超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水特性的影響及動力學(xué)模型

王昱圭，湯雪纖，劉思媛，張甫生，鄭炯*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué)，食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，重慶，400715)

麻竹筍被稱為“寒士山珍”，含有豐富的營養(yǎng)成分，是深受現(xiàn)代人喜歡的純天然綠色食品[1]。目前，竹筍的主要加工和保藏方法為干燥、腌制、鹽漬和罐制等[2]。而竹筍經(jīng)干燥后制成的筍干復(fù)水時間長，復(fù)水程度難以掌握，復(fù)水后筍干營養(yǎng)損失大，限制了筍干產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步拓展[3]。

果蔬復(fù)水性受復(fù)水工藝條件的直接影響[4-5]。目前，果蔬復(fù)水的方法較為單一，主要是清水浸泡，并通過改變溫度來控制復(fù)水時間，如用熱-冷-熱的復(fù)水方式復(fù)水薇菜干[6]，或加入一定化學(xué)試劑來提高復(fù)水效果，如用堿液處理來改善豌豆的復(fù)水效果[7]。但均存在復(fù)水耗時過長且復(fù)水后的品質(zhì)受到了一定影響的問題。超聲波是指高于人體聽力閥的聲波(>18kHz)[8]，其與媒質(zhì)的相互作用可分為熱效應(yīng)、機械效應(yīng)和空化效應(yīng)3種[9]。谷物或豆類食品如糙米[10]、鷹嘴豆[11]、海軍豆[12]、高粱[13]等，在經(jīng)超聲波復(fù)水后均有效縮短了其復(fù)水所需的時間，并在一定程度上提高了食品的品質(zhì)。同時，超聲波處理用時短、綠色低耗能[14]。因此，超聲波在促進(jìn)干物質(zhì)的復(fù)水中具有較好的應(yīng)用前景。

研究發(fā)現(xiàn)，超聲波預(yù)處理可明顯縮短香蕉片凍干總時間和提高成品復(fù)水率[15]；不同功率的超聲波預(yù)處理對羅非魚片復(fù)水率、質(zhì)構(gòu)和水分狀態(tài)及其分布等都存在著一定的差異，且均優(yōu)于無預(yù)處理的對照樣品[16]。干制海參在經(jīng)超聲波處理后能夠明顯地提高復(fù)水速率，將泡發(fā)時間由2～3 d縮短至6 h以內(nèi)，且隨著超聲波功率的提高、超聲波頻率的降低，海參的復(fù)水率和持水率增加[17]。目前，超聲波用于干制品復(fù)水的報道大多與谷物食品和干制海產(chǎn)品相關(guān)，而關(guān)于超聲波輔助復(fù)水麻竹筍干的研究報道較少。此外，復(fù)水動力學(xué)模型的建立可對食品復(fù)水過程進(jìn)行有效地預(yù)測和描述，如Weibull模型能有效的描述干燥獼猴桃片的復(fù)水動力學(xué)[18]，擠壓方便米飯的復(fù)水動力學(xué)過程可由線性方程進(jìn)行描述[19]。因此，本文以麻竹筍干為研究對象，研究不同溫度以及不同功率的超聲波處理后的筍干復(fù)水特性，然后對麻竹筍干復(fù)水過程進(jìn)行動力學(xué)模型擬合，確定最適宜的動力學(xué)模型來預(yù)測筍干的復(fù)水特性，以期為筍干的復(fù)水加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麻竹筍干 采購于重慶市北碚區(qū)天生菜市場。

1.2 儀器與設(shè)備

JY98-IIIDN超聲波細(xì)胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司；JA5002型精密分析電子天平，上海精天有限公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 超聲波處理

參考黃旭輝[17]方法并加以改動，取麻竹筍干中段部位，尺寸為1 cm×1 cm，約1g。6個樣品為一組，放于500 mL保溫杯中，加入不同溫度(50、70、90 ℃)的400 mL去離子水，將直徑為2 cm的探頭伸入水中距離樣品約1～2 cm，放好樣品后將細(xì)胞破碎室密封。選定超聲功率為0 W的麻竹筍干為對照組，其余樣品選用5種不同的超聲波功率(100、200、300、400、500 W)處理，超聲頻率為25 kHz，超聲處理時的工作時間5 s，間歇10 s。每20 min取出筍干測量質(zhì)量，共超聲120 min。超聲處理過程中每隔20 min更換去離子水，使水溫基本無變化。

1.3.2 復(fù)水比測量

參考黃旭輝[17]方法，筍干復(fù)水前分別用分析天平測量其質(zhì)量并記錄。復(fù)水后，用吸水紙輕輕擦干筍干表面的水，并稱量筍干復(fù)水后的質(zhì)量。依照公式(1)計算出筍干復(fù)水比：

(1)

式中：RR，復(fù)水比；mf，筍干瀝干后的質(zhì)量，g；m0，筍干復(fù)水前的質(zhì)量，g。

1.3.3 復(fù)水速率

參照許牡丹等[20]的方法，復(fù)水速率是指物料的平均干基含水率隨時間的變化，復(fù)水速率按公式(2)計算：

(2)

