超聲處理對中短波紅外干燥紅棗時間及品質的影響

陳文敏，彭星星，馬 婷，楊澤龍，徐懷德*

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712 100）

超聲處理對中短波紅外干燥紅棗時間及品質的影響

陳文敏，彭星星，馬 婷，楊澤龍，徐懷德*

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712 100）

為提高紅棗干燥品質，減少干燥時間，以干燥時間為響應值，響應面優化得到紅棗中短波紅外干燥前超聲處理條件為：頻率40 kHz、時間40 min、功率350 W。最優超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至其干基含水率約為40%時所需干燥時間為9.55 h；未超聲處理中短波紅外干燥需13.33 h；傳統熱風干燥需17.13 h。掃描電鏡觀察紅棗果皮，超聲處理40 min使果皮表面產生大量裂縫，表皮層變薄，僅38.8 μm，表皮層和亞表皮層易分離，利于干燥過程中水分擴散，顯著縮短中短波紅外干燥時間。紅棗超聲處理后中短波紅外干燥的干制品品質顯著優于未超聲處理紅外干燥，極顯著優于傳統熱風干燥。最優超聲處理條件結合中短波紅外干燥，所得干制品在3 種處理方式中總VC、總酚、總黃酮含 量最高，糖酸比最高，色澤最優，能耗最少，是適合紅棗干燥的技術方法。

超聲波處理；中短波紅外干燥；紅棗；時間；品質

紅棗是鼠李科棗屬植物棗樹的成熟果實，是藥食同源的營養果品，具有很高的食用價值和藥用價值[1-4]。我國紅棗的產量占世界總產量95%左右，占近100%的國際貿易市場，紅棗總產量的95%以上被制成干棗，使其適宜于保藏銷售和后續加工[5]。

紅棗含水量很高，收獲期短，鮮紅棗采后在自然條件下存放僅有幾天的鮮脆期，果肉會很快變褐或霉爛。由于不能及時干燥而使霉變腐爛加劇，每年鮮紅棗因腐爛損失高達20%～30%，因此紅棗的干制尤為重要[3-4]。大多數紅棗的干制在棗農的庭院曬干和晾干。易受干燥天氣影響、衛生條件差、干燥時間長，成品率低，產品品質差。人工烘房干燥紅棗受熱不均，褐變嚴重；干燥勞動強度大，烘干過程多燃燒煤和農作物秸稈，污染環境，烘干過程中溫濕度等工作參數自動化監控精度差，速度慢，不能滿足紅棗快速干燥的需求。紅棗真空冷凍干燥耗能高，設備造價昂貴，微波干燥法易使紅棗果皮褐變和裂果[6-8]，遠紅外紅棗干燥時間長，能耗也高[9-11]。

中短波紅外干燥是利用1～4 μm的紅外線，基于水分吸收紅外輻射的特性，使物料得以快速干燥。短波穿透性比長波有較大優勢，因此對厚一點的物料用中短波加熱干燥效果更好[11-12]。中短波紅外干燥的熱效率高，熱損失小，加熱引起食物材料的變化損失小，產品品質好。王洪彩等[12]用中短波紅外干燥香菇，干燥時間顯著縮短，品質明顯優于熱風干燥產品。

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，它具有減小水分轉移阻力、增加水分擴散通道，加快干燥速率、縮短干燥時間，在水中超聲波處理達到清洗的目的[13-18]。Anetr等[14]用超聲波分別對蘑菇，孢子甘藍和花椰菜進行預處理，均明顯提高了干燥速率。Fabiano-Blanco等[15]用超聲波對香蕉進行預處理，然后進行熱風干燥，干燥時間縮短。中短波紅外干燥前應用超聲預處理的方法未見相關研究報道，故本實驗將此方法應用于紅棗干燥中，以期為紅棗干燥生產提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

以清澗木棗（初始干基含水率為96%左右）為試驗材料。采自陜西省清澗縣解家溝鎮，選擇果面全紅、大小（短徑約3.8 cm，長徑約為7.5 cm）、形狀一致的果實。

蘆丁（純度≥95%） 國藥集團化學試劑有限公司；抗壞血酸（純度≥99.7%） 天津博迪化工股份有限公司；Folin-Ciocalteu試劑 美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

