田伏錦，劉云宏,2,*，黃雋妍，曹獻(xiàn)豪，薛思成，雷雨晴,2

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.河南省食品原料工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471023）

馬鈴薯為茄科多年生草本植物，又名土豆、洋芋等，是人們喜愛(ài)的蔬菜之一。馬鈴薯富含淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、酚類(lèi)、維生素、氨基酸等多種人體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]，具有較高的食用價(jià)值，能夠增強(qiáng)人體免疫力、促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，可有效預(yù)防肥胖、糖尿病、抑郁癥、腫瘤及腦血管疾病等[2]。馬鈴薯貯存不當(dāng)會(huì)造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失乃至腐敗變質(zhì)，因此，通過(guò)干燥處理減少馬鈴薯的水分含量并降低水分活度，可有效抑制微生物的滋生及有效成分的降解，從而延長(zhǎng)貨架期，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值及食用價(jià)值。目前常用的馬鈴薯干燥方法為熱風(fēng)干燥[3-4]，雖然設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單，但其干燥溫度較高（40～80 ℃），不利于物料品質(zhì)及其熱敏性成分的保護(hù)。因此，為提高馬鈴薯干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，可通過(guò)降低干燥溫度及受熱強(qiáng)度來(lái)減少物料熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分的降解與損失，從而增加干制品的經(jīng)濟(jì)與食用價(jià)值。

近年來(lái)，冷風(fēng)干燥技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。冷風(fēng)干燥是一種通過(guò)熱泵系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生低溫、低濕的干燥介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下（5～30 ℃）脫除水分的新型干燥方法[5]。冷風(fēng)干燥最大的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)低溫干燥來(lái)抑制物料內(nèi)部各種酶促反應(yīng)的進(jìn)行及有效成分的降解，達(dá)到有效保護(hù)物料營(yíng)養(yǎng)成分、色澤、質(zhì)地的目的。有關(guān)洋蒲桃[5]、香椿芽[6]、海參[7]的冷風(fēng)干燥研究表明，相比于熱風(fēng)、晾干等其他干燥方式，冷風(fēng)干燥更有利于產(chǎn)品品質(zhì)的保護(hù)。陳子豪等[8]采用冷風(fēng)干燥與多種干燥方式進(jìn)行仿刺參的干燥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明冷風(fēng)干燥更利于營(yíng)養(yǎng)成分的保留，且具有很好的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)用性。雖然冷風(fēng)干燥可以通過(guò)低溫干燥來(lái)有效保護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)，但同時(shí)產(chǎn)生了水分傳遞慢、干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。為此，可在冷風(fēng)干燥過(guò)程中施加有效的輔助措施來(lái)強(qiáng)化其傳質(zhì)過(guò)程，從而在不提高溫度的情況下縮短干燥時(shí)間、提高干燥效率。

超聲是一種有效的強(qiáng)化傳質(zhì)方法，超聲強(qiáng)化干燥技術(shù)的應(yīng)用也日趨廣泛[9-10]。在干燥過(guò)程中采用超聲強(qiáng)化，超聲的機(jī)械效應(yīng)可使物料組織產(chǎn)生快速、高頻的振動(dòng)與擴(kuò)張收縮來(lái)增加組織流動(dòng)孔道數(shù)量；超聲的空化效應(yīng)可通過(guò)激發(fā)生成微泡及其劇烈爆破來(lái)提高水分流動(dòng)性[11]，從而減少物料內(nèi)部水分遷移阻力并促進(jìn)內(nèi)部水分?jǐn)U散，實(shí)現(xiàn)干燥速率的有效提高。目前多采用氣介式超聲技術(shù)[12]，但此方法會(huì)造成大量超聲能量在介質(zhì)傳播過(guò)程中損耗，從而降低超聲效率。而采用直觸式超聲強(qiáng)化技術(shù)，即物料直接放在超聲輻射板上，超聲能量可不通過(guò)任何氣體介質(zhì)而直接傳播到物料內(nèi)部，進(jìn)而有效提高物料內(nèi)部傳質(zhì)速率及超聲能量利用率。現(xiàn)有的超聲強(qiáng)化干燥研究多為干燥前的超聲預(yù)處理及熱風(fēng)干燥過(guò)程的超聲強(qiáng)化[13-14]，有關(guān)超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥的研究十分匱乏。

