（化学工程专业论文）声空化强化渗透脱水过程质量迁移研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 渗透脱水是指在一定温度下，将新鲜物料切片浸入高渗透压溶液中，利 用膜两边渗透压不同，除去其中部分水分的一种方法。由于渗透脱水过程进 行得非常缓慢，因此学术界对强化渗透脱水过程质量传递产生了浓厚兴趣。 声空化强化渗透脱水技术可极大的提高脱水速率，脱水后的产品的感官品质 与鲜料几乎一样。因此声空化强化传质技术作为第三代有源强化传质技术， 具有广阔的发展前景。 本文以马铃薯、胡萝卜为原料对其渗透脱水过程质量迁移进行了研究。 研究结果表明：声空化对强化马铃薯、胡萝p 渗透脱水有显著作用。 在马铃薯与氯化钠固液体系中，物料脱水率随声空化强度、声空化作用 时间、渗透液浓度及温度的增加而增加，随物料厚度的增加，膜内的传质阻 力增大，脱水率降低；其固形物得率随着声空化作用时间、渗透液浓度及温度 的增加也增加，而随着声空化强度的增加，固形物得率先增大而后降低，因 此最佳操作条件为：超声波信号发生器输出电流强度为0 5 a ，声空化作用时 间为3 0 m i n ，渗透液浓度在1 5 ，渗透液温度控制在3 0 4 0 c 之间，物料厚 度为4 5 m m 左右，此时的脱水率可达1 7 ，而固形物得率在5 左右。 在胡萝h 一蔗糖固液体系中，考察了渗透脱水时间、渗透液浓度及温度 对胡萝h 渗透脱水的影响，结果表明：胡萝h 的脱水率及固形物得率随着渗 透脱水时间、渗透液浓度及温度等因素的增加而增加。通过声空化强化胡萝 卜一蔗糖体系渗透脱水过程的实验结果，确定了该过程的脱水率常数、平衡 脱水率及脱水率数学模型。利用脱水率数学模型计算的脱水率与实验结果具 有较好的一致性。 关键词：渗透脱水；声空化；传质数学模型；马铃薯；胡萝卜 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o s m o t i cd e h y d r a t i o ni st h a tu n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r et h e 舶s hm a t e r i a li s i m m e r s e di n t ot h eh i g ho s m o l a r i t ys o l u t i o n , u s i n gd i f f e r e n tm e m b r a n eo s m o t i c p r e s s u r eo nb o t hs i d e st or a l l o v es o m eo ft h em a t e r i a l sm o i s t u r e d u i n gt ot h e s l o w n e s so ft h eo s m o t i cd e h y d r a t i o np r o c e s s e s t 0 姐 l h a n c e 也en 娜s 缸锄f e fo f t h ep r o c e s s1 1 1 1 出e $ t h es c h o l a r s ak e e ni n t e r e s t e n t 珈n e i n go s m o t i cd e h y d r a t i o n w i t ha 洲t i ec a v i t a t i o n 翻1 l 均n c e st h er a t eo fd e h y d r a t i o ng r e a t l y a n da f t e r d e h y d r a t i o nt i l es e n s o r yq 砌i 粤o fp r o d u c t si sa l m o s tt h ef , a l i l e 鼬舭s l lm a t e r i a l s ot h et e c h n o l o g yo f e n h a n c i n g1 1 1 1 s $ t r a n s f e rw i t ha c o u s t i cc a v i t a t i o na st h et h i r d g e n e r a t i o n a c t i v ei n t e n s i f i c a t i o nm a s st r a n s f e r t e c h n o l o g y h a st h eb r o a d d e v e l o p m e n tt 肋s p e e t s i nt h i sp a p e r , t h em a s st r a n s f e ro fo s m o t i cd e h y d r a t i o np r o c e s si ss t u d i e da s l t a t o e s c a r r o t su s e d 鸽r a wm a t e r i a l s t h es t u d ys h o w st h a tt h ep o t a t o 、c a r r o to f o s m o t i cd e h y d r a t i o ni sn o t a b l ye n h e e x lb ya c o u s t i cc a v i t a t