联合超声与微波预处理对罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）真空冷冻干燥效率及品质的影响

干制效率与产品品质之间的权衡是干虾加工面临的主要挑战。真空冷冻干燥（VFD）能够有效保持水产制品的营养与感官品质，但其工业化应用受到高能耗的限制。为解决这一问题，研究人员考察了超声（US）和微波（MW）预处理单独及联合作用对虾肉在真空冷冻干燥过程中的干燥动力学、能耗及综合品质的影响。结果表明，单独微波预处理虽可显著降低能耗，但会引起明显的质构硬化与收缩；而超声则可显著改善组织结构并提高复水率。联合US-MW处理实现了35.33%的能耗降低，并通过形成均一的肌原纤维网络以及增加柔性β-转角（β-turns），避免了MW诱导的品质劣变。干燥动力学与Midilli模型拟合良好，R² > 0.998，可为工业过程提供可靠参考。本研究为平衡虾类及其他水产制品加工效率与品质提供了切实可行的策略。

该论文发表于《Food Chemistry: X》，聚焦罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）真空冷冻干燥（VFD）加工中“效率—品质”难以兼顾的核心问题。罗氏沼虾具有高蛋白、低脂肪和较高营养价值，是重要的优质淡水虾类资源，但鲜虾供应具有明显季节性，因此产业上常将其加工为冷冻去壳虾肉，以满足全年市场需求。然而，传统冷冻贮运成本高，长期冻藏还容易因反复冻融导致品质下降。脱水加工可显著提升储运便利性，其中热风干燥成本较低但易造成表面硬化、内部水分迁移受阻，并显著损伤品质。相比之下，VFD因能最大程度保留营养成分与多孔结构而备受关注，但其在虾类等高含水、高蛋白、肌肉结构致密的水产原料中存在干燥周期长、能耗高、加工成本大的突出瓶颈，因此开发既能加快VFD进程、又不牺牲品质的预处理技术具有重要工业与科学意义。

在此背景下，研究人员围绕微波（MW）和超声（US）两种物理场预处理展开系统研究。MW通过水分子高频振动实现体积加热，可快速脱水、缩短后续冻干负荷，但其热效应可能诱导肌原纤维蛋白（myofibrillar protein，肌肉中决定质构的主要结构蛋白）凝聚、收缩与不可逆变性，进而导致组织致密化、硬化和形态塌缩。US则属于非热加工技术，可通过空化作用（cavitation，液体中气泡形成、增长与破裂产生的微尺度机械效应）产生快速压缩—膨胀循环，促进微通道形成，改善传质效率，并有望松散蛋白聚集体、提高复水性能。因此，该研究的核心逻辑在于：利用MW的高效预脱水能力降低冻干能耗，同时借助US改善微观结构、缓解MW导致的品质损失，从而实现两者的协同优化。

研究人员首先确定了虾肉的共晶点为−13.34 °C，并据此将预冻温度设定为−40 °C，以保证冻结充分并为后续升华干燥提供稳定条件。随后建立了四组处理体系，即对照冻干组（CF）、微波预处理冻干组（MF）、超声预处理冻干组（UF）以及超声—微波联合预处理冻干组（UMF）。在工艺筛选阶段，研究人员通过能耗、复水率、白度、收缩率及质构参数等指标确定最优MW条件为280 W处理1.5 min，最优US条件为90 W处理30 min，再将两者顺序组合用于联合预处理。最终从干燥行为、能耗构成、LF-NMR低场核磁共振（用于分析水分分布与迁移状态）、拉曼光谱（用于解析蛋白二级结构）、扫描电子显微镜（SEM，用于观察微观组织形貌）、电子鼻、游离氨基酸、呈味核苷酸及感官评价等多个维度，对不同处理下虾肉品质进行了系统评估。

主要技术方法可概括为以下几个方面：一是采用差示扫描量热法（DSC）测定虾肉共晶点，为VFD预冻条件设定提供依据；二是通过单因素工艺优化建立MW、US及US-MW预处理体系，并结合水分比（MR）与单位脱水能耗（SEC）评估干燥效率；三是利用七种薄层干燥模型拟合干燥动力学，比较后确定Midilli模型；四是使用LF-NMR、拉曼光谱和SEM分别分析预处理对水分状态、蛋白二级结构及肌肉微结构的影响；五是结合电子鼻、游离氨基酸、5′-核苷酸和感官评价综合判定风味与食用品质。样品来源为中国江苏扬州企业提供的冻藏罗氏沼虾虾肉。

