超聲—遠紅外輻射干燥對香蕉片品質的影響

石曉微 劉云宏,2

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.農產品干燥裝備河南省工程技術研究中心，河南 洛陽 471023)

香蕉含豐富的碳水化合物、膳食纖維、維生素、礦物質和酚類化合物，具有較強的抗氧化活性[1-2]。但其為呼吸躍變型果實且質地柔軟，采收后容易腐爛[3]。干燥對減少香蕉損失，延長貯藏時間和促進產品運輸具有重要意義[4]。傳統的干燥方式，如油炸和熱風干燥等，由于高溫或者較長的干燥時間可能會對產品的風味、顏色、營養成分等品質特性造成嚴重損害，并降低干制品的復水能力[5-6]。遠紅外輻射(Far-infrared radiation,FIR)具有熱效應好、節能、溫度分布均勻、產品質量好等優點[7-8]，被廣泛應用于獼猴桃[9]、紫薯[10]、蘿卜[11]等產品的干燥過程中，并且能夠大幅縮短干燥時間，提高干燥產品品質。

超聲技術由于其機械振動和空化作用，可以擴張物料的內部組織并形成海綿狀結構，從而有效地降低物料的內部傳質阻力，加速水的擴散并縮短干燥時間[12-13]。與氣介式超聲相比，直觸超聲具有更小的能量衰減，對干燥過程的改善效果更為顯著[14]。孫暢瑩等[15]將直觸超聲用于梨片的熱風干燥過程中，發現干燥時間明顯縮短，產品品質顯著提高。Zhao等[16]研究表明，超聲處理可改善污泥中孔隙結構的連通性，有利于加速污泥對流干燥過程中的水分運輸，且隨著聲能密度的增大，污泥中水分運輸得更快。劉云宏等[17]研究發現，將遠紅外輻射技術和直觸超聲相結合可有效改善物料內部結構，顯著提高物料的質熱傳遞過程，從而實現更高效、節能的快速干燥。Liu等[18]發現，直觸超聲可以加快獼猴桃遠紅外輻射干燥中的水遷移并提高干燥速率。但有關直觸超聲聯合遠紅外輻射干燥對產品品質影響的研究尚未見報道。試驗擬以香蕉片為研究對象，進行超聲—遠紅外輻射干燥試驗，探討超聲功率和遠紅外輻射溫度對干燥香蕉片的質構、復水比、收縮率、色澤、總酚含量、維生素C含量、抗氧化活性等品質指標的影響，以期為香蕉片現代干燥加工技術開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮香蕉：成熟度一致，采用105 ℃烘箱法測得其干基含水率為(5.24±0.12) g/g，市售。

1.2 儀器與設備

超聲強化遠紅外輻射干燥裝置：河南科技大學自制，具體結構和參數見文獻[17]；

紫外—可見分光光度計：T6新世紀型，北京普析通用儀器有限公司；

高速離心機：TG16-WS型，湘儀離心機儀器有限公司；

質構儀：TA.XT EXPRESS型，英國SMS公司；

色差儀：Color i5型,美國X-Rite公司；

高效液相色譜儀：Agilent 1260 Infinity型，安捷倫科技有限公司；

電子天平：Scout SE型，美國OHAUS公司。

1.3 干燥方法

將香蕉去皮后切成厚度為5 mm的圓形薄片，并浸于0.2%的異抗壞血酸鈉溶液中20 min以防止干燥過程中的酶促褐變。用濾紙吸干表面水分，并將65 g左右的香蕉片平鋪于超聲振動盤上，然后放入干燥室內。每間隔20 min對樣品進行稱重，直至含水率低于17%(干基)。設置風速為1.5 m/s，遠紅外輻射距離為10 cm，輻射溫度分別為150，210，270 ℃，超聲功率分別為0，30，60 W。

1.4 指標測定

1.4.1 質構 根據文獻[19]修改如下：測前速度2 mm/s，測試速度0.5 mm/s，測后速度5 mm/s，硬度為破壞樣品以獲得力變形曲線的最大力，脆度為力變形曲線上峰的數量，每組試驗重復10次，取平均值。

1.4.2 復水比 根據文獻[20]。按式(1)計算復水比。

(1)

式中：

RR——樣品復水比；

Mf——復水后樣品質量，g；

M0——復水前樣品質量，g。

1.4.3 收縮率 參照文獻[21]。以小米為介質，通過置換法測定樣品體積，每組試驗重復5次。按式(2)計算樣品收縮率。

(2)

式中：

SR——樣品的收縮率，%；

V0、V——干燥前、后樣品體積，mL。

1.4.4 色差 參照文獻[22]。L*為明暗度，a*為紅綠色，b*為黃藍色。每組試驗重復10次，取平均值。

1.4.5 感官評價 參照文獻[23]。將香蕉片干制品的外觀、風味、質地、口感和總體可接受性用于感官評價，選擇20位不同年齡段的人，從1～9進行滿意度評價(1為非常不喜歡，9為非常喜歡)。并評價外觀、風味、質地、口感和總體可接受性在所有評價指標中的重要程度，以頻數統計法確定權重分別為0.203，0.182，0.176，0.209，0.231。