SB-500DTY型超聲波掃頻清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司；STC型中短波紅外干燥設備 秦州圣泰科紅外科技有限公司；UV-mini1240型紫外-可見分光光度計 日本島津公司；DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；ALC-210.3型電子分析天平 賽多利斯艾科勒公司；JSM-6360LV型掃描電鏡 日本電子公司； WSC-S測色色差計 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥條件設置

中短波紅外干燥：根據前期預實驗，設置中短波紅外干燥溫度50 ℃、功率1 125 W、風機風速4.5 m/s，將紅棗干燥至干基含水率為40%左右。

傳統分段熱風干燥：先將紅棗60 ℃干燥至干基含水率不大于66%，再將紅棗50 ℃干燥至干基含水率為40%左右[19]。

1.3.2 超聲波預處理單因素試驗

分別設置超聲頻率25、28、40、59 kHz，超聲功率300、350、400、450 W，處理時間20、40、60、80 min，進行單因素試驗，每個處理組300 g紅棗，除單因素條件外其余條件嚴格保持一致。將果實置于超聲波掃頻清洗機水浴中處理，水循環處理溫度控制在20 ℃左右。

1.3.3 超聲波預處理響應面分析試驗

在單因素試驗基礎上，以超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至其干基含水率約為40%時所需時間為響應值，設計三因素三水平響應面分析。

1.3.4 電鏡掃描

將鮮紅棗分別在超聲處理溫度20 ℃、超聲頻率40 kHz、功率350 W的條件下，用超聲處理20、40、60 min，同時設未處理對照，通過環境掃描電鏡對超聲處理后的紅棗果皮進行電鏡掃描，在較高倍數和較低倍數下觀察不同超聲處理條件對紅棗果皮微結構的影響。

1.3.5 指標的測定

1.3.5.1 干基含水率的計算

式中：Mt為樣品干制至t時刻的干基含水率/%；mt為樣品干制至t時刻的質量/kg；mg為樣品干物質質量/kg。1.3.5.2 能量消耗

按單位能耗去除的水分質量計算，計算見公式（2）：

式中：N為單位能耗除濕量/（g/（kW·h））；G為去除水分的質量/g；W為額定輸入功率/kW；T為總干燥時間/h[19]。

1.3.5.3 果皮厚度的測量

2015年≧10℃，有效活動積溫2593.5℃，比去年低157℃，有效積溫的減少使有一些12片葉品種和晚熟的11片葉品種不易安全成熟。5月份上旬、中旬氣溫較低，平均溫度10℃左右，該時期正是水稻的返青期，導致秧苗大緩苗，不利于水稻的返青。6月上旬溫度仍較低，水稻生長遲緩，中旬氣溫回升，有利于水稻的分蘗。7月中旬降水量充足，達92.8毫米，有利于籽粒的灌漿，8月份日平均溫度較低，日照時數較少，不利于增加水稻籽粒干物質充實積累，千粒重受到影響。9月份降水量較少，對水稻的收獲提供便利條件。

取紅棗赤道附近的果皮，得到的果皮上無果肉附著。將20 片取得的果皮疊加在一起，用游標卡尺測量厚度，每次實驗重復3 次；色差值的測定[20]：以儀器白板色澤為標準，用色差計測定明度指數L*值（L*=0表示黑色；L*=100表示白色）、彩度指數a*（正數代表紅色，負數代表綠色）和b*（正數代表黃色，負數代表藍色）。使用色差計進行6 次測定，取平均值，來反映不同干燥方法干燥的紅棗色澤的變化。

1.3.5.4 其他指標測定

VC含量：按照GB/T 5009.86—2003《蔬菜、水果及其制品中總抗壞血酸的測定》中2,4-二硝基苯肼比色法進行測定；總黃酮含量：采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[21]；總多酚：采用Folin-Ciocaileu比色法[22]；總糖含量：采用3,5-二硝基水楊酸法[19]；可滴定酸含量：采用酸堿滴定法；可溶性固形物含量：采用手持糖度儀測定。

