氣介超聲干燥水果及其機制的研究

謝青青，李 晨，陳尹尹，王 華，楊增濤

(重慶醫科大學 生物醫學工程學院，超聲醫學工程國家重點實驗室，重慶 400016)

0 引言

干燥是提高水果保質期最方便、經濟的方法，通過降低水果中的水分可抑制微生物的生長和酶促反應，從而防止水果劣變。目前常見的干燥技術主要有熱風干燥、真空冷凍干燥等。其中熱風干燥過程中的溫升效應會影響水果的品質，故不適用于熱敏性水果的干燥[1]。真空冷凍干燥雖然可以保證水果的品質，但干燥時間長、能耗高、運行成本昂貴，且干燥后的樣品中會攜帶大量未滅活的微生物[2]。超聲波是一種頻率高于20 kHz的機械波，可在常溫的情況下去除水分，對干燥熱敏性水果有突出優勢，同時還具有一定的殺菌能力[3]。Garcia-Perez等[4]采用不同功率超聲對橙皮進行干燥實驗，實驗結果顯示其干燥時間和能耗都有顯著降低。Charoux等[5]發現非接觸氣介超聲可用于滅活樣品內的微生物，且不會對樣品的品質造成過大影響。Tao等[6]發現超聲可加速干燥過程，且不會導致黑莓內部溫度升高過多。因此，超聲在水果干燥中有極大的應用潛力。

超聲干燥有兩種能量傳遞模式，分別為氣介超聲干燥技術和接觸式超聲干燥技術[7]。其中氣介超聲干燥是指超聲能量通過空氣介質耦合進樣品，而接觸式超聲干燥是指換能器與樣品直接接觸或者是將超聲能量通過固體介質耦合進樣品。與氣介超聲干燥相比，接觸式超聲干燥的干燥速率更快，但其產生的空化效應殘留物會污染樣品[5]，且對干燥場所有一定的限制要求。目前對超聲干燥機制還缺乏統一的認識，認為其機制主要來源于以下3方面：

1) “海綿效應”[8]，即超聲能量耦合進樣品后引發樣品連續壓縮和膨脹，樣品形似海綿被反復擠壓和釋放。“海綿效應”伴有的交替應力會在物料表面產生微小通道，為樣品內部的水運動提供方便。

2) 空化效應[9]。超聲空化產生的高溫、高壓和強剪切力使樣品與水分子間的結合鍵斷裂，減少了對水分子的束縛力。

3) 增強傳熱和傳質過程[10]，降低樣品內外層的溫度梯度，強化內部水分的擴散。

上述關于超聲干燥機制的解釋多是基于接觸式超聲，對氣介超聲干燥機制的研究相對較少。因此，本文以實驗研究為主要方法，探究了氣介超聲干燥水果的作用機制。為探究氣介超聲對自由水干燥的作用效果，選用磷酸緩沖鹽溶液模擬蘋果組織內的自由水，溶液中加入少許聚苯乙烯微球，有助于觀察氣介超聲的微流現象；利用COMSOL Multiphysics對此現象進行仿真，借助熒光顯微鏡觀察分析了氣介超聲對蘋果片微觀結構的影響；結合蘋果片無量綱水分比和干燥速率的變化規律，探究了氣介超聲對蘋果片干燥過程的影響，這將為更好地詮釋氣介超聲的干燥機制提供一定的參考。

1 實驗材料與分析方法

1.1 實驗材料與儀器

本實驗選用“紅富士”蘋果，其充分成熟、無損傷。實驗所用試劑：鈣熒光增白劑(購于Sigma公司)；磷酸緩沖鹽溶液(購于HyClone公司)；聚苯乙烯微球，粒徑大小為?(110～150) μm(購于天津市倍思樂色譜技術開發中心)；氫氧化鉀(購于Aladdin公司)，用去離子水配置質量分數為10%的KOH溶液。

超聲處理裝置：DK-60B型電磁式換能器(渝中區迪控電子經營部)；Inc. AG1000型功率信號放大器(T&C Power Conversion)；BSA224S型電子分析天平(Sartorius)，精度為0.000 1 g；TH4-200型倒置熒光顯微鏡(Olympus)；SMZ 745T型體視顯微鏡(Nikon)；DZF6020型真空干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)。

