超声波-热泵联合干燥黄豆种子特性分析

余 飞 杨 昭 杨宗豫

(天津大学 机械工程学院，天津 300350)

黄豆(Glycine max)，是一种种子含有丰富蛋白质和脂肪的豆科植物，也是目前世界上最重要的油料作物之一[1]。我国是黄豆的主要消费国，2017年消费量超过1.1亿t，位居世界首位。而一般新收获的种子水分高达25%～35%，高水分会加强种子呼吸作用导致其发热霉变[2]，每年都会有大量的黄豆种子因干燥不及时而导致霉变，所以必须及时干燥，把种子含水率降到安全水平以保证种子活力和安全贮藏。

目前，用于种子、果蔬等物料的干燥技术主要包括对流干燥、热泵干燥、超声辅助热泵干燥等。其中，对于种子、果蔬中的热敏性物料，传统对流干燥方式对物料长时间高温干燥后，其干燥产品的风味，颜色和营养成分会受到严重损害，导致干燥产品质量降低[3]。而热泵干燥可以较精确地控制干燥箱内温湿度条件，具有环境友好、干燥产品质量较高的特点[4]，但为了保证物料干后质量而采用低温干燥方式会导致干燥时间延长。而超声波是一种机械振动波，在物料内部能够产生空化作用和机械效应，从而可以提高水分的扩散与迁移[5]。因而国内外很多学者提出，将超声波技术应用于热泵干燥，弥补热泵低温干燥的不足。刘云宏等[6]通过研究接触式超声波强化热风干燥苹果片，发现超声有利于加快物料内部传质过程并且干燥速率随超声波功率的增大而增大。孙悦等[7]探究不同超声波功率对紫薯热风干燥特性以及品质的影响，发现应用超声波可以有效降低水分扩散阻力并且在低温下增大超声波功率可以提高其总酚和总黄酮的含量。Jambrak等[8]选择蘑菇、甘蓝和菜花为试验材料，在干燥前进行不同频率与时间的超声波预处理，发现与未处理的物料相比，不仅干燥时间缩短了，复水性能也显著提高了。Garcia-Perez等[9]研究超声波对橘子皮干燥过程的影响，发现采用功率为45、90 W的超声波，与不加超声波相比，能够分别减少约30%和50%的干燥时间。

相比于大多数的果蔬干燥，种子在干燥过程中不仅要考虑其食用营养质量，还要维持其生命活性。活性氧(reactive oxygen species，ROS)对种子生命活力具有重要的影响，在种子新陈代谢过程中会不断产生，其中丙二醛(malondialdehyde，MDA)作为ROS的产物之一被认为是有毒物质，对细胞膜和蛋白质等物质会造成较大的破坏[10]，并且ROS的不断积累会对种子产生氧化胁迫，最终导致种子的劣变。而在长时间进化过程当中，种子内部形成了抗氧化酶系统，具有清除ROS的能力；该酶保护系统主要由超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)组成，其中SOD是调节活性氧自由基和过氧化物含量的重要酶之一，它将两个超氧自由基催化为H2O2和氧气，然后通过CAT和POD进行清除[11]，从而将ROS保持在稳态水平[12]。

已有研究主要集中在超声波强化果蔬类物料的热风干燥，关于超声波对农产品种子的干燥特性以及生命活性的影响鲜见报道。本研究拟以黄豆种子为试验材料，探究超声参数和干燥温度对种子干燥动力学特性、抗氧化酶活性和发芽特性的影响，以期获取较优的干燥工艺参数，为超声波与热泵联合干燥技术在种子加工工艺中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄豆种子(中黄25)采购于天津当地农贸市场，在干燥试验之前将其密封储存在4.0±0.1 ℃的冰箱中。种子初始干基含水率为32%，含水率采用以下方法测定：先用微型植物粉碎机将种子搅碎成3份粉末，每份5 g豆粉，然后放入温度设定为105 ℃的电热鼓风干燥箱中，烘干至恒质量。

1.2 仪器与设备

超声波与热泵联合干燥设备由天津大学先进制冷与热泵实验室研发，具体结构见参考文献[13]。DGG-101-2SB型电热鼓风干燥箱(天津科学仪器设备有限公司)，FZ-102型微型植物粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)，JA5003型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)，THD-M1系列超声波装置(深圳科美达超声波有限公司)，GL-16G-II型高速冷冻离心机(上海安亭仪器厂)，752N型紫外分光光度计(上海精密仪器科学有限公司)，DK-98-IIA型电热恒温水浴锅(天津市泰斯特仪器有限公司)。