1.4 數據分析

用SPSS 18.0軟件進行方差分析，對影響顯著的指標進行鄧肯新復極差法多重比較，顯著性水平設為P＜0.05，數據均以±s表示。

2 結果與分析

2.1 超聲處理條件優化試驗結果

2.1.1 超聲處理時間對紅棗中短波紅外干燥時間的影響

圖 1 超聲處理時間對紅棗中短波紅外干燥時間的影響Fig.1 Effects of ultrasonic pretreatment time on the drying time of jujube by medium- and short-wavelength infrared radiation

圖1 表示超聲頻率40 kHz、超聲功率350 W時，不同超聲處理時間對紅棗中短波紅外干燥至其干基含水率約為40%所需時間的影響。由圖1可知，經超聲處理40 min的紅棗中短波紅外干燥至終點所需的時間最短為9.5 h，而未超聲處理（對照組）、超聲20、60、80min干燥時間分別延長了40%、24%、18%、19%。超聲40 min內，中短波紅外干燥紅棗的干燥時間隨超聲時間的延長而減短；超聲超過40 min，干燥時間反而延長。這是由于過長的超聲時間可能導致棗皮組織反復受到較強壓縮和拉伸作用，形成海綿狀結構在一定程度上被疊加，使果皮裂縫變小，果皮變厚，使干燥時間延長[16-17]。由圖1可得，40 min超聲處理中短波紅外干燥紅棗時間顯著縮短。

2.1.2 超聲功率對紅棗中短波紅外干燥時間的影響

圖 2 超聲功率對紅棗中短波紅外干燥時間的影響Fig.2 Effects of ultrasonic power on the drying time of jujube by medium- and short-wavelength infrared radiation

2.1.3 超聲頻率對紅棗中短波紅外干燥時間的影響

圖3表示超聲功率350 W、超聲時間40 min時，不同超聲處理頻率對紅棗中短波紅外干燥至其干基含水率約為40%所需時間的影響。

圖 3 超聲頻率對紅棗中短波紅外干燥時間的影響Fig.3 Effects of ultrasonic frequency on the drying time of jujube by medium- and short-wavelength infrared radiation

由圖3可知，超聲頻率為40 kHz，紅棗中短波紅外干燥至終點所需時間最短為10.2 h。當超聲頻率為59 kHz時，紅棗干燥至終點所需時間為10.8 h，表明較高的超聲頻率對于提高紅棗干燥效率無顯著作用。這是由于，過高的超聲頻率可能導致紅棗內部形成海綿狀結構，使干燥時間延長[16-17]。因此，選擇合適的超聲頻率為40 kHz。

2.1.4 超聲波處理響應面分析試驗結果

對表1進行分析，得到各個因素與紅棗中短波紅外干燥時間之間的多元二次回歸方程如下：

Y=9.22-0.27A＋0.25B＋0.20C＋0.075AB＋0.28AC-0.33BC＋1.88A2＋1.98B2＋1.63C2

表 1 響應面分析試驗設計及結果Table 1 Experimental design and results for response surface analysis

表 2 回歸模型方差分析Table 2 Analysis of variance for response surface quadratic regression modelTable 2 Analysis of variance for response surface quadratic regression model

由表2看出，模型的F值為33.47，P＜0.0001，表明模型方程極顯著，用該二次回歸模型可以預測不同超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至終點所需時間，具有統計學意義。R2=0.990 8則表明此模型的預測值與實際值之間擬合度良好；校正決定系數=0.979 1，說明97.91%的干燥時間變異可由此回歸模型解釋。失擬項的F值達到20.48，P值為0.0067，說明失擬項顯著，容易造成預測值與試驗值之間存在較大誤差。這可能由于挑選紅棗時不可完全避免的個體大小差異等造成。A（超聲時間）及B（超聲功率）影響顯著，而C（超聲頻率）影響不顯著，且對模型影響程度為A＞B＞C。二次項對干燥時間影響均是極顯著的，表明各因素對超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至終點所需時間的影響不是簡單的線性關系，由表2所建立的二次回歸模型能很好地解釋各因素對干燥時間的影響。

