羧甲基纤维素钠涂层预处理结合多频超声波辅助真空远红外干燥：一种提升 Cornus officinalis 干燥性能、理化性质及感官特性的新兴方法

《Ultrasonics Sonochemistry》：Sodium carboxymethyl cellulose coating pretreatment combined with multi-frequency ultrasound assisted vacuum far-infrared drying: An emerging approach to enhance drying characteristics, physicochemical properties, and sensory attributes of Cornus officinalis

本研究采用CMC-Na涂层结合多频超声辅助真空远红外干燥技术，系统优化了山茱萸的干燥工艺。结果表明，多频超声（MFUS）显著缩短干燥时间（较单一频率提升12%-39%），提高干燥速率（15%-69%），同时有效保留总酚类（17.09±1.01 μg/g）、总黄酮（36.54±1.04 mg/g）等活性成分，并通过形成蜂窝状微通道结构降低传质阻力。感官评价显示，MFUS-VFIR-20/28/40 kHz处理组综合评分达8.5，较传统干燥提升41.67%，且通过协同作用抑制热降解和氧化反应，优化了色泽（ΔE=8.63）、酸度（12.86%）及风味平衡。

　　本研究旨在通过一种新型的干燥技术，提升中药材 Cornus officinalis 的干燥效率和感官品质。随着对健康食品和天然药物的需求不断增长，传统干燥方法如阳光晾晒等虽然操作简单且成本低廉，但其干燥时间长、热传导效率低、对热敏性成分的破坏严重，且易导致颜色变化，无法满足高质量产品的需求。因此，开发一种高效节能且能够保留产品品质的干燥技术成为研究的重点。本研究提出了一种结合钠羧甲基纤维素（CMC-Na）涂层和多频超声波辅助真空远红外（MFUS-VFIR）干燥的方法，通过对比不同频率组合对 Cornus officinalis 干燥过程的影响，探索该技术在提高干燥效率和保持产品品质方面的潜力。

CMC-Na 涂层作为一种可食用的保护层，具有良好的成膜能力和水分阻隔特性。它能够形成均匀且致密的包裹结构，减少由于蒸发应力引起的组织收缩或裂纹，同时还能有效隔绝氧气和光照，显著抑制有机酸、多酚等活性成分的氧化降解，从而提升干燥后产品的颜色稳定性、风味保留和功能活性。然而，CMC-Na 涂层也可能对干燥速率和脱水时间产生负面影响。在较高浓度下，其成膜特性可能形成致密的屏障层，阻碍水分扩散，延长整体干燥周期并降低干燥速率和质量传递驱动力。此外，涂层对热传递的阻碍作用也可能限制局部温度上升，进而影响水分蒸发和干燥过程的效率。因此，选择一种先进的干燥技术与 CMC-Na 涂层相结合显得尤为重要。

真空远红外干燥（VFIR）作为一种先进的脱水技术，结合了辐射加热和低压干燥的优势，近年来在处理热敏性农产品方面展现出良好的应用前景。它利用远红外辐射直接激发材料中的水分分子，实现体积加热，同时真空环境降低了水的汽化温度，使得在较低温度下完成脱水，有效抑制了多酚氧化和非酶促褐变等质量下降反应。然而，对于具有高果胶含量和致密组织结构的水果类药材，VFIR 仍然面临内部水分扩散缓慢和热质传递效率低的问题，导致干燥后期干燥速率明显下降。为解决这些问题，研究者开始探索多物理场耦合策略，以提高热质传递效率和干燥均匀性，同时保持产品品质，这为热敏性中药材和食品的深度脱水提供了新的思路。

多频超声波干燥（MFUS）作为一种绿色且非热物理技术，因其在提升热质传递、加速水分迁移和缓解内部扩散阻力方面的显著优势，显示出在处理热敏性农产品和药材中的高应用潜力。MFUS 通过同时或交替发射两种或多种超声波频率，生成复合声场，从而诱导更强烈、持续和多样的空化效应。相比单频超声波（SFUS）的局部效应，多频场提供了更广泛的频率覆盖，能够在不同空间域内诱导多尺度组织扰动，促进深层水分迁移，同时避免表面过热或结构损伤。研究表明，MFUS 能够通过交错共振和频率叠加实现低频穿透和高频扰动的协同效应，从而提高复杂结构样品中的能量分布和利用效率，更有效地加速内部水分释放和扩散。此外，MFUS 生成的动态不稳定的空化环境更易于诱导瞬时高能微喷射和微尺度扰动，增强液固界面的质量传递，有助于消除内部水分迁移瓶颈，从而提升干燥效率并降低能耗。