1.2 實驗步驟與分析方法

1.2.1 超聲微流現象及其理論仿真

通過實驗觀察氣介超聲的微流現象，在磷酸緩沖鹽溶液中加入少許聚苯乙烯微球并充分混勻。取2 μL混合液點于直徑?90 mm培養皿底部，測得液滴直徑約為?2 mm。去掉皿蓋，倒扣在換能器上方，超聲作用頻率為20 kHz，超聲作用功率為40 W。借助體視顯微鏡觀察氣介超聲作用下聚苯乙烯微球的運動情況，顯微鏡放大倍數為50倍。

利用COMSOL Multiphysics對上述實驗中超聲激勵小液滴產生的微流現象進行仿真，實驗設置圓形下邊界為振動邊界條件來模擬外部超聲驅動，由振蕩的速度邊界激發聲場[11]。在有限元模型中，超聲激勵頻率為20 kHz，液滴直徑設置為?2 mm，聚苯乙烯微球的粒徑大小設置為?100 μm。實驗采用物理場控制網格單元大小的方式對網格進行剖分，對邊界處的網格需進一步細化，以減小因網格引起的數值誤差。

1.2.2 微觀結構的觀察

將蘋果洗凈、去皮，切取2 cm×2 cm×1 mm的蘋果片作為干燥樣品。干燥處理前為防止蘋果發生褐變，將切好的蘋果片浸入去離子水中數秒后立即拿出，并用紙巾吸干表面水分。將干燥樣品平鋪在直徑?90 mm培養皿內，將如圖1所示的電磁式超聲換能器置于培養皿正上方，換能器與樣品之間留有1 cm的間隙。以兩種不同的方式對蘋果片進行干燥處理，其中實驗組一對樣品進行超聲干燥處理，超聲驅動頻率為20 kHz，驅動功率為20 W，作用時長為60 min；實驗組二對樣品進行超聲假照(換能器處于關閉狀態)，作用時長為60 min。最后選用新鮮蘋果作為對照。

圖1 超聲干燥裝置示意圖

首先從處理后的樣品表面切取厚度約為20 μm的蘋果薄片，并將其置于載玻片上；然后分別加入10 μL的鈣熒光增白劑和質量分數為10%的KOH溶液對蘋果細胞壁進行染色，室溫下避光1 min后用去離子水洗滌2～3次，用濾紙吸除殘留的染料，隨即蓋上蓋玻片并用指甲油密封蓋玻片邊緣以防水分流失；最后將制好的染色樣品放置在倒置熒光顯微鏡下進行觀察，放大倍數分別為40倍、100倍。

1.2.3 含水率與干燥速率的測定

室溫下，將蘋果片置于培養皿內進行干燥脫水，超聲驅動頻率為20 kHz，超聲功率分別設置為0、20 W、30 W，干燥總時長為60 min。干燥期間用分析天平對樣品進行稱重，以此來記錄樣品含水率及干燥速率的變化。采用105 ℃直接干燥法測得新鮮蘋果的初始干基含水率為(6.40±0.2)。每組實驗重復3次。

蘋果片的干基含水率[12]為

(1)

式中：Mt代表t時刻樣品的干基含水率；Wt為t時刻樣品的質量；Wd為干物質質量。

無量綱水分比[13]為

(2)

式中：M0為初始干基含水率；Me為最終平衡含水率。平衡含水率表示樣品失水和吸水達到動態平衡，水分不能繼續被除去，其數值較小，相對于Mt，其數值可忽略，故可將平衡含水率視為0。式(2)可簡化[14]為

(3)

干燥速率為

(4)

式中：DR為干燥速率；Mt+Δt代表t+Δt時刻下樣品的干基含水率。

2 結果與分析

2.1 超聲干燥中的微流現象

圖2為不同時刻下(0、3 s、6 s、9 s)聚苯乙烯微球在氣介超聲作用下的位移圖。圖中，藍色圓圈標記的是聚苯乙烯微球在不同時刻下的位置，紅色箭頭代表聚苯乙烯微球旋轉的方向。由圖可見，氣介超聲作用下的液滴內產生了微流現象，促使聚苯乙烯微球在微流作用下產生定向移動，從而增加水分的蒸發速率，減少擴散邊界層。

