超聲波協同作用對真空凍干杏脫水及其品質的影響

靳力為，任廣躍,2*，段續,2，張迎敏

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471023)2(糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 鄭州，450000)

杏果實風味酸甜可口，且含有大量人體必須的維生素與微量元素，具有極高的營養價值。但杏成熟時期較為集中，果實易腐爛變質，不易儲存，鮮果的貨架期僅有3～5 d，極大制約了杏產業的快速發展[1]。因此，常將其加工為杏干保存，方便儲藏運輸。杏的干制以自然晾曬為主，另有熱風烘干技術以及太陽能干燥技術。傳統自然晾曬杏干存在干燥時間長、污染嚴重、受天氣影響較大、經熏硫過后的杏干褐變嚴重、品質劣變等問題[2]。熱風烘干技術干燥耗時長，產品品質受溫度影響較大，過利敏等[3]研究發現，熱風烘干杏最佳溫度為50 ℃，干燥時間約60 h，且干燥溫度越高，品質指標劣化越嚴重。太陽能干燥產品雖然品質有所提高，但干燥時間較長，徐麟等[4]研究發現以太陽能干燥設備制備杏干優品率可達到83.30%，是自然晾曬優品率的1.2倍，但干燥時間卻長達5 d。

真空冷凍干燥技術是一項極具發展潛力的高新食品加工技術，凍干產品脫水更為徹底，更適合用于長期保存和需要長途運輸的物料[5]，凍干后的產品可最大程度保留原有活性成分和色澤形態[6]，張向陽等[7]研究發現真空凍干荔枝VC損失較少，凍干產品組織結構較好，邢娜等[8]研究發現真空凍干得到的蘋果組織相對更好。真空凍干產品復水性較高[9]。但真空冷凍干燥要求條件較高，干燥時間較長，設備復雜，能耗較高，導致成本較高[10]，這極大地限制了真空凍干技術在食品干燥中的應用。

超聲波因其產生的熱效應、機械效應和空化效應在食品干燥方面有著越來越多的應用[11]，陳立夫等[12]研究發現雙孢菇經超聲滲透處理后干燥時間縮短28.62%，且多種營養物質的保留率、復水比、硬度均較高。任廣躍等[13]研究發現，超聲波預處理可提高凍干香菇產品的復水能力約29%。超聲波的空化效應可擴大原料內部孔隙，提高干燥過程中水分遷移速度，可有效縮短凍干時間。超聲波可以控制結晶生長的速度, 使晶體細小而均勻，可降低凍干過程對物料的損害[14-15]。近幾年來，有研究者將超聲波運用于食品干燥前處理以及原料滲透脫水處理等方面，均得到了節約干燥時間的效果[16-18]。但目前國內外對于真空冷凍干燥杏以及超聲波作為協同處理的研究較少。

結合以上各方面的研究，本試驗采用超聲波協同真空凍干對杏進行研究，綜合考察不同超聲前處理條件對杏的品質的影響，并選出最佳的超聲前處理條件，為超聲協同真空凍干作用的深入研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山東煙臺大黃杏(初始濕基含水率為90%)，要求軟硬適中，大小均勻，無明顯損傷，無腐爛。

抗壞血酸,江蘇強盛功能化學股份有限公司；草酸,天津德恩化學試劑有限公司；2,6-二氯靛酚,江蘇強盛功能化學股份有限公司；NaHCO3,天津德恩化學試劑有限公司；試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

KD0248果蔬切片器，廣東膳道廚具有限責任公司；GLZ-0.2真空冷凍干燥機，上海浦東冷凍干燥設備有限公司；KQ-500DE超聲波清洗器：，昆山市超聲儀器有限公司；SMS TA.XT Epress Enhanced食品物性分析儀，Stable Micro Systems Ltd；TM3030Plus掃描電鏡，日本株式會社日立高新技術那珂事業所；101型電熱鼓風恒溫干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；DW-FL450型-40 ℃超低溫冷凍儲存箱，中科美菱低溫科技股份有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品預處理

挑選大小均勻的新鮮杏，洗凈去皮去核，用切片器切成5 mm的杏片備用。

1.3.2 超聲預處理試驗

影響超聲波對物料凍干速率的因素主要有超聲功率、超聲處理溫度、超聲處理時間、物料厚度等。因本試驗將杏均勻切薄片處理，故而只考查功率、溫度及時間的影響。分別設置超聲功率250、300、350、400、450 W，超聲處理溫度20、25、30、35、40 ℃，處理時間5、10、15、20、25 min，將預處理后的杏片放置于240 mm×160 mm×0.16 mm的聚酯真空包裝袋中，抽真空后放入超聲波清洗器，對每個影響因素分別進行單因素試驗，每個處理組為100 g杏片，每組試驗重復3次。

