熱風(fēng)干燥蘋果片超聲波預(yù)處理工藝的優(yōu)化

李澤珍，李蔚，狄建兵

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

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熱風(fēng)干燥蘋果片超聲波預(yù)處理工藝的優(yōu)化

李澤珍，李蔚，狄建兵

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]優(yōu)化蘋果片超聲波預(yù)處理工藝條件。[方法]在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用三因素三水平旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)，研究超聲波功率、時(shí)間、水溫對(duì)蘋果片熱風(fēng)干燥時(shí)干燥時(shí)間，復(fù)水比的影響，響應(yīng)面法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。[結(jié)果]二次回歸方程都極顯著，擬合良好；優(yōu)化的超聲波預(yù)處理參數(shù)是：超聲波功率203.99 w，水溫34.59 ℃，時(shí)間10.64 min。此條件下，蘋果片熱風(fēng)干燥時(shí)間為2.61 h，復(fù)水率為7.07 g·g-1，成品顏色更鮮亮偏黃。[結(jié)論]優(yōu)化的超聲波預(yù)處理?xiàng)l件可以提高熱風(fēng)干燥蘋果片的品質(zhì)。

蘋果片； 超聲波預(yù)處理； 熱風(fēng)干燥； 響應(yīng)曲面分析

蘋果是我國(guó)產(chǎn)量最大的鮮果之一，目前形成許多蘋果主產(chǎn)區(qū)，在我國(guó)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)顯著[1]。蘋果休閑制品有很多，其中蘋果片保留了蘋果原有的風(fēng)味，是綠色、天然、營(yíng)養(yǎng)健康的食品[2，3]。目前常壓熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥等[4]可作為蘋果片的干燥方法。其中，熱風(fēng)干燥的成本比其他方法小，雖然能耗大，效率低，但作為傳統(tǒng)的干燥方法仍在廣泛使用。針對(duì)熱風(fēng)干燥技術(shù)的缺點(diǎn)，幾種干燥方法的聯(lián)用可保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率，如紅外熱風(fēng)干燥[5]，超聲波熱風(fēng)干燥[6], 微波熱風(fēng)干燥，熱風(fēng)冷凍組合干燥，冷凍-微波-熱風(fēng)干燥等[4]聯(lián)合干燥方法。其中，超聲波技術(shù)具有獨(dú)特的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，利用超聲波技術(shù)對(duì)果蔬原料進(jìn)行預(yù)處理可有效提高熱風(fēng)干燥效率[7～9]。超聲波預(yù)處理已有很大的研究進(jìn)展[10]，但在蘋果片熱風(fēng)干燥方面的應(yīng)用還不多。本試驗(yàn)以蘋果為研究對(duì)象，采用二次旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)對(duì)熱風(fēng)干燥蘋果片的超聲波預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化，以得到生產(chǎn)蘋果片的最佳工藝參數(shù)，旨在為超聲波預(yù)處理技術(shù)用于熱風(fēng)干燥蘋果片提供一定的技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

紅富士蘋果：市售；

KQ500DE型超聲波清洗機(jī)(江蘇省昆山市)； GZX-9240MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；WSC-S色差儀(上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

蘋果→洗凈，削皮，去核→切片(厚5 mm)→護(hù)色→超聲波預(yù)處理→熱風(fēng)干燥(60 ℃)→成品→測(cè)定。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

以超聲波的功率、水溫、時(shí)間為主要影響因子，將蘋果片熱風(fēng)干燥時(shí)間和復(fù)水比作為考察指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)照組不作處理，其它條件一致。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。處理組具體試驗(yàn)條件：處理1：超聲波時(shí)間10 min，水溫35 ℃時(shí)，考察功率為100、200、300、400、500 W時(shí)的影響。處理2:超聲波處理功率200 W，水溫35 ℃時(shí)，考察時(shí)間為5、10、15、20、25 min時(shí)的影響。處理3：超聲波處理功率200 W，時(shí)間10 min時(shí)，考察水溫為25、30、35、40、45 ℃時(shí)的影響。

1.2.3 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)[11,12]

單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)熱風(fēng)干燥前蘋果片超聲波預(yù)處理?xiàng)l件進(jìn)行3因素3水平旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)，超聲波的功率、水溫、時(shí)間為影響因素。試驗(yàn)因素編碼及水平見(jiàn)表1。

