超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的干燥特性

劉云宏，孫 悅，王樂顏，苗 帥，羅登林，羅 磊，朱文學(xué)

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的干燥特性

劉云宏，孫 悅，王樂顏，苗 帥，羅登林，羅 磊，朱文學(xué)

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

為探討超聲波對(duì)常規(guī)熱風(fēng)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)以梨片為研究對(duì)象，進(jìn)行氣介超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的研究。結(jié)果表明：超聲波傳播能量隨超聲波輻射距離的延長(zhǎng)而顯著衰減，縮短超聲波輻射距離有利于提高超聲波能量利用率及干燥速率。提高干燥溫度及超聲波功率均有利于提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間，超聲波對(duì)干燥速率的強(qiáng)化效應(yīng)在干燥初期較為明顯，但隨物料含水率的下降而有所減弱。有效水分?jǐn)U散系數(shù)的范圍為3.21×10—10～7.43×10—10m2/s，且隨干燥溫度及超聲波功率的提高而增大。將氣介超聲波應(yīng)用于梨片的熱風(fēng)干燥，可獲得顯著的強(qiáng)化效果，實(shí)現(xiàn)干燥速率的有效提高。

超聲波；熱風(fēng)干燥；梨；干燥特性

熱風(fēng)干燥是一種傳統(tǒng)而又常用的干燥方法，具有設(shè)備投資低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、中藥材等的干制生產(chǎn)。但常規(guī)熱風(fēng)干燥具有熱效率低、干燥時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)[1-2]，從而使其應(yīng)用受到限制。在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，物料從干燥介質(zhì)中吸收熱量用于水分蒸發(fā)，其內(nèi)部水分首先擴(kuò)散到物料表面，繼而進(jìn)入到空氣中并被帶走[3]。干燥過(guò)程包括內(nèi)部水分?jǐn)U散及表面汽化擴(kuò)散，這是決定干燥速率快慢的兩個(gè)控制因素[4]。若采取輔助措施降低內(nèi)部擴(kuò)散阻力及改善表面對(duì)流狀態(tài)，理論上可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的質(zhì)熱傳遞速率、縮短干燥時(shí)間的目的。

超聲波作為一種物理能量機(jī)械波，可使介質(zhì)粒子振動(dòng)并引起超聲空化現(xiàn)象，從而使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)增加，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，使質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散得以強(qiáng)化[5-7]。Balachandran等[8]討論了超聲波對(duì)擴(kuò)散系數(shù)強(qiáng)化的幾種可能機(jī)制，認(rèn)為超聲波的空化效應(yīng)會(huì)加快流體的運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械效應(yīng)可克服表面附著水分和結(jié)合水具有的結(jié)合力，最終提高流體擴(kuò)散。Deng Yun等[9]發(fā)現(xiàn)超聲波可增大蘋果的毛細(xì)管及促進(jìn)形成微細(xì)通道，從而降低滲透脫水過(guò)程水分傳遞阻力。Kiani等[10]認(rèn)為超聲波的空化效應(yīng)及聲激流效應(yīng)可同時(shí)強(qiáng)化流體湍動(dòng)，并增強(qiáng)相界面的傳熱傳質(zhì)。

由于超聲波在強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)方面的顯著效果，近年來(lái)該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的研究與應(yīng)用也日益增多。Fernandes等[11]對(duì)香蕉進(jìn)行超聲預(yù)處理-熱風(fēng)干燥研究，發(fā)現(xiàn)超聲處理后的物料組織間隙增大，總干燥時(shí)間縮短30%。Fernandes等[12]用20 kHz的超聲波對(duì)熱風(fēng)干燥進(jìn)行強(qiáng)化，所需時(shí)間是單一熱風(fēng)干燥所用時(shí)間的60%。Gamboa-Santos等[13]發(fā)現(xiàn)將氣介超聲波用于熱風(fēng)干燥的強(qiáng)化，可縮短干燥時(shí)間約13%～44%。Garcia-Perez等[14]認(rèn)為超聲波在氣體介質(zhì)傳播過(guò)程中的熱效應(yīng)不顯著，非常適合熱敏性物料干燥的強(qiáng)化。羅登林等[15]進(jìn)行了氣介超聲波輔助熱風(fēng)干燥香菇的研究，認(rèn)為超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的主要機(jī)理為機(jī)械效應(yīng)。