本研究通过实验探讨了 CMC-Na 涂层与 MFUS-VFIR 干燥结合对 Cornus officinalis 干燥特性、理化性质和感官属性的影响。实验结果表明，应用 MFUS 可使干燥时间缩短 12.12–39.39%，平均干燥速率提高 15.38–69.23%。理化分析结果显示，(MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理后的干燥产品保留了更多的总多酚、天然生物活性成分、有机酸、总类胡萝卜素、维生素 C、可溶性固形物和总黄酮，同时具有更优的颜色品质。在这些条件下，抗氧化能力分别比双频超声波处理提高了 10.89–23.68%、14.41–25.91% 和 7.10–58.32%。扫描电镜观察显示，MFUS 处理产生的蜂窝状孔隙结构具有更大的孔径，与 SFUS 相比，减少了表面裂纹，扩展了微通道，从而降低了质量传递阻力。此外，感官评价结果表明，(MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理的样品整体感官可接受性达到 8.50，比 VFIR 和 SFUS-VFIR 样品分别提高了 41.67% 和 13.33–30.77%，且苦味和异味评分较低。主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）和相关网络热图分析显示，MFUS 处理的样品在多维质量空间中聚类紧密，且与抗氧化活性、理化质量和风味保留存在显著正相关。值得注意的是，(MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理的能耗为 88.68 kW·h·kg?1，略高于对照组和 SFUS-VFIR 处理。这些发现为 Cornus officinalis 的质量优化、节能干燥和高值化利用提供了科学依据和技术参考。

本研究通过系统的实验设计，评估了不同干燥方法对 Cornus officinalis 的影响。实验材料选用中国陕西省汉中市佛坪县的天然成熟果实，经过清洗、蒸煮、冷却、去核和抗氧化溶液浸泡等预处理步骤，确保样品的均匀性和代表性。随后，将样品均匀铺放在不锈钢托盘上，进行不同干燥方式的处理。实验分为对照组（仅 VFIR）、单频超声波辅助 VFIR（SFUS-VFIR）和多频超声波辅助 VFIR（MFUS-VFIR）三种处理方式。其中，MFUS-VFIR 采用 20/28/40 kHz 的三频组合，通过多个换能器的同步激发实现共振叠加，提高声场的均匀性和能量传递效率。所有实验参数均严格控制，确保实验结果的可比性和科学性。

在干燥过程中，研究者关注了水分含量（MC）和干燥速率（DR）的变化，以评估干燥效率。结果表明，应用 MFUS 后，干燥时间显著缩短，干燥速率明显提高。例如，在 20 kHz、28 kHz 和 40 kHz 的 SFUS-VFIR 处理中，干燥时间分别减少了 120 分钟、150 分钟和 210 分钟，干燥速率分别提升了 15.38%、19.23% 和 26.92%。这些结果表明，超声波有效促进了水分迁移，从而提高了干燥效率。这种增强主要归因于超声波传播过程中产生的空化、微流和微尺度扰动。空化泡的坍塌释放局部高能，诱导瞬时剪切力和压力波动，从而松动细胞壁，增强细胞间连接，促进更连续的内部水分扩散通道形成，减少水分迁移阻力。

在能耗方面，研究者发现，虽然将 VFIR 与超声波结合会增加整体能耗，但不同频率组合之间的能耗存在显著差异。这主要由于声能分布、传输效率以及声学效应与热质传递之间的相互作用。在 (MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理下，能耗降至 88.68 kW·h·kg?1，低于某些双频模式，与中高频率单频处理相当。这归因于 MFUS 在 Cornus officinalis 中产生的更均匀的空化和微扰动效应，避免了单频或相近频率下可能产生的能量冗余和热损失。因此，热质传递更为高效，导致单位能耗的适度降低。然而，尽管 MFUS 能够提高干燥速率和质量保留，其节能性能仍需进一步优化。未来的研究应关注声场调控、能量传递路径以及热质交换的时空动态，以实现效率、质量控制和节能的协同优化。