1.3.3 凍干試驗

將經超聲處理的杏片與未經處理杏片稱重后放入冰箱中冷凍8 h，凍干機隔板溫度-25 ℃后將凍結好的杏片放入，冷阱溫度-40 ℃，真空度100 Pa以下，真空凍干6 h。

1.3.4 超聲預處理響應面分析試驗

在單因素試驗基礎上，以超聲處理后真空冷凍干燥杏片6 h后的脫水量為響應值，設計3因素3水平響應分析試驗。因素水平見表1，并采用多元回歸分析，擬合二次多項式回歸模型的Box-Behnken試驗設計[18]，進行結果分析，得最優超聲處理條件。

表1 超聲預處理Box-Behnken試驗設計因素及水平

1.3.5 指標的測定

1.3.5.1 脫水量的測定

脫水量按照公式(1)計算：

(1)

式中：Ms，杏干脫水量，%；Gs，杏片干燥前的質量，g；Gg，杏干的質量，g。

1.3.5.2 復水比的測定

即干燥樣品在一定時間內復水后與復水前的重量之比，取干燥樣品在40 ℃蒸餾水中浸泡30 min，取出放在濾紙上瀝干水分，稱其重量。重復3次，取平均值。由公式(2)可算出：

(2)

式中：RR，復水比；Wr，樣品復水后瀝干的質量，g；Wd，樣品復水前的質量，g。

1.3.5.3 VC保存率的測定

采用2,6-二氯靛酚法[20]。測試結果按照每100g凍干杏片所含維生素C的毫克數表示。由公式(3)可算出：

(3)

式中：Y，杏干VC保存率，%；V1，新鮮杏片中VC的含量，mg/100g；V2，真空冷凍干燥后杏片VC的含量，mg/100g；X1，新鮮杏片的含水率，%；X2，真空冷凍干燥后杏干的含水率，%。

1.3.5.4 質構特性的測定

利用食品物性分析儀測定杏干的剪切力，使用單刀剪切探頭模擬人的咀嚼效果，對物料進行剪切試驗并提取其硬度與咀嚼性數據。設置探頭下降速度為2 mm/s，下降距離為3.5 mm。

1.3.6 微觀特性的測定

利用掃描電鏡，放大倍數為100倍，測定杏干的微觀特性。

1.3.7 干燥能耗的測定

采用平均功率與干燥時間的乘積作為干燥能耗，由公式(4)可算出：

N=W×T

(4)

式中：N，能耗量，kW·h；W，額定輸入功率，kW；T，總干燥時間，h[21]。

2 結果與分析

2.1 超聲處理條件優化試驗結果

2.1.1 不同超聲處理條件對真空凍干杏脫水量的影響

超聲預處理對杏干脫水量的影響結果如圖1所示。由圖1可知，超聲功率處于250～350 W時，杏干的脫水量隨著功率的增加逐漸提高，在350 W時達到最高點，超聲波所產生的空化效應使杏片內部組織細胞破碎，在干燥過程中水分逸出速率加快。在超聲處理過程中，杏片組織內部逐漸形成海綿狀疏松結構，在凍結過程中形成較小且分布更加均勻的冰晶，利于物料在凍結過程中內部形成較多孔道，在干燥過程中內部產生較多孔隙，有利于干燥過程中水分的逸出[22]；但超聲功率介于350～450 W時，隨著功率的增加，杏干的脫水量迅速降低，過高的超聲功率可能使杏片內部組織結構過分破壞，反而不利于水分的逸出，進而導致其脫水量降低。

圖1 不同超聲前處理條件對杏脫水量的影響

超聲溫度介于20～35 ℃，隨著溫度升高，脫水量隨之增加，超聲溫度高于35 ℃后脫水量開始降低，過高的處理溫度以及超聲波產生的過大熱效應使杏片軟塌黏連，水分難以逸出。

超聲處理時間介于5～15 min時，隨著處理時間的增加，杏干的脫水量隨之增加，在時間高于15 min后杏干脫水量緩慢降低，超聲處理時間過長，導致杏片內部組織結構破壞嚴重，使得水分難以逸出。

2.1.2 超聲處理響應面分析試驗結果

通過響應面法對超聲功率(A)、處理時間(B)和處理溫度(C)3個因素的優化設計及結果見表2。

表2 超聲處理的響應面試驗設計結果

表3 多元回歸模型方差分析

注：**表示差異極顯著，P<0.01

在單因素試驗中綜合考量發現理溫度為30 ℃時脫水量最佳，僅有一組試驗的數據中35 ℃條件下脫水量較好，故選擇25 ℃、30 ℃、35 ℃三個水平進行響應面分析。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表2的數據進行分析得出的方差分析結果如表3所示。由表3可知，超聲功率和超聲處理溫度對杏干脫水量的影響極顯著(P<0.01)，超聲處理時間對杏干脫水量的影響顯著性較差(P<0.5)。以脫水量作為響應值，經過擬合后得到回歸方程：杏干脫水量=60.44+1.33A+1.94B+0.13C-0.13AB-0.035AC+0.20BC-4.12A2-0.65B2-1.73C2。

