鞏鵬飛，趙慶生，趙兵

（1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

超聲波應(yīng)用于食品干燥的研究進(jìn)展

鞏鵬飛1，2，趙慶生1，*，趙兵1，*

（1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

超聲波干燥具有降低干燥溫度，縮短干燥總時(shí)間，減少干制品質(zhì)量損失的優(yōu)點(diǎn)，可與其他干燥方式耦合，用于不同種類食品的干燥。就超聲波干燥與其他干燥技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于食品工業(yè)做一綜述，探究超聲波對(duì)食品干燥時(shí)間及干燥品質(zhì)的影響。

超聲波；食品干燥；干燥時(shí)間；干燥品質(zhì)

干燥是食品工業(yè)生產(chǎn)中重要的操作單元，常用的干燥方法有熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、滲透干燥等。在工業(yè)生產(chǎn)中，食品干燥應(yīng)最大程度保留食品的營(yíng)養(yǎng)成分和活性成分，保持良好的口感和色澤，且干燥成本不宜過(guò)高，而現(xiàn)有干燥方法均不同程度地存在傳質(zhì)傳熱效率低，干燥時(shí)間長(zhǎng)，干燥過(guò)程能耗偏高，干燥后產(chǎn)品質(zhì)量低等問(wèn)題。因此，需要開(kāi)發(fā)新的干燥技術(shù)以滿足節(jié)能高效并獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的綠色化生產(chǎn)需求。

在食品工業(yè)中，超聲波被用于超聲提取、超聲滅菌等領(lǐng)域。由于超聲波強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱效果明顯，近年來(lái)，其在食品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛。本文對(duì)超聲波耦合熱風(fēng)干燥、冷凍干燥、滲透干燥、真空干燥、紅外干燥、熱泵干燥在食品干燥中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)超聲波干燥的前景進(jìn)行了展望。

1 超聲波在食品干燥中應(yīng)用的機(jī)理

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，是在介質(zhì)中傳播的有彈性的機(jī)械震蕩。超聲波與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)會(huì)強(qiáng)化物料的干燥過(guò)程。（1）熱效應(yīng)：超聲波在物料中傳播產(chǎn)生的振動(dòng)能量不斷被物料吸收，從而使被干燥物料溫度升高，干燥過(guò)程加快；（2）機(jī)械效應(yīng)：超聲波的輻射壓強(qiáng)和強(qiáng)聲壓強(qiáng)會(huì)作用于物料，對(duì)物料反復(fù)壓縮和拉伸，使物料不斷收縮和膨脹，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)效應(yīng)產(chǎn)生的作用力大于水分表面附著力時(shí)會(huì)促進(jìn)物料的水分脫除。同時(shí)，超聲波在固-液界面和氣-固界面產(chǎn)生的劇烈擾動(dòng)有利于形成微小管道，降低邊界層的擴(kuò)散，促進(jìn)水分的遷移[1]；（3）空化效應(yīng)：超聲波在液體中傳播時(shí)，形成的空化泡在超聲波作用下不斷生長(zhǎng)，最終崩裂并在局部微小區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓，瞬時(shí)溫度可達(dá)5 200 K，瞬間壓強(qiáng)可達(dá)5.05×107Pa，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速高達(dá)400 km/h的微射流[2]，這種現(xiàn)象被稱作空化效應(yīng)。空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波會(huì)引起水分子湍流擴(kuò)散，靠近固體表面產(chǎn)生的微射流會(huì)造成水分子與固體表面分子間結(jié)合鍵的斷裂，有利于除去與物料緊密結(jié)合的水分，因此空化效應(yīng)是超聲波干燥的主要效應(yīng)。

2 超聲波在食品干燥中的應(yīng)用

2.1 超聲波-熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥所需設(shè)備簡(jiǎn)單，干燥過(guò)程易控制，生產(chǎn)成本較低，90%以上的脫水食品的生產(chǎn)采用熱風(fēng)干燥[3]。為了提高干燥效率，熱風(fēng)干燥通常在較高溫度下進(jìn)行，這就增加了干燥過(guò)程中的能耗，同時(shí)高溫不利于食品中熱敏性成分和某些活性成分的保存[4]。將超聲波用于熱風(fēng)干燥可降低熱風(fēng)干燥溫度，減少耗能，提高熱風(fēng)干燥效率。BantleM[7]利用超聲波-熱風(fēng)干燥鱈魚(yú)，當(dāng)超聲強(qiáng)度為25W/kg，干燥溫度為43℃時(shí)，超聲波可使熱風(fēng)干燥時(shí)間縮短43%。

