燥应用研究进展

吕豪，韩清华，吕为乔，*，万丽娜

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.中国农业机械化科学研究院，北京100083）

干燥是农产品加工的重要手段，干燥后农产品有利于农产品储藏的同时还可以减少运输成本。我国的果蔬产量居世界首位，在国际贸易中占有最大的份额，其中脱水果蔬占到我国果蔬出口贸易总额的三分之一左右[1]。果蔬脱水可以降低物料中细菌、霉菌等活性，从而能在环境温度下长时间保存。合理的干燥手段能最大程度地保留果蔬的营养价值、良好的色泽和口感，从而实现产地农产品的深加工。与此同时，干燥去除了新鲜果蔬的大部分质量，这样可以减少果蔬的储藏和运输成本[2]。当前果蔬干燥方式仍以传统热风为主，产品简称烘干果蔬。然而，传统热风干燥存在干燥时间长、能耗高、传热传质效率低等问题[3-4]。因此，开发新的高效组合干燥技术以满足节能高效、绿色安全、低碳优质、智能精准并获得优质产品十分必要。当前研究报道中，组合干燥技术手段很多，比如，热风组合干燥、微波组合干燥、真空冷冻干燥、超声波协同处理和压差协同处理等[5-7]。这些干燥方式分别有着不同的能量提供方式，热风干燥的传热主要是通过干燥介质空气传热，水分从物料表面蒸发，然后从物料内部向物料表面扩散。微波加热是全体积加热，在高频电磁场的作用下，引起物料分子间运动和相互摩擦，从而使水分快速蒸发出来。真空冷冻干燥是将物料冻结使物料中水分冻结成固态冰，在真空环境中加热使物料中水分直接升华。超声波协同处理是将超声波协同其他干燥方式干燥的一种干燥手段。

超声波是频率大于20 kHz的声波，超声波与介质相互作用产生热效应、机械效应和空化效应，从而强化物料的干燥过程。其中，热效应使能量不断被物料吸收，使物料温度升高；机械效应使物料反复压缩和拉伸，使结构效应作用力大于水分表面附着力促进物料水分脱出；空化效应是空化泡在超声波作用下不断生长，最终破裂在局部产生瞬时高温高压[8]。

在食品加工中应用最多的频率为20 kHz～100 kHz的低频超声波，在这个阶段的超声波空化效应最好[9]。基于低频超声波对农产品物料的特殊影响，常用来辅助冷冻、解冻和干燥过程[10-11]。超声波协同微波干燥领域的应用，就是基于超声波3种效应对果蔬物性的影响，改善果蔬物料的微波介电特性，促进物料快速均匀干燥。

1 微波组合干燥果蔬物料的研究进展

微波组合干燥方式是充分利用微波高效节能、功率易控等优势，充分利用各干燥优势以弥补微波干燥不均、散热困难等不足，实现果蔬的高效高品质干燥，并显著降低干燥过程的能耗[12]。目前最常见的微波组合干燥有微波热风干燥、微波真空冷冻干燥、微波流态化干燥、微波热风喷动干燥和负压微波脉冲喷动干燥等。在微波热风组合干燥中，朱德泉等以猕猴桃切片为研究对象进行微波真空干燥试验得出，微波真空干燥猕猴桃切片的能耗最低，同时质量也得到保证[13]。Kowalski等研究发现，微波热风组合干燥加速甜椒的干燥速率接近4倍，干燥时间缩短约95%[14]。在微波真空冷冻干燥中，曹有福等通过对冬枣片进行微波真空冷冻干燥，并与常规冻干品的品质和能耗进行比较，发现微波冻干冬枣片的质量指标接近常规冻干冬枣片，能耗值比常规冻干低52.58%[15]。Jiang等也在微波真空冷冻干燥香蕉片时，也得到了类似的结论[7，16]。

