趙 亞，朱智壯，劉 靜，吳小恬，石啟龍

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

扇貝（Argopecten irradias）營(yíng)養(yǎng)豐富且含有多種生物活性物質(zhì)，與海參、鮑魚(yú)齊名，是我國(guó)最受歡迎的海珍品之一[1]。鮮活扇貝含水率高，內(nèi)源酶種類(lèi)繁多且活性較高，因此非常容易遭受微生物和化學(xué)因素作用，進(jìn)而導(dǎo)致貨架期縮短[2]。干燥是降低含水率和水分活度、抑制微生物和酶活性、延長(zhǎng)水產(chǎn)品貨架期的有效手段[3]。此外，水產(chǎn)干制品/半干制品也是我國(guó)出口水產(chǎn)品的重要組成部分。水產(chǎn)品傳統(tǒng)干燥方式包括日光干燥和熱風(fēng)干燥，但干燥效率和能效較低、品質(zhì)差[4]。高溫是導(dǎo)致干制品品質(zhì)降低的重要因素，低溫干燥有利于獲得優(yōu)質(zhì)干制品[5]。此外，干燥是耗能巨大的過(guò)程，具備高能效和高品質(zhì)的干燥系統(tǒng)是未來(lái)干燥領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。熱泵干燥（heat pump drying，HPD）通過(guò)低溫?zé)嵩次諢崮?，并將其在高溫下有效利用，具有能效高、干燥條件溫和且條件容易控制、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于水產(chǎn)品、果蔬等易腐食品的干燥[6]。但是，干燥后期效率低、能耗高是制約HPD領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[7]，極大限制了該技術(shù)在水產(chǎn)品/果蔬干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用。

為了提高干燥效率、改善干制品品質(zhì)、降低微生物數(shù)量和抑制酶活性，物料干燥前常采用物理或/和化學(xué)預(yù)處理。化學(xué)預(yù)處理存在試劑殘留帶來(lái)的安全隱患；物理預(yù)處理方面，熱力處理如燙漂會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)素降解；非熱力預(yù)處理不但能夠提高干燥效率，而且可以鈍化酶，抑制微生物，減緩干燥過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)素?fù)p失，是食品干燥領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[8]。超聲波（ultrasonic，US）是一種頻率高于20 kHz的聲波，依其頻率可分為功率US（20～100 kHz）、高頻US（100 kHz～1 MHz）和診斷US（1～500 MHz）[9]。作為一種非熱力預(yù)處理方法，US在果蔬干燥領(lǐng)域應(yīng)用較多，如US輔助對(duì)流干燥大蒜[10]、獼猴桃[11]；US輔助傳導(dǎo)干燥蘋(píng)果[12]；US輔助輻射干燥胡蘿卜[13]。但是，US在水產(chǎn)品干燥領(lǐng)域鮮有報(bào)道[14-17]。目前，有關(guān)US輔助干燥動(dòng)力學(xué)的研究絕大多數(shù)僅局限于總體含水率的變化趨勢(shì)方面，而對(duì)物料干燥過(guò)程中水分狀態(tài)組成及分布探究較少[17]，這不利于闡明US輔助干燥機(jī)制。低場(chǎng)核磁共振（low field-nuclear magnetic resonance，LF-NMR）通過(guò)測(cè)定橫向弛豫時(shí)間（T2）分析水分子-食品成分之間的相互作用，探究物料干燥過(guò)程中水分狀態(tài)分布和流動(dòng)性，進(jìn)而揭示干燥進(jìn)程及品質(zhì)變化機(jī)制[2,17]。據(jù)報(bào)道，US處理?xiàng)l件如功率和時(shí)間會(huì)顯著影響干燥速率與干制品品質(zhì)[18]。Zhu Zhizhuang等[17]報(bào)道了US功率對(duì)扇貝柱HPD動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)特性的影響，但是US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱干燥進(jìn)程及品質(zhì)的影響尚鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本實(shí)驗(yàn)基于LF-NMR技術(shù)，探究US預(yù)處理時(shí)間（0、10、20、30 min）對(duì)扇貝柱HPD動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)的影響規(guī)律，旨在為水產(chǎn)品尤其扇貝柱US輔助HPD提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活扇貝購(gòu)于淄博水產(chǎn)市場(chǎng)。