響應面分析得到的超聲處理優化條件為：超聲頻率38 kHz、超聲時間42 min、超聲功率346 W；在此優化條件下超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至終點所需時間的預測值為9.2 h。驗證實驗所得的實際值為9.5 h，預測值與驗證值之間的相對偏差小于5%。因此，采用響應面分析得到的超聲處理優化條件參數準確可靠。但考慮到實際情況將超聲處理條件修正為超聲頻率40 kHz、超聲時間40 min、超聲功率350 W，在此條件下超聲處理后中短波紅外干燥紅棗至其干基含水率約為40%時所需時間為9.5 h，與最優超聲處理條件下的干燥時間一樣，因此，將最優超聲處理條件修正為超聲頻率40 kHz、超聲時間40 min、超聲功率350 W。

圖 4 不同超聲處理時間紅棗果皮細胞電鏡掃描圖（×500）Fig.4 Scanning electron microscopic (SEM) observation of jujube peel cells subjected to ultrasonic pretreatment for different durations (× 500)

圖 5 不同超聲處理時間下紅棗果皮細胞電鏡掃描圖（×1 500）Fig.5 Scanning electron microscopic observation of jujube peel cells subjected to ultrasonic pretreatment for different durations (× 1 500)

圖 6 不同超聲處理時間下紅棗果皮橫切面電鏡掃描圖（×500）Fig.6 Cross-sectional SEM observation of jujube peel subjected to ultrasonic pretreatment for different durations (× 500)

2.2 超聲處理對紅棗果皮結構的影響次是超聲20 min和60 min，未超聲處理的紅棗果皮最厚，與500 倍電鏡觀測到的結論一致。

2.3 不同干燥方法對紅棗干燥時間和能耗的影響

表 3 紅棗干燥方式對時間和能耗的影響Table 3 Energy consumption and drying time of jujube products treated by different drying methods

從圖4（500 倍）、5（1 500 倍）可以看出，超聲處理使果皮表面產生了大量的裂縫，裂縫的數量和大小與處理時間有一定關系。超聲40 min的紅棗果皮裂縫數量最多且最大；超聲60 min的果皮相對于超聲40 min，產生的裂縫數量沒有增加且裂縫變小。超聲20 min形成的裂縫數量較少、孔徑較小；未經超聲處理紅棗的果皮沒有任何裂縫。從圖6（500倍）可以看出，未經超聲的紅棗表皮層和亞表皮層緊密結合在一起，不易分離，且表皮層最厚，達到55.7 μm；超聲40 min的紅棗表皮層和亞表皮層易分離，且表皮層最薄，僅38.8 μm；超聲20、60 min的紅棗果皮的表皮層和亞表皮層不及超聲40 min的易分離，且表皮層較厚，分別為48.8、45.9 μm。超聲處理改變了紅棗果皮的細胞，使其在果皮表面產生大量裂縫，利于水分從內部擴散出來，從而減少隨后進行的中短波干燥時間。同時紅棗果皮經過超聲波處理后變薄，進一步較少了干燥時間。

圖 7 不同超聲處理時間的20層紅棗果皮厚度Fig.7 The thickness of 20 layers of jujube peel subjected to ultrasonic pretreatment for different durations

