莴笋超声波辅助渗透脱水工艺研究

王顺民，唐 珂，季长路（.安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖4000；.浙江省绍兴县食品检验检测中心，浙江绍兴3030）

莴笋超声波辅助渗透脱水工艺研究

王顺民1，唐 珂2，季长路1
（1.安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖241000；2.浙江省绍兴县食品检验检测中心，浙江绍兴312030）

对莴笋超声波渗透脱水工艺进行了研究。采用响应面优化实验考察渗透剂种类、渗透剂质量分数、渗透温度、时间和超声波功率等因素对莴笋超声波辅助渗透脱水中物料失水率和固形物增加率的影响。结果表明，莴笋超声波辅助渗透最佳工艺条件：质量分数42%的蔗糖作为渗透剂，超声波功率200W、温度58℃、时间149min，在此条件下莴笋失水率和固形物增加率分别为1109%和342.64%。

莴笋，超声波，渗透脱水，工艺

莴笋（Laetuca sativa L.var.angustana Irish.），又称“千金菜”、“莴苣”、“石苣”，菊科，莴苣属。莴苣含有丰富的胡萝卜素、硫胺素、核黄素，以及钙、磷、铁、铜、碘、锰等矿物质营养。莴笋是日常重要的副食蔬菜之一，深受广大人民群众的喜爱。脱水莴笋可丰富脱水蔬菜的种类和提高其附加值。渗透脱水可以作为果蔬加工的一种前处理方式，可与果蔬干燥、冷冻、罐藏等方法组合使用。葡萄糖和食盐等食品加工辅料通常被作为渗透剂用于果蔬干燥前的渗透预脱水处理。渗透脱水时，这些渗入到组织内部中的糖等添加剂可对果蔬起到一定的保护作用并提高果蔬品质[1]。另外，这些水溶性渗透剂的浸入可降低果蔬含水量、提高其固形物含量，从而提高果蔬干燥的干燥速率[2]，缩短干燥时间[3]，并提高干制品复水性等[4]。渗透预脱水作为干燥工艺的前处理，目前已广泛用于果蔬脱水加工，例如，苹果[5]、草莓[6]、蘑菇[4]、甘蓝[7]、萝卜[8-9]、莴笋[10]、草莓[11]和马铃薯[2，12]等农产品干燥预处理。渗透脱水预处理虽然能够缩短后续干燥周期，改善食品的营养、感官品质，但是单一渗透脱水速率较慢，时间过长。而将超声波应用于莴笋渗透脱水，旨在促进莴笋渗透脱水速率，为生产脱水莴笋产品提供理论基础，促进莴笋等脱水食品产业发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

莴笋 市售；葡萄糖、蔗糖和氯化钠 均为食用级；其他药品 均为分析纯，中国国药集团化学试剂有限公司。

FA1004电子分析天平 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；PHS-2F数字pH计 上海精密科学仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州市上街华科仪器厂；HH-2恒温水浴锅 金坛市杰瑞尔公司；WF-100高速万能粉碎机 黄骅市振兴机电仪器厂；DHG-9143B-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司；MM721NG1-PW微波炉 美的集团有限公司；JK-400CD超声波器 合肥金尼机械制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 莴笋的预处理 莴笋→清洗、去皮→切分→烫漂→超声波渗透→干燥→指标测定。

1.2.2 新鲜莴笋脱水 莴笋去根、叶和皮脉，切成10mm×30mm片状。在90～95℃水中烫漂2min后，用流动水冷却，沥干水分后进行超声波辅助渗透脱水。

1.2.3 莴笋超声波渗透脱水的单因素实验

1.2.3.1 渗透方法 超声波渗透：莴笋漂烫冷却后静置沥水至表面无水珠；称重后按比例加入渗透剂并混合均匀，保证每块样品与渗透剂充分接触，混匀后确保无渗透剂残留在烧杯壁上，在超声波一定的条件下渗透一段时间。渗透结束后将莴笋取出，蒸馏水快速冲洗莴笋表面附着的渗透剂后用吸水纸吸干表面水分，测定水分含量和固形物含量等指标。