以蘋果片熱風(fēng)干燥時(shí)間、復(fù)水比為響應(yīng)值Y1、Y2，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對(duì)回歸方程進(jìn)行分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

按照優(yōu)化的超聲波預(yù)處理?xiàng)l件處理蘋果片，與未經(jīng)超聲波處理得到的蘋果片(對(duì)照組)進(jìn)行相關(guān)測(cè)定分析。

1.2.5 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.5.1 復(fù)水比[13]

經(jīng)過(guò)熱風(fēng)干燥后的蘋果片浸泡在蒸餾水中，使其充分吸水，復(fù)水后將表觀的水吸干，準(zhǔn)確稱重。得出復(fù)水比的計(jì)算公式為：復(fù)水比=m2/m1(g·g-1)，m1、m2分別是吸水前的蘋果片質(zhì)量，吸水后的蘋果片質(zhì)量。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼和水平

注：x1=(X1-200)/100；x2=(X2-35)/5；x3=(X3-10)/5

1.2.5.2 干燥時(shí)間

記錄蘋果片含水量達(dá)到安全水分5%時(shí)所需要的時(shí)間，作為干燥時(shí)間[4]。含水率測(cè)定參照GB 5009.3-2010[14]。

1.2.5.3 色澤[15]

色差計(jì)測(cè)量干制的蘋果片色澤L*、a*和b*值。其中，L*為明亮度指數(shù)，數(shù)值大時(shí)代表樣品顏色偏白。a*和b*為彩度指數(shù)。a*值>0時(shí)，越大表示樣品越紅； a*值<0時(shí)，越小代表顏色越趨向綠色； b*值>0時(shí)，越大說(shuō)明樣品越黃，b*值<0時(shí)，越小代表顏色越趨向藍(lán)色。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design Exper 8.0軟件分析，優(yōu)化最佳變量水平。

2 結(jié)果和分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 超聲波功率

由圖1可見(jiàn)，在超聲波功率增加的同時(shí)，熱風(fēng)干燥蘋果片干燥時(shí)間呈先降低后增加的趨勢(shì)，而復(fù)水比則先增大后減小。適當(dāng)功率的超聲波預(yù)處理可以使蘋果片產(chǎn)生空化效應(yīng)，或造成組織破碎，在組織中產(chǎn)生微孔道，進(jìn)而有利于熱風(fēng)干燥時(shí)蘋果片中水分的逸散[15]。但功率太大時(shí)，則會(huì)破壞蘋果片的組織，使水分的順利排出受阻，導(dǎo)致干燥時(shí)間變長(zhǎng)，復(fù)水比變小[16]。超聲波功率為200 W時(shí)效果最佳，蘋果片達(dá)到最短干燥時(shí)間2.7 h，最高復(fù)水比7.02 g·g-1，比對(duì)照所需的干燥時(shí)間縮短了47.1%，復(fù)水比提高了40.4%。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組

圖1 超聲波功率的影響Fig.1 The effects of ultrasonic power

2.1.2 超聲波水溫

圖2顯示，超聲波處理水溫在35 ℃以下時(shí)，蘋果片干燥時(shí)間緩慢降低，復(fù)水比則緩慢增大，溫度超過(guò)35 ℃時(shí)，干燥時(shí)間快速增加后達(dá)到平穩(wěn)，復(fù)水比則明顯下降后也變得平穩(wěn)。超聲波預(yù)處理水溫在35 ℃以下較高溫度時(shí)，可能會(huì)增強(qiáng)超聲波對(duì)蘋果片的機(jī)械作用，使內(nèi)部組織變得更疏松，有利于水分排出，因此表現(xiàn)為干燥時(shí)間的縮短，復(fù)水比的升高；而當(dāng)溫度超過(guò)35 ℃時(shí)，蘋果片的組織結(jié)構(gòu)容易受到破壞，不利于水分的排出，表現(xiàn)出相反的結(jié)果[15]。圖2中顯示，當(dāng)超聲波處理溫度在35 ℃時(shí)效果最佳，干燥時(shí)間是最短為2.9 h，比對(duì)照組蘋果片減少了2.2 h，降低了43.1%；而此時(shí)復(fù)水比也達(dá)到最大值6.9 g·g-1，比對(duì)照組復(fù)水比增加了38%，差異顯著。

