CN110945253B - 干燥工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料的超声波辅助干燥工艺和设备，特别是，但不限于用于热敏材料的低温干燥。特别地，本发明提供含水材料的脱水设备，包括超声波发射器；直接或间接支撑所述材料的超声波传输平台；保留在所述发射器和所述平台之间的流体，超声波能量通过流体传递；以及将干燥气体引导至所述材料的气流装置。本发明还提供了一种含水材料的脱水方法，包括将材料直接或间接地设置于脱水设备的超声波传输平台上，并且在适合实现所述材料所需脱水程度的条件下，将所述材料暴露在超声波能量和干燥气流中适合实现所述材料的所需脱水程度的时间，所述脱水设备包括超声波发射器；保留在所述发射器和所述平台之间的流体，超声波能量通过流体传递；以及将干燥气体引导至所述材料的气流装置。在另一方面，本发明提供一种材料，所述材料经以上方法或设备脱水。

Description

干燥工艺和设备
技术领域
本发明涉及一种用于材料的超声波辅助干燥的工艺和设备，特别是，但不限于用于热敏材料的低温干燥。
背景技术
传统工艺中，食品材料的干燥是一种(在多数情况下)高耗能的作业，该作业通常会给产品的营养特性和功能特性带来显著的变化，主要是由于食品材料暴露于高温环境或长时间的干燥。类似的考虑也适用于其它需要脱水的固体热敏材料，例如精细化学品、药物和其它生物活性剂(例如蛋白质、碳水化合物、肽、核酸、抗体、酶、质粒)、微生物、细菌培养物、农产品、动植物衍生材料等。
出于生产高质量的高热敏性干燥产品的需求，很多干燥技术得以采用。这些干燥系统中就包括利用低于冷冻温度和真空操作压力进行干燥(例如冷冻干燥)。冷冻干燥(也被称作冻干)是一种干燥工艺，其中先将待干燥材料冷冻，然后在减压条件下将冰直接升华(即，直接进行从固体到蒸气的相变)进行干燥。从质量角度来看，冷冻干燥被认为是干燥热敏材料的最佳干燥方法之一。但是，由于所需的设备涉及高资金成本，并且由于高能耗其操作成本也高，因此与其它干燥技术相比，冷冻干燥的成本很高。另外，由于需要分批进行工艺操作，因此与其它干燥技术相比，冷冻干燥的生产能力相对较低(Sabarez，2014；Ratti，2001)。
低于冰点的干燥也可以在大气压下进行，这也被称作常压冷冻干燥(AFD)(Claussen等，2007；Meryman，1959)。这种干燥技术包括向产品中吹入低温和低水蒸气压的空气(作为干燥介质)，以使冷冻材料中的水分在大气压下直接升华。AFD结合了冷冻干燥(高品质)和对流干燥(低成本和连续工艺)的优点，并且由于不需要真空，常压冷冻干燥具有低能耗的优点。因此，该设备相比冷冻干燥更加简单且投资更低，并且由于在大气压下进行作业，因此可以实现连续作业。但是，与真空冷冻干燥相比，在大气压及低温的条件下进行工作导致很低的干燥速率(即，较长的干燥时间)。可以通过超声波(US)的联用，来强化材料在常压下的低温干燥工艺，以克服这些局限性。
多年来，众所周知，由于超声波能量激活的一系列机制，声压波产生的能量能够强化一系列过程，例如热、扩散、机械断裂和化学效应(Gallego-Juarez等，2007)。多项研究表明，超声波的应用在强化食物材料的对流干燥工艺上是高度有效的。但是，超声波对干燥工艺的增强幅度在很大程度上取决于超声波能量传播和传输至待干燥材料的效率。还需要确保超声波辅助干燥在工业级干燥操作中的可适应性。
US专利号6,233,844公开了一种超声波辅助干燥装置，该装置需要将待干燥材料与超声波发射器直接耦合。例如，超声发射板通过电车系统下降并直接与待干燥材料连接。这种方法的缺点是，超声发射板与待干燥材料直接接触，这会使材料可与干燥空气相互作用的表面积最小化，从而导致该技术不适于与常规的空气流动干燥工艺结合使用。
国际专利公开号WO 2013/041750也公开了一种超声波辅助干燥装置和工艺，其中包括一种超声波辐射器，所述超声波辐射器可与待干燥材料直接接触，或通过空气将超声波能量传输至待干燥材料中。当超声波在空气中传播时，能量传输至待干燥材料中的效率很低。当超声波辐射器与待干燥材料直接接触时，很难与常规的空气流动干燥工艺结合使用，而且很难采用分批处理之外的操作。
