超聲輔助滲透處理對真空冷凍干燥桑葚品質的影響*

黃子建

（福建省農產品加工推廣總站，福建 福州 350001）

桑葚（Mulberry Fruit）又名桑果等，屬?？疲∕oraceae）植物，為多年生木本植物桑的成熟果穗。桑葚含有豐富的活性蛋白、花青素、多種維生素及礦物質等[1]，具有極高的營養價值和多種保健功能，被醫學界譽為“二十一世紀的最佳保健果品”[2]。已被衛生部列為食藥兩用的農產品之一[3]。桑葚一般春末夏初成熟，成熟快且采收時間短，極易腐爛、不易保存，由于其營養豐富受到人們的喜愛，除少量鮮食外，已有部分加工成果汁、果酒、果醬、果脯、桑葚膏、桑果糖漿等來提高桑椹的利用率和附加值[1]。

目前對桑葚深加工的研究逐漸增多。黃小丹等[4]探討不同的干燥方式對桑椹干物質量和活性成分的含量影響，以真空冷凍干燥所得的桑椹干果中的花色苷、總黃酮、還原糖、總糖等活性成分的保持率最高，損失最低，果形保持最好；而熱風干燥和遠紅外干燥的損失率則較高，對桑椹干果的綜合品質影響比較大。李嬌嬌等[5]研究真空冷凍干燥桑葚果工藝參數優化，分析不同真空度、干燥時間和處理量3個因素對真空冷凍干燥桑葚果品質的影響，產品在色香味與營養成分等方面都保持較好。李豐廷等[6]探討真空冷凍與熱風聯合干燥對桑葚干品質的影響，結果表明，真空冷凍干燥的桑葚干品質最好，而較短時長(18～24 h)的真空冷凍干燥聯合較高溫度(85 ℃)的熱風干燥能提高干燥效率，其總花色苷、綠原酸、蘆丁的含量也高于熱風干燥。

為進一步提高真空冷凍干燥效率，降低干燥成本，在保證產品品質的同時需對干燥前物料進行預脫水處理。其中，超聲輔助滲透脫水是指在一定的溫度下，將物料放入高滲透壓的溶液中，由于細胞膜半透性，使物料去除一部分水，同時超聲輔助技術產生的一系列擠壓和膨脹的“海綿效應”能提高滲透脫水過程中物質的交換效率[8-9]。近年來，有研究表明超聲技術在果蔬滲透脫水方面有重要作用。馬空軍等[8]研究發現，傳質界面邊界層在超聲作用下會減薄，滲糖速率得到提高。曾祥媛等[10-17]研究發現，果蔬在超聲波處理下能形成微小通道，促進糖液滲透，真空滲糖可有效減少產品營養損失，較好保持其品質，同時加快物質傳遞速率，從而有效地減少食品水分含量，降低干燥成本和能耗。但是，目前未見采用超聲波輔助預處理技術進行桑葚真空冷凍干燥的相關報道。

本研究在桑葚真空冷凍干燥工藝中，采用超聲波輔助滲透預脫水處理，研究其對桑葚真空冷凍干燥品質的影響，通過正交實驗優化預處理工藝條件，旨在開發研究桑葚干制產品，以獲得具有較高品質的桑葚干品，并為桑葚干燥加工和超聲波技術在果蔬中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料

供試桑葚：品種“嘉陵30號”，顏色大小均一，充分成熟，新鮮桑葚的初始含水率為(86±1.5)%。

1.2 主要設備及儀器

KQ-200VDE 型三頻恒溫數控超聲波清洗器（昆山市超聲波儀器有限公司）；LG-1.0冷凍干燥機（沈陽航天新陽速凍裝備有限公司）；AL204型精密分析天平（梅特勒-托利多（上海）；UV2550型紫外可見分光光度計（日本島津），SFY-6鹵素快速水分測定儀（深圳冠亞科技有限公司）；TA-XTPlus質構儀（英國SMS）。

1.3 試驗條件

1.3.1 干燥處理工藝

參考陳立夫[13]等方法，選用蔗糖作為滲透劑進行超聲輔助滲透預脫水。新鮮桑葚清洗后浸于盛有某一濃度蔗糖溶液的燒杯中，將燒杯置于溫控超聲波清洗器（超聲頻率為45 kHz）中進行超聲輔助滲透預脫水處理，處理結束后用吸水紙吸干桑葚物料表面液滴，之后快速冷凍使物料中心溫度降至-18 ℃，參考李嬌嬌[5]等方法，最后將物料在真空度48 Pa、溫度-70 ℃下冷凍干燥28～35 h，至其水分含量≤13%，樣品鋁箔充氮包裝，干燥貯存備用。