1.2.3.2 渗透剂种类的选择 在超声波功率为240W，渗透温度为50℃的条件下，分别添加质量分数为15%的葡萄糖、蔗糖和氯化钠进行超声波渗透，渗透60min后测定指标。比较不同渗透剂的渗透效果。

1.2.3.3 渗透剂质量分数的选择 将渗透剂按质量分数15%、25%、35%、45%和55%添加，在超声波功率为240W，渗透温度为50℃的条件下渗透60min后测定指标。

1.2.3.4 超声波渗透功率的选择 将渗透剂按质量分数45%添加，在超声波功率分别为200、240、280、320和360W条件下，渗透温度为50℃，渗透60min后测定指标。

1.2.3.5 渗透温度的选择 将渗透剂按质量分数45%添加，在渗透温度分别为30、40、50、60和70℃条件下，超声波功率280W，渗透60min后测定指标。

1.2.3.6 渗透时间的选择 将渗透剂按质量分数45%添加，在超声波功率280W，渗透温度为50℃，按渗透时间分别为30、60、90、120和150min条件下渗透，渗透后测定指标。

1.2.4 超声波渗透工艺的响应面优化实验 本研究选取渗透温度（X1）、渗透质量分数（X2）和渗透时间（X3）作为影响因素，采用二次回归正交设表，采用Design-Expert 8.05软件，进行响应面分析实验，考察渗透过程中莴笋失水率（Y1）和固形物增加率（Y2）的变化规律。其中自变量实际值和编码值见表1。

表1 响应面分析因素与水平表Table 1 Independent variables and their coded and actual values used for RSM

1.2.5 莴笋超声波渗透干燥后的测定指标 失水率（Waterloss）是反映渗透脱水过程的二项主要指标。失水率和固形物增加率为以下公式：

式中：M0—为样品的初始重量，g；Mt—为样品渗透脱水到t时刻的重量，g；X0W—为样品的初始水分含量，%；XtW—为样品渗透到t时刻的水分含量，%；X0ts—为样品的初始总固形物含量，%；Xtts—为样品渗透到t时刻的总固形物含量，%。

2 结果与分析

2.1 渗透剂对失水率和固形物增加率的影响

2.1.1 渗透剂种类对失水率和固形物增加率的影响 由图1可知，渗透预脱水处理60min后，NaCl对莴笋的失水率和固形物增加率影响最大，其次是蔗糖和葡萄糖处理。然而NaCl处理的莴笋在干燥后期，NaCl大量析出，严重影响脱水莴笋的品质[7]。而蔗糖对莴笋失水率和固形物增加率的影响比葡萄糖效果显著。

图1 不同渗透剂下的莴笋失水率和固形物增加率的变化Fig.1 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis agents

2.1.2 渗透剂质量分数对莴笋失水率和固形物增加率的影响 如图2所示，随着葡萄糖和蔗糖质量分数由15%增至55%，莴笋失水率和固形物增加率均显著增加（p＜0.05）。糖的质量分数影响了渗透脱水过程中的莴笋质量传递，溶液质量分数过低，脱水效率较低。在相同添加量下，蔗糖对莴笋失水率的影响显著高于葡萄糖，这是因为在溶液中蔗糖的渗透压比葡萄糖高[10]，高的渗透压使得莴笋细胞内的液泡失水，所以对于失水率，蔗糖渗透效果要优于葡萄糖。而对于固形物增加率，随着质量分数的增加，蔗糖和葡萄糖的渗透效果没有显著性差异。在渗透液质量分数过高时，溶液的粘度升高，外部传质阻力增大，水分扩散减弱。虽然超声空化对溶液的强烈扰动与热效应可使溶液粘性降低，减少传质的外部阻力，但其只能缓解一些，而不能完全排除粘性带来的负面影响。并且，由于固形物是大分子物质，超声空化作用不能使大分子物质克服粘性大带来的消极影响，固形物增加率增加趋势不显著[13]。

