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甘薯(Ipomoea batatas L.)是世界上最重要的粮食作物之一。据估计，2017年全球甘薯产量约为1.128亿公吨，中国是继美国之后甘薯产量与出口量最大的国家。甘薯富含多种营养成分，如维生素A、维生素C、类胡萝卜素、膳食纤维、钾、脂肪酸和其他一些有益于人类健康的具有生物活性的抗氧化成分。甘薯除了可以直接蒸熟和烤制之外，还可加工成面粉、薄片、淀粉、零食和面包等。
由于含水量较高，甘薯极容易感染微生物造成腐败，即使在储藏环境下也是如此。此外，甘薯发芽以及在贮藏条件下由于低温受到损伤，都是甘薯长期贮藏面临的难题。因此，需要一种有效储存甘薯的方法。对甘薯进行干燥不仅有助于延长其贮藏寿命，而且干燥的甘薯能富集具有生物活性的植物化学物热量来源，如酚类、膳食纤维、类胡萝卜素、抗坏血酸等。
干燥可以简单地采用常规方法或通过诸如热风干燥的许多现代方法来完成，热风干燥通过选择性使用作为额外热量来源的预处理来缩短干燥时间、保持产品质量。常规干燥设备干燥甘薯存在营养损失、结构质地被破坏、费用昂贵以及干燥时间长等缺点。按照课题组前期的研究基础，认为将超声波、渗透脱水等预处理技术应用于甘薯的热风和红外干燥，应该可以提高甘薯的干燥效率和营养品质。
本文的研究内容与结果如下：
(1)超声波和渗透脱水预处理对甘薯热风干燥动力学和产品品质的影响。设置了20kHz超声处理(US)、10%和20%葡萄糖渗透处理(GC)、超声辅助渗糖处理(US/GC)三组预处理试验，并以蒸馏水处理(CRT)为对照组，随后进行60℃热风干燥。结果表明，US可使水分有效扩散系数增大，GC对水分扩散系数无影响，利用10%的葡萄糖进行US/GC处理30min对干燥时间的缩短效果最好；超声波处理显著改善了甘薯切片的干燥动力学，提高了传质系数和干燥速度，对数模型与所有处理的实验数据拟合最好；经超声波处理，甘薯样品的酶灭活、颜色、显微结构、传质等参数与蒸馏水处理和渗透处理相比有显著变化。
(2)超声波和渗透脱水预处理对甘薯热风干燥产品的植物化学成分、抗氧化活性和结构的影响。利用20kHz超声处理(US)、10%和20%葡萄糖的渗透处理(GC )、超声辅助渗糖处理(US/GC )、蒸馏水处理(CRT )四种方法对甘薯片(3mm)进行预处理，随后采用60℃热风干燥。结果表明：GC处理样品中总酚含量、总黄酮含量明显高于其它组(p＜0.05)，但对维生素C降解程度较大；US和US/GC处理提高了样品的抗氧化活性；经US/GC处理的甘薯干样品，类胡萝卜素保存较好。显微结构证实，单一的GC处理样品中由于葡萄糖层的出现导致最终产品的硬度增加，US和US/GC处理中的超声波改善了样品硬度，US/GC处理对甘薯切片的显微结构保护较好。因此，超声波预处理可以被认为是获得高营养、高品质脱水甘薯片一种有价值的预处理手段。
(3)超声波预处理和热风干燥对甘薯营养品质及结构变化的影响。采取不同频率(40和60kHz)的超声波对甘薯片进行预处理，在不同的温度(70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯植物化学物质和抗氧化活性的变化。结果表明，40kHz超声预处理/70℃热风干燥对甘薯干中的植物化学成分有较好的保护作用。通过高效液相色谱分析，发现甘薯干中鞣花酸和绿原酸较多，同时鉴定出了槲皮素-3-鼠李糖苷和槲皮素3-β-D-葡萄糖苷两种新的生物活性化合物。所有样品在2164~2041cm-1傅里叶红外光谱中均出现了一条新的短谱带，即C=C烯烃官能团。多变量分析表明，70℃的热风干燥对大多数生物活性物质具有显著的影响，且与大多数生物活性物质呈正相关。
