图 1 超声强化冷风干燥设备
Fig. 1 illustration of the ultrasonic-assisted cold air dryer
马铃薯为茄科多年生草本植物，又名土豆、洋芋等，是人们喜爱的蔬菜之一。马铃薯富含淀粉、蛋白质、纤维素、酚类、维生素、氨基酸等多种人体所需的营养物质[1]，具有较高的食用价值，能够增强人体免疫力、促进肠胃蠕动，可有效预防肥胖、糖尿病、抑郁症、肿瘤及脑血管疾病等[2]。马铃薯贮存不当会造成营养物质损失乃至腐败变质，因此，通过干燥处理减少马铃薯的水分含量并降低水分活度，可有效抑制微生物的滋生及有效成分的降解，从而延长货架期，提高经济价值及食用价值。目前常用的马铃薯干燥方法为热风干燥[3-4]，虽然设备成本低、操作简单，但其干燥温度较高（40～80 ℃），不利于物料品质及其热敏性成分的保护。因此，为提高马铃薯干燥产品的品质，可通过降低干燥温度及受热强度来减少物料热敏性营养成分的降解与损失，从而增加干制品的经济与食用价值。
近年来，冷风干燥技术得到越来越多的关注。冷风干燥是一种通过热泵系统来产生低温、低湿的干燥介质，以实现在低温环境下（5～30 ℃）脱除水分的新型干燥方法[5]。冷风干燥最大的优点是通过低温干燥来抑制物料内部各种酶促反应的进行及有效成分的降解，达到有效保护物料营养成分、色泽、质地的目的。有关洋蒲桃[5]、香椿芽[6]、海参[7]的冷风干燥研究表明，相比于热风、晾干等其他干燥方式，冷风干燥更有利于产品品质的保护。陈子豪等[8]采用冷风干燥与多种干燥方式进行仿刺参的干燥实验，结果表明冷风干燥更利于营养成分的保留，且具有很好的工业生产实用性。虽然冷风干燥可以通过低温干燥来有效保护产品品质，但同时产生了水分传递慢、干燥时间过长的问题。为此，可在冷风干燥过程中施加有效的辅助措施来强化其传质过程，从而在不提高温度的情况下缩短干燥时间、提高干燥效率。
超声是一种有效的强化传质方法，超声强化干燥技术的应用也日趋广泛[9-10]。在干燥过程中采用超声强化，超声的机械效应可使物料组织产生快速、高频的振动与扩张收缩来增加组织流动孔道数量；超声的空化效应可通过激发生成微泡及其剧烈爆破来提高水分流动性[11]，从而减少物料内部水分迁移阻力并促进内部水分扩散，实现干燥速率的有效提高。目前多采用气介式超声技术[12]，但此方法会造成大量超声能量在介质传播过程中损耗，从而降低超声效率。而采用直触式超声强化技术，即物料直接放在超声辐射板上，超声能量可不通过任何气体介质而直接传播到物料内部，进而有效提高物料内部传质速率及超声能量利用率。现有的超声强化干燥研究多为干燥前的超声预处理及热风干燥过程的超声强化[13-14]，有关超声强化冷风干燥的研究十分匮乏。
综上可知，冷风干燥有保护物料品质、提高物料营养价值的优点，但又具有传质速率慢的缺陷，而超声强化干燥具有提高物料传质效率的特点；因此，将超声强化应用于冷风干燥，理论上可增强传质效果，在不提高温度、保证物料品质的前提下有效缩短冷风干燥时间，提高干燥效率。目前，超声对冷风干燥的强化效应研究鲜有报道，也鲜见关于马铃薯直触式超声强化冷风干燥的研究。本实验将直触式超声强化与冷风干燥技术相结合，以马铃薯为实验材料，研究超声强化冷风干燥的干燥特性及微观结构，构建超声强化冷风干燥过程的Weibull模型，探讨超声功率对冷风干燥马铃薯中营养成分的影响，并采用层次分析法进行参数优化，以期为超声强化冷风干燥理论研究及技术发展与应用提供参考。
所用新鲜马铃薯原料购于河南省洛阳市大张超市，要求物料新鲜无损、成熟度一致，购买后在2～4 ℃条件下冷藏备用。采用105 ℃烘箱法测量新鲜马铃薯干燥前后质量变化，经计算可得新鲜马铃薯的初始干基含水率为（4.97±0.08）g/g（干基，下同）。
没食子酸（纯度≥95%）、Folin-Ciocalteu试剂、儿茶素（纯度≥95%） 上海源叶生物科技有限公司；2,4-二硝基苯肼、硫脲、盐酸、硫酸、碳酸钠、亚硝酸钠、氢氧化钠、草酸、抗坏血酸等均为国产分析纯。