颜色作为 Cornus officinalis 干燥质量和感官接受度的关键指标，反映了结构完整性和与色素相关的生物活性成分（如多酚、类胡萝卜素和花青素）的保留情况。研究发现，控制组的亮度（L*）值最低（25.38 ± 2.89），表明在无超声波辅助的情况下，干燥过程中因长时间暴露于高温和高湿环境，导致热积累和表面氧化，从而引起颜色变暗。而在双频组中，28/40 kHz 的 L* 值提高至 31.44 ± 2.97，而三频组（20/28/40 kHz）的 L* 值达到 32.45 ± 3.04，显著高于其他处理方式（P < 0.05）。这表明 MFUS-VFIR 不仅延缓了褐变，还适度增强了红色饱和度，保留了果实的天然色度。这一效果可能与多频声场诱导的均匀微扰动有关，促进了花青素的稳定释放并减少了局部过热。不同组别之间的 b* 值差异较小，但 MFUS 维持了更高的黄色饱和度，表明其在保留黄酮类和类胡萝卜素色素方面表现良好，这与后续的理化测量结果一致。总色差（ΔE）反映了干燥过程中的整体色度变化，其趋势与 L* 相似。类似的结果在菠萝片的多频超声波处理中也有报道，这归因于多频模式下累积的声能触发了复杂的空化动态，增强了细胞间的质量传递，从而促进了色素的稳定保留。此外，加速的干燥速率减少了总干燥时间和高温暴露，限制了氧化和酶促反应的发生，因此 MFUS-VFIR 处理后的样品表现出更优的颜色品质。

总类胡萝卜素（TCC）和维生素 C（AAC）作为热敏性和易氧化的营养成分，是 Cornus officinalis 营养价值和商业价值的重要指标。研究显示，不同干燥条件对这两种成分的保留有显著影响（P < 0.05），强调了工艺参数在保持功能成分稳定性中的关键作用。在 (MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理下，TCC 保留率最高，达到 17.09 ± 1.01 μg/g，比对照组和 SFUS-VFIR 分别提高了 1.32 倍和 1.17–1.29 倍。类胡萝卜素在脱水过程中的降解主要由热氧化、光诱导分解和脂质过氧化引起。尽管 VFIR 能够提供有效的体积加热，但长时间暴露于高温和高湿环境可能会破坏组织完整性，加速类胡萝卜素的损失。相比之下，超声波促进了内部和外部组织之间的水分梯度形成，有利于表面结皮的形成，从而限制氧气接触和自由基的产生，减少热敏性成分的降解。此外，空化引起的微湍流可能在类胡萝卜素的酯键和环状结构周围形成物理屏障，间接增强分子稳定性。在双频组中，TCC 的保留率差异不大（P > 0.05），范围在 15.49 ± 0.86 到 16.48 ± 0.62 μg/g 之间。这可能与双频超声波在不同频率下的空化阈值和强度不同有关，其耦合增强了空化泡的动态复杂性，维持了高强度空化并减少了声能的快速衰减。

维生素 C 在样品中的保留率在不同干燥条件下存在显著差异。在 (MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理下，维生素 C 保留率最高，达到 8.54 ± 0.40 mg/g，显著高于其他处理方式。这可能归因于多频超声波在促进质量传递和热传递方面的协同效应，降低了热敏性成分的降解风险。此外，多频声场的非稳态特性在细胞间空间和膜结构附近引发局部能量释放，扰动酶系统和金属离子的动态平衡，抑制了自由基链反应的传播速率，有助于维持羟基和不饱和键的还原状态，从而增强整体抗氧化能力。值得注意的是，尽管 MFUS 能够显著提升抗氧化能力，但其在实际应用中的能耗仍需进一步优化。因此，未来的研究应关注声场参数调节、能量利用路径以及热质交换的时空分布，以实现干燥效率、质量保持和节能的综合优化。

在感官属性方面，Cornus officinalis 的感官质量包括颜色、外观、质地、风味（酸味、苦味）和整体感官评分。干燥过程对这些属性有显著影响，特别是热敏性成分容易降解，组织结构容易受损，因此工艺选择直接决定了最终产品的感官质量。感官评价结果显示，对照组的样品表现出明显的质地硬化、颜色变暗和苦味增强，整体接受度评分仅为 6.0。相比之下，SFUS-VFIR 组的样品颜色更加均匀（评分提高至 6.0–7.0），且苦味和异味得到缓解。然而，其质地评分仍然较低（5.5–6.0），这可能与局部声学增强不均匀和结构破坏集中有关。双频处理显著提高了外观完整性和质地评分（6.2–6.8 和 5.5–6.0），形成了更自然的红褐色调和适度的咀嚼感，同时显著降低了苦味并平衡了酸味，从而改善了整体风味的和谐性。其中，28/40 kHz 组的样品整体接受度达到 8.0，显著高于 SFUS-VFIR 和对照组（P < 0.05）。这可能是因为 MFUS 在表层和内部组织的协同增强，加速了挥发性异味化合物的释放，同时保留了酸味和芳香成分的天然风味。此外，MFUS-VFIR 提高的干燥均匀性有助于抑制表皮褐变和果肉过度失水，从而维持颜色稳定性和质地一致性。MFUS-VFIR 处理的样品整体接受度评分最高（8.50 ± 0.15），略高于双频组（7.2–8.0），而对照组的评分最低。这表明 MFUS-VFIR 在减少苦味和异味评分方面表现出色，其效果可能归因于三频超声波在干燥过程中诱导的非稳态扰动环境，有助于保持关键风味活性分子的稳定性，特别是热敏性有机酸和芳香化合物，从而保留 Cornus officinalis 的天然风味并抑制异味的形成。

