气介超声干燥水果及其机制的研究

谢青青，李 晨，陈尹尹，王 华，杨增涛

(重庆医科大学 生物医学工程学院，超声医学工程国家重点实验室，重庆 400016)

0 引言

干燥是提高水果保质期最方便、经济的方法，通过降低水果中的水分可抑制微生物的生长和酶促反应，从而防止水果劣变。目前常见的干燥技术主要有热风干燥、真空冷冻干燥等。其中热风干燥过程中的温升效应会影响水果的品质，故不适用于热敏性水果的干燥[1]。真空冷冻干燥虽然可以保证水果的品质，但干燥时间长、能耗高、运行成本昂贵，且干燥后的样品中会携带大量未灭活的微生物[2]。超声波是一种频率高于20 kHz的机械波，可在常温的情况下去除水分，对干燥热敏性水果有突出优势，同时还具有一定的杀菌能力[3]。Garcia-Perez等[4]采用不同功率超声对橙皮进行干燥实验，实验结果显示其干燥时间和能耗都有显著降低。Charoux等[5]发现非接触气介超声可用于灭活样品内的微生物，且不会对样品的品质造成过大影响。Tao等[6]发现超声可加速干燥过程，且不会导致黑莓内部温度升高过多。因此，超声在水果干燥中有极大的应用潜力。

超声干燥有两种能量传递模式，分别为气介超声干燥技术和接触式超声干燥技术[7]。其中气介超声干燥是指超声能量通过空气介质耦合进样品，而接触式超声干燥是指换能器与样品直接接触或者是将超声能量通过固体介质耦合进样品。与气介超声干燥相比，接触式超声干燥的干燥速率更快，但其产生的空化效应残留物会污染样品[5]，且对干燥场所有一定的限制要求。目前对超声干燥机制还缺乏统一的认识，认为其机制主要来源于以下3方面：

1) “海绵效应”[8]，即超声能量耦合进样品后引发样品连续压缩和膨胀，样品形似海绵被反复挤压和释放。“海绵效应”伴有的交替应力会在物料表面产生微小通道，为样品内部的水运动提供方便。

2) 空化效应[9]。超声空化产生的高温、高压和强剪切力使样品与水分子间的结合键断裂，减少了对水分子的束缚力。

3) 增强传热和传质过程[10]，降低样品内外层的温度梯度，强化内部水分的扩散。

上述关于超声干燥机制的解释多是基于接触式超声，对气介超声干燥机制的研究相对较少。因此，本文以实验研究为主要方法，探究了气介超声干燥水果的作用机制。为探究气介超声对自由水干燥的作用效果，选用磷酸缓冲盐溶液模拟苹果组织内的自由水，溶液中加入少许聚苯乙烯微球，有助于观察气介超声的微流现象；利用COMSOL Multiphysics对此现象进行仿真，借助荧光显微镜观察分析了气介超声对苹果片微观结构的影响；结合苹果片无量纲水分比和干燥速率的变化规律，探究了气介超声对苹果片干燥过程的影响，这将为更好地诠释气介超声的干燥机制提供一定的参考。

1 实验材料与分析方法

1.1 实验材料与仪器

本实验选用“红富士”苹果，其充分成熟、无损伤。实验所用试剂：钙荧光增白剂(购于Sigma公司)；磷酸缓冲盐溶液(购于HyClone公司)；聚苯乙烯微球，粒径大小为∅(110～150) μm(购于天津市倍思乐色谱技术开发中心)；氢氧化钾(购于Aladdin公司)，用去离子水配置质量分数为10%的KOH溶液。

超声处理装置：DK-60B型电磁式换能器(渝中区迪控电子经营部)；Inc. AG1000型功率信号放大器(T&C Power Conversion)；BSA224S型电子分析天平(Sartorius)，精度为0.000 1 g；TH4-200型倒置荧光显微镜(Olympus)；SMZ 745T型体视显微镜(Nikon)；DZF6020型真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)。

