直触式超声功率对梨片超声强化热风干燥水分迁移的影响

刘云宏，孙畅莹，曾 雅



直触式超声功率对梨片超声强化热风干燥水分迁移的影响

刘云宏，孙畅莹，曾 雅

（河南科技大学食品与生物工程学院，洛阳 471023）

为探讨直触式超声对梨片热风干燥过程的水分迁移强化效应，在不同超声功率下进行梨片超声强化热风干燥试验，应用低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）技术的自旋-自旋弛豫时间2反演图谱及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术分析超声功率对梨片干燥过程中内部水分状态与迁移变化的影响。结果表明：梨片热风干燥属于内部扩散控制，在梨片热风干燥过程中施加超声有利于增强内部传质、加快干燥进程；干燥温度为45 ℃时，超声功率升至12、24、36、48 W时，对应平均干燥速率比0 W时分别提高了13.1%、49.1%、83.6%、139.34%，表明提高超声功率有利于提高脱水速率。扫描电镜（scanning electron morphology, SEM）观察发现，施加超声会导致梨片组织微细孔道的增大与增多，从而有利于水分迁移。LF-NMR结果表明，超声功率越大，自由水、不易流动水和结合水的峰面积A值变化越显著，表明提高超声功率有利于提高水分流动性；结合干燥特性可以看出，干燥过程中首先除去的是自由水，超声功率由0 W升至48 W，自由水完全被脱除时间由720 min缩短至360 min，表明超声在自由水存在的情况下能实现较好的声波能量传递及内部水分湍动，进而产生显著的水分迁移强化效果；超声功率越大，不易流动水和结合水的脱除速率加快，表明提高超声功率可增强超声的高频振动和扩张作用，有利于减弱组织结构对水分的束缚力并增强水分流动性。MRI图像直观显示出梨片干燥过程中水分减少和水分空间分布变化规律，超声功率越大，H+质子密度图红度值下降越快，说明提高超声功率有利于加快水分迁移速率。研究结果可为超声强化热风干燥的理论研究及技术应用提供参考。

干燥；水分；超声；梨；低场核磁共振；磁共振成像；水分迁移

0 引 言

梨( Pyrus spp.) 是蔷薇科梨属植物，是人们最喜爱的水果之一[1]。梨含有多种矿物质、糖分、酚类物质、维生素等丰富的营养成分，具有生津，润燥，清热，化痰等功效[2-3]。梨除了鲜用之外，将其干制成梨片进行销售，这不仅能保证梨的食用价值，也拓宽了梨的消费市 场[1,4-5]。热风干燥是最常用的干燥方式[6]，具有热效率低、干燥时间长、产品品质不好的缺陷[7]。梨含有大量糖分和胶体物质，对水分的吸附和束缚较强[8]，导致梨在干燥过程中的水分扩散阻力较大。因此，若在不提高温度的前提下，借助有效措施来降低内部传质阻力、提高水分扩散，将有利于缩短干燥时间、保护产品品质。

超声波作为一种机械振动波，在介质内部能够产生空化效应和机械效应，从而能够提高水分扩散与迁移[9]，因此，超声在干燥强化方面的应用正引起人们越来越多的关注。由于气介式超声能量衰减大、对内部传质影响小的不足[10]。因此，采用直触式超声来强化干燥过程。直触式超声是利用超声换能器、辐射板、物料三者匹配的超声装置，物料放在辐射板上以使超声能量直接传入物料内部而不依赖其他介质，从而提升超声利用率和强化效果。Sabarez等[11]通过对比直触式超声强化干燥苹果片和传统热风干燥，发现直触式超声可大幅度缩短干燥时间及减少能耗。García-Pérez等[12]通过接触式超声强化热风干燥胡萝卜和柠檬皮研究，发现超声能产生更多的组织孔隙，并能提高干燥速率和营养成分含量。目前，超声强化热风干燥研究主要侧重于超声对干燥特性和产品品质的影响，然而，有关直触式超声对热风干燥过程中水分状态和迁移变化的作用机制研究十分匮乏。在干燥过程中，直触式超声对物料内部水分状态和迁移过程产生什么样的影响，需要通过低场核磁共振进行进一步分析。

