超聲波輔助滲透脫水預處理的農(nóng)產(chǎn)品干制研究進展

蘭冬梅，許 平，林曉嵐，胡樹國，朱巧巧，王 鳴

(福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建 福州350002)

滲透脫水是將果蔬浸入到高滲透壓溶液(糖溶液或鹽溶液)，利用細胞膜的半滲透性使原材料中的水分轉移到糖溶液或者鹽溶液中，以達到除去果蔬組織中部分水分的加工方法。滲透脫水能夠較好地保持果蔬的加工后品質和特性［1］，且滲透脫水耗能低、場地占用小、設備簡單和易于操作，便于與其他干燥方式聯(lián)合［2］，傳統(tǒng)的魚肉、蔬菜的腌制及糖制都屬于該范疇。傳統(tǒng)的滲透脫水時間較長，物料脫水速度較慢。近年來，在不影響產(chǎn)品品質的前提下，一些高新技術如:超聲波、電場、離心、真空等被用于強化滲透脫水效果。

超聲波具有快速、經(jīng)濟適用、高效安全的優(yōu)點，在工業(yè)、食品、醫(yī)學、化工、機械方面都有廣泛應用［3］。工程學上用于水下定位與通訊、地下資源勘查;生物學上用于剪切大分子、生物工程及處理種子;診斷學上用于雙功及彩超;在醫(yī)學上用于理療、治癌、外科、體外碎石、牙科;食品科學上用于天然物的萃取、均質乳化、殺菌等［4］。超聲技術可提高農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水的脫水效率和營養(yǎng)保持率。本文主要綜述近年來超聲波對農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水輔助作用的研究進展，以期為超聲波輔助農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水技術的研究提供參考。

1 滲透脫水

1.1 滲透脫水的主要影響因素

1.1.1 原材料的組織特性 影響原材料組織特性的因素包括:品種、大小、形狀、成熟度、可溶性固形物含量、含水量、密度、酶活力等。這些因素影響果蔬、魚肉原料的組織特性，從而影響物質的遷移過程，使?jié)B透脫水效果受到影響。張曉敏［5］采用片狀和丁狀兩種切分方式研究板栗滲透脫水，當失水率達到10%時，片狀樣品需2.5 h，丁狀樣品需3.5 h，說明切分厚度會影響滲透脫水速率;任世英［6］研究了切段和切絲兩種切分方式對四季豆?jié)B透脫水的影響，結果表明，切絲樣品60 min 內(nèi)失水率基本恒定，而切段樣品的失水率在180 min 還未達到穩(wěn)定。以上研究均表明原材料形狀、大小影響滲透脫水速率。此外，果蔬表皮含有蠟質成分，影響分子遷移，從而影響滲透脫水過程。

1.1.2 滲透液的種類 滲透液對滲透脫水過程的影響主要由滲透壓引起。滲透壓是水分在物料與溶液之間擴散的推動力，而滲透壓與單位體積溶液中所含的分子或者離子數(shù)有關。溶液濃度相同，分子量越大，粒子數(shù)越少，則滲透壓越低，反之則滲透壓越高。例如相同的滲透壓，蔗糖溶液比葡萄糖溶液濃度高。

常用的滲透液溶質包括:蔗糖、葡萄糖、NaCl、麥芽糖以及糊精類等［7］。水果滲透脫水多用糖溶液;蔬菜、魚肉常用NaCl 溶液［8］。滲透脫水產(chǎn)品品質受滲透液溶質的影響很大。藍莓滲透脫水達到50%失水率時，蔗糖溶液的脫水速度低于高果糖漿，這是因為高果糖漿由果糖和葡萄糖組成，而果糖和葡萄糖的分子比蔗糖小，造成蔗糖的擴散系數(shù)小，脫水速度變慢［9］;濃度為10% －15%NaCl 溶液與60%蔗糖溶液滲透壓相當;滲透壓相同時，葡萄糖溶液濃度低于蔗糖溶液［10］。

