馬鈴薯超聲強化冷風干燥及品質特性

田伏錦，劉云宏,2,*，黃雋妍，曹獻豪，薛思成，雷雨晴,2

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省食品原料工程技術研究中心，河南 洛陽 471023）

馬鈴薯為茄科多年生草本植物，又名土豆、洋芋等，是人們喜愛的蔬菜之一。馬鈴薯富含淀粉、蛋白質、纖維素、酚類、維生素、氨基酸等多種人體所需的營養物質[1]，具有較高的食用價值，能夠增強人體免疫力、促進腸胃蠕動，可有效預防肥胖、糖尿病、抑郁癥、腫瘤及腦血管疾病等[2]。馬鈴薯貯存不當會造成營養物質損失乃至腐敗變質，因此，通過干燥處理減少馬鈴薯的水分含量并降低水分活度，可有效抑制微生物的滋生及有效成分的降解，從而延長貨架期，提高經濟價值及食用價值。目前常用的馬鈴薯干燥方法為熱風干燥[3-4]，雖然設備成本低、操作簡單，但其干燥溫度較高（40～80 ℃），不利于物料品質及其熱敏性成分的保護。因此，為提高馬鈴薯干燥產品的品質，可通過降低干燥溫度及受熱強度來減少物料熱敏性營養成分的降解與損失，從而增加干制品的經濟與食用價值。

近年來，冷風干燥技術得到越來越多的關注。冷風干燥是一種通過熱泵系統來產生低溫、低濕的干燥介質，以實現在低溫環境下（5～30 ℃）脫除水分的新型干燥方法[5]。冷風干燥最大的優點是通過低溫干燥來抑制物料內部各種酶促反應的進行及有效成分的降解，達到有效保護物料營養成分、色澤、質地的目的。有關洋蒲桃[5]、香椿芽[6]、海參[7]的冷風干燥研究表明，相比于熱風、晾干等其他干燥方式，冷風干燥更有利于產品品質的保護。陳子豪等[8]采用冷風干燥與多種干燥方式進行仿刺參的干燥實驗，結果表明冷風干燥更利于營養成分的保留，且具有很好的工業生產實用性。雖然冷風干燥可以通過低溫干燥來有效保護產品品質，但同時產生了水分傳遞慢、干燥時間過長的問題。為此，可在冷風干燥過程中施加有效的輔助措施來強化其傳質過程，從而在不提高溫度的情況下縮短干燥時間、提高干燥效率。

超聲是一種有效的強化傳質方法，超聲強化干燥技術的應用也日趨廣泛[9-10]。在干燥過程中采用超聲強化，超聲的機械效應可使物料組織產生快速、高頻的振動與擴張收縮來增加組織流動孔道數量；超聲的空化效應可通過激發生成微泡及其劇烈爆破來提高水分流動性[11]，從而減少物料內部水分遷移阻力并促進內部水分擴散，實現干燥速率的有效提高。目前多采用氣介式超聲技術[12]，但此方法會造成大量超聲能量在介質傳播過程中損耗，從而降低超聲效率。而采用直觸式超聲強化技術，即物料直接放在超聲輻射板上，超聲能量可不通過任何氣體介質而直接傳播到物料內部，進而有效提高物料內部傳質速率及超聲能量利用率。現有的超聲強化干燥研究多為干燥前的超聲預處理及熱風干燥過程的超聲強化[13-14]，有關超聲強化冷風干燥的研究十分匱乏。

綜上可知，冷風干燥有保護物料品質、提高物料營養價值的優點，但又具有傳質速率慢的缺陷，而超聲強化干燥具有提高物料傳質效率的特點；因此，將超聲強化應用于冷風干燥，理論上可增強傳質效果，在不提高溫度、保證物料品質的前提下有效縮短冷風干燥時間，提高干燥效率。目前，超聲對冷風干燥的強化效應研究鮮有報道，也鮮見關于馬鈴薯直觸式超聲強化冷風干燥的研究。本實驗將直觸式超聲強化與冷風干燥技術相結合，以馬鈴薯為實驗材料，研究超聲強化冷風干燥的干燥特性及微觀結構，構建超聲強化冷風干燥過程的Weibull模型，探討超聲功率對冷風干燥馬鈴薯中營養成分的影響，并采用層次分析法進行參數優化，以期為超聲強化冷風干燥理論研究及技術發展與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用新鮮馬鈴薯原料購于河南省洛陽市大張超市，要求物料新鮮無損、成熟度一致，購買后在2～4 ℃條件下冷藏備用。采用105 ℃烘箱法測量新鮮馬鈴薯干燥前后質量變化，經計算可得新鮮馬鈴薯的初始干基含水率為（4.97±0.08）g/g（干基，下同）。