低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）利用射频脉冲激发的H+在磁场中的自旋弛豫特性，根据H+在磁场中产生的磁共振信号，可以快速、准确地从微观角度解释物料内部水分状态及迁移变化情

况[13-14]。Jia等[15-17]利用LF-NMR技术，分别研究了小麦、西兰花、水稻干燥过程中的内部水分变化规律、水分空间分布状况以及水分廓线特征变化。现有研究表明，作为可视化水分迁移的有效手段，LF-NMR技术能够准确、直观地分析干燥过程中水分状态及水分迁移变化规律，然而，利用LF-NMR技术来探索直触式超声强化热风干燥过程中水分状态及水分迁移变化的研究鲜见报道。

因此，本文以皇冠梨为原料进行直触式超声强化热风干燥梨片的干燥特性研究，采用扫描电镜（scanning electron morphology, SEM）观察不同超声功率对梨片微观结构的影响，利用LF-NMR技术从微观上探讨直触式超声对梨片热风干燥过程的强化效应，分析不同超声功率对干燥过程中梨片内部不同水分状态及迁移的影响，并结合H+质子密度图像直观的探讨不同超声功率对梨片干燥过程中的水分分布空间及迁移的变化规律，本文研究成果以期为超声强化热风干燥的理论研究及应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

皇冠梨购于河南省洛阳市大张超市，挑选个体大小均匀、新鲜无损伤，购回后于2～4℃的冰箱中冷藏。采用105 ℃加热干燥法[18]测得所用梨的初始干基含水率为8.90±0.05 g/g。

1.2 仪器与设备

超声强化热风干燥装置（河南科技大学自制），具体结构和参数见文献[19]。切片机（德州天马粮油机械有限公司），DT-2000E型电子天平（常熟市嘉衡天平仪器有限公司），ALC-210.3型电子天平（赛多利斯艾科勒公司），101-3ES型电热鼓风干燥箱（北京市永光明医疗仪器厂），JSM-6010LA型扫描电镜（日本电子株式会社），MINI20-015V-I型低场核磁共振成像分析仪（上海纽迈电子科技有限公司）。

1.3 试验设计

本研究首先在35、45、55 ℃干燥温度下进行了未施加超声和施加超声强化的热风干燥梨片的试验，探讨不同温度下直触式超声强化热风干燥特性。随后，在45 ℃干燥温度下，采用0、12、24、36、48 W共5个超声功率水平进行超声强化热风干燥，探讨不同超声功率的干燥强化效应，通过扫描电镜微观观察不同超声功率对梨片表面组织结构的影响，利用低场磁共振弛豫（magnetic resonance spectroscopy，MRS）技术研究不同超声功率对梨片内部水分状态及水分迁移的影响规律，并结合磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI) 技术得到的H+质子密度图像来研究不同超声功率对梨片内部水分分布空间及水分迁移的影响规律。

1.4 试验方法

1.4.1 梨片干燥处理

预试验结果表明，虽然本研究所用超声系统的工作频率可在20~100 kHz之间调节，但其谐振频率为28± 0.5 kHz，在这个频率下超声辐射板振动最为强烈，频率过大和过小均由于超声换能器内部及与辐射板的不匹配而导致超声辐射强度明显变弱，因此，本研究固定超声频率为28 kHz。为更好探索超声功率对干燥过程及物料内部水分的影响，固定干燥仓内吹过物料上方的风速为1 m/s，并未采用很高的干燥介质流速。每次干燥前，将梨洗净去皮，用切片机切成厚度为5 mm、直径为5 cm的圆形薄片。干燥时，将梨片（约70 g）均匀平铺在超声强化热风干燥机中的超声振动圆盘上，将超声发生器的工作方式设定为连续工作。干燥过程中每隔30 min将物料连同超声辐射装置迅速取出称其质量，然后迅速放回继续干燥，直至连续2次质量读数基本不变时结束干燥，每次所称质量减去超声辐射装置质量即为物料质量。每组试验均重复3次。

