超聲波輔助處理制備伽師瓜凍干片工藝研究

劉艷全，張 甜，丁真真，阿斯木古麗·買買提，陳華方，王 東*

（1.喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，葉爾羌綠洲生態(tài)與生物資源研究高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆喀什 844000；2.新疆胡楊牧歌種養(yǎng)殖科技有限公司，新疆喀什 844000）

伽師瓜屬葫蘆科（Cutrbitaceae）黃瓜屬（CucumisC.），是南疆主栽的甜瓜品種之一，主要種植在伽師縣，被列為“中國地理標(biāo)志產(chǎn)品”。伽師瓜口感香脆多汁、滋味香甜，富含多種維生素、礦物質(zhì)，備受人們青睞，被稱為“天下第一瓜”[1]。近年來，伽師縣將伽師瓜作為主要經(jīng)濟(jì)作物大力發(fā)展，2020年種植面積超2萬hm2，年產(chǎn)量約60萬t。但因采摘季節(jié)溫度高，伽師瓜采后易軟化，損失嚴(yán)重，降低了其食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，加之產(chǎn)地偏遠(yuǎn)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，探索伽師瓜的深加工產(chǎn)品形式、延長其產(chǎn)業(yè)鏈非常迫切，對提高農(nóng)產(chǎn)品附加值具有重要意義。

果蔬干制是果蔬采后保藏和加工的重要方法，干制品營養(yǎng)價(jià)值高、口感獨(dú)特。突如其來的疫情更是增強(qiáng)了消費(fèi)者儲備食物的意識，果蔬脆片會更受歡迎[2-4]。果蔬脆片常用的干燥措施有自然曬干、熱風(fēng)干燥、真空冷凍、紅外輻射干燥、真空油炸干燥、低溫真空膨化干燥、壓差閃蒸干燥、微波和超聲波輔助干燥等技術(shù)。真空冷凍干燥是將物料進(jìn)行低溫速凍，隨后在高真空的凍干倉中使物料中的固態(tài)水升華為氣態(tài)從而脫水的干燥技術(shù)。此技術(shù)可最大限度地保留食物營養(yǎng)成分，尤其是熱不穩(wěn)定成分和易氧化成分，防止顏色變化，且產(chǎn)品不易變形，表面不易硬化，復(fù)水性好[5-6]。超聲波技術(shù)利用空穴效應(yīng)加速固-液和固-氣系統(tǒng)中的傳質(zhì)過程，可應(yīng)用于果蔬冷凍干燥領(lǐng)域[7-8]。如任廣躍等[9]研究表明超聲波處理果蔬可以提高干燥速率，保留食品的營養(yǎng)成分，改善凍干終品品質(zhì)。周新麗等[10]研究表明超聲波輔助冷凍干燥使產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)、胡蘿卜素含量、VC含量、復(fù)水率等指標(biāo)都有較好的表現(xiàn)。然而，我國凍干產(chǎn)品占比還很小，技術(shù)設(shè)備也較落后，美國和日本市場上出售的脫水產(chǎn)品、凍干食品已占40%以上[11-12]。因此，探索超聲波預(yù)處理輔助冷凍干燥技術(shù)很有必要。本文以伽師瓜為原料，探討了超聲波預(yù)處理輔助冷凍干燥技術(shù)制備一種口感酥脆、風(fēng)味獨(dú)特的營養(yǎng)伽師瓜凍干片，為伽師瓜的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：新鮮伽師瓜，品種為“卡拉庫賽”，8～9月份成熟，購于伽師縣水果批發(fā)市場。

試劑：L-抗壞血酸，食品級，西安浩天生物工程有限公司；苯酚、濃硫酸均為分析純；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品，上海聯(lián)碩生物科技有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

KQ-500Z超聲波發(fā)生器，工作頻率40 kHz、功率200～500 W，昆山市超聲儀器有限公司；冷凍干燥機(jī)，Christ ALPHA 1-2LD plus，德國。721分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，HHS型，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；高性價(jià)比精密色差儀，NR60CP型，深圳市三恩時(shí)科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 伽師瓜凍干片的制備

選新鮮、大小均勻、無損傷的伽師瓜，削皮，去籽，切成一定厚度、長30 mm、寬20 mm的瓜片。將切好的瓜片立即放入抗壞血酸溶液中，采用工作頻率為40 kHz、功率為200 W，控制溫度，超聲處理一定時(shí)間后瀝干。將超聲后的伽師瓜片，在凍干機(jī)盤上平鋪一層，將凍干倉隔板溫度設(shè)定為-40 ℃預(yù)凍3 h，冷卻至-20 ℃。然后壓力設(shè)為20 Pa，按照下列升溫程序?qū)ξ锪线M(jìn)行真空冷凍干燥：-20 ℃、1 h，10 ℃、1 h，0 ℃、1 h，10 ℃、1 h，20 ℃、1 h，30 ℃、1 h，40 ℃、1 h，50 ℃至結(jié)束，凍干時(shí)間為9 h，得伽師瓜凍干片。