i o n i nt h es o l i d - - l i q u i ds y s t e m so fl 吣t a t o - n a e l ，t h ed e h y d r a t i o nr a t eo fm a t e r i a l i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f e a v i t a t i n gi n t e m i t y 、t h et i m eo f a c o m t i ec a v i t a t i o n 、 t h ec o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t eo ft h ei n f i l t r a t i o ns o l u t i o n , a n di n t e r n a l r e s i s t 皿c ei n c r e a s e sw i t ht h ei n e r e a s eo fm a t e r i a l st h i e l m e s s ，t h ed e h y d r a t i o nr a t e d e c r e a s e ；t h a ts o l i dg a i nr a t ei n c r e a s e sw i 也t h ei n c a o ft h et i m eo fa c 0 1 l s - t i c c a v i t a t i o n 、t h ec o n e e n t r a t i o na n dt e m t ，e r a t u r eo f t h ei n f i l t r a t i o ns o l u t i o n , a n dw i t h t h ei n c r e a s eo fc a v i t a t i n gi n t e m i t y , s o l i dg a i nr a t ei n c r e a s e sa f t e rd e c r e a s e s s o t h eb e s tw o r kc o n d i t i o n ：印西脚o u t p mc u r r e n ti m e 璐i t yo fs u p e r s o n i cs i g n a l g e n e r a t o ri so 5 a 、t h et i m eo fa c o u s t i ec a v i t a t i o ni s3 0 m i n 、t h ec o n c e n m a t i o no f t h ei n f i l t r a t i o ns o l u t i o ni s1 5 、t e m p e r a t u r eo f t t 把i n f i l w a t i o l as o l u t i o ni sa m o n g 3 0 4 0 ，m a t e r i a l st h i c k n e s si sa b o u t4 s m m , t h a tt h ed e h y d r a t i o nr a t ec a n r e a c h1 7 ，a n dt h es o l i dg a i nr a t ei sa b o m5 i nt h es o l i d - l i q u i ds y s t e r i l so fc a r r o t - s l l c r o s e i m p a c to ft h et i m eo fo s m o t i c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d e h y d r a t i o n 、t h ec o n c e n l z a f i o na n dt e m p e r a m r eo f t h ei n f i l t r a t i o ns o l u t i o no nt h e o s m o t i cd e h y d r a t i o no fc a r r o tw e 托r e s e a r c h e d 1 1 他r e s u l t ss h o w st h a t 硒t h et i m e o fa c o u s t i cc a v i t a t i o n , t h ec o n c c n 打a t i o na n dt e m p e r a t u r eo ft h ei n f i l t r a t i o n s o l u t i o ni n c r e a s e ，t h ed e h y d r a t i o nr a t ea n dt h es o l i dg a i nr a mo fc a r r o ti n c r e a s e s t h r o u g ht h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t ，t h ed e h y d r a t i o n r a t ec o n s t a n t 、e q u i l i b r i u m d e h y d r a t i o nr a t ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd e h y d r a t i o nr a t eb ea s c e r t a i n e d c a l c u l a t e x ld e h y d r a t i o nr a t eu s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ed e h y d r a t i o nr a t ea n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta r ei ng o o da g r e e m e n t k e y w o r d s ：o s m o t i cd e h y d r a t i o n ；a c o u s t i cc a v i t a t i o n ；m a s st r a n s f c tm a t h e m a t i c a l m o d e l ；p o t a t o ；c a r r o t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 相亟球 日期：砂7 年月力日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究工作背景、现状及发展趋势 渗透脱水是指在一定温度下，将新鲜物料切片渗入高渗透压溶液中，利 用物料细胞壁( 细胞膜) 两边渗透压不同，除去其中部分水分的一种方法。 在渗透脱水进行中，一方面物料中的水分向溶液中传递，另一方面溶液中的 溶质逐渐渗入物料，且两个过程同时相向进行着，并最终达到渗透平衡【l 】。 渗透脱水可以除去鲜料的水分而不损坏物料的组织结构，经过渗透脱水的物 料产品仍具有鲜料应有的风味、色泽、质构、营养品质，其产品的感官品质 与新鲜物料几乎一样。果蔬渗透脱水是渗透脱水研究中的具有代表性实际例 子，果蔬加工有干燥、冷冻、杀菌、冷藏的方法，渗透脱水可以作为这些加 工方法的前处理方式与其配合使用。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1 0 。1 5 ，同时由于体积和总量的减少，使干 燥的有效荷载增加了2 - 3 倍，从而大大节省了能耗。渗透脱水后的产品进行 冷冻干燥使原料体积变小及固形物增加，使冷冻干燥的荷载和加工能力可提 高三倍。果蔬的冷冻往往需要消耗大量的能源以冷冻新鲜原料中所含的大量 水分，经渗透脱水后，果蔬水分含量减少，冷冻期间能源消耗降低，同时， 由于重量和体积减少，包装、运输及销售处理等过程中的费用相应减少，而 且，这样的冷冻产品解冻时组织破坏明显减少，与冷冻前的空气干燥相比， 既节省了能源，又避免了新鲜原料因空气干燥造成的品质下降。 因此渗透脱水技术是目前很有潜力、倍受关注的技术：首先它在脱水时 不存在水分的相变，有显著的节能性；二是渗透脱水作为果蔬脱水时的预处 理，在常温下进行，能有效地减少其他热处理时所导致色泽、质构、营养品质 等的破坏；三是在渗透脱水过程中，溶质的渗入能调节果蔬的水分活度，使果 哈尔滨工程大学硕士学位论文 蔬不用干燥到较低的含水率，也能有较长时间的货架期；四是溶质能抑制甚至 破坏蛋白酶的活性，护色效果显著，并能减少芬芳物质的逸出；五是溶质进入 果蔬后能维持果蔬的组织结构，脱水后果蔬仍能维持鲜果的形状，提高脱水果 蔬的复水性。 研究报道，渗透脱水技术应用于水果、蔬菜、肉类、鱼类等，可较好地 保持果蔬、肉类加工后的品质，降低加工能耗，因此这一技术受到国际食品 界的广泛关注【埘。食品渗透脱水技术的应用具有悠久的历史，如传统蔬菜、 肉类、鱼类的盐腌，水果的蜜制和糖制等。但直到2 0 世纪6 0 年代，国外才 开始深入地研究这一技术的机理及其和干燥、冷冻、杀菌、罐藏等方面的组 合应用。加拿大、法国、英国、德国、意大利、希腊、比利时、瑞士、荷兰 等国家的1 3 个课题组，在1 9 9 7 2 0 0 0 年对渗透脱水进行了专门研究，以求为 渗透脱水的工业化应用提供理论和技术支持。 通常果蔬渗透脱水过程的进行是非常缓慢的，因此在不影响物质品质的 前提下有必要采用某种方法加速渗透脱水过程中的质量传递。目前采用的方 法主要有：高流体静压渗透脱水 3 j 、电渗透脱水【4 】、真空渗透脱水【5 叼、离心 力渗透脱水忉及声空化强化渗透脱水嘲等。 当蔬菜进行高流体静压( h h p ) 处理时，将导致细胞组织的瓦解，引起细 胞组织的渗透性增强【9 】。早期阶段可以通过测量细胞的瓦解指数z 。来说明细 胞的瓦解。高流体静压已经被用以强化菠萝渗透脱水过程的质量传递【3 】高 压力的作用破坏了细胞壁结构，使细胞的渗透性更强，从而导致组织结构的 重大变化，与未经处理的样品相比，强化了渗透脱水过程中的质量传递【。 基于费克模型，在所研究的压力范围内，实验所得水的扩散率增加4 倍，而 糖的扩散率增加2 倍1 1 1 , 1 2 j 。扩散率的值与预处理的压力有关，其函数形式为 d = a e x p ( - b p ) 。高压预处理过程中将发生压缩和减压，引起果蔬中大量 水分的移动，导致细胞壁破裂1 3 。高压预处理强化了渗透脱水过程中水分的 的转移和固形物的获得。