超聲波處理對真空冷凍干燥香蕉片的影響

章斌，侯小楨，謝澤玲

（1.韓山師范學(xué)院生物系，廣東 潮州 521041；2.韓山師范學(xué)院美術(shù)系，廣東 潮州 521041）

真空冷凍干燥（Vacuum Freeze Drying，以下簡稱“凍干”）是在較高真空條件下，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分以冰晶體形式直接升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術(shù)。國內(nèi)外有關(guān)凍干的研究已有不少報(bào)道，且研究內(nèi)容大多集中在對凍干理論、凍干工藝和凍干設(shè)備的研究這3個(gè)方面[1-3]。從加工設(shè)備及工藝參數(shù)來看，凍干是一種操作費(fèi)用較高、能耗大、干燥時(shí)間較長的干燥方法，因而在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用受到一定限制[4-5]。

近幾年來，超聲波技術(shù)因其獨(dú)特的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)而在功能活性成分提取、食品殺菌與保鮮、食品結(jié)晶與凍結(jié)、食品干燥等方面有著越來越廣泛的應(yīng)用[6-8]。但將超聲波技術(shù)與其他干燥技術(shù)（如熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空冷凍組合干燥等）結(jié)合起來用于果蔬脆片的研究鮮有報(bào)道；另一方面，組合干燥技術(shù)現(xiàn)已成為干燥技術(shù)的一個(gè)重要研究內(nèi)容和發(fā)展方向[9-10]，作為分支之一的超聲波-真空冷凍組合干燥技術(shù)亦將成為未來干燥技術(shù)的一個(gè)重要方向。因此，本試驗(yàn)采用超聲波法對香蕉片進(jìn)行預(yù)處理，探討超聲波對凍干香蕉片的影響，以期為超聲波技術(shù)與凍干技術(shù)的結(jié)合使用提供一些理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

香蕉：九成熟，無機(jī)械損傷，購于韓山師院西區(qū)市場。

BCD-257SL型冰箱：海爾集團(tuán)；FD-1D-50型真空冷凍干燥機(jī)：北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；CS101-1A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：重慶銀河試驗(yàn)儀器廠；KQ-500VDB型臺式數(shù)控超聲波清洗器：昆山超聲儀器有限公司；AUW120型電子分析天平：日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

原料→去皮→切片（6 mm厚）→超聲波處理→預(yù)冷→凍結(jié)→真空冷凍干燥→檢驗(yàn)→成品

1.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)測定

1.2.2.1 成品含水量測定[11]

隨機(jī)取干燥好的香蕉片2 g～5 g，切碎放入稱量瓶，置熱風(fēng)干燥箱，于105℃下干燥至重量變化不超過3 mg。

1.2.2.2 復(fù)水率測定[12]

將真空冷凍干燥好的香蕉片放入水中，讓其充分吸水20min～30min；瀝干表面和四周的水，稱重，計(jì)算。

1.2.2.3 凍干終點(diǎn)和凍干總時(shí)間的確定

以“NY/T 948-2006-香蕉脆片標(biāo)準(zhǔn)”中的成品含水量5.0%為參照，在凍干后期，每隔一定時(shí)間迅速取出樣品稱重，使經(jīng)超聲波預(yù)處理后的香蕉片樣品干燥至統(tǒng)一含水量5.0%為止，記錄相應(yīng)的凍干時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波功率對凍干香蕉片的影響

超聲波頻率45 kHz，分別在超聲波功率80、100、120、140、160、180、200 W 條件下預(yù)處理 20 min，然后按1.2.1流程進(jìn)行凍干處理，測定凍干總時(shí)間和成品復(fù)水率，結(jié)果分別見圖1和圖2。

圖1 超聲波功率對凍干總時(shí)間的影響Fig.1 Effects on drying time by ultrasonic power

圖2 超聲波功率對成品復(fù)水率的影響Fig.2 Effects on rehydration rate by ultrasonic power

由圖1和圖2可知：隨著超聲波功率的增加，凍干總時(shí)間先減少后增大，成品復(fù)水率先增大后降低；140W預(yù)處理?xiàng)l件下的凍干總時(shí)間達(dá)至最小，復(fù)水率為最高?？赡艿脑蚴浅暡üβ手嘎暡ㄋ哂械哪芰?，功率越大，能量也越大，對物料性狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)械作用強(qiáng)度亦愈大；過高的功率會導(dǎo)致細(xì)胞破裂，從而導(dǎo)致在凍結(jié)過程所形成的冰晶體分布不均，影響升華通道的形成，延緩升華干燥時(shí)間。