沒食子酸（純度≥95%）、Folin-Ciocalteu試劑、兒茶素（純度≥95%） 上海源葉生物科技有限公司；2,4-二硝基苯肼、硫脲、鹽酸、硫酸、碳酸鈉、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、草酸、抗壞血酸等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

本實驗所用的超聲冷風干燥裝置是在LFGZX-3型熱泵式冷風干燥機（浙江湖州歐勝電器有限公司）中加裝一套超聲系統組裝而成，其結構示意圖見圖1。熱泵式冷風干燥機中干燥介質溫度、流速、相對濕度的調節范圍分別為5～30 ℃、0.5～5.0 m/s、20%～90%，工藝參數可在控制面板讀取和控制。超聲系統主要包括超聲換能器和超聲發生器。超聲換能器由不銹鋼超聲振動盤（直徑150 mm）、超聲振子、支撐桿及底盤組成。超聲換能器的諧振頻率為（28.0±0.5）kHz，諧振抗阻≤20 Ω，功率可在0～60 W范圍內調節。超聲換能器通過電纜與置于干燥機外面的超聲發生器相連，其工作參數由超聲發生器直接控制。干燥時，物料放在超聲振動盤表面并一同放于干燥箱內，超聲振子發射的超聲波可通過超聲振動盤直接傳至物料。

圖 1 超聲強化冷風干燥設備Fig. 1 illustration of the ultrasonic-assisted cold air dryer

其他儀器與設備：切片機 德州天馬糧油機械有限公司；Scout SE型電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；SB-120DT型超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司；T6新世紀型紫外-可見分光光度計北京普析通用儀器有限責任公司；TG16-WS臺式高速離心機 湘儀離心機儀器有限公司；JSM-6010LA型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社。

1.3 方法

1.3.1 干燥處理

干燥開始前，設定好所需溫度與功率，將風速固定為3 m/s、介質相對濕度設定為25%。將馬鈴薯洗凈、去皮，用切片機將馬鈴薯切成直徑為40 mm、厚度為3 mm的圓形薄片，每組干燥實驗取約11 個馬鈴薯片，質量范圍為50～55 g。為抑制干燥過程中的酶促褐變，將切好的馬鈴薯片放入沸水鍋中蒸2 min進行鈍酶殺青處理，隨后迅速取出并用吸水紙吸取表面多余水分，將處理后的物料平鋪在超聲振動盤上并稱質量，隨即將物料和超聲換能器一同放入冷風干燥箱，關閉箱門，開啟超聲發生器電源，干燥開始。超聲功率和時間均由干燥機外部的超聲發生器控制。干燥過程中，前3.5 h每隔30 min暫停超聲，將物料連同超聲振動盤一同取出并稱其質量，隨后每隔1 h取出并稱其質量，稱質量后迅速將物料放回，繼續進行超聲強化冷風干燥。當連續兩次質量讀數不變時，即干燥結束。

在研究過程中，分別設定溫度為10、20、30 ℃，超聲功率為0、24、48 W，探究各參數對干燥特性及品質特性的影響。為控制超聲的熱效應及對物料升溫的影響[11]，本研究采用了較低的超聲功率而沒有使用最大超聲功率。為更好探究超聲功率與干燥溫度對馬鈴薯干燥特性與品質指標的影響，本研究固定了風速、物料量、物料厚度等其他干燥參數。每組干燥實驗均重復3 次。