显微测量显示出细胞壁的破坏程度随应用压力的变 化而变化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 研究表明【1 2 1 ，高压作用于西红柿脱水过程可导致细胞渗透性增强。在高 压下进行西红柿的渗透脱水，由于强化效应使得水分含量减少而干物质含量 增加。相对水分含量和相对干物质含量的分布显示，水分和干物质含量的变 化率减少。 r a s t o g ie ta l 1 3 】就高压处理的再水化过程和不同温度下( 5 ，2 5 和3 5 o ) 菠 萝块( 2 x 2 x l e m ) 的渗透脱水展开研究，并与通常情况下的渗透脱水进行对比。 在假定再水化过程服从费克扩散定律的基础上，确定了水和溶质的有效扩散 系数。研究发现，在高压作用下，无论水分的吸收还是溶质向组织外的扩散 系数都减少，而且扩散系数随作用压力的增加而降低。观察发现水分扩散系 数的减小归因于再水合容积减少的细胞膜的渗透性的降低。高压预处理压实 了细胞组织，使细胞组成部分分散，同时由于二价离子粘合成非脂化的胶质 导致凝胶网的形成，从而减小了溶质扩散系数。 对于电渗透脱水，研究显示，高强度电场脉冲( 0 2 2 1 6 0 k v c m ) 处理能够 强化渗透脱水。对于胡萝h ，o 0 4 2 2 5 k j k g 范围内能量的应用使细胞瓦解指 数z 。增加0 0 9 , - 0 8 4 ，而其温度升高小于1 。根据费克扩散模型确定的水分 和溶质有效扩散系数按电场强度的指数规律d = a e x p ( - b v ) 增加。有效扩 散系数的增加也可归因于细胞渗透性的增强及水合溶质扩散的增强，这些强 化以z 。值的增加和产品的软化为根据1 4 j 。 文献报道高强度电场脉冲( 髓l p ) 处理可增强植物细胞的渗透性【体1 6 1 。研 究表明电场脉冲作用可增强西红柿组织的渗透性。从而可增强流化床干燥过 程的质量传递。 引起细胞破坏的高强度脉冲处理可引起组织的软化，导致细胞膨胀力的 丧失，从而使其压缩力减小。因此，压缩力的减小与电场强度的增加呈指数 关系。然而，当电场强度高于1 0 9 k v e m 时，压缩力将减d , n 极限。能量值 小于o 8 5 7 k j k g 时，z 。值随总能量的增加而迅速增加；而高于该值，z 。值 的增加幅度减t j , , 4 1 。 f i t o 5 1 、酉& r j i g b a v a r a 0 【日等的研究表明真空下的渗透脱水比常压下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的渗透脱水快。f i t o 及其合作者基于压力梯度和毛细管流动机理解释了此现 象。 r a s t o g i & r a g h a v a r a o 基于渗透压机理提出了真空渗透脱水的数学模型， 并根据扩散渗透传递参数、质扩散系数及界面面积阐述了渗透脱水过程中的 真空应用效应。结果表明渗透脱水过程中真空的应用在提高质量传递速率的 同时，对细胞膜的损害程度也很大。 许多年来，许多研究者将强化一种质量传递( 脱水) 而阻碍另一种质量传 递( 于物质的增加) 作为主要研究目标，取得了一定的研究成果。离心力渗透 脱水就是其中方法之一。1 9 9 6 年，a z u a r a , g a r c i a 和b e r i s t a i n _ 7 】在渗透脱水过 程中利用了离心力，强化了渗透脱水过程中的水分传递，阻碍了干物质的增 加。他们以圆柱状的苹果和西红柿为物料，将其放入盛有渗透液( 糖和盐的混 合溶液) 的不锈钢管中，渗透脱水在3 0 ( 2 且有离心力作用的情况下进行。实 验研究发现离心力的作用使水分扩散增加了1 5 ，而且还阻碍了干物质的增 加( 大约减少8 0 ) 。 然而，离心力渗透脱水的研究还较少，对离心力渗透脱水的认识还需要 进一步的研究工作，其研究应集中在各种因素对离心力渗透脱水的影响上， 如旋转速度、渗透液的温度、浓度、溶液的种类及物料的大小、形状等。 功率超声处理技术具有许多特点，与其它处理技术比较，常能大幅度提 高处理速度和效率，提高处理质量和完成一般技术不能完成的处理工作。因 此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部门得到越来越广泛的应 用。功率超声处理技术在强化传质方面的应用是最近几年才兴起的，但却以 其特有的优势引起了学术界广泛的关注，尤其是在新鲜果蔬脱水方面的应用， 不但能够极大的提高脱水速率，还能够很好的保持果蔬原有的感官品质及营 养价值，更加的引起了学术界及果蔬生产加工商的兴趣。 在固体介质中，声波能产生一系列快速而连续的压缩和稀疏过程，其速 率取决于声波的频率，这一机理在很大程度上与食品的干燥和脱水作用有关， 声波的机械和物理效应已用于强化很多扩散过程。空化是声波在液体中传播 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时产生的现象，它包括液体中气泡的生成、破灭，并产生局部压力，这种效 应能够强化渗透过程的扩散，并加速物料组织的除气。声冲流影响固液间边 界层的厚度，从而强化悬浮固体与液体间通过边界层的扩斟 】。 1 9 8 0 年l e n a r t 和a u s l a n d e r t ”】的研究表明超过一定的声强阈值溶液扩散 率将随声强的增加而增加，但1 9 9 4 年f l o r o s 和l i a n g 【l7 】发现，当声强达到最 大时扩散率的增加将停止，是强烈空化在固液界面产生的极端湍流所导致。 