本实验所用的超声冷风干燥装置是在LFGZX-3型热泵式冷风干燥机（浙江湖州欧胜电器有限公司）中加装一套超声系统组装而成，其结构示意图见图1。热泵式冷风干燥机中干燥介质温度、流速、相对湿度的调节范围分别为5～30 ℃、0.5～5.0 m/s、20%～90%，工艺参数可在控制面板读取和控制。超声系统主要包括超声换能器和超声发生器。超声换能器由不锈钢超声振动盘（直径150 mm）、超声振子、支撑杆及底盘组成。超声换能器的谐振频率为（28.0±0.5）kHz，谐振抗阻≤20 Ω，功率可在0～60 W范围内调节。超声换能器通过电缆与置于干燥机外面的超声发生器相连，其工作参数由超声发生器直接控制。干燥时，物料放在超声振动盘表面并一同放于干燥箱内，超声振子发射的超声波可通过超声振动盘直接传至物料。
图 1 超声强化冷风干燥设备
Fig. 1 illustration of the ultrasonic-assisted cold air dryer
其他仪器与设备：切片机 德州天马粮油机械有限公司；Scout SE型电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司；SB-120DT型超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司；T6新世纪型紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司；TG16-WS台式高速离心机 湘仪离心机仪器有限公司；JSM-6010LA型扫描电子显微镜 日本电子株式会社。
1.3.1 干燥处理
干燥开始前，设定好所需温度与功率，将风速固定为3 m/s、介质相对湿度设定为25%。将马铃薯洗净、去皮，用切片机将马铃薯切成直径为40 mm、厚度为3 mm的圆形薄片，每组干燥实验取约11 个马铃薯片，质量范围为50～55 g。为抑制干燥过程中的酶促褐变，将切好的马铃薯片放入沸水锅中蒸2 min进行钝酶杀青处理，随后迅速取出并用吸水纸吸取表面多余水分，将处理后的物料平铺在超声振动盘上并称质量，随即将物料和超声换能器一同放入冷风干燥箱，关闭箱门，开启超声发生器电源，干燥开始。超声功率和时间均由干燥机外部的超声发生器控制。干燥过程中，前3.5 h每隔30 min暂停超声，将物料连同超声振动盘一同取出并称其质量，随后每隔1 h取出并称其质量，称质量后迅速将物料放回，继续进行超声强化冷风干燥。当连续两次质量读数不变时，即干燥结束。
在研究过程中，分别设定温度为10、20、30 ℃，超声功率为0、24、48 W，探究各参数对干燥特性及品质特性的影响。为控制超声的热效应及对物料升温的影响[11]，本研究采用了较低的超声功率而没有使用最大超声功率。为更好探究超声功率与干燥温度对马铃薯干燥特性与品质指标的影响，本研究固定了风速、物料量、物料厚度等其他干燥参数。每组干燥实验均重复3 次。
1.3.2 干燥指标的计算
1.3.2.1 物料干基含水率的计算
物料干基含水率按公式（1）计算。
式中：M为物料干基含水率/（g/g）；m为物料质量/g；md为绝干物质质量/g。
1.3.2.2 物料干燥速率的计算
干燥速率按公式（2）计算。
式中：DR为干燥速率/（g/（g·min））；Mt1为t1时刻的干基含水率/（g/g）；Mt2为t2时刻的干基含水率/（g/g）。
1.3.2.3 物料水分比的计算
物料水分比按公式（3）[15]计算。
式中：Mt为物料在t时刻的干基含水率/（g/g）；M0为物料的初始含水率/（g/g）；Me为物料的平衡含水率/（g/g）。
采用静态等温吸附法[16]，测得相对湿度为25%时，马铃薯片在10、20、30 ℃下对应的平衡含水率分别为0.048、0.041、0.035 g/g。
1.3.2.4 Weibull分布函数的干燥过程拟合
Weibull分布函数是表征和拟合干燥过程的常用公式，其表达式如式（4）[17]所示。
式中：MR为水分比；α为尺度参数/min；β为形状参数。
拟合精度通过决定系数R2（式（5））及均方根误差（root mean square error，RMSE）（式（6））来评价。