1.3.2 桑葚超聲輔助滲透預脫水工藝優化

1.3.2.1 單因素試驗

⑴ 滲透劑濃度：滲透劑選用蔗糖，濃度分別為10%，20%，30%，40%，超聲功率200 W、超聲溫度40 ℃和超聲時間60 min，其中蔗糖濃度為0%作為空白對照。

⑵ 超聲功率：超聲功率80、120、160、200 W，蔗糖濃度20%、超聲溫度40 ℃和超聲時間60 min。

⑶ 超聲溫度：超聲溫度25、40、50、60 ℃，蔗糖濃度20%、超聲功率200 W和超聲時間60 min。

⑷ 超聲時間：超聲時間30、60、90、120 min，蔗糖濃度20%、超聲功率200 W和超聲溫度40 ℃。

1.3.2.2 正交實驗設計

根據單因素試驗結果，以桑葚花青素含量、維生素C含量、感官評分為指標，進行四因素三水平正交實驗優化，因素水平表見表1。

表1 桑葚L9(34)正交試驗因素水平表

1.3.2.3 確定綜合指標

參考陶菊春[18]的方法，將桑葚花青素含量、維生素C含量、感官評分指標的數值按照式⑴進行歸一化處理，使得三個指標在同一水平范疇內波動，然后再根據生產實際和指標的影響性考慮，將指標的加權值分別設定為0.25、0.25、0.5，按照式⑵進行綜合指標計算，最后以綜合指標進行優化分析，求出最優的工藝條件。

歸一化公式：指標值=(實際值-最小值)/(最大值-最小值)×100 式 ⑴

綜合指標：Y=0.25×花青素含量+0.25×維生素C含量+0.5×感官評分 式 ⑵

1.3.3 測定項目及方法

⑴ 水分含量測定：稱取3～5 g樣品，置于鹵素快速水分測定儀中測定其水分含量。

⑵ 花青素含量測定：參考張喜峰[19]、蔡榮榮[20]等方法，采用香草醛-濃鹽酸法測定桑葚的花青素含量。于50 mL容量瓶中加入6 mL 3.0×10-3mol/L的KMnO4溶液，繼而加入一定量的原花青素標準溶液或樣品溶液，用1.2 mol/L H2SO4溶液稀釋至刻度，室溫下放置30 min后測定以蒸餾水為空白在310 nm與545 nm處分別測量其吸光度。

⑶ 維生素C含量測定：參考馬宏飛等[21]方法，采用紫外分光光度法測定桑葚的維生素C含量。用移液管吸取一定量的維生素C標準溶液或樣品溶液轉移入到容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻線，搖勻，現配現用。以蒸餾水為空白，在最大吸收波長267 nm處測定其吸光度。

⑷ 感官評定：采用100分制，選擇10名評價員組成的感官評定小組對桑椹干制品的感官質量進行評價[5]，并按表2標準進行評分，取其平均值作為評分結果，以得分高為質量優。

表2 桑葚感官質量的加權值

1.3.4 數據處理運用DPS9.5、Excel軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同預處理條件對桑葚原料脫水效果的影響

在相同冷凍干燥條件和時間下，不同超聲波預處理對桑葚原料脫水效果如圖1所示。從圖1a中可知，桑葚原料脫水率隨著超聲波處理時間的增加而減少，這是由于隨著處理時間的延長，桑葚會失水增加，相應的原料脫水率就降低。由圖1c可知，桑葚原料脫水率隨著滲透劑濃度的增加先增加后降低，在滲透劑濃度20%處達到最大值，這可能是滲透劑的濃度增加會使桑葚原料固形物含量提高，水分相對減少，當滲透劑濃度達到一定值時，糖液黏度相應變大，外部傳質阻力增大，水分和蔗糖分子的均勻置換進程被阻礙，擴散速率隨之降低[22-23]。