甲苯（分析純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

1HP-5熱泵除濕干燥成套設(shè)備 青島歐美亞科技有限公司；DHG-9140A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；PQ001核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司；TA.XT PLUS物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；WSC-S測(cè)色色差計(jì) 上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；PL203電子天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 扇貝處理及分組

扇貝清洗，取柱，置于3 g/100 mL氯化鈉溶液中預(yù)煮3 min，取出迅速冷卻，瀝干表面水分，4 ℃冷藏，待用。將扇貝柱平均分成2 份，分別用于實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組處理。

實(shí)驗(yàn)組：稱(chēng)取一定質(zhì)量扇貝柱，置于含蒸餾水的燒杯中，扇貝柱和蒸餾水的質(zhì)量體積比為1∶4。然后，將燒杯置于US裝置中，設(shè)定US功率90 W、頻率35 kHz，處理時(shí)間分別為10、20、30 min，處理后扇貝柱樣品分別記為US-10 min、US-20 min、US-30 min。

對(duì)照組：稱(chēng)取一定質(zhì)量扇貝柱，置于含蒸餾水的燒杯中，扇貝柱和蒸餾水的質(zhì)量體積比為1∶4，將燒杯同樣置于US裝置中（US裝置電源始終關(guān)閉），處理時(shí)間分別為10、20、30 min，處理后扇貝柱樣品分別記為CK-10 min、CK-20 min、CK-30 min。

分別將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組扇貝柱取出，瀝干表面水分，將其置于HPD裝置，在溫度35 ℃、風(fēng)速1.5 m/s條件下干燥，定期取樣，稱(chēng)量樣品質(zhì)量，同時(shí)采用LF-NMR采集水分狀態(tài)及分布數(shù)據(jù)，直至扇貝柱干基含水率為0.6 kg/kg時(shí)，干燥結(jié)束。取出扇貝柱，密封于鋁箔袋中，置于4 ℃冰箱，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.3.2 干燥動(dòng)力學(xué)分析與數(shù)學(xué)模型建立

1.3.2.1 水分比的測(cè)定

采用常壓干燥法測(cè)定扇貝柱含水率[19]。水分比（moisture ratio，MR）指在一定干燥條件下扇貝柱未被去除的水分，按式（1）計(jì)算[5]。

式中：M0、Mt分別為干燥0和t時(shí)刻的干基含水率/（kg/kg）；Me為平衡含水率/（kg/kg）。由于干燥時(shí)間較長(zhǎng)，Me與Mt和M0相比可忽略，因此，將式（1）簡(jiǎn)化為式（2）[5]。

1.3.2.2 干燥速率的測(cè)定

扇貝柱的干燥速率（drying rate，DR）按式（3）計(jì)算[20]。

式中：Md為干基含水率/（kg/kg）；t為干燥時(shí)間/h；下標(biāo)i和i＋1表示干燥時(shí)刻。

1.3.2.3 干燥數(shù)學(xué)模型的建立

描述農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型如表1所示。采用8 種模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)決定系數(shù)（R2）、卡方（χ2）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）評(píng)判模型的擬合精度[5,10,13]。

表1 薄層干燥數(shù)學(xué)模型[5]Table 1 Mathematical models of thin layer drying[5]

1.3.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算

扇貝柱干燥過(guò)程中，有效水分?jǐn)U散系數(shù)（effective moisture diffusivity，Deff）可用菲克擴(kuò)散方程來(lái)描述[17]。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；r為扇貝柱半徑/m；t為干燥時(shí)間/s。

將公式（4）兩邊取對(duì)數(shù)，可簡(jiǎn)化為式（5）[17]。

可以看出，lnMR隨時(shí)間t呈線性變化，根據(jù)直線斜率，可計(jì)算得到Deff。

1.3.4 LF-NMR分析

采用多脈沖回波序列分析橫向弛豫時(shí)間（T2）。扇貝柱置于核磁管中（d＝25 mm），NMR測(cè)試參數(shù)[17]：溫度32 ℃、質(zhì)子共振頻率20 MHz、90°和180°脈沖時(shí)間分別為5.52 μs和11.04 μs、等待時(shí)間4 000 ms、回波數(shù)2 000。

