《Food Chemistry: X》：Impact of airborne ultrasound on pore characteristics and cell wall components in shiitake mushrooms during microwave vacuum drying
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为探究超声在调控干燥产品孔隙结构中的作用机制，本研究考察了超声振幅对微波真空干燥（MVD）香菇孔隙结构演化和细胞壁成分的影响。结果表明，超声通过空化效应、机械振动及调控酶活性等方式，于50%-70%振幅区间优化了孔隙结构（如最大孔隙率65.13%），揭示了其对纤维素与几丁质含量、结晶度及热稳定性的影响。该研究为定向调控干燥食品孔隙结构、改善产品品质提供了理论依据和技术参考。
香菇因其丰富的营养和独特风味而深受消费者喜爱，然而新鲜香菇水分含量高，不仅给贮藏保鲜带来挑战，传统的热风干燥耗时耗能、易致营养风味流失，而冷冻干燥虽能较好保留品质但成本高昂。微波真空干燥（MVD）技术虽能兼顾效率与品质，但仍存在受热不均和体积收缩严重的问题。为了攻克这些难题，研究人员将气载超声技术（US）与MVD结合，开发了超声耦合微波真空干燥（USMVD）新技术。此前的研究已证实USMVD能改善加热均匀性、缩短干燥时间并促进特征风味物质释放，但其调控香菇干燥过程中孔隙形成的深层机制尚不明确。因此，本研究旨在系统阐明US对MVD处理香菇细胞壁成分的作用规律与机制，为精准调控干燥产品的多尺度孔隙结构提供科学依据。该研究成果已发表于《Food Chemistry: X》。
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，对新鲜香菇进行MVD以及不同超声振幅（50%-100%）下的USMVD处理，直至水分含量低于13%（湿基）。其次，采用压汞孔隙度测定法（MIP）和氮气吸附法（BET）从宏观和介观尺度表征孔隙结构参数，并通过扫描电子显微镜（SEM）直观观察微观形貌。再者，测定了干燥过程中β-1,3-葡聚糖酶、几丁质酶和纤维素酶的活性动态变化。同时，分析了纤维素和几丁质的含量变化，并利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等手段系统解析了这两种细胞壁骨架成分的结构特性（如结晶度、热稳定性）变化。
3.1. 基于MIP实验的孔隙结构分析
结果显示，超声振幅对香菇孔隙结构有显著影响。随着振幅增大，干燥香菇的孔隙率、平均孔径、总孔体积和总孔面积均呈现先增后减的趋势。在60%振幅时获得最大孔隙率（65.13%），在70%振幅时观察到最大平均孔径（3041.78 nm）。这表明在50%-70%振幅区间，超声空化效应促进了孔隙扩展；当振幅超过70%，过高的能量反而导致孔隙塌陷。与MVD组相比，超声处理显著改善了香菇孔隙网络的连通性和均匀性。
3.2. 基于N2A实验的孔隙结构分析
氮气吸附/脱附测试表明，所有样品的吸附-脱附等温线均符合II型等温线特征。当超声振幅在50%-70%时，对样品的比表面积、总孔体积或微孔体积无显著影响；而当振幅超过70%时，样品的比表面积和总孔体积呈下降趋势。中孔（2-50 nm）尺寸分布结果显示，其分布范围在2-20 nm，且随着超声振幅增加，中孔结构呈现减少趋势，这可能是由于超声的空化效应和热效应导致中孔进一步破坏或塌陷，并形成了更大的孔隙。
3.3. 基于SEM实验的孔隙结构分析