梨為薔薇科梨屬（Pyrus），富含蛋白質(zhì)、糖類、礦物質(zhì)及維生素等，具有生津潤(rùn)燥、清肺養(yǎng)肺之功效，是人們最常消費(fèi)的水果之一[16]。熱風(fēng)干燥是梨最常用的干燥方式[17]。然而梨的初始含水率較高，導(dǎo)致干燥過(guò)程中需要除去較多的水分，且由于梨的含糖量較高，水分的吸附力較強(qiáng)、擴(kuò)散阻力較大，致使干燥速率尤其是降速干燥階段的干燥速率較低。為提高梨的熱風(fēng)干燥速率，可采取輔助措施強(qiáng)化梨的熱風(fēng)干燥。目前未見將超聲波直接應(yīng)用于強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的研究報(bào)道。本研究以碭山梨為研究對(duì)象，進(jìn)行超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)，探討超聲波輻射距離及超聲波功率對(duì)熱風(fēng)干燥梨片的干燥特性的影響，闡明氣介超聲波對(duì)熱風(fēng)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)，以期為超聲波技術(shù)在干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮碭山梨，購(gòu)于河南省洛陽(yáng)市上海市場(chǎng)，并在2～4 ℃條件下貯藏。采用105 ℃烘箱法測(cè)得梨的初始干基含水率為8.99 g/g。

1.2 儀器與設(shè)備

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有GS-Ⅱ熱風(fēng)干燥機(jī)上增加超聲波發(fā)生系統(tǒng)，即改裝為本實(shí)驗(yàn)所用的超聲波聯(lián)合熱風(fēng)干燥設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意見圖1，詳細(xì)結(jié)構(gòu)及性能介紹見文獻(xiàn)[15]。干燥過(guò)程中物料質(zhì)量稱量采用常州宏衡電子儀器廠生產(chǎn)的BT2235電子天平。

圖1 超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasound assisted hot air drying equipment

1.3 方法

1.3.1 物料預(yù)處理

在每次干燥實(shí)驗(yàn)前，將梨洗凈并削皮后，利用切片機(jī)切成直徑40 mm、厚度5 mm的薄片，用于超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)，每批干燥實(shí)驗(yàn)的梨片用量為150 g。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將梨片均勻平鋪在物料篩網(wǎng)上，并置入干燥機(jī)。超聲波頻率固定為19.987 kHz。設(shè)定干燥溫度為40、50、60 ℃，超聲波功率0、50、100、150 W，超聲波輻射距離為10、20、30 cm。前期研究表明在梨的熱風(fēng)干燥過(guò)程中，風(fēng)速對(duì)干燥時(shí)間及干燥速率的影響不顯著[17]，因此在本實(shí)驗(yàn)中，固定風(fēng)速為1 m/s。干燥過(guò)程中，定期將物料盤取出稱質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)后迅速放回繼續(xù)干燥，直至連續(xù)兩次稱得的質(zhì)量差值小于1%時(shí)，干燥結(jié)束。

1.3.3 干基含水率及干燥速率測(cè)定

超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥過(guò)程中物料的干基含水率（M，g/g）采用式（1）計(jì)算。

式中：m為干燥過(guò)程中不同時(shí)間下物料的質(zhì)量/g；md為絕干物質(zhì)的質(zhì)量/g。

干燥過(guò)程中的干燥速率（drying rate，DR）利用式（2）計(jì)算。

式中：Mt、Mt+Δt分別為時(shí)刻t、t+Δt對(duì)應(yīng)的物料干基含水率/（g/g）；Δt為時(shí)間間隔/h。

1.3.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)測(cè)定

由于實(shí)驗(yàn)中所用梨片的厚度遠(yuǎn)小于其直徑，因此可假設(shè)梨片為大的平板，其水分?jǐn)U散特性為一維軸向擴(kuò)散。另外，物料的平衡含水率Me很小，在水分比（moisture ratio，MR）計(jì)算中可近似為0。因此，根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析解，MR可采用式（3）計(jì)算[18]。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；L為物料厚度的一半/m；t為時(shí)間/s；Me、M0與Mt分別為平衡含水率、初始含水率及t時(shí)刻的含水率。

將上式左右兩端分別求對(duì)數(shù)，可得：

以式（4）為基礎(chǔ)，將lnMR與t在直角坐標(biāo)系上作圖，獲得斜率F后利用式（5）計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波輻射距離對(duì)梨片熱風(fēng)干燥特性的影響

