萵筍超聲波輔助滲透脫水工藝研究

王順民，唐 珂，季長路（.安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽蕪湖4000；.浙江省紹興縣食品檢驗檢測中心，浙江紹興3030）

萵筍超聲波輔助滲透脫水工藝研究

王順民1，唐 珂2，季長路1
（1.安徽工程大學生物與化學工程學院，安徽蕪湖241000；2.浙江省紹興縣食品檢驗檢測中心，浙江紹興312030）

對萵筍超聲波滲透脫水工藝進行了研究。采用響應面優化實驗考察滲透劑種類、滲透劑質量分數、滲透溫度、時間和超聲波功率等因素對萵筍超聲波輔助滲透脫水中物料失水率和固形物增加率的影響。結果表明，萵筍超聲波輔助滲透最佳工藝條件：質量分數42%的蔗糖作為滲透劑，超聲波功率200W、溫度58℃、時間149min，在此條件下萵筍失水率和固形物增加率分別為1109%和342.64%。

萵筍，超聲波，滲透脫水，工藝

萵筍（Laetuca sativa L.var.angustana Irish.），又稱“千金菜”、“萵苣”、“石苣”，菊科，萵苣屬。萵苣含有豐富的胡蘿卜素、硫胺素、核黃素，以及鈣、磷、鐵、銅、碘、錳等礦物質營養。萵筍是日常重要的副食蔬菜之一，深受廣大人民群眾的喜愛。脫水萵筍可豐富脫水蔬菜的種類和提高其附加值。滲透脫水可以作為果蔬加工的一種前處理方式，可與果蔬干燥、冷凍、罐藏等方法組合使用。葡萄糖和食鹽等食品加工輔料通常被作為滲透劑用于果蔬干燥前的滲透預脫水處理。滲透脫水時，這些滲入到組織內部中的糖等添加劑可對果蔬起到一定的保護作用并提高果蔬品質[1]。另外，這些水溶性滲透劑的浸入可降低果蔬含水量、提高其固形物含量，從而提高果蔬干燥的干燥速率[2]，縮短干燥時間[3]，并提高干制品復水性等[4]。滲透預脫水作為干燥工藝的前處理，目前已廣泛用于果蔬脫水加工，例如，蘋果[5]、草莓[6]、蘑菇[4]、甘藍[7]、蘿卜[8-9]、萵筍[10]、草莓[11]和馬鈴薯[2，12]等農產品干燥預處理。滲透脫水預處理雖然能夠縮短后續干燥周期，改善食品的營養、感官品質，但是單一滲透脫水速率較慢，時間過長。而將超聲波應用于萵筍滲透脫水，旨在促進萵筍滲透脫水速率，為生產脫水萵筍產品提供理論基礎，促進萵筍等脫水食品產業發展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

萵筍 市售；葡萄糖、蔗糖和氯化鈉 均為食用級；其他藥品 均為分析純，中國國藥集團化學試劑有限公司。

FA1004電子分析天平 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；PHS-2F數字pH計 上海精密科學儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵 鄭州市上街華科儀器廠；HH-2恒溫水浴鍋 金壇市杰瑞爾公司；WF-100高速萬能粉碎機 黃驊市振興機電儀器廠；DHG-9143B-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司；MM721NG1-PW微波爐 美的集團有限公司；JK-400CD超聲波器 合肥金尼機械制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 萵筍的預處理 萵筍→清洗、去皮→切分→燙漂→超聲波滲透→干燥→指標測定。

1.2.2 新鮮萵筍脫水 萵筍去根、葉和皮脈，切成10mm×30mm片狀。在90～95℃水中燙漂2min后，用流動水冷卻，瀝干水分后進行超聲波輔助滲透脫水。

1.2.3 萵筍超聲波滲透脫水的單因素實驗

1.2.3.1 滲透方法 超聲波滲透：萵筍漂燙冷卻后靜置瀝水至表面無水珠；稱重后按比例加入滲透劑并混合均勻，保證每塊樣品與滲透劑充分接觸，混勻后確保無滲透劑殘留在燒杯壁上，在超聲波一定的條件下滲透一段時間。滲透結束后將萵筍取出，蒸餾水快速沖洗萵筍表面附著的滲透劑后用吸水紙吸干表面水分，測定水分含量和固形物含量等指標。