1.3.2 干燥指標的計算

1.3.2.1 物料干基含水率的計算

物料干基含水率按公式（1）計算。

式中：M為物料干基含水率/（g/g）；m為物料質量/g；md為絕干物質質量/g。

1.3.2.2 物料干燥速率的計算

干燥速率按公式（2）計算。

式中：DR為干燥速率/（g/（g·min））；Mt1為t1時刻的干基含水率/（g/g）；Mt2為t2時刻的干基含水率/（g/g）。

1.3.2.3 物料水分比的計算

物料水分比按公式（3）[15]計算。

式中：Mt為物料在t時刻的干基含水率/（g/g）；M0為物料的初始含水率/（g/g）；Me為物料的平衡含水率/（g/g）。

采用靜態等溫吸附法[16]，測得相對濕度為25%時，馬鈴薯片在10、20、30 ℃下對應的平衡含水率分別為0.048、0.041、0.035 g/g。

1.3.2.4 Weibull分布函數的干燥過程擬合

Weibull分布函數是表征和擬合干燥過程的常用公式，其表達式如式（4）[17]所示。

式中：MR為水分比；α為尺度參數/min；β為形狀參數。

擬合精度通過決定系數R2（式（5））及均方根誤差（root mean square error，RMSE）（式（6））來評價。

式中：N為測得的實驗數據個數；MRexp,i為干燥實驗過程中實際測量的第i個水分比；MRpre,i為模型預測的第i個水分比；為干燥實驗過程中i個實際測量值的平均值。

Weibull函數的估算水分擴散系數Dcal估算公式如式（7）所示。

式中：Dcal為估算水分擴散系數/（m2/s）；L為馬鈴薯薄片厚度/m。

1.3.3 馬鈴薯品質的測定

1.3.3.1 總酚含量的測定

總酚的提取與檢測采用Folin-Ciocaileu法，具體操作及方法參照文獻[18]。

1.3.3.2 總黃酮含量的測定

總黃酮的提取與檢測采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法，具體操作及方法參照文獻[19]。

1.3.3.3 VC含量的測定

VC的提取與檢測采用2,4-二硝基苯肼比色法，具體操作及方法參照文獻[20]。

1.3.3.4 馬鈴薯片微觀結構的SEM檢測

將干制馬鈴薯片與超聲振動盤接觸的表面切下并粘到掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）樣品臺上，噴金30 s后觀察馬鈴薯片表面微觀結構，放大倍數100 倍。

1.3.4 層次分析法

圖 2 馬鈴薯片超聲強化冷風干燥工藝目標樹Fig. 2 Target tree for the ultrasonic-assisted cold air drying process of potato slices

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是將有關決策的元素分解成多個目標、準則等層次，以定性和定量分析相結合的綜合評定方法，具有靈活、簡單、有效的優點[21-22]。因此本研究采用層次分析法對超聲強化冷風干燥馬鈴薯的工藝參數進行優化。本研究以總酚、總黃酮、VC含量3 個品質指標為多指標性成分，建立超聲強化冷風干燥工藝評價的目標樹（圖2）。

相對重要性是指兩指標重要性之比，通過比較同一層次目標的相對重要性，構成兩兩比較矩陣，目標樹各層次評分標準見表1。

表 1 目標樹各層次評分標準Table 1 Evaluation standards of the target tree at different levels

目標樹3 項指標中，由每行指標重要性較每列指標重要性之比得到相應的相對重要性，經成對比較判斷后得到優先矩陣見表2。表中數據越大，表明行評價指標較列評價指標越重要。

表 2 馬鈴薯各指標成對比較判斷的優先矩陣Table 2 Priority matrix for pairwise comparison judgment of potato quality indexes

相應的平均隨機一致性指標（random index，RI）見表3。

表 3 平均隨機一致性指標RI表Table 3 Mean random consistency index (RI)

一致性比例（consistency rate，CR）為一致性指標（consistency index，CI）與RI的比（CR＝CI/RI）。當CR＜0.1時，說明各指標判斷優先矩陣滿足一致性要求，即求得的權重系數合理有效。使用AHP 10.5軟件進行分析，得到本研究總酚、總黃酮、VC含量各評價指標的權重系數分別為0.279 7、0.093 6、0.626 7。本實驗中CR＝0.082 8＜0.1，滿足一致性要求。