圖2 不同超聲波輻射距離下梨片的熱風(fēng)干燥曲線（a）及干燥速率曲線（bb）Fig.2 Drying curves (a) and drying rate curves (b) pear slices at different ultrasonic radiation distances

在風(fēng)速1 m/s，風(fēng)溫50 ℃，超聲波功率150 W的條件下，調(diào)節(jié)超聲波輻射表面與物料之間的距離為10、20、30 cm，不同超聲波輻射距離下梨的熱風(fēng)干燥曲線及干燥速率曲線如圖2所示，沒有超聲波強(qiáng)化的直接熱風(fēng)干燥所需干燥時(shí)間為390 min。而采用超聲波強(qiáng)化后，當(dāng)輻射距離為10 cm時(shí)，干燥時(shí)間縮短至270 min，減少幅度為30.7%。雖然超聲波輻射面不和物料直接接觸，但所發(fā)射的超聲波可以穿過(guò)干燥介質(zhì)傳播到物料，一方面利用其每秒上萬(wàn)次的振動(dòng)，增加物料表面的湍動(dòng)，從而減少表面邊界層厚度，通過(guò)“微射流”效應(yīng)改善表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)狀況及減小水分向干燥介質(zhì)的擴(kuò)散阻力；另一方面，超聲波能量穿入物料內(nèi)部，利用其空化效應(yīng)及機(jī)械效應(yīng)，在物料內(nèi)部產(chǎn)生“微擾”效應(yīng)，不但擴(kuò)大水分遷徙的毛細(xì)管道及增加微毛細(xì)管數(shù)目，還有助于水分子克服吸附表面的束縛力與吸引力，從而在增大水分?jǐn)U散通道的同時(shí)，降低水分自物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散的阻力，實(shí)現(xiàn)水分?jǐn)U散速率的增加。Garcia-Perez等[14]報(bào)道，在熱風(fēng)溫度40 ℃、風(fēng)速1 m/s的條件下，將90 W的超聲波應(yīng)用于橘皮的熱風(fēng)干燥，當(dāng)輻射距離為10 cm時(shí)，可縮短干燥時(shí)間為原先的45%。Gamboa-Santos等[13]將一種圓筒形超聲波輻射器應(yīng)用于草莓的熱風(fēng)干燥強(qiáng)化，在風(fēng)溫60 ℃及風(fēng)速2 m/s的條件下，采用60 W的氣介超聲波進(jìn)行干燥強(qiáng)化，干燥時(shí)間可由直接熱風(fēng)干燥的4.4 h縮短至2.5 h，并認(rèn)為超聲波處理可通過(guò)改變物料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散阻力的有效降低，但文獻(xiàn)中并未提及超聲波輻射面與物料之間的距離。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及有關(guān)文獻(xiàn)，可知將氣介超聲波作用于熱風(fēng)干燥，可顯著縮短熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間。