式中：N为测得的实验数据个数；MRexp,i为干燥实验过程中实际测量的第i个水分比；MRpre,i为模型预测的第i个水分比；
为干燥实验过程中i个实际测量值的平均值。
Weibull函数的估算水分扩散系数Dcal估算公式如式（7）所示。
式中：Dcal为估算水分扩散系数/（m2/s）；L为马铃薯薄片厚度/m。
1.3.3 马铃薯品质的测定
1.3.3.1 总酚含量的测定
总酚的提取与检测采用Folin-Ciocaileu法，具体操作及方法参照文献[18]。
1.3.3.2 总黄酮含量的测定
总黄酮的提取与检测采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法，具体操作及方法参照文献[19]。
1.3.3.3 VC含量的测定
VC的提取与检测采用2,4-二硝基苯肼比色法，具体操作及方法参照文献[20]。
1.3.3.4 马铃薯片微观结构的SEM检测
将干制马铃薯片与超声振动盘接触的表面切下并粘到扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）样品台上，喷金30 s后观察马铃薯片表面微观结构，放大倍数100 倍。
1.3.4 层次分析法
图 2 马铃薯片超声强化冷风干燥工艺目标树
Fig. 2 Target tree for the ultrasonic-assisted cold air drying process of potato slices
层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是将有关决策的元素分解成多个目标、准则等层次，以定性和定量分析相结合的综合评定方法，具有灵活、简单、有效的优点[21-22]。因此本研究采用层次分析法对超声强化冷风干燥马铃薯的工艺参数进行优化。本研究以总酚、总黄酮、VC含量3 个品质指标为多指标性成分，建立超声强化冷风干燥工艺评价的目标树（图2）。
相对重要性是指两指标重要性之比，通过比较同一层次目标的相对重要性，构成两两比较矩阵，目标树各层次评分标准见表1。
表 1 目标树各层次评分标准
Table 1 Evaluation standards of the target tree at different levels
相对重要性 定义1同等重要3稍重要5明显重要7强烈重要9绝对重要2、4、6、8 以上重要性的中间值倒数 若i与j的重要性之比为aij，则j与i的重要性之比为1/aij
目标树3 项指标中，由每行指标重要性较每列指标重要性之比得到相应的相对重要性，经成对比较判断后得到优先矩阵见表2。表中数据越大，表明行评价指标较列评价指标越重要。
表 2 马铃薯各指标成对比较判断的优先矩阵
Table 2 Priority matrix for pairwise comparison judgment of potato quality indexes
评价指标 总酚含量 总黄酮含量 VC含量总酚含量 1 4 1/3总黄酮含量 1/4 1 1/5 VC含量 3 5 1
相应的平均随机一致性指标（random index，RI）见表3。
表 3 平均随机一致性指标RI表
Table 3 Mean random consistency index (RI)
矩阵阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RI 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45
一致性比例（consistency rate，CR）为一致性指标（consistency index，CI）与RI的比（CR＝CI/RI）。当CR＜0.1时，说明各指标判断优先矩阵满足一致性要求，即求得的权重系数合理有效。使用AHP 10.5软件进行分析，得到本研究总酚、总黄酮、VC含量各评价指标的权重系数分别为0.279 7、0.093 6、0.626 7。本实验中CR＝0.082 8＜0.1，满足一致性要求。
指标综合评分计算的公式如式（8）所示。
式中：w为各评价指标的权重系数。
