冷等离子体预处理后红外-热风联合干燥红甜菜的工艺优化：干燥动力学、物理性质与微观结构

《Applied Food Research》：Optimization of hybrid infrared – hot air drying of red beet pretreated with cold plasma: Drying kinetics, physical properties and microstructure

　　

本研究评估了冷等离子体预处理及交替红外-热风混合干燥对红甜菜干燥特性及品质的影响。研究旨在提高干燥效率的同时保持结构完整性并限制品质损失。红甜菜样品经三种等离子体预处理时间（0、15和30 s）、三种红外功率水平（300、600和900 W）和两种脉冲比（1和2）处理。结果表明，冷等离子体预处理在数值上使干燥时间缩短约20%，并导致较低的收缩率和改善的复水比。然而，由于样品几何形状较薄及红外功率的主导效应，这些影响对大多数参数而言并无统计学显著性（p > 0.05）。仅在干燥速率和收缩率方面观察到红外功率和脉冲比的统计学显著效应（p < 0.05）。在所有干燥条件中，将红外功率提高至900 W显著改善了水分去除并使总干燥时间缩短约25%。脉冲比亦产生明显影响，脉冲比1通常比脉冲比2产生更快的干燥速率和更好的物理品质。基于优化的最优条件（0 s等离子体、600 W、PR1）的扫描电子显微镜（SEM）观察揭示了多孔且均匀的结构。此外，对经等离子体处理的样品（15 s等离子体、600 W、PR1）进行成像以比较微观结构效应；该样品显示表面改性但干燥动力学无统计学显著改善。总体而言，Page模型对水分比预测提供了最精确的拟合。

本研究以红甜菜（Beta vulgaris L.）为研究对象，系统探究了冷等离子体预处理结合红外-热风联合干燥技术对干燥动力学、物理性质及微观结构的影响，相关成果发表于《Applied Food Research》。红甜菜富含甜菜红素、酚类化合物、黄酮类及多种维生素等生物活性成分，因其健康促进功能在近年来被日益认可为功能性食品。然而，新鲜蔬菜水分含量高达80%-95%，易发生化学劣变与微生物腐败，难以实现长期新鲜贮藏。干燥作为最古老的食品保藏手段之一，通过降低水分活度抑制微生物生长及酶促反应，从而延长货架期并降低包装储运成本。传统热风干燥虽应用广泛，但存在温度分布不均、干燥时间长及热敏性营养成分损失严重等弊端。红外干燥作为一种创新技术，凭借其在0.75-1000 μm电磁波谱范围内（特别是中波2.0-4.0 μm与长波3-1000 μm）的高效能量传递特性，可实现物料表面均匀加热与内部水分快速迁移。将红外辐射与热风相结合的混合干燥模式，能够兼顾辐射加热的高效性与对流的表面除湿作用，同时采用脉冲比（pulse ratio, PR）调控可有效防止表面过热并保护热敏性成分。此外，冷等离子体作为第四态物质，由离子、电子、自由基及光子等活性物种组成，能够通过表面刻蚀形成微孔、改变表面亲水性等方式增强水分渗透性，近年来被视为优化干燥动力学的非热预处理技术。尽管冷等离子体与红外-热风联合干燥各自具有技术优势，但二者协同作用于红甜菜的研究尚属空白，该研究正是针对这一技术缺口而展开。

研究采用介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）冷等离子体系统对红甜菜切片（5 mm×30 mm×30 mm，初始干基含水率6.50±0.54 g水/g干物质）进行预处理，以氩气为载气，在7.5 kV高压、28 kHz频率及45 W功率条件下处理0、15或30 s；随后置于自定红外-热风干燥设备中，在60 °C热风温度、1 m/s风速及20%-25%进口相对湿度的条件下，考察300、600、900 W红外功率与脉冲比1（连续模式）和2（30 s开/30 s关间歇模式）对干燥过程的影响。研究人员通过测定水分比（moisture ratio, MR）、干燥速率（drying rate, DR）、有效水分扩散系数（effective moisture diffusion coefficient, D_eff）、收缩率（shrinkage）、表观密度（apparent density）及复水比（rehydration ratio, RR）等关键指标，结合11种薄层干燥模型拟合与SEM微观结构观察，全面评价了工艺优化效果。

