中南林业科技大学Ultrasonics Sonochemistry柚子皮干燥工艺比较及超声辅助近红外干燥优化研究

柚子皮是柚子加工的主要副产品，但其高含水量和复杂结构给高效优质干燥带来挑战。本研究系统比较了热风干燥（HAD）、近红外干燥（NID）和微波干燥（MD）在柚皮干燥动力学、有效水分扩散系数、单位能耗（SEC）、二氧化碳排放量及关键品质指标方面的表现。微波干燥速度最快，较热风干燥缩短干燥时间87.5%，降低单位能耗52.7%；近红外干燥则展现出卓越的色泽保持能力，其总色差（ΔE=9.54）与褐变指数（BI=121.30）均最低。50℃条件下HAD处理获得最高复水率（287%）。基于NID在干燥效率与产品质量间的平衡表现，进一步引入超声波预处理强化NID工艺。在研究条件下，超声预处理显著促进NID过程中的水分迁移，干燥时间最多缩短28.6%。确定的最佳超声辅助NID条件为：300W超声功率、5分钟处理时间及70℃干燥温度。改良Page模型对所有方法的干燥动力学拟合效果最佳。研究结果表明，超声预处理通过促进内部质量传递有效强化NID过程，同时保持产品品质，为高价值柚皮干燥提供了有前景的策略。

亮点Highlights

图 1.实验流程图

图 2.不同干燥方式下的水分含量：(a) HAD, (b) NID, (c) MD

图 3.不同干燥方式下的干燥速率：(a) HAD, (b) NID, (c) MD

图 4.不同干燥条件下柚皮的复水化：AD为干燥后复水化，AR为复水化后复水化

图 5.超声波预处理时间对NID条件下柚皮含水率的影响

本研究通过两阶段策略系统评估并优化了柚皮干燥工艺。第一阶段对比了HAD、NID和MD三种干燥方式在干燥动力学、能耗及产品质量方面的表现；第二阶段将超声波预处理与NID结合以提升性能。主要结论如下：

1.干燥效率与能耗： 高温干燥法与自然干燥法中，干燥效率随温度升高而提升；微波干燥法则随微波功率增强而提高。微波干燥法展现出最高干燥效率与最低能耗，这得益于微波诱导的内部加热和分子振动显著提升了有效水分扩散系数。

2.产品品质：60℃自然干燥法对色泽和光敏化合物的保护效果最佳（ΔE=9.54； BI=121.30），而50℃的HAD法获得最高复水率（287%）。高温与长时间干燥会损害结构完整性及复水能力。

3.水分传递建模：改良Page模型对水分变化拟合最佳，能准确描述所有干燥方法的干燥行为。

4.UPA-NID优化：超声预处理通过形成空化微通道降低内部阻力，显著提升NID效能。多目标优化确定300W/5分钟为最优条件，实现干燥效率与品质的平衡。

5.应用启示：MD法适用于快速小批量干燥；NID法推荐用于需保持品质的高价值产品；HAD法则更适合以复水为优先目标的应用场景。本文开发的UPA-NID工艺为果蔬副产品的高价值利用提供了可行路径。