1.3 方法

1.3.1试验方法

在干燥试验12 h前从冰箱中取出黄豆种子放置于室温环境，试验时当干燥箱内干燥空气的温度稳定之后，将种子以单层均匀的形式平铺在物料托盘中，然后把装有样品的托盘直接放在超声波换能器上进行联合干燥试验。由于高温会对种子的生命活性造成较大的破坏[14-15]，本研究选取空气干燥温度分别为28、32、36和40 ℃；同时为研究大范围内超声波功率的影响，采用超声波的功率分别为0(未加入超声波)、50、100、150和200 W，频率固定为28 kHz；其中0 W为对照组，其他组为试验组。本试验总干燥时间为420 min，在干燥过程中每隔 15 min 将样品从干燥箱中取出称重1次，此操作不超过15 s。

1.3.2干燥动力学参数计算

本试验采用干基含水率(后面的含水率皆为干基)随时间的变化曲线来描述黄豆种子的干燥过程，其计算公式如下：

(1)

式中：Mt为种子的含水率，g/g；Wt为种子在任意时刻t的湿重，g；W为种子的干重，g。不同干燥时间黄豆种子的水分比MR由式(2)计算得到：

(2)

式中：M0为初始含水率，g/g；Me为平衡含水率，g/g。对于球形黄豆种子，干燥过程的水分扩散系数可由费克扩散方程求解：

(3)

式中：Deff为有效水分扩散系数，m2/s；r为种子平均半径，m；t为干燥时间，s。式(3)取对数形式可得到以下表达式：

(4)

通过对ln(MR)与t的线性回归得到的斜率k，从而求出黄豆种子在整个干燥过程的有效水分扩散系数Deff。

1.3.3SOD活性

采用氮蓝四唑法(NBT)进行测定干燥后黄豆种子的SOD活性，并略有一些改进。取0.3 g粉碎后的豆粉与5 mL浓度为0.1 mol/L，pH为7.0～7.4的磷酸盐缓冲液混合，在冰水浴下研磨至匀浆，然后离心20 min取0.02 mL上清液进行酶液测定，分别取T-SOD盒中的试剂一1 mL、试剂二0.1 mL、试剂三0.1 mL和试剂四0.1 mL依次加入酶液中，混合均匀后置于37 ℃恒温水浴中40 min，之后加入2 mL显色剂混匀室温放置10 min，最后于550 nm处测定其吸光度。以反应液中SOD抑制率达到50%时所对应的SOD量为1个 SOD活性单位，U/g。

1.3.4POD活性

应用愈创木酚法进行测定，具体方法步骤参见参考文献[16]。

1.3.5CAT活性

使用紫外吸收法进行测定，具体方法步骤参见参考文献[16]。

1.3.6丙二醛(MDA)含量

采用硫化巴比妥酸法进行测定，具体方法步骤参见参考文献[16]。

1.3.7种子发芽指标

将干燥后的黄豆种子用去离子水浸泡10 min，之后将其放入发芽盒(11 cm×17 cm×7 cm)中的两层完全湿润的发芽试纸之间，然后把发芽盒放入20 ℃的电热鼓风干燥箱中，测试进行5 d，试验期间按需加入去离子水并每天统计发芽个数，当胚根的尖端突破了种皮则认为发芽[17]。试验以50粒种子为1组，共3组。发芽率(GP)、平均发芽时间(MGT)和发芽指数(GI)，分别指的是种子发芽的数量、发芽的平均时间以及发芽速率，计算公式如下：

GP=Gn/G

(5)

MGT=∑Gt×Dt/Gn

(6)

(7)

式中：Gn为5 d内发芽总数；G为测试种子的总数；Gt为发芽试验开始后第t天的发芽数；Dt为对应发芽天数。

1.4 数据分析

干燥动力学试验、发芽试验与酶活性测定中每组均重复3次，作图及数据分析均选用平均值。试验数据采用Excel 2010、Origin 9.1和SPSS 22.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 干燥温度对黄豆种子干燥动力学的影响

