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声空化对渗透脱水影响的实验研究
孙宝芝1，2,姜任秋1 ,淮秀兰2,刘登瀛2
（1.哈尔滨工程大学动力与核能工程学院, 黑龙江哈尔滨 150001；2.中国科学院工程热物理研究所,北京 100080）
摘要：将声空化应用于苹果和梨的渗透脱水，旨在用实验证实声空化是否对渗透脱水过程中的质量传递起强化作用。实验研究了物料脱水率和干物质增加率随溶液浓度、空化强度、物料厚度及作用时间段的变化趋势。研究发现，声空化对渗透脱水过程中物料的脱水率影响显著；干物质虽有所增加，但增幅不大。同时简要阐述了声空化强化渗透脱水过程中质量传递的物理机制。 关键词：渗透脱水；质量传递；声空化 1 引言
渗透脱水是指果蔬在一定温度下放入高渗透压介质，利用膜两边的浓度不同进而产生渗透压以除去其中部分水分的一种方法。它是基于天然果蔬细胞壁作为半透膜，在渗透脱水中，主要存在两个相反过程，一方面果蔬中的水分流入溶液，另一方面溶液中的溶质逐渐渗入蔬菜，最终达到渗透平衡。影响该过程的因素有温度、溶液浓度（1）、果蔬本身的结构（2）、预处理（如冷冻、解冻（3）以及在抗坏血酸或柠檬酸中浸泡（4））等。 渗透脱水可以在较短的时间内除去果蔬的水分而不损坏果蔬的组织结构，经过渗透脱水的果蔬产品仍具有果蔬应有的风味、色泽、质构、营养品质，其产品的感官品质与新鲜果蔬几乎一样。渗透脱水可以作为果蔬加工的一种前处理方式，与果蔬干燥、冷冻、杀菌、储藏等方法组合使用。渗透脱水后的产品进一步干燥生产果蔬干制品，渗入到组织内部的糖分可对果蔬制品起到一定的保护作用，可以避免或限制使用二氧化硫，同时增加了产品在储藏期间的色素稳定性，少量糖分的渗入可使产品比普通产品更温和可口。从生产的角度来说，经渗透脱水的果蔬再进行干燥，产品的干燥时间可缩短10%～15%（5）。 通常，渗透脱水是一非常缓慢的过程，因此在不影响果蔬品质的前提下有必要采用一定方法加速渗透脱水过程中的质量传递。目前，采用的主要方法有：电渗透脱水（6）、真空渗透脱水（7）、高流体静压渗透脱水（8）、离心力渗透脱水（9）、超声渗透脱水（10，11）等。
近年来，功率超声已经得到了多方面的应用。声波已用于促进化学反应（声化学）、强化萃取及物质分离等。功率超声在食品加工过程中的应用可分为两类：监控加工过程或产品质量；直接影响加工过程或产品质量。 空化是指向液体中辐射声波时，在一定压强下液体中出现的微小气泡随着声压的变化作脉动、振荡，或伴随有生长、收缩以致破灭的现象，形成局部热点和高压。当功率超声在媒介中传播时会产生一系列效应，超声在固液界面产生的声冲流能够减薄扩散边界层(12)；当空化气泡位于固体表面附近时，气泡呈对称性崩溃，对固体表面产生微射流。这些效应都将影响质量传递过程。 目前，功率超声已经应用于强化渗透脱水过程的质量传递。在渗透脱水过程中，声场中的压力和频率是两个需考虑的重要因素（12）。Lenart 和Auslander（13）研究表明，超过一定的声强阈值时溶液扩散率将随声强的增强而增加；但Floros和Liang（12）也发现，当声强达到最大时扩散率的增加将停止，这是强烈空化在固液界面产生极度湍流（也称为汽塞）所导致。超声频率对扩散的影响机理尚未有阐述, Sajas 和Gorbatow（14）只说及在高频率时质扩散率增加很小。Simal，Benedito，Sanchez和Rossello（10）将超声用于强化苹果块渗透脱水过程的质量传递，并将该过程与搅拌情况下的渗透脱水进行对比，结果表明脱水率增加14%～27%，而干物质增加率达到了11%～23%。
本文将声空化应用于多孔水果—苹果片和梨片的渗透脱水，旨在用实验证实与静态渗透脱水相比声空化的应用是否对渗透脱水过程中的质量传递起强化作用，同时研究了物料的脱水率和干物质增加率随溶液浓度、空化强度、苹果片厚度及作用时间段的变化趋势，并简要阐述了声空化强化渗透脱水过程质量传递的物理机制。 2 物料和实验方法 供试物料为成熟、表皮光滑的新鲜苹果和梨。渗透脱水前，苹果和梨洗净、去皮、去核，按实验方案切成不同厚度的薄片。实验采用蔗糖溶液，白砂糖为一级品，市购，纯度达99％。在室温下，将固体蔗糖溶解于水中并经过充分搅拌形成浓度较均匀的蔗糖溶液，实验中采用四种不同浓度的蔗糖溶液（重量比）：40%，50%，60%，70%。 根据实验要求，物料浸没在塑料杯内的蔗糖溶液中进行渗透脱水，杯中的溶液保持在室温28±1°C，然后将约40g物料浸没在蔗糖溶液中，料液比取1：10（重量比）。对相同物料分别进行了静态渗透脱水和声空化作用下的渗透脱水。 声空化发生系统由88-1型超声发生器和超声换能棒（φ12）组成，频率为14～20kHz，声强在20～50W/cm2范围内，功率为0～250W，实验时超声换能棒末端插入溶液中约2cm。 物料切成不同厚度的薄片，用流水清洗，分成重量接近的三组并编号，轻轻地擦去表面的水分后称重；其中的一组在静态下渗透脱水，一组在声空化作用下渗透脱水，另外一组作为样品。经过一定时间处理的物料取出后用流水冲洗，冲去粘附于物料表面的溶液，表面擦干后称重；而后一组物料放入85℃的烘箱中烘干并称重。 3 结果与讨论 在所有超声渗透脱水的实验中声频率均为18.8kHz，声强在20～50W/cm2范围内，输入电功率为0～250W。尽管实验过程中输入电功率及声强无法准确测量，但其值有相对意义，可用来分析电功率及声强的相对大小对渗透脱水过程中质量传递的影响。空化强度指超声换能器的输入电流强度，表示声空化的强烈程度，空化强度越大，声空化越强烈。 实验以苹果和梨为物料，分别研究了物料的脱水率和干物质增加率随溶液浓度（40%，50%，60%,70%）、物料厚度（3mm，5mm，7mm，9mm）、空化强度（0.5A，0.7A，0.9A，1.0A）及作用时间段的变化关系，并将静态渗透脱水与声空化渗透脱水进行比较，实验结果分别如图1、2、3和4所示。 图1中物料的厚度为5mm，空化强度为0.7A，在不同浓度的溶液中渗透30min。由图可见，随溶液浓度的增加，物料的脱水率和干物质增加率都将增加，以物料脱水率的增加较为显著，干物质增加率变化缓慢。两种不同的物料—苹果和梨，曲线的变化趋势是相同的，但由于梨的初始含水量高于苹果的初始含水量，造成其半渗透膜两侧的浓度梯度较大。根据Fick第一定律 ，扩散速
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