1.3.5 干制品品質(zhì)特性分析

1.3.5.1 色澤

采用色差計(jì)測(cè)定干燥前后扇貝柱的色澤（亮度L*值、紅綠度a*值和黃藍(lán)度b*值）?？偵睿╰otal color difference，ΔE）計(jì)算如式（6）所示[6]。

1.3.5.2 收縮率

通過(guò)甲苯置換法[20]測(cè)定收縮率（shrinkage rate，SR），SR按式（7）計(jì)算。

式中：V1和V2分別代表扇貝柱干燥前和干燥后的體積/mL。

1.3.5.3 復(fù)水比

稱(chēng)取一定質(zhì)量扇貝柱，置于含蒸餾水的燒杯中，溫度100 ℃維持10 min，然后取出扇貝柱，擦干表面水分，迅速稱(chēng)量[20]。按式（8）計(jì)算復(fù)水比（rehydration ratio，RR）。

式中：m0和mr分別為扇貝柱復(fù)水前和復(fù)水后的質(zhì)量/g。

1.3.5.4 質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定

采用物性測(cè)試儀分析扇貝柱的韌性和硬度[20]。剪切實(shí)驗(yàn)參數(shù)：刀片運(yùn)行速率2 mm/s。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)參數(shù)：圓柱探針（d＝66 mm）、速率2 mm/s，樣品被壓縮至原來(lái)厚度的50%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

扇貝柱干燥實(shí)驗(yàn)和指標(biāo)測(cè)定均至少平行3 次，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Matlab 2018軟件進(jìn)行線性和非線性回歸分析。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著者進(jìn)行Duncan’s多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD動(dòng)力學(xué)的影響

US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD動(dòng)力學(xué)的影響如圖1、2所示。扇貝柱MR隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)而降低。相同MR時(shí)，US預(yù)處理扇貝柱的干燥時(shí)間縮短，且US處理時(shí)間越長(zhǎng)，干燥時(shí)間越短。例如，扇貝柱干燥至MR為0.3時(shí)，US-10 min、US-20 min、US-30 min對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為7.11、6.42、6.12 h；而未經(jīng)US處理的對(duì)照組，CK-10 min、CK-20 min、CK-30 min對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為8.42、8.32、8.30 h。US通過(guò)流體介質(zhì)的空化效應(yīng)使壓力急劇上升，同時(shí)通過(guò)海綿效應(yīng)引起扇貝柱微觀孔道的形成[9,17]。US處理時(shí)間越長(zhǎng)，空穴效應(yīng)和海綿效應(yīng)越明顯，因此促進(jìn)了內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散，進(jìn)而提高了干燥效率。由圖2可以看出，扇貝柱HPD過(guò)程主要為降速干燥，扇貝柱干燥過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力為內(nèi)部擴(kuò)散。HPD前期，DR迅速降低；HPD中后期，DR變化平緩，干燥動(dòng)力不足。US預(yù)處理均有效提高了扇貝柱DR，干燥初期和中期尤為明顯；而干燥后期，US強(qiáng)化干燥效率逐漸減弱，這可能是蛋白質(zhì)變性，扇貝柱體積嚴(yán)重收縮，阻礙水分從通道逸出所致[14]。

圖1 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD曲線的影響Fig. 1 Effect of ultrasonic time on the drying curves of scallop adductors during heat pump drying process

圖2 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD速率曲線的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic time on the drying rate curves of scallop adductors during heat pump drying process

2.2 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)HPD扇貝柱水分組成及分布的影響

據(jù)報(bào)道，扇貝柱肌肉組織存在3 種不同狀態(tài)的水分；其中，T21（0～10 ms）代表結(jié)合水，它是與生物大分子緊密結(jié)合的水分；T22（10～100 ms）代表不易流動(dòng)水，是存在于肌纖絲、肌原纖維及膜之間的水分；T23（100～1 000 ms）代表自由水，是存在于肌原纖維外部與細(xì)胞間隙的水分[17,21]。A21、A22和A23分別表示T21、T22和T23的峰面積，即扇貝柱自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水所占的比例。據(jù)報(bào)道，鮮活扇貝柱A21、A22和A23的峰面積占比分別為0.78%、98.18%和1.04%[17]，由此可知，自由水與結(jié)合水所占比例之和小于2%。這意味著，新鮮扇貝柱中不易流動(dòng)水（T22）占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，扇貝柱肌肉組織中絕大多數(shù)水分流動(dòng)性較低，因此，干燥過(guò)程中很難去除。

