低頻超聲介入對瑪咖切片冷風干燥特性及品質的影響

（三門峽職業(yè)技術學院食品園林學院，河南三門峽472000）

瑪咖（Lepidium meyenii Walp.）因其具有獨特的抗疲勞、延緩衰老等功效，常被當做滋補強身的健康食品[1]。將新鮮瑪咖脫水是擴大生產規(guī)模，克服產出季節(jié)性、地域性限制，方便貯運以及進一步深加工的重要產業(yè)上游操作單元。

干燥是果蔬脫水的重要手段[2]。微波真空干燥是一種快速的脫水技術，其能將瑪咖脫水時間控制在6 h，但微波加熱的不均勻性，導致瑪咖切片品質降低嚴重[3]；真空遠紅外能夠解決瑪咖干燥過程中干燥的不均勻性問題，但紅外穿透厚度有限，熱量仍主要以熱輻射的方式傳遞，導致其干燥時間較長，干制品質量較低[4]。此外，自然晾曬、熱風干燥、真空干燥等均被報道應用于瑪咖脫水中，但整體效果不佳，難以應用于大規(guī)模、高品質瑪咖切片干制品工業(yè)生產中[5]。

熱泵干燥是近年來新興發(fā)展的一種節(jié)能、高效、保質干燥技術，其利用熱泵除濕原理，控制干燥環(huán)境濕度，循環(huán)利用系統(tǒng)中干燥殘留熱，對產品進行脫水操作[6]。使用制冷機替換熱泵干燥系統(tǒng)中的加熱單元，從而產生低溫、低濕度的干燥介質，有利于降低干燥過程中物料的受熱強度，保護干制品熱敏性成分的降解。這種干燥方式被稱為熱泵式冷風干燥，簡稱冷風干燥。任廣躍等采用冷風干燥香椿芽，得到葉綠素含量高的產品[7]；李亞麗等利用冷風干燥對雙孢菇進行脫水處理很好的避免了雙孢菇褐變的發(fā)生[6]。王宏慧等將冷風干燥應用于瑪咖切片脫水過程中，結果發(fā)現(xiàn)，雖然冷風干燥能夠得到的產品質量較高，但整個干燥過程需耗時20 h左右，干燥效率較低[8]。因此有必要將高效傳質強化技術應用于冷風干燥過程中，從而能夠在較低干燥溫度下，提高冷風干燥效率。

頻率在20 kHz～100 kHz的超聲被稱作為低頻超聲，其作用與果蔬中能夠產生機械效應、空化效應以及微熱效應[8]。其中機械效應能夠使物料不斷伸縮，產生克服水表面附著力的作用力，促進水分遷移，同時增加水分遷移孔道數(shù)量；空化效應能夠在物料局部產生瞬時的高溫高壓，提升水分流動性；微熱效應能夠產生一定的熱量，被物料吸收，強化物料熱傳遞[9]。基于超聲特性，將其作用于干燥過程中能夠有效的強化、協(xié)同干燥過程的進行，提升干燥效率[10]。目前已見關于超聲輔助熱風[11]、真空冷凍干燥[12]的報道，但鮮有低頻超聲介入瑪咖冷風干燥過程的研究。

本文以瑪咖為原料，研究低頻超聲介入冷風干燥后對其干燥特性及品質特征的影響，并采用Weibull分布函數(shù)及回歸分析法分別構建低頻超聲介入下瑪咖冷風干燥動力學及品質降解動力學模型。

1 材料與方法

1.1 原料

瑪咖：云南省麗江市玉龍雪山當?shù)禺a區(qū)。烘箱法測得所購瑪咖干基含水率為3.75 g/g。

1.2 儀器

ZCHZ-08型低頻超聲-冷風干燥機熱泵式冷風系統(tǒng)：諸城市浩正機械科技有限公司；DR28K/40K-03型超聲發(fā)生系統(tǒng)：深圳德瑞超聲波設備有限公司；兩部分示意圖如圖1所示，冷風干燥系統(tǒng)溫度為10℃～40℃，進口風速為0～3 m/s；超聲頻率為28 kHz，超聲功率能夠在0～300 W之間連續(xù)調節(jié)，振動盤尺寸為：厚度6 mm，直徑110 mm；CR-10plus型色差儀：日本柯尼卡美能達公司；HH-2型水浴鍋：上海力辰邦西儀器科技有限公司；Agilent 1260高效液相色譜：安捷倫科技有限公司。

