超聲預(yù)處理枸杞熱風(fēng)干燥工藝優(yōu)化

羅 燕， 黃曉鵬， 李武強(qiáng)， 萬芳新， 馬國軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

枸杞(LyciumbarbarumL.)為多年生落葉灌木，果實(shí)呈橙紅色紡錘體，又名杞子或枸杞子，味甘甜、質(zhì)柔潤，是重要的“藥食同源”道地性中藥材，主要分布于我國北方地區(qū)?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，枸杞果實(shí)中含有的枸杞多糖、總酚、黃酮等具有增強(qiáng)免疫、抗腫瘤、抗衰老等多種藥理活性，同時也具有明目和滋補(bǔ)肝腎的功效[1]。成熟枸杞體內(nèi)水分和糖分占比較高，常溫放置極易發(fā)生腐敗，除鮮用外，需要經(jīng)過干燥的手段降低漿果內(nèi)的水分活度，延長貨架期。

干燥是目前農(nóng)產(chǎn)品保藏、加工和運(yùn)輸?shù)谋匾h(huán)節(jié)，可有效提高農(nóng)副產(chǎn)品的利用率。干制技術(shù)的優(yōu)劣不僅關(guān)系到產(chǎn)品的形態(tài)和質(zhì)量，干制過程中的能耗情況還會影響到環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價值。目前枸杞果實(shí)的干燥研究主要集中于單一干燥方式下的干燥特性，如克亞·加帕爾[2]以青海枸杞為研究對象，將不同干燥方式下的干制品干燥參數(shù)、化學(xué)成分、理化指標(biāo)等進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)日曬干燥下枸杞皺縮深度大、有效成分損失嚴(yán)重。柴京富[3]系統(tǒng)研究了枸杞熱風(fēng)干燥特性，證實(shí)了熱風(fēng)干燥可有效提高枸杞干制品品質(zhì)。此外，高春燕[4]、Zhang[5]等發(fā)現(xiàn)熱水浸提下的超聲波輔助提取技術(shù)可顯著提升枸杞多糖含量。

熱風(fēng)干燥是以熱空氣作為傳熱介質(zhì)，經(jīng)風(fēng)機(jī)等設(shè)備促進(jìn)物料內(nèi)部的水分經(jīng)毛細(xì)孔徑向外擴(kuò)散的過程，是目前果蔬等農(nóng)副產(chǎn)品最普遍的干制手段，具有操作簡單、適用性廣的特點(diǎn)[6-7]。然而熱風(fēng)干燥過程中物料有效成分損失嚴(yán)重，導(dǎo)致干制品品質(zhì)下降，使其應(yīng)用受到很大的限制。由于超聲預(yù)處理具有抑制物料有效成分流失的優(yōu)點(diǎn)，本研究以超聲預(yù)處理+熱風(fēng)干燥的方法進(jìn)行枸杞干燥試驗，探討超聲頻率、超聲功率和超聲處理時間對干燥效果的影響，并利用響應(yīng)曲面法對干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定枸杞超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥下的最優(yōu)工藝參數(shù)，以期為枸杞干制品的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

枸杞品種為寧杞5號，7月上旬采摘，由甘肅靖遠(yuǎn)縣新寨村提供。

1.2 試驗設(shè)備

YQ101-0A-4A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京宇勤騰達(dá)制藥設(shè)備有限公司，電壓220 V/50 Hz，功率1.2 kW，風(fēng)速3 m/s)；HKSF-2型快速水分儀(無錫華科儀器儀表有限公司，精度±0.1%)；CR-410型色差儀(日本柯尼卡美能達(dá)公司)；KQ-300VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗機(jī)(昆山市超聲儀器有限公司)；JM-A3003型電子天平(余姚紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備有限公司)等。

1.3 試驗方法

試驗前先將超聲設(shè)備和熱風(fēng)干燥箱調(diào)整到預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行預(yù)熱。挑選顆粒飽滿、均勻無破損的枸杞為試驗樣本，每組樣本準(zhǔn)確稱取100 g(稱量誤差<1 g)。將物料用3%的Na2CO3溶液去除表皮蠟質(zhì)層后進(jìn)行超聲預(yù)處理，然后將枸杞平鋪于熱風(fēng)干燥箱的篩網(wǎng)上進(jìn)行干燥試驗，每隔60 min將物料稱重1次，直至含水率降至13%后結(jié)束試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗設(shè)計

