超聲-真空脫水土豆片

李素云，常志娟，張華，張婧明，吳丹，段續(xù)

1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450002）；2. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（洛陽 471000）

土豆（Solanum tuberosumL.）屬于茄科，產(chǎn)量僅次于小麥、稻米和玉米，在糧食作物中位居第四[1]。土豆含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，所以土豆及其相關(guān)產(chǎn)品備受青睞。其干制品通常采用真空干燥方式，具有干燥耗時(shí)長、熱效率低等缺陷[2]。因此，借助超聲作用降低土豆內(nèi)部傳質(zhì)阻力、提高水分?jǐn)U散、縮短干燥時(shí)間、保護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)。

超聲波干燥在國內(nèi)外是一種最新推出的干燥方式，被干燥物料受到超聲波處理時(shí)，空化作用和機(jī)械作用使干燥物料受到反復(fù)的拉伸和壓縮，進(jìn)而產(chǎn)生海綿結(jié)構(gòu)，水分容易被轉(zhuǎn)移出[3]。此外，超聲波干燥還可使物料的形態(tài)發(fā)生改變，形成微小通道，從而使對流傳質(zhì)速率加快[4]，結(jié)合真空技術(shù)，既可減少物料營養(yǎng)氧化或降解的幾率，又加快物料中水分的逸出。林平等[5]通過使用超聲波對胡蘿卜片進(jìn)行預(yù)處理，對處理過的胡蘿卜樣本進(jìn)行真空冷凍干燥。結(jié)果表明，在干燥之前對物料進(jìn)行超聲波預(yù)處理能有效地使干燥時(shí)間減少，并且得到的樣本品質(zhì)較好。

因此，以土豆為原料進(jìn)行直觸式超聲-真空聯(lián)合干燥土豆片研究，探究超聲功率和溫度對土豆片干燥過程中干基含水率、VC含量、微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)水性的影響，以期為土豆儲(chǔ)藏和精深加工提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

土豆（荷蘭土豆，購買于丹尼斯超市）。

樣品在處理：去皮并用模具壓制成直徑3 cm、厚4 mm的圓形切片。

KQ-700DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州國瑞儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 用超聲-真空干燥土豆片

將土豆切成片狀重80 g，放入具塞抽濾瓶中，塞緊橡膠塞后放進(jìn)超聲波容器（40 kHz；700 W）中，并將具塞抽濾瓶連接到真空泵抽真空。改變超聲波聲能密度（0，3.5，5.3和7.0 W/g）、超聲溫度（65 ℃和75 ℃），直至干制土豆片的質(zhì)量不再發(fā)生變化。研究超聲-真空干燥對土豆片的干燥特性和品質(zhì)的影響。在該項(xiàng)研究的干燥過程中，之所以選擇65 ℃和75 ℃，是因?yàn)檫@2個(gè)溫度在傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥中經(jīng)常被使用。

1.2.2 干燥動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型

1.2.2.1 干基含水率的測定

在熱風(fēng)干燥過程中，樣本中的水分比例（MR）依據(jù)式（1）計(jì)算。

式中：wt為在t時(shí)刻含水量；we為平衡含水量；w0為土豆樣本的初始含水量。

w0與we、wt相比，可以忽略不計(jì)[6]，所以式（1）可以簡化為

1.2.2.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的測定

根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律可知：

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；L為土豆片厚度的1/2，m；t為干燥時(shí)間，s。

式（3）兩邊取對數(shù)后，根據(jù)ln MR和t的對應(yīng)關(guān)系作圖，得到斜率k后便能計(jì)算出擴(kuò)散系數(shù)Deff。

此外，依據(jù)已有研究的干燥模型（表1），得到超聲-真空干燥土豆片的干燥動(dòng)力學(xué)方程。

表1 當(dāng)前研究中常用的干燥數(shù)學(xué)模型[7]

1.2.3 品質(zhì)特性

1.2.3.1 感官評價(jià)