將超聲波應(yīng)用于熱風(fēng)干燥還有利于營(yíng)養(yǎng)成分的保留。Rodríguezó等[8]在30、50、70℃條件下，分別用熱風(fēng)干燥和超聲波-熱風(fēng)干燥處理蘋(píng)果，當(dāng)干燥溫度為30℃時(shí)，超聲波-熱風(fēng)干燥得到的蘋(píng)果總酚含量和類黃酮含量最高。這是由于超聲波可降低蘋(píng)果的外部傳質(zhì)阻力，同時(shí)表面水分蒸發(fā)速率提高，干燥時(shí)間縮短，因此營(yíng)養(yǎng)成分受熱破壞較小，保留量較高。

在超聲波-熱風(fēng)干燥過(guò)程中，干燥時(shí)間不僅受溫度、風(fēng)速的影響，超聲波功率同樣會(huì)對(duì)干燥過(guò)程產(chǎn)生影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，超聲波功率越大，熱風(fēng)干燥時(shí)間越短。Gamboa-Santos J和Kadam SU分別對(duì)草莓[5]和褐藻[6]進(jìn)行超聲波預(yù)處理，超聲波功率越大，熱風(fēng)干燥時(shí)間越短，草莓和褐藻的干燥時(shí)間最多可縮短13%～44%和12.62%。

2.2 超聲波-冷凍干燥

冷凍干燥適用于熱敏性或易發(fā)生氧化的食品，采用冷凍干燥可較好的維持食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分含量、色澤和氣味[11-12]。由于冷凍干燥耗能高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品成本高，冷凍干燥的應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到了限制[14]。將超聲波用于冷凍干燥可一定程度上實(shí)現(xiàn)干燥速率、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)耗能三者間的平衡，滿足消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)凍干食品的需求。

由于超聲波有助于除去物料中的結(jié)合水，因此將超聲波用于冷凍干燥可顯著提高物料在低溫下的水分?jǐn)U散，從而促進(jìn)冷凍干燥過(guò)程。楊菊芳等[19]發(fā)現(xiàn)，在最適合的超聲條件下，酸奶的干燥時(shí)間可縮短64.7%。同樣，利用超聲波-冷凍干燥鱈魚(yú)，鱈魚(yú)的傳質(zhì)能力提高，干燥時(shí)間縮短[20]，干制品的復(fù)水率提高[21]。

超聲波與冷凍干燥耦合可提高干制品品質(zhì)。Santacatalina JV等[17]發(fā)現(xiàn)，超聲波預(yù)處理使蘋(píng)果在干燥過(guò)程中水分有效擴(kuò)散系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)分別提高至冷凍干燥的501%和148%，同時(shí)蘋(píng)果的總酚含量、類黃酮含量等營(yíng)養(yǎng)成分得到了較好的保留，抗氧化能力未受到顯著影響。此外，有同樣研究表明超聲波-冷凍干燥后的蘋(píng)果片顏色更加潔白，維生素C保留量更高[18]。因此，超聲波-冷凍干燥有利于得到品質(zhì)更高的干制品。

2.3 超聲波-滲透脫水

滲透脫水技術(shù)一般用于果蔬干燥前處理、果脯和濃縮果汁的加工等，可抑制農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生褐變，有助于維持產(chǎn)品品質(zhì)[22]，但單純的采用該技術(shù)干燥農(nóng)產(chǎn)品所需干燥時(shí)間較長(zhǎng)，因此可將超聲波用于果蔬的滲透脫水，以提高脫水速率，并使?fàn)I養(yǎng)成分得到較好的保留[23]。

NowackaM等[25]用35 kHz的超聲波分別處理獼猴桃片10、20、30min，然后將獼猴桃片浸沒(méi)于溫度25℃、濃度61.5%（w/w）蔗糖溶液中0、10、20、30、60、120min。利用掃描電鏡對(duì)處理后的獼猴桃片檢測(cè)，結(jié)果表明超聲處理10min后會(huì)使獼猴桃細(xì)胞膜間形成微通道，提高了獼猴桃的傳質(zhì)速率。不僅超聲波作用時(shí)間會(huì)對(duì)滲透脫水過(guò)程產(chǎn)生影響，超聲波功率大小也會(huì)對(duì)滲透脫水過(guò)程產(chǎn)生影響。在超聲波強(qiáng)化白蘿卜的滲透脫水過(guò)程中，在一定范圍內(nèi)，超聲波功率越大，處理時(shí)間越長(zhǎng)，白蘿卜脫水速率越快[24]。