1 9 7 8 年s a j a s 和g o r b a t o w i 聊指出在高频率时质扩散率增加很小，但是超声频 率对扩散的影响机理却未阐述。 s i m a l ，b e n e d i t o ，s a n c h e z 和r o s s e l l o 2 0 将超声用于强化苹果块渗透脱水 过程的质量传递，结果表明：与搅拌情况下的渗透脱水相比，脱水率及固物 质得率均有一定的增加。超声渗透脱水技术能够在较低的溶液温度下得到较 高的脱水率和溶质增加率，而且保持食品的自然风味颜色和营养成分。 鉴于声空化机理的复杂性，发现声空化能够强化传质较晚，且发现以后 没有引起足够的关注，因此专门研究声空化强化传质的学者较少，该方面的 论文也很少有报道。鉴于声空化在强化传质方面的效果，声空化强化传质再 一次引起一些学者和研究机构的广泛关注。众多的研究学者指出，超声空化 效应有其独特和尚未完全开发的价值，声空化强化传质技术对强化传质具有 一定的意义，而其中对于传质强化机理的全面理解及能动控制是传质学界亟 待解决的问题；同时声空化强化传质技术作为第三代有源强化传质技术的重 要组成部分，是从根本上控制传质过程本身着手，以图发展直接控制传质机 制的新型传质控制技术，它在一定范围内可以实现通过改变声空化强度来控 制传质过程，或者通过调整超声换能器与所研究物体之间的相对位置改善传 质情况，从而实现在工程实际中人为控制传质进程。 综上所述，要获得较高的质量传递速率及高质量的脱水产品，保持细胞 膜的完整性是非常必要的。然而，目前对高压预处理、高强度电场脉冲、离 心力渗透脱水及真空渗透脱水的研究及其他近期的报道都显示出实际情况并 非如此，这些方法在强化渗透脱水的同时，对细胞膜的完整性均具有较大的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 损坏，降低了产品的营养价值。而声空化强化渗透脱水技术作为第三代有源 强化传质技术的重要组成部分，可较大提高脱水质量传递速率及产品的质量， 不但实现了在工程实际中人为控制传质进程，还能降低对细胞膜的完整性的 损坏及产品的营养损失，在一定程度上降低了上述弊端。 1 2 研究目的及意义 我国是生产果蔬的大国，其年均产量达上亿吨，但在果蔬加工方面却很 不乐观，每年都会有大量的果蔬腐烂浪费掉。考虑到加工后果蔬的风味、色 泽、质构、营养品质等因素，目前普遍应用的加工手段则是渗透脱水技术， 然而果蔬的渗透脱水又是非常缓慢的过程，因此在不影响果蔬品质的前提下 有必要采用某种方法加速渗透脱水过程中的质量传递。目前采用的强化渗透 脱水技术主要有高流体静压渗透脱水、电渗透脱水、离心力渗透脱水、真空 渗透脱水及声空化强化渗透脱水，但是前四种方法在强化渗透脱水的同时， 又给脱水产品的质量带来了一定的负面影响。声空化强化渗透脱水技术则在 较大的提高脱水速率的同时，还在一定程度上降低了上述弊端，并且脱水后 的产品的感官品质与鲜料几乎一样。鉴于国内外传质学者对声空化强化渗透 脱水过程传质的研究较少，尤其在国内，声空化强化渗透脱水过程质量传递 的研究刚刚开始。本文将超声场应用于马铃薯、胡萝h 渗透脱水过程中，对 该过程的质量传递问题进行实验与理论研究，力图从这一侧面揭示渗透脱水 过程质量迁移规律，为脱水果蔬产品的生产提供一定的理论依据，以提高其 生产效率，并为其它新鲜物料的渗透脱水技术提供有益的参考数据。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 声空化强化马铃薯渗透脱水的实验研究，考察声空化强度、声空化 作用时间及声空化作用时间段对马铃薯物料脱水率及固形物得率的影响；考 察自然渗透脱水与声空化强化渗透脱水时物料脱水率和固形物得率随渗透液 浓度、渗透液温度及物料厚度等因素的变化规律； 声空化强化胡萝p 渗透脱水过程的实验研究，通过建立渗透脱水过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程中水分迁移及溶质扩散的数学模型，进一步揭示声空化强化胡萝 渗透脱 水过程质量传递规律。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基本原理 2 1 渗透脱水原理 2 1 1 分子扩散 分子扩散是在相内有浓度差( 或浓度梯度) 存在的条件下，由于分子的无 规则运动而导致的物质传递现象。扩散速率一般用单位时间内单位面积上扩 散传递的物质量表示，称为扩散通量。当物质a 在物质曰中发生分子扩散时， 任一点处物质4 的扩散量与该处彳的浓度梯度成正比，即费克定律( f i c k s l a w ) i j = 一d d c d z ( 2 一1 ) 式中： ，。物质彳在z 方向上的分子扩散通量，k m o l m 。s i ； d 出- 4 的浓度梯度，亦即a 的浓度c 。在z 方向上的变化量， k m o l - m - 4 ： d 。叫在b 中的分子扩散系数，简称扩散系数，m 2 s 1 。( 负号表示 分子扩散总是沿4 的浓度降低的方向进行的) 。 ， 实际上运用费克定律最困难的问题是扩散系数的确定，在缺少扩散系数 试验数据的情况下，可用下式进行推算： d a b = r t n 6 n t r ( 2 2 ) 式中： 五通用气体常数，8 3 1 4 j m o l l - k 1 ； 阿伏加德罗常数，6 0 2 2 5 2 1 0 2 3 ，t o o l ： r 绝对温度，k ； 卵介质粘度，pa s ； ，溶质微粒( 球形) 直径( 应比溶剂分子大，并且只适用于球形分子) ， 果蔬渗透脱水过程中物料内外物质的交换迁移实际属于分子扩散问题 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该过程中溶质扩散系数因糖液或盐液浓度差而异。扩散系数和溶质扩散速度 成正比，扩散系数愈大，扩散越迅速【2 1 捌。但是扩散系数本身还决定于扩散 物质的种类和温度，一般来说，随着溶质分子增大，扩散系数减小。因此食 盐和不同糖类在渗透脱水过程中的扩散速度各不相同。例如，不同糖类在糖 液中的扩散速度可比较如下：葡萄糖 蔗糖 饴糖中的糊精( 5 2 1 ：3 8 0 ：1 0 0 ) 。 扩散系数还随温度升高而增大，温度升高，分子运动加速，而溶媒粘度则减 少，以致可溶性物质从溶媒分子间通过，扩散速度也就随之增加吲。 扩散物质的分子永远是从高浓度向低浓度的方向扩散，因而浓度差愈大， 扩散速度也将随之增加。不过溶液浓度增加时，以糖液为例，其粘度必然增 加，扩散系数就会降低，因而对扩散的速度产生不利的影响。 2 1 2 渗透脱水推动力及物质迁移 渗透脱水过程中的物质迁移之所以能够进行，主要是由于生物物质中存 在的半透膜及半透膜两测溶液间浓度梯度的存在，这也正是渗透脱水过程的 主要推动力。 若将具有细胞结构的食品原料浸入高浓度渗透溶液，原料最外层的细胞 和渗透液接触，由于细胞内溶液和渗透液的浓度差，最外层的细胞失去水分 开始收缩。最外层细胞失水后，其细胞内溶液与第二层细胞内溶液产生浓度 差，第二层细胞中水分向第一层细胞中迁移，第二层细胞开始收缩。随着渗 透的进行，水分迁移和组织结构收缩相向由食品原料的表面向中心进行。最 终，经过较长时间的浸泡后，物料中心失去水分，物质迁移趋于平衡。若食 品原料浸入低浓度的渗透溶液，则这一过程正好相反，食品原料吸收水分， 组织结构膨胀。 渗透脱水时，食品原料处于高渗透液中，溶液浓度大大高于食品原料细 胞内可溶性物质的浓度，水分就不再向细胞内渗透，而周围介质的吸水力却 大于细胞，原生质内水分将向细胞间隙内转移，再转移到细胞外，于是原生 质紧缩，造成质壁分离( p l a s m o l y s i s ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 渗透引起的水分迁移是自发非破坏性的阱】，这是由于细胞膜具有半透 性，只有小分子的物质，如水分子可以自由通过。然而，由于食品原料内部 结构的复杂性和前处理可能对细胞壁造成的破坏，细胞膜的半透性并非理想 的。由于浓度差异，食品原料中水分向外迁移的同时，溶于其中的少量天然 溶质也随之渗出，进入高渗溶液；渗透液中的溶质也向食品原料中迁移渗入， 但水分的渗出远远超过溶质的渗入【2 5 1 。食品原料水分和溶质的渗出主要发生 在最初阶段，随后食品原料和渗透液间水分含量的差别逐渐趋于零，直至最 终体系达到分子迁移的动态平衡状态。 渗透脱水过程存在两种主要的物质传递现象：溶有溶质的水分渗出食品 原料和渗透溶质渗入食品原料，因而渗透脱水过程是多组分物质迁移过程： 两种同时进行的反向溶液流动及细胞间气体的流出。渗出食品原料的溶液有 有机酸、还原性糖、矿物质、部分风味和色素物质等，这些流出的物质会影 响最终产品的感官特性和营养特性。渗透液中的可溶性物质也会被食品原料 吸收，这为调节食品原料的功能性提供了可能。由于细胞膜的半透性，大分 子的可溶性物质渗入后积聚在细胞外空间。 许多实验研究了渗透脱水中两种反向的物质迁移动力学。物质的迁移通 常用原料脱水率、原料固形物或渗透溶质的增加率、原料重量损失率表示。 原料脱水率和渗透溶质的增加率可分别通过一定量的食品原料在某一段时间 内水分或渗透溶质增加的速率计算，也可通过一定量的食品原料在某一段时 间内水分损失总量或固形物增加总量计算。渗透过程物质的迁移受渗透参数 的影响，对于生物性原料，如水果、蔬菜、鱼和肉类，水分含量、成熟度、 组织结构、多孔性、原料形状和大小，都影响着水分的渗出、原料溶质的渗 入及渗透液溶质的渗入。这些物质的迁移遵循如下机制：一、由于浓度梯度 引起的水分和溶质扩散迁移；二、由于外界压力、组织收缩和毛细管作用引 起体系压力不同引起水分和溶质的毛细管迁移；三、气孔内水分迁移：四、 由于毛细管的凝结作用，气孔内水蒸气扩散；五、由于表面浓度差异，水分 在气孔表面的扩散。由于食品原料的复杂结构，渗透过程的物质迁移是这些 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。 机制共同作用的结果。 浸入渗透液的食品原料，由于发生物质迁移，可认为是一动态体系，而 食品原料是一种多组分体系，其渗透脱水过程是多组分物质迁移的过程，多 组分中的物质迁移特性由单个组分迁移特性决定。不同的组分，其迁移机制、 迁移速率、平衡浓度一般很不相同，影响着体系的动力学和最终平衡。水分、 渗透液溶质、原料的天然溶质和气体同时渗入或渗出食品组织引起复杂的物 质迁移现象，其中每一种组分的迁移都影响其他组分，也受到其他组分的影 响。以往的研究，积累了大量有关固一液接触渗透过程中物质迁移现象的信 息，分析了渗透的机制及多孔性细胞原料中相互作用的物质迁移。但有关物 质迁移的传统方程不能完全揭示多组分物质迁移的规律。