指標綜合評分計算的公式如式（8）所示。

式中：w為各評價指標的權重系數。

1.4 數據處理與分析

采用Origin 8.5統計軟件進行數據處理與分析。通過方差分析（analysis of variance，ANOVA）進行顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯超聲強化冷風干燥特性

本研究在干燥溫度為10、20、30 ℃的實驗條件下，通過分別施加0、24、48 W的超聲，進行馬鈴薯片直觸式超聲強化冷風干燥實驗。不同超聲功率及溫度下馬鈴薯片的干燥曲線及干燥速率曲線如圖3～5所示。

圖 3 不同超聲功率下冷風干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度10 ℃）Fig. 3 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 10 ℃

圖 4 不同超聲功率下冷風干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度20 ℃）Fig. 4 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 20 ℃

圖 5 不同超聲功率下冷風干燥馬鈴薯片的干燥曲線（a）及干燥速率曲線（b）（干燥溫度30 ℃）Fig. 5 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato slices dried at different ultrasonic powers at 30 ℃

在所有干燥溫度條件下，隨著超聲功率的增大，物料的干燥時間明顯縮短，干燥速率顯著提高，ANOVA結果表明超聲功率對干燥時間影響顯著（P＜0.05）。以溫度20 ℃為例，當附加超聲功率為24 W與48 W時，干燥時間分別為1 290 min和990 min，與未施加超聲的干燥時間（1 530 min）相比，分別縮短15.69%和35.29%；相應平均干燥速率為0.48 g/（g·min）和0.59 g/（g·min），與未施加超聲時的0.37 g/（g·min）相比，分別提高了29.73%和59.46%。可見，施加超聲對馬鈴薯冷風干燥過程有明顯的強化效果。在冷風干燥過程中，物料直接放在超聲振動盤表面，超聲波及其能量可直接傳入物料內部，超聲產生的高頻率振動會使物料內部組織受到較強的壓縮和膨脹應力，導致物料內部發生高頻、快速的收縮和擴展[23]，可增強物料內部水分湍動并提高水分子能量，同時降低物料內部微細管內水分的表面附著力，從而有效促進水分的流動與擴散。此外，超聲空化效應可在物料內部液體中產生微小空泡，其瞬間爆破產生的爆破力與高頻振動產生的破壞應力會減弱與內部流通管道緊密結合水分的附著力，進而提高內部水分的流動性[24]。Fan kai等[25]在對果蔬進行超聲對流干燥時發現，應用超聲可增強干燥過程的水分擴散和傳質系數。隨著超聲功率的增強，超聲產生的機械效應、空化效應隨之增強，物料內部的組織振動及水分湍動也更為強烈，使得水分更易與物料內部微細管壁分離并擴散，從而有效提高干燥速率及縮短干燥時間。

馬鈴薯的超聲強化冷風干燥過程在大多數條件下存在恒速干燥和降速干燥兩個階段，在48 W超聲作用下的干燥初始階段也近似為恒速階段，所有干燥過程均存在較明顯的轉化點，說明馬鈴薯超聲強化冷風干燥存在表面汽化控制轉化為內部擴散控制的現象，對應的臨界含水率約在3.0～3.6 g/g（干基）區間內。含水率較高時，物料表面充分濕潤，物料所含水分均較為充足，且以自由水為主，致使該階段的表面水分蒸發速率恒定；隨著干燥的進行，物料表面水分含量顯著減少甚至開始出現干區，當含水率降低至轉化含水率后，物料內部質熱傳遞阻力大于表面質熱傳遞阻力，物料內部水分來不及擴散到物料表面，進入到內部擴散控制階段，并伴隨著水分蒸發速率及干燥速率不斷降低。