1.4.2 指标计算

干基含水率的计算公式为[20]

式中为物料干基含水率，g/g；M为时刻物料质量，g；d为绝干物料质量，g。

干燥速率的计算公式为[21]

式中DR为干燥速率，g/(g·min)，M和MΔt分别为干燥时间和Δ的干基含水率，g/g。

1.4.3 梨片表面结构的电镜扫描检测

利用SEM观察与超声辐射板接触的梨片表面微观结构，电镜放大倍数设置为300 倍。

1.4.4 LF-NMR检测

试验中应用低场核磁共振分析仪，温度稳定在（32±0.05）℃范围内，打开低场核磁共振分析软件，对每个样品进行信号采集。称量每个样品的质量在（0.60± 0.005）g后，放入LF-NMR专用玻璃管中，并置于磁体永久磁场中心位置的射频线圈中心，利用多脉冲回波序列（carr-purcell-meiboom-gill, CPMG）采集样品的自旋-自旋弛豫时间2，重复测定3次以补充数据，最后利用反演软件将数据反演的迭代次数设为10万次得到2反演谱。相应参数设置如下：质子共振频率主值SF=21 MHz，采样点数TD=1 080 020，前置放大倍数PRG=1，采样等待时间TW=400 ms，回波时间TE=0.300 ms，回拨个数NECH=18 000，采样频率SW=200 MHz，模拟增益RG1=20.0 dB，累加次数NS=64。

1.4.5 磁共振成像（MRI）

每次将圆形薄片样品从中间切成长2 cm、宽1 cm、厚度为干燥过程时梨片实际厚度的样本，放入长度20 cm、直径1.5 cm的玻璃管中并置于磁体永久磁场中心位置的射频线圈中心，采用多层自旋回拨序列（multi-slice spin echo，MSE）采集样品切面的H+质子密度图像。成像参数：层数4，层厚2.8 mm，层间隙1.5 mm，重复采样等待时间500 ms，累加次数2，回拨时间20 ms，读取大小256，相位大小192。

1.5 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据整理；采用SPSS17软件多重比较法对数据进行显著性分析（<0.05）；采用 Origin 9.1 软件进行试验结果图的绘制。

2 结果与分析

2.1 超声功率对梨片热风干燥特性的影响

2.1.1 不同温度下热风干燥及超声强化热风干燥梨片的干燥特性

在不同干燥温度下，未施加超声和施加48 W超声的梨片热风干燥曲线和干燥速率曲线如图1所示。

图1 不同温度下热风干燥及超声强化热风干燥梨片的干燥曲线和干燥速率曲线

由图1a可知，在干燥温度35、45、55 ℃条件下，单一热风干燥所需干燥时间分别为2 400、1 440、1 140 min，在施加了功率为48 W的超声后，干燥时间分别缩短至960、600、480 min，减少幅度分别为60.0%、58.3%、57.8%，方差分析结果表明超声功率以及温度对干燥时间均具有显著影响（<0.05）。可见，在热风干燥中采用直触式超声进行强化，能够显著缩短干燥时间，从而提高干燥效率。由图1b可以看出，梨片干燥过程呈明显的降速干燥，说明梨片干燥属于内部扩散控制，内部扩散阻力决定了传质过程的快慢。施加超声后能够有效提高干燥速率，说明超声能够通过减少内部扩散阻力来提高内部传质速率。将物料直接放在超声辐射盘上，超声辐射板产生的超声波能直接传入物料并作用于物料内部，高频超声的空化效应能在物料组织内部快速产生大量微泡并随即爆破，微泡爆破瞬间会产生强大的动能和压缩能[22-23]，超声的机械效应会使物料组织结构发生高频、反复扩张和收缩[24]。这些效应能提高组织内部水分的湍动并提高水分子能量，减弱与质壁结合紧密的水分的吸附力[25]，从而提高水分迁移能力。Chemat 等[22]认为超声的“微扰”作用能够增强热风干燥过程中水分子的各种运动、减少物料组织对水分子的束缚，从而促进水分迁移。Liu 等[19]认为在热风干燥过程中采用超声强化，还能扩张物料内部细胞间隙和毛细微管，增大传质通道，也有利于内部水分的向外迁移。

