超声波预处理提升了黄芪切片的电水动力干燥效果：干燥动力学、产品质量及生物活性成分的保留情况

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Ultrasonic pretreatment enhances electrohydrodynamic drying of Astragalus slices: Kinetics, quality and bioactive retention

本研究探究了超声预处理功率（210、240、270、300 W）对黄芪切片高压电场干燥特性及质量的影响。结果表明，270 W预处理最优，缩短干燥时间48.5%，有效水分扩散系数最高，且活性成分保留最佳，颜色变化最小。该研究填补了中药材超声预处理与EHD干燥结合的研究空白。

　　

Ni Lan|Jing Cheng Zhu

内蒙古工业大学理学院，中国呼和浩特 010080

摘要

本研究探讨了超声波预处理功率（210、240、270和300瓦，在30°C下处理30分钟）对高压电场（EHD）干燥过程中Astragalus membranaceus切片干燥特性和品质的影响。结果表明，预处理功率显著影响了干燥动力学、产品质量以及生物活性化合物的保留率（p < 0.05）。在所有测试条件中，270瓦的预处理效果最佳，干燥时间缩短了48.5%，并且有效水分扩散系数达到最大值。所有预处理组的复水能力都有显著提高，其中270瓦组的褐变指数最低，颜色保持效果最好。微观结构分析显示，适当的功率水平（210–270瓦）促进了微孔通道的形成，而过高的功率（300瓦）则导致结构破坏。在生物活性化合物的保留方面，270瓦预处理条件下，astragaloside IV和calycosin的含量最高（p < 0.05），分别达到对照组的1.78倍和1.14倍。然而，总多糖含量随着超声波功率的增加而降低，最佳保留效果出现在210瓦时。综上所述，270瓦被认为是EHD干燥Astragalus membranaceus切片的最优超声波预处理功率，能够在干燥效率、物理品质和关键生物活性成分的保留之间取得最佳平衡。本研究首次将超声波预处理应用于Astragalus membranaceus的EHD干燥，填补了药用草本植物联合干燥领域的研究空白。

引言

Astragalus membranaceus是一种非常重要的药用和食用草本植物（Chen等人，2025年），被中国卫生部列为推荐草药之一，同时也是美国“膳食补充剂健康与教育法”下的合法膳食补充剂之一。由于公众对健康和保健意识的提高（Zhang等人，2011年），其产业发展迅速，市场前景广阔。其主要功能成分包括皂苷、多糖和黄酮类化合物（如astragaloside IV、astragalus多糖和calycosin），具有免疫调节、抗氧化和抗肿瘤作用（Li等人，2024年）。然而，新鲜Astragalus根部的较高水分含量使其在储存和运输过程中容易发霉和褐变（Buziak等人，2024年），因此亟需及时干燥。

目前，传统的干燥方法如晒干和阴干仍然普遍使用。为了提高干燥效率和产品质量，现代机械干燥技术如真空干燥（Yue等人，2024年）、微波干燥（Di等人，2010年）、热风干燥和高压电场（EHD）干燥（Hou等人，2025年）得到了广泛研究。其中，EHD干燥因其低能耗、操作简便以及出色的物料品质保持能力而受到关注。为了进一步优化EHD干燥，研究人员探索了将其与预处理技术结合的应用。作为一种非热处理方法，超声波预处理已成功应用于多种农产品的干燥，如菠萝（Lee等人，2025年）、蓝莓（Yu等人，2025年）和青椒（Yao等人，2025年），显著提高了干燥速率和最终产品质量。这种结合环保预处理和先进干燥技术的新兴方法有助于提高能源效率和工艺可持续性，同时提升产品品质（Yan等人，2026年）。其作用机制可能涉及超声波产生的“海绵效应”和机械效应，这些效应在材料内部形成微孔通道，减少扩散边界层，促进水分均匀分布，从而增强热质传递速率（Mahmood等人，2025年；Ozuna等人，2014年）。

超声波预处理的关键参数包括处理时间、温度和功率，其中功率是显著影响最终干燥品质的决定性因素。大量研究指出，不同功率水平对不同材料的干燥性能有显著影响。例如，Luo等人（2020年）发现超声波预处理功率显著影响了使用热泵系统干燥的罗非鱼片的品质；Yang等人（2024年）表明，在苹果片红外干燥过程中增加超声波功率可显著缩短干燥时间并改变水分相关功能基团；Yu等人（2023年）也发现超声波预处理功率影响了芋头的干燥特性。然而，对于Astragalus这种药用材料来说，系统地调节超声波预处理参数以平衡EHD干燥效率、产品质量和生物活性化合物的保留率，从而确定最佳加工条件，仍是一个重要的研究空白。

综合评估需要多方面的指标：干燥效率指标（如干燥时间、干燥速率和有效水分扩散率D_eff），以评估工艺的经济性和可行性（Wang等人，2026年）；物理品质参数（如收缩率、复水能力和微观结构），以反映质地和结构变化并预测工艺适应性（Zhang、Li等人，2025年）；表面颜色属性，以评估感官品质和市场潜力（Shahzad等人，2025年）；以及三种关键生物活性化合物（astragalus多糖、astragaloside IV和calycosin）的保留率，以确定干燥过程是否最佳地保留了药理活性成分，这些成分直接决定了最终产品的内在品质和治疗效果。

总之，本研究旨在：

(1)

阐明超声波预处理功率对EHD干燥过程中Astragalus干燥动力学和物理性质的影响；

(2)

评估超声波预处理功率对干燥后Astragalus

的表观颜色和关键生物活性化合物保留率的影响；

(3)

通过多标准分析确定最佳超声波预处理功率，以实现高效、高质量和高保留率的Astragalus

EHD干燥。

实验方法、材料和设备

本实验使用的Astragalus membranaceus采自甘肃省民县。挖掘后，立即用保鲜膜包裹并运输到内蒙古呼和浩特进行实验。新鲜Astragalus被切成直径10毫米±0.2毫米、厚度2毫米±0.2毫米的薄片。在干燥过程中，每20分钟使用电子天平（型号BS124S，上海）测量一次Astragalus片片的重量。

干燥特性分析

图2a、b和c分别展示了在不同超声波预处理功率下Astragalus membranaceus片片的干基水分含量、水分比和干燥速率的动态变化。Astragalus的初始水分含量为61.31%。随着干燥时间的延长，从内部传递到表面的水分逐渐减少。

结论

本研究系统地探讨了不同超声波预处理功率（210、240、270和300瓦）在30°C下处理30分钟对Astragalus membranaceus切片EHD干燥特性和品质的影响。结果表明，预处理功率显著影响了干燥动力学、产品质量和活性成分的保留率。其中，270瓦的预处理效果最佳：干燥效率最高（干燥时间缩短了48.5%）。

CRediT作者贡献声明

Ni Lan：撰写初稿、数据可视化、正式分析、数据整理。Jing Cheng Zhu：数据可视化、验证、方法论设计、资金筹集。

未引用参考文献

Aduewa, Oyerinde, Olalusi, Oladele and Omotoso, 2025

Akbari Lakeh, Khodadadi Karimvand, Khoshayand and Abdollahi, 2020

Amshi, Kumari, Saikia, Kumar and Swarnakar, 2026

El Majnaoui et al., 2025

El Mesery et al., 2025

El-Mesery, Kamel and Emara, 2021

Faisal et al., 2025

Ge et al., 2026

Guine and Barroca, 2014

Martynenko and Zheng, 2016

Ni, Wang and Zhu, 2025

Qiu et al., 2022

Waghmare et al., 2022

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。