1.3.2 凍干片干燥品質(zhì)測定

（1）復(fù)水率

用30 ℃蒸餾水，恒溫水浴浸泡0.5 h，充分吸水后撈出，瀝干表面的水分，按式（1）計(jì)算復(fù)水率。

式中，Re為凍干片復(fù)水率，%；m1為復(fù)水前瓜片質(zhì)量，g；m2為復(fù)水后瓜片質(zhì)量，g。

（2）總糖

采用苯酚硫酸法，以葡萄糖制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定490nm波長處的吸光度，計(jì)算總糖含量。參考王建[13]的總糖測定方法。

（3）色度

測定伽師瓜凍干片的明度指數(shù)L*、a*、b*，按照CIELab 1976色差公式（2）計(jì)算其總色差值（ΔE值），ΔE值越小說明產(chǎn)品色澤越鮮亮[14]。

式中，L*、a*、b*是對照，L、a、b是實(shí)際值。

1.3.3 感官評價(jià)

伽師瓜凍干片感官評定小組由20名有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生組成，從色澤、酥脆度、風(fēng)味和滋味4個(gè)方面對樣品進(jìn)行分析，評定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 凍干片感官評價(jià)表Table 1 Sensory evaluation of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

1.4 單因素試驗(yàn)

在冷凍條件不變的基礎(chǔ)上，考察超聲時(shí)間（10、15、20、25、30 min）、超聲溫度（30、40、50、60、70、80 ℃）、抗壞血酸濃度（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g/mL）和切片厚度（5、10、15、20、25 mm）對伽師瓜凍干片復(fù)水率、總糖和色度的影響。

1.5 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇超聲時(shí)間（A）、超聲溫度（B）和抗壞血酸濃度（C）為試驗(yàn)因素，根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，因素及水平見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels in response surface design

1.6 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖；采用Design Expert 8.05進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)、方程模擬和模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 超聲時(shí)間對伽師瓜凍干片品質(zhì)的影響

超聲溫度50 ℃，厚度10 mm，抗壞血酸濃度0.4 g/mL，凍干條件采用1.3.1中工藝參數(shù)，測定超聲時(shí)間為10、15、20、25、30 min對凍干片復(fù)水率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 超聲時(shí)間對伽師瓜凍干片復(fù)水率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

由圖1可知，超聲波預(yù)處理可有效增加凍干片的復(fù)水率，當(dāng)超聲25 min時(shí)，復(fù)水率達(dá)到最大值57.3%，隨后稍有下降。分析原因可能是時(shí)間過長會破壞組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)塌陷，影響干燥后的復(fù)水效果[15]。

超聲時(shí)間對凍干片總糖含量的影響見下頁圖2。由圖2可知，超聲時(shí)間對凍干片總糖含量的影響較小，隨超聲時(shí)間增加，總糖含量先增高后緩慢下降，當(dāng)超聲時(shí)間為20～25 min時(shí)，總糖含量較高。

圖2 超聲時(shí)間對伽師瓜凍干片總糖含量的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on total sugar of "Jiashi"melon freeze-dried tablets

表3 超聲時(shí)間對凍干片色澤的影響Table 3 Effect of ultrasonic time on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

超聲時(shí)間對凍干片色澤的影響如表3所示。由表3可知，超聲預(yù)處理對凍干片影響較大，可以有效改善凍干片的顏色，以未超聲處理凍干片為對照，隨著超聲時(shí)間增加時(shí)，亮度L*值先上升后下降，25 min時(shí)最大；a*值先降低后升高，可能是由于加入抗壞血酸具有護(hù)綠作用；b*值逐漸變大，說明凍干片的顏色向黃色變化[14]。因此，超聲時(shí)間應(yīng)控制在25 min。

2.1.2 超聲溫度對伽師瓜凍干片品質(zhì)的影響

超聲時(shí)間25 min，瓜片厚度10 mm，抗壞血酸濃度0.4 g/mL時(shí)，凍干條件采用1.3.1中工藝參數(shù)，考察超聲溫度為30、40、50、60、80 ℃時(shí)對凍干片復(fù)水率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，超聲溫度對凍干片的復(fù)水率影響較大，隨超聲溫度升高，復(fù)水率先增加后降低，溫度為60 ℃時(shí)，復(fù)水率達(dá)到最大值，為57.6%。