2.1.3 超声波功率对莴笋失水率和固形物增加率的影响 如图3所示，对于莴笋的失水率，蔗糖的渗透效果好于葡萄糖，而对于固形物增加率，两种渗透剂之间差异不显著。随着超声波功率增加，对蔗糖和葡萄糖渗透下的莴笋的失水率和固形物增加率的影响均不显著，这一结果与超声波辅助盐渗透白萝卜[9]的结果相似，可能的原因是本实验中超声波的功率较高。在较大超声功率作用下，有大量空化泡被激活，它们对辐照声束产生较强的散射衰减，这使得在相同的条件下声空化的渗透脱湿传质强化作用被弱化，导致固形物得率下降[14]。由于超声波功率对实验结果的影响不显著，因此在后续的响应面优化实验设计中，不再考虑超声波功率这一因素，微波功率均设为200W。

图2 不同渗透剂质量分数下的莴笋失水率和固形物增加率的变化Fig.2 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis agents mass percent

图3 不同超声功率下的莴笋失水率和固形物增加率的变化Fig.3 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different ultrasonic power

2.1.4 温度对莴笋失水率和固形物增加率的影响由图4可知，随温度的升高，蔗糖和葡萄糖渗透下的莴笋的失水率均增加不显著，但蔗糖渗透效果好于葡萄糖。蔗糖渗透体系中，莴笋的固形物增加率随温度的升高而增加。葡萄糖渗透体系中，温度低于60℃时，莴笋的固形物增加率随温度的升高而增加，且显著高于蔗糖的，温度为60℃时其值达到最大，后随着温度升高呈下降趋势，可能温度过高，超声波的空化效应降低，致使渗透脱水的强化作用减弱了[9]。

图4 不同温度下的莴笋失水率和固形物增加率的变化Fig.4 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different temperature

2.1.5 时间对莴笋失水率和固形物增加率的影响如图5所示，蔗糖和葡萄糖作为渗透剂时，莴笋的失水率均随渗透时间的增加而逐渐增加，并且蔗糖的渗透效果优于葡萄糖的。对于固形物增加率，蔗糖渗透下的莴笋固形物增加率随着其渗透时间的延长而逐渐增加，渗透时间对葡萄糖渗透下的莴笋的固形物增加率的影响与蔗糖的相同。并且两种渗透剂对莴笋固形物增加率的影响差异不显著。

2.2 渗透工艺响应面优化

根据以上单因素实验的结果，综合考虑渗透剂对失水率和固形物增加率的影响，本研究确定以蔗糖为渗透剂。采用响应面优化法进行过程优化。以X1、X2和X3为自变量，以失水率和固形物增加率为响应值Y，响应面实验方案及结果见表2。其中1～12为析因实验，12～15为3个中心实验，用以估计实验误差。

从表3可知，该二次回归方程的一次项X2和X3均表现出了显著水平，该二次回归方程整体模型著且该回归模型与实测值能较好地拟合。结果表明回归模型复相关系数R2=0.9446，说明相关性较好；校正决定系数Adj R2=0.8450，表明84.50%的实验数据的变异性可用此回归模型来解释。因此，可用此模型对莴笋蔗糖渗透过程中的失水率进行分析和预测。

图5 不同渗透时间下的莴笋失水率和固形物增加率的变化Fig.5 Change of the dehydration rate and solids increase rate of the lettuce at different osmosis time

通过利用Design-Expert 8.05 Trial软件中的实验设计表2数据进行二次多元回归拟合，得到莴笋蔗糖渗透后的失水率预测值（Y1）对编码自变量X1、X2和X3的二次多项回归方程，对表2结果进行统计分析，可建立如下二次回归方程：

表2 莴笋蔗糖渗透实验设计及结果Table 2 The design and results of glucose osmosis experiment of the lettuce

表3 失水率回归方程方差分析表Table 3 The analysis of variance of dehydration rate regression equation