从工程角度进行固 一液接触体系物质迁移规律研究，必将为渗透脱水的工业化应用提供较强的 理论基础。 2 2 声空化强化传质原理 2 2 1 超声空化 超声空化是指液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核 的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程 2 6 1 。附着在固体杂质、微尘 或容器表面上及细缝中的微气泡或汽泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强 度减弱的微小区域中析出的溶解气体等都可以构成这种微小泡核 2 7 - 3 1 1 。 当声波在媒介中传播时，它将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振 动。在声波压缩相时间内，分子间的平均距离减小：而在稀疏相内，分子间 距将增大。对于强度为l 的声波，它作用于媒质的声压为【3 2 】： p o = 只s i n 酬 ( 2 3 ) 式中：只声压振幅，p a ； 口声波的角频率。 声压振幅与声强间的关系为： i = 磷眨。( 2 - 4 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：，声强，w 1 2 2 0 ； 口媒质的密度； c 声速。 在声波负压相( 即稀疏相) 内，媒质受到的作用力为( 兄一只) ，只为流体 静压力。倘若声强足够大，使液体受到的相应负压力亦足够强，那么分子间 的平均距离就会增大到超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性，导致出 现空腔或空穴【3 3 1 。一旦空穴形成，它将一直增长至负声压达到极大值。但是， 在相继而来的声压正压相内这些空穴又将被压缩，其结果是一些空化泡将进 入持续震荡；而另外一些空化泡将完全崩溃。因此就产生了瞬态空化与稳态 空化 3 4 - 3 6 。 一般认为瞬态空化泡只能在较大声强作用下才可以发生，而且它只能存 在一个或至多几个声波周期时间。在声波负压相作用下空化泡迅速增大，一 般至少增大到原来半径的二倍。随之在声波正压相作用下迅速收缩至崩溃。 崩溃时伴随形成许多微空泡，构成新的空化核。有的微泡则会因其半径见过 小因而表面张力2 盯见过大而溶进液体中口刀。一般认为，在瞬态空化泡存在 的时间内，不发生气体通过空化泡壁的质量转移，但在泡壁界面上液体的蒸 发与蒸汽的凝聚却自由地进行。 中国科学院声学研究所几位青年科学工作者在1 9 6 4 年前后进行实验，产 生了瞬态单一气泡，但当时并没有在国外被知晓。目前，国内外物理学者都 以极大的热情投入到对瞬态单一气泡的研究中，这便于进一步了解声空化的 机理以及为特定的目标寻找最佳的外乔条件。 对于稳态空化过程，一般只在较低声强下发生。在声波作用下稳态空化 气泡常常表现为非线性振荡，而且振荡可以延续许多个声波周期。稳态空化 泡存在时间较长，因此通过气泡与液体的界面除有液体蒸发及蒸汽凝聚之外， 还可以发生气体质量扩散。此外，由于在声波膨胀相内气泡在振荡过程中增 大，这种现象称为定向扩散删。定相扩散伴随气泡表面张力减小，则有可能 使气泡转向瞬态空化过程，继而发生崩溃。但是这种从稳态气泡转向瞬态气 哈尔滨工程大学硕士学位论文 泡而发生崩溃要缓和，当然在声波的连续作用下，气泡也可能继续增长，直 到浮上液面而逸出。 就稳态空化泡而言，只有当空化泡的共振频率f 与声波频率工相等时， 才发生最大的能量耦合，产生明显的空化效应【3 9 1 。如果工 正，气泡将作复 杂的持续振荡；而当力 0 时，乞为正，只在0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与只之间变化，即液体中压力在咒与( 最+ 只) 之间变化；当s j n 砑 0 时，液 体中压力在只与( 只一只) 之间变化。在声波负压相( 即稀疏相) 内，媒质受 到的作用力为( 只一只) ，小于物料孔隙中气体的压力，物料孔隙中的气体将 逸出。在声波的正压相( 即压缩相) 内，媒质受到的作用力为( 只+ 只) ，大 于物料孔隙气体的压力，此时渗透液将进入到物料孔隙中，渗透液与物料表 面的接触面积增大，实际参与传质的表面积增加，使物料脱水率与溶质增加 率都高于自然渗透脱水。因此，可以用传质水动力学机理解释声空化强化渗 透脱水过程中的质量传递现象。 2 - 3 本章小结 本章对渗透脱水基本原理、声空化强化渗透脱水原理进行了阐述。果蔬 渗透脱水之所以能够进行，主要是因为半透膜及半透膜两侧浓度梯度的存在， 致使物料中的水分向溶液中迁移，而溶液中的溶质渗入物料。超声波在液体 中传播时，若声强足够大，将产生剧烈的机械效应、热学效应、化学效应、 光学效应等，再加上超声空化产生的“湍动效应”、“微扰效应”、“界面效应” 及“聚能效应”共同作用于固液体系，并通过搅拌、分散、除气、减薄边界 层、增大传质表面积等方式实现对传质的强化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章声空化强化马铃薯渗透脱水研究 马铃薯属茄科茄属，为一年生草本植物，具有丰富的营养价值，对保持 人体健康具有重大作用 4 9 1 。据统计，我国马铃薯总产量达6 0 0 0 万吨，占世 界第- - 5 0 1 。但在加工比重上仅有4 ，远远落后于发达国家。