铁棍山药（Dioscorea opposita）是薯蓣科薯蓣属草本植物的块茎,其主要产地是中国河南焦作,号称“四大山药”之首。铁棍山药富含碳水化合物、多糖、多酚以及钙、铁、锌等多种微量元素,具有极高的营养价值。但新鲜铁棍山药含水率高,不易储存,容易出现发芽、变质等现象。目前,经常对铁棍山药进行切片及干燥加工,通过降低其含水量及水分活度以延长铁棍山药的贮藏期,保证铁棍山药的品质及营养成分,并拓宽其应用市场。本课题将热泵干燥技术和超声波技术联合应用于铁棍山药的干燥脱水。热泵干燥（Heat pump drying,HPD）是一种将热源循环利用的现代干燥技术,具有低能耗、污染少等优势,但同时也存在仅对物料表面加热、干燥时间偏长等缺点,从而不利于热敏性营养物质的保留。由于直触超声（Contact ultrasound,CU）可以通过超声设备直接将超声波能量传入物料内部,能够大大减小传质阻力,从而有利于干燥过程中物料内部水分扩散,进而缩短干燥时间。将热泵干燥和直触超声两种技术联合应用的超声强化热泵干燥技术（Contact ultrasound enhanced heat pump drying,CU-HPD）,理论上可实现两种技术的优势互补,直触超声技术能够强化热泵干燥过程中的传质进程,促进物料内部水分扩散,进而缩短干燥时间、提升产品品质。因此,本文以新鲜铁棍山药为试材,进行CU-HPD试验研究。首先,分析不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药干燥特性及水分迁移规律的影响。其次,探讨对不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药样品品质指标的影响,并利用变异系数法对产品品质进行综合评价,得到最优干燥条件。最后,借助数值模拟软件对铁棍山药的超声强化热泵干燥过程进行建模分析,建立热量传递控制方程和质量传递控制方程,并在最优干燥条件下,探究超声强化热泵干燥过程中的传热、传质规律。主要研究内容与结论如下:1.探究不同热泵干燥温度和超声功率下,铁棍山药CU-HPD的干燥特性及水分迁移规律。结果表明,在CU-HPD过程中,提高热泵干燥温度和超声功率均有利于促进物料内部水分迁移,提高干燥速率,缩短干燥脱水时间。和单一HPD相比,随着干燥温度和超声功率的提高,CU-HPD的干燥脱水时间可缩短30～390 min,干燥速率提高至0.005 6～0.014 0 g/（g·min）。Deff值的范围为0.887×10-10～2.406×10-10 m~2/s,且随着干燥温度和超声功率的升高而增大。LF-NMR分析表明,铁棍山药中存在三种不同状态水:自由水、不易流动水和结合水。水分状态分析表明,铁棍山药在CU-HPD中,物料内部水分存在相互转化。自由水的含量不断降低,直至完全去除;不易流动水的含量在干燥过程中先增高后降低,在干燥结束时仍存在少量不易流动水;结合水的含量几乎不变。提高温度和功率,物料内部水分迁移速率变快,并促进内部水分的去除。2.研究了不同热泵干燥温度和超声功率对铁棍山药品质特性的影响,并通过权重分析确定铁棍山药超声强化热泵干燥的最优工艺参数。结果表明,干燥温度和超声功率对铁棍山药的硬度值、复水比、Δ值、多酚含量、多糖含量、尿囊素含量和IC50值有显著影响（p＜0.05）。在干燥温度65℃、超声功率60 W的条件下,硬度值最小、复水比最大、尿囊素含量最高,分别为628.39 g,2.31 g/g,12.14 mg/g。在干燥温度55℃、超声功率60 W的条件下,多酚含量和多糖含量最大,Δ值和IC50值最小,分别为36.17μg/g和137.47μg/g、47.99和33.27μg/mL。在热泵干燥过程中施加超声强化有利于保护产品品质。通过变异系数法的权重分析可知,干燥脱水时间、硬度值、多酚含量、多糖含量和IC50值5个指标所占的权重较大,其中在干燥温度55℃、超声功率60 W的条件下所得铁棍山药样品的综合评分最高,故为铁棍山药CU-HPD的最优干燥参数。3.使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件构建铁棍山药超声强化热泵干燥过程中热量传递与质量传递模型,并借助模型分析不同热泵干燥温度和超声功率下铁棍山药的热量传递与质量传递规律。结果表明,该模型可以较好地拟合铁棍山药超声强化热泵干燥的热量传递与质量传递规律。其热量是由外向内传递,从干燥介质传递至物料,再由物料表面传递至物料内部;其质量是由内向外传递,从物料内部传递至物料表面,最终以表面蒸发的形式被去除,提高热泵干燥温度和超声功率均能够加快其热量与质量传递过程。