1.1.3 滲透液的溫度及濃度 滲透液的溫度主要影響原材料的失水率、溶質滲入率及原材料風味等因素。溫度提高，分子運動增加，傳質速率提高，原材料失水率提高，而滲入率也會提高，則風味受到影響，有些原材料還會出現(xiàn)褐變、營養(yǎng)素流失、組織變軟等［11］導致品質下降的情況。因此溫度的選擇應當在保證原材料風味的前提下，達到原材料失水率與滲透溶質增加的高比值。非特殊情況無需額外加熱。

滲透液濃度影響滲透液與細胞間的滲透壓差［12］，濃度越高，壓差越大，則原材料失水率越大，并且隨之粘度也會增大，導致水的擴散速度降低，總擴散速度則相應降低，并且粘度增大對攪拌速度也會產(chǎn)生影響。因此，滲透液濃度的選擇要考慮原材料的材質與組織特性，并且考慮攪拌速度等因素。

1.1.4 操作條件 滲透液與原材料質量比、滲透脫水時間以及滲透脫水過程的攪拌與否都會影響滲透脫水產(chǎn)品品質。合理的滲透液與原材料質量比，能夠保證合理的滲透脫水時間和速率。當滲透液與原材料質量比為10∶1 及以上時，可以有效提高滲透速度［13］。滲透脫水在3 h 內(nèi)的脫水速率最快，在此時間段內(nèi)，時間越長，失水率越高;但時間過長會造成產(chǎn)品品質的下降，因此滲透脫水時間應控制在4 －5 h［14］。

1.2 滲透脫水的傳質動力學研究

滲透脫水的傳質學研究［15］主要為實現(xiàn)滲透脫水過程的可控制性和可預測性。滲透脫水主要包括水分和固形物的質量傳遞。水分質量傳遞是水分從原材料內(nèi)部向溶液中擴散［16］;固形物質量傳遞是溶液中的固形物向原材料內(nèi)部擴散的過程，這兩種過程方向相反且同時發(fā)生。不同的生產(chǎn)要求對兩者的要求不盡相同，水果蜜餞生產(chǎn)過程要求糖分充分浸入，而蔬菜脫水則要求控制溶質的滲入量。王順民等［17］研究萵筍超聲波輔助滲透脫水表明，滲透劑種類、滲透劑質量分數(shù)、滲透溫度和超聲波功率等因素都會對萵苣滲透脫水產(chǎn)生影響，通過試驗所得萵筍超聲波輔助滲透最佳工藝條件為:質量分數(shù)為42%的蔗糖作為滲透劑，超聲波功率為200 W，溫度為58 ℃，時間為149 min，在此條件下萵筍失水率和固形物增加率分別為1109%和342%，這說明超聲波輔助滲透脫水需要滲透液、操作條件等因素相互協(xié)調控制。目前已經(jīng)初步建立水分和溶質的傳質模型，其目的是檢測滲透過程的動態(tài)變化。水傳質過程的主要研究方法有兩種:Fick 第二定律的非穩(wěn)態(tài)傳質過程［18］和Peleg 方程模擬滲透平衡［19－20］。

原材料的滲透脫水主要是物質的遷移。最外層的細胞最先由于濃度差失水，細胞內(nèi)濃度升高，并與內(nèi)層細胞產(chǎn)生濃度差，則水分由第2 層細胞向第1 層細胞轉移，由此一層層產(chǎn)生的濃度差導致水分的轉移過程和細胞的組織收縮過程從原材料表面逐漸向內(nèi)部進行，水分不斷浸出，直至原材料內(nèi)與滲透液濃度相等后，物質遷移就趨于平衡。