綜上可知，冷風(fēng)干燥有保護(hù)物料品質(zhì)、提高物料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)，但又具有傳質(zhì)速率慢的缺陷，而超聲強(qiáng)化干燥具有提高物料傳質(zhì)效率的特點(diǎn)；因此，將超聲強(qiáng)化應(yīng)用于冷風(fēng)干燥，理論上可增強(qiáng)傳質(zhì)效果，在不提高溫度、保證物料品質(zhì)的前提下有效縮短冷風(fēng)干燥時(shí)間，提高干燥效率。目前，超聲對(duì)冷風(fēng)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)研究鮮有報(bào)道，也鮮見(jiàn)關(guān)于馬鈴薯直觸式超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥的研究。本實(shí)驗(yàn)將直觸式超聲強(qiáng)化與冷風(fēng)干燥技術(shù)相結(jié)合，以馬鈴薯為實(shí)驗(yàn)材料，研究超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥的干燥特性及微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程的Weibull模型，探討超聲功率對(duì)冷風(fēng)干燥馬鈴薯中營(yíng)養(yǎng)成分的影響，并采用層次分析法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以期為超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥理論研究及技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用新鮮馬鈴薯原料購(gòu)于河南省洛陽(yáng)市大張超市，要求物料新鮮無(wú)損、成熟度一致，購(gòu)買(mǎi)后在2～4 ℃條件下冷藏備用。采用105 ℃烘箱法測(cè)量新鮮馬鈴薯干燥前后質(zhì)量變化，經(jīng)計(jì)算可得新鮮馬鈴薯的初始干基含水率為（4.97±0.08）g/g（干基，下同）。

沒(méi)食子酸（純度≥95%）、Folin-Ciocalteu試劑、兒茶素（純度≥95%） 上海源葉生物科技有限公司；2,4-二硝基苯肼、硫脲、鹽酸、硫酸、碳酸鈉、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、草酸、抗壞血酸等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的超聲冷風(fēng)干燥裝置是在LFGZX-3型熱泵式冷風(fēng)干燥機(jī)（浙江湖州歐勝電器有限公司）中加裝一套超聲系統(tǒng)組裝而成，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。熱泵式冷風(fēng)干燥機(jī)中干燥介質(zhì)溫度、流速、相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)范圍分別為5～30 ℃、0.5～5.0 m/s、20%～90%，工藝參數(shù)可在控制面板讀取和控制。超聲系統(tǒng)主要包括超聲換能器和超聲發(fā)生器。超聲換能器由不銹鋼超聲振動(dòng)盤(pán)（直徑150 mm）、超聲振子、支撐桿及底盤(pán)組成。超聲換能器的諧振頻率為（28.0±0.5）kHz，諧振抗阻≤20 Ω，功率可在0～60 W范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。超聲換能器通過(guò)電纜與置于干燥機(jī)外面的超聲發(fā)生器相連，其工作參數(shù)由超聲發(fā)生器直接控制。干燥時(shí)，物料放在超聲振動(dòng)盤(pán)表面并一同放于干燥箱內(nèi)，超聲振子發(fā)射的超聲波可通過(guò)超聲振動(dòng)盤(pán)直接傳至物料。

圖 1 超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥設(shè)備Fig. 1 illustration of the ultrasonic-assisted cold air dryer

其他儀器與設(shè)備：切片機(jī) 德州天馬糧油機(jī)械有限公司；Scout SE型電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；SB-120DT型超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；T6新世紀(jì)型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司；JSM-6010LA型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會(huì)社。

1.3 方法

1.3.1 干燥處理

干燥開(kāi)始前，設(shè)定好所需溫度與功率，將風(fēng)速固定為3 m/s、介質(zhì)相對(duì)濕度設(shè)定為25%。將馬鈴薯洗凈、去皮，用切片機(jī)將馬鈴薯切成直徑為40 mm、厚度為3 mm的圓形薄片，每組干燥實(shí)驗(yàn)取約11 個(gè)馬鈴薯片，質(zhì)量范圍為50～55 g。為抑制干燥過(guò)程中的酶促褐變，將切好的馬鈴薯片放入沸水鍋中蒸2 min進(jìn)行鈍酶殺青處理，隨后迅速取出并用吸水紙吸取表面多余水分，將處理后的物料平鋪在超聲振動(dòng)盤(pán)上并稱(chēng)質(zhì)量，隨即將物料和超聲換能器一同放入冷風(fēng)干燥箱，關(guān)閉箱門(mén)，開(kāi)啟超聲發(fā)生器電源，干燥開(kāi)始。超聲功率和時(shí)間均由干燥機(jī)外部的超聲發(fā)生器控制。干燥過(guò)程中，前3.5 h每隔30 min暫停超聲，將物料連同超聲振動(dòng)盤(pán)一同取出并稱(chēng)其質(zhì)量，隨后每隔1 h取出并稱(chēng)其質(zhì)量，稱(chēng)質(zhì)量后迅速將物料放回，繼續(xù)進(jìn)行超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥。當(dāng)連續(xù)兩次質(zhì)量讀數(shù)不變時(shí)，即干燥結(jié)束。

在研究過(guò)程中，分別設(shè)定溫度為10、20、30 ℃，超聲功率為0、24、48 W，探究各參數(shù)對(duì)干燥特性及品質(zhì)特性的影響。為控制超聲的熱效應(yīng)及對(duì)物料升溫的影響[11]，本研究采用了較低的超聲功率而沒(méi)有使用最大超聲功率。為更好探究超聲功率與干燥溫度對(duì)馬鈴薯干燥特性與品質(zhì)指標(biāo)的影響，本研究固定了風(fēng)速、物料量、物料厚度等其他干燥參數(shù)。每組干燥實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次。