式中：Vt，復(fù)水速率，g/(g·min)；Mt，筍干在t時刻的干基含水率，g/g；Mt-1，筍干在t-1時刻的干基含水率，g/g；td，t-1時刻和t時刻的時間間隔，min。

1.3.4 復(fù)水過程數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型常用于描述食品干燥和復(fù)水過程中水分的變化規(guī)律，主要分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ?。目前為止，還未見對超聲波輔助麻竹筍干復(fù)水的數(shù)學(xué)模型研究的報道。因此，本實驗選用了單項擴(kuò)散模型、Page模型、Weibull模型對麻竹筍干的復(fù)水過程進(jìn)行擬合，以期找出最適合描述超聲波輔助麻竹筍干復(fù)水的數(shù)學(xué)模型，為筍干的實際加工提供理論依據(jù)。

1.3.4.1 單項擴(kuò)散模型

單項擴(kuò)散模型是簡單的指數(shù)式模型，主要用于模擬干物質(zhì)的復(fù)水或脫水過程[21]，其方程式為(3)：

Mr=αe-kt

(3)

將單項擴(kuò)散模型的方程線性化后得(4)：

-lnMr=kt-lnα

(4)

式中：α、k為模型參數(shù)；Mr，水分比；t，超聲波處理時間。

1.3.4.2 Page模型

Page模型是廣泛應(yīng)用于模擬食品復(fù)水或農(nóng)業(yè)物料干燥的過程[22-23]，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，?yīng)用在本文的方程式為(5)：

Mr=αe-ktn

(5)

將page模型的方程線性化后得(6)：

ln[-lnMr]=lnk+nlnt

(6)

式中：Mr，水分比；t，超聲波處理時間；n、α、k，模型參數(shù)。

1.3.4.3 Weibull模型

Weibull模型屬于半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干制品的復(fù)水模型[23-25]，其方程式為(7)：

(7)

將Weibull模型的方程線性化后得：

(8)

式中：Mr，水分比；t，超聲波處理時間；α、β，模型參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。所有實驗均進(jìn)行3次重復(fù)。應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。用Origin 8.0進(jìn)行圖表繪制，復(fù)水?dāng)?shù)學(xué)模型的擬合用SPSS 23進(jìn)行，用R2來評估模型與實驗數(shù)據(jù)的擬合程度。使用Duncan法比較平均值之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水特性的影響

2.1.1 超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水比的影響

圖1為不同溫度下超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水比的影響。在3個溫度條件下，超聲波處理后筍干的復(fù)水比都顯著高于對照組(P<0.05)。且隨著超聲波功率的增大，復(fù)水比也增大。相關(guān)研究報道過超聲波處理能夠大大提升糙米[10]、鷹嘴豆[11]、海軍豆[12]、高粱[13]、海參[17]等的復(fù)水比，與本文研究結(jié)果相似。這可能是因為超聲波的空化效應(yīng)和機械效應(yīng)改變了食品內(nèi)部細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)，使其具有小而密集的孔狀結(jié)構(gòu)[17]；同時，超聲波也能減少筍干復(fù)水過程中的對流傳質(zhì)阻力[25]，使水分子更易進(jìn)入組織細(xì)胞內(nèi)部。相同功率下，隨著溫度的升高，麻竹筍干的內(nèi)部組織更為疏松[26]。筍干的復(fù)水比也在顯著升高(P<0.05)。因此，在較高溫度下，大功率超聲波處理能有效提高麻竹筍干的復(fù)水比。

A-50 ℃;B-70 ℃;C-90 ℃圖1 超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水比的影響Fig.1 The effect of ultrasound on the rehydration ratio of dried Ma bamboo shoot

2.1.2 超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水速率的影響

圖2為超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水速率的影響。在相同溫度下，超聲波處理對筍干的復(fù)水速率可分為2個階段，在復(fù)水初期時，筍干的復(fù)水速率較快；在水分含量達(dá)到平衡時，復(fù)水速率顯著降低(P<0.05)且趨于平衡；并且隨著超聲波功率的增大，復(fù)水速率顯著增大(P<0.05)。說明超聲波功率的大小對筍干復(fù)水速率有一定的影響，且在復(fù)水初期時影響最大。這可能是由于超聲波促使筍干內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，使筍干在復(fù)水初期具有較強的吸水力。當(dāng)筍干中的水分含量達(dá)到一定程度時，吸水力減弱，復(fù)水速率的變化差異不顯著(P>0.05)。同時，在相同超聲波功率下，隨著溫度的升高，筍干復(fù)水初期時的復(fù)水速率顯著增大(P<0.05)。這可能是因為細(xì)胞膜的通透性隨溫度的升高而增加[27]，使水分能加速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，說明溫度的升高可提高筍干的復(fù)水速率。因此，超聲波處理以及升高溫度能有效提高筍干的吸水能力。