干燥時間和能耗是評價干燥工藝的一個重要指標，從表3可得，傳統分段熱風干燥紅棗至終點需時最長為17.13 h，能量消耗最大為18.81kW·h，單位能耗除濕量最低8.62 g/（kW·h）；未超聲處理中短波紅外干燥至相同條件需13.33 h，能量消耗為14.96kW·h，單位能耗除濕量為10.83 g/（kW·h）；超聲處理40 min中短波紅外干燥僅需時9.55 h，相較于傳統分段熱風干燥能量消耗節約了43.2%，單位能耗除濕量提高了6.53 g/（kW·h）。這是由于中短波紅外干燥發出1～4 μm的中短波紅外線，紅外輻射頻率與物料內部分子熱運動頻率相匹配，將光能轉化為熱能，且物料內部水分遷移方向和熱擴散方向相同，從而使物料得以快速干燥[6]。因中短波穿透性強，紅外線能穿過物料表面輻射到物料內部，因此對厚一點的物料更適合用中短波干燥，與傳統干燥方法相比顯著提高了紅棗的干燥效率。在中短波紅外干燥紅棗前引入超聲預處理，由前面的電鏡掃描結果可看出，超聲使紅棗果皮產生大量裂縫且使其變薄，有利于水分從內部擴散出來，從而加快干燥速率、縮短干燥時間。

2.4 不同干燥方法對紅棗外觀品質的影響

紅棗的感官品質即色澤、形狀等因素在一定程度上決定了銷售市場[20]。從圖8可看出，40 min超聲處理后中短波紅外干燥的紅棗更符合消費者心理，果實收縮較小，顏色最鮮艷。未超聲處理中短波紅外干燥的紅棗果肉收縮較嚴重，部分果皮呈黑褐色。傳統分段熱風干燥的紅棗，果實收縮最嚴重，果皮褐變嚴重，外觀品質最差。

用游標卡尺測20 層不同超聲處理時間下紅棗果皮厚度，從圖7可以看出，不同超聲處理時間的紅棗果皮厚度存在顯著差異。紅棗經超聲處理40 min后果皮最薄，其

圖 8 不同干燥方法對紅棗外觀品質影響Fig.8 Effects of different drying methods on the appearance of dried jujube

表 4 不同干燥方法對紅棗色澤的影響Table 4 Effects of different drying methods on the color of dried jujube

由表4可知，40 min超聲處理后中短波紅外干燥的紅棗L*值最大，a*和b*值偏低，亮度最大，色澤良好。未超聲處理中短波紅外干燥的紅棗a*和b*值較高，L*值較小，色澤較暗。傳統分段熱風干燥的紅棗L*值最小，a*和b*值偏高，色澤最暗。圖8與表4結論一致，產生原因是紅棗干燥時間越長，美拉德反應、焦糖化反應以及抗壞血酸氧化引起的非酶褐變程度越嚴重。

2.5 不同干燥方法對紅棗的品質影響

表 5 不同干燥方法對紅棗品質的影響Table 5 Effects of different drying methods on the quality of dried jujube

從表5可知，不同干燥方式下的紅棗可溶性固形物含量順序為：Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅰ，與總糖含量排列順序一致，紅棗中總糖含量與可溶性固形物含量具有顯著相關性，相關系數為0.972。果蔬在干燥過程葡萄糖和果糖等極易分解和焦化，越長的干燥時間，糖類物質和可溶性固形物損失越嚴重[4]。紅棗中總酸含量排列為：Ⅰ＞Ⅴ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ，超聲處理40 min后中短波紅外干燥所得紅棗的總酸含量為0.63%，未超聲處理中短波紅外干燥所得紅棗的總酸含量為0.76%，傳統分段熱風干燥所得紅棗的總酸含量最高為0.97%，這是由于較長的干燥過程，氨基酸上的氨基較多的參與美拉德反應，使紅棗中氨基基團減少，總酸含量增高[1]。這也導致40 min超聲處理后中短波紅外干燥的紅棗糖酸比最高，達到87.78，口感較甜，感官品質好，消費者更易接受，而分段熱風干燥的紅棗糖酸比最低，為43.00，口感微酸。

干燥過程會造成紅棗部分水溶性維生素的破壞，其中VC極易損失，受溫度、水分活度等影響發生降解[23-24]。從表5可知，40 min超聲處理后中短波紅外干燥紅棗的總VC含量為89.84 mg/100 g，顯著高于其他干燥方式。這是由于VC受干燥時間影響顯著，越短的干燥時間，VC保留率越高。