微波流态化干燥是产业化前景较好的微波组合干燥方式，分为机械振动提供流态化的干燥工艺和以气流喷动提供流态化的干燥工艺。韩清华等研制了集微波、机械振动为一体的微波流态化组合干燥实验平台，原理图如图1所示。

图1 热风微波流态化干燥试验台结构示意图Fig.1 The schematic diagram of testbed of hot air microwave fluidized drying

通过机械振动实现的流态化过程可以将块状的果蔬物料在干燥仓内翻滚、跳跃、游动，有效屏蔽了微波场分布不均带来的影响，提高了果蔬物料在微波快速干燥中的湿热散失效果，该装备有效缓解了微波干燥不均的技术难题。并且利用该平台对鲜胡萝卜颗粒进行了干燥试验，得出脱水胡萝卜颗粒之间的含水率差异在1.22%之内，并且保持了胡萝卜原有色泽、气味和滋味的干制品合格率达到88.63%[17]。

在气流喷动提供流态化的微波干燥领域，华盛顿州立大学研究报道较早，在常压微波干燥领域走在国际前沿，Feng等在1998年研制了一台微波热风喷动干燥设备，图2为该设备的结构原理图。该设备由微波源、微波干燥室、热风源、喷动床、水负载等装置组合而成。热风温度为70℃，以1.9 m/s将物料从下方喷起，该设备在苹果丁水分含量低于24%时，得到很好的干燥效果。该设备具有两个优点：（1）实现了果蔬物料的充分混合，缓解了微波干燥不均和局部过热现象；（2）有利于干燥过程中水分和热量的散失。实验中，微波热风喷动干燥比普通热风干燥苹果丁的时间缩短了88%[18-19]。

王玉川等在此基础上，设计了负压脉冲喷动微波干燥装置，同样是为实现物料多自由度的运动，该装置在干燥莴苣颗粒实验时得到了良好的干燥效果[20-21]。微波组合干燥技术与装备的研究在改善果蔬物料微波干燥效率、均匀性和品质上，有明显的进展。然而，要使微波干燥过程和品质得到进一步得到提升，还需发展干燥过程参数在线协调、品质在线调控的精准微波组合干燥手段[22]。

图2 微波喷动床组合干燥装备原理Fig.2 The schematic diagram of testbed of microwave spray bed drying

2 低频超声波协同干燥在果蔬干燥中的主要应用

超声波作用于果蔬物料主要是发挥其机械效应和空化效应，进而改变物料特性和加工效果，目前在果蔬干燥领域的应用十分广泛。超声波往往是辅助其他干燥方式进行干燥，通常可以在保证产品质量的同时提高干燥效率，例如：超声波热风干燥、超声波渗透脱水、超声波冷冻干燥和超声波红外干燥等。

在超声波辅助热风干燥方面，Riera-Franco等将500 W高功率的超声波在线应用到苹果、胡萝卜、香菇等不同果蔬的热风干燥中，发现超声波可以加快物料内部分子振动，在保证干燥品质的情况下，比热风干燥的时间减少到原来的三分之一[23]。Cárcel等设计了一种超声波热风组合干燥实验平台，并附有在线称重功能，如图3所示。该设备由超声发生器、超声波换能器、干燥室、热风源等组合，以苹果丁为试验对象，分别以热风风速 1、2、3、5 m/s，热风温度 45℃和 60℃对苹果丁进行单独的热风干燥和加入超声波协同热风干燥，超声波功率为75 W，频率为21 kHz。结果发现，超声波热风组合干燥比单独的热风加热的干燥时间缩短35%，与此同时，提高了脱水苹果丁中维生素VB1、VB2、VB3和 VB6的含量[24]。

图3 超声波辅助热风干燥原理图Fig.3 The schematic diagram of tested of ultrasonic assisted hot air drying