超聲溫度對伽師瓜凍干片總糖含量的影響如圖4所示。由圖4可知，超聲溫度對凍干片總糖的影響較小，隨超聲溫度升高總糖含量先升高后降低，50 ℃時(shí)，總糖達(dá)到最大值，為36.8%。

圖3 超聲溫度對伽師瓜凍干片復(fù)水率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

圖4 超聲溫度對伽師瓜凍干片總糖含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on total sugar of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

表4 超聲溫度對凍干片色澤的影響Table 4 Effect of ultrasonic temperature on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

超聲溫度對凍干片色澤的影響見表4。由表4可知，隨溫度的上升，凍干片亮度L*值先上升后平緩，50 ℃時(shí)最大；a*值逐漸增大，b*值逐漸下降，可能是在一定溫度下發(fā)生了美拉德反應(yīng)或是超聲波促進(jìn)了抗壞血酸對胡蘿卜素的降解作用[14]。因此，超聲溫度應(yīng)控制在50～60 ℃。

2.1.3 抗壞血酸濃度對伽師瓜凍干片品質(zhì)的影響

超聲時(shí)間25 min，瓜片厚度10 mm，超聲溫度50 ℃時(shí)，凍干條件采用1.3.1中工藝參數(shù)，抗壞血酸濃度對凍干片復(fù)水率的影響如圖5所示。由圖5可知，抗壞血酸濃度對復(fù)水率影響不大，隨抗壞血酸濃度升高復(fù)水率先緩慢升高后緩慢降低，濃度為0.4 g/mL時(shí)，復(fù)水率達(dá)到最大值，為57.3%。

圖5 抗壞血酸濃度對伽師瓜凍干片復(fù)水率的影響Fig.5 Effect of ascorbic acid concentration on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

抗壞血酸濃度對凍干片總糖的影響如圖6所示。由圖6可知，隨抗壞血酸濃度升高，凍干片總糖先升高后緩慢下降，抗壞血酸濃度對總糖影響不大，濃度為0.4 g/mL時(shí)達(dá)到最大值，為36.4%。

圖6 抗壞血酸濃度對伽師瓜凍干片總糖含量的影響Fig.6 Effect of ascorbic acid concentration on total sugar of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

抗壞血酸濃度對凍干片色澤的影響如表5所示。由表5可知，抗壞血酸對凍干片護(hù)色效果明顯，凍干片亮度L*、a*和b*值先上升后趨于平緩，這表明抗壞血酸可以有效抑制酶類褐變并使凍干片保持較好的顏色。因此，抗壞血酸濃度控制在0.3～0.5 g/mL。

表5 抗壞血酸濃度對凍干片色澤的影響Table 5 Effect of ascorbic acid concentration on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

2.1.4 伽師瓜片厚度對伽師瓜凍干片品質(zhì)的影響

超聲時(shí)間25 min，超聲溫度50 ℃，抗壞血酸濃度為0.4 g/mL時(shí)，凍干條件采用1.3.1中工藝參數(shù)，考察切片厚度為5、10、15、20、25 mm對凍干片復(fù)水率的影響，結(jié)果見圖7。由圖7可知，隨瓜片厚度增大，凍干片的復(fù)水率明顯降低，可能由于切片厚度太大，熱傳遞速率降低，凍干片內(nèi)部未完全形成疏松多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)水率降低。

圖7 伽師瓜片厚度對伽師瓜凍干片復(fù)水率的影響Fig.7 Effect of slice thickness on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

圖8 切片厚度對伽師瓜凍干片總糖含量的影響Fig.8 Effect of slice thickness on total sugar of "Jiashi"melon freeze-dried tablets

瓜片厚度對凍干片總糖的影響如圖8（見上頁）所示。由圖8可知，瓜片厚度在5～20 mm范圍內(nèi)，總糖含量變化不大，10 mm時(shí)，總糖含量最大，為36.4%。

瓜片厚度對凍干片色澤的影響見表6。由表6可知，亮度L*、a*和b*值呈現(xiàn)先升高后降低，在5～15 mm范圍內(nèi)色澤變化較小。綜合凍干設(shè)備利用率等因素，瓜片厚度選擇10 mm。

表6 切片厚度對凍干片色澤的影響Table 6 Effect of slice thickness on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表7 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table7 The design and results of experiment of response surface

