热风干燥苹果片超声波预处理工艺的优化

李泽珍，李蔚，狄建兵

(山西农业大学 食品科学与工程学院，山西 太谷 030801)



热风干燥苹果片超声波预处理工艺的优化

李泽珍，李蔚，狄建兵

(山西农业大学 食品科学与工程学院，山西 太谷 030801)

[目的]优化苹果片超声波预处理工艺条件。[方法]在单因素试验基础上，采用三因素三水平旋转中心组合试验，研究超声波功率、时间、水温对苹果片热风干燥时干燥时间，复水比的影响，响应面法对数据进行分析。[结果]二次回归方程都极显著，拟合良好；优化的超声波预处理参数是：超声波功率203.99 w，水温34.59 ℃，时间10.64 min。此条件下，苹果片热风干燥时间为2.61 h，复水率为7.07 g·g-1，成品颜色更鲜亮偏黄。[结论]优化的超声波预处理条件可以提高热风干燥苹果片的品质。

苹果片； 超声波预处理； 热风干燥； 响应曲面分析

苹果是我国产量最大的鲜果之一，目前形成许多苹果主产区，在我国产业优势显著[1]。苹果休闲制品有很多，其中苹果片保留了苹果原有的风味，是绿色、天然、营养健康的食品[2，3]。目前常压热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、远红外干燥等[4]可作为苹果片的干燥方法。其中，热风干燥的成本比其他方法小，虽然能耗大，效率低，但作为传统的干燥方法仍在广泛使用。针对热风干燥技术的缺点，几种干燥方法的联用可保障产品质量的同时，提高生产效率，如红外热风干燥[5]，超声波热风干燥[6], 微波热风干燥，热风冷冻组合干燥，冷冻-微波-热风干燥等[4]联合干燥方法。其中，超声波技术具有独特的热效应、机械效应和空化效应，利用超声波技术对果蔬原料进行预处理可有效提高热风干燥效率[7～9]。超声波预处理已有很大的研究进展[10]，但在苹果片热风干燥方面的应用还不多。本试验以苹果为研究对象，采用二次旋转中心组合设计对热风干燥苹果片的超声波预处理条件进行优化，以得到生产苹果片的最佳工艺参数，旨在为超声波预处理技术用于热风干燥苹果片提供一定的技术支持。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

红富士苹果：市售；

KQ500DE型超声波清洗机(江苏省昆山市)； GZX-9240MBE型数显鼓风干燥箱(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)；WSC-S色差仪(上海仪电物理光学仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

苹果→洗净，削皮，去核→切片(厚5 mm)→护色→超声波预处理→热风干燥(60 ℃)→成品→测定。

1.2.2 单因素试验

以超声波的功率、水温、时间为主要影响因子，将苹果片热风干燥时间和复水比作为考察指标进行试验。对照组不作处理，其它条件一致。试验重复3次，取平均值。处理组具体试验条件：处理1：超声波时间10 min，水温35 ℃时，考察功率为100、200、300、400、500 W时的影响。处理2:超声波处理功率200 W，水温35 ℃时，考察时间为5、10、15、20、25 min时的影响。处理3：超声波处理功率200 W，时间10 min时，考察水温为25、30、35、40、45 ℃时的影响。

1.2.3 响应曲面法试验设计[11,12]

单因素试验基础上，对热风干燥前苹果片超声波预处理条件进行3因素3水平旋转中心组合设计，超声波的功率、水温、时间为影响因素。试验因素编码及水平见表1。

以苹果片热风干燥时间、复水比为响应值Y1、Y2，对试验数据进行拟合，对回归方程进行分析。试验设计结果见表2。

1.2.4 验证试验

按照优化的超声波预处理条件处理苹果片，与未经超声波处理得到的苹果片(对照组)进行相关测定分析。

1.2.5 测定项目

1.2.5.1 复水比[13]

经过热风干燥后的苹果片浸泡在蒸馏水中，使其充分吸水，复水后将表观的水吸干，准确称重。得出复水比的计算公式为：复水比=m2/m1(g·g-1)，m1、m2分别是吸水前的苹果片质量，吸水后的苹果片质量。

表1 试验设计因素编码和水平

注：x1=(X1-200)/100；x2=(X2-35)/5；x3=(X3-10)/5

1.2.5.2 干燥时间

记录苹果片含水量达到安全水分5%时所需要的时间，作为干燥时间[4]。含水率测定参照GB 5009.3-2010[14]。

1.2.5.3 色泽[15]