采用Origin 8.5统计软件进行数据处理与分析。通过方差分析（analysis of variance，ANOVA）进行显著性分析，P＜0.05表示差异显著。
本研究在干燥温度为10、20、30 ℃的实验条件下，通过分别施加0、24、48 W的超声，进行马铃薯片直触式超声强化冷风干燥实验。不同超声功率及温度下马铃薯片的干燥曲线及干燥速率曲线如图3～5所示。
图 3 不同超声功率下冷风干燥马铃薯片的干燥曲线（a）及干燥速率曲线（b）（干燥温度10 ℃）
Fig. 3 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 10 ℃
图 4 不同超声功率下冷风干燥马铃薯片的干燥曲线（a）及干燥速率曲线（b）（干燥温度20 ℃）
Fig. 4 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 20 ℃
图 5 不同超声功率下冷风干燥马铃薯片的干燥曲线（a）及干燥速率曲线（b）（干燥温度30 ℃）
Fig. 5 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 30 ℃
在所有干燥温度条件下，随着超声功率的增大，物料的干燥时间明显缩短，干燥速率显著提高，ANOVA结果表明超声功率对干燥时间影响显著（P＜0.05）。以温度20 ℃为例，当附加超声功率为24 W与48 W时，干燥时间分别为1 290 min和990 min，与未施加超声的干燥时间（1 530 min）相比，分别缩短15.69%和35.29%；相应平均干燥速率为0.48 g/（g·min）和0.59 g/（g·min），与未施加超声时的0.37 g/（g·min）相比，分别提高了29.73%和59.46%。可见，施加超声对马铃薯冷风干燥过程有明显的强化效果。在冷风干燥过程中，物料直接放在超声振动盘表面，超声波及其能量可直接传入物料内部，超声产生的高频率振动会使物料内部组织受到较强的压缩和膨胀应力，导致物料内部发生高频、快速的收缩和扩展[23]，可增强物料内部水分湍动并提高水分子能量，同时降低物料内部微细管内水分的表面附着力，从而有效促进水分的流动与扩散。此外，超声空化效应可在物料内部液体中产生微小空泡，其瞬间爆破产生的爆破力与高频振动产生的破坏应力会减弱与内部流通管道紧密结合水分的附着力，进而提高内部水分的流动性[24]。Fan kai等[25]在对果蔬进行超声对流干燥时发现，应用超声可增强干燥过程的水分扩散和传质系数。随着超声功率的增强，超声产生的机械效应、空化效应随之增强，物料内部的组织振动及水分湍动也更为强烈，使得水分更易与物料内部微细管壁分离并扩散，从而有效提高干燥速率及缩短干燥时间。
马铃薯的超声强化冷风干燥过程在大多数条件下存在恒速干燥和降速干燥两个阶段，在48 W超声作用下的干燥初始阶段也近似为恒速阶段，所有干燥过程均存在较明显的转化点，说明马铃薯超声强化冷风干燥存在表面汽化控制转化为内部扩散控制的现象，对应的临界含水率约在3.0～3.6 g/g（干基）区间内。含水率较高时，物料表面充分湿润，物料所含水分均较为充足，且以自由水为主，致使该阶段的表面水分蒸发速率恒定；随着干燥的进行，物料表面水分含量显著减少甚至开始出现干区，当含水率降低至转化含水率后，物料内部质热传递阻力大于表面质热传递阻力，物料内部水分来不及扩散到物料表面，进入到内部扩散控制阶段，并伴随着水分蒸发速率及干燥速率不断降低。
由图3～5还可看出，在干燥初期的恒速干燥阶段，物料水分含量较高，较高超声功率对应的干燥速率要显著高于较低功率的干燥速率，不同超声功率条件下的干燥速率曲线有明显差异；随着干燥的进行及物料水分含量的降低，干燥进入到降速干燥阶段，干燥速率的差异逐渐减小，直至与无超声作用时的干燥速率曲线无明显差异。这是由于在物料的干燥初期，物料含水率及内部自由水分含量较高，此时超声波在物料中传播的衰减系数较小，超声波在物料内部传播状态较好，能够产生较强的机械效应与空化效应[14]，与未施加超声的物料相比，施加超声的物料在初期的干燥速率明显升高，且超声功率越大，对干燥速率的强化效果越显著。随着干燥的进行，物料内部水分含量及自由水比例不断降低，超声波的衰减系数随之变大[23]，超声波能量在物料内部扩散的衰减加剧，不利于超声的机械效应与空化效应，致使超声对物料干燥的强化效果减弱，从而缩小了施加超声与未施加超声干燥速率的差距。在干燥后期，物料所含水分很少，超声难以有效传入物料内部并对传质过程产生显著作用，导致干燥后期的干燥速率曲线最终无明显差异。
