超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水工藝

任仙娥，何 仁，黃永春，張建苗，楊 鋒

(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545006)

超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水工藝

任仙娥，何 仁，黃永春，張建苗，楊 鋒

(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545006)

研究超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水的工藝過程。結(jié)果表明超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水的優(yōu)化工藝條件：超聲波頻率中(48.1kHz)、超聲波功率300W、糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、糖液溫度60℃、超聲波作用時(shí)間40min，在此工藝條件下菠蘿脫水率可達(dá)到41.41%。超聲波強(qiáng)化技術(shù)能提高菠蘿滲透脫水過程中的傳質(zhì)速率，縮短脫水時(shí)間。

超聲波；菠蘿；滲透脫水

果蔬滲透脫水是指在一定溫度下，將水果或蔬菜浸入高滲透壓的溶液，即糖溶液或鹽溶液中，利用細(xì)胞膜的半滲透性使物料中水分轉(zhuǎn)移到溶液中，達(dá)到除去部分水分的一種技術(shù)[1-2]。目前，已有學(xué)者對蘋果[3]、杏[4]、胡蘿卜[5]、藍(lán)莓[6]、紅辣椒[7]、香蕉[8]、番石榴[9]等果蔬的滲透脫水過程進(jìn)行研究，取得了很多研究成果，促進(jìn)了果蔬加工業(yè)的發(fā)展。但是，果蔬的滲透脫水是非常緩慢的過程，近年來許多試驗(yàn)試圖在不影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，利用高新技術(shù)，如高靜水壓[10]、電場[7]、超聲波[11]、真空[12]和離心[13]等來強(qiáng)化這一過程，提高物質(zhì)的遷移速率。本實(shí)驗(yàn)將超聲波強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到菠蘿的滲透脫水過程中，旨在為脫水菠蘿產(chǎn)品的生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

菠蘿、白砂糖(一級) 市購。

JBT/C-YCL40T0超聲波藥品處理機(jī) 濟(jì)寧金百特工程機(jī)械有限公司；MODEL WYT-4手持糖度計(jì) 福建省泉州光學(xué)儀器廠；HH-8數(shù)顯電熱恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；ZFD-5250全自動新型鼓風(fēng)干燥箱 福建省龍溪教學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 菠蘿滲透脫水工藝流程

菠蘿清洗、去皮、切片→加入菠蘿質(zhì)量8倍的糖液→超聲波處理一定時(shí)間→取出、清洗表面黏附的糖液、吸干表面水分→稱質(zhì)量、計(jì)算物料脫水率

1.2.2 脫水率的測定

將經(jīng)過滲透脫水的菠蘿片取出，用水沖洗黏附于菠蘿表面的滲透液，表面擦干后稱質(zhì)量，用下式計(jì)算菠蘿的脫水率[16]。

式中：X為脫水率/%；m0為原始物料的質(zhì)量/g；mt為滲透t時(shí)刻物料的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲波處理頻率的選擇

在糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、糖液溫度60℃、超聲波輸出功率250W條件下，分別按照低(25.2kHz)，中(48.1 kHz)，高(68.0kHz)的超聲頻率進(jìn)行試驗(yàn)，處理60min，平行試驗(yàn)3次，通過計(jì)算脫水率測定超聲波頻率對菠蘿滲透脫水的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 超聲波頻率對菠蘿滲透脫水的影響Fig.1 Effect of ultrasonic frequency on osmotic dehydration of pineapple

由圖1可知，隨著超聲波處理頻率的增大，菠蘿脫水率增加。在超聲場處理頻率由低到中內(nèi)表現(xiàn)得特別明顯，脫水率增幅較大。當(dāng)頻率達(dá)到中后，再提高頻率，脫水率增加不明顯，另外考慮到單純增加超聲頻率，將會增加生產(chǎn)耗能，所以超聲頻率選擇中檔(48.1kHz)為宜。

2.1.2 超聲波功率的選擇

在糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、糖液溫度為60℃、超聲波頻率中(48.1kHz)的條件下，分別調(diào)節(jié)超聲波輸出功率為150、200、250、300、350W進(jìn)行試驗(yàn)，處理60min，平行試驗(yàn)3次，通過計(jì)算脫水率測定超聲波功率對菠蘿滲透脫水的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲波功率對菠蘿滲透脫水的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on osmotic dehydration of pineapple

由圖2可知，超聲波的功率對菠蘿滲透脫水的影響較大。隨著超聲波功率的增大，菠蘿的脫水率增加，這是由于超聲波功率增大，產(chǎn)生的空化效應(yīng)增強(qiáng)，滲透脫水的傳質(zhì)速率加快，脫水率增加[14]，但當(dāng)功率達(dá)到300W后，脫水率增幅不明顯。

2.1.3 超聲波處理時(shí)間的選擇

在糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、糖液溫度60℃、超聲波頻率中(48.1kHz)、超聲波功率300W的條件下，分別處理20、40、60、80、100min，平行試驗(yàn)3次，通過計(jì)算脫水率測定超聲波處理時(shí)間對菠蘿滲透脫水的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲波作用時(shí)間對菠蘿滲透脫水的影響Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on osmotic dehydration of pineapple

由圖3可知，菠蘿脫水率隨著超聲波處理時(shí)間的增長而增加，這是由于超聲作用時(shí)間越長，其產(chǎn)生的空化作用時(shí)間越長，即強(qiáng)化傳質(zhì)作用時(shí)間越長。在超聲場處理?xiàng)l件下處理時(shí)間為在20～40min內(nèi)表現(xiàn)得特別明顯，脫水率提高了1 3%左右。當(dāng)超聲處理時(shí)間達(dá)到40min后，再增加時(shí)間，脫水率增加不明顯，所以超聲處理時(shí)間以40min左右為宜。