1.3 滲透脫水的輔助技術

由于單純的滲透脫水速度較慢，利用一些高科技輔助技術［21－22］能夠縮短滲透縮水的時間，包括真空處理［23］、超高壓技術、超聲波技術［24］、高強脈沖電場技術［25－26］等。真空處理能夠迅速降低氣壓，使原材料中的空氣迅速排出，增加細胞與滲透液的接觸面積，同時，增強毛細管作用;超高壓技術通過提高壓強，使原材料中的水分移動，并且破壞原料的細胞壁結構，提高細胞通透性;高強脈沖電場能夠使原材料細胞膜形成空隙，破壞細胞膜，影響滲透性。董全［27］比較真空、脈沖真空和常壓下藍莓滲透脫水情況發(fā)現(xiàn)，藍莓的有效水分擴散率分別為1.678 ×10－9、1.363 ×10－9、0.568 ×10－9m2·s－1。真空滲透脫水、脈沖真空滲透脫水和常壓下滲透脫水的有效固性物擴散率分別為0.917 ×10－9、0.639 ×10－9、0.510 ×10－9m2·s－1，真空、脈沖真空的固形物擴散率都高于常壓固形物擴散率，能夠有效加快滲透脫水。

2 超聲波輔助滲透脫水

2.1 超聲波輔助滲透脫水的原理

超聲波是頻率為20 ×103－2 ×106Hz 的聲波，能夠引起介質快速、連續(xù)、壓縮膨脹，具有加速物質擴散的作用［28－29］。超聲波可以在液體中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，促使液體內(nèi)部產(chǎn)生微小氣泡，使得微小氣泡產(chǎn)生時速為100 m2·s－1的噴射流［30］，這種噴射流不僅能瞬間擊穿細胞膜，增強細胞膜的滲透性，而且也起到了攪拌的作用［31］，形成溶液漩渦，促進滲透過程進行［32－33］。“海綿效應”能夠降低內(nèi)部傳質阻力，“微擾”和“空化效應”能夠減小擴散邊界層，降低外部傳質阻力，這兩方面因素能夠加快滲透流和擴散流的運動速度。Soria et al［34］認為超聲波的微擾效應會降低物料表面水分吸附力并產(chǎn)生微孔道，這種微小氣泡有利于水分的遷移與脫除，并有利于微小氣泡周圍的高壓、高溫以及高頻率的產(chǎn)生。

2.2 影響超聲波輔助滲透脫水速率的因素

李媛等［35］使用超聲波輔助預處理胡蘿卜滲透脫水表明，原材料厚度、超聲波時間、超聲波功率都會對滲透脫水速率產(chǎn)生影響，胡蘿卜片處理最佳參數(shù)為:切片厚度6 mm，糖溶液濃度15%，超聲波功率、時間分別為100 W、15 min，脫水時間4 h。董紅星等［36］研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以顯著強化紅薯滲透脫水過程的物質遷移，紅薯脫水率和固形物得率在一定范圍內(nèi)隨超聲波功率、超聲時間、滲透液濃度、滲透液溫度的增加而提高。紅薯的最佳超聲波滲透脫水條件為:超聲波功率93 W、時間25 min，滲透液濃度40%，溫度30℃。這說明超聲波的時間、功率、滲透液濃度等因素會對滲透脫水產(chǎn)生影響。

2.3 超聲波輔助滲透脫水農(nóng)產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀

程新峰等［37］使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和熱示差掃描(differential scanning calorimeter，DSC)技術比較超聲波和脈沖真空處理對草莓滲透脫水的影響。在50%蔗糖溶液中經(jīng)過40 ℃脫水處理3 h，超聲波輔助滲透脫水水分流失量明顯高于脈沖真空輔助滲透脫水，超聲波輔助滲透脫水明顯降低初始凍結溫度和可凍結水含量。鄒克堅［20］對比真空、脈沖和超聲波對芒果滲透脫水的影響發(fā)現(xiàn)，真空、脈沖和超聲波均能促進芒果水分和固形物的擴散，其中超聲波的水分擴散系數(shù)最大，有效加快了水分遷移。