图3～5还表明冷风温度对超声强化冷风干燥马铃薯干燥特性的影响。ANOVA结果表明温度对干燥时间影响显著（P＜0.05）。例如，在48 W超声功率条件下，30 ℃时所需的干燥时间比10 ℃的干燥时间缩短56.60%。这是由于温度升高，干燥介质与物料之间温差变大，热流密度随之增加，提高了传热速率；同时温度的升高会降低干燥介质的相对湿度，使物料与干燥介质之间的蒸汽压差增大，提高传质速率。传热和传质速率增大的结果是干燥时间的有效缩短。对比不同温度下的干燥曲线可知，温度的不同会导致超声对干燥过程的强化效果不同。在温度为10 ℃时，单纯冷风干燥马铃薯片的时间为2 790 min，在施加24 W和48 W超声功率后，时间分别缩短了23.65%及45.16%；温度升至30 ℃时，施加24 W和48 W超声功率后，干燥时间分别缩短21.62%及37.84%。由此可见，在低温条件下，超声对干燥时间的影响更为显著。Cárcel等[26]研究了超声对空化过程的影响，结果表明温度越低，超声的空化效应越明显，与本实验结果相吻合。在干燥过程中，超声对干燥速率的强化效果主要取决于超声波产生的机械效应和空化效应，温度升高会提高物料内部水分蒸汽分压并降低其表面张力[27]，增加了微泡爆破难度，在一定程度上会弱化超声的强化效果。
图 6 20 ℃不同超声功率下超声强化冷风干燥马铃薯片表面的微观结构
Fig. 6 Surface microstructure images of potato slices dried with different ultrasonic powers at 20 ℃
不同超声功率下超声强化冷风干燥马铃薯干制薄片与超声辐射板接触的表面微观结构如图6所示，对应的干燥温度为20 ℃。可见，没有施加超声强化的物料表面结构致密，微孔道较小且少，这是由于干燥过程中物料的持续脱水与不断收缩导致其结构趋于紧密，一些微孔因受挤压而消失，这种现象和结构不利于水分扩散。在施加24 W超声后，可以看出物料表面微细孔道的数量明显增多，直径也有所增大。这是由于超声的机械效应与空化效应扩张和保护了原有的微细孔道，从而有利于水分的扩散与迁移。在施加48 W超声后，物料表面微细孔道的尺寸和数目继续增大和增加，且出现了少量大孔和微小孔。增强超声功率会显著增加对物料表面的振荡、扩张收缩和冲击，这些效应如果足够强，会扩张一些原有微小孔道，从而出现少量较大孔洞。而新出现的少量微孔，一方面是超声的强化效应阻止了一些小孔道的收缩及消失；另一方面，也有可能是超声的空穴效应带来的高频振荡和微泡爆破在物料表面产生了新的微孔。Sabarez等[10]也认为超声对干燥过程的强化效应会使果蔬等多孔胶体物质中产生新的毛细微管。表面微观结构的差异表明在马铃薯冷风干燥过程中施加超声强化处理，有利于增加和增大微细孔道，从而有利于传质及干燥的进行，这与前述增大超声功率有利于缩短马铃薯冷风干燥时间的研究结果吻合。
利用Weibull分布函数对不同干燥条件下的马铃薯薄片超声强化冷风干燥过程进行回归分析，结果见表4。Weibull函数拟合的决定系数在0.998 5～0.999 9之间，RMSE在3.28×10-3～12.28×10-3之间，说明Weibull分布函数可准确描述马铃薯片超声强化冷风干燥过程。
表 4 不同干燥温度及超声功率下Weibull函数模拟结果
Table 4 Simulation of potato drying at different temperatures and ultrasonic powers with Weibull function