由圖2可知，當(dāng)超聲波輻射距離增加至20 cm和30 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為330 min和390 min，與直接熱風(fēng)干燥相比，20 cm時(shí)干燥時(shí)間減少了15.3%，30 cm時(shí)則相同，表明超聲波對(duì)熱風(fēng)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)隨著輻射距離的增加而明顯下降，從而不利于干燥時(shí)間的縮短。Chemet等[19]認(rèn)為，超聲波能量傳播衰減與傳播距離呈指數(shù)關(guān)系，傳播距離越長(zhǎng)，能量衰減越強(qiáng)烈，越不利于傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化。比較干燥速率曲線，可知在相同的超聲波功率下，輻射距離為10 cm時(shí)，無(wú)論物料處于高水分含量還是低水分含量狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的干燥速率均高于直接熱風(fēng)干燥，說(shuō)明輻射距離較短時(shí)，大部分超聲波能量傳播到物料，不但降低了表面汽化阻力，超聲波能量還能傳播到物料內(nèi)部以降低內(nèi)部擴(kuò)散阻力。而當(dāng)超聲輻射距離為20 cm時(shí)，只有當(dāng)物料干燥處于第一降速階段，即物料干基含水率高于4 g/g時(shí)，超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的干燥速率才略高于直接熱風(fēng)干燥，而當(dāng)物料干基含水率較低時(shí)，兩者無(wú)明顯差別。當(dāng)超聲波輻射距離增大至30 cm，只有在干燥初始階段、即物料干基含水率高于7.5 g/g時(shí)，超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥的干燥速率略高于直接熱風(fēng)干燥，而隨著干燥進(jìn)行，兩者的干燥速率基本一致。此外，在干燥初始階段，即物料含水率較高的情況下，雖然超聲波均對(duì)干燥速率有影響，但不同的輻射距離會(huì)導(dǎo)致不同的影響效果。例如，當(dāng)物料干基含水率為8 g/g時(shí)，超聲輻射距離為10、20、30 cm時(shí)，與直接熱風(fēng)干燥相比，對(duì)應(yīng)的干燥速率增加幅度分別為45.1%、19.6%及5.9%。以上結(jié)果表明，在超聲波輻射距離較短時(shí)（如10 cm），由于超聲波能量損耗較少，超聲波對(duì)物料表面的邊界層及內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與水分狀態(tài)均產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生明顯的干燥強(qiáng)化效應(yīng)。隨著超聲輻射距離的增加（如20 cm），超聲波能量的衰減隨之增加，無(wú)論是物料的表面汽化過(guò)程還是內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程，超聲波的影響均明顯降低，而當(dāng)物料干基含水率較低時(shí)，物料表面已出現(xiàn)干區(qū)，此時(shí)內(nèi)部擴(kuò)散控制為干燥過(guò)程的決定性因素，超聲波能量已不足以影響物料內(nèi)部的水分遷徙，因此對(duì)后期干燥不產(chǎn)生影響。而當(dāng)超聲波輻射距離過(guò)大時(shí)（如30 cm），由于超聲波能量的大量衰減，到達(dá)物料表面的能量很少，不足以對(duì)水分?jǐn)U散產(chǎn)生足夠的強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致其干燥時(shí)間及干燥速率與直接熱風(fēng)干燥相比無(wú)明顯差異。

由于超聲波對(duì)熱風(fēng)干燥的強(qiáng)化效應(yīng)隨輻射距離的增加而顯著下降，縮短超聲輻射距離有利于提高超聲波能量利用率及干燥速率，因此輻射距離越近越好。然而本實(shí)驗(yàn)所用的超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥裝置是在原有干燥設(shè)備上進(jìn)行改造所得，由于進(jìn)風(fēng)口的限制，本實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)的最短輻射距離為10 cm，因此，確定超聲輻射距離10 cm用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 超聲波功率對(duì)梨片熱風(fēng)干燥特性的影響

圖3 干燥溫度為40 ℃時(shí)不同超聲波功率下梨片的熱風(fēng)干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）bFig.3 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of pear slices at different ultrasonic powers at 40 ℃

圖4 干燥溫度為50 ℃時(shí)不同超聲波功率下梨片的熱風(fēng)干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）bFig.4 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of pear slices at different ultrasonic powers at 50 ℃

圖5 干燥溫度為60 ℃時(shí)不同超聲波功率下梨片的熱風(fēng)干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）bFig.5 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of pear slices at different ultrasonic powers at 60 ℃

在不同干燥溫度（40、50、60 ℃）及超聲波功率（0、50、100、150 W）條件下進(jìn)行梨片的超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥，干燥曲線及干燥速率曲線如圖3～5所示。其他干燥參數(shù)為風(fēng)速1 m/s、物料厚度5 mm及超聲波輻射距離10 cm。就未施加超聲波的直接熱風(fēng)干燥而言，干燥溫度40、50、60 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為540、390、340 min，說(shuō)明可通過(guò)提高溫度梯度及熱流密度顯著提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間。將超聲波與熱風(fēng)干燥相結(jié)合，在40 ℃時(shí)，采用功率50、100、150 W的超聲波強(qiáng)化，干燥時(shí)間分別縮短了11.1%、22.2%及27.8%，在60 ℃的干燥溫度下，采用功率50、100 W及150 W的超聲波強(qiáng)化，干燥時(shí)間分別縮短了8.8%、17.6%及26.4%。可知在不同的干燥溫度下，提高超聲波功率均有利于增加強(qiáng)化效果、縮短干燥時(shí)間。在相同的輻射距離下，雖然超聲波在干燥介質(zhì)中的傳播會(huì)導(dǎo)致超聲波能量有一定衰減，但超聲波功率越大，到達(dá)物料的能量越多，對(duì)物料表面的“微射流”效應(yīng)及對(duì)物料內(nèi)部的“微擾”效應(yīng)越顯著，越有利于干燥過(guò)程中水分?jǐn)U散的強(qiáng)化。Rodriguez等[20]將氣介超聲波應(yīng)用于蘋果的熱風(fēng)干燥，在50 ℃的干燥溫度下，超聲波功率分別為45 W及90 W時(shí)，可縮短干燥時(shí)間約35.1%及46.1%，得出超聲波對(duì)干燥過(guò)程的強(qiáng)化效應(yīng)可隨超聲波功率的增加而增強(qiáng)，并認(rèn)為超聲波功率增大可強(qiáng)化物料表面的對(duì)流湍動(dòng)及降低物料內(nèi)部水分子的穩(wěn)定性，從而有利于干燥的順利進(jìn)行。