A-50 ℃;B-70 ℃；C-90 ℃圖2 超聲波處理對麻竹筍干復(fù)水速率的影響Fig.2 The effect of ultrasound on the rehydration rate of dried Ma bamboo shoot

2.2 復(fù)水動力學(xué)模型

2.2.1 單項擴(kuò)散模型

表1為單項擴(kuò)散模型擬合參數(shù)。50 ℃時，k值在超聲波功率為200 W時達(dá)到最大。70 ℃時，k值在超聲波功率為300 W時達(dá)到最大。90 ℃時，k值在超聲波功率為200 W時達(dá)到最大。由此可見，單項擴(kuò)散模型的擬合參數(shù)k是隨著功率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且均大于對照組中的k值。同時，相同溫度下，α值隨著超聲波功率的增大而減小，且均小于對照組。隨著溫度的升高，相同超聲波功率下，α值減小，在溫度為90 ℃，超聲波功率為500 W時,α值最小。但筍干的復(fù)水過程并不能單純地描述為簡單的指數(shù)模型。而且單項擴(kuò)散模型的R2值并不理想(R2>0.90),也說明單項擴(kuò)散模型并不適合用于描述筍干的復(fù)水過程。

表1 單項擴(kuò)散模型擬合參數(shù)Table 1 The single diffusion model fitting parameters

2.2.2 Page模型

表2為Page模型擬合參數(shù)，50 ℃時，n值隨著超聲波功率的增加而減少，在500 W時達(dá)到最小值。而k值則隨著超聲波功率的增大而增大，在500 W時k的最大值為對照組的2倍左右。70 ℃和90 ℃的條件下均有此規(guī)律。說明在相同溫度下，隨著超聲波功率的增大，Page模型參數(shù)n值減小，k值增大，超聲波功率為500 W時對n值和k值影響最大，且Page模型對k值的影響比對n值的影響大。

表2 Page模型擬合參數(shù)Table 2 Page model fitting parameters

在相同功率下，隨著溫度升高，n值減小，k值呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。表明溫度為70 ℃時，對k值影響最大。與單項擴(kuò)散模型相比較，Page模型的R2值更接近1(R2>0.99)，說明Page模型能較好地描述筍干復(fù)水過程。

2.2.3 Weibull模型

表3為Weibull模型擬合參數(shù)。在Weibull模型中α被定義為完成63%水分吸收所需要的時間[28]，β與復(fù)水速率相關(guān)，β越大，吸水速率越小[29]。相同溫度下，α值和β值隨著超聲波功率的增大而減小，且α值減小程度較明顯。表明相同溫度下，筍干完成63%水分吸收所需要的時間在減少，筍干吸水速率隨著超聲波功率的增大而增大，且超聲波功率對α值的影響較為明顯。這與黃旭輝的結(jié)論一致[17]。高功率的超聲波能夠有效地促進(jìn)海參復(fù)水相同。在相同功率下，隨著溫度的升高，α值在大幅減小，β值減小程度較小，說明溫度也可促進(jìn)筍干復(fù)水[30-31]，且溫度對α值的影響較大。從R2值可以看出，Weibull模型能夠?qū)S干復(fù)水進(jìn)行擬合(R2>0.98)，但與Page模型相比，其擬合度仍稍差。

通過表1、表2、表3的R2值的比較可以得出，單項擴(kuò)散模型的R2值最小(R2>0.90)，不適用于對筍干復(fù)水過程的描述，Page模型的R2值最大(R2>0.99)，最適合用于描述和量化筍干復(fù)水過程。

表3 Weibull模型擬合參數(shù)Table 3 Weibull model fitting parameters

2.3 復(fù)水動力學(xué)模型的驗證

圖3是不同溫度下Page模型ln(-lnMr)的預(yù)測值與實測值的關(guān)系圖。

圖3 Page模型預(yù)測值與實測值的比較Fig.3 The comparison between the predictive value and measured value the of Page model

Page模型在50、70、90 ℃時的預(yù)測值與實測值擬合度較高，說明Page模型能準(zhǔn)確描述超聲波處理筍干復(fù)水的水分變化過程，這一模型可以為實際生產(chǎn)過程中預(yù)測和尋求超聲輔助麻竹筍干復(fù)水的最佳工藝條件提供參考。

3 結(jié)論

超聲波處理能有效提高麻竹筍干的復(fù)水比和復(fù)水速率。隨著溫度的上升以及超聲處理時間的增加，效果則更加明顯。同時，對麻竹筍干的復(fù)水進(jìn)行動力學(xué)模型擬合，結(jié)果表明Page模型具有較高的線性擬合精度(R2>0.99)，能較好地描述和預(yù)測不同溫度下超聲輔助復(fù)水麻竹筍干的過程。因此，應(yīng)用超聲處理可提高麻竹筍干的復(fù)水特性，為筍干加工提供理論基礎(chǔ)及科學(xué)依據(jù)。