圖2 超聲波水溫的影響Fig.2 The effects of ultrasonic water temperature

圖3 超聲波時(shí)間的影響Fig.3 The effects of ultrasonic time

2.1.3 超聲波時(shí)間的影響

圖3所示，超聲波預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使干燥時(shí)間快速下降，之后上升變得較平穩(wěn)，復(fù)水比則出現(xiàn)先快速增加，后緩慢減小的走向。類似2.1.1中超聲波功率的影響，適當(dāng)時(shí)間的超聲波預(yù)處理會(huì)使蘋果片內(nèi)部組織疏松，后期干燥時(shí)水分排出更快，干燥時(shí)間縮短，復(fù)水比增加；而超聲波處理時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，機(jī)械作用對(duì)蘋果片組織的破環(huán)使自然通道變堵，水分排出不暢，干燥時(shí)間增加，復(fù)水比下降[15]。圖3可見(jiàn)，超聲波時(shí)間是10 min時(shí)效果最好，蘋果片干燥時(shí)間縮短為3 h，復(fù)水比最大為6.79 g·g-1，比對(duì)照組蘋果片的干燥時(shí)間縮短了41.1%，復(fù)水比增加了35.8%。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗(yàn)

二次旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。采用Design Exper8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依次建立響應(yīng)值干燥時(shí)間、復(fù)水比的二次回歸方程(1)、(2)。

Y1=2.62-0.19x1-0.031x2-0.16x3+0.059x1x2+0.019x1x3-0.029x2x3+0.65x12+0.19x22+0.54x32

(1)

Y2=7.06-0.11x1-0.093x2+0.086x3-0.060x1x2+0.090x1x3-0.14x2x3-0.64x12-0.31x22-0.48x32

(2)

式中，x1為超聲波的功率/W，x2為水溫/℃，x3為時(shí)間/min；干燥時(shí)間為Y1/h，Y2為復(fù)水比/g·g-1。

方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。表4中，干燥時(shí)間的回歸模型(1)P<0.000 1，決定系數(shù)R2=0.97，AdjR2=0.95，說(shuō)明模型極顯著，回歸擬合程度好。失擬項(xiàng)檢驗(yàn)概率為0.082 8>0.05，說(shuō)明擬合不足不顯著。復(fù)水比的回歸模型(2)也極顯著(P<0.000 1)，決定系數(shù)R2=0.97，AdjR2=0.94，說(shuō)明模型回歸擬合程度好。失擬項(xiàng)檢驗(yàn)概率為0.928 1>0.05，說(shuō)明擬合不足不顯著。

表3 二次旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)結(jié)果

表4 響應(yīng)值模型數(shù)學(xué)方差分析

由此可見(jiàn)，2個(gè)回歸模型都極顯著，試驗(yàn)誤差小，可用此模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)超聲波預(yù)處理后，熱風(fēng)干燥蘋果片干燥時(shí)間、復(fù)水比的變化。

2.2.2 響應(yīng)面分析

2.2.2.1 干燥時(shí)間的響應(yīng)面分析與優(yōu)化

圖4的響應(yīng)面和等高線圖反映了超聲波功率、水溫和時(shí)間對(duì)干燥時(shí)間的影響及兩因素之間的相互作用。圖4 中等高線圖形趨向圓形，說(shuō)明超聲波功率、時(shí)間和水溫之間的相互作用對(duì)干燥時(shí)間的影響很小，可以忽略[17]。響應(yīng)曲面分析可知超聲波處理功率和時(shí)間的曲面較為陡峭，等高線也相對(duì)密集，說(shuō)明干燥時(shí)間對(duì)功率和時(shí)間二因素的變化敏感。表4中方差分析也說(shuō)明超聲波功率和時(shí)間對(duì)干燥時(shí)間產(chǎn)生主要的影響。

2.2.2.2 復(fù)水比的響應(yīng)面分析與優(yōu)化

圖5中，除超聲波時(shí)間和水溫的等高線圖呈橢圓形外，功率與水溫，功率與時(shí)間的等高線圖形都趨向圓形，表明對(duì)復(fù)水比影響顯著的是時(shí)間和水溫的相互作用。圖5中超聲波功率的曲面圖較陡峭，等高線也密集，說(shuō)明相比超聲波時(shí)間及水溫變化帶來(lái)的影響，超聲波功率的變化對(duì)蘋果片復(fù)水比的影響更大，表4中也表明超聲波功率是影響復(fù)水比的主要因素，呈顯著水平。