根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)，對自變量A、B和C用Expert-Design 8.05軟件擬合，以感官評分（Y）為響應(yīng)值，得到多元二次響應(yīng)面回歸方程如下：Y=91.3+1.09A+1.49B+2.17C+1.17AB+0.05AC+0.85BC-2.59A2-3.74B2-4.86C2。

表8 回歸模型方差分析Table 8 Variance analysis for the regression model

由表8中方差分析可知，模型的P值小于0.000 1，表明該擬合方程極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，方程決定系數(shù)R2=0.915 3，表明感官評分實(shí)測值和預(yù)測值之間擬合度較好，模型的選取適合。同時(shí)表明一次項(xiàng)A、B、C，二次項(xiàng)AB、A2、B2和C2對感官評分影響極顯著（P＜0.01）；BC影響顯著（P＜0.05），AC影響不顯著（P＞0.05），各因素對感官影響大小順序?yàn)榭箟难釢舛龋境暅囟龋境晻r(shí)間。

2.2.2 兩因素交互作用的分析

圖9 超聲時(shí)間和超聲溫度的交互作用響應(yīng)面圖（a）及等高線圖（b）Fig.9 Response surface plot(a) and contour plot(b) of the interaction between ultrasonic time and temperature

圖10 超聲時(shí)間和抗壞血酸濃度交互作用響應(yīng)面圖（a）及等高線圖（b）Fig.10 Response surface plot(a) and contour plot(b)of the interaction between ultrasonic time and ascorbic acid concentration

圖9（a）表明，當(dāng)超聲溫度一定時(shí)，隨超聲時(shí)間增加，感官評分先增加后降低；當(dāng)超聲時(shí)間一定時(shí)，隨超聲溫度增加，感官評分先增加后降低。在超聲時(shí)間為25 min、超聲溫度為55 ℃時(shí)，感官評分達(dá)到最大值，為91.1分。由圖9（b）可以看出，等高線圖呈橢圓形，說明超聲時(shí)間和超聲溫度之間的交互作用極其顯著。

圖10（a）表明，當(dāng)超聲時(shí)間一定時(shí)，隨抗壞血酸濃度增加，感官評分急劇增加后緩慢降低；當(dāng)抗壞血酸濃度一定時(shí)，隨超聲時(shí)間增加，感官評分先增加后降低。圖10（b）表明，等高線圖呈橢圓形，超聲時(shí)間和抗壞血酸濃度交互作用顯著，且超聲時(shí)間25min，抗壞血酸濃度0.4 g/mL時(shí)，感官評分最大，為91.1分。

圖11 超聲溫度和抗壞血酸濃度交互作用響應(yīng)面圖（a）及等高線圖（b）Fig.11 Response surface plot（a）and contour plot（b）of the interaction between ultrasonic temperature and ascorbic acid concentration

圖11（a）表明，當(dāng)超聲溫度一定時(shí)，隨抗壞血酸濃度增加，感官評分先增加后緩慢降低或不變；當(dāng)抗壞血酸濃度一定時(shí)，隨超聲溫度增加感官評分先快速增加后降低，超聲溫度55 ℃、抗壞血酸濃度0.4 g/mL，感官評分最高，為91.1分。且圖11（b）等高線圖呈橢圓形，說明超聲溫度和抗壞血酸濃度之間的交互作用顯著。

2.3 最佳條件的預(yù)測和驗(yàn)證

本試驗(yàn)通過回歸模型預(yù)測得到伽師瓜凍干片最佳處理工藝為超聲時(shí)間26.4 min、超聲溫度56.4 ℃、抗壞血酸濃度0.42 g/mL，此時(shí)伽師瓜凍干片的感官評分的預(yù)測值為91.92。綜合考慮，修正最優(yōu)條件為超聲時(shí)間26 min、超聲溫度56 ℃、抗壞血酸濃度0.42 g/mL。按照此條件進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到伽師瓜凍干片的感官評分平均值為92.96，與預(yù)測值的誤差為1.13%，因此采用響應(yīng)面法優(yōu)化伽師瓜凍干片制備工藝條件有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)用超聲波輔助冷凍干燥的方式處理伽師瓜，制備了一種凍干片。通過單因素和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得到最佳工藝為超聲時(shí)間26 min，超聲溫度56 ℃，抗壞血酸濃度0.42 g/mL。超聲預(yù)處理技術(shù)因空化作用可改善物料微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)干物料水分遷移，提高干燥效率，還可改善果蔬色澤，提高果蔬制品品質(zhì)。本文研究了超聲波在伽師瓜凍干片制作中的應(yīng)用，下一步還將深入探索超聲波對果蔬凍干片營養(yǎng)和風(fēng)味作用機(jī)理，為果蔬凍干制品的制作方法提供參考。