圖1 不同超聲波滲透預處理條件對桑葚脫水效果的影響

由圖1b、圖1c和圖1d可見桑葚原料脫水率隨著超聲波處理溫度和功率的增加而增加，當超聲波功率超過120 W時脫水率增加較緩慢，脫水率差異不顯著，這表明溫度升高和功率的增加，桑葚細胞收縮，進而形成微孔通道，有利于水分從細胞壁擴散，加快桑葚失水。

2.2 不同預處理條件對桑葚花青素含量的影響

不同超聲波預處理條件下對桑葚冷凍干燥的花青素含量（μg/g）的影響如圖2所示。由圖2a和圖2c可知，隨著超聲波處理時間和滲透劑濃度的增加，桑葚細胞收縮形成微孔通道，加快水分從細胞壁擴散，從而縮短干燥時間，桑葚干花青素含量增加。隨超聲波處理時間的增加，青花素產生的速度逐漸加快，說明超聲波的輔助應用有助于縮短冷凍干燥時間，從而使得花青素保存的更好。

圖2 不同超聲波預處理條件對桑葚花青素含量的影響

有研究表明，花色苷是一種水溶性的類黃酮類化合物，其化學性質不穩定，除了與物質本身結構的穩定性有關外，還容易受溫度、氣壓等條件影響[4,23]，該結果和黃小丹[4]、陳嬌嬌[5]的試驗結果一致。由圖2b和圖2d可知，花青素含量隨著超聲波溫度和功率的增加先減少后增加，可能是花青素在處理過程中不穩定。

2.3 不同預處理條件對桑葚維生素C含量的影響

果蔬在干燥過程中維生素C的保留率（μg/g）是評價干燥手段的重要指標，不同滲透預處理條件下干燥桑葚的維生素C含量如圖3所示。隨著超聲波處理溫度、功率、時間和滲透劑濃度的增加，桑葚的維生素C含量逐漸減少，這一方面是因為維生素C是熱敏感性物質，高溫處理能破壞維生素C結構使其降解，其分解速度受溫度和處理時間等影響[14-15]；另一方面可能是因為發生了酶促反應。該結果和林羨等[22,24-25]的試驗結果一致，果實內的抗壞血酸氧化酶在原組織完整時其催化作用不是很明顯，但當組織受到破壞又與空氣接觸時，就能加速抗壞血酸的氧化作用。因此，在相對較低的溫度下進行適當時間、功率和滲透劑濃度進行干燥有利于維生素C的保存。

圖3 不同超聲波滲透預處理條件對桑葚維生素C含量的影響

2.4 正交實驗結果分析

根據單因素試驗結果，將桑葚的花青素含量、維生素C含量作為綜合指標中營養成分的主要參照，同時，考慮到桑葚外觀、色澤、風味等感官對實際生產的重要性，將感官評分納入綜合指標。采用L9(34)進行正交實驗，以滲透劑濃度、超聲功率、超聲溫度、超聲時間作為考察因子，確定桑葚真空冷凍干燥超聲波輔助預處理的最佳條件。實驗每個處理平行3次取平均值，正交實驗結果見表3，利用DPS軟件對花青素含量、維生素C含量、感官評分等三個指標進行二次多項式逐步回歸分析，分析結果見表4。先對花青素含量、維生素C含量、感官評分三個指標進行歸一化處理后，通過加權處理（花青素含量、維生素C含量、感官評分的加權比重分別為0.25、0.25、0.5）得出綜合指標，再用DPS軟件對其進行二次多項式逐步回歸分析，得出綜合指標回歸方程，分析結果見表5。

表3 L9(34)正交試驗結果

表4 桑葚不同指標的回歸方程及統計檢驗

表5 桑葚綜合指標的回歸方程及統計檢驗

通過二次多項式逐步回歸分析，根據標準系數的絕對值與顯著水平，由表4可知，花青素含量、維生素C含量、感官評分指標回歸擬合度較好，各因素對花青素含量指標影響的主次順序為超聲功率x2(p=0.011)＞滲透劑濃度x1(p=0.030)＞超聲時間x4(p=0.063)＞超聲溫度x3(p=0.132不顯著)；對維生素C含量指標影響的主次順序為滲透劑濃度x1(p=0.029)＞超聲溫度x3(p=0.081)＞超聲時間x4(p=0.216不顯著)＞超聲功率x2(p=0.729不顯著)；對感官評分指標影響的主次順序為滲透劑濃度x1(p=0.017)＞超聲功率x2(p=0.077)＞超聲溫度x3(p=0.399不顯著)＞超聲時間x4(p=0.668不顯著)。