超声波功率分别为0(未加入超声波)、50、100、150和200 W时，不同干燥温度下黄豆种子的干基含水率随时间的变化见图1。当干燥时间相同时，升高温度可以使种子的最终含水率显著降低。在28 ℃时,超声波功率分别为0、50、100、150和200 W，种子干燥420 min后的含水率分别降为22.47%、19.99%、16.79%、15.96%和15.26%；当以此含水率为最终含水率时，在相应的超声波功率条件下，当温度提高至40 ℃时所需的干燥时间分别为76、115、198、196和203 min，分别缩短了81.90%、72.62%、52.87%、53.33%和51.66%。可见，在同一超声波条件下升高干燥温度能够显著加快干燥速率，缩短干燥时间，这是因为温度的提高增大了从干燥介质到物料的热流量，加强了水分的扩散，从而提高了干燥速率[18]。在一些相似的研究中，Doymaz等[19]在干燥绿豌豆时将温度从55 ℃增大到65 ℃，发现干燥时间可减少16.7%～27.8%；Sharayei等[20]在干燥藏红花瓣的过程中将干燥温度从40 ℃升高到60 ℃，干燥时间减少了83.70%。同时对比5个干燥曲线发现，随着超声波功率的增大，干燥温度对黄豆种子干燥特性的影响逐渐减小，升高温度使干燥时间缩短的幅度也逐渐减少，尤其是在超声波功率增强至100 W后，干燥温度提高所提升干燥速率的幅度要显著小于0和50 W的干燥条件。

图1 同一超声波功率(P超)下温度(T)对黄豆种子干燥曲线的影响Fig.1 Drying curve of soybean seed at different drying temperatures under the same ultrasonic power

2.2 超声波功率对黄豆种子干燥动力学的影响

图2示出4种相同干燥温度下超声波功率对黄豆种子干燥曲线的影响。可见，与未加入超声波(0 W)的对照组相比，超声波-热泵联合干燥使种子含水率下降得更快，并且除去的水分含量随超声波功率的提高而提高。在干燥温度分别为28、32、36和40 ℃，种子干燥420 min后的含水率分别降为22.47%、19.22%、15.13%和12.86%。以此含水率为基准，28 ℃时超声波功率为50、100、150和 200 W 的试验组所需干燥时间分别为215、131、116和101 min，相比对照组分别缩减了48.81%、68.81%、72.38%和75.95%；32 ℃时，试验组的干燥时间分别缩短为261、187、169和156 min；36 ℃时试验组干燥时间分别缩短至338、300、268和246 min；40 ℃时试验组干燥时间分别缩短至396、350、305和287 min。

超声波的加入也能够显著加快黄豆种子的干燥速率。这一方面可能是由于高频超声波的空化作用，在物料内部会产生大量的空化泡并随即爆破，并且空化泡爆破的瞬间会在局部微小区域内产生极大的高温高压，并且会伴有强烈的冲击波和高速微射流[21-22]，其中冲击波可以使水分子发生湍流扩散，并且靠近物料中干物质表面产生的微射流能够使水分子与干物质表面分子间的结合键断裂，非常有利于除去与干物质结合紧密的水分，从而加快了水分的扩散；另一方面是因为超声波的机械效应，会使物料内部组织持续发生压缩和拉伸现象[23]；这些效应可以提高物料内部水分的湍动和水分子的能量，减小与质壁间紧密的水分附着力[24]，因而提高了水分的扩散能力，加快了干燥速率。同时对比4个干燥曲线图能够看出，随着干燥温度的提升，超声波功率对黄豆种子干燥特性的影响逐渐减小，增大超声波功率使干燥时间缩短的幅度也逐渐减小，尤其在干燥温度提升至36 ℃之后，超声波功率提高所提升干燥速率的幅度要显著小于28和32 ℃的干燥条件。

图2 同一干燥温度(T)下超声波功率(P超)对黄豆种子干燥曲线的影响Fig.2 Drying curve of soybean seed under different ultrasonic powers at the same drying temperature