1.2 实验步骤与分析方法

1.2.1 超声微流现象及其理论仿真

通过实验观察气介超声的微流现象，在磷酸缓冲盐溶液中加入少许聚苯乙烯微球并充分混匀。取2 μL混合液点于直径∅90 mm培养皿底部，测得液滴直径约为∅2 mm。去掉皿盖，倒扣在换能器上方，超声作用频率为20 kHz，超声作用功率为40 W。借助体视显微镜观察气介超声作用下聚苯乙烯微球的运动情况，显微镜放大倍数为50倍。

利用COMSOL Multiphysics对上述实验中超声激励小液滴产生的微流现象进行仿真，实验设置圆形下边界为振动边界条件来模拟外部超声驱动，由振荡的速度边界激发声场[11]。在有限元模型中，超声激励频率为20 kHz，液滴直径设置为∅2 mm，聚苯乙烯微球的粒径大小设置为∅100 μm。实验采用物理场控制网格单元大小的方式对网格进行剖分，对边界处的网格需进一步细化，以减小因网格引起的数值误差。

1.2.2 微观结构的观察

将苹果洗净、去皮，切取2 cm×2 cm×1 mm的苹果片作为干燥样品。干燥处理前为防止苹果发生褐变，将切好的苹果片浸入去离子水中数秒后立即拿出，并用纸巾吸干表面水分。将干燥样品平铺在直径∅90 mm培养皿内，将如图1所示的电磁式超声换能器置于培养皿正上方，换能器与样品之间留有1 cm的间隙。以两种不同的方式对苹果片进行干燥处理，其中实验组一对样品进行超声干燥处理，超声驱动频率为20 kHz，驱动功率为20 W，作用时长为60 min；实验组二对样品进行超声假照(换能器处于关闭状态)，作用时长为60 min。最后选用新鲜苹果作为对照。

图1 超声干燥装置示意图

首先从处理后的样品表面切取厚度约为20 μm的苹果薄片，并将其置于载玻片上；然后分别加入10 μL的钙荧光增白剂和质量分数为10%的KOH溶液对苹果细胞壁进行染色，室温下避光1 min后用去离子水洗涤2～3次，用滤纸吸除残留的染料，随即盖上盖玻片并用指甲油密封盖玻片边缘以防水分流失；最后将制好的染色样品放置在倒置荧光显微镜下进行观察，放大倍数分别为40倍、100倍。

1.2.3 含水率与干燥速率的测定

室温下，将苹果片置于培养皿内进行干燥脱水，超声驱动频率为20 kHz，超声功率分别设置为0、20 W、30 W，干燥总时长为60 min。干燥期间用分析天平对样品进行称重，以此来记录样品含水率及干燥速率的变化。采用105 ℃直接干燥法测得新鲜苹果的初始干基含水率为(6.40±0.2)。每组实验重复3次。

苹果片的干基含水率[12]为

(1)

式中：Mt代表t时刻样品的干基含水率；Wt为t时刻样品的质量；Wd为干物质质量。

无量纲水分比[13]为

(2)

式中：M0为初始干基含水率；Me为最终平衡含水率。平衡含水率表示样品失水和吸水达到动态平衡，水分不能继续被除去，其数值较小，相对于Mt，其数值可忽略，故可将平衡含水率视为0。式(2)可简化[14]为

(3)

干燥速率为

(4)

式中：DR为干燥速率；Mt+Δt代表t+Δt时刻下样品的干基含水率。

2 结果与分析

2.1 超声干燥中的微流现象

图2为不同时刻下(0、3 s、6 s、9 s)聚苯乙烯微球在气介超声作用下的位移图。图中，蓝色圆圈标记的是聚苯乙烯微球在不同时刻下的位置，红色箭头代表聚苯乙烯微球旋转的方向。由图可见，气介超声作用下的液滴内产生了微流现象，促使聚苯乙烯微球在微流作用下产生定向移动，从而增加水分的蒸发速率，减少扩散边界层。