1.2.3.2 滲透劑種類的選擇 在超聲波功率為240W，滲透溫度為50℃的條件下，分別添加質量分數為15%的葡萄糖、蔗糖和氯化鈉進行超聲波滲透，滲透60min后測定指標。比較不同滲透劑的滲透效果。

1.2.3.3 滲透劑質量分數的選擇 將滲透劑按質量分數15%、25%、35%、45%和55%添加，在超聲波功率為240W，滲透溫度為50℃的條件下滲透60min后測定指標。

1.2.3.4 超聲波滲透功率的選擇 將滲透劑按質量分數45%添加，在超聲波功率分別為200、240、280、320和360W條件下，滲透溫度為50℃，滲透60min后測定指標。

1.2.3.5 滲透溫度的選擇 將滲透劑按質量分數45%添加，在滲透溫度分別為30、40、50、60和70℃條件下，超聲波功率280W，滲透60min后測定指標。

1.2.3.6 滲透時間的選擇 將滲透劑按質量分數45%添加，在超聲波功率280W，滲透溫度為50℃，按滲透時間分別為30、60、90、120和150min條件下滲透，滲透后測定指標。

1.2.4 超聲波滲透工藝的響應面優化實驗 本研究選取滲透溫度（X1）、滲透質量分數（X2）和滲透時間（X3）作為影響因素，采用二次回歸正交設表，采用Design-Expert 8.05軟件，進行響應面分析實驗，考察滲透過程中萵筍失水率（Y1）和固形物增加率（Y2）的變化規律。其中自變量實際值和編碼值見表1。

表1 響應面分析因素與水平表Table 1 Independent variables and their coded and actual values used for RSM

1.2.5 萵筍超聲波滲透干燥后的測定指標 失水率（Waterloss）是反映滲透脫水過程的二項主要指標。失水率和固形物增加率為以下公式：

式中：M0—為樣品的初始重量，g；Mt—為樣品滲透脫水到t時刻的重量，g；X0W—為樣品的初始水分含量，%；XtW—為樣品滲透到t時刻的水分含量，%；X0ts—為樣品的初始總固形物含量，%；Xtts—為樣品滲透到t時刻的總固形物含量，%。

2 結果與分析

2.1 滲透劑對失水率和固形物增加率的影響

2.1.1 滲透劑種類對失水率和固形物增加率的影響 由圖1可知，滲透預脫水處理60min后，NaCl對萵筍的失水率和固形物增加率影響最大，其次是蔗糖和葡萄糖處理。然而NaCl處理的萵筍在干燥后期，NaCl大量析出，嚴重影響脫水萵筍的品質[7]。而蔗糖對萵筍失水率和固形物增加率的影響比葡萄糖效果顯著。

圖1 不同滲透劑下的萵筍失水率和固形物增加率的變化Fig.1 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis agents

2.1.2 滲透劑質量分數對萵筍失水率和固形物增加率的影響 如圖2所示，隨著葡萄糖和蔗糖質量分數由15%增至55%，萵筍失水率和固形物增加率均顯著增加（p＜0.05）。糖的質量分數影響了滲透脫水過程中的萵筍質量傳遞，溶液質量分數過低，脫水效率較低。在相同添加量下，蔗糖對萵筍失水率的影響顯著高于葡萄糖，這是因為在溶液中蔗糖的滲透壓比葡萄糖高[10]，高的滲透壓使得萵筍細胞內的液泡失水，所以對于失水率，蔗糖滲透效果要優于葡萄糖。而對于固形物增加率，隨著質量分數的增加，蔗糖和葡萄糖的滲透效果沒有顯著性差異。在滲透液質量分數過高時，溶液的粘度升高，外部傳質阻力增大，水分擴散減弱。雖然超聲空化對溶液的強烈擾動與熱效應可使溶液粘性降低，減少傳質的外部阻力，但其只能緩解一些，而不能完全排除粘性帶來的負面影響。并且，由于固形物是大分子物質，超聲空化作用不能使大分子物質克服粘性大帶來的消極影響，固形物增加率增加趨勢不顯著[13]。