1.3.2 干燥指標(biāo)的計(jì)算

1.3.2.1 物料干基含水率的計(jì)算

物料干基含水率按公式（1）計(jì)算。

式中：M為物料干基含水率/（g/g）；m為物料質(zhì)量/g；md為絕干物質(zhì)質(zhì)量/g。

1.3.2.2 物料干燥速率的計(jì)算

干燥速率按公式（2）計(jì)算。

式中：DR為干燥速率/（g/（g·min））；Mt1為t1時(shí)刻的干基含水率/（g/g）；Mt2為t2時(shí)刻的干基含水率/（g/g）。

1.3.2.3 物料水分比的計(jì)算

物料水分比按公式（3）[15]計(jì)算。

式中：Mt為物料在t時(shí)刻的干基含水率/（g/g）；M0為物料的初始含水率/（g/g）；Me為物料的平衡含水率/（g/g）。

采用靜態(tài)等溫吸附法[16]，測(cè)得相對(duì)濕度為25%時(shí)，馬鈴薯片在10、20、30 ℃下對(duì)應(yīng)的平衡含水率分別為0.048、0.041、0.035 g/g。

1.3.2.4 Weibull分布函數(shù)的干燥過(guò)程擬合

Weibull分布函數(shù)是表征和擬合干燥過(guò)程的常用公式，其表達(dá)式如式（4）[17]所示。

式中：MR為水分比；α為尺度參數(shù)/min；β為形狀參數(shù)。

擬合精度通過(guò)決定系數(shù)R2（式（5））及均方根誤差（root mean square error，RMSE）（式（6））來(lái)評(píng)價(jià)。

式中：N為測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；MRexp,i為干燥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)量的第i個(gè)水分比；MRpre,i為模型預(yù)測(cè)的第i個(gè)水分比；為干燥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中i個(gè)實(shí)際測(cè)量值的平均值。

Weibull函數(shù)的估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal估算公式如式（7）所示。

式中：Dcal為估算水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；L為馬鈴薯薄片厚度/m。

1.3.3 馬鈴薯品質(zhì)的測(cè)定

1.3.3.1 總酚含量的測(cè)定

總酚的提取與檢測(cè)采用Folin-Ciocaileu法，具體操作及方法參照文獻(xiàn)[18]。

1.3.3.2 總黃酮含量的測(cè)定

總黃酮的提取與檢測(cè)采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法，具體操作及方法參照文獻(xiàn)[19]。

1.3.3.3 VC含量的測(cè)定

VC的提取與檢測(cè)采用2,4-二硝基苯肼比色法，具體操作及方法參照文獻(xiàn)[20]。

1.3.3.4 馬鈴薯片微觀結(jié)構(gòu)的SEM檢測(cè)

將干制馬鈴薯片與超聲振動(dòng)盤(pán)接觸的表面切下并粘到掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）樣品臺(tái)上，噴金30 s后觀察馬鈴薯片表面微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)100 倍。

1.3.4 層次分析法

圖 2 馬鈴薯片超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥工藝目標(biāo)樹(shù)Fig. 2 Target tree for the ultrasonic-assisted cold air drying process of potato slices

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是將有關(guān)決策的元素分解成多個(gè)目標(biāo)、準(zhǔn)則等層次，以定性和定量分析相結(jié)合的綜合評(píng)定方法，具有靈活、簡(jiǎn)單、有效的優(yōu)點(diǎn)[21-22]。因此本研究采用層次分析法對(duì)超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本研究以總酚、總黃酮、VC含量3 個(gè)品質(zhì)指標(biāo)為多指標(biāo)性成分，建立超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥工藝評(píng)價(jià)的目標(biāo)樹(shù)（圖2）。

相對(duì)重要性是指兩指標(biāo)重要性之比，通過(guò)比較同一層次目標(biāo)的相對(duì)重要性，構(gòu)成兩兩比較矩陣，目標(biāo)樹(shù)各層次評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表 1 目標(biāo)樹(shù)各層次評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standards of the target tree at different levels

目標(biāo)樹(shù)3 項(xiàng)指標(biāo)中，由每行指標(biāo)重要性較每列指標(biāo)重要性之比得到相應(yīng)的相對(duì)重要性，經(jīng)成對(duì)比較判斷后得到優(yōu)先矩陣見(jiàn)表2。表中數(shù)據(jù)越大，表明行評(píng)價(jià)指標(biāo)較列評(píng)價(jià)指標(biāo)越重要。

表 2 馬鈴薯各指標(biāo)成對(duì)比較判斷的優(yōu)先矩陣Table 2 Priority matrix for pairwise comparison judgment of potato quality indexes

相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)（random index，RI）見(jiàn)表3。

表 3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI表Table 3 Mean random consistency index (RI)

一致性比例（consistency rate，CR）為一致性指標(biāo)（consistency index，CI）與RI的比（CR＝CI/RI）。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，說(shuō)明各指標(biāo)判斷優(yōu)先矩陣滿足一致性要求，即求得的權(quán)重系數(shù)合理有效。使用AHP 10.5軟件進(jìn)行分析，得到本研究總酚、總黃酮、VC含量各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.279 7、0.093 6、0.626 7。本實(shí)驗(yàn)中CR＝0.082 8＜0.1，滿足一致性要求。