在干燥动力学方面，冷等离子体预处理对水分比和干燥速率的影响未达统计学显著水平（p > 0.05），尽管15 s预处理在900 W条件下使平均干燥速率从对照的0.047提升至0.052 g水/g干物质/min。红外功率的提升显著加速了水分迁移，900 W条件下水分比下降最为迅速，总干燥时间较300 W缩短约25%。脉冲比1（连续模式）因维持稳定的表面温度与蒸汽压，展现出显著优于脉冲比2的干燥速率（p < 0.05），但间歇模式带来的结构松弛效应使脉冲比2获得更高的复水比（p < 0.05）。

有效水分扩散系数D_eff随功率增加呈上升趋势，但统计学分析未显示显著性（p = 0.074），这与5 mm薄样缩短了水分扩散路径、使表面蒸发主导干燥过程有关。等离子体预处理对D_eff的提升同样未达显著水平，其表面刻蚀效应在薄样品中的增益被弱化。

收缩率分析揭示了等离子体预处理的双重效应：一方面，预处理显著增加了最终收缩率（p = 0.0278），600 W/PR1条件下0 s、15 s和30 s预处理的收缩率分别为45.7%、48.2%和50.1%，源于细胞壁损伤与渗透性增加导致的结构坍塌；另一方面，预处理显著降低了收缩速率（p < 0.05），因表面微裂纹加速了水分蒸发、缩短了热暴露时间。红外功率提升与脉冲比1均显著降低收缩率（p < 0.05），900 W时收缩率由0 W的57.58%降至45.99%。

表观密度和复水比的结果进一步印证了工艺参数的复杂影响。15 s等离子体预处理因表面微通道形成而获得最低表观密度，但30 s过度处理导致组织应力增加、密度回升。复水比方面，300 W红外功率因结构保存较好而表现最优；脉冲比2虽复水比更高，却以延长40-50 min干燥时间和增加4%-8%收缩率为代价。

基于响应面法的多目标优化以最小化水分比和收缩率、最大化干燥速率为目标，采用Design-Expert软件获得22组候选条件。其中0 s等离子体、600 W红外功率、脉冲比1的组合具有最高满意度值0.583，被选为优化最优条件；15 s等离子体、600 W、PR1虽在SEM中呈现更优的多孔结构，因干燥速率和D_eff改善未达统计显著性而未入选。

微观结构观察直观呈现了不同处理对细胞组织的差异化影响。新鲜样品呈现致密完整的天然结构；15 s等离子体预处理形成适度的表面微孔，增强了渗透性；30 s处理则导致严重细胞壁破坏。干燥样品中，600 W/PR1条件产生均匀多孔结构，而900 W高功率与脉冲比2组合造成显著组织损伤。10 nm金镀层、15 kV加速电压下的100×至500×SEM图像证实，温和条件（600 W/PR1）更利于维持结构完整性。

薄层干燥模型拟合表明，Page模型以0.992-0.998的决定系数R2和0.0012-0.0054的估计标准误差（standard error of estimate, SEE）成为预测水分比变化的最佳模型，其参数k和n分别为0.0053-0.0336及0.9559-1.4126，适用于全条件范围的干燥行为描述。

研究结论部分明确指出：冷等离子体预处理虽在数值上缩短20%干燥时间，但因样品几何限制未能转化为统计学显著效应；900 W红外功率显著提升干燥效率约25%（p < 0.05）；脉冲比1在干燥速率和收缩率方面优于脉冲比2，而后者复水比更高，形成效率与品质的权衡。Page模型（R2=0.992-0.998）为最优预测模型。基于满意度函数，推荐0 s等离子体、600 W、PR1为最适干燥条件，该研究为红甜菜高效干燥提供了重要的工艺参数依据。