2.1.3 超聲波功率對萵筍失水率和固形物增加率的影響 如圖3所示，對于萵筍的失水率，蔗糖的滲透效果好于葡萄糖，而對于固形物增加率，兩種滲透劑之間差異不顯著。隨著超聲波功率增加，對蔗糖和葡萄糖滲透下的萵筍的失水率和固形物增加率的影響均不顯著，這一結果與超聲波輔助鹽滲透白蘿卜[9]的結果相似，可能的原因是本實驗中超聲波的功率較高。在較大超聲功率作用下，有大量空化泡被激活，它們對輻照聲束產生較強的散射衰減，這使得在相同的條件下聲空化的滲透脫濕傳質強化作用被弱化，導致固形物得率下降[14]。由于超聲波功率對實驗結果的影響不顯著，因此在后續的響應面優化實驗設計中，不再考慮超聲波功率這一因素，微波功率均設為200W。

圖2 不同滲透劑質量分數下的萵筍失水率和固形物增加率的變化Fig.2 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis agents mass percent

圖3 不同超聲功率下的萵筍失水率和固形物增加率的變化Fig.3 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different ultrasonic power

2.1.4 溫度對萵筍失水率和固形物增加率的影響由圖4可知，隨溫度的升高，蔗糖和葡萄糖滲透下的萵筍的失水率均增加不顯著，但蔗糖滲透效果好于葡萄糖。蔗糖滲透體系中，萵筍的固形物增加率隨溫度的升高而增加。葡萄糖滲透體系中，溫度低于60℃時，萵筍的固形物增加率隨溫度的升高而增加，且顯著高于蔗糖的，溫度為60℃時其值達到最大，后隨著溫度升高呈下降趨勢，可能溫度過高，超聲波的空化效應降低，致使滲透脫水的強化作用減弱了[9]。

圖4 不同溫度下的萵筍失水率和固形物增加率的變化Fig.4 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different temperature

2.1.5 時間對萵筍失水率和固形物增加率的影響如圖5所示，蔗糖和葡萄糖作為滲透劑時，萵筍的失水率均隨滲透時間的增加而逐漸增加，并且蔗糖的滲透效果優于葡萄糖的。對于固形物增加率，蔗糖滲透下的萵筍固形物增加率隨著其滲透時間的延長而逐漸增加，滲透時間對葡萄糖滲透下的萵筍的固形物增加率的影響與蔗糖的相同。并且兩種滲透劑對萵筍固形物增加率的影響差異不顯著。

2.2 滲透工藝響應面優化

根據以上單因素實驗的結果，綜合考慮滲透劑對失水率和固形物增加率的影響，本研究確定以蔗糖為滲透劑。采用響應面優化法進行過程優化。以X1、X2和X3為自變量，以失水率和固形物增加率為響應值Y，響應面實驗方案及結果見表2。其中1～12為析因實驗，12～15為3個中心實驗，用以估計實驗誤差。

從表3可知，該二次回歸方程的一次項X2和X3均表現出了顯著水平，該二次回歸方程整體模型著且該回歸模型與實測值能較好地擬合。結果表明回歸模型復相關系數R2=0.9446，說明相關性較好；校正決定系數Adj R2=0.8450，表明84.50%的實驗數據的變異性可用此回歸模型來解釋。因此，可用此模型對萵筍蔗糖滲透過程中的失水率進行分析和預測。

圖5 不同滲透時間下的萵筍失水率和固形物增加率的變化Fig.5 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis time

通過利用Design-Expert 8.05 Trial軟件中的實驗設計表2數據進行二次多元回歸擬合，得到萵筍蔗糖滲透后的失水率預測值（Y1）對編碼自變量X1、X2和X3的二次多項回歸方程，對表2結果進行統計分析，可建立如下二次回歸方程：

表2 萵筍蔗糖滲透實驗設計及結果Table 2 The design and results of glucose osmosis experiment of the lettuce

表3 失水率回歸方程方差分析表Table 3 The analysis of variance of dehydration rate regression equation