指標(biāo)綜合評(píng)分計(jì)算的公式如式（8）所示。

式中：w為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 8.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。通過(guò)方差分析（analysis of variance，ANOVA）進(jìn)行顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥特性

本研究在干燥溫度為10、20、30 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)分別施加0、24、48 W的超聲，進(jìn)行馬鈴薯片直觸式超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)。不同超聲功率及溫度下馬鈴薯片的干燥曲線及干燥速率曲線如圖3～5所示。

圖 3 不同超聲功率下冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度10 ℃）Fig. 3 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 10 ℃

圖 4 不同超聲功率下冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度20 ℃）Fig. 4 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 20 ℃

圖 5 不同超聲功率下冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度30 ℃）Fig. 5 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 30 ℃

在所有干燥溫度條件下，隨著超聲功率的增大，物料的干燥時(shí)間明顯縮短，干燥速率顯著提高，ANOVA結(jié)果表明超聲功率對(duì)干燥時(shí)間影響顯著（P＜0.05）。以溫度20 ℃為例，當(dāng)附加超聲功率為24 W與48 W時(shí)，干燥時(shí)間分別為1 290 min和990 min，與未施加超聲的干燥時(shí)間（1 530 min）相比，分別縮短15.69%和35.29%；相應(yīng)平均干燥速率為0.48 g/（g·min）和0.59 g/（g·min），與未施加超聲時(shí)的0.37 g/（g·min）相比，分別提高了29.73%和59.46%?？梢?jiàn)，施加超聲對(duì)馬鈴薯冷風(fēng)干燥過(guò)程有明顯的強(qiáng)化效果。在冷風(fēng)干燥過(guò)程中，物料直接放在超聲振動(dòng)盤(pán)表面，超聲波及其能量可直接傳入物料內(nèi)部，超聲產(chǎn)生的高頻率振動(dòng)會(huì)使物料內(nèi)部組織受到較強(qiáng)的壓縮和膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致物料內(nèi)部發(fā)生高頻、快速的收縮和擴(kuò)展[23]，可增強(qiáng)物料內(nèi)部水分湍動(dòng)并提高水分子能量，同時(shí)降低物料內(nèi)部微細(xì)管內(nèi)水分的表面附著力，從而有效促進(jìn)水分的流動(dòng)與擴(kuò)散。此外，超聲空化效應(yīng)可在物料內(nèi)部液體中產(chǎn)生微小空泡，其瞬間爆破產(chǎn)生的爆破力與高頻振動(dòng)產(chǎn)生的破壞應(yīng)力會(huì)減弱與內(nèi)部流通管道緊密結(jié)合水分的附著力，進(jìn)而提高內(nèi)部水分的流動(dòng)性[24]。Fan kai等[25]在對(duì)果蔬進(jìn)行超聲對(duì)流干燥時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用超聲可增強(qiáng)干燥過(guò)程的水分?jǐn)U散和傳質(zhì)系數(shù)。隨著超聲功率的增強(qiáng)，超聲產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)隨之增強(qiáng)，物料內(nèi)部的組織振動(dòng)及水分湍動(dòng)也更為強(qiáng)烈，使得水分更易與物料內(nèi)部微細(xì)管壁分離并擴(kuò)散，從而有效提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間。

馬鈴薯的超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程在大多數(shù)條件下存在恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段，在48 W超聲作用下的干燥初始階段也近似為恒速階段，所有干燥過(guò)程均存在較明顯的轉(zhuǎn)化點(diǎn)，說(shuō)明馬鈴薯超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥存在表面汽化控制轉(zhuǎn)化為內(nèi)部擴(kuò)散控制的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的臨界含水率約在3.0～3.6 g/g（干基）區(qū)間內(nèi)。含水率較高時(shí)，物料表面充分濕潤(rùn)，物料所含水分均較為充足，且以自由水為主，致使該階段的表面水分蒸發(fā)速率恒定；隨著干燥的進(jìn)行，物料表面水分含量顯著減少甚至開(kāi)始出現(xiàn)干區(qū)，當(dāng)含水率降低至轉(zhuǎn)化含水率后，物料內(nèi)部質(zhì)熱傳遞阻力大于表面質(zhì)熱傳遞阻力，物料內(nèi)部水分來(lái)不及擴(kuò)散到物料表面，進(jìn)入到內(nèi)部擴(kuò)散控制階段，并伴隨著水分蒸發(fā)速率及干燥速率不斷降低。