圖1 低頻超聲-冷風干燥機示意圖Fig.1 Schematic diagram of low frequency ultrasonic cold air dryer

1.3 干燥試驗

參考張明玉等[3]的方法對瑪咖進行切片，并將其至于4℃冰箱備用。將備用瑪咖切片500 g至于低頻超聲振動圓盤中進行如下干燥試驗：1）設置超聲功率為150 W，研究不同冷風溫度（20、30、40℃）對瑪咖干燥過程的影響；2）設置冷風溫度為30℃，研究不同超聲功率（50、150、250W）對瑪咖干燥過程的影響。試驗每1 h取出樣品對其進行指標測定。每組試驗重復3次，取平均值進行指標分析。試驗過程中干燥箱內風速維持在1 m/s，物料干基含水率低于0.052時干燥結束[8]。

以瑪咖切片直接冷風干燥為對照組，參考文獻[8]及前期預試驗，瑪咖直接冷風干燥條件設置為：進口風速1 m/s和干燥溫度30℃。

1.4 干基含水率

瑪咖切片低頻超聲-冷風干燥過程中的干基含水率測定采用式（1）計算：

式中：Mt為物料在干燥任意t時刻的干基含水率，g/g；mt、md分別為干燥任意t時刻物料和絕干物料的質量，g。

1.5 有效水分擴散系數(shù)

參考任亞敏等[4]的方法，瑪咖切片低頻超聲-冷風干燥過程中的水分比采用公式（2）計算：

式中：M0、Mt分別為瑪咖切片初始干基含水率和在任意干燥t時刻干基含水率，g/g；MR為水分比。

參考王宏慧等[8]的處理方法物料干燥過程中的水分比可以表達為式（3）：

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)，m2/s；L為物料厚度的一半，m；t為時間，s；M0為初始干基含水率，g/g；Mt為在任意干燥t時刻的干基含水率，g/g；n為組數(shù)，本試驗干燥時間足夠長，可將其視為0，因此，試驗中物料水分比又可以簡化為式（4）：

對式（4）兩邊同時取自然對數(shù)，轉化得到有效水分擴散系數(shù)的計算公式（5）：

由式（5）可發(fā)現(xiàn)，以lnMR為縱坐標，以t為橫坐標作圖，得到直線的斜率，即可計算出物料干燥過程中的有效水分擴散系數(shù)。

1.6 Weibull分布函數(shù)擬合

參考張明玉等[3]的方法，Weibull分布函數(shù)表達式如式（6）所示：

式中：MR為水分比；α為尺度參數(shù)，h；β為形狀參數(shù)；t為干燥時間，h。

Weibull分布函數(shù)的擬合精度驗證采用決定系數(shù)R2和離差平方和χ2來表示。R2值越大，χ2值越小表示擬合越好：

式中：N為試驗點數(shù)；MRi為實測水分比；MRpi為預測水分比。

1.7 總色差

采用便攜式色差儀測定瑪咖切片干制品L、a、b值，并采用式（9）計算產品總色差[13]：

其中，ΔE為總色差，ΔL、Δa以及 Δb為計算公式如式（10）～（12）所示：

式中：Lt、at、bt分別為物料在干燥任意 t時刻的 L、a、b 值，L0、a0、b0分別為物料初始 L，a，b 值。

1.8 復水比

將5 g瑪咖干制品浸泡于30℃水中，并置于30℃恒溫水浴鍋中20 min，撈出瀝干后稱取其質量m，則所得產品復水比為：

1.9 瑪咖酰胺含量

瑪咖酰胺含量的測定參考李愛民等的方法[5]，但色譜條件略有改動。本試驗色譜條件為：Di-amonsilC18柱（5 μm×4.6 mm×150 mm），45℃柱溫，以乙腈（A）0.1%甲酸水溶液（B）為流動相；0.4 mL/min流速，20 μL進樣體積，檢測波長為208 nm。