由圖2可以直觀地看出各因素交互作用對杏干脫水量的影響，若曲線越陡峭，表明各因素對脫水量的影響越大[23]；2D圖形狀可以說明因素間的交互作用顯著與否[24]，通過2D圖可以看出，超聲功率和處理溫度、處理溫度和處理時間對杏干脫水量的交互作用顯著性較差，超聲功率和處理時間對杏干脫水量的交互作用不顯著，這與表3結果吻合。

圖2 多元回歸模型響應面圖和等高線圖

通過軟件分析確定超聲處理杏片的最佳條件為：超聲功率357.26 W、處理溫度35 ℃、處理時間15.46 min，在此條件下杏干的脫水量為61.83%，考慮到實際操作的可行性，參數調整為：超聲功率350 W、處理溫度35 ℃、處理時間15 min，在此條件下杏干脫水量為(61.47±0.28)%，試驗值與預測值一致性較好，說明該多元二次回歸方程可靠性較好，適合對杏干脫水量的預測。

2.2 不同超聲處理條件對杏干品質的影響

由于脫水量無法全面地說明超聲處理對杏干綜合品質的影響，故選擇相同條件下脫水量較高的5種超聲處理條件的杏干與未經超聲處理的杏干進行品質比較，具體分組見表4，綜合探究超聲處理條件對杏干品質的影響。

表4 樣品分組表

2.2.1 超聲處理條件對復水比的影響

不同超聲處理條件下的6種杏經凍干后復水比如圖3所示。

圖3 不同處理條件杏干復水比

經超聲處理(功率350 W水溫35 ℃時間15 min)的杏干復水性最好，在該條件下杏干的孔隙分布較多更容易吸收水分，可在較短時間內恢復較多的水分。超聲處理條件功率為350 W時，水溫為30 ℃條件下處理20 min的杏干復水比較處理15 min的有明顯提高，相同條件下適當延長超聲處理時間對孔道形成具有利影響。未經超聲處理的杏干相比較而言復水比最低，這與其表面孔隙較少，較難吸收水分相關，故復水性較差，周新麗等[25]研究發現經超聲預處理的胡蘿卜樣品復水比最高，進一步說明了超聲波的協同作用可以使物料內部產生更多的孔隙，更利于水分的逸出，在復水過程中較多的孔隙也可有效提高復水比。

2.2.2 不同超聲處理條件對杏干VC保存率的影響

VC是一種較為重要的熱敏感性營養活性物質，在凍干過程中隨著隔板溫度的升高物料內部水分不斷升華減少，VC在該過程中極易受到破壞，故有一定程度的損失。未經超聲處理的杏干VC保存率為76.83%，超聲功率為350 W、水溫35 ℃條件下處理15 min的杏干VC的保存率最高為80.24%，相同條件下處理20 min的杏干VC的保存率為79.06%，較未經處理的杏干分別提高了3.44%與2.23%，通過比較發現6種不同處理條件的杏干VC保存率并沒有太大差距，說明超聲條件對在干燥過程中VC的保存影響不大。

圖4 不同處理條件杏干VC保存率

2.2.3 不同超聲處理條件對杏干質構特性的影響

6種不同處理條件下杏片經凍干后的質構特性結果如圖5所示。

圖5 不同處理條件杏干質構特性

這6種杏干在剪切過程中沒有明顯的斷裂峰，有較強的黏滯現象，表明其均具備酥脆的質地和疏松多孔的組織結構，這與陳鑫[26]的研究結論相近，超聲波的協同作用使這一效果更為明顯。由圖5可見，加入超聲處理(功率350 W，水溫30 ℃)15 min的杏干硬度較低，咀嚼性一般，相同條件下處理20 min的杏干硬度與咀嚼性均有所提高，說明相同處理條件下，硬度和咀嚼性隨著超聲處理時間的增加而提高。超聲處理(功率350 W，水溫35 ℃)15 min的杏干硬度稍低于相同條件下處理20 min的杏干，但咀嚼性卻高于處理20 min的杏干，說明該條件下處理15 min的杏干硬度適中，咀嚼性較優，酥脆特性最為明顯，杏干綜合品質更優。超聲處理(功率400 W，水溫30 ℃，時間15 min)的杏干硬度與咀嚼性均為最差，由于較高的超聲功率導致物料內部結構發生改變，細胞壁強度下降，呈更為松散微孔形態，中空結構較多，最終導致硬度較低。