1.4.6 總酚含量 根據文獻[24]。

1.4.7 維生素C含量 按GB 5009.86—2016執行。

1.4.8 抗氧化活性

(1) DPPH自由基清除活性：根據文獻[25]。按式(3) 計算DPPH自由基清除率。

(3)

式中：

I——清除率，%；

Ai——樣品組吸光度；

Aj——空白組吸光度；

Ac——對照組吸光度。

(2) ABTS自由基清除活性：根據文獻[26]。按式(3) 計算ABTS自由基清除率。

1.4.9 加權綜合評分 綜合評價指標為硬度、脆度、復水比、收縮率、色差、感官評價、總酚含量、維生素C含量和抗氧化活性。參照文獻[27]，評分值分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9，其對應的權重系數(λ)分別為0.10，0.10，0.05，0.05，0.20，0.20，0.10，0.10，0.10。脆度、復水比、感官評價、總酚含量、維生素C含量為正效應，隸屬函數為：

(4)

硬度、收縮率、色差和抗氧化活性為負效應，隸屬函數為：

(5)

y=(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9)λ，

(6)

式中：

Ci、Cmin、Cmax——實際指標值、最小指標值和最大指標值。

1.4.10 統計分析 使用Origin 8.5軟件對數據進行統計分析，使用Duncan方法進行顯著性分析，數據表示為均值±標準差。小寫字母不同表示相同溫度不同功率之間差異顯著(P<0.05)；大寫字母不同表示相同功率不溫度之間差異顯著(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 質構

由圖1可知，硬度與香蕉片內部的組織結構密切相關。硬度隨遠紅外輻射溫度的增加而顯著減小(P<0.05)，當遠紅外輻射溫度為150，210，270 ℃時，干燥香蕉片的硬度值分別為(1 028.471±45.424)，(788.203±27.410)，(600.574±30.029) g。這可能是由于遠紅外輻射溫度的升高破壞了樣品的分子骨架，擴張了內部組織結構，硬度值降低。Léonard等[28]研究發現，遠紅外輻射可以改善香蕉片的內部組織結構，并且最終孔隙度隨溫度的增加而增加。干燥香蕉片的硬度值隨超聲功率的增加而減小。以210 ℃為例，當超聲功率從0 W增加到30 W 時，硬度值從(788.203±27.410)g減小至(672.131±34.607) g，減少了14.73%。這是由于超聲的機械效應和空化效應擴張了樣品的組織結構，增大超聲功率能夠增強機械效應和空化效應，從而形成更加疏松的內部結構，硬度值減小[17]。

由圖2可知，輻射溫度和超聲功率對干制香蕉片的脆度影響顯著(P<0.05)，脆度值隨輻射溫度和超聲功率的升高而增大。當輻射溫度為270 ℃，超聲功率為60 W時，香蕉片脆度顯著高于其他干燥條件下的，可能是由于輻射溫度和超聲功率的升高促使內部疏松結構的形成，更有利于提高香蕉片的酥脆性。

2.2 復水比

由圖3可知，干燥前50 min，復水比快速增長。香蕉片的復水比隨遠紅外輻射溫度和超聲功率的升高逐漸增大，未施加超聲時，輻射溫度從150 ℃上升至270 ℃，復水比從2.088±0.044增大至2.737±0.074。當輻射溫度為210 ℃時，施加0，30，60 W的超聲，香蕉片的最終復水比分別為2.435±0.039，2.477±0.043，2.583±0.047。這可能是由于香蕉片在較低的輻射溫度下干燥時間長，使得細胞嚴重收縮，組織結構致密，不利于水分的吸收。輻射溫度和超聲功率的增加加速了水分湍動與遷移擴散，干燥時間縮短。此外，輻射溫度的升高也會產生更大的熱流密度，加速水分相變，形成更大的蒸汽壓和更高的體積膨脹度，擴張香蕉片的微細孔道。超聲功率的增加也會加速空化氣泡的形成與破裂，使得香蕉片內部組織較為疏松，有利于水分吸收[29]。

圖1 不同干燥條件下香蕉片的硬度Figure 1 The hardness values of banana slices under different drying conditions

圖2 不同干燥條件下香蕉片的脆度Figure 2 The brittleness values of banana slices under different drying conditions

圖3 不同干燥條件下香蕉片的復水比Figure 3 The rehydration ratio of banana slices under different drying conditions

2.3 收縮率

由圖4可知，香蕉片的收縮率隨輻射溫度和超聲功率的增加而降低。與單一遠紅外輻射干燥相比，施加超聲后香蕉片的收縮率明顯降低。當輻射溫度為150 ℃，未施加超聲時，香蕉片收縮率最大[(45.32±1.36)%]。當輻射溫度為270 ℃，超聲功率為60 W時，香蕉片的收縮率最小[(20.31±0.42)%]。輻射溫度和超聲功率的升高加速了水分擴散，更好地保護了產品結構。