在结果部分，论文按照多个小标题系统展开。首先是“Eutectic point”。研究人员用DSC证实虾肉共晶点平均值为−13.34 °C，从而采用−40 °C预冻，确保样品完全冻结并避免残余液态水引发结构缺陷，为稳定VFD提供基础。

在“Optimization of physical processing technology”部分，研究人员分别优化MW和US工艺。于“Effect of MW pretreatment on the quality and energy consumption of VFD prawns”中发现，MW显著降低总体单位能耗，最高可使SEC由35.82 kW·h/kg降至21.03 kW·h/kg，但随着处理时间延长，样品收缩显著增加，复水率与白度下降，硬度、咀嚼性和致密性明显升高，表明过度MW会导致组织过度收缩和硬化。综合各筛选标准后，1.5 min被确定为最优MW条件。于“Effect of US pretreatment on the quality of VFD prawn”中则发现，US对收缩率和白度影响较小，却能显著提高复水率，并在适宜强度下改善嫩度；但过高功率或过长时间又可能因蛋白碎片再聚集而使组织重新致密。最终90 W、30 min被确定为最优US条件。基于此建立UMF组，用于考察协同效应。

在“Effects of different pretreatment methods on energy consumption and apparent quality of VFD prawn”中，联合预处理表现出最优综合性能。CF、MF、UF和UMF达到终点含水量所需时间分别为23、16、22和15 h，说明UMF可将干燥时间缩短34.78%。能耗分析显示，UMF总体SEC最低，较CF降低35.33%，优于MF的28.50%降幅。质构与外观方面，UMF相较MF显著降低收缩、提高复水率与脆度；相较UF则增强了脆度、硬度和咀嚼性，提示联合处理既克服了MW单独应用造成的品质恶化，也弥补了US单独处理在组织支撑性上的不足。

在“Drying model fitting”部分，七种薄层干燥模型均可较好描述实验数据，但Midilli模型拟合效果最佳，所有处理组R²均高于0.998，且RMSE与χ²最低。尤其UMF组具有更高的干燥速率常数k，说明其内部传质阻力更低、脱水更高效。该结果不仅验证了联合预处理对干燥动力学的改善，也为工艺放大提供了数学依据。

在“Moisture distribution”部分，LF-NMR结果表明各组样品中不易流动水（T₂₁）占主导。MW组T₂₁和自由水（T₂₂）峰面积降低、结合水（T_2b）比例增加，反映出热诱导的蛋白收缩与水分外排。US组结合水比例下降，说明超声可松散肌原纤维聚集并提高组织内水分流动性。UMF组则表现为T_2b显著升高、T₂₁和T₂₂显著下降，表明联合处理更有效促进了预处理阶段自由水和不易流动水的迁移与去除，降低后续冻干升华负荷，并可能减轻冻结时冰晶对组织的机械损伤。

在“Secondary structure content”部分，拉曼光谱显示，相较CF组，其余三组α-螺旋（α-helix）含量均显著下降，说明蛋白发生不同程度展开。MF组β-折叠（β-sheet）显著升高，提示MW促进更强的分子间氢键和聚集倾向；UF与UMF组则β-转角（β-turn）显著增加，说明US促使蛋白转向更柔性的构象状态。尤其UMF组保持了以β-转角为主的柔性构象，表明US预先建立的松散结构基础，缓冲了后续MW诱导的过度β-折叠聚积。这一蛋白构象特征与其较高结合水比例和较佳复水性能相一致。