2.1.2 不同超声功率对梨片超声强化热风干燥特性的影响

以热风温度45 ℃时为例，不同超声功率下的梨片热风干燥曲线和干燥速率曲线如图2所示。由图可知，超声功率为0 W时（未施加超声）所需干燥时间为1 440 min，当超声功率升至12、24、36、48 W时，所需干燥时间分别缩短至1 260、960、780、600 min，对应的减少幅度分别为12.5%、33.3%、45.8%、58.3%。超声功率为12、24、36、48 W时的平均干燥速率分别为0.69、0.91、1.12、 1.46 g/（g·min），与0 W对应的平均干燥速率0.61 g/（g·min）相比，分别提高了13.1%、49.1%、83.6%、139.34%。可见，在梨片热风干燥中应用直触式超声，超声功率越大，干燥速率越快、干燥时间越短，对应的强化效果越明显。超声功率为12 W时对应的强化效果要远弱于其它超声功率水平，根据图2也可看出其干燥曲线和干燥速率曲线与单一热风干燥的干燥曲线和干燥速率曲线较为接近，这可能是由于超声功率为12 W时的功率密度较低（0.17 W/g），其超声强度不足以对物料内部的水分湍动及微细通道产生明显作用，从而强化效果极其有限。随着超声功率的增大，超声产生的机械效应和空化作用越强，越有利于提高物料内部水分的湍动及流动性、减弱水分与细胞组织之间的吸附力[23, 25]，从而能够实现传质速率的有效提高，进而显著缩短干燥时间。

图2 不同超声功率下超声强化热风干燥梨片的干燥曲线和干燥速率曲线

在气介式超声强化热风干燥梨片的研究[26]中，在温度50 ℃、超声辐射距离10 cm的条件下，将热风干燥时间缩短30.7%所需气介式超声功率为150 W，而在本研究中，在干燥温度45 ℃时施加功率为24 W的直触式超声即能实现33.3%干燥时间的缩短幅度。这一方面可能是所用设备不一样而产生不同的干燥强化结果，另一方面也说明直触式超声能利用较低的功率实现良好的强化效果。

2.1.3 不同超声功率对热风干燥梨片微观结构的影响

以热风温度45 ℃条件下的超声强化热风干燥过程为例，超声功率为0、12、24、36、48 W时，与超声辐射板接触的梨片表面微观结构如图3所示。由图可见，在未施加超声时，由于干燥过程中梨片组织结构的不断收缩，梨片表面结构较为致密，毛细孔道的数目不多、尺寸不大，这会增大水分扩散阻力，从而不利于水分迁徙。当施加功率为12 W的超声强化时，可以看出梨片表面微观结构仍较为致密，说明12 W的超声只能对促进物料内部水分迁移有一定的积极作用，但其功率较低，不足以改变梨片的组织结构及扩张微细孔道。当施加功率24 W的超声进行干燥强化，梨片表面微细孔道的数目明显增多、尺寸也有所增大，这可能是超声的空化效应及微扰效应除了能够强化梨片水分湍动，其微泡爆破和高频振荡会减弱组织收缩、增大微细孔道，从而有利于干燥过程的水分迁移与流动。当超声功率提高至36 W及48 W时，梨片表面组织结构已较为疏松，且微细孔道尺寸明显增大，说明超声功率越高，超声对梨片组织的空化和机械效应越显著，越有利于水分迁移通道的保持。Chemat 等[22]发现超声能在增强水分湍动、提高水分流动性的同时还能减弱物料内部微毛细管收缩。García-Pérez等[12]也发现在胡萝卜和柠檬皮热风干燥中施加超声，可以提高组织结构的孔隙率，进而有助于物料内部水分的向外迁移。

