共振声板联合红外辐射加速近冻结温度下食品干燥的设计与评估

为解决低温干燥效率低与食品品质难以兼顾的难题，研究人员开发了基于共振原理的超声振动声板（US）耦合红外辐射（IR）系统，在近冻结温度（-5至5?°C）下加速苹果片干燥。实验表明，US+IR组合使干燥时间缩短54.7%，且未显著影响色泽、抗氧化活性（AA）等品质指标，为工业低温干燥提供了高效节能新方案。

　　

研究背景与意义
食品干燥是延长保质期的关键工艺，但传统方法面临两难困境：高温导致营养流失，低温则效率低下。以苹果为例，热风干燥（HAD）虽快但易引发褐变，真空冷冻干燥（VFD）品质佳却成本高昂。更棘手的是，近冻结温度（-5至5?°C）虽能最大限度保留活性成分，却因水分迁移阻力大而鲜少应用。如何突破这一“低温慢干”瓶颈？悉尼大学的研究团队独辟蹊径，将声学共振与红外物理场耦合，在《Innovative Food Science》发表了一项革新性解决方案。

关键技术方法
研究通过COMSOL Multiphysics模拟铝板共振模态，设计多换能器-变幅杆（BLTs）系统激发驻波，结合红外辐射（3–1000?μm）协同作用。以氮气为干燥介质，对比不同US功率（0–100?W）、IR功率（0–200?W）及温度（-5–5?°C）下苹果片（2/4?mm厚）的干燥动力学，并分析色泽、抗氧化活性（AA）、复水率等16项指标，与HAD（40?°C）和VFD进行横向对比。

研究结果

1. 共振系统优化
   通过5变幅杆布局将电声转换效率提升至93.5%，阻抗降至24?Ω。Chladni图案验证驻波节点分布，声能通过食品-金属界面高效传导，突破传统气载超声（仅20%效率）局限。

2. 干燥动力学
   单一US（100?W）和IR（200?W）分别缩短干燥时间31.6%和47.5%，而US+IR组合实现54.7%的突破性降幅。近冻结温度下，5?°C干燥速率显著快于-5?°C（p<0.05），但均未引发冰晶损伤。

3. 品质评估
   US-IR处理组的L^*值（亮度）达82.3±1.2，优于HAD（76.5±2.1）和VFD（80.1±1.8）。AA（DPPH法）和总多酚（TPC）保留率超95%，复水后硬度（12.5±0.8?N）与鲜样无统计学差异（p>0.05）。

4. 工业适用性
   该技术单位能耗较HAD降低37%，且无需真空设备。氮气环境抑制了多酚氧化酶活性，褐变指数（ΔE<3）达商业即食食品标准。

结论与展望
这项研究首次证实共振声板可定向增强近冻结温度下的传质效率，其“物理场协同-低温保护”双机制为功能性食品（如冻干果蔬脆片）加工提供了新范式。专利技术（PCT/AU2024/051307）已进入产业化阶段，未来可拓展至高值药材、益生菌等热敏感材料干燥领域。值得注意的是，研究团队特别声明使用ChatGPT辅助语言润饰，但所有实验设计与数据分析均保持学术独立性，这一做法为AI时代科研诚信提供了参考样本。