由圖3～5還可看出，在干燥初期的恒速干燥階段，物料水分含量較高，較高超聲功率對應的干燥速率要顯著高于較低功率的干燥速率，不同超聲功率條件下的干燥速率曲線有明顯差異；隨著干燥的進行及物料水分含量的降低，干燥進入到降速干燥階段，干燥速率的差異逐漸減小，直至與無超聲作用時的干燥速率曲線無明顯差異。這是由于在物料的干燥初期，物料含水率及內部自由水分含量較高，此時超聲波在物料中傳播的衰減系數較小，超聲波在物料內部傳播狀態較好，能夠產生較強的機械效應與空化效應[14]，與未施加超聲的物料相比，施加超聲的物料在初期的干燥速率明顯升高，且超聲功率越大，對干燥速率的強化效果越顯著。隨著干燥的進行，物料內部水分含量及自由水比例不斷降低，超聲波的衰減系數隨之變大[23]，超聲波能量在物料內部擴散的衰減加劇，不利于超聲的機械效應與空化效應，致使超聲對物料干燥的強化效果減弱，從而縮小了施加超聲與未施加超聲干燥速率的差距。在干燥后期，物料所含水分很少，超聲難以有效傳入物料內部并對傳質過程產生顯著作用，導致干燥后期的干燥速率曲線最終無明顯差異。

圖3～5還表明冷風溫度對超聲強化冷風干燥馬鈴薯干燥特性的影響。ANOVA結果表明溫度對干燥時間影響顯著（P＜0.05）。例如，在48 W超聲功率條件下，30 ℃時所需的干燥時間比10 ℃的干燥時間縮短56.60%。這是由于溫度升高，干燥介質與物料之間溫差變大，熱流密度隨之增加，提高了傳熱速率；同時溫度的升高會降低干燥介質的相對濕度，使物料與干燥介質之間的蒸汽壓差增大，提高傳質速率。傳熱和傳質速率增大的結果是干燥時間的有效縮短。對比不同溫度下的干燥曲線可知，溫度的不同會導致超聲對干燥過程的強化效果不同。在溫度為10 ℃時，單純冷風干燥馬鈴薯片的時間為2 790 min，在施加24 W和48 W超聲功率后，時間分別縮短了23.65%及45.16%；溫度升至30 ℃時，施加24 W和48 W超聲功率后，干燥時間分別縮短21.62%及37.84%。由此可見，在低溫條件下，超聲對干燥時間的影響更為顯著。Cárcel等[26]研究了超聲對空化過程的影響，結果表明溫度越低，超聲的空化效應越明顯，與本實驗結果相吻合。在干燥過程中，超聲對干燥速率的強化效果主要取決于超聲波產生的機械效應和空化效應，溫度升高會提高物料內部水分蒸汽分壓并降低其表面張力[27]，增加了微泡爆破難度，在一定程度上會弱化超聲的強化效果。

圖 6 20 ℃不同超聲功率下超聲強化冷風干燥馬鈴薯片表面的微觀結構Fig. 6 Surface microstructure images of potato slices dried with different ultrasonic powers at 20 ℃

不同超聲功率下超聲強化冷風干燥馬鈴薯干制薄片與超聲輻射板接觸的表面微觀結構如圖6所示，對應的干燥溫度為20 ℃。可見，沒有施加超聲強化的物料表面結構致密，微孔道較小且少，這是由于干燥過程中物料的持續脫水與不斷收縮導致其結構趨于緊密，一些微孔因受擠壓而消失，這種現象和結構不利于水分擴散。在施加24 W超聲后，可以看出物料表面微細孔道的數量明顯增多，直徑也有所增大。這是由于超聲的機械效應與空化效應擴張和保護了原有的微細孔道，從而有利于水分的擴散與遷移。在施加48 W超聲后，物料表面微細孔道的尺寸和數目繼續增大和增加，且出現了少量大孔和微小孔。增強超聲功率會顯著增加對物料表面的振蕩、擴張收縮和沖擊，這些效應如果足夠強，會擴張一些原有微小孔道，從而出現少量較大孔洞。而新出現的少量微孔，一方面是超聲的強化效應阻止了一些小孔道的收縮及消失；另一方面，也有可能是超聲的空穴效應帶來的高頻振蕩和微泡爆破在物料表面產生了新的微孔。Sabarez等[10]也認為超聲對干燥過程的強化效應會使果蔬等多孔膠體物質中產生新的毛細微管。表面微觀結構的差異表明在馬鈴薯冷風干燥過程中施加超聲強化處理，有利于增加和增大微細孔道，從而有利于傳質及干燥的進行，這與前述增大超聲功率有利于縮短馬鈴薯冷風干燥時間的研究結果吻合。