根據(jù)干燥速率曲線，可知在超聲波強(qiáng)化作用下，干燥速率隨著超聲波功率的增加而上升，尤其在干燥過(guò)程的前半階段更為明顯，而在干燥的后半階段，干燥速率的差異明顯減小。以50 ℃為例，由干燥開始至物料干基含水率降至6.0 g/g，超聲波功率為50、100、150 W時(shí)對(duì)應(yīng)的平均干燥速率分別為4.8、5.4、6.0 h—1，與直接熱風(fēng)干燥的4.3 h—1相比，分別增加11.6%、25.6%及48.8%；而物料干基含水率從6.0 g/g降至3.0 g/g，超聲波功率為50、100、150 W時(shí)對(duì)應(yīng)的平均干燥速率分別為3、3.4、3.6 h—1，與直接熱風(fēng)干燥的2.9 h—1相比，分別增加3.4%、17.2%及24.1%；物料干基含水率從3.0 g/g直至干燥結(jié)束，超聲波功率為50、100、150 W時(shí)對(duì)應(yīng)的平均干燥速率分別為1.26、1.31、1.38 h—1，與直接熱風(fēng)干燥的1.25 h—1相比，分別增加0.8%、4.8%及10.3%。可見，在干燥過(guò)程中，隨著物料含水率的不斷降低，超聲波的強(qiáng)化效應(yīng)明顯下降，這可能因?yàn)殡S著干燥過(guò)程的進(jìn)行及物料水分含量的降低，內(nèi)部擴(kuò)散阻力對(duì)干燥的影響越來(lái)越主要，雖然超聲波對(duì)降低物料表面擴(kuò)散阻力仍具有顯著效應(yīng)，但該效應(yīng)對(duì)干燥速率的影響則越來(lái)越小[21]；另一方面，超聲波需要傳播到物料內(nèi)部對(duì)水分子進(jìn)行作用，導(dǎo)致有更多的能量在物料內(nèi)的傳播過(guò)程中衰減，隨著用于水分?jǐn)U散的超聲波強(qiáng)度越來(lái)越弱以及內(nèi)部擴(kuò)散阻力的越來(lái)越大，超聲波對(duì)干燥速率的影響越來(lái)越小[22]。

2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

圖6 不同干燥溫度及超聲波功率下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig.6 Effective moisture diffusivity at different drying temperatures and ultrasonic powers

如圖6所示，不同溫度及超聲波功率條件下，超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥過(guò)程中梨片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為3.21×10—10～7.43×10—10m2/s。在干燥溫度為40、50、60 ℃的情況下，當(dāng)超聲波功率為150 W時(shí)，物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別比直接熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)提高51%、45%及37%，可見氣介超聲波可明顯提高物料在熱風(fēng)干燥過(guò)程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。超聲波能量通過(guò)干燥介質(zhì)傳播到達(dá)物料后，穿入到物料內(nèi)部，其微擾效應(yīng)通過(guò)擴(kuò)大水分?jǐn)U散通道、增加微毛細(xì)管、降低水分吸附力、提高水分子能量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部擴(kuò)散阻力的下降及水分?jǐn)U散動(dòng)量的增加[23-25]，最終提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)。此外，在同樣的熱風(fēng)干燥條件下，不同的超聲波功率會(huì)導(dǎo)致不同的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。以50 ℃為例，外加超聲波功率分別為50、100、150 W時(shí)，對(duì)應(yīng)的物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別比直接熱風(fēng)干燥高16%、31%及45%。可見，超聲波功率越高，對(duì)物料產(chǎn)生的微擾效應(yīng)越顯著，越有利于物料內(nèi)部水分遷徙，對(duì)應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)越高。Gamboa-Santos等[13]在草莓的超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥中，在熱風(fēng)溫度為50 ℃條件下，超聲波功率為30 W和60 W時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為1.267×10—10m2/s及1.5×10—10m2/s，分別比常規(guī)熱風(fēng)干燥時(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)高33.7%和58.4%。Rodriguez等[20]將超聲波作用于蘋果的熱風(fēng)干燥，在熱風(fēng)溫度為50 ℃條件下，當(dāng)超聲波功率為45 W及90 W時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為8.11×10—10m2/s及10.24×10—10m2/s，分別比常規(guī)熱風(fēng)干燥高77.4%及124%。以上文獻(xiàn)的結(jié)果均表明提高氣介超聲波功率能提高物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果相同。然而，文獻(xiàn)中有效水分?jǐn)U散系數(shù)的提高幅度均高于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這可能是由于不同物料具有不同的組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致超聲波對(duì)其內(nèi)部水分?jǐn)U散產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)有所差異。

