综述：用于食品干燥的生物原料预处理传统与非传统方法

《Foods》：Traditional and Non-Conventional Methods of Pre-Treatment of Biological Raw Materials for Drying Food

　　

干燥前的预处理是食品加工中的关键阶段。本综述重点介绍了传统和创新预处理方法，聚焦于其在细胞和组织水平上的作用机制。本文探讨了在多种应用中具有显著前景的创新技术以及广泛认可的方法论，包括冷等离子体（cold plasma）、超声处理（ultrasonication）、脉冲电场（pulsed electric fields）、高压加工（high-pressure processing）、UV-C光（UV-C light）、脉冲光（pulsed light）以及涂覆技术（coating techniques）。研究论述了作为传质屏障的生物组分，这些组分显著影响水分蒸发效率。理解这些相互作用对于优化干燥过程和提升干制食品质量至关重要。分析了影响结果的关键预处理参数，这些参数必须根据生物材料的特定特性进行调整，通常需要个体化的调整方案。每种方法均依据加速干燥、微生物净化、酶灭活以及活性成分保留等目标进行评估，强调了针对性优化方法的必要性。基于生物材料的结构和外皮特征，提出了将其分为不同类别的分类方案。研究概述了针对每种材料类型和预处理目的的有效方法论。本分析还纳入了经济视角，考虑了实施所提方法的初始投资和运营成本。

1. 引言

干燥的经济可行性与产品质量取决于对影响干燥结果参数的理解。高干燥速率可通过增大驱动力（物料表面与周围环境的水蒸气压差）或最小化水分迁移阻力实现。总传质阻力由物料内部水分扩散阻力和水蒸气向环境渗透的阻力两部分组成，后者在蒸发初期尤为关键，可通过干燥器操作参数调节。第二干燥期的主导阻力是物料内部水分向蒸发面扩散的阻力，受化学组成、结构（孔隙率、孔径分布、水分结合方式、形状尺寸、细胞膜及表皮存在与否）等因素影响。细胞膜的存在是限制传质的重要因素，其生物学功能是调控细胞含水量并防止过度失水。因此，有效预处理需破坏细胞膜并构建适宜的结构框架以优化干燥。

预处理和干燥过程中会发生诸多品质变化。切割或损伤物料会释放酶并触发防御反应，导致褐变或组分降解。高温、高水分活度及氧气接触可能进一步导致微生物生长和挥发性风味物质损失。

预处理旨在实现：缩短干燥时间、改善视觉品质（如灭活多酚氧化酶polyphenol oxidase, PPO）、增强感官品质、维持或提升营养价值、改善功能性（如复水性）、降低能耗以及提高食品安全性。

原材料特性（化学组成、表皮、细胞膜、气隙及整体结构）显著影响水分传输。选择有效的预处理方法和参数时必须针对具体物料进行定制。

本研究对干燥前食品预处理方法进行了详细分析，旨在确定影响固体产品加工方法选择的关键因素。传统与新颖处理方法可分为机械、物理化学、化学、热和非热几类。研究总结了预处理机制及其对干制食品关键品质属性（如营养素和生物活性化合物保留、颜色和质地改善、复水特性等）的影响，并分析了通过预处理减少干燥时间和能耗的策略。研究人员采用系统性综述方法，利用Scopus和Web of Science数据库，覆盖1998至2026年文献，检索关键词包括‘预处理’、‘干燥’、‘化学方法’、‘物理化学方法’、‘热方法’、‘机械方法’以及冷等离子体、脉冲电场、渗透脱水、超声波、高压、酶法预处理、欧姆加热、辐射、UV-C光、脉冲光和二氧化碳处理等具体技术。

2. 干燥前的传统预处理

最常见的传统方法包括切片、热烫、保护液浸泡和冷冻。

2.1. 机械处理

物理预处理（如切割、分级、磨蚀）可缩短干燥时间和能耗。针状微穿透法在果皮上制造孔隙，破坏表皮完整性并部分破坏细胞膜，促进水分迁移。该方法可有效替代传统化学干燥技术。磨蚀处理可去除或破坏蜡质层，显著减少干燥时间，但可能导致酶促褐变加剧。切割增加传质表面积，但过细研磨会导致细胞液渗漏和营养损失。然而，果皮磨蚀和针刺法因劳动强度大且成本高，在工业规模上不切实际，可能更适合低吞吐量的小型企业。

2.2. 热处理——热烫

热烫的主要目标是灭活引起腐败的酶、降低微生物负荷、软化组织并消除细胞内空气。热水热烫（70-100°C）可能导致水溶性营养素浸出，并对质地和微观结构产生不利影响。蒸汽热烫有助于保留水溶性矿物质和营养素，但可能发生不可逆的品质变化，特别是组织软化。是否采用热烫应基于实证研究决定。