2.2 馬鈴薯片超聲強化冷風干燥過程的Weibull分布函數擬合

利用Weibull分布函數對不同干燥條件下的馬鈴薯薄片超聲強化冷風干燥過程進行回歸分析，結果見表4。Weibull函數擬合的決定系數在0.998 5～0.999 9之間，RMSE在3.28×10-3～12.28×10-3之間，說明Weibull分布函數可準確描述馬鈴薯片超聲強化冷風干燥過程。

表 4 不同干燥溫度及超聲功率下Weibull函數模擬結果Table 4 Simulation of potato drying at different temperatures and ultrasonic powers with Weibull function

2.2.1 尺度參數α

Weibull函數中的尺度參數α為表示干燥過程中的速率常數，其約等于干燥過程完成63%所需要的時間。由表4可知，在單一冷風干燥條件下，當干燥溫度從10 ℃升至30 ℃時，α由928.876 min減少至395.288 min；在附加48 W超聲功率條件下，隨著干燥溫度從10 ℃提高到30 ℃，α從257.150 min減少至163.915 min。可見，隨著溫度的升高，α減小，且隨著施加功率的提高，α的變化范圍縮小。由表4還可看出，干燥溫度為10 ℃，施加的超聲功率從0 W分別升至24 W和48 W時，所對應的α自928.876 min分別減小至493.679 min和257.150 min；在干燥溫度為30 ℃的條件下，隨著超聲功率自0 W升高到24 W和48 W，α從395.288 min分別減少至283.767 min和163.915 min。上述結果表明在相同的干燥溫度下，提高超聲功率會導致對應的α減小，說明應用直觸式超聲可明顯縮短冷風干燥馬鈴薯片的干燥時間，此結果與前述的超聲強化冷風干燥馬鈴薯片的實驗結果一致。

2.2.2 形狀參數β

形狀參數β與干燥過程中水分的遷移有關[28]。由表4可知，在超聲強化冷風干燥馬鈴薯的過程中，不同條件下β的變化范圍為1.025～1.196，表明干燥過程屬于內外水分共同擴散控制[17]，表現為物料在干燥前期先出現延滯階段，在干燥后期則呈現干燥速率不斷降低，這與本實驗先出現平緩的恒速階段，再出現降速階段的現象一致。由表4還可知，溫度的改變對β的影響不明顯，說明在10～30 ℃范圍內改變干燥溫度對水分遷移機制影響不明顯，這與Corzo等[28]的溫度不對β產生顯著影響的研究結果一致。

2.2.3 水分擴散系數Dcal

Weibull函數可在不考慮干燥過程中擴散方式的情況下，估算干燥過程中的水分擴散系數，尤其適合恒速階段與降速階段都出現的干燥過程[29]。不同干燥條件下的Dcal如表4所示，Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10m2/s范圍內。Dcal隨著溫度的升高而升高，這是因為隨著溫度的升高，物料周圍空氣相對濕度減小，蒸氣壓差增大，從而加快傳質速率。此外，干燥溫度的升高使物料溫度升高，內部水分子能量增加，有利于水分的進一步擴散[17]。由表4還可知，超聲功率的增加可提高Dcal。例如，在20 ℃條件下，施加24 W和48 W超聲時的Dcal比未施加超聲時分別增加83.10%和223.24%，可見，在施加直觸式超聲的情況下，干燥物料內部的擴散阻力可顯著降低，從而提高內部傳質速率。超聲產生的空化效應與機械效應協同作用可增加物料內部的水分流動孔道數，減小微細管道上水分的附著力，提高水分活度，進而促進水分遷移和提高水分擴散系數。

2.3 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產品的總酚含量

圖 7 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的總酚含量Fig. 7 Total phenol contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