图2 气介超声作用下聚苯乙烯微球的位移图

图3为COMSOL Multiphysics对超声激励小液滴产生微流现象的仿真结果图，其与图2中聚苯乙烯微球的运动速度保持相对一致，分别将激励边界位移的特征长度设为3 μm和5 μm。

图3 COMSOL Multiphysics仿真结果图

由图3(a)、(b)可见，施加的声功率越大，则声流速越大，图中带箭头的流线表示速度场，颜色梯度表示速度大小。图3(c)～(f)采用COMSOL Multiphysics粒子追踪模块，确定聚苯乙烯微球在声场中随时间变化的运动状态，由图可看出，在不同时刻(0、3 s、6 s、9 s)下，液滴内的聚苯乙烯微球受斯托克斯力在声场中的分布情况。

2.2 超声干燥对苹果片表面微观结构的影响

图4为新鲜苹果，功率为20 W超声作用及无超声作用下的苹果片组织结构。图中明亮部分代表细胞壁，苹果细胞通过细胞壁彼此相连。由图4(a)、(b)可看出，新鲜苹果的微观结构较为均匀和紧凑。由图4(c)、(d)可看出，与新鲜苹果相比，超声干燥后的苹果组织的孔隙明显增大，这是由超声的“海绵效应”所导致，即超声作为一种机械力在不断拉扯苹果组织结构，从而使苹果组织的孔隙逐渐增大，这将有利于苹果内部的水分扩散，进而缩短苹果片的脱水过程。由图4(e)、(f)可见大量的细胞变形和结构坍塌，且坍塌处明显多于超声干燥后的苹果片，这表明超声干燥能更好地保持样品的微观结构，抑制样品内部微观结构的坍塌和孔隙度的收缩，改善其质构性质[15]。

图4 苹果组织在显微镜下的结构

2.3 不同超声功率对苹果片干燥特性的影响

图5分别比较了不同超声功率下苹果片无量纲水分比及干燥速率随时间的变化图。由图5(a)可见，与未加超声作用的苹果片相比，超声处理后的苹果片含水率显著降低，且超声功率越大，含水率下降越明显。随着超声功率的增大，超声的机械效应越强，则越有利于样品内自由水的流动，同时减少了水分与细胞组织间的吸附力，从而有效提高了传质速率，进而缩短了干燥时间。由图5(b)可看出，超声可在短时间内迅速提升苹果片的干燥速率，且选用的超声功率越大，苹果片的干燥速率提升越快。因此，为了获得更好的干燥效果，可选用功率较大的超声进行干燥处理。

图5 不同超声功率下苹果片干燥过程中的无量纲水分比和干燥速率曲线

3 结束语

采用实验结合COMSOL仿真的方法，研究了气介超声对自由水干燥的影响。借助荧光显微镜观察分析了气介超声干燥对苹果片表面微观结构的影响，探究不同声功率下苹果片干燥过程中无量纲水分比及干燥速率随时间的变化规律。结果表明，自由水在气介超声作用下产生微流现象，这将有利于自由水的蒸发，减少扩散边界层，COMSOL仿真微流结果与实验保持相对一致。气介超声处理后的苹果片组织孔隙变大，这将有利于苹果内部的水分扩散。与自然干燥后的苹果片相比，气介超声干燥后的苹果片组织细胞变形和结构坍塌更少，这表明气介超声能更好地保持苹果片的微观结构，改善其质构性质；与未加超声作用的苹果片相比，气介超声处理后的苹果片含水率显著降低，且超声功率越大，含水率下降越明显；同时气介超声可在短时间内迅速提升苹果片的干燥速率，选用的超声功率越大，苹果片的干燥速率提升越快。上述结果为更好地解释气介超声的干燥机制提供了参考。