2.3 有效水分扩散系数

有效水分扩散系数Deff是干燥动力学中的一个非常重要的物理量，可以用来量化物料内部水分扩散的能力，并且能够用来说明不同干燥条件对物料干燥过程中水分迁移的影响[25]。图3示出干燥温度和超声波功率对黄豆种子Deff的影响，其变化范围值为3.035×10-11～11.394×10-11m2/s，符合大部分物料水分扩散系数的范围(10-12～10-8m2/s)[26]。在超声波功率为0、50、100、150和200 W时，当干燥温度从28 ℃提高至40 ℃，有效水分扩散系数分别提高了153.0%、97.2%、46.1%、47.7%和47.8%。可见，干燥温度的升高能够显著提高干燥速率。这可能是由于温度的提高能够激活物料内部的水分子，加快水分的扩散，从而提高Deff。从图3中也可以看出，Deff随超声波功率的增大而增大。在28 ℃时，与0 W的对照组相比，超声波功率为50、100、150和200 W的试验组Deff的值分别提高了41.4%、113.1%、134.3%和154.0%；而在40 ℃时4个试验组的Deff却分别只提高了10.2%、23.1%、36.8%和48.4%，这表明超声波功率对Deff的影响会随干燥温度的提高而减小。这可能是因为高温下干燥介质可携带大量的热能，因而超声波的能量相较于总能量较小，进而对水分扩散影响减小[27]。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，图4、5同。The different lowercase in the figure indicate significant differences among titers at P<0.05. The same as Figs.4 and 5.图3 不同干燥条件下黄豆种子的有效水分扩散系数Fig.3 Effective moisture diffusion coefficient of soybean seeds under different drying conditions

2.4 干燥温度和超声波功率对SOD、POD和CAT活性的影响

种子的老化变质会严重影响其质量及产量，而活性氧ROS的累积是造成种子变质的主要原因，种子内部清除ROS的酶主要包括SOD、POD和CAT，它们在不同干燥条件下的变化见图4。

由图4(a)可以看出，SOD的活性随着温度的提高不断下降；与28 ℃相比，在未加超声(0 W)时干燥温度为32、36和40 ℃的SOD活性分别降低了5.1%、11.8%和22.4%，在超声功率50 W时SOD活性分别降低了4.4%、10.9%和22.7%，超声功率100 W时分别降低了4.3%、10.8%和21.5%，超声功率150 W时分别降低了4.8%、11.6%和21.9%，超声功率200 W时分别降低了5.9%、13.8%和26.3%。此外，在超声功率范围0～100 W 时，SOD的活性随超声波功率升高而提高，当功率增加至200 W时，SOD的活性会显著下降(P<0.05)。这表明干燥温度过高或超声功率过大都会对SOD的活性造成不利的影响，并且干燥温度对SOD的活性影响程度要大于超声功率。

图4 不同干燥条件对干后黄豆种子SOD(a)、POD(b)和CAT(c)活性影响Fig.4 Activities of SOD, POD and CAT in dried soybean seeds under different drying conditions

在所有试验条件下，POD的活性随温度的升高先增大后减少，其中在同一超声功率下36 ℃时的POD活性都要显著高于其他干燥温度(P<0.05)(图4(b))。此外，超声波的应用能够显著提升POD的活性；相比于对照组(0 W)，超声功率为50、100、150和200 W时POD的活性在28℃分别提高了74.3%、88.8%、78.9%和53.9%，在32℃分别提高了73.6%、87.2%、49.7%和35.9%，在36 ℃分别提高了28.1%、65.5%、29.3%和23.7%，在40 ℃分别提高了27.8%、61.0%、45.9%和33.5%。可见，超声功率对POD活性的提升会随温度的升高而逐渐降低，其最大值出现在温度为36 ℃且超声功率为100 W的条件下。

图4(c)示出干燥温度和超声波功率对黄豆种子CAT活性的影响。可见，当干燥温度由28 ℃升高至36 ℃时，CAT活性显著提高，而继续升高至40 ℃时，CAT的活性显著降低(P<0.05)；在所有温度范围内与对照组(0 W)相比，加入超声波之后CAT的活性明显提高，并且在超声波功率范围为0～150 W内，CAT的活性随超声功率的升高而提高，但当功率继续增加至200 W时，CAT的活性会明显下降(P<0.05)。与POD不同的是，CAT活性最大值出现在温度为36 ℃且超声功率为150 W的试验组。

在黄豆种子抗氧化防御系统中，适当强度的超声波对酶活性有积极的影响，能够提高酶促反应的效率，但超声波作用机理较复杂，目前关于超声波对种子及其他农产品抗氧化酶影响的研究很少。Chen等[28]研究发现超声波处理过的藻类对ROS活性氧自由基的清除能力以及SOD和CAT的活性均有显著的提高。Safari等[29]研究发现欧榛经超声波处理后其内部SOD和CAT的活性相比对照组分别提高了1.7倍和4倍。