2.3. 物理化学和化学处理

化学预处理涉及将物料浸入含有渗透剂、碱、酸或硫基化合物的溶液中。渗透脱水利用高渗溶液实现三向质量交换，可使水分含量减少10-70%，从而缩短后续干燥时间并更好地保留颜色和营养物质。硫化处理利用二氧化硫（SO₂）或其盐类的抗菌、抗褐变和抗氧化特性，但残留物可能引发健康问题。碱液浸泡（如NaOH、K₂CO₃）可溶解或破坏外层蜡质层，但可能导致抗坏血酸降解。柠檬酸处理可抑制褐变并改变果胶结构，加速干燥。传统方法虽能缩短干燥时间，但可能导致化学物质吸收、营养价值和复水能力下降。

3. 干燥前的非传统处理方法

现代加工强调设计产品质量。预处理方法应在低温下进行以减缓化学反应速率，并在严格控制条件下防止细胞内液泄漏。

3.1. 微波热烫

微波热烫（MWB）利用电磁波使水偶极子旋转摩擦生热，均匀加热物料，实现快速酶灭活和组织结构破坏。与传统热水热烫相比，MWB可缩短干燥时间、提高效率、增强营养保留并保持物料孔隙率。但高功率和长时间处理可能导致过热和品质劣化。主要缺点包括工艺控制困难（电磁场不均匀）和微波穿透深度有限。

3.2. 过热蒸汽冲击热烫

过热蒸汽冲击热烫（SSIB/HHAIB）结合了过热蒸汽和冲击技术，具有高热焓和传热系数。高速蒸汽冲击消除了物料表面的水边界层，并通过冷凝传递潜热，随后水分从物料蒸发到蒸汽中。该技术可诱导果皮形成微裂纹，增强膜通透性并抑制酶促褐变，从而缩短干燥时间并获得高质量产品。然而，其工业应用受限于高运行成本、复杂的设备设计和均匀加热的挑战。

3.3. 高压加工

高压加工（HPP）通过在柔性包装中对物料施加高压（20-1000 MPa）来破坏细胞膜，主要在卸压阶段造成细胞破裂。这增加了膜通透性和水分流动性，可将干燥时间缩短多达40%。低分子量化合物（如风味物质、色素和维生素）在HPP处理中得以保留。HPP还可修饰果胶和多糖，形成更松散的结构，降低传质阻力。对质地的影响因物料而异。HPP也用于灭活微生物和酶。多脉冲HPP（mpHPP）可在较低压力下实现更好的效果。

3.4. 欧姆加热

欧姆加热利用交流电流通过食品产生的体积热。离子运动碰撞生热，导致电穿孔和组织基质软化。该技术可缩短干燥时间、保留生物活性化合物和颜色，并可作为比传统热烫更高效环保的替代方法。电压梯度和频率影响干燥速率。然而，控制复杂物料的温度存在困难，且水电解产生的氢气和氧气可能导致品质下降。

3.5. 脉冲电场

脉冲电场（PEF）技术利用短时电脉冲改变细胞膜结构，产生可逆或不可逆的孔隙，降低传质阻力。PEF的效果取决于电场强度（E）、脉冲数、宽度和频率。为实现干燥加速，通常需要不可逆电穿孔。PEF可显著缩短干燥时间（如马铃薯27%、洋葱30%、罗勒57%），并可提高微生物纯度和提取效率。负面影响包括质地劣化和不良颜色变化。高初始成本是其工业应用的主要障碍。

3.6. 超声波

超声波（US）通过机械波在物料中产生海绵效应和空化效应，形成微观通道，促进细胞液泄漏。低频（20-100 kHz）产生强空化作用，适合细胞破碎；高频则有利于自由基形成。超声处理可大幅提高干燥速率，但对生物活性化合物的影响具有双重性：一方面可促进酚类物质释放，另一方面空化产生的自由基可能加速维生素C等组分的氧化。超声效果受频率、功率、探头几何形状、液体高度和温度等多种因素影响，需针对具体应用优化参数。

3.7. 红外辐射

红外辐射（IR）热烫主要用于灭活酶（如PPO和过氧化物酶peroxidase, POD），以防止褐变。红外能量被物料中的水强烈吸收，直接转化为热能，具有高热效率和快速处理的特点。与热水热烫相比，红外热烫能更好地保留颜色、结构和维生素C，并缩短干燥时间。但某些情况下（如马铃薯）可能导致表面淀粉糊化形成硬壳，反而减慢干燥速率。

3.8. UV-C光与脉冲光

UV-C光（200-280 nm）主要用于食品表面消毒。高强度脉冲紫外光（HIPL）发射宽光谱短脉冲，能量被组织吸收后导致局部水分蒸发和细胞破裂。预处理可减少干燥时间，并有助于保留维生素C和类胡萝卜素，但可能降解光敏性维生素（如B₆）。脉冲光处理还可通过抑制酶活性来减少褐变。

3.9. 冷等离子体

冷等离子体是一种非热预处理技术，通过电离气体（如空气、氩气）产生活性氧和氮物种。处理后的物料干燥更快，归因于有效水分扩散率的增加和微观结构的改变（微孔形成和表面疏松）。冷等离子体可减少类胡萝卜素和酚类物质的降解，增强抗氧化能力，并降低PPO和POD活性。然而，过长的处理时间可能导致不良的颜色变化。