1.10 數(shù)據(jù)處理

采用Origin pro 8.5對試驗數(shù)據(jù)進行線性/非線性擬合，并分析其擬合度；使用DPS 7.05對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，試驗中顯著水平定為P＜0.05。每組試驗重復3次，取其平均值進行各指標統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 低頻超聲介入下瑪咖冷風干燥特性

不同干燥條件下瑪咖含水率隨干燥時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，不同超聲功率條件下瑪咖干燥耗時最長為17 h，最短為12 h，相對于冷風直接干燥，低頻超聲的介入能夠降低瑪咖干燥耗時，且隨著超聲功率的增加瑪咖干燥耗時不斷降低，這表明低頻超聲的介入能夠強化瑪咖冷風干燥，提升干燥速率。低頻超聲作用于果蔬中一方面造成樣品不斷的壓縮和膨脹，其作用力促使物料內部水分克服表面張力，水分流動性增強；另一方面，超聲的機械效應和空化效應增加了物料內部孔道數(shù)量，水分擴散路徑隨之增多，干燥過程得到強化。試驗條件下，低頻超聲的介入將瑪咖冷風干燥時間降低了5.56%～33.33%。

圖2 不同超聲功率和干燥溫度下瑪咖低頻超聲-冷風干燥曲線Fig.2 Low frequency ultrasonic-cold air drying curve at different ultrasonic power and drying temperature

當超聲功率固定在150 W時，干燥溫度為20、30、40℃時的干燥時間分別為20、15、11 h，干燥耗時最小值比最大值降低了45%，相對于不同超聲功率下瑪咖冷風干燥耗時最低值比最大值降低29.41%，表明干燥溫度對瑪咖冷風干燥耗時的影響較為顯著（P＜0.05）。

有效水分擴散系數(shù)能夠反映水分在物料內部擴散的快慢。瑪咖干燥過程中l(wèi)n MR隨時間變化關系圖見圖3，經計算可得不同干燥條件下瑪咖冷風干燥有效水分擴散系數(shù)，其結果如圖4所示。

瑪咖冷風干燥有效水分擴散系數(shù)在5.15×10-10m2/s～9.52×10-10m2/s之間，該試驗結果同王宏慧等[8]研究結果一致。由圖4可知，隨著超聲介入功率的增加，瑪咖有效水分擴散系數(shù)不斷增大，且大功率超聲有著比小功率超聲更顯著的提升效果；改變干燥溫度，有效水分擴散系數(shù)的最大值比改變超聲有效水分擴散的最大值要大。不同超聲功率和不同干燥溫度下瑪咖冷風干燥有效水分擴散系數(shù)的最大值比最小值分別增加了50.51%和84.75%。以上分析說明，超聲介入有強化瑪咖冷風干燥行為的效果，且高超聲功率強化效果較好；相對于超聲功率，干燥溫度對瑪咖干燥特性的影響較為顯著（P＜0.05）。

圖3 瑪咖干燥過程中l(wèi)n MR隨時間變化關系圖Fig.3 The relationship between ln MR and drying time in the drying process of maca

圖4 不同干燥條件下瑪咖冷風干燥有效水分擴散系數(shù)Fig.4 The effective moisture diffusion coefficient of the cold-air drying of maca under different drying conditions

Weibull分布函數(shù)不僅能夠描述果蔬干燥動力學，還能夠探究干燥機理[14]。表1為采用Weibull分布函數(shù)對不同干燥條件下瑪咖冷風干燥過程中水分比同時間變化數(shù)據(jù)的擬合結果。

表1 Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)、精度指標Table 1 Fitting parameters，fitting precision indexes of Weibull distribution function

不同干燥條件下Weibull分布函數(shù)擬合R2（＞0.9）和離差平方和χ2（處于10-5數(shù)量級）均得到較優(yōu)結果，表現(xiàn)出對瑪咖冷風干燥過程較好的擬合。瑪咖冷風干燥尺度函數(shù)α表征著干燥開始時的水分脫出速率，其值約等于脫出物料63%水分時所消耗的時長。由表1可知，低頻超聲的介入提升了物料初始干燥時的干燥速率，且高功率超聲強化效果明顯。Weibull分布函數(shù)形狀參數(shù)β可以用來表征物料干燥過程中水分遷移的機制，由表1可以看出，瑪咖冷風干燥過程中其形狀參數(shù)均小于1，表明整個干燥過程處于降速干燥階段，水分的遷移關鍵影響因素為內部水分的外遷阻力[14]。