李俊先等［38］通過響應面優(yōu)化蔗糖質量分數(shù)、滲透溫度、滲透時間與超聲波功率等單因素得出超聲波輔助紫薯滲透脫水的最佳工藝為:蔗糖質量分數(shù)為56.29%，滲透時間和溫度分別為2.46 h 和65 ℃，超聲波功率142.33 W，經(jīng)過此條件滲透脫水的紫薯固形物增加8.33%，脫水率增加40.97%。紫薯含有豐富的維生素、礦物質和膳食纖維，其花青素含量具有高生物學性能［39］，此種方法能夠延長紫薯保存時間。嚴曉輝等［40］的電鏡掃描結果顯示超聲波處理對荔枝組織結構有明顯影響，并且超聲波預處理有利于干燥速率的提高，超聲波功率越大，影響越顯著。石啟龍等［41］采用超聲波輔助研究雪蓮果滲透脫水工藝，以滲透脫水時間、溫度、蔗糖質量分數(shù)、超聲波功率和時間為單因素，失水率及固形物增加率為指標，通過單因素和二次正交旋轉組合試驗建立各因素和響應值之間的回歸方程，發(fā)現(xiàn)影響固形物增加率的因素依次為:超聲波處理時間＞溫度＞蔗糖質量分數(shù);影響失水率/固形物增加率的因素依次為:滲透脫水時間＞蔗糖質量分數(shù)＞時間＞溫度。雪蓮果超聲波輔助滲透脫水的最佳工藝為超聲波處理時間35 min，滲透脫水時間和溫度分別為1.7 h 和41 ℃，此時失水率/固形物增加率為0.059。Kowalski et al［42］在靜止和間歇兩種情況下，對滲透預處理的干燥動力學和生物材料質量進行研究表明，在最佳干燥條件下，超聲波能縮短干燥時間和達到產(chǎn)品質量退化最小化。目前有關超聲波預處理對果蔬滲透脫水影響的研究較少，趙彩青等［43］在研究超聲波輔助滲透脫水對櫻桃和番茄的影響時，探究超聲波輔助對果蔬產(chǎn)品的影響。超聲波處理可以提高滲透脫水速度，但隨著時間延長，超聲波對滲透脫水速率的影響逐漸降低，當超聲波處理時間為120 min，超聲波預處理的實驗組與對照組幾乎相同，這說明超聲波對滲透脫水的影響有一定的限制，起初超聲波能夠有效地破壞組織細胞的細胞膜，迅速增加細胞的通透性，有效地提高滲透脫水的速度，但隨著時間延長，溶質滲入量增加，表皮細胞不再起作用，則超聲波的作用下降。吳曉霞等［44］研究超聲波輔助強化白蘿卜滲透脫水時發(fā)現(xiàn)，超聲波對脫水有明顯強化作用，在一定范圍內(nèi)物料脫水速率隨超聲波功率增加而增加，并且時間越長，脫水率和固形物得率都增大，但是，增加物料厚度和超聲波頻率，出現(xiàn)脫水率降低的情況，這與任仙娥等［45］研究超聲波強化菠蘿滲透脫水所得的結論相同。試驗證明，超聲波對提高滲透脫水的效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的加工保藏率具有良好的效果，然而超聲滲透脫水只能除去部分水分，得到的產(chǎn)品仍具有一定的含水率，難以實現(xiàn)長期保藏，要達到較低的水分含量，后期還需采用冷凍干燥等方法進一步除去多余的水分［46－48］。

3 小結

目前滲透脫水產(chǎn)品應用廣泛，通過滲透脫水所得的水果可以用作甜點、冰淇淋及各種快餐的原材料，中等水分含量的水果蔬菜可以通過滲透脫水降低水分活度來延長貨架期，滲透脫水是制備中等水分果蔬的優(yōu)選方法。超聲波作為滲透脫水的預處理方式，具有加快脫水速度，降低脫水溫度，提高失重率的優(yōu)點［31］，并且在保持果蔬品質以及節(jié)能方面具有優(yōu)于其他處理方式的優(yōu)勢和應用前景［49］。但是在工業(yè)化生產(chǎn)中，要推廣超聲波作為預處理方式來輔助果蔬滲透脫水，其各類參數(shù)及條件還需進一步探究。

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