超声辅助近红外干燥柚皮工艺优化与传质强化机制研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Comparative drying of pomelo peel and optimization using ultrasound-assisted near-infrared drying

本研究针对柚皮高水分含量和复杂结构导致的干燥效率低、品质难控等问题，系统比较了热风干燥(HAD)、近红外干燥(NID)和微波干燥(MD)的动力学特性，并创新性地引入超声预处理强化NID过程。结果表明，超声预处理通过空化效应促进内部水分迁移，使干燥时间缩短28.6%，优化工艺参数为300 W超声功率处理5 min后70℃ NID。该研究为高附加值柚皮干燥提供了高效节能的新策略。

　　

作为柑橘加工业的主要副产物，柚皮约占果实总重的30%-50%，富含膳食纤维、果胶、黄酮类化合物等生物活性成分，具有显著的抗氧化、抗炎和抗菌潜力。然而，其高初始水分含量（约79%）和易微生物腐败的特性，使得高效干燥成为柚皮稳定化和高值化利用的关键前提。传统热风干燥(Hot Air Drying, HAD)虽操作简单但耗时较长且易导致品质劣变；微波干燥(Microwave Drying, MD)虽能大幅缩短干燥时间，却存在加热不均和局部过热风险；而近红外干燥(Near-Infrared Drying, NID)以其高能效和良好品质保持特性受到关注，但其内部水分扩散阻力仍制约着干燥效率的进一步提升。

为攻克这一技术瓶颈，中南林业科技大学机械与智能制造学院的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》上发表了题为"Comparative drying of pomelo peel and optimization using ultrasound-assisted near-infrared drying"的研究论文。该工作通过两阶段研究策略，首先系统比较HAD、NID和MD三种干燥方法在柚皮干燥中的综合性能，进而针对平衡表现最佳的NID技术引入超声预处理，深入探究超声强化传质机制并优化工艺参数。

关键技术方法包括：（1）采用热风干燥箱、近红外干燥箱和微波实验炉进行对比干燥实验，监测干燥动力学曲线；（2）通过精密色差计测定色泽参数（ΔE、BI），电子天平测定复水率，电表记录能耗计算比能耗(SEC)和CO₂排放；（3）利用扫描电镜(SEM)观察超声预处理前后柚皮油胞层和内果皮层微观结构变化；（4）采用Modified Page模型拟合干燥动力学数据，通过熵权法优化超声辅助近红外干燥(Ultrasound-assisted Near-Infrared Drying, UPA-NID)多目标工艺参数。

3.1 水分含量

三种干燥方法均显示温度/功率升高可加速水分脱除。MD效率最高（400 W仅需20 min），较HAD缩短87.5%；NID次之（70℃需90 min），HAD最长（70℃需160 min）。超声预处理使NID干燥时间进一步缩短5.8%-28.6%。

3.2 干燥速率

所有方法均呈现先升后降趋势，MD最高干燥速率达0.1158 g/g·min。超声预处理通过空化效应产生的微射流和冲击波破坏细胞结构，形成水分迁移通道，显著提升NID初期干燥速率。

3.3 SEC和CO₂排放

MD的比能耗最低（17.19-24.32 kW·h·kg^-1），CO₂排放（0.1089-0.1546 kg）较HAD降低30%以上。超声预处理虽增加前期能耗，但通过缩短总干燥时间实现能耗优化。

3.4 有效水分扩散系数

D_eff值随温度/功率升高而增大，MD的D_eff（1.73-3.46×10^-8m²/s）显著高于NID（0.36-0.64×10^-8m²/s）和HAD（0.22-0.40×10^-8m²/s），表明微波体积加热有效强化内部传质。

3.5 色泽变化

NID在60℃时色泽保持最佳（ΔE=9.54，BI=121.30），显著优于MD（ΔE=17.43，BI=191.70）。近红外辐射的均匀加热特性有效抑制了美拉德反应和色素降解。

3.6 复水率

HAD在50℃时复水率最高（287%），超声预处理使NID复水率提升至258.5%，微观结构显示超声产生的微通道增强了水分吸收能力。

3.7 干燥模型拟合

Modified Page模型对所有干燥方法拟合优度最高（R²>0.995），能准确描述柚皮干燥过程中的水分比(Moisture Ratio, MR)变化规律。

4.3 超声预处理对柚皮微观结构的影响

SEM分析表明，超声预处理（300 W, 5 min）使内果皮层细胞间隙扩大，油胞层产生微裂纹，为水分迁移创建高效通道。过度超声（400 W, 15 min）则导致结构塌陷，反而不利于传质。

4.4 UPA-NID优化

通过熵权法确定各指标权重（色泽0.2415、复水率0.2408、SEC 0.1812等），优化得出最佳工艺参数：超声功率300 W、处理时间5 min、NID温度70℃。

本研究通过多维度评价体系阐明不同干燥技术的作用特性，首次揭示超声预处理与近红外干燥的协同强化机制。超声空化效应产生的微结构修饰有效克服了NID在降速干燥阶段的内扩散阻力，而近红外辐射的深度加热特性则最大程度保留了产品品质。优化后的UPA-NID工艺使干燥时间缩短28.6%，能耗降低25.4%，且显著改善色泽和复水特性，为果蔬加工副产物的高值化利用提供了理论依据和技术支撑。该研究不仅为解决柚皮干燥的产业难题提供了创新方案，其揭示的超声-红外协同强化机制对其它热敏性农产品的干燥优化也具有重要借鉴意义。