2.5 干燥温度和超声波功率对MDA含量的影响

图5示出不同干燥条件对干燥后黄豆种子MDA含量的影响。可见，随着温度的升高，MDA的含量不断升高，尤其是在36和40 ℃会有显著性提升(P<0.05)；在超声波功率分别为0、50、100、150和200 W时，当干燥温度从28 ℃提升至40 ℃，MDA质量摩尔浓度分别提升了93.5%、105.8%、54.4%、24.6%和20.8%。而在所有试验条件下超声波的应用可以使MDA含量下降，并且在试验温度为36和40 ℃时下降的显著性要明显高于28和32 ℃。MDA是一种在质膜氧化过程中所产生的有毒物质，较高的温度会强化质膜过氧化过程，从而致使MDA含量升高[30]；而在本实验中超声波的应用可以降低MDA含量，可能是由于超声波可以使某些加速质膜过氧化过程的酶失活，从而保护细胞不被MDA破坏。

图5 不同干燥条件对干后黄豆种子MDA含量影响Fig.5 Content of MDA in dried soybean seeds under different drying conditions

2.6 干燥温度和超声波功率对发芽特性的影响

表1示出不同干燥条件对干燥后黄豆种子发芽率(GP)、平均发芽时间(MGT)和发芽指数(GI)的影响。可见，在所有试验条件下，干燥温度的升高都会使种子的发芽率显著性下降，平均发芽时间延长及发芽指数降低(P<0.05)。对照组(0 W)中干燥温度从28 ℃升高至40 ℃，导致发芽率从98.67%降低到69.33%，平均发芽时间从2.51 d延长至3.20 d，发芽指数从22.27降至12.41。这可能是由于高温干燥会破坏种子的内部组织结构和生命必需物质，致使其生命活力的降低，最终表现为发芽率降低以及发芽速率变慢[31]。

由表1还可以看出，在28和32 ℃时超声波的应用对种子发芽率的影响不显著；在36和40 ℃时种子的GP随超声功率的增大先增加后减小，其中100 W超声相比对照组(0 W)GP最高可分别提高10.6%和20.2%。此外在所有试验条件下种子的MGT都会随超声功率的增大先减小后增大，GI随超声功率的增大先升高后降低；当温度为28、32、36和40 ℃时，试验组100 W相比对照组MGT最高可分别缩短15.5%、9.3%、11.1%和7.8%，GI最高可分别提高17.3%、9.1%、20.4%和28%。该结果表明适当强度的超声波有利于提高种子的发芽率，缩短发芽时间和提高发芽指数。这可能主要是由于超声波的空化作用可以使种子的孔隙变大并使种子外壳破碎，提高其吸水能力并促进氧的吸收，从而提高种子的发芽率并缩短种子的发芽周期[32-33]。

表1 不同干燥条件下黄豆种子的发芽率(GP)、平均发芽时间(MGT)和发芽指数(GI)Table 1 The GP， MGT and GI of dried soybean seeds under different drying conditions

3 结 论

随着工业发展对农产品干燥工艺要求的提高，单一的热泵干燥方式很难同时满足高效节能以及干燥品质优良等众多要求，本研究选取黄豆种子进行超声波-热泵联合干燥试验分析。结果表明，干燥温度和超声功率的大小对黄豆种子干燥特性具有较大的影响。在所有试验条件下，当干燥温度从28 ℃升高至40 ℃，干燥时间缩短了51.66%～81.90%；超声波功率从0 W增加到200 W，干燥时间缩短了31.67%～75.95%；有效水分扩散系数Deff的大小随温度的升高与超声功率的增大而增大，其数值范围为3.035×10-11～11.394×10-11m2/s；而过高的干燥温度和较大的超声功率都会使种子的生命活力显著降低，其中包括抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性降低，有毒物质MDA的含量显著增加，种子发芽率降低，平均发芽时间增大以及发芽速率减小。综合考虑，较优的理化特性和发芽特性所对应的干燥条件为：温度范围28～36 ℃，超声波功率范围100～150 W。因此将适当强度的超声波与热泵进行结合，不仅可以缩短干燥时间，加快干燥速率，还可以保证种子的生命活性。