近年来超声波技术应用于干燥领域的研究日益增多，目前，一些学者对超声联合真空干燥技术进行了一定的研究，但是，将超声真空干燥用于黏稠食品物料干燥过程的研究鲜见报道；同时，黏稠食品物料由于其具有黏性大，透气性差等特点，难以实现快速高品质干燥。
来自河南科技大学食品与生物工程学院的马怡童，朱文学，白喜婷等人拟以全蛋液为研究对象，对其进行超声强化真空干燥的研究，探索超声作用对全蛋液干燥速率及微观结构的影响规律，建立全蛋液超声真空干燥动力学模型，以期为黏稠食品物料超声真空干燥工艺的研究和生产控制提供理论依据，为黏稠物料干燥难题开辟出一条新的道路。
1.全蛋液真空超声干燥特性及微观结构分析
1.1干燥温度对全蛋液真空超声干燥特性的影响
与30 ℃的干燥时间240 min相比，40、50、60、70、80 ℃的干燥时间分别约降至200、180、160、140、120 min，分别缩短了16.7%、25.0%、33.3%、41.7%、50.0%。与30℃的平均干燥速率0. 01194 g /（g·min）相比，其余温度干燥速率分别为0.01425、0.01548、0.01735、0.01951、0.02251 g/（g·min），分别提高了19.3%、29.6%、45.3%、63.4%、88.5%。
1.2超声声能密度对全蛋液真空超声干燥特性等的影响
超声声能密度对全蛋液真空超声干燥特性的影响
无超声作用时干燥时间约为400 min，平均干燥速率为0.007 37 g/（g·min）。加入超声作用且声能密度分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 W/g时，干燥时间分别约为280、240、220、200、180 min，平均干燥速率约为0.01035、0.01198、0.01297、0.01405、0.01548 g/（g·min），与无超声作用相比，干燥时间分别缩短了30%、40%、45%、50%、55%，平均干燥速率分别提高了40.4%、62.6%、76.0%、90.6%、110.0%。
超声声能密度对全蛋粉微观结构的影响
无超声作用时，全蛋粉结构较为致密，但同时也存在一定的组织间隙。当超声声能密度为0.4 W/g及0.8 W/g时，全蛋粉组织结构变化不明显，这是由于超声声能密度较低，其强化效果较差。当超声声能密度为1.2 W/g及1.6 W/g时，由于超声机械效应及空化效应，全蛋粉组织间隙增大，结构较为疏松。当超声声能密度为2.0 W/g时，全蛋粉组织结构疏松，颗粒较小且均匀分布。
1.3超声作用时间对全蛋液真空超声干燥特性等的影响
超声作用时间对全蛋液真空超声干燥特性的影响
与无超声作用（干燥时间为400 min）相比，超声作用时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h时，干燥时间分别约为360、330、270、210、180、180 min，分别缩短了10.0%、17.5%、32.5%、47.5%、55.0%、55.0%。超声作用时间在0.0～3.0 h间，每延长0.5 h，干燥速率分别增加了8.0%、8.8%、23.6%、35.3%、24.3%、10.0%。
超声作用时间对全蛋粉微观结构的影响
当超声作用时间为0.5 h时，全蛋粉组织结构与无超声作用相比，变化不明显。当超声作用时间为1.0～1.5 h时，全蛋粉组织结构中产生新的微细孔道，连通性增强，这是超声机械作用及空化作用的结果，同时，干燥过程中也可以发现，在无超声及超声作用时间较短时，液体表面出现硬化、“结皮”现象，不仅阻碍内部水分的蒸发，而且使全蛋粉结构致密。当进一步延长超声作用时间至2.0～3.0 h时，到达物料的超声能量增多，其机械效应随之增强，在强大的剪切力下，物料组织间隙反复拉伸、断裂，此外，空化泡的不断崩溃使液体流动性增强，表面硬化及“结皮”现象逐渐减弱，从而加速内部水分的迁移速率，提高干燥速率。同时，干燥产品质地疏松，易于与容器分离，利于粉碎及后期加工。
2.全蛋液真空超声干燥的动力学模型
2.1干燥模型的选择
Page模型的R2最高，RMSE和χ2较小，拟合程度最好，对本研究其他干燥实验数据进行拟合分析的结果也显示Page模型的拟合效果最好，因此，该模型能很好地描述全蛋液超声真空干燥过程。
2.2模型建立（参数回归）
随着干燥温度（T）升高，k值逐渐减小，n值先增大后减小；随着声能密度（ρ）增大，k和n值逐渐增大；随着超声作用时间（t）延长，k值逐渐减小，n值逐渐增大。因此干燥常数k和n是关于T、ρ和t的函数。
2.3干燥模型的验证
在整个干燥过程中，实验值与Page模型的预测值拟合度较好，最大的相对误差（相对误差＝︱实验值－预测值︱/实验值）为5%，说明Page模型能较准确地描述全蛋液超声真空干燥过程中的水分变化规律。
3.有效水分扩散系数及活化能
3.1有效水分扩散系数
随着干燥温度、超声声能密度的增大，有效水分扩散系数Deff增大。另外，在一定超声作用时间内，有效水分扩散系数随超声作用时间的延长而增大，与前文干燥速率随超声时间变化规律一致。同时，扫描电子显微镜结果也显示，经过超声处理后，物料的组织间隙增大，形成更多的微细孔道，有利于内部水分的扩散，从而提高有效水分扩散系数。
3.2活化能
将ln Deff与1/T的曲线进行线性拟合，方程为ln Deff＝－13.35991－1942.64903（1/T），R2＝0.9969。其斜率值为－Ea/R，从而计算出全蛋液干燥的活化能Ea为16.1512 kJ/mol。
结 论
超声波作用可强化物料内部传质过程，提高干燥速率，且超声强化效应随着声能密度的增大而增强。此外，超声处理时间不宜过长，当干燥温度为50 ℃，超声声能密度为2.0 W/g持续作用2.5 h之后，进一步延长超声作用时间对全蛋液干燥过程的强化效果不明显。扫描电子显微镜结果发现，超声处理会使物料组织间隙增大、连通性增强，同时形成更多的微细孔道，降低水分扩散阻力。对9 种薄层干燥数学模型进行实验数据的非线性拟合分析，结果显示：Page模型的决定系数R2均大于0.99，均方根误差和残差平方和均小于0.01，拟合效果最好。因此，Page模型可用来描述全蛋液超声真空干燥过程中水分比的变化规律。以Fick扩散定律为依据，确定全蛋液干燥传热传质有效水分扩散系数（Deff）的变化范围为：1.6456×10?9～6.5497×10?9 m2/s，且随着温度及超声声能密度的增大而增大。由Arrhenius方程建立有效水分扩散系数与温度的关系，得到全蛋液水分活化能（Ea）为16.1512 kJ/mol。实验结果可为全蛋液真空超声干燥工艺参数优化及生产控制提供理论依据。