由圖3～5還可看出，在干燥初期的恒速干燥階段，物料水分含量較高，較高超聲功率對(duì)應(yīng)的干燥速率要顯著高于較低功率的干燥速率，不同超聲功率條件下的干燥速率曲線有明顯差異；隨著干燥的進(jìn)行及物料水分含量的降低，干燥進(jìn)入到降速干燥階段，干燥速率的差異逐漸減小，直至與無(wú)超聲作用時(shí)的干燥速率曲線無(wú)明顯差異。這是由于在物料的干燥初期，物料含水率及內(nèi)部自由水分含量較高，此時(shí)超聲波在物料中傳播的衰減系數(shù)較小，超聲波在物料內(nèi)部傳播狀態(tài)較好，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械效應(yīng)與空化效應(yīng)[14]，與未施加超聲的物料相比，施加超聲的物料在初期的干燥速率明顯升高，且超聲功率越大，對(duì)干燥速率的強(qiáng)化效果越顯著。隨著干燥的進(jìn)行，物料內(nèi)部水分含量及自由水比例不斷降低，超聲波的衰減系數(shù)隨之變大[23]，超聲波能量在物料內(nèi)部擴(kuò)散的衰減加劇，不利于超聲的機(jī)械效應(yīng)與空化效應(yīng)，致使超聲對(duì)物料干燥的強(qiáng)化效果減弱，從而縮小了施加超聲與未施加超聲干燥速率的差距。在干燥后期，物料所含水分很少，超聲難以有效傳入物料內(nèi)部并對(duì)傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生顯著作用，導(dǎo)致干燥后期的干燥速率曲線最終無(wú)明顯差異。

圖3～5還表明冷風(fēng)溫度對(duì)超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯干燥特性的影響。ANOVA結(jié)果表明溫度對(duì)干燥時(shí)間影響顯著（P＜0.05）。例如，在48 W超聲功率條件下，30 ℃時(shí)所需的干燥時(shí)間比10 ℃的干燥時(shí)間縮短56.60%。這是由于溫度升高，干燥介質(zhì)與物料之間溫差變大，熱流密度隨之增加，提高了傳熱速率；同時(shí)溫度的升高會(huì)降低干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度，使物料與干燥介質(zhì)之間的蒸汽壓差增大，提高傳質(zhì)速率。傳熱和傳質(zhì)速率增大的結(jié)果是干燥時(shí)間的有效縮短。對(duì)比不同溫度下的干燥曲線可知，溫度的不同會(huì)導(dǎo)致超聲對(duì)干燥過(guò)程的強(qiáng)化效果不同。在溫度為10 ℃時(shí)，單純冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的時(shí)間為2 790 min，在施加24 W和48 W超聲功率后，時(shí)間分別縮短了23.65%及45.16%；溫度升至30 ℃時(shí)，施加24 W和48 W超聲功率后，干燥時(shí)間分別縮短21.62%及37.84%。由此可見(jiàn)，在低溫條件下，超聲對(duì)干燥時(shí)間的影響更為顯著。Cárcel等[26]研究了超聲對(duì)空化過(guò)程的影響，結(jié)果表明溫度越低，超聲的空化效應(yīng)越明顯，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。在干燥過(guò)程中，超聲對(duì)干燥速率的強(qiáng)化效果主要取決于超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，溫度升高會(huì)提高物料內(nèi)部水分蒸汽分壓并降低其表面張力[27]，增加了微泡爆破難度，在一定程度上會(huì)弱化超聲的強(qiáng)化效果。

圖 6 20 ℃不同超聲功率下超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯片表面的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 6 Surface microstructure images of potato slices dried with different ultrasonic powers at 20 ℃

不同超聲功率下超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯干制薄片與超聲輻射板接觸的表面微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示，對(duì)應(yīng)的干燥溫度為20 ℃。可見(jiàn)，沒(méi)有施加超聲強(qiáng)化的物料表面結(jié)構(gòu)致密，微孔道較小且少，這是由于干燥過(guò)程中物料的持續(xù)脫水與不斷收縮導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)趨于緊密，一些微孔因受擠壓而消失，這種現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)不利于水分?jǐn)U散。在施加24 W超聲后，可以看出物料表面微細(xì)孔道的數(shù)量明顯增多，直徑也有所增大。這是由于超聲的機(jī)械效應(yīng)與空化效應(yīng)擴(kuò)張和保護(hù)了原有的微細(xì)孔道，從而有利于水分的擴(kuò)散與遷移。在施加48 W超聲后，物料表面微細(xì)孔道的尺寸和數(shù)目繼續(xù)增大和增加，且出現(xiàn)了少量大孔和微小孔。增強(qiáng)超聲功率會(huì)顯著增加對(duì)物料表面的振蕩、擴(kuò)張收縮和沖擊，這些效應(yīng)如果足夠強(qiáng)，會(huì)擴(kuò)張一些原有微小孔道，從而出現(xiàn)少量較大孔洞。而新出現(xiàn)的少量微孔，一方面是超聲的強(qiáng)化效應(yīng)阻止了一些小孔道的收縮及消失；另一方面，也有可能是超聲的空穴效應(yīng)帶來(lái)的高頻振蕩和微泡爆破在物料表面產(chǎn)生了新的微孔。Sabarez等[10]也認(rèn)為超聲對(duì)干燥過(guò)程的強(qiáng)化效應(yīng)會(huì)使果蔬等多孔膠體物質(zhì)中產(chǎn)生新的毛細(xì)微管。表面微觀結(jié)構(gòu)的差異表明在馬鈴薯冷風(fēng)干燥過(guò)程中施加超聲強(qiáng)化處理，有利于增加和增大微細(xì)孔道，從而有利于傳質(zhì)及干燥的進(jìn)行，這與前述增大超聲功率有利于縮短馬鈴薯冷風(fēng)干燥時(shí)間的研究結(jié)果吻合。