色差计测量干制的苹果片色泽L*、a*和b*值。其中，L*为明亮度指数，数值大时代表样品颜色偏白。a*和b*为彩度指数。a*值>0时，越大表示样品越红； a*值<0时，越小代表颜色越趋向绿色； b*值>0时，越大说明样品越黄，b*值<0时，越小代表颜色越趋向蓝色。

1.2.6 数据处理

试验数据采用Design Exper 8.0软件分析，优化最佳变量水平。

2 结果和分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 超声波功率

由图1可见，在超声波功率增加的同时，热风干燥苹果片干燥时间呈先降低后增加的趋势，而复水比则先增大后减小。适当功率的超声波预处理可以使苹果片产生空化效应，或造成组织破碎，在组织中产生微孔道，进而有利于热风干燥时苹果片中水分的逸散[15]。但功率太大时，则会破坏苹果片的组织，使水分的顺利排出受阻，导致干燥时间变长，复水比变小[16]。超声波功率为200 W时效果最佳，苹果片达到最短干燥时间2.7 h，最高复水比7.02 g·g-1，比对照所需的干燥时间缩短了47.1%，复水比提高了40.4%。

表2 试验设计分组

图1 超声波功率的影响Fig.1 The effects of ultrasonic power

2.1.2 超声波水温

图2显示，超声波处理水温在35 ℃以下时，苹果片干燥时间缓慢降低，复水比则缓慢增大，温度超过35 ℃时，干燥时间快速增加后达到平稳，复水比则明显下降后也变得平稳。超声波预处理水温在35 ℃以下较高温度时，可能会增强超声波对苹果片的机械作用，使内部组织变得更疏松，有利于水分排出，因此表现为干燥时间的缩短，复水比的升高；而当温度超过35 ℃时，苹果片的组织结构容易受到破坏，不利于水分的排出，表现出相反的结果[15]。图2中显示，当超声波处理温度在35 ℃时效果最佳，干燥时间是最短为2.9 h，比对照组苹果片减少了2.2 h，降低了43.1%；而此时复水比也达到最大值6.9 g·g-1，比对照组复水比增加了38%，差异显著。

图2 超声波水温的影响Fig.2 The effects of ultrasonic water temperature

图3 超声波时间的影响Fig.3 The effects of ultrasonic time

2.1.3 超声波时间的影响

图3所示，超声波预处理时间的延长会使干燥时间快速下降，之后上升变得较平稳，复水比则出现先快速增加，后缓慢减小的走向。类似2.1.1中超声波功率的影响，适当时间的超声波预处理会使苹果片内部组织疏松，后期干燥时水分排出更快，干燥时间缩短，复水比增加；而超声波处理时间太长时，机械作用对苹果片组织的破环使自然通道变堵，水分排出不畅，干燥时间增加，复水比下降[15]。图3可见，超声波时间是10 min时效果最好，苹果片干燥时间缩短为3 h，复水比最大为6.79 g·g-1，比对照组苹果片的干燥时间缩短了41.1%，复水比增加了35.8%。

2.2 响应面优化试验结果与分析

2.2.1 模型的建立及其显著性检验

二次旋转中心组合试验结果见表3。采用Design Exper8.0软件对数据进行分析，依次建立响应值干燥时间、复水比的二次回归方程(1)、(2)。

Y1=2.62-0.19x1-0.031x2-0.16x3+0.059x1x2+0.019x1x3-0.029x2x3+0.65x12+0.19x22+0.54x32

(1)

Y2=7.06-0.11x1-0.093x2+0.086x3-0.060x1x2+0.090x1x3-0.14x2x3-0.64x12-0.31x22-0.48x32

(2)

式中，x1为超声波的功率/W，x2为水温/℃，x3为时间/min；干燥时间为Y1/h，Y2为复水比/g·g-1。

方差分析结果见表4。表4中，干燥时间的回归模型(1)P<0.000 1，决定系数R2=0.97，AdjR2=0.95，说明模型极显著，回归拟合程度好。失拟项检验概率为0.082 8>0.05，说明拟合不足不显著。复水比的回归模型(2)也极显著(P<0.000 1)，决定系数R2=0.97，AdjR2=0.94，说明模型回归拟合程度好。失拟项检验概率为0.928 1>0.05，说明拟合不足不显著。

表3 二次旋转中心组合试验结果

表4 响应值模型数学方差分析

由此可见，2个回归模型都极显著，试验误差小，可用此模型来分析和预测超声波预处理后，热风干燥苹果片干燥时间、复水比的变化。

2.2.2 响应面分析

2.2.2.1 干燥时间的响应面分析与优化

图4的响应面和等高线图反映了超声波功率、水温和时间对干燥时间的影响及两因素之间的相互作用。图4 中等高线图形趋向圆形，说明超声波功率、时间和水温之间的相互作用对干燥时间的影响很小，可以忽略[17]。响应曲面分析可知超声波处理功率和时间的曲面较为陡峭，等高线也相对密集，说明干燥时间对功率和时间二因素的变化敏感。表4中方差分析也说明超声波功率和时间对干燥时间产生主要的影响。