(4)超声预处理和红外干燥对甘薯理化性质、抗氧化能力和质地稳定性的影响。采取不同频率(20、40和60kHz)的超声波对甘薯片进行预处理，在三个不同的温度(60℃、70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯干植物化学物质、抗氧化活性和质地质量的变化。结果表明，在40kHz超声预处理/60℃红外干燥后，甘薯干中总酚类和总黄酮的含量提高，但由于高温，干燥后类胡萝卜素含量下降。不过在60kHz超声预处理/80℃红外干燥的条件下情况相反，总类胡萝卜素含量和β-胡萝卜素增加，抗氧化活性显著升高。酚类化合物中，鞣酸和芦丁含量较高，槲皮素-3-鼠李糖苷和槲皮素3-β-d-葡萄糖苷是首次在甘薯中发现的两种新化合物。在20kHz下，用超声处理的样品成功地合成了羟基和酚类化合物。扫描电镜证实，40kHz的中频超声有助于保护结构，而60kHz的高频超声导致在大裂纹之间致密块中出现粗糙内部结构，诱导细胞破裂和破坏。
(5)超声波预处理和红外干燥对甘薯片干燥动力学、热力学性能及产品质量的影响。采用不同的超声频率(20、40和60kHz)对甘薯片进行预处理，在不同的温度(60℃、70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯干燥动力学、活化能和热力学性质的变化规律。结果表明，与无超声处理的对照组相比，超声波处理后样品的干燥时间从110min缩短到60min。在13种不同数学模型中，Hii模型、Page模型和Silva模型能够比较好的拟合干燥动力学数据。经40kHz超声波预处理样品的活化能(24.69kJ/mol)最低，有效扩散系数从1.01×10-6提升至9.21×10-6。随着干燥温度的升高，热焓和吉布斯自由能减小，同时熵值也减小，并且干燥过程中熵为负。此外，40kHz的超声处理对甘薯的表面颜色、酶失活、酶促褐变和显微结构也有显著影响(p＜0.05)。
由于含水量较高，甘薯极容易感染微生物造成腐败，即使在储藏环境下也是如此。此外，甘薯发芽以及在贮藏条件下由于低温受到损伤，都是甘薯长期贮藏面临的难题。因此，需要一种有效储存甘薯的方法。对甘薯进行干燥不仅有助于延长其贮藏寿命，而且干燥的甘薯能富集具有生物活性的植物化学物热量来源，如酚类、膳食纤维、类胡萝卜素、抗坏血酸等。
干燥可以简单地采用常规方法或通过诸如热风干燥的许多现代方法来完成，热风干燥通过选择性使用作为额外热量来源的预处理来缩短干燥时间、保持产品质量。常规干燥设备干燥甘薯存在营养损失、结构质地被破坏、费用昂贵以及干燥时间长等缺点。按照课题组前期的研究基础，认为将超声波、渗透脱水等预处理技术应用于甘薯的热风和红外干燥，应该可以提高甘薯的干燥效率和营养品质。
本文的研究内容与结果如下：
(1)超声波和渗透脱水预处理对甘薯热风干燥动力学和产品品质的影响。设置了20kHz超声处理(US)、10%和20%葡萄糖渗透处理(GC)、超声辅助渗糖处理(US/GC)三组预处理试验，并以蒸馏水处理(CRT)为对照组，随后进行60℃热风干燥。结果表明，US可使水分有效扩散系数增大，GC对水分扩散系数无影响，利用10%的葡萄糖进行US/GC处理30min对干燥时间的缩短效果最好；超声波处理显著改善了甘薯切片的干燥动力学，提高了传质系数和干燥速度，对数模型与所有处理的实验数据拟合最好；经超声波处理，甘薯样品的酶灭活、颜色、显微结构、传质等参数与蒸馏水处理和渗透处理相比有显著变化。