基于前期單因素試驗及干燥動力學(xué)評價指標(biāo)，以初始含水率79.2%、熱風(fēng)溫度50 ℃為定量，以超聲頻率(X1)、超聲功率(X2)、超聲處理時間(X3)為影響因素，以平均干燥速率(Y1)、色差值(Y2)和單位能耗(Y3)為目標(biāo)參數(shù)，每個因素分別取三個水平，對枸杞進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面設(shè)計試驗，因素水平編碼見表1，試驗方案及試驗數(shù)據(jù)見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 模型建立及顯著性檢驗

對表2中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項回歸擬合，獲得平均干燥速率(Y1)、色差值(Y2)、單位能耗(Y3)的回歸方程如下：

(1)

(2)

(3)

對回歸方程(1)、(2)和(3)方差分析后得到的結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)

表3 多元回歸模型方差分析

2.2.2 交互作用分析

圖1為不同超聲參數(shù)對枸杞平均干燥速率交互影響的響應(yīng)曲面。圖中顯示，枸杞的平均干燥速率為0.230～0.443 %/min，且不同超聲參數(shù)間的交互作用對枸杞干制品的交互作用影響不同：當(dāng)超聲波功率在低水平時，隨著超聲頻率的增大，枸杞熱風(fēng)干燥的平均干燥速率明顯降低。這是由于超聲頻率的增加減弱了超聲波的空化效應(yīng)，使得物料內(nèi)部的水蒸氣向外擴(kuò)散的通道減少，從而降低了枸杞的干燥速率；當(dāng)超聲頻率為低水平時，枸杞平均干燥速率的大小與超聲處理時間的長短成正比，說明超聲處理時間越長，超聲波效應(yīng)對物料干燥的影響越顯著。

不同超聲參數(shù)對枸杞色差值交互影響的響應(yīng)曲面如圖2所示?？梢钥闯觯煌晠?shù)的交互作用對枸杞干制品色差值的影響規(guī)律大致相同，色差值總體呈先增大后減小的趨勢，這主要是因為超聲參數(shù)的增加加劇了超聲效應(yīng)對物料表面的影響，使得物料表面破損嚴(yán)重，色差值增大。當(dāng)超聲參數(shù)值進(jìn)一步增大時，細(xì)胞膜的通透性也隨之增大，營養(yǎng)物質(zhì)對外遷移的速率降低，使得干制品的總色差值降低。

圖3為不同超聲參數(shù)對枸杞單位能耗交互影響的響應(yīng)曲面，從圖中可以看出，超聲處理時間與超聲頻率的交互作用對單位能耗的影響較大：當(dāng)超聲波作用于枸杞表面的時間處于低水平時，干燥枸杞的單位能耗隨著超聲頻率的增加而增加，這可能是由于超聲頻率的增加使得水蒸氣分子攜帶的能量減少，增大了單位水分子向外蒸發(fā)所需的能耗。另外，隨著超聲處理時間的增加，超聲波的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)作用于物料的時間延長，傳熱介質(zhì)的微孔道數(shù)目增加，提高了枸杞的熱風(fēng)干燥效率，使得單位能耗降低。

圖1 不同超聲參數(shù)對枸杞平均干燥速率交互影響的響應(yīng)曲面

圖2 不同超聲參數(shù)對枸杞色差值交互影響的響應(yīng)曲面

圖3 不同超聲參數(shù)對枸杞單位能耗交互影響的響應(yīng)曲面

2.2.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

利用Design Export軟件對3個二元回歸方程進(jìn)行聯(lián)立求解，得到超聲參數(shù)的最優(yōu)理論值分別為超聲頻率20 kHz、超聲功率60 W、超聲處理時間20 min，對應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)分別為平均干燥速率0.454 %/min、色差值6.775和單位能耗0.073 kJ/g。對最優(yōu)工藝參數(shù)的理論值進(jìn)行3組工藝驗證試驗，得到枸杞干制品的平均干燥速率為0.446%/min，色差平均值為6.600，單位能耗為0.074 kJ/g。相比理論值，誤差依次為1.7%、2.5%和1.2%，誤差值較小，表明優(yōu)化所得的工藝參數(shù)對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)通過響應(yīng)面試驗，建立了平均干燥速率、色差值、單位能耗與超聲頻率、超聲功率和超聲處理時間的二次正交回歸模型，方差分析表明回歸模型顯著，可用于描述枸杞超聲強(qiáng)化的熱風(fēng)干燥過程。

(2)獲得了枸杞熱風(fēng)干燥的超聲預(yù)處理最優(yōu)參數(shù)組合：超聲頻率20 kHz、超聲功率60 W、超聲處理時間20 min，此時目標(biāo)參數(shù)依次為平均干燥速率0.454%/min、色差值6.775和單位能耗0.073 kJ/g，理論值與試驗值誤差率均小于2.5%。