注：同列肩标小写字母不同表示相同温度、不同超声功率条件下指标差异显著（P＜0.05）；同列肩标大写字母不同表示相同超声功率、不同干燥温度条件下指标差异显著（P＜0.05）。下同。
温度/℃ 功率/W α/min β R2 RMSE Dcal/（10-10 m2/s）10 0 928.876 1.196 0.999 4 7.54×10-3 0.97±0.04cC 20 0 634.726 1.025 0.999 3 8.07×10-3 1.42±0.11cB 30 0 395.288 1.062 0.999 9 3.28×10-3 2.28±0.12cA 10 24 493.679 1.195 0.998 5 12.28×10-3 1.82±0.09bC 20 24 346.753 1.117 0.999 7 5.59×10-3 2.60±0.11bB 30 24 283.767 1.180 0.999 6 6.67×10-3 3.17±0.14bA 10 48 257.150 1.089 0.999 6 5.95×10-3 3.50±0.16aC 20 48 196.161 1.092 0.999 3 7.68×10-3 4.59±0.17aB 30 48 163.915 1.133 0.999 7 4.55×10-3 5.49±0.22aA
2.2.1 尺度参数α
Weibull函数中的尺度参数α为表示干燥过程中的速率常数，其约等于干燥过程完成63%所需要的时间。由表4可知，在单一冷风干燥条件下，当干燥温度从10 ℃升至30 ℃时，α由928.876 min减少至395.288 min；在附加48 W超声功率条件下，随着干燥温度从10 ℃提高到30 ℃，α从257.150 min减少至163.915 min。可见，随着温度的升高，α减小，且随着施加功率的提高，α的变化范围缩小。由表4还可看出，干燥温度为10 ℃，施加的超声功率从0 W分别升至24 W和48 W时，所对应的α自928.876 min分别减小至493.679 min和257.150 min；在干燥温度为30 ℃的条件下，随着超声功率自0 W升高到24 W和48 W，α从395.288 min分别减少至283.767 min和163.915 min。上述结果表明在相同的干燥温度下，提高超声功率会导致对应的α减小，说明应用直触式超声可明显缩短冷风干燥马铃薯片的干燥时间，此结果与前述的超声强化冷风干燥马铃薯片的实验结果一致。
2.2.2 形状参数β
形状参数β与干燥过程中水分的迁移有关[28]。由表4可知，在超声强化冷风干燥马铃薯的过程中，不同条件下β的变化范围为1.025～1.196，表明干燥过程属于内外水分共同扩散控制[17]，表现为物料在干燥前期先出现延滞阶段，在干燥后期则呈现干燥速率不断降低，这与本实验先出现平缓的恒速阶段，再出现降速阶段的现象一致。由表4还可知，温度的改变对β的影响不明显，说明在10～30 ℃范围内改变干燥温度对水分迁移机制影响不明显，这与Corzo等[28]的温度不对β产生显著影响的研究结果一致。
2.2.3 水分扩散系数Dcal
Weibull函数可在不考虑干燥过程中扩散方式的情况下，估算干燥过程中的水分扩散系数，尤其适合恒速阶段与降速阶段都出现的干燥过程[29]。不同干燥条件下的Dcal如表4所示，Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10 m2/s范围内。Dcal随着温度的升高而升高，这是因为随着温度的升高，物料周围空气相对湿度减小，蒸气压差增大，从而加快传质速率。此外，干燥温度的升高使物料温度升高，内部水分子能量增加，有利于水分的进一步扩散[17]。由表4还可知，超声功率的增加可提高Dcal。例如，在20 ℃条件下，施加24 W和48 W超声时的Dcal比未施加超声时分别增加83.10%和223.24%，可见，在施加直触式超声的情况下，干燥物料内部的扩散阻力可显著降低，从而提高内部传质速率。超声产生的空化效应与机械效应协同作用可增加物料内部的水分流动孔道数，减小微细管道上水分的附着力，提高水分活度，进而促进水分迁移和提高水分扩散系数。
图 7 不同干燥温度及超声功率下马铃薯片的总酚含量