每年都会有大 量的马铃薯腐烂浪费掉，造成国民经济的损失另外我国又是马铃薯薯条消 费大国，国家每年都要花大量外汇进口薯条以满足国内市场需求。因此，针 对我国国内马铃薯资源进行声空化强化渗透脱水的研究，提高脱水马铃薯脱 水产品的产量，无疑具有非常现实的意义。一方面它可为国家节约大量外汇， 另一方面又使我国丰富的马铃薯资源得到合理利用，为马铃薯产区创造一定 的经济效益。 3 1 实验材料及方法 3 1 1 实验材料和仪器 材料：成熟新鲜的马铃薯；渗透液：氯化钠溶液。 实验所用仪器如表3 1 所示： 表3 i 仪器 声空化发生系统由8 9 1 型超声波信号发生器和超声变幅杆组成( 频率： 2 0 0 2 4 k h z , 功率范围：0 - - - 2 5 0 w ) ，实验时超声变幅杆末端插入渗透液中约 1 5 2 e m 。另外还需温度计、镊子、计时器、玻璃棒各1 个，烧杯及滤纸若干。 3 1 2 实验步骤及装置 ( 1 ) 渗透液的配置：渗透液采用氯化钠溶液，溶液的总质量保持在l o o g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 左右，实验时在室温下将固体氯化钠溶解于盛有一定量蒸馏水的烧杯中并经 过充分搅拌形成均匀的氯化钠溶液，每次配置两份，一份用于马铃薯的自然 渗透脱水，一份用于马铃薯在声空化作用下的渗透脱水； ( 2 ) 马铃薯预处理：渗透脱水前，将成熟、新鲜的马铃薯洗净、去皮， 切成长宽均为l c m 而厚度不同的薄片，分成重量接近的三组( 每组约l o g ，以 便保持料液比为l ：1 0 s 1 】) 并编号，用清水冲洗，轻轻擦去表面的水分后称重； ( 3 ) 渗透脱水实验：超声换能器末端插入渗透液中，将进行渗透脱水的 两组物料同时投入到渗透液中，打开超声波信号发生器，其中的一组进行自 然渗透脱水，另一组在声空化作用下进行渗透脱水，第三组作为样品不做任 何处理； ( 4 ) 产品烘干：经过脱水的马铃薯切片取出后再用清水冲去粘附于其表 面的溶液，表面擦干后称重；然后把三组物料放入烘箱中，烘箱温度保持在 5 0 3 ：1 ，以确定三种样品中干物质含量。 渗透脱水实验装置如图3 1 所示。 2 1 图3 1 声空化强化渗透脱水实验装置图 ( 1 一渗透液：2 物料：3 烧杯：4 超声换能器：5 超声波发生器：6 一电热恒温水浴锅：7 _ - 冷水进水口：8 冷水出水日) 算： 马铃薯脱水率： 马铃薯固形物得率： 删。，：( - 0 0 - - ( j ) t 1 0 0 删v2 眠 聊，= 尘m 鱼o 1 0 0 式中： m o 咩料总质量，g ； 鲜料含水量，g ； q 渗透到t 时刻物料含水量，9 5 厶鲜料中固形物含量，g ； 丑渗透到t 时刻物料中固形物含量，g 。 3 2 1 超声场输出端电流强度的影响 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 在室温下称取厚度为3 r a m ( 长宽均为1 c m ) 的新鲜马铃薯切片l o g 左右， 将其浸泡在l o o m l 浓度为2 0 的氯化钠溶液中，渗透脱水时间固定为3 0 m i n ， 改变超声场输出端电流强度，对马铃薯进行声空化强化渗透脱水实验，考察 超声场输出端电流强度对物料脱水率、固形物得率的影响，其变化情况如图 3 2 所示。由图可知：随着工作电流强度的增加，物料脱水率增加。 超声波在液体中传播时，若声强足够大，将产生剧烈的空化效应。理论 估算表明，当空化泡集中了足够的声能而达到崩溃时产生出一个极短暂的强 压力脉冲( 可达l o m s 得微射流) ，同时伴有短暂的高温升，形成局部热点， 空化泡内温度可达l o k ，压力可达4 x l o s p a ，脉冲持续时间可达数微秒，声 空化过程中产生的高温、高压及强压力脉冲作用于马铃薯一氯化钠体系中， 引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速冲撞，使马铃薯与氯化钠溶液间的扩 散边界层减薄，缩短了马铃薯内外物质扩散路径，同时降低了扩散阻力，从 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而增大了传质速率；超声空化的微扰动可使马铃薯内部水分与渗透液中溶质 问传递的路径扩散微孔道得以拓宽，加快传质速率；超声空化产生的微 射流对马铃薯表面的剥离、凹蚀作用创造了新的活化表面，增大了马铃薯与 氯化钠溶液之间进行物质传递交换的表面积；超声空化的能量凝结产生的局 部高温高压能使水分子和马铃薯表面分子结合键断裂而活化，实现传质。随 着超声场输出端电流强度的增加，上述一系列效应也将增加【1 7 】，致使物料的 脱水率增加。 固形物得率则随着超声场输出端电流强度的增加先增加而后又下降，这 是因为在氯化钠溶液中马铃薯渗透脱水初期，由于高渗透压作用及溶质分子 较小，很容易透过细胞膜，致使在初始阶段物料中的固形物得率显著增加， 在后期，超声空化的能量凝结产生的局部高温高压能使物质分子和固体表面 分子结合键断裂而活化，随着超声场作用强度的增加，这种效应产生的效果 越显著，致使物料体表结合的淀粉、蛋白质、还原糖等f 捌脱离机体而游离到 溶液中，故马铃薯中固形物得率下降。 由于在高强度下，物料中的营养物质将部分损失，同时也考虑产品风味 与节能问题，因此，超声场输出端电流强度控制在0 5 a 左