超聲/真空輔助滲透對(duì)甘薯微波真空干燥動(dòng)力學(xué)及理化特性的影響

程新峰，汪世豪，盧堯中，丁家寧，洪禮杰

（1.安徽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，安徽蕪湖 241002；2.安徽師范大學(xué)，皖江流域退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽蕪湖 241002；3.河南工業(yè)大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，河南鄭州 450001；4.黃山畬農(nóng)生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司，安徽黃山 245452）

甘薯（Ipomoea batatasL.）又稱地瓜、山芋、紅薯等，是一年生旋花科草本植物，作為重要糧食作物已被廣泛種植。甘薯營(yíng)養(yǎng)全面，富含淀粉、β-胡蘿卜素、維生素和礦物質(zhì)等，同時(shí)具有獨(dú)特的藥用價(jià)值和保健作用，如甘薯內(nèi)黃酮成分具有抗癌功效，黏液蛋白能防止動(dòng)脈粥樣硬化等[1-2]。然而，新鮮甘薯水分含量高，儲(chǔ)運(yùn)不當(dāng)易發(fā)生腐敗、變質(zhì)，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。

干制是一種常見的食品加工方法，不僅可以延長(zhǎng)貨架期，保持產(chǎn)品品質(zhì)，還能平衡淡旺季需求，降低產(chǎn)品包裝和儲(chǔ)運(yùn)成本。然而，傳統(tǒng)對(duì)流干燥技術(shù)存在能耗高、效率低、周期長(zhǎng)等問題，同時(shí)產(chǎn)品還可能出現(xiàn)變形、褐變、營(yíng)養(yǎng)成分流失的現(xiàn)象[3]。微波真空干燥（MVD）是一項(xiàng)新興的聯(lián)合干燥技術(shù)，由于兼?zhèn)湮⒉焖偌訜岷驼婵盏蜏馗稍锏奶攸c(diǎn)，目前，已被用于雙孢菇[4]、銀耳[5]、蓮子[6]等的加工過程，但MVD 干燥受物料大小、組織結(jié)構(gòu)及分子極性的影響，加熱不均勻，物料尖角部位易發(fā)生焦化現(xiàn)象[7]。因此，為了改善MVD 產(chǎn)品品質(zhì)，提高干燥效率，對(duì)物料進(jìn)行干燥前處理是十分必要的。滲透脫水（OD）、超聲（US）及其聯(lián)合作用是常見的果蔬加工預(yù)處理措施，其中滲透脫水不僅能節(jié)能、提高干燥效率，而且可改善風(fēng)味，提高產(chǎn)品品質(zhì)；基于“空化效應(yīng)”和“機(jī)械效應(yīng)”，超聲波不僅能改善物料組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)內(nèi)部孔隙連通性，促進(jìn)微孔道形成，同時(shí)還可以提高細(xì)胞間隙的湍流強(qiáng)度，加快傳質(zhì)傳熱效率[8]。Lagnika 等[3]比較研究了超聲（US）、滲透脫水（OD）、超聲+滲透脫水（USOD）對(duì)MVD 甘薯干燥特性和理化特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與其它預(yù)處理相比，US 處理有效縮短了干燥時(shí)間，提高了干燥效率；USOD 處理的干燥樣品具有較好的品質(zhì)特性，如細(xì)胞破損小、膨脹率高、色差值低、硬度小。Qiu 等[9]采用微波輔助真空油炸技術(shù)制備紅薯脆片，發(fā)現(xiàn)超聲預(yù)處理能縮短紅薯脆片的脫水時(shí)間，改善產(chǎn)品脆性，降低產(chǎn)品含油率，但高超聲強(qiáng)度和長(zhǎng)時(shí)間處理會(huì)破壞產(chǎn)品細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不利于色澤保留。Lagnika 等[10]報(bào)道，與其它預(yù)處理相比，超聲輔助滲透處理（UO）能較好地保留了MVD 紫薯脆片的多酚和類胡蘿卜素成分，使產(chǎn)品具有較高的DPHH清除能力。

脫水產(chǎn)品質(zhì)量好壞、能耗高低與干燥過程傳熱、傳質(zhì)機(jī)制密切相關(guān)，但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)還難以準(zhǔn)確掌握MVD 干燥過程水分和溫度的變化情況。鑒于此研究人員提出了一些理論、經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如Logarithmic，Midilli，Wang and Singh 等，用于揭示干燥過程水分?jǐn)U散及溫度變化規(guī)律[11-12]，但這些模型參數(shù)物理意義不明確，還無(wú)法與干燥工藝、傳熱傳質(zhì)相結(jié)合。與上述模型不同，Weibull 分布函數(shù)中尺度參數(shù)（α）和形狀參數(shù)（β）與干燥過程熱、質(zhì)傳遞有關(guān)，可用于估算水分?jǐn)U散系數(shù)和判定干燥過程是否有加速階段[8,13]；同樣Dincer 模型的滯后因子（G）和干燥系數(shù)（S）也能有效量化規(guī)則物料干燥過程的水分遷移規(guī)律[14]。Ju 等[15]基于Dincer 模型探究了厚度對(duì)山藥切片熱風(fēng)干燥過程傳熱機(jī)制的影響。結(jié)果表明：當(dāng)厚度為6 mm 時(shí)，物料內(nèi)外溫度梯度小，溫度變化由對(duì)流換熱控制；當(dāng)厚度為12 或18 mm 時(shí)，物料溫度變化由內(nèi)部熱傳導(dǎo)和外部對(duì)流換熱共同決定。孫悅等[8]利用Weibull 分布函數(shù)探究了直觸式超聲對(duì)紫薯熱風(fēng)干燥特性的影響，結(jié)果表明，超聲處理能降低紫薯熱風(fēng)干燥的活化能，提高干燥效率；形狀參數(shù)（β）在0.817～1.032 之間說明紫薯超聲強(qiáng)化熱風(fēng)干燥過程由內(nèi)部擴(kuò)散阻力控制。雖然將超聲/真空-滲透處理作為預(yù)處理措施用于薯類脆片加工效率提升和品質(zhì)改善方面已有報(bào)道，但這些措施對(duì)MVD 甘薯切片干燥過程熱、質(zhì)傳遞規(guī)律、以及產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征的影響還鮮有報(bào)道。因此，本文以甘薯切片為研究對(duì)象，考察了超聲、滲透脫水及其協(xié)同作用對(duì)物料微波真空干燥（MVD）動(dòng)力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征及相關(guān)理化性質(zhì)的影響。采用Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型對(duì)干燥過程水分比與時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行模擬，并結(jié)合模型參數(shù)探究了MVD 甘薯切片干燥過程熱、質(zhì)傳遞規(guī)律。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征、復(fù)水性能、體積收縮率、色澤進(jìn)行測(cè)試，旨在為聯(lián)合干燥技術(shù)在甘薯中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮甘薯 購(gòu)于安徽蕪湖大潤(rùn)發(fā)超市。挑選大小均一，無(wú)破損的甘薯塊根，將其洗凈、去皮、切片待用。甘薯切片直徑為3.0 cm，厚度為4 mm。

ORW1.0S-5Z 微波真空干燥箱 南京奧潤(rùn)微波科技有限公司；VM-01S 快速鹵素水分測(cè)定儀 江蘇維科特儀器儀表有限公司；AutoProe IV 9500 型壓汞儀 深圳市莫尼特儀器設(shè)備有限公司：SB-5200DTD超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技有限公司；SHZD（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵 河南百澤儀器有限公司；JSM-IT500HR 掃描電子顯微 日本電子株式社（JEOL）；CR-400 型色差儀 日本柯尼卡美能達(dá)株式會(huì)社；FA1004 型電子天平 常州幸運(yùn)電子科技有限公司；HH-4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠。

1.2 甘薯切片預(yù)處理方式

預(yù)處理參照文獻(xiàn)[3]，略有修改。將甘薯切片于95 ℃沸水中漂燙2 min，冷卻，瀝干，再進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理如下（如圖1 所示）：超聲處理（US）：將甘薯切片按料液比1:4 放入1000 mL 布氏漏斗抽濾瓶，之后開啟超聲處理40 min，其中超聲頻率40 kHz，超聲功率200 W；滲透脫水（OD）:按料液比1:4 將樣品浸泡在40%蔗糖溶液中40 min；超聲輔助滲透（USOD）：滲透脫水時(shí)開啟超聲，具體參數(shù)同上；真空輔助滲透（VAOD）：在-0.09 MPa 下進(jìn)行滲透脫水，其它參數(shù)同上；超聲/真空輔助滲透（VUOD）：滲透脫水時(shí)開啟超聲和真空泵，參數(shù)同上。將經(jīng)不同預(yù)處理的甘薯切片洗凈，瀝干，然后進(jìn)行微波真空干燥。

圖1 超聲或真空輔助滲透脫水設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram equipment used to ultrasonic or vacuum assisted osmotic dehydration

1.3 微波真空干燥

將100 g 甘薯切片平鋪在樣品托盤中，放入微波真空干燥箱內(nèi)干燥。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)，微波功率設(shè)置為200 W，真空度為-0.094 MPa，且干燥過程每隔2 min 取出樣品稱重，直至前后兩次質(zhì)量小于0.002 g 為止。每組樣品重復(fù)3 次，取其平均值。

1.4 水分流失率和固形物獲得率的確定計(jì)算

預(yù)處理后甘薯切片的水分流失率（WL）和固形物增加率（SG）由式（1）和（2）計(jì)算而得：

式中：M1和M2為初始和預(yù)處理后甘薯切片質(zhì)量（g）；Xw1和Xw2為初始和預(yù)處理后樣品的水分含量（%）；Xs1和Xs2為初始和預(yù)處理后樣品的固形物含量（%）。每個(gè)樣品重復(fù)3 次，取其平均值。

1.5 甘薯片干燥動(dòng)力學(xué)及模型擬合

干燥過程物料水分含量變化用水分比（MR）表示，計(jì)算公式如下：

式中：Wt為甘薯切片t 時(shí)刻的干基含水量（g/g）；We為平衡干基含水量（g/g）；W0為初始干基含水量（g/g）。

采用Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型對(duì)甘薯切片水分比和時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，表達(dá)式如下：

式中：α為尺度參數(shù)（min），其大小約為物料脫去63%水分所需要的時(shí)間；β為形狀參數(shù)，與物料干燥速率和水分遷移機(jī)理有關(guān)；G 為滯后因子，與干燥過程中傳熱、傳質(zhì)阻力大小有關(guān)；S 為干燥系數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)物料脫水能力大??；t 為干燥時(shí)間（min）。基于Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型可估算干燥過程中水分?jǐn)U散系數(shù)（分別用Dcal和Deff表示）和畢渥數(shù)（Bi），計(jì)算公式如下：

式中：r 為甘薯切片的體積等效半徑（m），8.772×10-3m；L 為樣品厚度，0.004 m；μ為特征式（9）的根。

1.6 指標(biāo)測(cè)定與分析

1.6.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察 將干燥甘薯切片用碳導(dǎo)電膠黏在樣品托上，在電流20 mA 下抽真空噴金處理1.5 min，然后采用JSM-IT500HR 掃描電鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀察，選取代表性區(qū)域，在不同倍數(shù)下重復(fù)觀察、拍照。

1.6.2 孔隙特征分析 采用AutoPore Ⅳ 9500 型壓汞儀對(duì)MVD 甘薯切片進(jìn)行壓汞測(cè)試，其中設(shè)備最大壓力達(dá)228 MPa，測(cè)試孔徑范圍0.005～360 μm。基于設(shè)備自帶軟件計(jì)算累計(jì)進(jìn)汞量、孔隙平均直徑、微分孔體積、迂回度等參數(shù)。

1.6.3 復(fù)水特性測(cè)定 40℃下測(cè)定MVD 甘薯切片的復(fù)水性能。復(fù)水期間每10 min 取出樣品，吸干表面水分、稱重，重復(fù)以上操作直至質(zhì)量不變?yōu)橹?。每個(gè)樣品重復(fù)3 次，取其平均值。復(fù)水比（RR）計(jì)算公式如下：

式中：Wi為復(fù)水過程某時(shí)刻樣品質(zhì)量（g）；W0為復(fù)水前干燥樣品質(zhì)量（g）。

1.6.4 體積收縮率測(cè)定 參照文獻(xiàn)[16]計(jì)算MVD甘薯切片的體積收縮率。將樣品視為圓柱體，用游標(biāo)卡尺測(cè)量5 個(gè)不同位置的直徑和厚度，計(jì)算其體積，然后通過式（11）算出體積收縮率（SR）。每個(gè)樣品重復(fù)5 次，取其平均值。

式中：Vt和V0為甘薯切片MVD 干燥后和初始的體積（m3）；rt和r0為干甘薯切片MVD 干燥后和初始的直徑（m）；Lt和L0為甘薯切片MVD 干燥后和初始的厚度（m）。

1.6.5 色澤測(cè)定 采用CR-400 色差儀測(cè)定樣品的L，a和b值，并計(jì)算色差（△E），見式（12）。每個(gè)樣品重復(fù)10 次，取其平均值。

式中：L0，a0，b0表示新鮮樣品的色澤參數(shù)；L，a，b表示樣品MVD 干燥后的色澤參數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Origin 8.5 軟件對(duì)干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）大小評(píng)價(jià)模型擬合度。采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），數(shù)據(jù)間是否存在顯著差異采用Tukey HSD 法判定。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲/真空輔助滲透脫水對(duì)甘薯切片WL 和SG 的影響

預(yù)處理對(duì)甘薯切片WL 和SG 的影響，如表1所示。從表中可看出，CK 和US 組的WL 和SG 值均小于零，這是因?yàn)楦适砬衅c介質(zhì)溶液（水）存在濃度梯度，有利于可溶性固形物和水分在甘薯與液體介質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。與CK 相比，US 樣品水分吸收和固形物流失更加明顯（P＜0.05），因?yàn)槌暡óa(chǎn)生的高頻振動(dòng)給物料帶來強(qiáng)大的沖擊波，致使附著在物料內(nèi)微細(xì)管上的水分脫落，從而有利于水分的流動(dòng)和擴(kuò)散。此外，超聲波的“空化效應(yīng)”可增強(qiáng)物料內(nèi)孔隙連通性，促進(jìn)微孔道形成，從而提高物料內(nèi)部的傳質(zhì)效率[8]。Oladejo 等[2]發(fā)現(xiàn)超聲作用（UD）60 min 番薯的WL 和SG 值分別為-13.91%和-3.7509%，且SEM圖片也證實(shí)超聲處理可引起番薯細(xì)胞伸長(zhǎng)，致使部分細(xì)胞破裂。從表1 中還可以看出，OD、USOD、VAOD和VUOD 樣品的WL 和SG 值均為正值，因?yàn)楦适砬衅c蔗糖溶液存在滲透壓差驅(qū)使物料水分流失、可溶性性固形物進(jìn)入。USOD 和VUOD 樣品的WL 和SG 值顯著高于OD 樣品（P＜0.05），尤其是VUOD 樣品，其WL 和SG 值高達(dá)8.413%和9.623%，這是因?yàn)槠胀B透處理中蔗糖分子進(jìn)入物料孔隙，易在物料表面堆積而降低傳質(zhì)效率[17]；而USOD 和VUOD 處理中超聲波空化效應(yīng)可導(dǎo)致細(xì)胞變形而形成微孔道，同時(shí)超聲形成的沖擊波也能阻止蔗糖在樣品表面堆積。此外，抽真空使原先存在于物料孔隙中的氣體排出，也有利于可溶性固形物進(jìn)入。Lagnika等[3]考察了超聲輔助滲透脫水（USOD）對(duì)甘薯WL 和SG 的影響，結(jié)果表明：USOD 甘薯的WL 值（11.81%）和SG 值（4.46%）顯著高于滲透處理（OD）樣品的WL值（6.96%）和SG 值（3.77%）。

表1 不同預(yù)處理下甘薯切片水分流失和固形物增加情況Table 1 Water loss and solid gain of sweet potato samples after different pretreatments

2.2 甘薯切片微波真空干燥（MVD）動(dòng)力學(xué)及模型擬合

MVD 甘薯切片的干燥曲線如圖2a 所示。由圖可知，隨著干燥進(jìn)行，甘薯切片的水分含量逐漸降低。不同預(yù)處理MVD 甘薯切片干基含水量降至0.10 g/g 以下所需時(shí)間分別為CK（26 min），US（28 min），OD（30 min），USOD（24 min），VAOD（30 min）和VUOD（26 min），這與干燥前甘薯切片的初始含水量有關(guān)。相比CK 樣品（水分含量為2.696 g/g），US 處理提高了甘薯切片的水分含量，達(dá)3.149 g/g；而滲透或聯(lián)合滲透預(yù)處理卻不同程度地降低了樣品的水分含量，其中OD、VAOD、USOD 和VUOD 樣品的水分含量依次為1.895，1.786，1.674 和1.603 g/g。此外，干燥時(shí)間長(zhǎng)短還與物料結(jié)構(gòu)和干燥過程水分?jǐn)U散速率有關(guān)。如圖2b 所示，不同預(yù)處理甘薯切片的干燥速率變化規(guī)律存在較大差異，其中CK 和US 組最大干燥速率分別為0.143 和0.226 g/（g min），明顯高于其他預(yù)處理組，如VAOD 組最大干燥速率僅為0.111 g/（g min），因?yàn)闈B透處理蔗糖分子進(jìn)入物料孔隙結(jié)構(gòu)或覆蓋其表面，會(huì)阻礙MVD 干燥過程物料水分遷移，致使干燥速率下降[3]。另外，CK 和US 組樣品干燥前期含有較高的水分含量，能吸收更多微波能，產(chǎn)生大量摩擦熱，致使物料內(nèi)水分快速汽化形成水蒸氣。

圖2 不同預(yù)處理MVD 甘薯切片的干燥曲線（a）和干燥速率曲線（b）Fig.2 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of MVD sweet potato slices subjected to different pretreatments

基于最小二乘法，應(yīng)用Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型對(duì)甘薯切片MVD 干燥曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3 和表2 所示。由R2（＞0.998）和RMSE（0.0074～0.0132）可知，Weibull 分布函數(shù)能較好地描述干燥過程MVD 甘薯切片水分比與干燥時(shí)間的關(guān)系。尺度參數(shù)（α）是干燥過程物料脫去63%水分所需的時(shí)間，其值越小，表明干燥速率越快[8,14]。由表2可知，US、USOD 和VUOD 組的α值顯著低于CK 組（P＜0.05），而OD 和VAOD 組卻明顯高于CK 組，說明預(yù)處理中超聲作用可顯著縮短干燥時(shí)間，提高干燥速率，因?yàn)槌曌饔媚芨淖兾锪霞?xì)胞結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)孔隙連通性，促進(jìn)微孔道形成；而滲透處理時(shí)滲透介質(zhì)（蔗糖）進(jìn)入物料填充孔隙，同時(shí)也會(huì)在物料表面形成一層糖液，這些均不利于水分?jǐn)U散[2-3]。形狀參數(shù)（β）與干燥初期物料內(nèi)水分遷移機(jī)制有關(guān)，β＜1 表示物料干燥過程由內(nèi)部水分?jǐn)U散主導(dǎo)，表現(xiàn)為降速干燥的特點(diǎn)；而β＞1 則說明物料干燥初期存在延滯現(xiàn)象，整個(gè)過程并非完全由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制，表現(xiàn)為先加速后降速的干燥趨勢(shì)[8,15]。從表2 可看出，β值介于1.256 至1.874 之間，說明所有MVD 甘薯切片干燥前期均存在升速階段。不同MVD 甘薯切片的β值依次為USOD＜VUOD＜US＜VAOD＜CK＜OD， 其中 CK 和OD 組的β值之間無(wú)顯著性差異，但卻顯著高于其他處理組（P＜0.05），尤其是US、USOD 和VUOD組，說明超聲處理通過改善物料組織結(jié)構(gòu)能顯著縮短加速干燥階段所需時(shí)間。

表2 基于Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型的甘薯切片干燥曲線擬合結(jié)果Table 2 Simulation results of drying curves of dried sweet potato slices based on Weibull and Dincer model

圖3 MVD 甘薯片干燥曲線的Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of Weibull and Dincer model for MVD dried sweet potato slices

由圖3b 和表2 可知，Dincer 模型可準(zhǔn)確模擬甘薯切片微波真空干燥過程水分變化趨勢(shì)。MVD 甘薯切片的滯后因子（G）介于1.055～1.168 之間，說明干燥前期存在加速階段，且G 值越大，加速階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，這與基于Weibull 分布函數(shù)β值分析所得結(jié)論一致。干燥系數(shù)（S）與單位時(shí)間內(nèi)物料脫水能力有關(guān)，S 值越大，干燥速率越大[15]。與CK 組相比，US，USOD 和VUOD 組的S 值明顯偏大，說明預(yù)處理階段采用超聲波有助于改善甘薯切片的結(jié)構(gòu)，提高干燥速率。傳熱畢渥數(shù)（Bi）是物料內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻與表面對(duì)流熱阻的比值，當(dāng)Bi＜0.1 時(shí)，物料溫度變化取決于外界對(duì)流換熱強(qiáng)度，內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻的影響可忽略；而Bi＞100 則說明物料溫度變化完全由內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻控制[18]。本研究中Bi 值介于0.243～3.617 之間，說明干燥過程MVD 甘薯切片溫度變化受內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻和表面對(duì)流熱阻雙重影響。與CK 組相比，US、USOD 和VUOD 組的Bi 值明顯偏小，說明MVD甘薯切片經(jīng)超聲或超聲聯(lián)合處理后，內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻作用降低，表面對(duì)流換熱系數(shù)升高，有利于物料快速升溫?；赪eibull 分布函數(shù)估算的水分?jǐn)U散系數(shù)（Dcal）在7.986×10-8～1.249×10-7m2/s 之間，而依據(jù)Dincer 模型求得的Deff值為1.508×10-8～8.272×10-8m2/s，且不同處理組MVD 甘薯切片間存在顯著性差異（P＜0.05），其中USOD 組Dcal和Deff值最大。比較發(fā)現(xiàn)，相同預(yù)處理下Dcal均大于Deff，因?yàn)榛贒incer 模型估算Deff值時(shí)綜合考量了物料內(nèi)部傳導(dǎo)導(dǎo)熱熱阻、外界對(duì)流熱阻及傳質(zhì)系數(shù)的影響，而Dcal計(jì)算則忽略干燥過程體積收縮對(duì)水分?jǐn)U散的影響[19]。

2.3 MVD 甘薯切片微觀結(jié)構(gòu)和孔隙大小分布

圖4 為MVD 甘薯切片的SEM 圖，從圖中可看出，CK 組樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)坍塌嚴(yán)重，細(xì)胞輪廓基本喪失，且表面出現(xiàn)凝膠層。US 組只有部分細(xì)胞壁破損，大部分細(xì)胞輪廓仍然可見，但細(xì)胞皺縮明顯，且細(xì)胞間存在較多孔洞，因?yàn)槌曁幚砀淖兞宋锪蟽?nèi)水分與其他成分的親和力，導(dǎo)致MVD 干燥過程細(xì)胞大量失水而皺縮。此外，超聲“海綿效應(yīng)”能增強(qiáng)物料內(nèi)孔隙的連通性，有利于水分?jǐn)U散和多孔結(jié)構(gòu)形成。OD 和VAOD 組呈現(xiàn)出致密的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔洞較少，但細(xì)胞輪廓清晰可見，因?yàn)檎崽欠肿舆M(jìn)入物料內(nèi)，一方面可以增強(qiáng)細(xì)胞的膨脹壓，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)；另一方面能填充孔隙，減輕干燥脫水引起的細(xì)胞皺縮和組織坍塌。USOD 和VUOD 樣品呈現(xiàn)蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞輪廓清晰可見，且存在較多孔洞，細(xì)胞變形較小，但部分細(xì)胞壁出現(xiàn)破損，且部分區(qū)域存在蔗糖凝膠，說明超聲與滲透脫水聯(lián)合處理不僅能促進(jìn)物料多孔結(jié)構(gòu)形成，加快水分?jǐn)U散，還能減輕干燥對(duì)細(xì)胞的破壞程度。

圖4 預(yù)處理對(duì)微波真空干燥甘薯切片的超微結(jié)構(gòu)的影響（300×）Fig.4 Effects of pretreatments on scanning electron micrograph of MVD sweet potato slices (300×)

圖5A 為MVD 甘薯切片的進(jìn)汞曲線。由圖可知，MVD 甘薯切片的進(jìn)汞曲線形狀類似于Γ 形，因?yàn)闇y(cè)試過程中汞優(yōu)先進(jìn)入孔徑較大的孔隙之中，之后隨著壓強(qiáng)增大，汞才逐漸進(jìn)入小孔隙，直到孔隙被完全填滿累計(jì)進(jìn)汞量不再變化為止。MVD 甘薯切片的累計(jì)進(jìn)汞量依次為VUOD（0.338 mL/g）＞USOD（0.293 mL/g）＞US（0.280 mL/g）＞CK（0.266 mL/g）＞OD（0.242 mL/g）＞VAOD（0.236 mL/g）。與CK 相比，VUOD、USOD 和US 組累計(jì)進(jìn)汞量較大，說明超聲預(yù)處理對(duì)MVD 甘薯切片組織結(jié)構(gòu)有改善效果，有利于其內(nèi)部孔隙形成，而OD 和VAOD 預(yù)處理對(duì)MVD 甘薯切片孔隙形成影響不大，甚至帶來負(fù)面作用。圖5B 顯示了MVD 甘薯切片的孔隙率和迂曲率。從圖中可以看出，CK 組MVD 甘薯切片的孔隙率（27.41%）顯著低于VUOD 組（32.30%）（P＜0.05），但明顯高于OD 和VAOD 組的孔隙率。迂曲度與流體流動(dòng)迂回曲折程度有關(guān)，其值越大說明物料內(nèi)孔隙的連通性越好，小孔和中孔數(shù)量越多[20]。如圖5B所示，USOD 組迂曲度高達(dá)41.97，顯著高于其它處理組（P＜0.05），這說明USOD 組MVD 甘薯切片中小孔和中孔占比較高，且孔隙之間的連通性較好。

圖5 不同處理干燥甘薯切片進(jìn)汞曲線（A）和孔隙特征參數(shù)（B）Fig.5 Curve of mercury intrusion and pore characteristic parameters of different pretreatment dried sweet potato slices

依據(jù)孔徑大小將MVD 甘薯切片孔隙分成四類，其中孔徑＞104nm 的孔隙為大孔；介于103～104nm之間的為中孔；處于102～103nm 之間的為小孔；小于100 nm 的為微孔（如圖6a 所示）。微分孔體積（mL/g）是單位質(zhì)量樣品中孔隙體積隨孔徑大小的變化率，其值越大說明相應(yīng)孔徑大小的孔隙數(shù)越多；某一孔徑范圍內(nèi)微分孔體積曲線越平滑則表示物料內(nèi)孔隙大小分布越均勻[21]。如圖6a 所示，USOD 組甘薯切片中大孔和中孔占比較高且微分孔體積曲線波動(dòng)很大，說明大孔和中孔區(qū)間內(nèi)孔隙大小分布不均勻；而該MVD 甘薯切片中微孔和小孔數(shù)量較少且孔隙大小分布均勻。圖6b 為MVD 甘薯切片中各種孔隙占比情況。從圖中可以看出，MVD 甘薯切片內(nèi)孔隙大小分布具有相似性，均以大孔為主（除USOD組外，其它樣品中大孔占比均大于50%），這可能是因?yàn)楦稍镞^程物料內(nèi)水分遷移、結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致原來相互獨(dú)立的小孔隙相互結(jié)合形成了大孔隙[22]。USOD 組樣品內(nèi)中孔和微孔占比分別為46.82%和11.30%，均顯著大于其它處理組（P＜0.05）。不同預(yù)處理MVD 甘薯切片的平均孔徑依次為USOD（164.50 nm）＜OD（227.62 nm）＜VUOD（239.13 nm）＜VAOD（325.10 nm）＜US（413.70 nm）＜CK（424.51 nm）。

圖6 MVD 甘薯切片內(nèi)孔隙分類及不同孔徑所占比例情況Fig.6 Classification and proportions of different pore sizes in MVD sweet potato slices

2.4 MVD 甘薯切片體積收縮率和復(fù)水特性

干燥過程水分脫除物料不可避免地會(huì)產(chǎn)生收縮，這不僅會(huì)降低干燥效率，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的外觀形狀、復(fù)水性能、組織結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等均會(huì)帶來負(fù)面影響[16]。圖7 顯示了不同預(yù)處理對(duì)MVD 甘薯切片體積收縮率的影響。從圖7 中可看出，相較CK 組（0.617），OD、USOD、VAOD 和VUOD 組的體積收縮率明顯偏?。≒＜0.05），尤其是USOD 和VUOD 組，它們的體積收縮率比CK 分別減少了24.80%和29.66%，說明滲透或超聲/真空聯(lián)合滲透能減輕干燥脫水引起的體積收縮程度，因?yàn)闈B透溶質(zhì)（蔗糖分子）在壓力梯度下進(jìn)入物料內(nèi)部可填充細(xì)胞間隙，同時(shí)也能為細(xì)胞骨架提供支撐，減輕干燥引起的細(xì)胞收縮和組織坍塌[23]。類似地，Dehghannya 等[24]發(fā)現(xiàn)，超聲輔助滲透預(yù)處理（70%蔗糖溶液240 min+40 kHz 超聲30 min）能顯著降低熱風(fēng)干燥李子的體積收縮率，使其收縮率從對(duì)照組的76.41%降至64.05%。

圖7 MVD 甘薯切片的體積收縮率Fig.7 Volume shrinkage rate of MVD sweet potato slices

復(fù)水性能是衡量脫水食品品質(zhì)好壞的指標(biāo)之一，它不僅與產(chǎn)品屬性有關(guān)，還與預(yù)處理措施、干燥方法和復(fù)水條件密切相關(guān)。圖8 為MVD 甘薯切片的復(fù)水曲線，由圖8 可知，隨著復(fù)水時(shí)間推進(jìn)MVD甘薯切片吸水量逐漸增加，其中前60 min 復(fù)水比上升較快，之后趨于平緩直至平衡，這是因?yàn)閺?fù)水初期樣品含有大量的水分吸附位點(diǎn)，隨復(fù)水進(jìn)行物料內(nèi)毛細(xì)管及細(xì)胞間隙被水分填充，水分吸附位點(diǎn)逐漸飽和，因而吸水速率下降[25]。復(fù)水平衡后，MVD 甘薯切片的復(fù)水比值依次為VUOD（3.363 g/g）＞USOD（3.336 g/g）＞US（2.695 g/g）＞CK（2.649 g/g）＞VAOD（2.611 g/g）＞OD（2.513 g/g），其中USOD 和VUOD組的復(fù)水比值無(wú)顯著差異（P＞0.05），但明顯高于其它處理組（P＜0.05），由于超聲-滲透聯(lián)合處理物料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成了微孔道有利于水分的進(jìn)入[3]。另外，相比其它MVD 甘薯切片，USOD 和VUOD 組樣品在預(yù)處理階段有較多蔗糖分子進(jìn)入，它們作為親水物質(zhì)能與水分緊密結(jié)合，因而增強(qiáng)了干燥樣品的復(fù)水性能[26]。

圖8 不同預(yù)處理MVD 甘薯切片的復(fù)水曲線Fig.8 Rehydration curves of MVD sweet potato chips subjected to different pretreatments

2.5 MVD 甘薯切片色澤變化

色澤是評(píng)價(jià)產(chǎn)品感官品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，直接影響著消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的接受度。從表4 可以看出，新鮮甘薯切片的L值（71.48）顯著高于MVD干燥樣品（P＜0.05），由于甘薯含有綠原酸、阿魏酸、維生素C、多酚氧化酶等在加工過程易發(fā)生褐變[10]，同時(shí)干燥造成的水分流失和結(jié)構(gòu)收縮也可能影響光的反射[18,27]。相較CK 組，US、USOD 和VUOD 組具有較高的L值，這可能與超聲的化學(xué)效應(yīng)有關(guān)，因?yàn)槌曌饔卯a(chǎn)生的過氧化氫可抑制褐變發(fā)生，同時(shí)超聲能強(qiáng)化傳質(zhì)效果，導(dǎo)致物料內(nèi)色素（如β-胡蘿卜素）流失[3]。VAOD 組L值也顯著高于CK 組（P＜0.05），可能由于其營(yíng)造了一個(gè)缺氧的環(huán)境，減少了酶促褐變發(fā)生[18]，同時(shí)蔗糖的滲入對(duì)產(chǎn)品色澤也具有一定改善效果[3]。如表4 所示，與鮮樣相比，MVD 甘薯切片的a和b值有所升高，表明MVD 干燥后樣品發(fā)生了褐變，致使偏紅、偏黃。Monteiro 等[28]采用微波真空干燥技術(shù)制備無(wú)油紅薯脆片也得到了類似結(jié)果。不同預(yù)處理MVD 甘薯切片中，經(jīng)USOD 和VUOD 預(yù)處理的MVD 樣品的a和b值較小，與鮮樣無(wú)明顯差異。色差（ΔE）反映了MVD 甘薯切片與鮮樣色澤的差異程度，ΔE值越大說明色澤變化越明顯。從表4 可以看出，VAOD、VUOD 和USOD 組ΔE值較小，且顯著低于其它組（P＜0.05），這說明超聲/真空-滲透預(yù)處理有利于MVD 甘薯切片原有色澤地保持，尤其是VAOD 和VUOD 組。

表3 新鮮及MVD 甘薯切片的色澤參數(shù)Table 3 Color parameters of fresh and MVD sweet potato slices

3 結(jié)論

本研究考察了不同預(yù)處理（US、OD、USOD、VAOD 和VUOD）對(duì)MVD 甘薯切片干燥特性、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征及相關(guān)理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：USOD 和VUOD 處理能顯著增強(qiáng)甘薯切片的水分流失率（WL）和固形物增加率（SG）（P＜0.05）。Weibull 分布函數(shù)和Dincer 模型能較好地描述MVD 甘薯切片干燥過程水分比與時(shí)間的關(guān)系。模型參數(shù)（α,β，G，Dcal和Deff）分析顯示，經(jīng)USOD 處理的MVD 甘薯切片干燥速率最快，加速階段歷時(shí)最短。經(jīng)USOD 和VUOD 處理的MVD 甘薯切片呈現(xiàn)蜂窩狀、多孔結(jié)構(gòu)，其中VUOD 樣品孔隙率最大（為33.30%），而USOD 樣品平均孔徑最小（僅為164.50 nm）、迂曲度最大（為41.97）。USOD 和VUOD處理顯著提升了MVD 甘薯切片的復(fù)水性能，降低了體收縮率，較好地保持了原有色澤，縮小了色差。該結(jié)論說明超聲/真空輔助滲透處理（USOD 和VUOD）不僅能顯著降低MVD 甘薯切片干燥時(shí)間，提高干燥效率，同時(shí)還可減輕物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)破損程度，改善產(chǎn)品孔隙結(jié)構(gòu)，從而賦予產(chǎn)品較好的品質(zhì)。本研究可為MVD 甘薯干燥條件選擇篩選提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。