US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD過(guò)程中弛豫時(shí)間的影響如圖3所示。可以看出，隨著干燥的時(shí)間延長(zhǎng)，處理組和對(duì)照組扇貝柱的LF-NMR反演譜峰總面積均呈減小趨勢(shì)，譜峰在一定程度上整體向左偏移，說(shuō)明干燥可以改變扇貝柱的水分組成和狀態(tài)分布。扇貝柱結(jié)合水與大分子蛋白質(zhì)緊密結(jié)合，干燥前期，干燥時(shí)間不影響結(jié)合水的流動(dòng)性。干燥過(guò)程中，T22和T23向左遷移并且其峰面積隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。此現(xiàn)象表明，相比于結(jié)合水，不易流動(dòng)水和自由水與非水組分的結(jié)合程度更低，流動(dòng)性更強(qiáng)。例如，扇貝柱干燥5 h，CK-10 min、CK-20 min、CK-30 min的T21分別下降至5.543、4.824、5.543 ms；US-10 min、US-20 min、US-30 min的T21分別下降至5.543、5.171、5.941 ms。

圖3 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)HPD扇貝柱弛豫時(shí)間譜圖的影響Fig. 3 Effect of ultrasonic time on the transverse relaxation time spectra of scallop adductors during heat pump drying

綜上，扇貝柱HPD過(guò)程中，隨著US預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)合水幾乎沒(méi)有偏移，而T22和T23顯著減少。Cheng Shasha等[22]在熱風(fēng)干燥蝦肉的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，蝦肉緊密結(jié)合水（T2b）與疏松結(jié)合水（T21）幾乎不發(fā)生偏移；然而，T22顯著降低，表明不易流動(dòng)水自由度顯著降低；此外，T23也顯著減低，而且干燥4 h后完全消失。Li Miaoyun等[23]研究表明，雞肉條熱風(fēng)干燥過(guò)程中，T22和T23隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)呈顯著降低趨勢(shì)，而且，T22較T21變化趨勢(shì)更明顯；但是，結(jié)合水T2b變化不顯著。

US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱干燥過(guò)程中自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水峰面積占比的影響如圖4所示。隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，扇貝柱T22的峰面積占比（A22）呈下降趨勢(shì)。這表明干燥過(guò)程中不易流動(dòng)水極不穩(wěn)定。若將扇貝柱A22降低到約77%，CK-10 min、CK-20 min、CK-30 min所需要的HPD時(shí)間分別為780、780、780 min；但是，US-10 min、US-20 min、US-30 min所需要的HPD時(shí)間分別僅為720、660、600 min。由此可知，US處理可以加快不易流動(dòng)水的遷移速率，而且，水分遷移速率隨US處理時(shí)間的延長(zhǎng)而加快，進(jìn)而提高干燥效率，這與扇貝柱干燥動(dòng)力學(xué)結(jié)論基本吻合（圖1、2）。本研究結(jié)果與Li Miaoyun等[23]探究熱風(fēng)干燥雞肉條的水分狀態(tài)組成及分布規(guī)律所得結(jié)論相似。隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，扇貝柱T21的峰面積占比（A21）呈增加趨勢(shì)，這表明扇貝柱干燥過(guò)程中，不易流動(dòng)水的一部分向結(jié)合水轉(zhuǎn)化。但是，干燥后期A21基本穩(wěn)定，其原因可能是：1）隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)，扇貝柱不易流動(dòng)水含量逐漸降低，導(dǎo)致其向結(jié)合水轉(zhuǎn)化的過(guò)程逐漸減緩甚至停止；2）扇貝柱蛋白質(zhì)變性程度隨干燥進(jìn)行逐漸增加，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)合水分子能力顯著降低。Cheng Shasha等[24]研究了牡蠣熱風(fēng)干燥過(guò)程中水分狀態(tài)分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量結(jié)合水峰面積由31.31 g-1（干燥1 h）增加至最大值83.73 g-1（干燥4 h），然后降低至51.13 g-1（干燥6 h）。本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論與其基本吻合。