Y1（%）=-966.137+86.34X1-2.46X2-17.98X3-0.05X1X2+0.20X1X3+0.16X2X3-1.01X12+0.13X22+0.02X32

式（3）

从表4可知，该二次回归方程的一次项X1、X2和X3表现出了显著水平。该二次回归方程整体模型显著，该回归模型与实测值能较好地拟合。结果表明回归模型复相关系数R2=0.9474，说明相关性较好；校正决定系数Adj R2=0.8528，表明85.28%的实验数据的变异性可用此回归模型来解释。本实验精密度达到10.514。因而可用此模型对莴笋蔗糖渗透过程中的固形物增加率进行分析和预测。通过Design-Expert8.05 Trial软件中的Miscellaneous实验设计表2数据进行二次多元回归拟合，得到莴苣蔗糖渗透后的固形物增加率预测值（Y2）对编码自变量X1、X2和X3的二次多项回归方程，对表2结果进行统计分析，可建立如下二次回归方程：

表4 固形物增加率回归方程方差分析表Table 4 The analysis of variance of solids increase rate regression equation

图6 温度与质量分数交互时失水率的响应面图Fig.6 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on dehydration rate

图7 温度与时间交互时失水率的响应面图Fig.7 Response surface plots of the effect of temperature and time on dehydration rate

图8 质量分数与时间交互时失水率的响应面图Fig.8 Response surface plots of the effect of mass perctent and time on dehydration rate

图9 温度与质量分数交互时固形物增加率的响应面图Fig.9 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on solids increase rate

2.2.1 响应面优化结果分析 为考察交互项对得率的影响，在其他因素条件固定不变的情况下，考察交互项对得率的影响，对模型进行降维分析。经Design-Expert 8.05软件分析，所得响应面图见图6～图11。

由图6～图11可知，莴笋的失水率和固形物增加率均随着渗透时间延长和温度的升高而增加，且具有交互作用。在失水率和固形物增加率的权重为1∶1的基础上，对拟合的回归方程根据软件进行优化，可得到莴笋蔗糖渗透最优工艺参数为：蔗糖质量分数42%，时间149min，温度58℃和超声波功率200W。经验证实验证实在此条件下莴笋失水率和固形物增加率分别为1109%和342.64%。

图10 温度与时间交互时固形物增加率等高线图和响应面图Fig.10 Response surface plots of the effect of temperature and mass perctent on solids increase rate

图11 时间与质量分数交互时固形物增加率等高线图和响应面图Fig.11 Response surface plots of the effect of mass perctent and time on solids increase rate

3 结论

在相同渗透条件下，莴笋在蔗糖溶液体系的渗透效果要优于葡萄糖渗透体系。

采用BBD响应面组合设计进行优化，得莴笋蔗糖超声波渗透脱水工艺的二次数学回归模型。由该模型分析可知，莴笋的失水率和固形物增加率均随着渗透时间延长和蔗糖添加量增加而增加，且具有交互作用。在蔗糖质量分数为42%，渗透时间149min，温度58℃和超声波功率200W的渗透条件下莴笋的渗透脱水失水率和固形物增加率最高，分别为1109%和342.64%，经验证该数学模型对莴笋蔗糖超声波渗透脱水工艺的预测是可行的。

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Study on ultrasonic-assisted osmotic dehydration of lettuce

WANG Shun-min1，TANG Ke2，JI Chang-lu1
（1.Biological and Chemical Engineering Institute，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；2.Food Inspection Test Center of Shaoxing County，Shaoxing 312030，China）

The study aimed to use response surface methodology to optimize process parameters for the osmotic dehydration of lettuce under the assistance of ultrasonic.Effect of osmotic agent，sucrose concentration，dehydration time，temperature and ultrasonic power on water loss（WL）and solid gain（SG）was studied. These process conditions were further studied using response surface methodology to maximize water loss and solid gain.The optimal dehydration conditions obtained by response surface analysis were as follows：osmotic dehydration temperature 58℃，osmotic dehydration time 149min，sucrose concentration 42%，and ultrasonic power 200W.Under these optimal dehydration conditions，the water loss and solid gain of lettuce were 1109%and 342.64%，respectively.

lettuce；ultrasonic；osmotic dehydration；process

TS205

B

1002-0306（2014）14-0309-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.060

2013－09－24

王顺民（1975-），男，博士，副教授，研究方向：农产品加工与贮藏。