需要指出的是，超聲波滲透脫水得到的產(chǎn)品仍具有一定的含水率，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保藏，還需采取熱風(fēng)干燥或冷凍干燥等方法進(jìn)一步除去物料中的水分[28-29]。

2.4 超聲波-真空干燥

真空干燥是在一定真空度下除去物料中水分的干燥技術(shù)。真空干燥可以提高物料干燥過(guò)程中水分?jǐn)U散速率及傳質(zhì)傳熱速率，Ba?lar M等[31]利用超聲真空干燥、真空干燥以及烘干處理魚(yú)片的研究表明，超聲波可進(jìn)一步提高魚(yú)片在干燥過(guò)程中的傳質(zhì)傳熱速率，縮短干燥時(shí)間。雖然超聲真空干燥耗能高于真空干燥，但超聲真空干燥所需干燥溫度低，干燥時(shí)間短，因此與烘干相比更加經(jīng)濟(jì)節(jié)約，在食品干燥工業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛力。Chen等[32]采用同樣的方法比較胡蘿卜片的干燥，結(jié)果顯示超聲波使胡蘿卜片真空干燥時(shí)間縮短了41%～53%，超聲真空干燥胡蘿卜片的復(fù)水能力、β-胡蘿卜素含量以及維生素C含量均高于真空干燥和烘干胡蘿卜片。與Ba larM研究結(jié)果不同的是，胡蘿卜超聲真空干燥能耗最低。這可能與被測(cè)樣品種類及實(shí)驗(yàn)儀器不同有關(guān)。

2.5 超聲波-紅外干燥

紅外干燥基于水分吸收紅外輻射的特性，可使物料快速干燥，具有熱效率高，產(chǎn)品品質(zhì)好的特點(diǎn)[33]。陳文敏[34]等發(fā)現(xiàn)，超聲波預(yù)處理會(huì)改變紅棗表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)紅棗的紅外干燥過(guò)程。在適宜超聲條件下，超聲預(yù)處理得到的干制紅棗顏色更加新鮮，維生素C含量、總酚含量和總黃酮含量均高于未超聲預(yù)處理的干燥紅棗。同時(shí)，經(jīng)超聲預(yù)處理的干制紅棗酸含量低于未超聲預(yù)處理的紅棗。因此，超聲波-紅外干燥紅棗可有效縮短干燥時(shí)間，并得到口感好，營(yíng)養(yǎng)成分含量高的干制品。Dujmic′F等[35]在梨片的超聲波-紅外干燥中也發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理可改變梨片的組織結(jié)構(gòu)，使得干制品的硬度和韌性降低，干燥總時(shí)間顯著縮短。

2.6 超聲波-熱泵干燥

熱泵干燥是一種高效節(jié)能、環(huán)境友好型的干燥技術(shù)[36-37]。但在熱泵干燥后期，會(huì)出現(xiàn)干燥速率降低、能耗比增加等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，將超聲波技術(shù)應(yīng)用于熱泵干燥可有效提高后期干燥速率，并降低干燥反應(yīng)所需能耗。魏彥君[39]對(duì)南美白對(duì)蝦進(jìn)行超聲波輔助熱泵干燥，發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理可提高熱泵干燥過(guò)程中南美白對(duì)蝦的水分?jǐn)U散系數(shù)，干燥時(shí)間縮短，干燥能耗減少。同時(shí)，超聲波功率、頻率和處理時(shí)間不會(huì)對(duì)蝦肉的韌性、色澤、蝦青素含量等品質(zhì)造成影響。

3 展望

目前，超聲波在食品干燥中的應(yīng)用還存在一定的不足。首先，超聲波促進(jìn)物料干燥的效果受干燥過(guò)程中如風(fēng)速、物料形狀、物料堅(jiān)硬程度[40]等條件的影響。Garcia-Perez JV等[41]在研究超聲波-流化床干燥胡蘿卜時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速過(guò)高會(huì)破壞超聲場(chǎng)，降低超聲強(qiáng)度，減弱超聲波促進(jìn)胡蘿卜干燥的效果。另有研究發(fā)現(xiàn)由于葡萄籽較為堅(jiān)硬，超聲波在促進(jìn)葡萄籽干燥方面效果并不顯著[42-43]，因此當(dāng)超聲波產(chǎn)生的機(jī)械壓力小于物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力時(shí)，超聲波不會(huì)促進(jìn)物料的干燥過(guò)程。其次，由于空化效應(yīng)在超聲波強(qiáng)化干燥過(guò)程中占主導(dǎo)作用，隨著空化泡的減少，在干燥后期，空化效應(yīng)不再顯著[44-45]，超聲波促進(jìn)干燥的效果也相應(yīng)降低。空化效應(yīng)的強(qiáng)弱與超聲波功率大小、作用時(shí)間長(zhǎng)短的關(guān)系尚不明確，也制約了超聲波在食品干燥領(lǐng)域的推廣利用。