国内学者罗登林等设计了一台超声波热风组合干燥试验平台如图4所示。该实验装置通过超声波协同作用来强化热风干燥，实现了大功率超声与介质空气的高效耦合干燥。实验研究了香菇片热风干燥、超声波协同热风干燥的过程，结果发现，在热风干燥中附加频率20 kHz、功率150 W、辐射圆盘直径21 cm的超声波时，香菇片的干燥时间比单独热风干燥时间缩短50%，能耗降低22%[25]。

图4 超声波联合热风干燥装置示意图Fig.4 The schematic diagram of testbed of ultrasound-hot drying

García-Pérez等以橘子皮为研究对象发现，超声波强化热风干燥比单纯的热风干燥减少干燥时间约45%，同时有效水分扩散速率和质量传递速率显著提高，能耗降低约20%[26]。严小辉等发现在干燥前超声波预处理能够缩短干燥时间，电镜扫描结果表明超声预处理对荔枝内外果皮结构有明显影响，但是超声波的预处理对物料的干燥效率和物料品质的影响有限[27]。

超声波辅助渗透脱水过程中，单纯的渗透脱水处理果蔬等物料的时间较长，超声波用于果蔬的渗透脱水，可以提高脱水速率，并使营养成分得到较好的保留。刘云宏等研究了砀山梨梨片超声波渗透脱水预处理联合热风干燥，结果发现，与直接热风干燥相比，单一的渗透脱水预处理延长总脱水时间约30min～60min；而超声渗透脱水预处理可缩短热风干燥时间40min～120min，并提高有效水分扩散速率11%～56%[28]。Nowacka等研究了超声波处理猕猴桃片的渗透脱水效果，结果表明超声波处理后的猕猴桃细胞膜间形成微通道，提高了猕猴桃片的脱水速率[29]。因此，在热风干燥前进行超声渗透脱水预处理，可有效缩短干燥时间，提高干燥效率。

超声波辅助真空冷冻干燥方面，周新丽等研究了接触式超声波辅助胡萝卜的平板冷冻过程。结果表明，在胡萝卜样品厚度为5 mm，样品冷冻温度为1℃时施加178.7 W功率的超声波10 s能显著提高（P＜0.05）样品的成核温度，使冻干胡萝卜的孔隙当量直径从无超声波辅助条件下对照组样品的66.29 μm提高到了80.81 μm，同时干燥至实际含水率为10%时，升华干燥速率提升29.1%[30]。Schössler等用甜辣椒作为实验材料，分析了不同干燥时间不同超声波频率下甜辣椒的干燥特性，连续的超声波预处理热效应很高（温度升高超过50℃），干燥时间相对于单独的冷冻干燥缩短了 11.5%[31]。

超声波辅助红外干燥方面，陈文敏等研究了红枣超声预处理对红枣红外干燥的影响，红枣超声预处理显著缩短了红枣中短波红外干燥时间，干燥后产品品质显著优于未经超声处理的红外干燥后产品[32]。

目前，超声波在果蔬干燥领域的应用还存在一定不足。超声波在促进干燥的过程中受风速、物料形状、物料坚硬程度等条件的影响。García－Pérez等研究超声波流化床干燥胡萝卜时发现，风速过高会破坏超声场，降低超声波的强度，减弱超声干燥胡萝卜的效果[33]。Clemente等研究发现，葡萄籽较为坚硬，超声波在促进葡萄籽干燥方面效果不显著，并认为由于超声波超声的机械压力小于物料内部传质阻力，超声波很难加快物料的干燥速度，另外空化效应在超声干燥过程中起主导作用，干燥后期空化效应不显著时，超声波促进物料干燥的效果相应降低[34]。

3 低频超声波协同微波干燥应用研究进展

微波干燥属于新一代干燥技术，干燥效率高，干燥品质变化快。超声波的空化效应和机械效应都有助于调整物料的介电特性，促进物料均匀高品质干燥。由于微波和超声波分别属于电磁波和机械波，他们的传递介质有着巨大差别，因此微波超声波协同组合干燥技术应用于农产品的干燥在国内目前研究的很少，在国外已经有部分学者开始相关研究。Horuz Erhan等研究了超声波预处理对番茄切片在微波热风组合干燥中番茄切片的干燥时间和干后品质的影响，结果发现，微波功率120W的情况下，超声波预处理40min相对于没有超声预处理的情况下，干燥时间减少7.38%。微波功率和超声预处理对最后产品的质量有显著的影响[35]。