SEM观察直观显示，USMVD组比MVD组具有更多孔状结构。在高放大倍数（5000×和30,000×）下，USMVD组的菌丝在超声作用下表现出更显著的扭曲变形，菌丝表面形成明显孔隙，且此现象随超声振幅增大而加剧。这说明超声的空化效应破坏了细胞壁结构，创造了额外的水分扩散通道，并促进了孔隙和表面孔的形成。
3.4. 细胞壁降解酶活性分析
研究了MVD和USMVD干燥过程中β-1,3-葡聚糖酶、几丁质酶和纤维素酶的活性动态变化。在MVD过程中，这三种酶的活性相比新鲜样品均显著降低。而在USMVD的干燥早中期（0-30分钟），酶活性随超声振幅增大呈先升后降趋势，在70%振幅时达到最高。这表明适度的超声通过破坏细胞壁结构暴露更多底物与酶，并可能诱导酶结构变化，从而提高了催化效率。但过高的振幅（>70%）会导致细胞环境剧变，反而抑制酶活性。
3.5. 纤维素和几丁质含量变化分析
纤维素和几丁质作为细胞壁骨架基本成分，其含量在干燥过程中显著降低。在相同干燥时间点，USMVD组的纤维素和几丁质含量均低于MVD组，且随超声振幅增大而逐渐减少。这是因为超声的空化和微射流效应加剧了细胞壁破裂，使细胞结构更松散，增加了酶与底物的接触面积，从而加速了纤维素和几丁质的降解。
3.6. 傅里叶变换红外光谱分析
FT-IR分析表明，MVD或USMVD处理并未导致纤维素和几丁质发生化学键断裂或新官能团形成。然而，随着超声振幅增大，纤维素在3300 cm-1（O-H伸缩振动）和2911 cm-1（C-H伸缩振动）等处的吸收峰强度增加，表明超声通过空化效应和机械振动破坏了纤维素的氢键网络。对于几丁质，其3260 cm-1和1553.9 cm-1等处的吸收峰也随振幅增大而增强，同样反映了氢键网络的破坏和结构松弛。
3.7. X射线衍射分析
XRD分析显示，香菇纤维素主要为II型晶体构象。与新鲜样品相比，干燥后纤维素的结晶度下降（MVD组为42.74%），而USMVD处理组的结晶度随超声振幅增大先升后降，在70M组达到最大值52.2%。这表明超声可能通过促进结构重组增强了纤维素结晶度。对于几丁质，其为β型晶体形式。MVD和USMVD处理均导致所有衍射峰强度减弱，结晶度下降，且USMVD组随振幅增加下降更明显，说明超声加速了分子运动，破坏了原本平行排列的几丁质结构，增加了结构无序度。
3.8. 热重分析
TGA分析评估了USMVD对纤维素和几丁质热稳定性的影响。与新鲜组相比，MVD和USMVD处理后的纤维素表现出更优的热稳定性，且稳定性随超声振幅增大而逐步提升，这与结晶度的增加有关。对于几丁质，在180-280°C的去乙酰化阶段，USMVD组的质量损失比新鲜组更迅速显著，且随振幅先增后减，表明超声处理破坏了结晶区，暴露出更多乙酰基团，使其更易发生热降解。然而，在310-370°C主链裂解阶段，干燥后的几丁质表现出更高的热稳定性，且稳定性随超声振幅增大而增强，这可能与分子间氢键增加和交联促进有关。
综上所述，本研究发现，在USMVD过程中，超声振幅对香菇的孔隙结构演化具有非线性调控作用。在50%-70%振幅范围内，超声通过其空化、机械振动效应以及调控细胞壁降解酶（如纤维素酶、几丁质酶）的活性，有效促进了细胞壁骨架成分（纤维素和几丁质）的降解，优化了从微孔、中孔到宏孔的多尺度孔隙网络，形成了大量10000-100000 nm范围内的大孔结构。当振幅超过70%时，过度的超声能量则导致孔隙塌陷。在结构层面，超声处理虽未改变纤维素和几丁质的基本化学结构，但破坏了其氢键网络，并影响了结晶度：适度超声提高了纤维素的结晶度和热稳定性，却降低了几丁质的结晶度，同时通过促进分子间相互作用增强了几丁质在高温下的热稳定性。这项研究不仅系统阐明了超声影响香菇干燥过程中孔隙形成的细胞壁成分机制，也为食品工业中定向调控干燥产品的多尺度孔隙结构、进而改善其复水性、风味保留及加工适应性提供了重要的理论依据和数据支持，具有显著的科学意义与应用前景。