图3 不同超声功率下超声强化热风干燥梨片微观结构的SEM图片

2.2 超声功率对NMR反演谱总信号幅值的影响

本研究以干燥温度45 ℃为例，研究超声功率对梨片热风干燥过程中水分状态变化的影响。在45 ℃时，不同超声功率下的超声强化热风干燥梨片的自旋-自旋弛豫时间2反演谱如图4所示。由于新鲜梨片的含水率高，导致2在>100 ms时出现2个明显的波峰，干燥一段时间后，这2个峰逐渐减小为1个峰，因此>100 ms的2个波峰代表着1种状态水峰。通常水分在果蔬中可以分为3种状态：自由水、不易流动水和结合水[27]。参考王雪媛等[28-29]对苹果、樱桃等水果内部水分研究及本试验中梨片2反演谱，得到梨片3种水分状态分别对应为：结合水21（0.01~10 ms）、不易流动水22（10~100 ms）和自由水23（>100 ms）。结合水是存在于梨片细胞壁中通过氢键与蛋白质、糖类等大分子形成的水分；不易流动水是指存在于细胞质和细胞外隙中亲附于胶体表面的水分，流动性介于结合水和自由水之间，容易发生转化；自由水是指存在于梨片液泡、原生质和细胞间隙中相对自由流动的水分[30-32]。峰面积表示不同水分状态弛豫时间内对应的信号幅值和，可代表该状态水分的相对含量，峰面积占总信号幅值0的比例为峰比例。3种水分状态弛豫时间21、22、23对应的峰面积分别为21、22、23，对应的峰比例分别为21、22、23，其中0=21+22+23。

由图4可见，随着干燥的进行，2反演图谱整体向左移动，信号幅值减小，弛豫时间缩短，这与图2的干燥特性研究结果一致。弛豫时间越短，水分流动性越小；弛豫时间越长，水分流动性越大。干燥早期以脱除自由水为主，自由水流动性大，梨片中H+质子与大分子物质相结合能力弱，表现出弛豫时间2较长；随着自由水大量的脱除，干燥以脱除不易流动水为主，此时梨片内部水分流动性减小，到干燥后期，则以脱除结合水为主，此时梨片中H+质子通过氢键与蛋白质、糖类等大分子形成紧密难以脱除或转化的水分，表现出弛豫时间2短，从而导致2反演图谱整体是向左移动，信号幅值整体减小[28]。

图4 不同超声功率下超声强化热风干燥梨片的自旋-自旋弛豫时间反演谱

由图4的2反演图谱还可看出，在干燥前期，超声功率越大，反演谱中的自由水23对应的信号幅值减少的越多、弛豫时间越短。这是因为自由水主要存在于液泡、原生质和细胞间隙中，流动性较大，提高超声功率能增强其空化效应和机械效应，致使梨片细胞间隙扩大，同时也产生更多的微细孔洞，从而使自由水快速的迁移。干燥前期，不易流动水22和结合水21的信号幅值和弛豫时间随着干燥的进行而逐渐增加，且超声功率越大，增加得越多。这是由于随着脱水的进行以及组织液浓度的升高，超声功率越大，物料中的生化反应越强烈，高自由度水分向低自由度水分的迁移转化速率越快[13]。干燥中后期，梨片不易流动水和结合水的信号幅值和横向弛豫时间随着自由水的脱除而逐渐开始减小，超声功率越大其脱除速率越快。这是由于超声波在物料内部传播时，能够引起物料更强烈的高频振动，可破坏不易流动水及结合水与物料内部之间的作用力，致使不易流动水及结合水逐渐减少[33]。Jia等[15]利用LF-NMR研究了西兰花干燥过程的水分状态变化，也发现其不易流动水和结合水含量会随着干燥进行而不断变化。