2.2 馬鈴薯片超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程的Weibull分布函數(shù)擬合

利用Weibull分布函數(shù)對(duì)不同干燥條件下的馬鈴薯薄片超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表4。Weibull函數(shù)擬合的決定系數(shù)在0.998 5～0.999 9之間，RMSE在3.28×10-3～12.28×10-3之間，說(shuō)明Weibull分布函數(shù)可準(zhǔn)確描述馬鈴薯片超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程。

表 4 不同干燥溫度及超聲功率下Weibull函數(shù)模擬結(jié)果Table 4 Simulation of potato drying at different temperatures and ultrasonic powers with Weibull function

2.2.1 尺度參數(shù)α

Weibull函數(shù)中的尺度參數(shù)α為表示干燥過(guò)程中的速率常數(shù)，其約等于干燥過(guò)程完成63%所需要的時(shí)間。由表4可知，在單一冷風(fēng)干燥條件下，當(dāng)干燥溫度從10 ℃升至30 ℃時(shí)，α由928.876 min減少至395.288 min；在附加48 W超聲功率條件下，隨著干燥溫度從10 ℃提高到30 ℃，α從257.150 min減少至163.915 min?？梢?jiàn)，隨著溫度的升高，α減小，且隨著施加功率的提高，α的變化范圍縮小。由表4還可看出，干燥溫度為10 ℃，施加的超聲功率從0 W分別升至24 W和48 W時(shí)，所對(duì)應(yīng)的α自928.876 min分別減小至493.679 min和257.150 min；在干燥溫度為30 ℃的條件下，隨著超聲功率自0 W升高到24 W和48 W，α從395.288 min分別減少至283.767 min和163.915 min。上述結(jié)果表明在相同的干燥溫度下，提高超聲功率會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的α減小，說(shuō)明應(yīng)用直觸式超聲可明顯縮短冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的干燥時(shí)間，此結(jié)果與前述的超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2.2 形狀參數(shù)β

形狀參數(shù)β與干燥過(guò)程中水分的遷移有關(guān)[28]。由表4可知，在超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥馬鈴薯的過(guò)程中，不同條件下β的變化范圍為1.025～1.196，表明干燥過(guò)程屬于內(nèi)外水分共同擴(kuò)散控制[17]，表現(xiàn)為物料在干燥前期先出現(xiàn)延滯階段，在干燥后期則呈現(xiàn)干燥速率不斷降低，這與本實(shí)驗(yàn)先出現(xiàn)平緩的恒速階段，再出現(xiàn)降速階段的現(xiàn)象一致。由表4還可知，溫度的改變對(duì)β的影響不明顯，說(shuō)明在10～30 ℃范圍內(nèi)改變干燥溫度對(duì)水分遷移機(jī)制影響不明顯，這與Corzo等[28]的溫度不對(duì)β產(chǎn)生顯著影響的研究結(jié)果一致。

2.2.3 水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal

Weibull函數(shù)可在不考慮干燥過(guò)程中擴(kuò)散方式的情況下，估算干燥過(guò)程中的水分?jǐn)U散系數(shù)，尤其適合恒速階段與降速階段都出現(xiàn)的干燥過(guò)程[29]。不同干燥條件下的Dcal如表4所示，Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10m2/s范圍內(nèi)。Dcal隨著溫度的升高而升高，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，物料周?chē)諝庀鄬?duì)濕度減小，蒸氣壓差增大，從而加快傳質(zhì)速率。此外，干燥溫度的升高使物料溫度升高，內(nèi)部水分子能量增加，有利于水分的進(jìn)一步擴(kuò)散[17]。由表4還可知，超聲功率的增加可提高Dcal。例如，在20 ℃條件下，施加24 W和48 W超聲時(shí)的Dcal比未施加超聲時(shí)分別增加83.10%和223.24%，可見(jiàn)，在施加直觸式超聲的情況下，干燥物料內(nèi)部的擴(kuò)散阻力可顯著降低，從而提高內(nèi)部傳質(zhì)速率。超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)協(xié)同作用可增加物料內(nèi)部的水分流動(dòng)孔道數(shù)，減小微細(xì)管道上水分的附著力，提高水分活度，進(jìn)而促進(jìn)水分遷移和提高水分?jǐn)U散系數(shù)。

2.3 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產(chǎn)品的總酚含量

圖 7 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的總酚含量Fig. 7 Total phenol contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