(2)超声波和渗透脱水预处理对甘薯热风干燥产品的植物化学成分、抗氧化活性和结构的影响。利用20kHz超声处理(US)、10%和20%葡萄糖的渗透处理(GC )、超声辅助渗糖处理(US/GC )、蒸馏水处理(CRT )四种方法对甘薯片(3mm)进行预处理，随后采用60℃热风干燥。结果表明：GC处理样品中总酚含量、总黄酮含量明显高于其它组(p＜0.05)，但对维生素C降解程度较大；US和US/GC处理提高了样品的抗氧化活性；经US/GC处理的甘薯干样品，类胡萝卜素保存较好。显微结构证实，单一的GC处理样品中由于葡萄糖层的出现导致最终产品的硬度增加，US和US/GC处理中的超声波改善了样品硬度，US/GC处理对甘薯切片的显微结构保护较好。因此，超声波预处理可以被认为是获得高营养、高品质脱水甘薯片一种有价值的预处理手段。
(3)超声波预处理和热风干燥对甘薯营养品质及结构变化的影响。采取不同频率(40和60kHz)的超声波对甘薯片进行预处理，在不同的温度(70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯植物化学物质和抗氧化活性的变化。结果表明，40kHz超声预处理/70℃热风干燥对甘薯干中的植物化学成分有较好的保护作用。通过高效液相色谱分析，发现甘薯干中鞣花酸和绿原酸较多，同时鉴定出了槲皮素-3-鼠李糖苷和槲皮素3-β-D-葡萄糖苷两种新的生物活性化合物。所有样品在2164~2041cm-1傅里叶红外光谱中均出现了一条新的短谱带，即C=C烯烃官能团。多变量分析表明，70℃的热风干燥对大多数生物活性物质具有显著的影响，且与大多数生物活性物质呈正相关。
(4)超声预处理和红外干燥对甘薯理化性质、抗氧化能力和质地稳定性的影响。采取不同频率(20、40和60kHz)的超声波对甘薯片进行预处理，在三个不同的温度(60℃、70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯干植物化学物质、抗氧化活性和质地质量的变化。结果表明，在40kHz超声预处理/60℃红外干燥后，甘薯干中总酚类和总黄酮的含量提高，但由于高温，干燥后类胡萝卜素含量下降。不过在60kHz超声预处理/80℃红外干燥的条件下情况相反，总类胡萝卜素含量和β-胡萝卜素增加，抗氧化活性显著升高。酚类化合物中，鞣酸和芦丁含量较高，槲皮素-3-鼠李糖苷和槲皮素3-β-d-葡萄糖苷是首次在甘薯中发现的两种新化合物。在20kHz下，用超声处理的样品成功地合成了羟基和酚类化合物。扫描电镜证实，40kHz的中频超声有助于保护结构，而60kHz的高频超声导致在大裂纹之间致密块中出现粗糙内部结构，诱导细胞破裂和破坏。
(5)超声波预处理和红外干燥对甘薯片干燥动力学、热力学性能及产品质量的影响。采用不同的超声频率(20、40和60kHz)对甘薯片进行预处理，在不同的温度(60℃、70℃和80℃)下进行红外干燥，研究了甘薯干燥动力学、活化能和热力学性质的变化规律。结果表明，与无超声处理的对照组相比，超声波处理后样品的干燥时间从110min缩短到60min。在13种不同数学模型中，Hii模型、Page模型和Silva模型能够比较好的拟合干燥动力学数据。经40kHz超声波预处理样品的活化能(24.69kJ/mol)最低，有效扩散系数从1.01×10-6提升至9.21×10-6。随着干燥温度的升高，热焓和吉布斯自由能减小，同时熵值也减小，并且干燥过程中熵为负。此外，40kHz的超声处理对甘薯的表面颜色、酶失活、酶促褐变和显微结构也有显著影响(p＜0.05)。