来自河南科技大学食品与生物工程学院的田伏锦、刘云宏*、黄隽妍和雷雨晴等人将直触式超声强化与冷风干燥技术相结合，以马铃薯为实验材料，研究超声强化冷风干燥的干燥特性及微观结构，构建超声强化冷风干燥过程的Weibull模型，探讨超声功率对冷风干燥马铃薯中营养成分的影响，并采用层次分析法进行参数优化，以期为超声强化冷风干燥理论研究及技术发展与应用提供参考。
1、马铃薯超声强化冷风干燥特性
在所有干燥温度条件下，随着超声功率的增大，物料的干燥时间明显缩短，干燥速率显着提高，ANOVA结果表明超声功率对干燥时间影响显着（P＜0.05）。以温度20 ℃为例，当附加超声功率为24 W与48 W时，干燥时间分别为1 290 min和990 min，与未施加超声的干燥时间（1 530 min）相比，分别缩短15.69%和35.29%；相应平均干燥速率为0.48 g/（g·min）和0.59 g/（g·min），与未施加超声时的0.37 g/（g·min）相比，分别提高了29.73%和59.46%。马铃薯的超声强化冷风干燥过程在大多数条件下存在恒速干燥和降速干燥两个阶段，在48 W超声作用下的干燥初始阶段也近似为恒速阶段，所有干燥过程均存在较明显的转化点，说明马铃薯超声强化冷风干燥存在表面汽化控制转化为内部扩散控制的现象，对应的临界含水率约在3.0～3.6 g/g（干基）区间内。含水率较高时，物料表面充分湿润，物料所含水分均较为充足，且以自由水为主，致使该阶段的表面水分蒸发速率恒定；随着干燥的进行，物料表面水分含量显着减少甚至开始出现干区，当含水率降低至转化含水率后，物料内部质热传递阻力大于表面质热传递阻力，物料内部水分来不及扩散到物料表面，进入到内部扩散控制阶段，并伴随着水分蒸发速率及干燥速率不断降低。在干燥初期的恒速干燥阶段，物料水分含量较高，较高超声功率对应的干燥速率要显着高于较低功率的干燥速率，不同超声功率条件下的干燥速率曲线有明显差异；随着干燥的进行及物料水分含量的降低，干燥进入到降速干燥阶段，干燥速率的差异逐渐减小，直至与无超声作用时的干燥速率曲线无明显差异。ANOVA结果表明温度对干燥时间影响显着（P＜0.05）。对比不同温度下的干燥曲线可知，温度的不同会导致超声对干燥过程的强化效果不同。在温度为10 ℃时，单纯冷风干燥马铃薯片的时间为2790 min，在施加24 W和48 W超声功率后，时间分别缩短了23.65%及45.16%；温度升至30 ℃时，施加24 W和48 W超声功率后，干燥时间分别缩短21.62%及37.84%。没有施加超声强化的物料表面结构致密，微孔道较小且少。在施加24 W超声后，可以看出物料表面微细孔道的数量明显增多，直径也有所增大。在施加48 W超声后，物料表面微细孔道的尺寸和数目继续增大和增加，且出现了少量大孔和微小孔。
2、马铃薯片超声强化冷风干燥过程的Weibull分布函数拟合
2.1 尺度参数α
在单一冷风干燥条件下，当干燥温度从10 ℃升至30 ℃时，α由928.876 min减少至395.288 min；在附加48 W超声功率条件下，随着干燥温度从10 ℃提高到30 ℃，α从257.150 min减少至163.915 min。可见，随着温度的升高，α减小，且随着施加功率的提高，α的变化范围缩小。干燥温度为10 ℃，施加的超声功率从0 W分别升至24 W和48 W时，所对应的α自928.876 min分别减小至493.679 min和257.150 min；在干燥温度为30 ℃的条件下，随着超声功率自0 W升高到24 W和48 W，α从395.288 min分别减少至283.767 min和163.915 min。
2.2 形状参数β
在超声强化冷风干燥马铃薯的过程中，不同条件下β的变化范围为1.025～1.196，表明干燥过程属于内外水分共同扩散控制，表现为物料在干燥前期先出现延滞阶段，在干燥后期则呈现干燥速率不断降低，这与本实验先出现平缓的恒速阶段，再出现降速阶段的现象一致。温度的改变对β的影响不明显，说明在10～30 ℃范围内改变干燥温度对水分迁移机制影响不明显。
2.3 水分扩散系数Dcal
Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10 m2/s范围内。Dcal随着温度的升高而升高，这是因为随着温度的升高，物料周围空气相对湿度减小，蒸气压差增大，从而加快传质速率。此外，干燥温度的升高使物料温度升高，内部水分子能量增加，有利于水分的进一步扩散。超声功率的增加可提高Dcal。例如，在20 ℃条件下，施加24 W和48 W超声时的Dcal比未施加超声时分别增加83.10%和223.24%。
3、不同超声功率及温度下马铃薯干燥产品的总酚含量
总酚含量在239～487 mg/100 g，ANOVA结果表明超声功率和干燥温度对总酚含量的影响显着（P＜0.05）。在相同功率条件下，随着温度的升高，总酚含量呈现持续升高的趋势。在温度一定的条件下，总酚含量随超声功率的增加而升高。例如，在温度为10 ℃和30 ℃时，单一冷风干燥所得的物料总酚含量分别为239 mg/100 g和414 mg/100 g；当外加24 W的超声作用后，10 ℃和30 ℃所对应的干燥物料中总酚含量分别升至268 mg/100 g和448 mg/100 g，提高幅度分别为12.1%和8.2%；继续增加至48 W时，相应总酚含量分别达到296 mg/100 g和487 mg/100 g，比单一冷风干燥分别提高了23.8%和15.0%。可见，在马铃薯冷风干燥中施加超声强化可对保护总酚物质起到积极作用。
4、不同超声功率及温度下马铃薯干燥产品的总黄酮含量
马铃薯片的总黄酮含量范围为47～61 mg/100 g，ANOVA结果表明超声功率与干燥温度均对总黄酮含量影响显着（P＜0.05）。在冷风干燥中，同功率下总黄酮含量呈现先升高后下降的趋势，在10 ℃和30 ℃条件下较低，在20 ℃条件下较高。此外，在温度低至10 ℃时，随着超声功率的增加，黄酮含量随之升高，这是由于超声功率的增加致使干燥时间大幅度缩短，从而缩短黄酮的降解时间；但在温度为20 ℃和30 ℃时，黄酮含量呈现先上升后下降的趋势。
5、不同超声功率及温度下马铃薯干燥产品的VC含量
干燥后物料的VC含量在57～96 mg/100 g之内，ANOVA结果表明超声功率及干燥温度对其有显着影响（P＜0.05）。在超声功率为48 W的条件下，10、20、30 ℃时VC的含量分别为96、83、80 mg/100 g，表现为VC含量在相同功率条件下呈下降趋势。VC对温度极其敏感，提高干燥温度会使物料温度随之升高，会导致VC降解速率显着上升，促使VC的降解并降低其保留率。当温度一定时，在马铃薯冷风干燥中进行超声辅助可有效提高VC的保留率。以10 ℃为例，在单一冷风干燥条件下，马铃薯片的VC含量为68 mg/100 g，当分别施加24 W和48 W超声时，VC含量分别升至81 mg/100 g和96 mg/100 g，提高幅度分别为19.1%和41.2%。可见，施加超声对提高VC含量有明显的效果。超声通过加速物料中水分的迁移和提高干燥速率来缩短VC的降解反应时间，从而有利于对VC的保护，提高产品营养价值。
6、AHP优化结果
在本研究的马铃薯超声强化冷风干燥实验中，最优干燥温度和超声功率分别为10 ℃和48 W，所对应总酚、总黄酮、VC的含量分别为296、52、96 mg/100 g。次优参数组合分别为30 ℃和48 W、20 ℃和48 W，即在各个温度水平下，施加了48 W的超声强化冷风干燥所得产品的营养成分综合评分较高。综上可知，在马铃薯冷风干燥过程中辅以超声强化，在有效缩短干燥时间的同时还能达到提高产品品质的目的。
结 论
提高超声功率及干燥温度能够明显缩短马铃薯所需干燥时间，较低温度下的超声强化效果优于较高温度；马铃薯超声强化冷风干燥呈先恒速、后降速的干燥过程，表明该干燥过程由表面扩散控制转化为内部扩散控制；超声强化能够增大和增多物料表面的微细孔道，从而有利于水分传递；Weibull分布函数可很好地拟合马铃薯超声强化冷风干燥过程，利用该模型计算所得的估算水分扩散系数Dcal随着干燥温度和超声功率的升高而增大，表征干燥时间的尺度参数α则随着超声功率的升高而减小；冷风温度和超声功率对干燥产品的总酚、总黄酮、VC含量有显着影响（P＜0.05），在冷风干燥过程中施加超声辅助处理有利于提高营养成分含量。利用层次分析法计算得到的优化参数为干燥温度10 ℃、超声功率48 W时，对应的总酚、总黄酮、VC含量分别为296、52、96 mg/100 g。因此，将超声强化技术用于马铃薯冷风干燥中能够显着缩短干燥时间并有效保护产品品质。