本发明涉及一种改进方法，应用超声波强化材料的低温干燥，既可以在常压条件下，也可以作为在真空条件下提高材料的干燥效率的一种方式。本发明中，超声能量从超声波发射器通过保留流体(可以是液体或气体或其组合)间接地传输至超声波传输平台和待干燥材料上。在本发明一优选方面，由于声阻抗的不匹配被最小化，本发明可以使超声波有效地传输至待干燥材料中，并且可以与常规的空气干燥和/或冷冻干燥工艺联用进行操作，同时也易于在连续加工中采用。因此，本发明可以显著地节约能源，提高产量(因为干燥工艺可以连续进行)，而且减少了低温干燥的干燥时间，进而可以通过避免或最小热降解来提高产品的质量。
发明内容
本发明的一个实施方案提供了一种用于使含水材料脱水的设备，所述设备包括：
超声波发射器；
超声波传输平台，所述超声波传输平台可以直接或间接地支撑所述材料；
流体，所述流体保留在所述发射器和所述平台之间，超声波能量通过所述流体进行传递；
气流装置，所述气流装置将干燥气体引导至所述材料。
另一方面，本发明提供了一种含水材料的脱水方法，所述方法包括将材料直接或间接地设置于脱水设备的超声波传输平台上，并且在适合实现所述材料的所需脱水程度的条件下，将所述材料暴露在超声波能量和干燥气流中适合实现所述材料的所需脱水程度的时间，
所述脱水设备包括：
超声波发射器；
流体，所述流体保留在所述发射器和平台之间，超声波能量通过所述流体传递；
气流装置，所述气流装置将干燥气体引导至所述材料。
另一方面，本发明提供了一种材料，所述材料经上述限定的方法或设备脱水。
附图说明
下面将参考附图以示例的方式描述本发明：
图1表示本发明的超声波辅助干燥单元/系统的示意图，其中(a)中所示的单元/系统是开放单元，(b)中所示的单元/系统包括壳体。
图2表示超声波辅助干燥系统的穿孔超声波传输平台剖面侧视图。
图3表示超声波辅助干燥系统的穿孔超声波传输平台在另一布置的剖面侧视图。
图4表示上述超声波辅助干燥系统的穿孔超声波传输平台的透视图。
图5表示上述超声波辅助干燥系统的超声波传输平台(无穿孔)的透视照片，显示位于平台上的用于干燥的新鲜苹果环样品。
图6表示上述超声波辅助系统的穿孔超声波传输平台的透视照片，显示位于平台上的用于干燥的新鲜苹果环样品。
图7表示上述穿孔超声波传输平台的分解透视图，其包括上穿孔板(a)和带有干燥气流集成通道的下壳体(b)。
图8表示(a)使用(三角形)或不使用(圆形)超声波进行干燥时，样品中水含量(样品中水的重量百分比)与干燥时间(小时)的关系图；以及(b)使用和不使用超声波的情况下对较早干燥的样品进行再水化时的重量增加百分比与再水化时间(小时)的关系图。该图证明了低温空气干燥下(温度(T)＝40℃；相对湿度(RH)＝15％；干燥空气速度(V)＝1.2m/s)，超声波对苹果切片(5mm厚)(a)干燥动力学曲线和(b)再水化曲线的影响。(超声波(US)条件：超声波平面传输板；功率＝355W；频率＝1000kHz；连续应用；水浴温度＝40℃)；(再水化条件：水中T＝20℃)。
图9表示(a)样品在T1至T4的干燥条件下，其水含量(样品中水的重量百分比)与干燥时间(小时)的关系图；以及(b)在T1至T4的干燥条件下，对较早干燥的样品进行再水化时，重量增加百分比与再水化时间(小时)的关系图。该图证明了低温空气干燥下(T＝40℃；RH＝15％；V＝1.2m/s)，在不同的处理条件下，超声波对苹果切片(5mm厚)(a)干燥动力学曲线和(b)再水化曲线的影响。(超声波条件：超声波穿孔传输板；功率＝355W；频率＝1000kHz；连续应用；水浴温度＝40℃)；(再水化条件：水中T＝20℃)。(处理条件：T1：超声波关闭并且空气关闭(对照)；T2：超声波开启并且空气关闭；T3：超声波关闭并且空气开启；T4：超声波开启并且空气开启)。
具体实施方式