圖4 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD過(guò)程中自由水、不易流動(dòng)水和結(jié)合水比例的影響Fig. 4 Effect of ultrasonic time on the percentages of free, immobilized and bound water in scallop adductors during heat pump drying

扇貝柱干燥過(guò)程中，T23的峰面積占比（A23）在1%～3%范圍內(nèi)變化，這表明扇貝柱干燥過(guò)程中，肌肉組織自由水的去除量和不易流動(dòng)水向自由水的轉(zhuǎn)化量較為接近，即二者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這與Li Miaoyun等[23]報(bào)道的熱風(fēng)干燥雞肉條的T23峰面積占比變化規(guī)律一致。Ojha等[25]研究了US預(yù)處理對(duì)牛肉條熱風(fēng)干燥過(guò)程中水分遷移的影響，也得到了相似的結(jié)論。綜上，隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，扇貝柱結(jié)合水峰面積占比逐漸增加，不易流動(dòng)水峰面積占比逐漸降低，而自由水峰面積占比變化不大。此外，Chen Yannan等[10]研究了真空干燥（vacuum drying，VD）、超聲波輔助真空干燥（ultrasonic assisted vacuum drying，USVD）、對(duì)流干燥（convection drying，CD）和超聲波輔助對(duì)流干燥（ultrasonic assisted convection drying，USD）4 種干燥方式對(duì)大蒜片水分分布影響，結(jié)果表明，大蒜片T21變化很?。║SVD 0.52～5.53 ms、VD 0.56～5.56 ms、USD 0.62～5.68 ms、CD 0.51～5.72 ms），干燥方式不影響結(jié)合水的流動(dòng)性；T22和T23隨干燥進(jìn)行不斷降低，最終完全消失。此外，大蒜片A23為85%，無(wú)論哪種干燥方式，A23均隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)而降低，它決定了大蒜片的干燥特性；A21呈略微降低趨勢(shì)；而A22變化無(wú)明顯規(guī)律。由此可知，果蔬和水產(chǎn)品材料組成成分差異較大，導(dǎo)致非水組分-水分之間的結(jié)合力差別較大，干燥過(guò)程中水分組成和狀態(tài)分布也有明顯差異，進(jìn)而導(dǎo)致干燥效率和品質(zhì)特性顯著不同。

扇貝柱干燥過(guò)程中，不易流動(dòng)水在肌肉組織中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其變化程度決定干燥進(jìn)程。因此，有必要明晰扇貝柱T22與干基含水率的相關(guān)性。由圖5可以看出，扇貝柱干燥過(guò)程中，T22與干基含水率有極強(qiáng)的線性相關(guān)性（R2≥0.920）。此結(jié)論進(jìn)一步證實(shí)，扇貝柱干燥過(guò)程中，不易流動(dòng)水占主導(dǎo)地位，決定了扇貝柱干燥動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，即含水率變化。Zhu Zhizhuang等[17]探討了US功率（0、90、180 W）對(duì)扇貝柱干燥過(guò)程中水分狀態(tài)和分布的影響，結(jié)果表明，干燥過(guò)程中，扇貝柱含水率變化與T22顯著相關(guān)（R2為0.967～0.985）。Cheng Shasha等[24]研究發(fā)現(xiàn)，牡蠣熱風(fēng)干燥過(guò)程中，含水率與T22（y＝-2.35＋1.18x，R2＝0.953 5）及A22（y＝-27.93＋0.17x，R2＝0.964 9）呈良好的相關(guān)性，牡蠣中主要水分組成是不易流動(dòng)水，其決定干燥過(guò)程中含水率變化。然而，Ojha等[25]研究發(fā)現(xiàn)，牛肉條熱風(fēng)干燥過(guò)程中，含水率與自由水弛豫時(shí)間T23（r＝0.790，P＜0.000 1）和自由水弛豫峰面積A23（r＝0.709，P＜0.000 1）呈高度顯著正相關(guān)，因此，牛肉條干燥過(guò)程中，含水率變化主要和自由水有關(guān)。綜上，LF-NMR可以作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，快速監(jiān)測(cè)食品干燥過(guò)程中含水率的變化，進(jìn)而確定扇貝柱干燥程度。但是，含水率變化與橫向弛豫時(shí)間T2（即T21、T22、T23）的相關(guān)性取決于食品種類(lèi)及組成、預(yù)處理方式、干燥方式等諸多因素。