馬鈴薯所含酚類(lèi)物質(zhì)豐富，是人們?nèi)粘ｏ嬍持欣^蘋(píng)果和橘子之后第3個(gè)酚類(lèi)物質(zhì)的重要來(lái)源[1,4]。不同超聲功率及溫度下馬鈴薯中總酚含量如圖7所示。總酚含量在239～487 mg/100 g，ANOVA結(jié)果表明超聲功率和干燥溫度對(duì)總酚含量的影響顯著（P＜0.05）。在相同功率條件下，隨著溫度的升高，總酚含量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì)。酚類(lèi)物質(zhì)具有較強(qiáng)的活性，在干燥過(guò)程中容易氧化降解，在低溫條件下（如10 ℃），雖然溫度低有利于減緩酚類(lèi)物質(zhì)的氧化速率，但由于干燥處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，致使酚類(lèi)物質(zhì)的氧化降解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致酚類(lèi)物質(zhì)較多的氧化降解；當(dāng)溫度分別升高至20 ℃和30 ℃時(shí)，干燥時(shí)間顯著縮短，酚類(lèi)物質(zhì)與空氣接觸的時(shí)間及對(duì)應(yīng)的氧化降解時(shí)間均隨之變短，從而提高了酚類(lèi)物質(zhì)的保存率[30]。由圖7還可看出，在溫度一定的條件下，總酚含量隨超聲功率的增加而升高。例如，在溫度為10 ℃和30 ℃時(shí)，單一冷風(fēng)干燥所得的物料總酚含量分別為239 mg/100 g和414 mg/100 g；當(dāng)外加24 W的超聲作用后，10 ℃和30 ℃所對(duì)應(yīng)的干燥物料中總酚含量分別升至268 mg/100 g和448 mg/100 g，提高幅度分別為12.1%和8.2%；繼續(xù)增加至48 W時(shí)，相應(yīng)總酚含量分別達(dá)到296 mg/100 g和487 mg/100 g，比單一冷風(fēng)干燥分別提高了23.8%和15.0%?？梢?jiàn)，在馬鈴薯冷風(fēng)干燥中施加超聲強(qiáng)化可對(duì)保護(hù)總酚物質(zhì)起到積極作用。隨著超聲功率的增加，物料的干燥時(shí)間及與環(huán)境中氧氣的接觸和反應(yīng)時(shí)間縮短，從而能有效減少酚類(lèi)物質(zhì)的降解，提高產(chǎn)品質(zhì)量。Ordó?ez-Santos等[31]通過(guò)對(duì)果汁施加超聲處理來(lái)研究產(chǎn)品的品質(zhì)變化，也發(fā)現(xiàn)超聲處理可明顯增加物料中總酚的利用率。

2.4 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產(chǎn)品的總黃酮含量

圖 8 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的總黃酮含量Fig. 8 Total fl avonoid contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

不同超聲功率及溫度下馬鈴薯中總黃酮含量及變化如圖8所示。馬鈴薯片的總黃酮含量范圍為47～61 mg/100 g，ANOVA結(jié)果表明超聲功率與干燥溫度均對(duì)總黃酮含量影響顯著（P＜0.05）。由圖8可知，在冷風(fēng)干燥中，同功率下總黃酮含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，在10 ℃和30 ℃條件下較低，在20 ℃條件下較高。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，致使總黃酮長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地發(fā)生降解反應(yīng)，從而使其含量偏低；隨著溫度的升高（如20 ℃），干燥時(shí)間大幅度縮短，總黃酮降解時(shí)間縮短，從而有利于其有效保留；然而，溫度的持續(xù)升高（如30 ℃及以上）會(huì)導(dǎo)致黃酮類(lèi)物質(zhì)的活性增強(qiáng)及降解速率提高，反而不利于總黃酮的保存[32]。因此，低溫干燥有利于抑制黃酮類(lèi)物質(zhì)的降解，高溫雖可縮短黃酮的分解時(shí)間，但溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致較多黃酮物質(zhì)降解，從而不利于黃酮的保留。此外，在溫度低至10 ℃時(shí)，隨著超聲功率的增加，黃酮含量隨之升高，這是由于超聲功率的增加致使干燥時(shí)間大幅度縮短，從而縮短黃酮的降解時(shí)間；但在溫度為20 ℃和30 ℃時(shí)，黃酮含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這有可能是因?yàn)槭┘映晻?huì)造成物料組織細(xì)胞的破損，促使黃酮物質(zhì)從細(xì)胞中析出并與外界接觸，在較高溫度條件下導(dǎo)致其降解速率上升，且超聲功率越強(qiáng)，組織受到的破壞應(yīng)力越大，黃酮物質(zhì)與外界空氣更早、更充分接觸，從而不利于提高黃酮的保留率。

2.5 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產(chǎn)品的VC含量

圖 9 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的VC含量Fig. 9 Vitamin C contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