在本说明书全文和权利要求书中，除非上下文有其他要求，用语“包括”及其变体，例如“包含”和“含有”将被理解为暗示包括列出的整数或步骤或者整数或步骤的组，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤的组。
在本说明书涉及的文件通过引用的方式整体地包含在本文中。
在本说明书中，对任何现有技术的引用不是、也不应当被视为对现有技术构成澳大利亚公知常识一部分的承认或任何形式的暗示。
在一个广义的方面，本发明提供了一种有效的设备和方法，该设备和方法适用于连续处理含水材料，优选固体材料，特别是与热干燥工艺相关的易降解材料的脱水。本发明的发明人证明，采用空气干燥与超声波(US)能量应用的联用可以实现提高干燥效率，其中，通过流体(液体、气体或其结合)将超声波施加于待脱水材料上，所述流体保持在超声波能量发射器和超声波传输平台之间，超声波传输平台直接或间接地支撑待干燥材料。
术语“脱水”和“干燥”在本说明书中表示除去含水材料中的水，可以相互替换使用。例如，根据本发明的可能含水并且可以被干燥或脱水的材料包含食品材料，例如水果、蔬菜、肉、牛奶以及乳制品、坚果、种子、谷物、豆类、叶子、根、鸡蛋及其组分或其衍生的加工产物，例如面粉、面包、糕点或面团、蛋羹、果脯、糖果、调味汁和糖浆。特别地，根据本发明的可以被干燥的材料包括水果，例如苹果、梨、桃、杏、李子、芒果、番茄、菠萝、奇异果、木瓜、番木瓜、浆果、无花果等。根据本发明，咖啡豆、茶叶、草药和香料也是可以被干燥的材料。根据本发明，精细化学品，例如颜料、染料、聚合物和化学原料、药物、其它生物活性剂、蛋白质、碳水化合物、氨基酸、肽、核酸、抗体、酶、质粒、微生物、细菌培养物、农产品或动植物衍生产品、动物饲料、维生素、营养补充剂、肥料、矿物质等是可以被脱水的材料。根据本发明，上述任一材料的组分或其衍生产品也能够被干燥。
尽管优选的待干燥材料为固体形式，但也可以对液体材料或凝胶材料进行脱水。例如，高粘度的液体(凝胶或面团)在脱水过程中直接支撑于干燥设备的超声波传输平台上，而较低粘度的液体可保持处于敞开的容器中，因此其在干燥中间接支撑于超声波传输平台上。
在本发明一关键方面，用于辅助待干燥材料的干燥的超声波能量由超声波发射器传出，经过保留流体，进入超声波传输平台，超声波传输平台直接或间接地支撑待干燥材料。超声波能量通过流体进行传输，所述流体(液体、气体或其结合)可以采用低冷冻点的流体，以方便地达到冷却的目的，所述低冷冻点为约-1℃至约-30℃、约-2℃至约-20℃或约-4℃至约-10℃。可以使用的流体的实例包括水，优选盐水或添加糖、乙二醇或丙二醇的水以降低冷冻温度、或烃或氢氟烃制冷剂气体。
在本发明一方面，超声波能量传递的流体的循环通路中包括热交换器，从而流体的温度得以控制，而多余的热量也可被捕获并进行再利用，例如用于干燥气体的加热。优选地，所述流体热交换器是自动控制的，以便能够保持设定的温度点或设定的温度范围(在流体与超声波传输板接触之处)，所述设定的温度点或设定的温度范围可以根据所干燥材料的特性和所需的干燥速率及干燥程度来进行调整。例如，预期流体温度的范围是约-30℃至约10℃，例如约-25℃至约5℃、约-20℃至约0℃、约-15℃至约-5℃或约-12℃、约-10℃、约-8℃或约-6℃。
将待脱水材料直接支撑于超声波传输平台上是指将材料直接放在所述平台上。以上表述为了与将材料间接地支撑于超声波传输平台上进行对比，后者是指将另一主体(agent)放置于材料和平台之间，例如用于保留所述材料的容器，特别是当材料为不适合直接放在所述平台上的液体、凝胶、粉末、小颗粒或晶体的形式。位于平台和待干燥材料之间的主体也可以采用传送带、筛或网的形式，其可以任选地用于本发明，使本发明的干燥工艺成为一个连续工艺而非间歇工艺。