食品工業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)必然會(huì)對(duì)現(xiàn)有干燥技術(shù)提出新的要求，超聲波可通過(guò)改變物料微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)干燥過(guò)程的水分遷移，加快干燥速率，降低干燥溫度，縮短干燥時(shí)間，在食品工業(yè)中有巨大的應(yīng)用潛能和廣闊的發(fā)展空間。我們相信，通過(guò)對(duì)干燥工藝的進(jìn)一步探索和改進(jìn)，我們可以克服超聲波應(yīng)用于食品干燥所存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出更加節(jié)能高效的干燥技術(shù)，滿足實(shí)際生產(chǎn)中不斷產(chǎn)生的新需求。

[1]Sde la Fuente-Blanco,ERiera-Franco de Sarabia,VM Acosta-A－paricio,et al.Food drying process by power ultrasound[J].Ultrasonics,2006,44(S1)：e523-e527

[2]張嬋,鄭爽英.超聲空化效應(yīng)及其應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào), 2009,20(1)：136-138

[3]羅登林,徐寶成,朱文學(xué),等.功率超聲在熱風(fēng)干燥領(lǐng)域中的研究進(jìn)展[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2013,28(3)：123-128

[4]Sagar V R,Suresh K P.Recentadvances in drying and dehydration of fruits and vegetables：a review[J].Journal of Food Science and Technology,2010,47(1)：15-26

[5]Gamboa-Santos J,Montilla A,Cárcel JA,et al.Air-borne ultrasound application in the convective drying of strawberry[J].Journal of Food Engineering,2014,128：132-139

[6]Kadam SU,Tiwari B K,O'Donnell C P.Effect of ultrasound pretreatmenton the drying kineticsof brown seaweed Ascophyllum nodosum[J].Ultrasonics Sonochemistry,2015,23：302-307

[7]Bantle M,Eikevik TM.A study of the energy efficiency of convective drying systemsassisted by ultrasound in the production of clipfish[J].JournalofCleaner Production,2014,65：217-223

[8]Rodríguezó,Santacatalina JV,Simal S,et al.Influence of power ultrasound application on drying kinetics of apple and its antioxidantandmicrostructural properties[J].Journal of Food Engineering, 2014,129：21-29

[11]劉軍,張世偉.鹿茸的凍干新工藝及性質(zhì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2011,31(2)：229-232

[12]趙文亞,張慜.不同干燥方式對(duì)杏鮑菇品質(zhì)的影響[J].北方園藝, 2015(23)：134-137

[14]吳陽(yáng)陽(yáng),李敏,關(guān)志強(qiáng),等.預(yù)處理方法在食品冷凍干燥中的應(yīng)用分析[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2015,36(9)：135-140

[17]Santacatalina JV,Rodríguez O,Simal S,et al.Ultrasonically enhanced low-temperature drying ofapple：Influenceon drying kineticsand antioxidantpotential[J].Journal of Food Engineering,2014, 138：35-44

[18]周頔,孫艷輝,蔡華珍,等.超聲波預(yù)處理對(duì)蘋(píng)果片真空冷凍干燥過(guò)程的影響[J].食品工業(yè)科技,2015,36(22)：282-286

[19]楊菊芳,周正,吳昊,等.超聲波強(qiáng)化真空冷凍干燥酸奶中水分蒸發(fā)的研究[J].食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2014,32(1)：53-58

[20]César O,Per MW,Enrique R,etal.Influence of high power ultresound application on drying kineticsofsalted cod(GadusMorhua)at loWtemperature[R].European Drying Conference,2013

[21]César O,Per MW,Carmen R,et al.Influence of high power ultrasound application on drying of salted cod(GadusMorhua).Effects on rehydration capacity and structureofdried samples[R].European Drying Conference,2013

[22]張曉敏,蘭彥平,周連第,等.果蔬滲透脫水技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2012,33(9)：204-207