2.2 超聲波作用時(shí)間對凍干香蕉片的影響

超聲波頻率45 kHz，于140 W功率下分別超聲處理 15、20、25、30、35、40、45、50 min 進(jìn)行預(yù)處理，然后按1.2.1流程進(jìn)行凍干處理，測定凍干總時(shí)間和成品復(fù)水率，結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 超聲波作用時(shí)間對凍干總時(shí)間的影響Fig.3 Effects on drying time by extraction time

圖4 超聲波作用時(shí)間對成品復(fù)水率的影響Fig.4 Effects on rehydration rate by extraction time

從圖3和圖4可看出：在一定頻率和一定功率下，經(jīng)超聲波處理后的樣品凍干總時(shí)間均有所縮短，在35 min時(shí)達(dá)至最小值；而經(jīng)超聲波處理后的成品復(fù)水率均有所升高，且在35 min時(shí)達(dá)至最大?？赡艿脑蚴墙?jīng)適當(dāng)時(shí)間地超聲波后，原料內(nèi)部組織逐漸形成海綿狀疏松結(jié)構(gòu)，形成的冰晶明顯減小，分布更加均勻，在凍結(jié)過程中利于升華通道的生成[6，13]；另一方面，空化作用有助于除去部分結(jié)合水，從而節(jié)省后期的凍干總時(shí)間[14]。

2.3 超聲波頻率對凍干香蕉片的影響

超聲波功率140 W，分別在28、45、100 kHz超聲波頻率下預(yù)處理35 min；然后按1.2.1流程進(jìn)行凍干處理，測定凍干總時(shí)間和成品復(fù)水率，結(jié)果分別見圖5和圖6。

圖5 超聲波頻率對凍干總時(shí)間的影響Fig.5 Effects on drying time by ultrasonic frequency

圖6 超聲波頻率對成品復(fù)水率的影響Fig.6 Effects on rehydration rate by ultrasonic frequency

由圖5和圖6知：45 kHz處理?xiàng)l件下的凍干總時(shí)間最短，成品復(fù)水率最大；過高或過低的超聲波頻率均對成品品質(zhì)有一定不良影響?？赡艿脑蚴禽^低頻率的超聲波所產(chǎn)生的空化效應(yīng)與香蕉片組織破碎的振幅接近，易產(chǎn)生共振效果，形成更好的升華通道，便于凍干時(shí)的冰晶體升華干燥[15]；而超聲波頻率較高時(shí)，空化作用反而變得不顯著，對原料升華通道的形成無明顯影響。

2.4 超聲波預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以凍干總時(shí)間為考核指標(biāo)，采用L9（33）正交試驗(yàn)優(yōu)化超聲波預(yù)處理?xiàng)l件，正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析結(jié)果分別見表1和表2。

表1結(jié)果表明：影響真空冷凍干燥香蕉片的因素主次順序?yàn)锽（超聲波作用時(shí)間）＞A（超聲波功率）＞C（超聲波頻率），超聲波預(yù)處理香蕉片的優(yōu)化工藝條件為A1B2C3；因此組合不在正交試驗(yàn)組中；經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，并與A2B3C1組合比較，確定超聲波預(yù)處理香蕉片最優(yōu)條件為A2B3C1，即超聲波功率140 W、超聲波作用時(shí)間40 min、超聲波頻率28 kHz；此條件下的凍干總時(shí)間為8.9 h。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experimental design

表2 方差分析表Table 2 Results of variance analysis

表2的方差分析結(jié)果表明：超聲波功率和超聲波處理時(shí)間對真空冷凍干燥香蕉片的影響差異顯著，而超聲波頻率不顯著。

3 結(jié)論

1）影響凍干香蕉片的因素主次順序?yàn)椋撼暡ㄗ饔脮r(shí)間>超聲波功率>超聲波頻率；且超聲波功率和超聲波處理時(shí)間對凍干香蕉片的影響差異顯著，而超聲波頻率不顯著。

2）超聲波預(yù)處理香蕉片的最優(yōu)工藝條件為：超聲波功率140 W、超聲波作用時(shí)間40 min、超聲波頻率28 kHz；此條件下的凍干總時(shí)間為8.9 h。

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