仅作为示例，本发明采用的超声波发射器可以在约15kHz至约10MHz的频率下工作，例如约100kHz至约5MHz、约200kHz至约2MHz或者约500kHz至约1500kHz、800kHz至约1200kHz或者约900、950、1000、1050、1100或1150kHz。超声波发射器可以在约100W至约1000W的输出功率下工作，例如200W至约800W，例如约250W至约750W、约300W至约550W或者约325W、335W、350W、355W、360W、380W、400W、450W或500W。
本发明所述干燥设备和干燥方法需要气流装置，气流装置产生干燥气体并将干燥气体引导至待干燥材料。在优选的实施方案中，干燥气体是空气，空气通过风扇强制气流系统任选地穿过一个或多个通风口或管道，被引导至待干燥材料的上方。可选地，气流装置可包括加压气流通过一个或一系列喷嘴将气体引导至待干燥材料的位置。在本发明的封闭操作系统实施方案中可以使用可替换的干燥气体，如氮气或氩气，特别是当待干燥材料是在含氧条件下为反应性的或易于降解的。
在本发明一个方面，气流装置与超声波传输平台表面的穿孔流体连接，以使待干燥材料暴露于从超声波传输平台的表面散发出来的干燥气体中。这可以代替或者是除了从位于材料的侧面或上方的风扇、通风口、管道、喷嘴等直接引导至待干燥的材料上方的干燥气体。
举例来说，干燥气体可以通过以下流速被引导至待干燥材料或其上方：约0.2m/s至约5m/s、例如约0.5m/s至约3.0m/s、约0.7m/s至约2.0m/s、约0.8m/s至约1.5m/s或者约0.9m/s、约1.0m/s、约1.1m/s、约1.2m/s、约1.3m/s或约1.4m/s。干燥气体的速度、温度和相对湿度可以根据被干燥材料的性质、所需的速率和干燥程度进行变化。例如，预期干燥气体的温度为约0℃至约80℃，例如约5℃至约70℃、约10℃至约60℃、约15℃至约55℃、约20℃至约50℃、约25℃至约45℃或者约30℃、约35℃或约40℃。
优选地，干燥气体在第一次与待干燥材料接触时会相对干燥，并且干燥气体的相对湿度可以例如为约5％至约35％，如约10％至约30％、约12％至约25％、约14％至约20％或者约15％、约16％、约17％、约18％或约19％。
气流装置优选地包括干燥气体循环器件和支撑待干燥材料的超声波传输平台，优选地位于壳体内，以防止或至少最小化干燥气体的逸出。在气流装置内设有温度控制元件和除湿器元件，可易于对干燥气体的温度和相对湿度进行控制。在优选的方面，元件是自动控制的，使得在每次循环中，至少在暴露于待干燥材料前，干燥气体的温度、速度、和湿度可维持于所需的设定点。
再次取决于待干燥材料的性质以及所需的干燥速率和程度，还可以在部分真空下进行干燥工艺，在这种情况下，包围超声波传输平台的壳体会被基本上密封和加固，以承受真空条件，并且真空泵将设置于设备中，真空泵优选地为自动控制的，以便可以将真空条件维持于设定点。例如部分真空压力为约0.3Atm至1Atm以下是适合的。例如约0.4Atm.至约0.95Atm.、约0.5Atm.至约0.9Atm.、约0.6Atm.至约0.8Atm.或者约0.65Atm.、约0.7Atm.或约0.75Atm.。
优选地，超声波传输平台由刚性的、耐用的、非腐蚀性的和导热的物质制成，例如合适的陶瓷或聚合物或更可能是非腐蚀性金属，例如铝、不锈钢或钛。在大多数情况下，不锈钢会提供合适的特性，并且是一种节约成本的材料，其可承受反复的清洗和消毒循环。
一方面，超声波传输平台包括任选穿孔的平板，所述平板可拆卸地固定至包括流体保留器件的下壳体上，并且在穿孔的超声波传输平台的情况下，还包括与平板的穿孔相连的干燥气流通道。在另一实施方案中，超声波传输平台的上板包括凹槽、通道或凹痕，其可以形成网络状，穿孔位于其中。通过凹槽、通道或凹痕将干燥气体从平台散发出来，可以将材料与干燥气体接触的表面积最大化。凹槽、通道或凹痕需以其易于清洁和消毒的方式配置。
如Michaud等(2015)所概述，当声波遇到固体表面时(例如反应器墙壁)，一部分声波能量被反射，而一部分穿过固体材料。一旦声波穿透至固体的另一侧，一部分声波会再次被反射，并且一部分将会被传输至固体材料另一侧的介质中。传输和反射的程度取决于边界两侧材料的性质，即液体/固体和固体/液体或固体/气体边界，在两种材料之间的密度差增大时会发生更多的反射。