2.3 超声功率对自由水迁移变化的影响

在超声功率0、12、24、36、48 W时，梨片干燥过程的自由水变化规律如图5所示。由图5a可见，在干燥过程中，5种超声功率下梨片的自由水整体呈现下降趋势，超声功率为0、12、24、36、48 W时，自由水完全被脱除的时间分别为720、660、600、480、360 min，超声功率为48 W时自由水完全脱除时间显著少于未超声时所需时间（<0.05）。综合图5与图2的水分变化规律，结果表明在干燥过程的含水率变化中，在上述时间节点之前主要以脱除自由水为主，且在干燥中期时，自由水已基本除去。由图5b可知，随着干燥进行，超声功率越大，自由水向外迁移的速率就越快，其峰比例下降的越快。结合梨片表面微观结构SEM图可以看出，超声功率增大时，梨片间隙增大同时还产生大量微孔道，自由水外迁受到的束缚力减小，有利于增加其流动性，从而缩短自由水被完全脱除时间。图5a自由水的峰面积变化曲线和图2a梨片的干燥曲线相似，说明干燥过程中自由水含量变化直接影响干燥结果。这与刘宗博等[30]研究双孢菇远红外干燥过程中自由水迁移结果类似。

2.4 不同超声功率对不易流动水迁移变化的影响

在不同超声功率条件下，梨片干燥的不易流动水变化曲线如图6所示。随着自由水被脱除，不易流动水也开始发生相应迁移。由图可见，在5种超声功率作用下，梨片在干燥过程中的不易流动水整体呈现先增后减的趋势。

在干燥前期，不易流动水峰面积22随干燥时间的延长而呈现增加的趋势。这可能是由于干燥初期自由水被脱除后导致梨片内的糖类碳水化合物浓度升高，造成细胞液浓度差，在浓度梯度作用下自由水向不易流动水迁移[28]，另一方面可能是梨片细胞质内营养物质及酶分解出的结合水向不易流动水迁移[28,32]。干燥后期不易流动水峰面积呈现下降的趋势，这是由于超声直接作用于物料内部组织，从而使物料内组织结构产生“海绵效应”[32]，降低不易流动水所受到的束缚力，从而提高其流动性。超声功率越大，对不易流动水的影响越显著（<0.05）。这可能是超声直接作用于物料内部组织，从而使物料内组织结构产生“海绵效应”，超声功率越大，产生的“海绵效应”越显著，内部水分迁移速率越快[33]，越有利于不易流动水的脱除。

图5 不同超声功率对自由水迁移变化的影响

2.5 不同超声功率对结合水迁移变化的影响

不同超声功率对结合水迁移变化的影响如图7所示。由图7a可见，5种超声功率的梨片在干燥过程中结合水整体均呈现先增后减的趋势。

在干燥前期，结合水21随干燥时间的延长而呈现增加的趋势，一方面，自由水含量减少，造成梨片细胞活性降低及组织液浓度升高，促使一些水分通过氢键与梨片内部大分子联接而形成结合水[29, 34]，另一方面，随着自由水的脱除，梨片内部流动性减小，部分不易流动水向细胞壁迁移，造成细胞壁果胶分子内亲水基团与不易流动水中H+质子间发生转换，产生氢键键能较弱的物理结合水[35]。由图可知，在干燥前期的同一干燥时间时，超声功率越大,结合水峰面积越大，这是由于干燥前期主要是脱除的是自由水，超声功率越大，脱除的自由水越多，梨片细胞组织收缩的越严重，梨片内部组织结构对水分的吸附力与束缚力增大，促使一些高自由度的水分通过氢键与大分子物质的活性基团结合后，其吉布斯自由能上升、流动性大幅下降，从而转化为吸附力较强的结合水[13]。由图还可看出，超声功率越大，结合水最大峰面积越小，这是因为超声功率越大，水分子内能越强，物料内部水分向外迁移的速度就越快[36]，相对较少的自由水转化为不易流动水，相对结合水也较少。