在“Microstructure”部分，SEM揭示了不同处理的结构基础。预处理前，MW组出现严重肌原纤维收缩与束状聚集，表面粗糙不规则；US组则形成更均匀、多孔的网络；US-MW组呈现连续且组织化程度更高的结构，无明显裂隙。冻干后，MF组仍可见明显聚集、边界模糊和结构扭曲，对应较高硬度和咀嚼性；UF组则孔洞较大、组织疏松，对应较低硬度和更好复水；UMF组兼具二者特点，既没有大空腔，又保留相对有序的肌原纤维排列，并伴有局部碎片化片段，显示其在结构稳定性与多孔性之间实现了较佳平衡，从而支撑了良好的质构表现。

在“Volatile flavor profile analysis”部分，电子鼻主成分分析表明不同预处理改变了挥发性风味轮廓。CF、MF和UMF聚类较近，而UF明显分离，提示US对挥发性成分影响更大。W1W传感器对含硫化合物响应最高，而UF组该响应显著下降，说明US可能改变了含硫挥发物相对丰度。UMF在W1C和W5C上响应增强，而在W2S和W3S上响应减弱，证明联合处理改变了挥发性风味构成，但具体物质仍需GC–MS进一步鉴定。

在“Free amino acid”部分，研究人员共检出17种游离氨基酸。MF、UF和UMF组总游离氨基酸均高于CF组，且UMF最高，达到730.77 mg/100 g。甜味氨基酸与鲜味氨基酸增加尤为明显，提示MW和US均可促进内源性游离氨基酸释放与积累。作者同时指出，US处理中虽存在少量游离氨基酸浸出，但总体上超声促进蛋白结构松散与风味前体释放的作用更为显著。UMF组总游离氨基酸最高，支持其在滋味强化上的协同优势。

在“Flavor nucleotide”部分，所有预处理均提高了多种5′-核苷酸的保留量。MF组对CMP、AMP、UMP和IMP的提升最明显，显示MW在鲜味核苷酸保留方面优势突出；UF组尽管在水相处理中可能有少量水溶性核苷酸流失，但保留量仍显著高于CF；UMF虽在部分指标上略低于MF，但整体上仍明显优于CF，说明联合处理在维持鲜味活性核苷酸方面同样有效。

在“Sensory evaluation”部分，感官评价显示MF因断裂与收缩明显而外观得分最低；UMF在质地和咀嚼感方面得分最高，且综合色、香气和滋味后，总体接受度最高，标准化综合得分为14.86。结果说明，单独MW虽可在一定程度上改善滋味，但其形态缺陷抵消了优势；联合US-MW则在外观完整性、质构和风味之间实现了更优平衡。

综合讨论可见，该研究清晰揭示了US和MW在VFD前处理中的互补机制。MW的主要优势在于快速预脱水和降低后续升华负荷，但其热作用容易导致蛋白聚集、结构硬化和复水性下降；US则通过空化效应改善传质通道、调控蛋白构象并优化微观结构，但节能效果相对有限。将二者顺序组合后，US先行松散组织、形成均匀微通道，再由MW高效去除部分水分，从而在减少VFD能耗的同时抑制过度收缩与组织塌陷，最终获得更均一的肌原纤维网络、更高比例的柔性β-转角、更优的水结合状态以及更好的复水性、质构和感官接受度。因此，该研究不仅为罗氏沼虾高品质低能耗冻干加工提供了可操作的工艺路径，也为其他高蛋白水产制品的物理场协同预处理提供了理论依据。

研究结论部分可译为：本研究通过物理场预处理建立了一种用于优化罗氏沼虾真空冷冻干燥的综合策略，以平衡加工效率、能耗与产品品质。具体而言，MF组虽显著降低了能耗，但对外观形态与质构产生了不利影响；相较之下，UF组显著改善了组织结构和复水能力。UMF组实现了协同优化，在降低35.33%能耗的同时，提高了复水性与质构品质。该协同效应归因于有利的结构修饰：预处理顺序促进了均一微结构的形成，并增加了柔性β-转角蛋白构象，从而改善了持水特性并减轻了硬化现象。干燥动力学可由Midilli模型准确表征，R² > 0.998，为工艺放大提供了可靠理论模型。该研究为虾肉高品质干燥提供了理论与实践参考，但研究对象仅限于实验室尺度下的冻藏罗氏沼虾，未来仍需在鲜虾、其他水产物种以及中试/产业条件下进一步验证其普适性与可放大性。