馬鈴薯所含酚類物質豐富，是人們日常飲食中繼蘋果和橘子之后第3個酚類物質的重要來源[1,4]。不同超聲功率及溫度下馬鈴薯中總酚含量如圖7所示。總酚含量在239～487 mg/100 g，ANOVA結果表明超聲功率和干燥溫度對總酚含量的影響顯著（P＜0.05）。在相同功率條件下，隨著溫度的升高，總酚含量呈現持續升高的趨勢。酚類物質具有較強的活性，在干燥過程中容易氧化降解，在低溫條件下（如10 ℃），雖然溫度低有利于減緩酚類物質的氧化速率，但由于干燥處理時間過長，致使酚類物質的氧化降解時間過長，從而導致酚類物質較多的氧化降解；當溫度分別升高至20 ℃和30 ℃時，干燥時間顯著縮短，酚類物質與空氣接觸的時間及對應的氧化降解時間均隨之變短，從而提高了酚類物質的保存率[30]。由圖7還可看出，在溫度一定的條件下，總酚含量隨超聲功率的增加而升高。例如，在溫度為10 ℃和30 ℃時，單一冷風干燥所得的物料總酚含量分別為239 mg/100 g和414 mg/100 g；當外加24 W的超聲作用后，10 ℃和30 ℃所對應的干燥物料中總酚含量分別升至268 mg/100 g和448 mg/100 g，提高幅度分別為12.1%和8.2%；繼續增加至48 W時，相應總酚含量分別達到296 mg/100 g和487 mg/100 g，比單一冷風干燥分別提高了23.8%和15.0%。可見，在馬鈴薯冷風干燥中施加超聲強化可對保護總酚物質起到積極作用。隨著超聲功率的增加，物料的干燥時間及與環境中氧氣的接觸和反應時間縮短，從而能有效減少酚類物質的降解，提高產品質量。Ordó?ez-Santos等[31]通過對果汁施加超聲處理來研究產品的品質變化，也發現超聲處理可明顯增加物料中總酚的利用率。

2.4 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產品的總黃酮含量

圖 8 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的總黃酮含量Fig. 8 Total fl avonoid contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

不同超聲功率及溫度下馬鈴薯中總黃酮含量及變化如圖8所示。馬鈴薯片的總黃酮含量范圍為47～61 mg/100 g，ANOVA結果表明超聲功率與干燥溫度均對總黃酮含量影響顯著（P＜0.05）。由圖8可知，在冷風干燥中，同功率下總黃酮含量呈現先升高后下降的趨勢，在10 ℃和30 ℃條件下較低，在20 ℃條件下較高。這是因為溫度較低時，干燥時間過長，致使總黃酮長時間持續地發生降解反應，從而使其含量偏低；隨著溫度的升高（如20 ℃），干燥時間大幅度縮短，總黃酮降解時間縮短，從而有利于其有效保留；然而，溫度的持續升高（如30 ℃及以上）會導致黃酮類物質的活性增強及降解速率提高，反而不利于總黃酮的保存[32]。因此，低溫干燥有利于抑制黃酮類物質的降解，高溫雖可縮短黃酮的分解時間，但溫度過高或過低都會導致較多黃酮物質降解，從而不利于黃酮的保留。此外，在溫度低至10 ℃時，隨著超聲功率的增加，黃酮含量隨之升高，這是由于超聲功率的增加致使干燥時間大幅度縮短，從而縮短黃酮的降解時間；但在溫度為20 ℃和30 ℃時，黃酮含量呈現先上升后下降的趨勢，這有可能是因為施加超聲會造成物料組織細胞的破損，促使黃酮物質從細胞中析出并與外界接觸，在較高溫度條件下導致其降解速率上升，且超聲功率越強，組織受到的破壞應力越大，黃酮物質與外界空氣更早、更充分接觸，從而不利于提高黃酮的保留率。

2.5 不同超聲功率及溫度下馬鈴薯干燥產品的VC含量

圖 9 不同干燥溫度及超聲功率下馬鈴薯片的VC含量Fig. 9 Vitamin C contents in potato slices dried at different drying temperatures and ultrasonic powers