VC為十分不穩(wěn)定的熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分，在干燥過(guò)程中極易損失、不易保存，有研究表明熱風(fēng)干燥中VC損失率可高達(dá)85.25%[33]。不同超聲功率及溫度下VC含量如圖9所示。干燥后物料的VC含量在57～96 mg/100 g之內(nèi)，ANOVA結(jié)果表明超聲功率及干燥溫度對(duì)其有顯著影響（P＜0.05）。如圖9所示，在超聲功率為48 W的條件下，10、20、30 ℃時(shí)VC的含量分別為96、83、80 mg/100 g，表現(xiàn)為VC含量在相同功率條件下呈下降趨勢(shì)。VC對(duì)溫度極其敏感，提高干燥溫度會(huì)使物料溫度隨之升高，會(huì)導(dǎo)致VC降解速率顯著上升，促使VC的降解并降低其保留率。Gamboa-Santos[34]和López[35]等的研究也表明溫度越高，V C的含量越難保持；Spínola等[36]在對(duì)果蔬中VC含量進(jìn)行測(cè)定評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，低溫更利于VC的保留。由圖9可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，在馬鈴薯冷風(fēng)干燥中進(jìn)行超聲輔助可有效提高VC的保留率。以10 ℃為例，在單一冷風(fēng)干燥條件下，馬鈴薯片的VC含量為68 mg/100 g，當(dāng)分別施加24 W和48 W超聲時(shí)，VC含量分別升至81 mg/100 g和96 mg/100 g，提高幅度分別為19.1%和41.2%?？梢?jiàn)，施加超聲對(duì)提高VC含量有明顯的效果。超聲通過(guò)加速物料中水分的遷移和提高干燥速率來(lái)縮短VC的降解反應(yīng)時(shí)間，從而有利于對(duì)VC的保護(hù)，提高產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

2.6 AHP優(yōu)化結(jié)果

表 5 不同干燥溫度及超聲功率下AHP綜合評(píng)分Table 5 Comprehensive quality evaluation of dried potatoes with AHP at different drying temperatures and ultrasonic powers

不同干燥溫度及功率下所有品質(zhì)指標(biāo)的AHP綜合評(píng)分如表5所示。在本研究的馬鈴薯超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)中，最優(yōu)干燥溫度和超聲功率分別為10 ℃和48 W，所對(duì)應(yīng)總酚、總黃酮、VC的含量分別為296、52、96 mg/100 g。次優(yōu)參數(shù)組合分別為30 ℃和48 W、20 ℃和48 W，即在各個(gè)溫度水平下，施加了48 W的超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥所得產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分綜合評(píng)分較高。綜上可知，在馬鈴薯冷風(fēng)干燥過(guò)程中輔以超聲強(qiáng)化，在有效縮短干燥時(shí)間的同時(shí)還能達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以馬鈴薯為干燥試材，進(jìn)行超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥研究。結(jié)果表明，干燥溫度和超聲功率對(duì)馬鈴薯片干燥過(guò)程有顯著影響。對(duì)冷風(fēng)干燥過(guò)程進(jìn)行超聲強(qiáng)化可顯著縮短干燥時(shí)間、提高干燥速率，超聲功率越大則強(qiáng)化效果越明顯。溫度越低，超聲對(duì)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)越明顯。隨著干燥的進(jìn)行，物料含水率逐漸降低，會(huì)導(dǎo)致超聲能量衰減加速及強(qiáng)化效應(yīng)的減弱。SEM觀察結(jié)果表明，在冷風(fēng)干燥過(guò)程中施加超聲強(qiáng)化處理，可增多物料表面的微細(xì)孔道數(shù)目和增大其直徑，超聲功率越大，則微孔數(shù)目越多、孔道尺寸越大，從而更有利于傳質(zhì)和干燥進(jìn)行。

Weibull函數(shù)可以很好地預(yù)測(cè)馬鈴薯超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥過(guò)程的水分變化規(guī)律。尺度參數(shù)α隨溫度的升高和超聲功率的增加而減??；形狀參數(shù)β略大于1，說(shuō)明干燥過(guò)程屬于內(nèi)外水分共同擴(kuò)散控制。估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10m2/s范圍內(nèi)，其隨著超聲功率和干燥溫度的升高而增大。

冷風(fēng)干燥溫度和超聲功率對(duì)總酚、總黃酮、VC含量有顯著影響。隨著溫度的升高，總酚含量呈上升趨勢(shì)，總黃酮含量呈先升高、后下降趨勢(shì)，VC含量呈下降趨勢(shì)。同溫度下，隨著功率的升高，總酚含量呈上升趨勢(shì)，總黃酮含量在10 ℃時(shí)呈上升趨勢(shì)，在20、30 ℃時(shí)呈先升高后下降趨勢(shì)，VC含量呈升高趨勢(shì)?？傮w而言，利用超聲技術(shù)來(lái)強(qiáng)化冷風(fēng)干燥有利于保護(hù)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分。利用AHP進(jìn)行優(yōu)化，確定馬鈴薯超聲強(qiáng)化冷風(fēng)干燥的最佳工藝參數(shù)，在干燥溫度為10 ℃及施加功率為48 W條件下，馬鈴薯干燥產(chǎn)品的綜合品質(zhì)最優(yōu)，所對(duì)應(yīng)的總酚、總黃酮、VC的含量分別為296、52、96 mg/100 g。