紅棗中的黃酮和酚類物質極富生物活性，對其營養價值和保健功能具有重要意義[2-3]。從表5可知，超聲處理后中短波紅外干燥的紅棗總黃酮、總酚含量（其中超聲處理40 min的總黃酮、總酚含量最高，分別達到172.34、437.03 mg/100 g）顯著高于未超聲處理后中短波紅外干燥的紅棗（總黃酮含量為123.52 mg/100 g、總酚含量為200.64 mg/100 g），傳統分段熱風干燥總黃酮、總酚含量（分別為92.41、183.22 mg/100 g）最低。這是由于較短的干燥時間下，較少的酚類物質氧化，總黃酮、總酚的破壞會減少[21-22]。

3 結 論

響應面分析得到的超聲處理優化條件為：超聲頻率40 kHz、超聲處理時間40 min、超聲功率350 W，紅棗干燥至干基含水率為40%時所需干燥時間為9.55 h，未超聲處理紅棗所用時間需13.33 h，而用傳統分段熱風干燥則需要17.13 h，超聲處理能夠有效縮短中短波紅外干燥紅棗的干燥時間，中短波紅外干燥干燥效率優于傳統分段熱風干燥。

不同超聲處理時間紅棗果皮厚度存在顯著差異，超聲處理使紅棗果皮表面產生大量裂縫，并使其變薄，其中經超聲處理40 min后果皮最薄，有利于干燥過程中的水分擴散。超聲處理改變果皮細胞結構，有效縮短中短波紅外干燥紅棗的時間。

對比不同干燥方法，在超聲時間40 min、超聲頻率40 kHz、超聲功率350 W條件下超聲處理新鮮紅棗，之后溫度50 ℃、功率1 125 W、風速4.5 m/s的條件下中短波紅外干燥紅棗，其干制品總可溶固形物、總糖、總VC、總酚、總黃酮含量最高，總酸含量最低，色澤最優，干燥時間最短，能耗最少，是最優的超聲處理中短波紅外干燥工藝。

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Impact of Ultrasonic Treatment on Drying Time and Quality of Red Jujubes Dried by Medium- and Short-Wavelength Infrared Radiation

CHEN Wenmin, PENG Xingxing, MA Ting, YANG Zelong, XU Huaide*
(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

In order to improve the quality of dried products and reduce the drying time, red jujubes were subjected to ultrasonic treatment before medium- and short-wavelength infrared drying. The optimal conditions for ultrasonic pretreatment determined by response surface methodology were 40 kHz, 40 min and 350 W. The drying time to reach a moisture content of 40% by medium- and short-wavelength infrared radiation was 9.55 and 13.33 h with and without ultrasonic pretreatment, respectively, while the drying time for untreated samples by traditional hot air drying was 17.13 h. After ultrasonic treatment for 40 min, red jujube peel produced a large number of cracks and became thin, only 38.8 μm in thickness, and were easily separated into cuticular and epidermal layers, which was advantageous for moisture diffusion in the drying process and reducing the drying time of red jujube dried by medium- and short-wavelength infrared radiation. The quality of jujube products dried by medium- and short-wavelength infrared radiation after ultrasonic treatment was signifi cantly better than that of those without ultrasonic treatment and that obtained by traditional hot air drying. Jujubes dried by infrared radiation after ultrasonic treatment contained the highest contents of total vitamin C, total phenols and total fl avonoids and the highest sugar/acid ratio, had the best color, and required the lowest energy consumption. Thus, infrared radiation after ultrasonic treatment is an appropriate method for jujube drying.

ultrasonic treatment; medium- and short-wavelength infrared drying; jujube; drying time; quality

TS255.36

A

1002-6630（2015）08-0074-07

10.7506/spkx1002-6630-201508013

2014-07-17

陜西省難題攻關項目（2013KT ZB02-03-04）

陳文敏（1989—），女，碩士研究生，研究方向為果蔬貯藏與加工。E-mail：chenwenmin555@163.com

*通信作者：徐懷德（1964—），男，教授，學士，研究方向為飲料加工、果品蔬菜貯藏與加工、天然產物提取。

E-mail：xuhuaide@aliyun.com