2.1.4 糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的選擇

在糖液溫度60℃、超聲波頻率中(48.1kHz)、超聲波功率3 0 0 W的條件下，選擇糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、30%、45%、60%、75%)，處理40min，平行試驗(yàn)3次，通過計(jì)算脫水率測定糖液濃度對菠蘿滲透脫水的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對超聲波滲透脫水的影響Fig.4 Effect of sugar concentration on osmotic dehydration of pineapple

由圖4可知，菠蘿的脫水率隨著糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這是因?yàn)闈B透脫水是物料中的水分向溶液擴(kuò)

散，同時(shí)溶質(zhì)從高濃度向低濃度擴(kuò)散的過程，其擴(kuò)散速率取決于濃度梯度[15]。濃度梯度越大，其擴(kuò)散速率就越快，致使脫水率隨著滲透液濃度的增加而增加。但是當(dāng)糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%后，溶液的黏度升高，外部傳質(zhì)阻力增大，影響擴(kuò)散速率，所以脫水率此時(shí)增幅不大。

2.1.5 糖液溫度的選擇

在糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、糖液溫度60℃、超聲波頻率中(48.1kHz)、超聲波功率300W的條件下，分別選擇糖液溫度為40、50、60、70、80℃，處理40min，平行試驗(yàn)3次，通過計(jì)算脫水率測定糖液溫度對菠蘿滲透脫水的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 糖液溫度對超聲波滲透脫水的影響Fig.5 Effect of sugar temperature on osmotic dehydration of pineapple

由圖5可看出，菠蘿失水率與糖液的溫度有很大關(guān)系。隨著糖液溫度的升高，菠蘿失水率有一定的提高，這是因?yàn)闇囟仍黾樱锪蟽?nèi)外物質(zhì)的遷移速率加快，致使脫水率加快。在超聲場處理?xiàng)l件下糖液溫度在40～60℃內(nèi)表現(xiàn)得特別明顯，脫水率增幅很大。當(dāng)糖液溫度達(dá)到60℃后，再提高溫度，脫水率增加不明顯，因此糖液溫度以60℃左右為宜。

2.2 超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取超聲波頻率為中(48.1 kHz)，以超聲波作用時(shí)間、超聲波功率、糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和糖液溫度為試驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)L9(34)來優(yōu)化菠蘿滲透脫水的工藝條件，因素水平表見表1，結(jié)果見表2和表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal experiments

由正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析結(jié)果表明，影響菠蘿滲透脫水的主次因素：A＞B＞D＞C，即超聲波作用時(shí)間＞超聲波功率＞糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞糖液溫度，并且因素A和B即超聲波作用時(shí)間和超聲波功率對菠蘿滲透脫水影響顯著。最佳工藝為A2B2C2D2，即超聲波作用時(shí)間為40min、超聲波功率300W、糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、糖液溫度為60℃，此條件在正交表中未出現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)在此條件下超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水的脫水率為41.41%。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Results of orthogonal experiments

表3 正交試驗(yàn)方差分析表Table3 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 超聲波強(qiáng)化滲透脫水和自然滲透脫水過程的比較

圖6 菠蘿在超聲波強(qiáng)化滲透脫水和自然滲透脫水過程的比較Fig.6 Comparison on dehydration rates of pineapple by using ultrasonic osmotic dehydration and nature osmotic dehydration

由圖6可知，超聲波強(qiáng)化可以加快菠蘿滲透脫水的傳質(zhì)速率，大大縮短脫水的時(shí)間。在自然滲透脫水過程中，需要3～4h，菠蘿的脫水率才能達(dá)到40%以上，而超聲波強(qiáng)化過程中，只需要40～60min，菠蘿的脫水率就可以達(dá)到40%以上。

3 討論與結(jié)論

3.1 超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水的優(yōu)化工藝條件為超聲波頻率中檔(48.1kHz)、超聲波功率300W、糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、糖液溫度60℃、超聲波作用時(shí)間40min，在此工藝條件下菠蘿的脫水率可達(dá)到41.41%。

3.2 與自然滲透脫水過程相比，超聲波強(qiáng)化可以提高菠蘿在滲透脫水過程中的傳質(zhì)速率，大大縮短脫水時(shí)間。

3.3 經(jīng)過超聲波強(qiáng)化滲透脫水的菠蘿含有中等水分，依然保留菠蘿原有的色澤、風(fēng)味和營養(yǎng)成分，可作為甜點(diǎn)心、酸奶、冰淇淋、果脯、果醬等的優(yōu)質(zhì)原料，進(jìn)一步提高菠蘿的利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)在生產(chǎn)中，滲透脫水作為菠蘿加工的一種前處理方式，與干燥、冷凍和罐藏等方法組合使用，由于體積和質(zhì)量的減少，可大大節(jié)省能耗。

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Osmotic Dehydration of Pineapple Enhanced by Ultrasonic Treatment

REN Xian-e，HE Ren，HUANG Yong-chun，ZHANG Jian-miao，YANG Feng
(Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China)

In this paper, the osmotic dehydration processing of pineapple after ultrasonic treatment was investigated. Results showed that the optimal dehydration conditions were moderate ultrasonic frequency (48.1 kHz), ultrasonic power of 300 W, sugar concentration of 60%, sugar temperature at 60 ℃, ultrasonic treatment time of 40 min. Under these optimal dehydration conditions, the dehydration rate of pineapple was 41.41%. Ultrasonic treatment could improve mass transfer rate and decrease osmotic dehydration time.

ultrasonic treatment；pineapple；osmotic dehydration

TS 255.36

A

1002-6630(2010)22-0279-04

2010-06-30

任仙娥(1979—)，女，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail：rxe12@sina.com