在64-359kHz的超声波频率范围内，Boyle等(1929和1930)研究了通过钢板的传输，其中板两侧的液体是水，当板的厚度为声波波长的一半的倍数时，声波的传输达到最大值，并且阻抗接近于零。因此，可以设计厚度比d/λ，其中d是平板的厚度，且λ是声波波长。每次厚度比达到0.5的倍数时，传输达到最大值。考虑到这一点，为了最大化超声波传输至待干燥材料的效率，需要调整应用的超声波能量的波长，使得超声波发射器和支撑于超声波传输平台上的材料的距离为超声波波长一半的倍数或接近于超声波波长一半的倍数。
在本发明另一方面，可以在材料进行本发明的脱水处理前，对待干燥材料进行预处理，以提高干燥工艺的效率。在一方面，这包括将材料浸入水包油乳液中(例如，合适的水包油乳液包括水中约0.1％至2.5％的植物基油(例如芥花油、橄榄油、椰子油)或食品级油酸乙酯，预处理温度为约20℃至约60℃。然后，可以将包含乳液和材料的容器直接或间接地放置于超声波传输平台上，在合适的条件下，将乳液和材料暴露于超声波能量中一段时间，以达到破坏材料表面结构的程度，以便在随后的脱水工艺中增强水分的传递。随后将材料从乳液中移出，在材料进行本发明的常规脱水处理前，将材料表面的液体移除。
在本发明另一方面，待干燥材料浸入渗透液中以助其脱水，包括将含有渗透液和材料的容器直接或间接地放置于所述超声波传输平台上，并根据本发明的工艺将渗透液和材料暴露于超声波能量中。可以使用的渗透液包括浓度约40％至70％Brix的糖溶液(例如浓缩果汁、蔗糖)，并在合适的处理时间、合适的渗透液温度和合适的材料与渗透溶液的质量比下，将渗透液和材料暴露在超声波能量中，以达到破坏材料结构的程度，以便在渗透脱水工艺或随后的常规空气干燥工艺中增强水分的转移。渗透液处理旨在作为预处理步骤，增强随后的常规干燥工艺，或者作为可替代的干燥工艺来减少材料中的水分含量。
现参照附图，对本发明的具体实施方案进行描述，其中图1表示超声波辅助单元/系统(A)。单元/系统(A)包括由超声波电源2供电的超声波发射器1，这两者电连通。设置于超声波发射器上方的是超声波传输平台4，其包括上板4a和流体系统3，其中流体系统3是封闭系统，其可以使流体通过流体入口5和流体出口6再循环以保留其中的流体。在优选的实施方案中，流体出口6被引导至热交换器和泵(这里一起描述)7，流体的温度可以通过热交换器和泵7进行控制。流体系统3必须设置于超声波发射器1和上板4a之间，以使从超声波发射器1产生的超声波能量在到达超声波传输平台4的上板4a部分前穿过流体系统3，待干燥材料10直接或间接地放置于超声波传输平台4上。
在干燥工艺可以连续进行的本发明的实施方案中，传送带9包括筛或网，其位于上板4a的上方，以便材料10能以可控的速率沿上板4a前进，传送带9可渗透从下方的上板4a的穿孔16中散发出来的干燥空气。
图1(a)示出超声波辅助干燥单元/系统(A)，所述声波辅助干燥单元/系统(A)为一个开放系统，其中干燥气体8从气流装置(未显示)导出，穿过材料10辅助干燥，干燥气体8不能被再捕获，并且材料10所处的大气参数(例如温度、气压和相对湿度)不受控制。
在图1(b)所示的本发明实施方案中，超声波传输平台4的周围设置有壳体11，以防止或至少减少干燥气体的逸出。在本发明的实施方案中，壳体11包括外壁12和透气内壁13。干燥气体8从气流装置(未显示)中散发，通过干燥气体入口14进入壳体11，渗入透气内壁13的透气部分，并穿过材料10以发挥其干燥作用。干燥气体8随后通过透气内壁13的透气部分和干燥气体出口15离开所述壳体，因而用过的干燥气体8可以被回收，通过引导用过的干燥气体8通过除湿/冷凝装置和/或热交换器，以便可以控制干燥气体8的相对湿度和/或温度。可以施加正压或负压推动干燥气体8通过该循环回路。在本发明某些实施方案中，期望同时将干燥环境设为真空环境以辅助脱水过程，并且在这种情况下，壳体11和干燥气体循环回路需要基本密封并加固，以便承受施加在干燥环境中的真空压力。