圖5 扇貝柱T22與干基含水率的相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analysis between T22 and the moisture content on a dry mass basis of scallop adductors

2.3 模型擬合分析結(jié)果

采用表1所示8 種數(shù)學(xué)模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。R2越高，χ2和RMSE越低，表明擬合精度越高，效果越好[5]。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，Midilli et al.模型的R2最高，χ2和RMSE最小。因此，Midilli et al.是預(yù)測(cè)扇貝柱HPD過(guò)程中含水率變化的最理想模型。為了驗(yàn)證優(yōu)選干燥數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)不同處理扇貝柱的MR實(shí)驗(yàn)值與Midilli et al.模型的MR預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密分布在45°直線附近，表明實(shí)驗(yàn)測(cè)得的MR與模型預(yù)測(cè)MR較為一致，模型準(zhǔn)確度高。

表2 不同US預(yù)處理?xiàng)l件下扇貝柱薄層干燥模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters obtained from thin layer drying models for scallop adductors subjected to different ultrasonic pretreatments

圖6 MR實(shí)驗(yàn)值與模型擬合預(yù)測(cè)值之間的比較Fig. 6 Comparison between experimental and model predicted MR values

2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

食品干燥過(guò)程中，降速干燥階段水分遷移速率可用Deff表示，它有助于揭示干燥過(guò)程中物理和熱力學(xué)特性等信息，其范圍為10-12～10-6m2/s[15,20]。表3為不同US預(yù)處理扇貝柱HPD過(guò)程中的Deff變化?？梢钥闯?，Deff范圍為2.379×10-10～3.692×10-10m2/s。Ba?lar等[15]的研究表明，55～75 ℃熱風(fēng)干燥鱒魚(yú)片的Deff為3.01×10-10～3.90×10-10m2/s；真空干燥鱒魚(yú)片的Deff為4.17×10-10～8.54×10-10m2/s；而US輔助真空干燥的Deff為6.18×10-10～1.31×10-9m2/s，本實(shí)驗(yàn)扇貝柱HPD過(guò)程中的Deff范圍與之接近。

表3 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響Table 3 Effect of ultrasonic time on the effective water diffusivity coefficient of scallop adductors

由表3可以看出，US處理扇貝柱的Deff顯著高于對(duì)照組（P＜0.05）；而對(duì)照組之間Deff差異不顯著（P＞0.05）。此外，扇貝柱Deff隨著US預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加（P＜0.05）。此結(jié)論與扇貝柱HPD動(dòng)力學(xué)特性結(jié)果相互印證。US輔助紅外干燥胡蘿卜片[13]、US輔助真空干燥牛肉和雞肉[26]等研究中同樣報(bào)道了US可強(qiáng)化干燥效率、提高Deff等結(jié)論。然而，Nowacka等[27]研究了US頻率和時(shí)間對(duì)熱風(fēng)干燥（70 ℃、2 m/s、1 kg/m2）胡蘿卜干燥特性的影響，結(jié)果表明，對(duì)照組Deff為5.0×10-10m2/s；US預(yù)處理時(shí)間為10、20、30 min，US頻率為21 kHz時(shí)，Deff分別為4.60×10-10、4.52×10-10、4.52×10-10m2/s；而US頻率為35 kHz時(shí)，Deff分別為4.43×10-10、4.47×10-10、4.40×10-10m2/s；這意味著US預(yù)處理導(dǎo)致胡蘿卜片Deff降低了8%～12%。Sledz等[28]研究了US預(yù)處理對(duì)羅勒微波-對(duì)流干燥動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明，US預(yù)處理縮短了18%～20%的干燥時(shí)間，而Deff增加了18%～25%；與對(duì)照相比（1.739×10-10m2/s），US預(yù)處理顯著提高了Deff（2.052×10-10～2.170×10-10m2/s）；但是不同US頻率（35 kHz和53 kHz）之間、不同US預(yù)處理時(shí)間（20 min和30 min）之間Deff差異不顯著（P＞0.05）。由此可見(jiàn)，US預(yù)處理對(duì)物料干燥過(guò)程中Deff的影響取決于原材料種類(lèi)和成分、US預(yù)處理參數(shù)、干燥方式等因素。干燥過(guò)程中，物料傳質(zhì)過(guò)程包括水分內(nèi)擴(kuò)散和水分外擴(kuò)散，二者都可以通過(guò)US預(yù)處理強(qiáng)化，其原因可歸結(jié)為：1）US改變材料的結(jié)構(gòu)和/或特性，例如材料結(jié)構(gòu)的空間改性和物理化學(xué)特性（如黏度、表面張力、黏附力等）變化；2）US與干燥材料的動(dòng)力學(xué)相互作用，例如海綿效應(yīng)和聲空化效應(yīng)[29]。因此，未來(lái)研究需側(cè)重US條件下扇貝柱的結(jié)構(gòu)/特性變化規(guī)律，以期進(jìn)一步揭示US預(yù)處理強(qiáng)化扇貝柱干燥效率的機(jī)理。