為尋求最佳的工藝參數，利用DPS軟件分別對表4中的三個回歸方程求極值，得出各指標的最優工藝條件：花青素含量達到最大值(413.35 μg/g)時的工藝條件為滲透劑濃度30%、超聲功率200 W、溫度60 ℃、時間120 min；維生素C含量達到最大值(48.71 μg/g)時的工藝條件為滲透劑濃度10%、超聲功率144 W、溫度40 ℃、時間60 min；感官評分達到最大值(84.62)時的工藝條件為滲透劑濃度14%、超聲功率200 W、溫度60 ℃、時間120 min。

由表5可知，回歸方程的決定系數R2=0.9938較接近1，F值22.97＞F0.05(4,4)=6.39，p=0.0153＜0.05，綜合指標回歸呈顯著，說明該模型擬合度較好。進行綜合指標最優化分析，得出綜合指標最大值為83.088，即滲透劑濃度x1、超聲功率x2、超聲溫度x3、超聲時間x4分別為1.389、2.753、1.872、1.062。根據實際生產需要，將各因素進行簡化得到：滲透劑濃度x1=1.5、超聲功率x2=2.75、超聲溫度x3=2、超聲時間x4=1，即：滲透劑濃度15%、超聲功率190 W、超聲溫度50 ℃、超聲時間60 min時，所得的桑葚綜合指標達到79.98，花青素含量282.95 μg/g、維生素C含量34.83 μg/g、感官評分84.28。

2.5 驗證試驗及結果

根據綜合優化得到的參數條件，進行驗證試驗，結果取3次試驗平均值。當滲透劑濃度15%、超聲功率190 W、超聲溫度50 ℃、超聲時間60 min時，得到桑葚花青素含量、維生素C含量、感官評分分別為283.49μg/g、34.97μg/g、84，與優化時的預測值較為接近，桑葚干品色澤呈紫黑色，硬度適中，口感酥脆，具有濃郁的果香味，說明將各個指標綜合優化分析的可行性和可靠性。

2.6 不同預處理對桑葚真空冷凍干燥品質的影響

由表6可知，桑葚在同樣的真空冷凍干燥（真空度48 Pa、冷阱溫度-70 ℃）下，超聲輔助滲透處理能將干燥時間縮短20.83%，提高干燥效率。同時，與直接真空冷凍干燥、蔗糖滲透處理真空冷凍干燥相比，感官評分比較接近，花青素、維生素C的保留情況較好。因此，超聲波這一物理手段可以較好地提高桑葚真空冷凍干燥效率，較好地保持桑葚的綜合品質，可將超聲輔助預處理運用于桑葚干燥加工中，能為桑葚真空冷凍干燥加工和超聲波技術在果蔬中的應用提供參考，也為超聲輔助滲透前處理冷凍干燥進一步工業化應用以及深度開發提供了理論依據。

表6 不同預處理對桑葚真空冷凍干燥品質的影響

3 結論

不同超聲波預處理直接影響真空冷凍干燥桑葚的脫水效果、花青素含量、維生素C含量，通過單因素試驗及正交實驗發現，花青素含量受超聲功率、滲透劑濃度、超聲時間顯著性影響，維生素C含量受滲透劑濃度、超聲溫度顯著性影響，感官評分受滲透劑濃度、超聲功率顯著性影響。通過正交實驗，以桑葚花青素含量、維生素C含量、感官評分為指標進行加權處理得到綜合指標，并進行回歸優化分析求得最優工藝參數：滲透劑濃度15%，超聲功率190 W，超聲溫度50 ℃，超聲時間60 min，在此條件下得到的桑葚干品綜合指標達79.98，花青素含量282.95μg/g、維生素C含量34.83μg/g、感官評分84.28，品質較好，色澤呈紫黑色，硬度適中，口感酥脆，具有濃郁的果香味。通過對比發現，最優水平的超聲波預處理可使得真空冷凍干燥時間縮短20.83%，干燥效率明顯提高，桑葚花青素和維生素C含量保持的較好，能為桑葚真空冷凍干燥加工和超聲波技術在果蔬中的應用提供參考。