图2和图3示出超声波传输平台4的两种替代形式。图2显示为超声波传输平台4的一种形式，其包括上板4a和下壳体4b，上板4a包括多个贯穿的穿孔16，下壳体4b限定流体系统3。下壳体4b包括多个突起20，使得当上板4a固定到下壳体4b上时，两者之间的空隙限定干燥气体空隙17，干燥气体空隙17设置的方式使得干燥气体8穿过干燥气体空隙17并经过穿孔16穿透上板4a。
图7示出图2所示相同设置的透视图，其中图7(a)所示的上板4a包括多个穿孔16，且其中图7(b)示出下壳体4b，其描述突起20，其中当上板4a被固定至下壳体4b时，突起20与下壳体4b中通过切口凹进的另外的空间之间的通道限定干燥气体空隙17。上板4a提供干燥气体线路连接点18，以实现与来自气流装置的干燥气体再循环线路的连接。在上板4a和下板4b的边缘提供加固点19，以便将这些整体固定在一起，并将下壳体4b下方与超声波发射器1连接。当干燥单元/系统(A)的组件被组装并使用时，流体系统3位于下壳体4b(未显示)的下方，并与超声波发射器相邻。
图3示出本发明的一个替代实施方案，其中下壳体4b在下部区域包括与多个干燥气体通道21相连的干燥气体空隙，干燥气体通道21通过多个细长部分22向上延伸。上板4a包括多个穿孔16，穿孔16的配置使得在上板4a固定在下壳体4b上方时，干燥气体8能够流经干燥气体通道21并穿透上板4a的穿孔16。当上板4a固定于下壳体4b时，这两个组件之间的空隙也限定流体系统3，冷却流体可以通过流体系统3循环。
在图4中提供以上示意性表示的视图，其示出了干燥气体8通过超声波传输平台4并从上板4a的穿孔16向上穿透的流动路径。
图5和图6显示为材料10(在这种情况下，苹果环形环切成5mm厚)在超声波传输平台4的上板4a上用于脱水的位置。图5所示的超声波辅助干燥单元/系统(A)不包括穿过上板4a的穿孔，在这种情况下，干燥气体8的流仅越过待干燥材料10。相反，图6所示的超声波辅助干燥单元/系统(A)包括穿孔16，这使得干燥气体8能够通过其向上流动。在本实施方案中，干燥气体也可以被引导越过上板4a的顶部，在干燥期间，材料10被支撑在上板4a上。
现将参考以下非限制性实施例进一步描述本发明。
实施例材料&方法
样品的制备
将从当地超市(Werribee,Victoria,Australia)获得的新鲜水果(cv.GrannySmith)用作模型测试的材料，其在4℃下储存，直至被进一步使用。在实验之前，苹果样品从冷室中取出，并平衡至室温。使用电动切片机沿其轴水平方向将苹果切成5mm厚的片，然后使用直径为60mm、边缘锋利的不锈钢管状软木钻将其切为圆柱体。随后使用直径为20mm的相似的软木钻取芯，得到环状环。实验中只使用每个苹果中间的四个或五个环状环。进行切割后，所述苹果环立刻浸入20℃的自来水中，以防止褐变，然后用纸巾擦干以去除粘附的表面水。
干燥实验
干燥实验在计算机化的超声波辅助对流干燥装置中进行，如其它文献所述(Sabarez等，2012)。专用的测试干燥设施包含许多特殊功能，包括对工艺条件的完全可编程循环控制(即温度、湿度和气流)、超声波单元和专用的称重系统。图1显示为在测试干燥设备中改装的超声波辅助干燥单元(本发明)。在超声波辅助干燥单元中，超声波能量间接地传输(从超声波发射器通过流体(液体或气体或其结合或两者都有)至传输平台并进入待干燥材料中)。由于这些材料(钢、液体和食物)的声阻抗不匹配最小，这种超声波能量的间接传输可以有效地传输超声波。为了控制超声波传输平台的温度，使用冷冻水浴(ModelBL-130,Thermoline)，连续将控温水再循环至超声辅助干燥单元中。
两组干燥实验最初在平面的、未穿孔的超声波传输平台上进行(实施例1)。进一步的实验使用穿孔的超声波传输平台在不同的处理条件下进行(提供和不提供空气穿过穿孔)(实施例2)。这些干燥实验都是在具有或者不具有1000kHz和355W的功率的超声波下进行的。所有的干燥实验都是在40℃的干燥空气温度、15％的相对湿度和1.2m/s的干燥空气速度的条件下进行的。在这些实验中，苹果环样品直接放置在传输平台上。每个干燥实验使用四个上述方法制备的环形苹果环。所有干燥实验至少重复两次。