圖4 不同干燥條件下香蕉片的收縮率Figure 4 The shrinkage of banana slices under different drying conditions

2.4 色差

由表1可知，與新鮮樣品相比，干燥后的香蕉片表面L*值明顯降低，a*值和b*值普遍上升。當超聲功率一定時，在210 ℃的輻射溫度下，干燥香蕉片表面L*值最高，a*值、b*值和△E值最小。這可能是由于150 ℃下干燥時間較長，多酚與氧化酶接觸時間長，產生更多的黑色素。而270 ℃的輻射溫度較高，更易造成非酶褐變，樣品表面顏色變暗，亮度降低[30]。此外，各輻射溫度下，施加超聲功率后，△E值均顯著減小(P<0.05)，且隨超聲功率的升高而明顯降低。這可能是由于超聲可以在不提高樣品溫度下縮短干燥進程，更有利于產品外觀色澤的保護。

2.5 感官品質

由表2可知，當輻射溫度為210 ℃，超聲功率為60 W時，感官評分最高，香蕉片的感官品質最好。

2.6 總酚含量

由圖5可知，輻射溫度和超聲功率對香蕉片總酚含量有顯著影響(P<0.05)。當輻射溫度為210 ℃時，香蕉片總酚含量普遍較高。未施加超聲時，輻射溫度150，210，270 ℃下，香蕉片總酚含量分別為(16.98±0.50)，(22.65±0.73)，(14.21±0.56) mg/100 g。較低溫度下，香蕉片長時間受熱，內部的酚類化合物易與氧氣接觸并反應，導致嚴重的氧化和大量的酚損失。而較高溫度下，可能是由于多酚類物質發生了分解或聚合反應而造成含量降低[22]。此外，輻射的應用和超聲功率的增加都提高了香蕉片內的總酚含量，當輻射溫度為210 ℃時，施加30，60 W的超聲功率后，總酚含量分別提高了10.46%，20.00%，表明提高超聲功率有利于香蕉片內酚類物質的保留。

表1 不同干燥條件下香蕉片的色澤Table 1 The color of banana slices under different drying conditions

表2 不同干燥條件下香蕉片的感官評分Table 2 Sensory scores of banana slices under different drying conditions

2.7 維生素C含量

由圖6可知，輻射溫度對香蕉片的維生素C含量有顯著影響(P<0.05)，在270 ℃的輻射溫度下施加30，60 W的超聲對維生素C含量影響不顯著(P>0.05)。當超聲功率為0 W時，150，210，270 ℃下香蕉片的維生素C含量分別為(9.86±0.47)，(15.69±0.75)，(8.09±0.39) mg/100 g。干燥過程中輻射溫度的提高會在一定程度上加快維生素C的氧化和降解速率，但同時輻射能量的增強也會導致香蕉片內水分快速遷移擴散，減少了加熱和氧化時間，從而提高了維生素C的保存率。而溫度過高，維生素C快速降解從而造成大量損失。此外，維生素C含量隨超聲功率的增大而增加，可能是由于超聲的機械和空化效應能在不提高物料溫度的情況下加快干燥過程、縮短干燥時間。

圖5 不同干燥條件下香蕉片的總酚含量Figure 5 The total phenol content of banana slices under different drying conditions

圖6 不同干燥條件下香蕉片的維生素C含量Figure 6 The VC content of banana slices under different drying conditions

2.8 抗氧化活性

由圖7可知，輻射溫度和超聲功率對香蕉片的抗氧化活性均有顯著影響(P<0.05)。當輻射溫度為210 ℃，超聲功率為60 W時，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最強，當輻射溫度為270 ℃，超聲功率為0 W時，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最弱，表明在香蕉遠紅外輻射干燥中施加超聲，能夠在保護營養成分的同時顯著提高干制香蕉片的抗氧化能力。

圖7 不同干燥條件下香蕉片的抗氧化活性Figure 7 Antioxidant activity of banana slices under different drying conditions

2.9 加權綜合評分優化

由表3可知，提高超聲功率可以提高產品品質，但溫度過高，產品品質較差。當輻射溫度為210 ℃、超聲功率為60 W時，綜合評分最高。因此，超聲—遠紅外輻射干燥香蕉片的最優參數為210 ℃的遠紅外輻射溫度和60 W 的超聲功率。

表3 不同干燥條件下的加權綜合評分Table 3 Weighted comprehensive scoring results under different drying conditions

3 結論

與未施加超聲的遠紅外輻射干燥相比，超聲聯合遠紅外輻射干燥技術能有效提高產品品質。超聲功率的增加能明顯提高干制香蕉片的理化品質，輻射溫度過高時不利于香蕉片表面色澤的形成和營養成分的保留。通過加權綜合評分法確定了香蕉片超聲—遠紅外輻射干燥的最優工藝參數為輻射溫度210 ℃，超聲功率60 W。后續還需對超聲—遠紅外輻射干燥過程的協同作用進行更微觀、更系統的研究與探索。