2.2 低頻超聲介入對瑪咖冷風干燥產品品質的影響

為探究低頻超聲的介入對瑪咖冷風干燥產品特征的影響，本文選取總色差、復水比及瑪咖特征功能性成分瑪咖酰胺為品質指標對瑪咖冷風干燥進行品質評價，其結果如圖5所示。褐變反應是果蔬干燥過程中顏色衰退的主要原因[7]。

圖5 不同干燥條件下瑪咖制品總色差、復水比和瑪咖酰胺測定結果Fig.5 Determination results of total color difference，rehydration ratio and macaramide of dried maca product under different drying conditions

由圖5A可以看出，超聲介入會引起瑪咖干燥過程中發(fā)生更多的褐變反應，且隨著超聲功率的增加褐變現(xiàn)象更為嚴重。這可能因為超聲介入產生了熱效應，使物料溫度提升，褐變反應加劇。同樣的，干燥溫度增加，物料溫度隨之增加，導致干制品顏色變差。改變超聲功率色差最大值比最小值增加了44.73%，而改變干燥溫度色差最大值比最小值增加了198.25%，由此能夠發(fā)現(xiàn)，干燥溫度相對于超聲功率對產品色差的影響更顯著。

產品復水比能夠反應產品內在多孔結構崩塌程度[15]。由圖5B能夠發(fā)現(xiàn)超聲的介入能夠幫助瑪咖產生更多的孔隙通道，這是由超聲作用于果蔬中的機械效應和空化效應協(xié)同產生的結果[10]。瑪咖冷風干燥溫度升高會造成產品局部溫度積累，水分遷移速率不均勻，由水分擴散造成的剪切應力也不均勻，導致產品內部多孔結構破壞，產品復水性能下降。

瑪咖酰胺是瑪咖內關鍵性的功能性活性成分。圖5C表明超聲介入能夠提升瑪咖酰胺含量。此外，隨著超聲功率和干燥溫度的提升瑪咖酰胺的含量在不斷提升。關于瑪咖中瑪咖酰胺的產生機理，目前尚未有明確的定論，但一般認為瑪咖酰胺是瑪咖次生代謝產物[16]。就本研究結果而言，當超聲介入到瑪咖冷風干燥過程中或者提升干燥溫度時，由于超聲熱效應產生的熱量及溫度提升產生的熱量促進瑪咖干燥過程中瑪咖酰胺合成相關酶群的活性，從而使瑪咖干制品中瑪咖酰胺含量增加。但研究發(fā)現(xiàn)，當干燥溫度過高時會使與瑪咖酰胺合成相關的酶失活，且合成瑪咖酰胺的前體熱不穩(wěn)定性物質會分解，最終導致產品內瑪咖酰胺含量降低。本試驗結果及瑪咖酰胺隨干燥條件的變化趨勢同楊芳等[16]以及李愛民等[5]的研究結論相似。

3 結論

試驗研究超聲介入下瑪咖冷風干燥特性和品質特征。結果發(fā)現(xiàn)，超聲介入能夠提升干燥效率和產品品質，且隨著超聲功率的增加干燥耗時不斷降低，產品復水比和瑪咖酰胺含量不斷增加，但產品顏色降解變得更為嚴重。超聲的介入并沒有改變瑪咖冷風干燥機理：整個干燥行為能夠用Weibull分布函數(shù)很好的描述，干燥過程主要受內部水分擴散限制，干燥主要受干燥溫度的影響。

本研究為低頻超聲場應用于瑪咖高效率、高品質干燥中提供了理論依據(jù)，但研究發(fā)現(xiàn)不同的干燥參數(shù)影響著不同的干燥效率及品質指標，仍然需要進一步深入研究，以為工業(yè)大規(guī)模應用提供簡易操作、綜合效果均優(yōu)的優(yōu)化干燥條件。此外，瑪咖酰胺含量變化是一個復雜的過程，有必要在進一步的研究中動態(tài)監(jiān)控干燥過程中瑪咖酰胺的含量變化，以此為依據(jù)優(yōu)化干燥條件，或指導復雜聯(lián)合干燥工藝的進行。