[23]蘭冬梅,許平,林曉嵐,等.超聲波輔助滲透脫水預(yù)處理的農(nóng)產(chǎn)品干制研究進(jìn)展[J].亞熱帶農(nóng)業(yè)研究,2015,11(5)：133-138

[24]吳曉霞,張華余,張衛(wèi)紅,等.超聲場(chǎng)強(qiáng)化白蘿卜滲透脫水研究[J].食品科技,2013,38(5)：112-116

[25]Nowacka M,Tylewicz U,Laghi L,et al.Effect of ultrasound treatment on the water state in kiwifruit during osmotic dehydration[J]. Food Chemistry,2014,144：18-25

[28]Liu Y,Wu J,Chong C,et al.Ultrasound assisted osmotic dehydration aspretreatment forhot-air dryingof carrot[J].Food Scienceand Technology Research,2014,20(1)：31-41

[29]劉云宏,吳建業(yè),劉建學(xué),等.超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥梨的研究[J].食品科學(xué),2014,35(3)：23-28

[31]Ba?lar M,Klll?ll M,Yallnkllll B.Dehydration kinetics of salmon and trout filletsusingultrasonic vacuum dryingasanovel technique [J].UltrasonicsSonochemistry,2014,26：182-190

[32]Chen ZG,Guo X Y,Wu T.A noveldehydration technique for carrot slices implementing ultrasound and vacuum dryingmethods[J].Ultrasonics Sonochemistry,2016,30：28-34

[33]王洪彩,張慜,王兆進(jìn).香菇中短波紅外干燥的試驗(yàn)[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2013,32(7)：698-705

[34]陳文敏,彭星星,馬婷,等.超聲處理對(duì)中短波紅外干燥紅棗時(shí)間及品質(zhì)的影響[J].食品科學(xué),2015,36(8)：74-80

[35]Dujmic′F,Brncˇic′M,Karlovic′S,etal.Ultrasound-assisted infrared drying ofpear slices：textural issues[J].Journalof Food Process Engineering,2013,36(3)：397-406

[36]宋小勇,鐘宇,鄧云.熱泵干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,32(4)：60-70

[37]王安建,高帥平,田廣瑞,等.花生熱泵干燥特性及動(dòng)力學(xué)模型[J].農(nóng)產(chǎn)品加工,2015(5)：57-60

[39]魏彥君.南美白對(duì)蝦超聲波輔助熱泵干燥動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)特性研究[D].淄博：山東理工大學(xué),2014

[40]Ozuna C,Cárcel JA,Santacatalina JV,etal.Textural propertiesof vegetables：a key parameteron ultrasonic assisted convective drying [C].Processings of 11th International Congress on Engineering and Food,2011

[41]Garcia-Perez JV,Carcel JA,Fuente-Blanco S,et al.Ultrasonic dryingof foodstuff in a fluidized bed：Parametric study[J].Ultrasonics,2006,44(S1)：e539-543

[42]Milani JM.Moisture dependent physical properities of black grape seed[J].International Journalof Food Engineering,2010,6：1-15

[43]Clemente G,Sanjuán N,Cárcel JA,etal.Influence of temperature, air velocity,and ultrasound application on drying kinetics of grape seeds[J].Drying Technology,2013,32(1)：68-76

[44]Rooze J,Rebrov E V,Schouten JC,et al.Dissolved gas and ultrasonic cavitation--a review[J].Ultrasonics Sonochemistry,2013,20 (1)：1-11

[45]Liu L,Yang Y,Liu P,etal.The influence of air content in water on ultrasonic cavitation field[J].UltrasonicsSonochemisty,2014,21(2)：566-571

Research Progress of Ultrasound in Foodstuff Drying

GONGPeng-fei1，2，ZHAOQing-sheng1，*，ZHAOBing1，*
（1.State Key Laboratory of Biochemical Engineering，Instituteof ProcessEngineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.Graduate UniversityofChinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

Asan emergent technology，ultrasonic drying has the advantage of drying rapidly at loWtemperature withoutaffecting the quality of the product.So it isbecomingwidely used in drying different kinds of food.This papermainly reviewed the developmentof ultrasonic drying in combination with different drying techniques in food industry.Then itprovided a discussion of the influence ofultrasound on drying timeand drying quality.

ultrasound；food drying；drying time；dryingquality

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.07.044

2016-05-19

國(guó)家自然基金青年基金（21506220）

鞏鵬飛（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：植物細(xì)胞工程及天然產(chǎn)物生物煉制。

*通信作者：趙慶生，副研究員；趙兵，研究員，博士生導(dǎo)師。