再水化研究
再水化性是干燥的产品(特别是干燥食物)最重要的功能属性之一，其目的是最大程度上恢复原(或新鲜)材料在干燥发生前的原始特性(例如固体和水分含量)。再水化性被认为是衡量干燥工艺对材料损害的一种方式，干燥工艺可能导致材料，特别是植物衍生的材料的结构和组成发生显著变化。
对先前经超声波或未经超声波干燥的苹果环样品进行再水化研究。再水化实验在单独的250mL的锥形瓶中进行，锥形瓶浸泡在装有维持在20℃的水的控温水浴中。每次处理至少使用两个浸在水中的苹果环样品(即固体与液体的比为1:50w/w)。在预定的时间间隔测定样品的重量变化--将样品从水浴中快速去除，并用吸水纸擦拭以除去粘附在水果表面的水分。随后用电子天平称量样品并放回水浴中进行再水化过程。
结果
图8(a)显示为使用本发明的超声波辅助干燥单元去除新鲜苹果环样品(5mm厚)中的水分的干燥实验的结果，超声波辅助单元具有平面(未穿孔)传输板(如图5所示)。图8(a)表示干燥过程中样品中的含水量(y轴)随时间(x轴)的变化。可以看出，在这些干燥条件下，与不使用超声波的实验相比，超声波的应用显著地缩短了干燥时间。为了实现最终含水量为30％的目标，通过应用超声波将干燥时间从5.7小时缩短为3.5小时。这表明，应用超声波后，干燥时间减少约39％。
图8(b)显示为对应的苹果样品在有超声波和没有超声波干燥下的再水化动力学。该图说明了再水化中重量的增加(y轴)随再水化时间(x轴)的变化。在图中可以看到，与未经超声波干燥的样品相比，使用超声波干燥的样品显示出更快的再水化速率(或重量增加速率)，并且在浸入直至平衡后其吸收的最大水量更高。这表明，与未借助超声波能量进行干燥的材料相比，使用超声波减少了干燥引起的材料损伤。
图9(a)显示使用具有穿孔的传输平台(如图6所示)的超声波辅助干燥单元研究不同处理条件(有无空气流通过超声波传输平台的穿孔)对新鲜苹果样品(5mm厚)的干燥动力学的影响的实验结果。类似地，图9(a)显示干燥过程中样品的含水量(y轴)随时间(x轴)的变化。从图9(a)可以清楚地看出，应用超声波结合通过穿孔传输平台的空气流，增强了干燥工艺。为了实现30％含水量的目标，对干燥曲线的分析表明，苹果样品在无超声波的情况下干燥时间为约7.8小时(T1)，在超声波和无空气流通过穿孔传输平台的情况下干燥时间为约5.5小时(T2)，超声波和空气流通过穿孔传输平台结合的情况下干燥时间仅为4.0小时(T4)。结果表明，与对照组(T1)相比，应用超声波和空气流通过穿孔传输平台相结合，干燥时间缩短约49％。相似的，与对照组(T1)相比，应用超声波和空气流通过穿孔传输平台相结合(T4)导致显著改善的再水化性(就更快的再水化速度和更高的浸入直至平衡后其吸收的最大水量而言)，这表明降低的干燥工艺引起的材料的损伤。
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Claims (20)

1.一种用于使含水材料脱水的设备，所述设备包括：超声波发射器；超声波传输平台，所述超声波传输平台直接或间接地支撑所述材料；流体，所述流体保留在所述发射器和所述平台之间，超声波能量通过所述流体传递至所述平台和所述材料上；气流装置，所述气流装置将干燥气体引导至所述材料；其中所述材料暴露在超声波能量和干燥气流中以实现所述材料的脱水。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括壳体，所述壳体防止或减少干燥气体的逸出。
3.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括真空泵，所述真空泵用于将所述材料暴露于部分真空。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，所述设备还包括热交换器，所述热交换器用于冷却所述流体。