VC為十分不穩定的熱敏性營養成分，在干燥過程中極易損失、不易保存，有研究表明熱風干燥中VC損失率可高達85.25%[33]。不同超聲功率及溫度下VC含量如圖9所示。干燥后物料的VC含量在57～96 mg/100 g之內，ANOVA結果表明超聲功率及干燥溫度對其有顯著影響（P＜0.05）。如圖9所示，在超聲功率為48 W的條件下，10、20、30 ℃時VC的含量分別為96、83、80 mg/100 g，表現為VC含量在相同功率條件下呈下降趨勢。VC對溫度極其敏感，提高干燥溫度會使物料溫度隨之升高，會導致VC降解速率顯著上升，促使VC的降解并降低其保留率。Gamboa-Santos[34]和López[35]等的研究也表明溫度越高，V C的含量越難保持；Spínola等[36]在對果蔬中VC含量進行測定評價時發現，低溫更利于VC的保留。由圖9可知，當溫度一定時，在馬鈴薯冷風干燥中進行超聲輔助可有效提高VC的保留率。以10 ℃為例，在單一冷風干燥條件下，馬鈴薯片的VC含量為68 mg/100 g，當分別施加24 W和48 W超聲時，VC含量分別升至81 mg/100 g和96 mg/100 g，提高幅度分別為19.1%和41.2%。可見，施加超聲對提高VC含量有明顯的效果。超聲通過加速物料中水分的遷移和提高干燥速率來縮短VC的降解反應時間，從而有利于對VC的保護，提高產品營養價值。

2.6 AHP優化結果

表 5 不同干燥溫度及超聲功率下AHP綜合評分Table 5 Comprehensive quality evaluation of dried potatoes with AHP at different drying temperatures and ultrasonic powers

不同干燥溫度及功率下所有品質指標的AHP綜合評分如表5所示。在本研究的馬鈴薯超聲強化冷風干燥實驗中，最優干燥溫度和超聲功率分別為10 ℃和48 W，所對應總酚、總黃酮、VC的含量分別為296、52、96 mg/100 g。次優參數組合分別為30 ℃和48 W、20 ℃和48 W，即在各個溫度水平下，施加了48 W的超聲強化冷風干燥所得產品的營養成分綜合評分較高。綜上可知，在馬鈴薯冷風干燥過程中輔以超聲強化，在有效縮短干燥時間的同時還能達到提高產品品質的目的。

3 結 論

本實驗以馬鈴薯為干燥試材，進行超聲強化冷風干燥研究。結果表明，干燥溫度和超聲功率對馬鈴薯片干燥過程有顯著影響。對冷風干燥過程進行超聲強化可顯著縮短干燥時間、提高干燥速率，超聲功率越大則強化效果越明顯。溫度越低，超聲對干燥的強化效應越明顯。隨著干燥的進行，物料含水率逐漸降低，會導致超聲能量衰減加速及強化效應的減弱。SEM觀察結果表明，在冷風干燥過程中施加超聲強化處理，可增多物料表面的微細孔道數目和增大其直徑，超聲功率越大，則微孔數目越多、孔道尺寸越大，從而更有利于傳質和干燥進行。

Weibull函數可以很好地預測馬鈴薯超聲強化冷風干燥過程的水分變化規律。尺度參數α隨溫度的升高和超聲功率的增加而減小；形狀參數β略大于1，說明干燥過程屬于內外水分共同擴散控制。估算水分擴散系數Dcal在0.97×10-10～5.49×10-10m2/s范圍內，其隨著超聲功率和干燥溫度的升高而增大。

冷風干燥溫度和超聲功率對總酚、總黃酮、VC含量有顯著影響。隨著溫度的升高，總酚含量呈上升趨勢，總黃酮含量呈先升高、后下降趨勢，VC含量呈下降趨勢。同溫度下，隨著功率的升高，總酚含量呈上升趨勢，總黃酮含量在10 ℃時呈上升趨勢，在20、30 ℃時呈先升高后下降趨勢，VC含量呈升高趨勢。總體而言，利用超聲技術來強化冷風干燥有利于保護產品的營養成分。利用AHP進行優化，確定馬鈴薯超聲強化冷風干燥的最佳工藝參數，在干燥溫度為10 ℃及施加功率為48 W條件下，馬鈴薯干燥產品的綜合品質最優，所對應的總酚、總黃酮、VC的含量分別為296、52、96 mg/100 g。