2.2.2.2 复水比的响应面分析与优化

图5中，除超声波时间和水温的等高线图呈椭圆形外，功率与水温，功率与时间的等高线图形都趋向圆形，表明对复水比影响显著的是时间和水温的相互作用。图5中超声波功率的曲面图较陡峭，等高线也密集，说明相比超声波时间及水温变化带来的影响，超声波功率的变化对苹果片复水比的影响更大，表4中也表明超声波功率是影响复水比的主要因素，呈显著水平。

2.2.3 复合处理条件的优化与验证

最优工艺参数由design expert 8.0软件分析得到。当超声波功率为203.99 W，水温为34.59 ℃，处理时间10.64 min时，苹果片出现最小干燥时间2.61 h，最大复水比7.07 g·g-1。为了便于实际应用，选取功率为200 W，水温为35 ℃，处理时间为11 min，在此条件下进行3次重复试验验证，且与对照组进行对比，结果见表5。相比对照组，超声波预处理可以缩短干燥时间，提高复水比；超声波预处理组的明亮度L*值、b*值较大，a*较小，说明该组苹果片色彩更鲜亮偏黄。

表5 验证对比试验结果

图4 试验因素交互影响干燥时间的响应面和等高线图Fig.4 Response surface plots and contour for the interactive effects of experimental factors on drying time

图5 试验因素交互影响复水比的响应面和等高线图Fig.5 Response surface plots and contour for the interactive effects of experimental factors on rehydration ratio

3 结论与讨论

当超声波功率为203.99 W，水温为34.59 ℃，处理时间10.64 min时，苹果片达到最小干燥时间2.61 h，最大复水比7.07 g·g-1，色泽鲜亮偏黄。为方便应用，选取功率为200 W，水温为35 ℃，处理时间为11 min。超声波功率，超声波时间是超声波预处理技术影响热风干燥苹果片干燥时间的主要因素，超声波功率是影响复水比的主要因素。

试验表明，传统的热风干燥技术结合一定的超声波预处理，可以缩短苹果片热风干燥时间，减少能耗。Kadam S U[18]对褐藻进行超声波预处理，也发现较大的超声波功率可缩短热风干

燥的时间。超声波预处理后干制的苹果片色泽良好，复水比较高，品质佳。Rodríguez等[19]还发现干燥温度为30 ℃时，超声波-热风干燥得到的苹果总酚含量和类黄酮含量较高。Chen等[20]发现超声波预处理后真空干燥的胡萝卜VC和β-胡萝卜素含量较高。超声波预处理的应用可避免长时间高温对苹果片中热敏成分的破环，有利于保持苹果片的营养价值，有待进一步研究探讨[21]。目前优化的工艺条件可为超声波预处理结合热风干燥在苹果片干制中的应用提供一定的技术支持和理论依据。

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(编辑：马荣博)

Optimization of the ultrasonic pretreatment technology for apple slices by hot-air drying

Li Zezhen, Li Yu, Di Jianbing

(CollegeofFoodScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]The Optimization of the ultrasonic pretreatment technology conditions for apple slices by hot-air drying were studied.[Methods]The effects of ultrasonic power, ultrasonic water temperature, ultrasonic time on the hot-air drying time and rehydration ratio were studied by using the current, rotational and combinational design experiment. The second order quadratic equations of hot-air drying time and rehydration ratio were established, and the significance of model and fitting degree were analyzed through response surfacemethod .[Results]The result showed that the second order quadratic equations reached a significant level.The optimum ultrasonic power, ultrasonic water temperature, ultrasonic time for apple slices by hot-air drying were 203.99 w, 34.59 ℃, 10.64 min respectively. With the optimum ultrasonic pretreatment hot-air drying time and rehydration ratio for apple slices were 2.61 h,7.07 g·g-1. The product color was more light and yellow.[Conclusion]The optimization conditions of ultrasonic pretreatment could effectively improve the quality of apple slices by hot-air drying.

Apple slices, Ultrasonic pretreatment, Hot air drying, Response surface method

2017-03-13

2017-05-10

李泽珍(1980-)，女(汉)，山西原平人，讲师，硕士，研究方向：农产品贮藏加工及天然产物开发

山西省高等学校科技创新项目(2016152)

TS 255.5

A

1671-8151(2017)09-0663-07