表1 超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)方差分析Table 1 Analysis of variance for the effective moisture diffusivity of pear slices during ultrasound assisted hot air drying

超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)方差分析結(jié)果見表1。干燥溫度與超聲波功率對(duì)有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響均為極顯著。利用二次多項(xiàng)式逐步回歸的方法，可得在物料厚度5 mm、風(fēng)速1 m/s及超聲波輻射距離10 cm的條件下，在干燥溫度40～60 ℃及超聲功率0～150 W的范圍內(nèi)，以干燥溫度T、超聲波功率P表示的超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥梨片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)的模型方程如式（6）所示。

3 結(jié) 論

將氣介超聲波應(yīng)用于梨片的熱風(fēng)干燥中，隨著超聲波輻射距離的增加，超聲波的強(qiáng)化效應(yīng)明顯下降，這是因?yàn)槌暡ㄔ诟稍锝橘|(zhì)中傳播距離越長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致越多的超聲波能量衰減，從而不利于超聲波強(qiáng)化。

分別采用功率為50、100、150 W的超聲波進(jìn)行熱風(fēng)干燥強(qiáng)化，可知在干燥溫度40～60 ℃范圍內(nèi)，超聲波均有利于提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間，且超聲波功率越強(qiáng)，其強(qiáng)化效應(yīng)越顯著；然而，超聲波的強(qiáng)化效應(yīng)隨著干燥過(guò)程中物料干基含水率的下降而有所減弱。

在本研究中的超聲波強(qiáng)化熱風(fēng)干燥參數(shù)范圍內(nèi)，計(jì)算出有效水分?jǐn)U散系數(shù)的區(qū)間為3.21×10—10～7.43×10—10m2/s，且其數(shù)值隨著干燥溫度的上升與超聲波功率的提高而增大，干燥溫度與超聲波功率對(duì)有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響均為極顯著。

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Drying Characteristics of Pear Slices during Ultrasound-Assisted Hot Air Drying

LIU Yunhong， SUN Yue， WANG Leyan， MIAO Shuai， LUO Denglin， LUO Lei， ZHU Wenxue
(College of Food and Bioengineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， China)

In this work, we examined the enhancing effect of air-borne ultrasound treatment on conventional hot air drying of pear slices. The results showed that ultrasonic energy attenuated significantly with an increase in ultrasonic radiation distance, and a reduction in ultrasonic radiation distance was benefi cial to improve both ultrasonic energy effi ciency and drying rate. The drying rate was increased and the drying time was shortened by increasing the drying temperature and ultrasonic power. The enhancing effect of ultrasound on drying rate was obvious in the initial drying period, but declined with decreasing moisture content in samples. The values of effective moisture diffusivity ranged from 3.21 × 10-10to 7.43 × 10-10m2/s, which were increased signifi cantly by increasing either drying temperature or ultrasonic power. Therefore, air-borne ultrasound could notably reinforce traditional hot air drying of pear slices and increase the drying rate.

ultrasound; hot-air drying; pear; drying characteristics

TS255.36

A

1002-6630（2015）09-0001-06

10.7506/spkx1002-6630-201509001

2014-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-河南省人民政府人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1404334）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（11004049）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12A210005；14B550005）

劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥及貯藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn