周夢琪,陳昌琳,呂遠平,3*
(1.四川大學輕工科學與工程學院,四川 成都 610065;2.四川省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物育種栽培研究所,四川成都 610300;3.四川大學健康食品科學評價體系研究中心,四川 成都 610065)
【研究意義】獼猴桃(Kiwifruit)營養(yǎng)豐富,果干是其重要的加工方向[1-3]。目前興起的冷凍干燥技術干燥時間長、能耗大,造成產(chǎn)品成本較高,在一定程度上制約了冷凍干燥獼猴桃干市場的發(fā)展[4]。為了縮短冷凍干燥時間,調(diào)整產(chǎn)品口味,常在凍干前對獼猴桃進行滲糖處理。自然滲糖脫水工藝具有樣品水分擴散速度慢,滲糖效率低,耗時長等問題[5]。為進一步提高滲糖脫水效率,前期滲糖過程可采用超聲輔助滲糖脫水[6]。采用超聲輔助滲糖脫水工藝處理獼猴桃片,有助于縮短獼猴桃干冷凍干燥時間,為生產(chǎn)實踐中提高獼猴桃果干加工效率、降低生產(chǎn)成本提供理論參考?!厩叭搜芯窟M展】在一定壓強下,向液體輻射聲波時,液體中出現(xiàn)的微小氣泡隨著聲壓的變化而脈動、振蕩,或伴隨著生長、收縮以致破滅的現(xiàn)象稱為空化效應[7]。超聲產(chǎn)生的空化效應可引起固液界面湍流的產(chǎn)生,使水分遷移阻力減小,有利于提高傳質(zhì)效率,加快物料脫水[8-9]。同時,超聲波可產(chǎn)生周期性壓縮和膨脹作用,令細胞組織排列雜亂,破壞內(nèi)部結(jié)構。經(jīng)過超聲處理后,物料水分含量減少,同時內(nèi)部形成疏松結(jié)構,有利于凍結(jié)過程中生成升華通道,從而縮短冷凍干燥時間[5,10,11]。近年來采用超聲對各類水果進行滲糖脫水處理的研究報道日益增多。PRITHANI R 等通過Weibull 模型擬合發(fā)現(xiàn)超聲預處理可使水分加速流失,從而導致脫水速度加快。超聲預處理后的獼猴桃片與未處理樣品相比有效水分擴散率和溶質(zhì)擴散率均有所提高[12]。BOZKIR 等[13]探究了柿子對流干燥前超聲和滲透脫水預處理的效果,發(fā)現(xiàn)超聲輔助滲透脫水顯著縮短了干燥時間,提高了干燥速率,在30分鐘內(nèi)有效水擴散率增加了21%。FONG-IN等[14]對冷凍前的荔枝進行超聲輔助滲糖脫水預處理。結(jié)果表明,超聲預處理可有效增加荔枝的水分損失(28.73%)。SANTACATALINA等[15]發(fā)現(xiàn),超聲滲糖脫水可有效縮短蘋果的低溫干燥時間。在10 ℃和-10 ℃兩種溫度下,超聲波功率越高,干燥時間越短,干燥時間的最多縮短了 80.3%?!颈狙芯壳腥朦c】不同超聲滲糖處理條件對獼猴桃冷凍干燥時間的影響鮮見報道?!緮M解決的關鍵問題】在單因素試驗的基礎上,通過Box-Benhnken中心組合試驗設計,對超聲滲糖工藝進行響應面優(yōu)化,旨在改進獼猴桃深加工工藝,縮短獼猴桃冷凍干燥時間,降低凍干獼猴桃干生產(chǎn)成本,為超聲滲糖脫水處理技術應用于獼猴桃深加工產(chǎn)品提供參考依據(jù)。
材料:國產(chǎn)徐香綠心獼猴桃,購于四川省成都市青石橋水果批發(fā)市場;氫氧化鈉、鹽酸、濃硫酸、蒽酮、L(+)-抗壞血酸,均為分析純,購于四川省成都市科隆化學品有限公司;無水檸檬酸,購于河南萬邦化工有限公司;果葡糖漿(質(zhì)量分數(shù)60%),購于中糧融氏生物科技有限公司。
儀器:SQP型電子天平(感量 0.001 g)(北京賽多利斯科學儀器有限公司);QH-139切片機(德國坤展廚具用品有限公司);KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司);SCIENTZ-10N冷凍干燥機(寧波新芝生物科技有限公司);BCD-520WDPD型冰箱(海爾智家股份有限公司);UV-1800BPC紫外可見分光光度計(上海美普達儀器有限公司);TA.XT.plus物性測試儀(英國SMS公司)。
1.2.1 獼猴桃干生產(chǎn)工藝 獼猴桃→篩選→去皮切片→護色液浸泡→漂燙處理→冷卻瀝干→超聲滲糖→預凍→真空冷凍干燥→成品
篩選:挑選大小相近,成熟度一致,無病蟲害和機械損傷的獼猴桃。
去皮切片:取約300 g去皮后的獼猴桃,用切片機切為厚度5 mm,直徑約50 mm的獼猴桃片。
護色液浸泡:采用質(zhì)量分數(shù)為0.45%的檸檬酸護色液500 mL浸泡30 min。
漂燙:將獼猴桃片在60 ℃熱水中漂燙60 s,然后用15 ℃冷水冷卻,取出瀝水。
超聲滲糖:將獼猴桃片放入不同質(zhì)量分數(shù)的糖液中,采用不同超聲條件進行處理。
預凍:將滲糖處理后的獼猴桃片撈出,瀝除多余糖液,裝袋,放置于-20 ℃冷凍24 h。
真空冷凍干燥:迅速將預凍好的獼猴桃片放入凍干機。設置冷阱溫度為-45 ℃,真空度10 Pa,待凍干機操作界面顯示樣品溫度達到恒定即為干燥結(jié)束,此時取出,真空包裝。
1.2.2 單因素試驗 試驗組經(jīng)不同超聲條件(超聲溫度、超聲功率、糖液質(zhì)量分數(shù)、超聲時間)處理后,測定其超聲滲糖后失重率、冷凍干燥時間。每組試驗重復3次,具體參數(shù)如下:
超聲溫度的影響:在超聲功率160 W,超聲時間30 min,糖液質(zhì)量分數(shù)45%的條件下,調(diào)節(jié)超聲溫度分別為 20、30、40、50、60 ℃。
超聲功率的影響:在超聲溫度20 ℃,超聲時間30 min,糖液質(zhì)量分數(shù)45%的條件下,調(diào)節(jié)超聲功率分別為0、80、120、160、200 W。
糖液質(zhì)量分數(shù)的影響:在超聲功率200 W,超聲溫度20 ℃,超聲處理時間30 min的條件下,調(diào)節(jié)糖液質(zhì)量分數(shù)分別為0%、15%、30%、45%、60%。
超聲時間的影響:在超聲功率200 W,超聲溫度20 ℃,糖液質(zhì)量分數(shù)45%的條件下,調(diào)節(jié)超聲時間分別為 0、15、30、45、60 min。
1.2.3 失重率測定 超聲滲糖處理后,將獼猴桃片撈出,擦干表面糖液,稱重。獼猴桃片失重率可依據(jù)式(1)計算:
式中:m0為獼猴桃片初始質(zhì)量(g);m為超聲滲糖后獼猴桃片質(zhì)量(g)。
1.2.4 響應面試驗 在單因素試驗的基礎上確定超聲滲糖工藝的各項參數(shù)范圍,以超聲時間(A)、超聲功率(B)、超聲溫度(C)和糖液質(zhì)量分數(shù)(D)為考察因素,冷凍干燥時間為響應值,利用Box-Behnken原理設計并進行響應面試驗。
1.2.5 總酸測定 采用GB12456-2021相關方法測定獼猴桃干總酸含量。
1.2.6 維生素C含量測定 采用紫外分光光度法[16],測定獼猴桃干維生素C含量。
1.2.7 總糖測定 采用蒽酮比色法[17]對獼猴桃干的總糖含量進行測定。
1.2.8 糖酸比的計算 糖酸比可采用式(2)進行計算:
1.2.9 質(zhì)構測定 采用TA.XT.plus物性測試儀,選用P/36R探頭,選擇TPA模式,進行壓縮試驗,測前速率2.00 mm·s-1,測中速率1.0 mm·s-1,測后速率5.0 mm·s-1,得到質(zhì)構特征曲線。取最高峰值F記為硬度,T1、T2取值如圖1所示。采用式(3)計算咀嚼性:
1.2.10 感官評定 組織10名經(jīng)過培訓的感官分析員評價獼猴桃干的色澤、滋味及氣味、組織形態(tài)、口感等品質(zhì),并按照感官評定標準打分。感官評定標準參照表1。
表1 感官評定標準Table 1 Sensory evaluation standards
1.2.11 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析 每組試驗重復3次,結(jié)果以 “平均值±標準差”的形式給出,并采用IBM SPSS statistics 26進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析,顯著性差異P<0.05,利用Origin 2018進行繪圖。
2.1.1 超聲溫度對產(chǎn)品失重率與凍干時間的影響
圖2顯示超聲溫度改變,失重率略有增加,但總體穩(wěn)定在20%~25%。當超聲溫度為20 ℃時,失重率最低。當超聲溫度升高至30 ℃和40 ℃時,失重率顯著提高,當超聲溫度升高至50 ℃和60 ℃時,失重率繼續(xù)顯著升高。超聲溫度在30 ℃時,冷凍干燥所需時間最短,為45.23 h。超聲溫度在20~40 ℃時,干燥時間無顯著性差異,超聲溫度超過40 ℃,出現(xiàn)顯著性差異,干燥時間明顯增長,溫度為60 ℃時,冷凍干燥時間為50.77 h。這可能是由于溫度過高,獼猴桃片受熱,組織結(jié)構遭到嚴重破壞,導致糖液滲進獼猴桃片內(nèi)部,與其內(nèi)部水分結(jié)合,不利于凍干時水分逸出。同時,超聲溫度超過40 ℃,獼猴桃干出現(xiàn)一定程度的黃褐色,對其色澤產(chǎn)生較大影響。超聲溫度過高會使得蛋白質(zhì)變性,破壞細胞結(jié)構,損壞獼猴桃內(nèi)部組織結(jié)構。同時高溫使色素遭到破壞,影響產(chǎn)品的色澤和口感。因此為有效縮短干燥時間,同時較好保持獼猴桃色澤,超聲溫度應保持在20~40 ℃。
2.1.2 超聲功率對產(chǎn)品失重率與凍干時間的影響
由圖3可知,隨著超聲功率從0升高至150 W,失重率顯著增加,滲糖脫水效率提高, 150 W后提升超聲功率,失重率無顯著性差異。超聲功率是影響超聲滲糖脫水的重要因素。超聲功率越大,其所產(chǎn)生的空化效應越強,聲沖擊流越強,使得固液界面的擴散邊界層變薄,同時減小固液界面質(zhì)量分數(shù)梯度差,減小傳質(zhì)阻力,擴大微擾效應,強化微孔擴散,提高失重率[18]。超聲功率200 W時失重率最高,為20.86%。起初隨著超聲功率升高,獼猴桃冷凍干燥時間逐漸縮短,超聲功率達到120 W后,超聲功率提高,失重率雖提高,但冷凍干燥時間已呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢,各組均存在顯著性差異。200 W時所需干燥時間最短,為44.07 h,相較未經(jīng)超聲處理的獼猴桃凍干時間縮短31.99%。因此從節(jié)能方面考慮,為提高滲糖脫水效率,同時較好地縮短冷凍干燥時間,超聲功率范圍應在120~200 W。
2.1.3 糖液質(zhì)量分數(shù)對產(chǎn)品失重率與凍干時間的影響由圖4可知,隨著糖液質(zhì)量分數(shù)升高,失重率呈升高趨勢,糖液質(zhì)量分數(shù)為0%,失重率最低。糖液質(zhì)量分數(shù)升高至15%,失重率顯著提高。糖液質(zhì)量分數(shù)提升至30%,失重率無顯著性差異,繼續(xù)提升糖液質(zhì)量分數(shù)至45%和60%,失重率顯著升高。加大糖液質(zhì)量分數(shù),會擴大質(zhì)量分數(shù)梯度差,增大滲透壓差,提高水分擴散速率,提升脫水效率,從而使獼猴桃失重率升高[19]。糖液質(zhì)量分數(shù)增大,干燥時間先縮短后趨于穩(wěn)定,糖液質(zhì)量分數(shù)從0升高至45%,干燥時間顯著縮短,45%后提升糖液質(zhì)量分數(shù),干燥時間無顯著性差異。糖液質(zhì)量分數(shù)為45%時,干燥時間最短,為44.07 h。糖液質(zhì)量分數(shù)增大,滲糖脫水效率提高,使得失重率升高,獼猴桃在凍干階段的初始含水量下降,凍干時間縮短。但隨著糖液質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)升高,滲透進獼猴桃內(nèi)部與水分結(jié)合的糖分子增多,不利于干燥。同時糖液質(zhì)量分數(shù)升高會增大糖液黏度,使獼猴桃外表變黏,冷凍干燥時傳質(zhì)阻力增大,影響干燥速率。由此得出,適宜糖液質(zhì)量分數(shù)范圍為30%~60%。
2.1.4 超聲時間對產(chǎn)品失重率與凍干時間的影響由圖5可知,超聲時間增長,失重率逐漸升高,各組均存在顯著性差異。60 min時失重率最高,為29.93%。超聲時間增長,冷凍干燥所需時間縮短,各組也均存在顯著性差異。超聲30 min可使凍干時間縮短為44.45 h。超聲時間超過30 min,凍干時間略有增長。這可能是由于適當時間的超聲處理可增強滲糖脫水效果,縮短干燥時間。超聲時間的延長使得聲波的壓縮膨脹效應、空化效應等充分作用于獼猴桃,減弱水分與獼猴桃組分間的作用力,利于改變物料內(nèi)部細胞間結(jié)構,打通微孔道,加快水分的遷移擴散[7]。同時在滲糖初始階段,滲透壓差大,因此水分擴散速率快,利于失重率的提升。但隨著滲糖過程的持續(xù),獼猴桃中的水分進入糖液中,使?jié)B透壓差減小,水分擴散速率減慢,失重率變化減緩[18]。超聲時間過短,超聲產(chǎn)生的各類效應來不及作用于獼猴桃內(nèi)部,滲糖脫水效果差,獼猴桃凍干前的含水量高,凍干時間長。超聲時間過長,由于聲波產(chǎn)生的周期性壓縮和膨脹作用使得獼猴桃內(nèi)部介質(zhì)質(zhì)點不斷交替受到壓縮和拉伸,使獼猴桃細胞發(fā)生容積和運動的變化,使細胞組織排列雜亂,破壞內(nèi)部結(jié)構,閉塞已形成的微孔道,不利于凍干時水分逸出[20]。為有效縮短冷凍干燥時間,超聲時間范圍應在30~60 min。
2.2.1 Box-Behnken響應面設計及結(jié)果 由單因素試驗可知,失重率雖能反映出滲糖脫水效率,但并不能完全說明超聲處理條件對于冷凍干燥時間的影響。因此,在單因素試驗基礎上,使用Design-Expert10.0.7軟件進行四因素三水平響應面試驗設計,以超聲時間(A)、超聲功率(B)、超聲溫度(C)和糖液質(zhì)量分數(shù)(D)作為考察因素,冷凍干燥時間作為響應值,共設計27組試驗,表2為試驗因素水平,表3為試驗設計和結(jié)果。
表2 Box-Behnken試驗因素水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiment
試驗結(jié)果采用Design Expert 10.0.7軟件進行統(tǒng)計分析,對表3的數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合,得到二次多元回歸模型為:
表3 Box-Behnken試驗設計及結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment
冷凍干燥時間=43.97-0.60A-1.48B+0.07C-0.05D-0.23AB-0.10AC-0.08AD+0.30BC-0.13BD+0.05CD+1.15A2+0.68B2+0.13C2+2.03D2
表4所示的是冷凍干燥時間的方差分析結(jié)果。
由表4可看出,回歸模型結(jié)果高度顯著(P<0.000 1),失擬項不顯著(P>0.05),回歸方程能夠很好地解釋超聲時間(A)、超聲功率(B)、超聲溫度(C)和糖液質(zhì)量分數(shù)(D)與冷凍干燥時間之間的關系。由調(diào)整系數(shù)可知,利用此模型可以解釋響應曲面中92.44%的可變性,預測值與真實值間有較高關聯(lián)性。通過比較F值,各因素對獼猴桃冷凍干燥時間的影響順序為B>A>C>D。超聲功率對獼猴桃冷凍干燥時間影響高度顯著(P<0.000 1);超聲時間對獼猴桃冷凍干燥時間影響顯著(P<0.05)。A2、D2對獼猴桃冷凍干燥時間影響高度顯著,B2對獼猴桃冷凍干燥時間影響顯著。
表4 回歸模型的方差分析結(jié)果及顯著性檢驗Table 4 Analysis of variance and significance test
2.2.2 預測最佳工藝條件的驗證性試驗 通過軟件預測可得,超聲滲糖工藝的最佳條件:超聲時間50.21 min,超聲功率192.76 W,超聲溫度23.95 ℃,糖液質(zhì)量分數(shù)44.97%,在此條件下預測獼猴桃冷凍干燥時間為42.95 h。為便于操作,提高操作可控性,修正工藝參數(shù)的最佳條件:超聲時間50 min,超聲功率200 W,超聲溫度24 ℃,糖液質(zhì)量分數(shù)45%。利用此參數(shù)條件,進行3次平行驗證,測得的獼猴桃冷凍干燥時間均值為43.07 h,和理論預測值42.95 h相比較,誤差僅為0.12 h,證明回歸方程及模型對獼猴桃超聲滲糖工藝的實際情況的擬合較好,預測較真實,對獼猴桃冷凍干燥時間進行了可靠的分析以及預測。
采用質(zhì)量分數(shù)為45%的糖液浸漬且不經(jīng)超聲處理的樣品作為空白對照,與超聲滲糖優(yōu)化樣品的各項品質(zhì)指標及感官評定結(jié)果進行比較。優(yōu)化組與空白對照組的各項品質(zhì)指標見表5。
表5 響應面優(yōu)化前后獼猴桃干品質(zhì)指標Table 5 Quality indicators of kiwifruits freeze-dried with and without process optimization
由表5可知,兩組樣品水分含量相差不大,但經(jīng)超聲滲糖優(yōu)化后的試驗組冷凍干燥時間顯著縮短。數(shù)值顯示,該處理組維生素C含量較糖漬樣品(對照組)升高0.06%,這是由于冷凍干燥時間縮短,減少了維生素C的損失??偺呛繛?2.82%,較糖漬樣品顯著降低了5.75%。水果產(chǎn)品的甜酸口感滋味是總糖和總酸共同作用的綜合結(jié)果,可通過糖酸比表示水果產(chǎn)品的甜度。適當?shù)乃嵛犊墒顾a(chǎn)品口感更豐富,使產(chǎn)品達到更好的風味[21]。糖漬樣品與超聲滲糖樣品相比糖酸比更大,即口感偏甜。因此超聲滲糖樣品對于甜酸的調(diào)和平衡更好,口感酸甜適中、更為可口。
超聲滲糖工藝得到的獼猴桃干硬度為14 616.01 g,咀嚼性7 795.61 mJ,相比糖漬樣品均有下降。超聲處理可破壞獼猴桃表面和內(nèi)部結(jié)構,增大細胞孔隙,使內(nèi)部形成更為疏松的結(jié)構,因此,超聲滲糖工藝得到的冷凍干燥獼猴桃干,硬度較糖漬冷凍干燥獼猴桃干小,細胞間結(jié)合力較小,對咀嚼的抵抗力小,適口性更好。
在感官評定方面,優(yōu)化后獼猴桃干感官評分提高,這可能是因為優(yōu)化后改善了原本僅糖漬工藝得到的獼猴桃干過甜的滋味,同時超聲處理使得獼猴桃內(nèi)部產(chǎn)生微通道,形成更加疏松的結(jié)構,使其口感更加酥脆。
干燥速率與傳質(zhì)阻力、物料含水量、物料結(jié)構性質(zhì)等方面有關。通過前期對物料進行超聲滲糖,可減少物料含水量、改變物料結(jié)構性質(zhì),達到提高干燥速率,降低干燥能耗的效果。宋悅等[22]經(jīng)過超聲輔助滲透處理后,桃鮮樣孔隙增大,細胞壁扭曲,進而造成其水分狀態(tài)的變化,自由水弛豫時間從357.07 ms縮短到310.78 ms,有利于后期干燥。曾祥媛等[23]采用超聲滲糖工藝,提高了氣體射流沖擊干燥速率,使單位能耗由22 kJ·g-1下降至13 kJ·g-1。王忠合等[24]采用超聲波對檸檬片進行預處理后發(fā)現(xiàn),熱風干燥檸檬片的干燥速率增加,干燥所需時間至少縮短 20%,熱風干燥階段耗能量明顯降低。
滲糖過程中,糖分子從高質(zhì)量分數(shù)處向低質(zhì)量分數(shù)處擴散,同時獼猴桃中的水分向溶液擴散,從而使獼猴桃損失部分水分,降低其含水量。超聲產(chǎn)生的空化效應在局部會產(chǎn)生高溫高壓和強剪切力,使物料組分對水分子的束縛力減弱,形成內(nèi)部擠水滲流,同時改變物料內(nèi)部細胞間結(jié)構,形成微小的孔道,加快水分擴散速率,提高滲糖脫水效果[5]。不同的超聲條件可對物料產(chǎn)生不同程度的影響,進而影響后期冷凍干燥速率。
在選擇超聲條件時,應注意超聲溫度、超聲功率、超聲時間和糖液質(zhì)量分數(shù)的范圍。升高超聲溫度可提高擴散速度,從而提高失重率,有利于縮短后期冷凍干燥時間。然而超聲溫度過高會破壞獼猴桃內(nèi)部結(jié)構,影響后期凍干速率和產(chǎn)品的色澤和口感。提高超聲功率,可使超聲所產(chǎn)生的空化效應更強,同時擴大微擾效應,提高擴散效率,從而提高失重率,縮短后期凍干時間。加大糖液質(zhì)量分數(shù),可增大滲透壓差,提高脫水效率,但隨著糖液質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增高,滲透進獼猴桃內(nèi)部與水分結(jié)合的糖分子增多,導致獼猴桃外表變黏,冷凍干燥時傳質(zhì)阻力增大,不利于干燥。超聲時間的延長可使超聲充分作用于獼猴桃,減弱水分與獼猴桃組分間的作用力,利于改變物料內(nèi)部細胞間結(jié)構,打通微孔道,加快水分的遷移擴散。超聲時間繼續(xù)延長,由于聲波持續(xù)作用,獼猴桃細胞呈現(xiàn)雜亂排列,內(nèi)部結(jié)構受到破壞,閉塞已形成的微孔道,不利于凍干時水分逸出,影響后期凍干。
本研究在單因素試驗基礎上,采用響應面法對凍干獼猴桃的超聲滲糖工藝進行優(yōu)化,最佳工藝條件為:超聲時間50 min,超聲功率200 W,超聲溫度24 ℃,糖液質(zhì)量分數(shù)45%,在該條件下得到的獼猴桃干冷凍干燥時間為43.07 h,較糖漬凍干樣品冷凍干燥時間縮短20.93 h,縮短凍干時間的效果明顯。維生素C含量為0.19%,相較糖漬樣品含量提高了0.06%,較好地減少了維生素C的損失。同時,優(yōu)化后總糖降低5.75%,改善了優(yōu)化前獼猴桃干偏甜的滋味。優(yōu)化后樣品硬度為14 616.01 g,咀嚼性為7 795.61 mJ,相較糖漬凍干樣品分別提高了3 034.28 g和1 055.79 mJ,擁有更酥脆的口感。優(yōu)化后樣品感官評定得分為8.29,相比優(yōu)化前提高了0.23。研究結(jié)果可為獼猴桃深加工工藝的改良提供參考依據(jù),有利于獼猴桃深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。