5.根据权利要求4所述的设备，其中在所述材料所处的压力下，所述热交换器可将所述流体的温度冷却至水的冷冻温度以下。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，所述设备还包括除湿器，所述除湿器用于从暴露于所述材料后的干燥气体中提取水分。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述平台包括穿孔，所述穿孔与所述气流装置流体连接，使得干燥气体能够通过所述平台被引导至所述材料。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述穿孔设置于所述平台的凹槽、通道或凹痕内，以增加所述材料暴露在干燥气体中的表面积。
9.一种含水材料的脱水方法，所述方法包括将所述材料直接或间接地设置于脱水设备的超声波传输平台上，并且在适合实现所述材料的所需脱水程度的条件下，将所述材料暴露在超声波能量和干燥气流中适合实现所述材料的所需脱水程度的时间，所述脱水设备包括：超声波发射器；流体，所述流体保留在所述发射器和所述平台之间，超声波能量通过所述流体传递至所述平台和所述材料上；气流装置，所述气流装置将干燥气体引导至所述材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述设备包括壳体，所述壳体防止或减少干燥气体的逸出。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述设备还包括真空泵，所述真空泵产生所述材料暴露的部分真空。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述设备还包括热交换器，所述热交换器用于冷却所述流体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述材料所处的压力下，所述热交换器可将流体的温度冷却至水的冷冻温度以下。
14.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述设备还包括除湿器，所述除湿器从暴露于所述材料后干燥气体中提取水分。
15.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述设备包括平台，所述平台包含穿孔，所述穿孔与所述气流装置流体连接，使得干燥气体能够通过所述平台被引导至所述材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述穿孔设置于所述平台的凹槽或凹痕内，以增加所述材料暴露在干燥气体中的表面积。
17.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述材料为食品材料、精细化学品、药物、生物活性试剂、蛋白质、碳水化合物、肽、核酸、抗体、酶、质粒、微生物、细菌培养物、农产品或动植物衍生产品。
18.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述材料在脱水前在水包油乳液中通过浸润进行预处理，所述预处理为：将包含所述乳液和所述材料的容器直接或间接地放置于所述超声波传输平台上，在合适的条件下，将所述乳液和所述材料暴露于超声波能量中一段时间，以达到破坏所述材料表面结构的程度，以便在随后的脱水中增强水分的传递。
19.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中将所述材料浸入渗透液中以辅助脱水，所述方法包括将含有所述渗透液和所述材料的容器直接或间接地放置于所述超声波传输平台上，并将所述渗透液和所述材料暴露于超声波能量中。
20.一种脱水材料，所述脱水材料通过使用权利要求1-8中任一项所述的设备或者权利要求9-19中任一项所述的方法进行脱水。
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