超声预处理后的射频加热技术用于高效核桃仁去皮：工艺优化与品质保持

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Ultrasound-pretreated radio frequency heating for efficient walnut kernel peeling: Process optimisation and quality preservation

核桃脱皮工艺优化研究：超声波联合射频加热技术显著提升脱皮效率（99.91%）与质量评分（6.3），降低能耗53.65% compared with HW + RF。通过建立定量脱皮力-速率模型，系统评估了超声预处理结合射频加热与传统碱处理、热水预处理的效果差异，发现超声空化效应增强介电吸收，缩短加热时间并改善温度均匀性。同时保持核桃色泽（ΔE<8.0）与适度硬度，避免化学残留和过度软化问题，为绿色节能脱皮工艺提供理论依据。

　　

Jiaqi Ma|Da Tang|Le Liu|Yandi Zeng|Pengyu Qin|Shaojin Wang|Zhi Huang

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学机械电子工程学院，邮编712100

摘要

核桃仁外覆一层富含果胶的种皮，该种皮紧密附着在果仁上，导致传统去皮过程中容易发生果仁破损或品质下降。为了解决这些问题，本研究采用超声波（US）预处理结合射频（RF）加热（6 kW，27.12 MHz）的方法，并系统地将其性能与温和碱性化学处理（CA）和热水处理（HW）进行了比较，这些处理方法既可以单独使用，也可以与RF联合使用。通过建立定量剥离力-剥离速率模型，评估了去皮效率、产品质量、介电加热行为、温度均匀性和能耗。在所有处理方法中，US + RF处理获得了最高的剥离速率（99.91%）和最高的综合品质评分（6.3），同时提高了加热速率并改善了温度均匀性。核桃仁的颜色和质地得到了很好的保留，仅有轻微的亮度提升和适度的硬度变化，没有出现褐变或过度软化现象。相比之下，HW + RF处理导致明显的软化，而CA + RF处理在高浓度下会导致表面褐变。US + RF的优异性能归因于超声波诱导的空化效应，该效应增强了介电吸收，缩短了RF加热时间，并使总能耗相比HW + RF降低了约53.65%。总体而言，超声波辅助的RF加热提供了一种创新、无化学污染且节能的核桃去皮方法，具有巨大的工业应用潜力。

引言

核桃（Juglans regia L.）因其富含不饱和脂肪酸、高质量蛋白质、维生素和抗氧化化合物而被广泛认为是一种功能性食品（Vidyarthi, El Mashad, Khir, Zhang, Tiwari, & Pan, 2019; Zhou et al., 2022）。然而，如何在不损害果仁完整性的前提下有效去除核桃仁的种皮仍是一个重要的技术挑战（Chen & Pan, 2022）。种皮中含有一层富含果胶的粘合层，这使得传统去皮方法难以同时实现高效去皮和良好的品质保持（Wichai et al., 2024）。传统方法存在固有的局限性：碱性浸泡可以降低种皮的粘附性，但可能引入化学残留物，引发废水处理问题，并影响品质稳定性（Vidyarthi, El Mashad, Khir, Zhang, McHugh, & Pan, 2019）；机械去皮常会导致结构损伤；而过度热水漂烫则可能导致组织软化、营养成分流失和颜色变差（Gavahian & Sastry, 2020; Vidyarthi, El Mashad, Khir, Zhang, Tiwari, & Pan, 2019; Zhang et al., 2021）。这些挑战凸显了需要开发可控且温和的去皮方法，以平衡效率和品质，这对科学和工业领域都具有重要意义。

射频（RF）加热是一种介电体积加热技术，能够实现快速且相对均匀的内部加热（Michael et al., 2014）。与传统导电加热相比，RF具有更深的穿透能力和可调的热场，因此在坚果加工中具有广泛应用前景（Gong et al., 2019）。先前的研究表明，核桃仁中的RF加热行为受颗粒形态、堆积结构和介电性质的影响显著（Wang, Li, et al., 2024; Zhou et al., 2023）。尽管RF可以提高加热效率，但在复杂条件下，它单独使用时往往无法充分松动种皮，同时保持果仁的颜色和质地（Hou et al., 2025）。这表明需要结合适当的预处理方法。

据报道，超声波（US）、温和碱性化学处理（CA）和热水（HW）预处理可以改变组织微观结构和介电性质，从而提高加热效率（Gurev et al., 2023; Liu et al., 2022; Ramaswamy & Tang, 2008）。超声波通过空化作用破坏果胶网络，促进热量和质量传递；碱性处理可部分水解多糖并降低种皮粘附性；热水处理则可使组织软化并增加介电损耗因子。然而，这些预处理方法与RF联合使用时的效果（尤其是在剥离效率、加热均匀性、能耗和品质保持方面）尚未得到充分量化。

本研究系统评估了三种预处理与RF的组合[超声波-RF（US + RF）、化学-RF（CA + RF）和热水-RF（HW + RF）]，以优化核桃仁的去皮效果。温和碱性处理仅作为传统参考基准纳入。总体目标是建立一个综合工艺框架，在RF辅助条件下平衡去皮效率、加热均匀性、能源使用和品质保持。具体而言，本研究旨在：（1）量化US、CA和HW预处理对种皮拉伸力和标准化品质指数的影响；（2）分析联合RF处理过程中的加热行为和温度均匀性；（3）评估剥离效率、能耗和最终果仁品质之间的权衡。这项工作为工艺优化提供了定量依据，并支持RF辅助核桃去皮技术的可持续工业应用。

样本制备

样品制备

核桃仁（Juglans regia L.，品种‘Lipin No. 1’）来自2025年9月在中国陕西省汾阳市收获的一批商业核桃。这种薄壳品种广泛用于生产优质核桃仁。所有核桃均来自同一收获季节，并来自同一批次，以减少生物变异性并确保实验一致性。收获后的储存时间不超过三个月，以确保核桃仁的品质。

目标温度和电极间隙对RF加热速率和温度均匀性的影响

图3展示了在不同目标温度（60–90°C）和电极间隙（90–110 mm）条件下核桃仁的RF加热行为和温度均匀性。当电极间隙为90 mm时，目标温度从60°C升至90°C时，果仁表面平均温度从34.16 ± 1.41°C升至48.18 ± 4.32°C。温度均匀性指数（λ）从0增加到0.290 ± 0.049。这表明在较高温度下能量吸收更强。

结论

本研究表明，超声波辅助的射频加热（US + RF）是一种有效的核桃仁去皮方法。在200 W、15分钟的超声波预处理后进行RF加热，US + RF显著降低了剥离力（32 gf），并实现了最高的剥离速率（99.91%），同时保持了果仁的硬度和颜色稳定性（ΔE < 8.0）。这些结果表明，在去皮效率和品质保持之间达到了最佳平衡。相比之下，HW + RF处理的效果较差。

作者贡献声明

Jiaqi Ma：撰写初稿、进行研究、数据管理。Da Tang：进行研究、进行数据分析、数据管理。Le Liu：负责软件开发、概念设计。Yandi Zeng：负责软件开发、资源准备、数据分析。Pengyu Qin：负责验证方法、数据分析。Shaojin Wang：撰写、审稿与编辑、数据可视化。Zhi Huang：撰写、审稿与编辑、项目管理和资金筹措。

作者声明

JM负责实验设计、数据分析及手稿撰写。DT、LL、YZ和PQ协助实验设计并参与手稿改进。SW和ZH负责监督实验设计并审阅手稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发计划（2024NC-YBXM-178）和中国宁夏回族自治区重点研发计划（2021BEF02032）的支持。