图6 不同超声功率对不易流动水迁移变化的影响

图7 不同超声功率对结合水迁移变化的影响

在干燥后期，结合水峰面积曲线随着自由水的全部脱除后而开始呈现下降的趋势，超声功率为48 W时的下降趋势更显著（<0.05）。这一过程对应着图2中干燥曲线后端的变化较缓慢部分，这一部分的干燥速率低、水分脱除慢。这是因为当自由水被全部脱除后，不易流动水及结合水开始脱除，这时，由不易流动水结合果胶大分子等产生的结合水和键能较弱的结合水也开始逐渐被干燥脱除，同时梨片内部酶和营养物质的受热分解使部分结合水向不易流动水迁移，超声功率越强，其高频振动对上述现象的影响越显著。但是由于一些键能较强的结合水无法脱除，因此，在梨片干燥过程中，结合水对干燥效果的影响较小。

2.6 梨片超声强化热风干燥过程的MRI图像

在0、12、24、36、48 W超声功率下的梨片超声强化热风干燥的H+质子密度图像如图8所示。含水率的多少用不同的颜色表示，如图中右侧图例所示，其中，红度值越大代表H+质子越多、含水率越多，红度值减小甚至向蓝度值转变，表明含水率减小。利用MRI图像可以直观了解梨片干燥过程中水分分布空间。由图可知，新鲜梨片的含水率高、分布较为均匀，随着干燥时间的延长，与热风接触的物料表面水分首先减少，产生的水分浓度差会推动物料内部水分逐渐向热风接触面迁移，对应的红度值也表现出下降的趋势。这一现象与Hwang等[17,37]利用MRI分别研究水稻和玉米干燥过程中的H+质子密度图像变化规律相近。超声功率越大，MRI图的红度值下降地越快，说明超声的机械效应和空化效应能够促进水分向蒸发表面迁移。随着干燥的进行，物料持续收缩，这是由于水分不断减少而产生的收缩应力而导致物料组织结构收缩。同时，物料H+质子密度图像面积不断减少，且梨片内部H+质子密度图像变化较缓，说明由于传质阻力大，物料内部水分比表面水分更难脱除。在同一时间下，超声功率为48 W时物料的H+质子密度图像面积要小于其他超声功率时的H+质子密度图像面积，表明超声可以促进物料内部水分迁移。由600 min的MRI图可知，超声功率为0、12、24、36 W时物料内部还残存一些水分，而48 W超声功率下物料的MRI图已看不到H+质子密度图像，表明自由水已全部脱除，且超声功率为48 W时比其他超声条件更快地达到干燥终点，说明在梨片热风干燥过程中施加超声能够对物料内部水分产生显著影响，从而更快地脱除水分。

图8 不同超声功率下的梨片热风干燥过程中H+质子密度图像

3 结 论

本文利用SEM、LF-NMR及MRI等方法，从微观上系统分析了超声功率对梨片热风干燥水分迁移的强化效应。

1）在梨片热风干燥过程中施加12~48 W超声后，干燥时间可缩短12.5%~58.3%，平均干燥速率可提高13.1~139.34%，表明在干燥过程中施加直触超声有利于加快干燥进程，且超声功率越高，对干燥进程的强化效果越明显。SEM结果表明，超声功率越高，越有利于在梨片表面形成更疏松的组织结构，微细孔道越大、越多，从而越利于梨片内部水分迁移。

2）LF-NMR结果表明，流动性最大的自由水在梨片干燥过程中最先被脱除，超声功率由0 W升至48 W，自由水完全被脱除时间由720 min缩短至360 min，表明提高超声功率有利于加快自由水向外迁移速率。结合水及不易流动水整体呈现先上升后下降的趋势，超声功率越大，对脱除不易流动水及结合水的影响越显著，表明超声功率越大能提高梨片内部水分的湍动及水分子能量，减弱细胞组织对水分的吸附力，从而有利于吸附力较强的水分脱除。超声功率增大有利于提高水分流动性和促进内部水分迁移。MRI图像的H+质子密度图可形象直观地表征梨片干燥过程的水分分布变化规律，在干燥过程中，含水率持续减少、含水区域不断变小，且超声功率越大，脱水所需时间越短，表明提高超声功率有利于加快水分迁移。