2.5 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱HPD品質(zhì)特性的影響

評(píng)估食品干燥過(guò)程時(shí)，產(chǎn)品品質(zhì)特性是需要優(yōu)先考慮的因素，與干制品品質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)包括色澤、收縮、復(fù)水特性、營(yíng)養(yǎng)成分和質(zhì)構(gòu)等[30]。US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱ΔE、SR、RR、硬度和韌性的影響見(jiàn)表4。水產(chǎn)品的總色差（即色澤變化）是衡量干制品品質(zhì)的重要指標(biāo)[31]。與CK相比，US預(yù)處理時(shí)間為30 min時(shí)，扇貝柱ΔE顯著降低（P＜0.05）。但是對(duì)照處理組之間、US處理組之間ΔE無(wú)顯著差異（P＞0.05）。這可能是US預(yù)處理縮短了扇貝柱干燥時(shí)間，降低了干燥過(guò)程中的褐變反應(yīng)所致[30]。此外，Ozuna等[32]的研究表明，US輔助對(duì)流干燥鱈魚(yú)片的色澤與對(duì)照相比沒(méi)有明顯變化。與CK相比，US處理顯著提高了扇貝柱韌性，但對(duì)照處理組之間、US處理組之間韌性無(wú)顯著差異（P＞0.05）。US處理對(duì)扇貝柱RR、SR和硬度無(wú)顯著影響（P＞0.05）。Zhang Yuwei等[30]綜述了超聲波輔助干燥的基本原理、應(yīng)用及發(fā)展前景，其指出，對(duì)于絕大多數(shù)對(duì)流干燥果蔬而言，US預(yù)處理對(duì)干制品體積收縮和復(fù)水特性影響不顯著。Zhu Zhizhuang等[17]探討了US功率對(duì)HPD扇貝柱品質(zhì)特性的影響，得到了相似的結(jié)論。綜上所述，與其他處理相比，US-30 min能夠顯著提高扇貝柱色澤和韌性，而且顯著提高了扇貝柱HPD效率。因此，扇貝柱適宜的US處理時(shí)間為30 min。

表4 US預(yù)處理時(shí)間對(duì)扇貝柱的品質(zhì)特性的影響Table 4 Effect of ultrasonic time on the quality attributes of scallop adductors

3 結(jié) 論

扇貝柱HPD遵循降速干燥規(guī)律，水分內(nèi)擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。Midilli et al.模型為描述扇貝柱HPD進(jìn)程的最適模型。扇貝柱HPD過(guò)程中，不易流動(dòng)水對(duì)干燥過(guò)程中含水率變化起到?jīng)Q定性影響，二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，LF-NMR可作為無(wú)損、快速監(jiān)測(cè)扇貝柱干燥過(guò)程的方法。隨著US預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)，扇貝柱結(jié)合水幾乎沒(méi)有偏移，而不易流動(dòng)水和自由水的弛豫時(shí)間顯著縮短；扇貝柱結(jié)合水峰面積占比逐漸增加，不易流動(dòng)水峰面積占比逐漸降低，而自由水峰面積占比較為穩(wěn)定。相比于對(duì)照組，US處理30 min顯著降低了扇貝柱總色差（ΔE），提高了干制品韌性，而且顯著提高了Deff，強(qiáng)化了干燥效率。