将超声波和微波干燥两种干燥工艺集合到一体的干燥方式是一种新颖的设计思路，Kowalski等设计了一台集热风、微波和超声波干燥于一体的干燥试验平台，结构原理如图5所示[36]。

图5 混合干燥机实验平台原理图Fig.5 The schematic diagram of testbed of mixed drying

该混合干燥实验平台包括微波发生系统、热风干燥系统和超声波发生系统，实验平台能够使被干物料既可以单独进行热风干燥、微波干燥和超声处理，也可以随意组合其中两种或者3种干燥方式进行干燥，并且可以在线监测整个干燥过程，例如热风温度和湿度，风速，物料质量，能耗等。采集端程序可以对整个干燥过程的各个参数进行实时不间断监测记录。实验以草莓为研究对象，分别进行了热风干燥，微波热风干燥，超声波辅助热风干燥，超声波辅助微波热风干燥，微波热风干燥30min后进行超声波热风干燥，最后得出，超声辅助热风和微波热风干燥对草莓干燥动力学和干后品质都有提升，微波联合热风干燥提高了草莓干燥动力学并且显著降低能耗，但是热效应限制了其应用，影响产品质量，特别是产品色泽。微波热风辅以超声干燥是一种更好的组合干燥方式。

Dadan等以洋香菜叶为研究对象得出，超声波预处理是洋香菜叶微波热风干燥的最优方式之一[37]。Zhao等研究了超声波预处理情况下对微波真空干燥莲子的干燥动力学的影响，结果表明，频率较低、功率较大的超声波预处理下的微波真空干燥莲子可以有效减少干燥时间6.25%～31.25%[38]。MagdalenaSledz等以罗勒植物为研究对象，研究了超声波预处理情况下微波热风干燥罗勒植物的干燥动力学、水分扩算系数、总酚含量、抗氧化活性和微观结构，结果发现，超声波的预处理可以有效减少干燥时间2%，能耗最大节约26.2%[39]。

与此同时，本团队正研发设计的低频超声波-微波组合干燥试验平台，兼顾了负压和常压两种环境，实现微波和超声波的联合干燥，如图6所示。

图6 微波超声波组合干燥原理图Fig.6 The schematic diagram of microwave ultrasonic combined drying

该平台包括超声发生系统，微波发生系统，物料装载状态分常压和负压。设备的创新之处在于不锈钢板隔微波，利用水来传递和钢板的紧密配合超声波，突破了微波超声波传递介质之间不能耦合作用的矛盾。常压和负压两种环境可以自由选择，该方案将首次实现超声波和微波的实时组合干燥，但超声波的利用效率需要进一步实验考证。

4 结论与展望

1）微波与传统干燥手段的组合干燥能缓和果蔬物料微波干燥不均、干燥后期局部容易焦糊的技术缺陷，实现干燥品质的改进。低频超声波可凭借自身的机械作用和空化作用改变物料微观结构，改变介电特性，促进干物料水分迁移。

2）超声波辅助热风干燥，在保证干燥品质的前提下，有效的改进了热风干燥的干燥效率。超声波在辅助果蔬物料渗透脱水、真空冷冻干燥、红外干燥等领域都得到了很好的应用。

3）基于微波对水的吸收和超声波对热空气流和液体的依赖，在超声波辅助微波干燥的研究较少。目前研发设计的微波超声波组合干燥通过不锈钢板和水槽的有效结合实现了超声波和微波的耦合。超声波和微波组合干燥的效果，超声波的传递效率和利用效率是今后研究超声波微波组合干燥的重点任务。

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