通过结合接触式超声波的红外干燥技术，改善胡萝卜片的干燥性能和质地特性

《Food and Bioproducts Processing》：Enhancing drying behavior and textural properties of carrot slices by infrared drying combining contact ultrasound

　　本研究探讨接触超声辅助红外干燥对胡萝卜片质构的影响，建立耦合模型揭示超声波通过调控水分迁移路径、加速传热传质、均质化内部水分和温度分布来保留干燥质构的机制。相较于纯红外干燥，20kHz和28kHz超声分别缩短干燥时间16.67%和25%，宏观质构分析显示体积收缩减少、表面硬度降低、内部硬度增加，微观结构表明超声波减轻表面硬化并保持细胞结构完整。

　　

Bengang Wu|Chenyu Song|Yiting Guo|Kun Gao|Ningning Ouyang|Shenao Nan|Junjun Dai|Yan Shen|Haile Ma

江苏大学食品与生物工程学院，中国江苏省镇江市学府路301号，212013

摘要

本研究探讨了接触式超声波辅助红外（CUS-IR）干燥对胡萝卜片质地特性的影响。通过数值模拟建立了一个耦合的“声-湿-热”模型来描述胡萝卜片的干燥过程。该模型初步揭示了CUS-IR技术保持干燥胡萝卜质地的机制，强调了其在改变水分迁移路径、加速热量和质量传递以及均匀化内部水分和温度分布方面的作用。与纯红外（IR）干燥相比，20 kHz和28 kHz下的CUS-IR干燥效率分别提高了16.67%和25%，干燥时间也相应缩短。宏观质地分析表明，CUS-IR处理减少了体积收缩，降低了表面硬度，并提高了内部硬度。显微图像和定量细胞参数显示，CUS-IR干燥的胡萝卜片表面组织避免了硬化现象，而内部结构得到了更好的保留，细胞面积、周长和形状因子也得到了良好维持。模拟结果表明，超声波减缓了IR干燥过程中出现的温度和水分梯度，使得温度和水分分布更加均匀，从而降低了温度梯度和不均匀水分扩散对胡萝卜组织质地的不良影响。

术语表

命名法

AUS
空气传播的超声波辅助
CUS
接触式超声波辅助
CUS-IR
接触式超声波辅助红外干燥
DR
干燥速率
FEM
有限元建模
IR
红外
LF NMR
低场核磁共振
MC
水分含量
MR
水分比
MRI
磁共振成像
VSR
体积收缩率

样品制备

本实验中使用的新鲜胡萝卜（Daucus carota L.，品种：Hongsen）购自中国镇江的当地市场。选取了大小均匀、成熟度一致的样品，并将其储存在4℃的冰箱中以备后续使用。清洗和去皮后，将样品的中间部分（约35±3毫米，包括表皮和木质部）切成5毫米厚的片材用于实验。为确保实验结果的准确性，对样品进行了...

干燥特性与内部温度分布

图1A展示了在不同干燥条件下胡萝卜片的水分比（MR）变化情况，显示出使用接触式超声波辅助红外（CUS-IR）干燥在不同IR功率水平下的干燥效率显著提升。与单独使用IR相比，20 kHz和28 kHz下的超声波处理使干燥时间分别减少了16.67%和25%，证明了超声波在加速水分去除方面的有效性。

结论

本研究证明，与纯IR干燥相比，CUS-IR干燥显著提高了胡萝卜片的干燥效率和质地质量。我们开发了一个多场耦合的“声-湿-热”模型，从声压变化的角度系统阐述了超声波促进质量和热量传递以及改善干燥产品微观结构的机制。

作者贡献声明

Yiting Guo：资金获取、写作-审稿与编辑、方法论、监督。Bengang Wu：概念构思、监督、资金获取、方法论。Chenyu Song：数据分析、初稿撰写、实验研究、方法论。Yan Shen：实验研究。Haile Ma：项目管理、监督。Shenao Nan：数据整理、实验研究。Junjun Dai：实验研究。Kun Gao：数据分析、初稿撰写、实验研究、方法论。Ningning Ouyang：软件应用。

利益冲突声明

我们确认本手稿不存在任何利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32202091）和中国博士后科学基金（编号：2022TQ0128、2022M721388、2021M700908）的资助。