Y1（%）=-966.137+86.34X1-2.46X2-17.98X3-0.05X1X2+0.20X1X3+0.16X2X3-1.01X12+0.13X22+0.02X32

式（3）

從表4可知，該二次回歸方程的一次項X1、X2和X3表現出了顯著水平。該二次回歸方程整體模型顯著，該回歸模型與實測值能較好地擬合。結果表明回歸模型復相關系數R2=0.9474，說明相關性較好；校正決定系數Adj R2=0.8528，表明85.28%的實驗數據的變異性可用此回歸模型來解釋。本實驗精密度達到10.514。因而可用此模型對萵筍蔗糖滲透過程中的固形物增加率進行分析和預測。通過Design-Expert8.05 Trial軟件中的Miscellaneous實驗設計表2數據進行二次多元回歸擬合，得到萵苣蔗糖滲透后的固形物增加率預測值（Y2）對編碼自變量X1、X2和X3的二次多項回歸方程，對表2結果進行統計分析，可建立如下二次回歸方程：

表4 固形物增加率回歸方程方差分析表Table 4 The analysis of variance of solids increase rate regression equation

圖6 溫度與質量分數交互時失水率的響應面圖Fig.6 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on dehydration rate

圖7 溫度與時間交互時失水率的響應面圖Fig.7 Response surface plots of the effect of temperature and time on dehydration rate

圖8 質量分數與時間交互時失水率的響應面圖Fig.8 Response surface plots of the effect of mass perctent and time on dehydration rate

圖9 溫度與質量分數交互時固形物增加率的響應面圖Fig.9 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on solids increase rate

2.2.1 響應面優化結果分析 為考察交互項對得率的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項對得率的影響，對模型進行降維分析。經Design-Expert 8.05軟件分析，所得響應面圖見圖6～圖11。

由圖6～圖11可知，萵筍的失水率和固形物增加率均隨著滲透時間延長和溫度的升高而增加，且具有交互作用。在失水率和固形物增加率的權重為1∶1的基礎上，對擬合的回歸方程根據軟件進行優化，可得到萵筍蔗糖滲透最優工藝參數為：蔗糖質量分數42%，時間149min，溫度58℃和超聲波功率200W。經驗證實驗證實在此條件下萵筍失水率和固形物增加率分別為1109%和342.64%。

圖10 溫度與時間交互時固形物增加率等高線圖和響應面圖Fig.10 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on solids increase rate

圖11 時間與質量分數交互時固形物增加率等高線圖和響應面圖Fig.11 Response surface plots of the effect of mass perctent and time on solids increase rate

3 結論

在相同滲透條件下，萵筍在蔗糖溶液體系的滲透效果要優于葡萄糖滲透體系。

采用BBD響應面組合設計進行優化，得萵筍蔗糖超聲波滲透脫水工藝的二次數學回歸模型。由該模型分析可知，萵筍的失水率和固形物增加率均隨著滲透時間延長和蔗糖添加量增加而增加，且具有交互作用。在蔗糖質量分數為42%，滲透時間149min，溫度58℃和超聲波功率200W的滲透條件下萵筍的滲透脫水失水率和固形物增加率最高，分別為1109%和342.64%，經驗證該數學模型對萵筍蔗糖超聲波滲透脫水工藝的預測是可行的。

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Study on ultrasonic-assisted osmotic dehydration of lettuce

WANG Shun-min1，TANG Ke2，JI Chang-lu1
（1.Biological and Chemical Engineering Institute，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；2.Food Inspection Test Center of Shaoxing County，Shaoxing 312030，China）

The study aimed to use response surface methodology to optimize process parameters for the osmotic dehydration of lettuce under the assistance of ultrasonic.Effect of osmotic agent，sucrose concentration，dehydration time，temperature and ultrasonic power on water loss（WL）and solid gain（SG）was studied. These process conditions were further studied using response surface methodology to maximize water loss and solid gain.The optimal dehydration conditions obtained by response surface analysis were as follows：osmotic dehydration temperature 58℃，osmotic dehydration time 149min，sucrose concentration 42%，and ultrasonic power 200W.Under these optimal dehydration conditions，the water loss and solid gain of lettuce were 1109%and 342.64%，respectively.

lettuce；ultrasonic；osmotic dehydration；process

TS205

B

1002-0306（2014）14-0309-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.060

2013－09－24

王順民（1975-），男，博士，副教授，研究方向：農產品加工與貯藏。