感官性質(zhì)評定主要是根據(jù)干制品的色澤、風(fēng)味及所保持的與原有形態(tài)的比較等因素，對干制品的品質(zhì)進(jìn)行綜合評定，探究不同超聲波能對干制土豆片品質(zhì)的影響。

1.2.3.2 抗壞血酸含量測定

維生素C含量的測定參照GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》[8]。

1.2.3.3 干制土豆樣本的復(fù)水性

干制品的復(fù)水性可以用復(fù)水率來衡量，復(fù)水率可根據(jù)式（5）計(jì)算[9]。

式中：Rf為復(fù)水率；Gf為樣本復(fù)水后瀝干質(zhì)量，g；Gg為干制樣本質(zhì)量，g。

1.2.3.4 干制土豆樣本的掃描電子顯微鏡（SEM）

將不同干燥條件下的樣本涂于鋁箔片，然后將它們一同放進(jìn)離子濺射儀的樣品艙里，在20 kV的加速電壓下對干制土豆樣本進(jìn)行噴金。隨后取出噴金樣本，并將噴金后的樣本放在SEM下進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲-真空脫水土豆片的干燥動(dòng)力學(xué)

2.1.1 不同干燥條件下土豆片的干燥曲線

在65 ℃和75 ℃條件下，研究不同超聲能（0，3.5，5.3和7.0 W/g）對土豆片干燥特性的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同干燥條件下的土豆片的干燥曲線

從圖1（a）可以看出，溫度65 ℃時(shí)，無超聲作用時(shí)干燥時(shí)間約250 min，平均干燥速率為5.6×10-3g/（g·min）；加入超聲能密度分別為3.5，5.3和7.0 W/g時(shí)，干燥時(shí)間分別約為210，210和170 min，平均干燥速率約5.7×10-3，6.1×10-3和6.8×10-3g/（g·min），與無超聲作用相比，干燥時(shí)間分別縮短21.4%，21.4%和28.6%，平均干燥速率分別提高1.8%，8.9%和21.4%。從圖1（b）可以看出，溫度75 ℃時(shí)，無超聲作用時(shí)干燥時(shí)間約220 min，平均干燥速率為7.2×10-3g/（g·min）；加入超聲能后，干燥時(shí)間分別約為170，130和110 min，平均干燥速率約8.2×10-3，8.4×10-3和9.3×10-3g/（g·min），與無超聲作用相比，干燥時(shí)間分別縮短27.3%，36.4%和40.9%，平均干燥速率分別提高13.9%，16.7%和29.2%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲聲能密度相同的情況下，干燥體系溫度由65 ℃升至75 ℃，干燥時(shí)間縮短并且干燥速率提高。這是由于隨著溫度升高，物料內(nèi)部自由水分傳遞能力增強(qiáng)，有利于干燥過程進(jìn)行。另外在同等干燥溫度下，隨著超聲能密度增大，到達(dá)物料內(nèi)部的能量增多，超聲所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)形成更大破壞力，產(chǎn)生更多微細(xì)孔道，綜合作用下增強(qiáng)水分?jǐn)U散速率。

2.1.2 不同超聲輔助干燥下土豆片的動(dòng)力學(xué)方程

將圖1的數(shù)據(jù)采用表1的干燥動(dòng)力學(xué)方程擬合，得出Wang and Singh模型（MR=1+a×t+b×t2）模擬得較為準(zhǔn)確（R2＞0.99），說明模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果較好，可描述水分比例（MR）和干燥時(shí)間（t）之間的關(guān)系（表2）。

表2 不同干燥方式條件下土豆片的干燥時(shí)間及有效擴(kuò)散系數(shù)

2.2 品質(zhì)評估

2.2.1 不同干燥條件下干制土豆片的感官評價(jià)結(jié)果

由表3可知，選擇干燥溫度75 ℃相對來說干燥速率較快，因此，試驗(yàn)在固定溫度75 ℃下研究不同超聲波功率對土豆片干燥品質(zhì)的影響，評價(jià)結(jié)果如表3所示。