Fig. 7 Total phenol contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers
马铃薯所含酚类物质丰富，是人们日常饮食中继苹果和橘子之后第3个酚类物质的重要来源[1,4]。不同超声功率及温度下马铃薯中总酚含量如图7所示。总酚含量在239～487 mg/100 g，ANOVA结果表明超声功率和干燥温度对总酚含量的影响显著（P＜0.05）。在相同功率条件下，随着温度的升高，总酚含量呈现持续升高的趋势。酚类物质具有较强的活性，在干燥过程中容易氧化降解，在低温条件下（如10 ℃），虽然温度低有利于减缓酚类物质的氧化速率，但由于干燥处理时间过长，致使酚类物质的氧化降解时间过长，从而导致酚类物质较多的氧化降解；当温度分别升高至20 ℃和30 ℃时，干燥时间显著缩短，酚类物质与空气接触的时间及对应的氧化降解时间均随之变短，从而提高了酚类物质的保存率[30]。由图7还可看出，在温度一定的条件下，总酚含量随超声功率的增加而升高。例如，在温度为10 ℃和30 ℃时，单一冷风干燥所得的物料总酚含量分别为239 mg/100 g和414 mg/100 g；当外加24 W的超声作用后，10 ℃和30 ℃所对应的干燥物料中总酚含量分别升至268 mg/100 g和448 mg/100 g，提高幅度分别为12.1%和8.2%；继续增加至48 W时，相应总酚含量分别达到296 mg/100 g和487 mg/100 g，比单一冷风干燥分别提高了23.8%和15.0%。可见，在马铃薯冷风干燥中施加超声强化可对保护总酚物质起到积极作用。随着超声功率的增加，物料的干燥时间及与环境中氧气的接触和反应时间缩短，从而能有效减少酚类物质的降解，提高产品质量。Ordóñez-Santos等[31]通过对果汁施加超声处理来研究产品的品质变化，也发现超声处理可明显增加物料中总酚的利用率。
图 8 不同干燥温度及超声功率下马铃薯片的总黄酮含量
Fig. 8 Total fl avonoid contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers
不同超声功率及温度下马铃薯中总黄酮含量及变化如图8所示。马铃薯片的总黄酮含量范围为47～61 mg/100 g，ANOVA结果表明超声功率与干燥温度均对总黄酮含量影响显著（P＜0.05）。由图8可知，在冷风干燥中，同功率下总黄酮含量呈现先升高后下降的趋势，在10 ℃和30 ℃条件下较低，在20 ℃条件下较高。这是因为温度较低时，干燥时间过长，致使总黄酮长时间持续地发生降解反应，从而使其含量偏低；随着温度的升高（如20 ℃），干燥时间大幅度缩短，总黄酮降解时间缩短，从而有利于其有效保留；然而，温度的持续升高（如30 ℃及以上）会导致黄酮类物质的活性增强及降解速率提高，反而不利于总黄酮的保存[32]。因此，低温干燥有利于抑制黄酮类物质的降解，高温虽可缩短黄酮的分解时间，但温度过高或过低都会导致较多黄酮物质降解，从而不利于黄酮的保留。此外，在温度低至10 ℃时，随着超声功率的增加，黄酮含量随之升高，这是由于超声功率的增加致使干燥时间大幅度缩短，从而缩短黄酮的降解时间；但在温度为20 ℃和30 ℃时，黄酮含量呈现先上升后下降的趋势，这有可能是因为施加超声会造成物料组织细胞的破损，促使黄酮物质从细胞中析出并与外界接触，在较高温度条件下导致其降解速率上升，且超声功率越强，组织受到的破坏应力越大，黄酮物质与外界空气更早、更充分接触，从而不利于提高黄酮的保留率。
图 9 不同干燥温度及超声功率下马铃薯片的VC含量
Fig. 9 Vitamin C contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers
VC为十分不稳定的热敏性营养成分，在干燥过程中极易损失、不易保存，有研究表明热风干燥中VC损失率可高达85.25%[33]。不同超声功率及温度下VC含量如图9所示。干燥后物料的VC含量在57～96 mg/100 g之内，ANOVA结果表明超声功率及干燥温度对其有显著影响（P＜0.05）。如图9所示，在超声功率为48 W的条件下，10、20、30 ℃时VC的含量分别为96、83、80 mg/100 g，表现为VC含量在相同功率条件下呈下降趋势。VC对温度极其敏感，提高干燥温度会使物料温度随之升高，会导致VC降解速率显著上升，促使VC的降解并降低其保留率。Gamboa-Santos[34]和López[35]等的研究也表明温度越高，V C的含量越难保持；Spínola等[36]在对果蔬中VC含量进行测定评价时发现，低温更利于VC的保留。由图9可知，当温度一定时，在马铃薯冷风干燥中进行超声辅助可有效提高VC的保留率。以10 ℃为例，在单一冷风干燥条件下，马铃薯片的VC含量为68 mg/100 g，当分别施加24 W和48 W超声时，VC含量分别升至81 mg/100 g和96 mg/100 g，提高幅度分别为19.1%和41.2%。可见，施加超声对提高VC含量有明显的效果。超声通过加速物料中水分的迁移和提高干燥速率来缩短VC的降解反应时间，从而有利于对VC的保护，提高产品营养价值。
表 5 不同干燥温度及超声功率下AHP综合评分
Table 5 Comprehensive quality evaluation of dried potatoes with AHP at different drying temperatures and ultrasonic powers
序号 干燥温度/℃ 功率/W 综合评分1 10 0 0.754 2 10 24 0.870 3 10 48 1.000 4 20 0 0.795 5 20 24 0.869 6 20 48 0.993 7 30 0 0.773 8 30 24 0.860 9 30 48 0.996
不同干燥温度及功率下所有品质指标的AHP综合评分如表5所示。在本研究的马铃薯超声强化冷风干燥实验中，最优干燥温度和超声功率分别为10 ℃和48 W，所对应总酚、总黄酮、VC的含量分别为296、52、96 mg/100 g。次优参数组合分别为30 ℃和48 W、20 ℃和48 W，即在各个温度水平下，施加了48 W的超声强化冷风干燥所得产品的营养成分综合评分较高。综上可知，在马铃薯冷风干燥过程中辅以超声强化，在有效缩短干燥时间的同时还能达到提高产品品质的目的。
本实验以马铃薯为干燥试材，进行超声强化冷风干燥研究。结果表明，干燥温度和超声功率对马铃薯片干燥过程有显著影响。对冷风干燥过程进行超声强化可显著缩短干燥时间、提高干燥速率，超声功率越大则强化效果越明显。温度越低，超声对干燥的强化效应越明显。随着干燥的进行，物料含水率逐渐降低，会导致超声能量衰减加速及强化效应的减弱。SEM观察结果表明，在冷风干燥过程中施加超声强化处理，可增多物料表面的微细孔道数目和增大其直径，超声功率越大，则微孔数目越多、孔道尺寸越大，从而更有利于传质和干燥进行。
Weibull函数可以很好地预测马铃薯超声强化冷风干燥过程的水分变化规律。尺度参数α随温度的升高和超声功率的增加而减小；形状参数β略大于1，说明干燥过程属于内外水分共同扩散控制。估算水分扩散系数Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10 m2/s范围内，其随着超声功率和干燥温度的升高而增大。
冷风干燥温度和超声功率对总酚、总黄酮、VC含量有显著影响。随着温度的升高，总酚含量呈上升趋势，总黄酮含量呈先升高、后下降趋势，VC含量呈下降趋势。同温度下，随着功率的升高，总酚含量呈上升趋势，总黄酮含量在10 ℃时呈上升趋势，在20、30 ℃时呈先升高后下降趋势，VC含量呈升高趋势。总体而言，利用超声技术来强化冷风干燥有利于保护产品的营养成分。利用AHP进行优化，确定马铃薯超声强化冷风干燥的最佳工艺参数，在干燥温度为10 ℃及施加功率为48 W条件下，马铃薯干燥产品的综合品质最优，所对应的总酚、总黄酮、VC的含量分别为296、52、96 mg/100 g。
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