圖2 氣介超聲作用下聚苯乙烯微球的位移圖

圖3為COMSOL Multiphysics對超聲激勵小液滴產生微流現象的仿真結果圖，其與圖2中聚苯乙烯微球的運動速度保持相對一致，分別將激勵邊界位移的特征長度設為3 μm和5 μm。

圖3 COMSOL Multiphysics仿真結果圖

由圖3(a)、(b)可見，施加的聲功率越大，則聲流速越大，圖中帶箭頭的流線表示速度場，顏色梯度表示速度大小。圖3(c)～(f)采用COMSOL Multiphysics粒子追蹤模塊，確定聚苯乙烯微球在聲場中隨時間變化的運動狀態，由圖可看出，在不同時刻(0、3 s、6 s、9 s)下，液滴內的聚苯乙烯微球受斯托克斯力在聲場中的分布情況。

2.2 超聲干燥對蘋果片表面微觀結構的影響

圖4為新鮮蘋果，功率為20 W超聲作用及無超聲作用下的蘋果片組織結構。圖中明亮部分代表細胞壁，蘋果細胞通過細胞壁彼此相連。由圖4(a)、(b)可看出，新鮮蘋果的微觀結構較為均勻和緊湊。由圖4(c)、(d)可看出，與新鮮蘋果相比，超聲干燥后的蘋果組織的孔隙明顯增大，這是由超聲的“海綿效應”所導致，即超聲作為一種機械力在不斷拉扯蘋果組織結構，從而使蘋果組織的孔隙逐漸增大，這將有利于蘋果內部的水分擴散，進而縮短蘋果片的脫水過程。由圖4(e)、(f)可見大量的細胞變形和結構坍塌，且坍塌處明顯多于超聲干燥后的蘋果片，這表明超聲干燥能更好地保持樣品的微觀結構，抑制樣品內部微觀結構的坍塌和孔隙度的收縮，改善其質構性質[15]。

圖4 蘋果組織在顯微鏡下的結構

2.3 不同超聲功率對蘋果片干燥特性的影響

圖5分別比較了不同超聲功率下蘋果片無量綱水分比及干燥速率隨時間的變化圖。由圖5(a)可見，與未加超聲作用的蘋果片相比，超聲處理后的蘋果片含水率顯著降低，且超聲功率越大，含水率下降越明顯。隨著超聲功率的增大，超聲的機械效應越強，則越有利于樣品內自由水的流動，同時減少了水分與細胞組織間的吸附力，從而有效提高了傳質速率，進而縮短了干燥時間。由圖5(b)可看出，超聲可在短時間內迅速提升蘋果片的干燥速率，且選用的超聲功率越大，蘋果片的干燥速率提升越快。因此，為了獲得更好的干燥效果，可選用功率較大的超聲進行干燥處理。

圖5 不同超聲功率下蘋果片干燥過程中的無量綱水分比和干燥速率曲線

3 結束語

采用實驗結合COMSOL仿真的方法，研究了氣介超聲對自由水干燥的影響。借助熒光顯微鏡觀察分析了氣介超聲干燥對蘋果片表面微觀結構的影響，探究不同聲功率下蘋果片干燥過程中無量綱水分比及干燥速率隨時間的變化規律。結果表明，自由水在氣介超聲作用下產生微流現象，這將有利于自由水的蒸發，減少擴散邊界層，COMSOL仿真微流結果與實驗保持相對一致。氣介超聲處理后的蘋果片組織孔隙變大，這將有利于蘋果內部的水分擴散。與自然干燥后的蘋果片相比，氣介超聲干燥后的蘋果片組織細胞變形和結構坍塌更少，這表明氣介超聲能更好地保持蘋果片的微觀結構，改善其質構性質；與未加超聲作用的蘋果片相比，氣介超聲處理后的蘋果片含水率顯著降低，且超聲功率越大，含水率下降越明顯；同時氣介超聲可在短時間內迅速提升蘋果片的干燥速率，選用的超聲功率越大，蘋果片的干燥速率提升越快。上述結果為更好地解釋氣介超聲的干燥機制提供了參考。