通过主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA），研究者进一步揭示了不同干燥条件下样品特性的差异和相似性。PCA 结果显示，PC1 和 PC2 共同解释了总方差的 88.6%。PC1 主要由总多酚、总黄酮、FRAP、可溶性固形物、morroniside 和有机酸驱动，反映了抗氧化能力和颜色与风味成分的富集情况。PC2 则主要受颜色差异值的影响，显示出颜色与结构稳定性的内在关联。分析表明，(MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理的样品在 PC1 和 PC2 的正象限中聚类，表现出与质量提升相关的变量强重叠。相比之下，单频处理和对照组则偏向于负象限，显示出在多维质量性能上的某些劣势。双频处理，特别是 28/40 kHz 和 20/40 kHz 组，也在 PC1 的正区域聚类，但其在 PC2 上表现出一定的变化，这可能反映了结构稳定性和原生生物活性成分保留方面的差异。

相关网络热图分析进一步揭示了 Cornus officinalis 理化性质参数之间的内在联系，为理解其质量形成机制提供了数据支持。总体来看，大多数参数表现出显著的相关性和强耦合，表明 Cornus officinalis 在干燥过程中的理化性质变化并非独立发生，而是相互协同或限制的。在热图中，青色表示负相关，粉红色表示正相关。感官属性网络热图显示，干燥后 Cornus officinalis 的整体可接受性与抗氧化能力、原生生物活性成分和有机酸呈显著正相关。具体而言，morroniside、loganin、cornuside、ursolic acid 和 oleanolic acid 与整体可接受性有显著正相关（P < 0.05），表明黄酮类和三萜类化合物在赋予干燥产品特征风味和口感方面起着关键作用，可能通过增强水果香气和平衡酸味与涩味来改善整体感官体验。值得注意的是，四种有机酸中，柠檬酸对整体可接受性和味道无显著影响（P > 0.05），这与 Zang 等人在樱桃中的研究结果不同，可能与 MFUS 在脱水过程中优化能量分布有关。此外，抗氧化性能网络热图揭示了总多酚、总黄酮和花青素等活性成分与抗氧化能力指标（如 DPPH、ABTS 和 FRAP）之间存在显著正相关（r > 0.85，P < 0.05），表明 Cornus officinalis 的抗氧化活性主要来源于多酚和黄酮的协同作用。

本研究的结论表明，结合 CMC-Na 涂层和 MFUS-VFIR 干燥技术能够显著提升 Cornus officinalis 的热质传递效率和质量稳定性。MFUS，尤其是 (MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理，促进了干燥过程中内部微孔网络的均匀扩展，减少了表面裂纹，有效保留了关键的天然生物活性成分和固有颜色完整性，实现了优越的感官可接受性和风味平衡。与 SFUS-VFIR 相比，(MFUS-VFIR)-20/28/40 kHz 处理显著提升了总多酚、总黄酮、可溶性固形物、总类胡萝卜素、维生素 C、DPPH、ABTS 和 FRAP 的保留率，分别提高了 20.48–42.41%、29.39–45.17%、36.23–41.01%、17.30–29.37%、40.69–50.62%、21.20–34.74%、25.56–51.37% 和 51.28–71.40%。此外，双频超声波处理对 Cornus officinalis 中生物活性成分的保留也表现出积极影响，特别是在 28/40 kHz 条件下，颜色保留和整体质量稳定性更为优异。PCA、HCA 和相关网络热图分析表明，MFUS 处理的样品在多维质量空间中聚类紧密，且与抗氧化能力和理化参数存在显著正相关。值得注意的是，该技术的能耗略高于 VFIR 和 SFUS-VFIR 处理，因此未来的研究应聚焦于 MFUS 在声场参数调控、能量利用路径及其对热质传递时空分布的影响，以实现干燥效率、质量保持和节能的协同优化。本研究为 Cornus officinalis 的节能干燥工艺优化、精准质量控制和工业化应用提供了理论依据和技术支持。