2.3 不同超聲處理條件對杏微觀結構的影響

6種不同處理條件的杏干縱截面掃描電鏡結果如圖6所示。

圖6 不同處理條件杏干縱截面電鏡掃描圖 (×100)

真空凍干杏干樣品總體孔隙較為明顯，在干燥過程中沒有熱損傷，細胞損壞較少，與徐磊等[27]對白芨真空凍干特性研究結論類似。超聲處理(功率350 W、水溫35 ℃、時間20 min)的杏干內部孔道最為明顯，且內部孔隙也較多，相同條件下處理15 min的杏干內部孔道更為密集均勻，且孔道較大，更加利于干燥過程中水分的升華。超聲處理(功率400 W，水溫30 ℃，時間15 min)的杏干與未經超聲處理的杏干內部孔隙較為相似，均為大而少的孔隙，與王海鷗等[28]對超聲處理凍干蘋果片研究結論相近。超聲功率較高時，對物料內部結構無法產生有利影響，反而與未經超聲處理的結構相似。在超聲功率為350 W、水溫30 ℃條件下，處理15 min與20 min的杏干內部孔道結構較為相似，內部孔道較少也較為稀疏，但是仍多于未超聲杏干與400 W超聲處理杏干，說明在溫度、時間相同的條件下，超聲功率為350 W可以對杏片內部結構產生有利影響，更加利于形成內部空化氣泡較多的海綿狀結構，進而加速去除杏片內部與其緊密結合的水分，提高干燥速率。

6種不同處理條件的杏干橫截面掃描電鏡結果如圖7所示。由圖7可以看出，真空凍干的杏干表面孔隙分布較多，較為明顯，未經超聲處理的杏干橫截面表面孔隙較少，且表面結構較為緊密，不利于水分的逸出；而經過超聲處理后的杏干表面孔隙量較未經超聲處理的有不同程度的增加。超聲處理(功率350 W，水溫30 ℃)15 min與20 min的杏干表面孔隙量較未經超聲處理的杏干表面孔隙量明顯增多，且孔隙較大。超聲處理(功率350 W，水溫35 ℃)15 min的杏干表面孔隙數量最多，孔隙小而密集，更利于水分的逸出，處理20 min的杏干孔隙同樣較為多，但出現表面孔隙粘連的趨勢。超聲處理(功率400 W，水溫30 ℃，時間15 min)的杏干表面孔隙量雖然比未超聲處理的孔隙量多，表面結構粘連較為嚴重，影響了水分的逸出，可能是由于超聲功率增加到一定程度后杏片表面結構受到過分破壞，物料發生塌陷，反而不利于水分的逸出，這也從另一方面解釋了400 W超聲條件下杏干的脫水量與干燥速率較350 W超聲處理的杏干有所降低。

圖7 不同處理條件杏干橫截面電鏡掃描圖 (×100)

2.4 不同超聲處理條件對干燥能耗的影響

經計算發現，未加超聲波協同作用，真空凍干杏干需9 h，共耗電22.5 kW·h，能耗較高。這與張凡偉等[29]對真空凍干能耗研究結果相近。加入超聲波協同作用15 min，超聲能耗為0.887 kW·h，真G空凍干時間降低，僅需8 h，所需能耗為20 kW·h，加之超聲能耗，總能耗為20.887 kW·h，較未加超聲波協同作用真空凍干過程能耗降低7.17%，說明適當超聲處理條件可降低真空凍干全過程能耗。

3 結論

本試驗以脫水量、微觀結構、VC保存率以及質構特性等方面綜合分析了超聲波協同作用對杏真空冷凍干燥品質的影響。結論如下：經超聲處理后可顯著提升杏片的凍干速率，提高干制產品品質，降低干制成本。經不同超聲條件處理的杏干在真空冷凍干燥6 h后，其脫水量有明顯差異，較未經超聲處理的杏片相比有不同程度的影響，掃描電鏡結果表明，超聲處理后杏片表面形成更疏松多孔的組織結構，內部孔道也有所增加，更有利于內部水分遷移，其中超聲功率350 W水溫35 ℃處理時間15 min的杏干脫水量最優，且VC保存率也相較于其他處理條件提高3.44%，該條件下杏片內部孔道和海綿狀結構明顯，而且硬度適中，咀嚼性較高，更容易被消費者接受，整體能耗也較單獨真空凍干降低7.17%。

綜合而言，本試驗填補了超聲輔助強化杏片真空冷凍干燥試驗的空缺，發現適當的超聲處理條件的確可以縮短凍干時間，提高干燥速率，降低能耗，更也有推廣應用，同時為超聲波協同真空冷凍干燥進一步研究提供了部分理論依據。但由于本試驗設備的局限性，更高的超聲處理功率對杏片真空冷凍干燥的影響仍需進一步探究。