综上所述，采用低场核磁技术可以快速、直观地检测到直触式超声对梨片热风干燥过程水分迁移的强化效应，且超声功率越大，产生的强化效应越强烈、越有利于干燥过程的水分迁移。

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Effect of contact ultrasound power on internal moisture migration of pear slices during ultrasound enhanced hot air drying

Liu Yunhong, Sun Changying, Zeng Ya

(471023,)

Ultrasound strengthening technology has gained more and more attention in drying research, however, the strengthening mechanism of ultrasound on water status and moisture migration during drying has been unclear until now. In order to investigate the strengthening effect of contact ultrasound on moisture migration of pear slices during hot air drying process, the experiments of ultrasound reinforced hot air drying on pear slices were conducted with different ultrasound powers. The scan electric microscope was used to observe the surface microstructure of dried pear slices at different ultrasound powers. The low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) technology and nuclear magnetic resonance imaging (MRI) technology were applied to analyze the influence of ultrasound power on internal water state and moisture migration of pear slices during hot air drying. The results showed that hot air drying of pear slices belongs to internal diffusion control, and the reduction ratios of drying time were 60.0%, 58.3% and 57.8% when contact ultrasound of 48 W was applied in hot air drying of pear slices at 35, 45 and 55 ℃, respectively, which indicated that the application of contact ultrasound could significantly accelerate drying process. The drying time reduced from 1440 min to 1260, 960, 780, 600 min when contact ultrasound assistance at 12, 24, 36, 48 W was applied in hot air drying of pear slices at 45 ℃, which showed that higher ultrasound power could lead to higher water removal rate and shorter drying time. The results of scan electric microscope showed that the application of ultrasound could improve the number of micro-capillaries as well as enlarge the size of micro-capillaries, and higher ultrasound power produced looser microstructure of pear surface that was contacted with ultrasound radiation board, which was favorable to moisture migration and water diffusion. The LF-NMR results showed that the peak amplitudes of inversion spectrum kept decreasing during the drying process and higher ultrasound power led to faster decreasing rate of the amplitudes, which represented that free water, immobilized water and bound water inside pear slices changed and migrated during drying process, and higher ultrasound power could accelerate the migration of the 3 kinds of water. Free water, with the greatest mobility and the highest content, was the first kind of water for total removal. The removal time of free water was 720, 660, 600, 480 and 360 min at ultrasound powers of 0, 12, 24, 36 and 48 W, respectively. Ultrasound showed great strengthening effect on free water removal, which indicated that ultrasound could achieve good energy transmission and strong water turbulence at the existence of free water. The contents of immobilized water and bound water decreased during the drying, however, the immobilized water and bound water inside pear slices could not be removed completely. The peak areas became smaller with the increase of ultrasound power, which indicated that the increase in ultrasound power could improve water mobility and reinforce moisture migration. The MRI results showed the change of moisture content and water distribution at different ultrasound powers during the drying process, and higher ultrasound power caused faster moisture reduction, which indicated that the MRI images could visually illustrate the change and transformation of water inside pear slices and the application of ultrasound could accelerate internal moisture migration significantly and increase drying rate. The research can present reference to the theoretical study and technical application of ultrasound enhanced hot-air drying technology.

drying; moisture; ultrasonics; pear; low-field nuclear magnetic resonance; nuclear magnetic resonance imaging; moisture migration

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036

TS255.3

A

1002-6819(2018)-19-0284-09

2018-05-02

2018-08-14

国家自然科学基金资助项目（U1404334）；河南省高校创新人才资助项目（19HASTIT013）；河南省高校青年骨干教师资助项目（2015GGJS- 048）

刘云宏，副教授，博士，主要从事农产品干燥理论与技术研究，Email：beckybin@haust.edu.cn

刘云宏，孙畅莹，曾 雅. 直触式超声功率对梨片超声强化热风干燥水分迁移的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：284－292. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036 http://www.tcsae.org

Liu Yunhong, Sun Changying, Zeng Ya. Effect of contact ultrasound power on internal moisture migration of pear slices during ultrasound enhanced hot air drying [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 284－292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.036 http://www.tcsae.org