表3 不同干燥條件的干制土豆片的品質(zhì)比較

從圖2可以看出，在相同干燥溫度條件下，超聲波能7.0 W/g時(shí)土豆片的品質(zhì)最差，主要是由于較大的功率把土豆內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)破壞；其次是在真空條件下的土豆片，由于真空干燥的時(shí)間較長，長時(shí)間的暴露于高溫條件下的干燥導(dǎo)致土豆片顏色變暗；超聲波能3.4 W/g時(shí)的土豆片有部分褐變，品質(zhì)最好的是超聲波能5.3 W/g時(shí)的土豆片色澤金黃。

圖2 75 ℃條件下不同超聲波功率條件下的干制土豆片

2.2.2 VC的保留

不同干燥方法干燥的土豆片中抗壞血酸的保留率如圖3所示。干制土豆片中的抗壞血酸，65 ℃和75 ℃條件下，采用真空干燥技術(shù)時(shí)的保留率分別為48.93%和58.24%；采用超聲波功率3.5 W/g的超聲波-真空干燥技術(shù)時(shí)的保留率分別為64.43%和77.13%；采用超聲波功率5.3 W/g的超聲-真空干燥技術(shù)時(shí)的保留率分別為65.93%和79.86%。這是由于超聲波-真空干燥技術(shù)相對干燥時(shí)間短，使得VC氧化減少，因此對氧化和熱比較敏感的物質(zhì)適合使用超聲波-真空干燥技術(shù)。

圖3 用不同干燥方法干燥的土豆片產(chǎn)品的抗壞血酸的保留率

2.2.3 干制土豆樣本的微觀結(jié)構(gòu)

圖4為不同功率條件下的超聲波-真空干燥的土豆樣本的微觀結(jié)構(gòu)。與對照組相比（圖4（a）），超聲波-真空干燥樣本（圖4（b）和4（c））的淀粉顆粒的破壞程度更大，這是因?yàn)樵谡婵崭稍飾l件下，樣品的干燥速率較慢且時(shí)間較長。圖4（b）與4（c）相比，3.5 W/g條件下干燥樣本的淀粉顆粒比5.3 W/g條件下干燥樣本的破壞程度大，充分說明超聲能越大，干燥速率越快，干燥時(shí)間越短，與前文研究的水分和時(shí)間的關(guān)系一致。但是如果超聲能過大，會(huì)導(dǎo)致淀粉顆粒破碎（圖4（d））。

圖4 75 ℃條件下不同超聲波功率條件下土豆片樣本的掃描電子顯微圖

2.2.4 干制土豆片的復(fù)水性

干制品經(jīng)過復(fù)水后各個(gè)方面恢復(fù)到原狀的程度大小對衡量干制品的品質(zhì)起著重要作用。復(fù)水試驗(yàn)選擇水溫25 ℃和100 ℃進(jìn)行復(fù)水（圖5）。由圖5可知，100 ℃的高溫的復(fù)水效果比25 ℃的復(fù)水效果要好。相同溫度下，對照組和超聲能7.0 W/g的干燥樣品復(fù)水效果較差。推測可能是長時(shí)間干燥或者高超聲能下，物料內(nèi)部的細(xì)胞組織發(fā)生破壞導(dǎo)致毛細(xì)管發(fā)生堵塞。較低超聲能條件下進(jìn)行干燥，土豆片的內(nèi)部組織保持原狀的程度較好，并且該條件下土豆片的體積膨脹，能夠加快吸水速率。

圖5 干制土豆片在25 ℃和100 ℃條件下的復(fù)水曲線

3 結(jié)論

結(jié)果表明，超波-真空干燥技術(shù)使土豆片的干燥速率顯著加快，提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)，明顯縮短土豆片的干燥時(shí)間。其中，在溫度75 ℃、功率5.3 W/g條件下的超波-真空干燥方式干燥土豆片的時(shí)間最短，為110 min，此時(shí)的干燥土豆片的感官品質(zhì)最佳，色澤鮮艷，基本保持原形；VC保留率最高、SEM結(jié)果表明此工藝下淀粉顆粒保留得最為完整且復(fù)水性好。