2.2.3 復(fù)合處理?xiàng)l件的優(yōu)化與驗(yàn)證

最優(yōu)工藝參數(shù)由design expert 8.0軟件分析得到。當(dāng)超聲波功率為203.99 W，水溫為34.59 ℃，處理時(shí)間10.64 min時(shí)，蘋果片出現(xiàn)最小干燥時(shí)間2.61 h，最大復(fù)水比7.07 g·g-1。為了便于實(shí)際應(yīng)用，選取功率為200 W，水溫為35 ℃，處理時(shí)間為11 min，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，且與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。相比對(duì)照組，超聲波預(yù)處理可以縮短干燥時(shí)間，提高復(fù)水比；超聲波預(yù)處理組的明亮度L*值、b*值較大，a*較小，說(shuō)明該組蘋果片色彩更鮮亮偏黃。

表5 驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)因素交互影響干燥時(shí)間的響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface plots and contour for the interactive effects of experimental factors on drying time

圖5 試驗(yàn)因素交互影響復(fù)水比的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface plots and contour for the interactive effects of experimental factors on rehydration ratio

3 結(jié)論與討論

當(dāng)超聲波功率為203.99 W，水溫為34.59 ℃，處理時(shí)間10.64 min時(shí)，蘋果片達(dá)到最小干燥時(shí)間2.61 h，最大復(fù)水比7.07 g·g-1，色澤鮮亮偏黃。為方便應(yīng)用，選取功率為200 W，水溫為35 ℃，處理時(shí)間為11 min。超聲波功率，超聲波時(shí)間是超聲波預(yù)處理技術(shù)影響熱風(fēng)干燥蘋果片干燥時(shí)間的主要因素，超聲波功率是影響復(fù)水比的主要因素。

試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥技術(shù)結(jié)合一定的超聲波預(yù)處理，可以縮短蘋果片熱風(fēng)干燥時(shí)間，減少能耗。Kadam S U[18]對(duì)褐藻進(jìn)行超聲波預(yù)處理，也發(fā)現(xiàn)較大的超聲波功率可縮短熱風(fēng)干

燥的時(shí)間。超聲波預(yù)處理后干制的蘋果片色澤良好，復(fù)水比較高，品質(zhì)佳。Rodríguez等[19]還發(fā)現(xiàn)干燥溫度為30 ℃時(shí)，超聲波-熱風(fēng)干燥得到的蘋果總酚含量和類黃酮含量較高。Chen等[20]發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理后真空干燥的胡蘿卜VC和β-胡蘿卜素含量較高。超聲波預(yù)處理的應(yīng)用可避免長(zhǎng)時(shí)間高溫對(duì)蘋果片中熱敏成分的破環(huán)，有利于保持蘋果片的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，有待進(jìn)一步研究探討[21]。目前優(yōu)化的工藝條件可為超聲波預(yù)處理結(jié)合熱風(fēng)干燥在蘋果片干制中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

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(編輯：馬榮博)

Optimization of the ultrasonic pretreatment technology for apple slices by hot-air drying

Li Zezhen, Li Yu, Di Jianbing

(CollegeofFoodScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]The Optimization of the ultrasonic pretreatment technology conditions for apple slices by hot-air drying were studied.[Methods]The effects of ultrasonic power, ultrasonic water temperature, ultrasonic time on the hot-air drying time and rehydration ratio were studied by using the current, rotational and combinational design experiment. The second order quadratic equations of hot-air drying time and rehydration ratio were established, and the significance of model and fitting degree were analyzed through response surfacemethod .[Results]The result showed that the second order quadratic equations reached a significant level.The optimum ultrasonic power, ultrasonic water temperature, ultrasonic time for apple slices by hot-air drying were 203.99 w, 34.59 ℃, 10.64 min respectively. With the optimum ultrasonic pretreatment hot-air drying time and rehydration ratio for apple slices were 2.61 h,7.07 g·g-1. The product color was more light and yellow.[Conclusion]The optimization conditions of ultrasonic pretreatment could effectively improve the quality of apple slices by hot-air drying.

Apple slices, Ultrasonic pretreatment, Hot air drying, Response surface method

2017-03-13

2017-05-10

李澤珍(1980-)，女(漢)，山西原平人，講師，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及天然產(chǎn)物開(kāi)發(fā)

山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2016152)

TS 255.5

A

1671-8151(2017)09-0663-07