干燥温度及超声波预处理对茎瘤芥热风脱水和复水的影响

王 旭，李文峰，何泽威，王帧红，田艮兰，高晓旭，谭

（重庆市长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100）

榨菜是世界三大酱腌菜之一，与德国的酸甜甘蓝和欧洲的酸黄瓜齐名。榨菜作为中国的一种传统食物，已在重庆涪陵地区大规模生产超过100年。在传统的加工工艺中，需采用自然风干将茎瘤芥水分降低至85%（湿基，w.b.），而这一过程需要25 d[1]。即使采用优化的盐渗透脱水技术仍需超过20 d时间才能将茎瘤芥含水量降低至生产要求。此外，盐脱水由于大量废水的排放，盐渗透脱水也会引起环境问题。因此，迫切需要一种茎瘤芥脱水的替代策略。

热风干燥（Hot-air drying，HAD） 是一种被广泛应用的农产品和食品干燥方法[2]。但热风干燥是一种高耗能单元操作。值得注意的是，一些预处理可以改变食物的初始含水量或改变食物的组织结构，以缩短热风干燥时间[3-5]。超声波（Ultrasound，US）预处理已应用于几种水果和蔬菜，提高了水分的有效扩散效率，使干燥时间缩短了10%～50%[6]。水分有效扩散系数增加的机理可能是超声波预处理导致食物内部微通道的形成[5-6]。此外，自由水的增加或许产生了一种假象：超声波预处理提高热风干燥速率。

众所周知，干燥过程的水分传递由内部扩散和表面汽化控制[5，7]。而通常起主导作用的是内部扩散控制[5]，同时也是许多食品干燥过程中的限速因素。虽然表面汽化控制对汽液界面的水传递影响较小，但超声波预处理也可使其显著增强[5]。因此，超声预处理可以通过改善茎瘤芥干燥过程的内部水分传递来强化脱水。试验首先探究了热风干燥对茎瘤芥脱水的影响，然后研究了超声预处理对茎瘤芥热风脱水过程的影响及机理。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜茎瘤芥的膨大茎组织（Brassica juncea var.tumida Tsen et Lee），购于涪陵马鞍市场。采用105℃烘干至恒质量法[8]测得茎瘤芥的平均初始含水量为95.3%±0.02%（w.b.）。干燥试验前，用清水清洗茎瘤芥，擦干表面多余水分后手工去皮并切成厚度为4 mm的薄片。

1.2 设备

101A-1型数显电热恒温鼓风干燥箱，上海浦东荣丰科学仪器有限公司产品；JA503型电子天平，常州市幸运电子设备有限公司产品；JY92-Ⅱ型超声波细胞破碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司产品；DZ-260T型DZQ系列真空包装机。

1.3 方法

1.3.1 超声预处理

在干燥处理之前，茎瘤芥分别在功率为0，200，400，600 W的超声波条件下进行30，60 min预处理（见表1）。在超声波预处理过程中，将茎瘤芥样品放入500 mL蒸馏水中。超声波处理后，用吸水纸吸去表面多余水分，随后放入干燥箱中进行热风干燥[5]。

试验预处理见表1。

表1 试验预处理

1.3.2 热风干燥

将经过超声处理的和未超声处理的茎瘤芥平铺在干燥托架上，分别在50，60，70℃和风速0.5 m/s条件下进行热风干燥，直至含水率小于85%（w.b.）为止。在热风干燥过程中，用电子天平称量样品质量变化，每次称量过程少于15 s以减小误差。水分含量（MC）采用下式进行计算：

式中：wt，ws——在任何时间称量的干燥物质量，g。

1.3.3 复水试验

为了解释和比较超声波预处理和随后的热风干燥可能导致的结构变化[5]。干燥后的茎瘤芥在25℃的水浴中进行复水。将脱水的茎瘤芥样品（约3 g）置于80 mL蒸馏水中。一定时间后，将样品从水中取出，用吸水纸吸去表面水分后称量。在前30 min，每5 min称量1次，然后在接下来的30 min，每10 min称量1次。

1.3.4 脱水和复水曲线的数学模型

茎瘤芥的水分比（MR）和干燥速率（DR）分别用公式（2） 和公式（3） 进行计算[9]：

式中：Mt——时间t（w.b.）时的水分含量；

Me——时间为t+dt（min）时的平衡水分含量，（w.b.）；

Mt+dt——时间为t+dt（min）时的水分含量；

t——干燥时间，min。

用5个半理论模型和2个经验模型对茎瘤芥脱水曲线进行拟合（见表2）[2]。拟合的确定系数（R2）是选择最佳模型的关键参数之一[10]，它可以用公式（4） 来计算[11]。

式中：a和b——常数；

MRexp，i——第i次试验无量纲水分比；

MRpre，i——第i次预测的无量纲水分比；

N——观测次数。

通常，Fick第二扩散定律被用来描述扩散的质量传递[12]。公式（5） 是由Fick第二定律推导出的数学方程，并将其简化为公式（6）。在目前的研究中，通过绘制MR与干燥时间的导数曲线可得到Deff，其斜率用公式（7） 表示[13]。

式中：Deff——水分有效扩散系数，m2/s；

L——切片厚度，m；

t——干燥时间，s；

n——正整数。

数学模型见表2。

1.3.5 统计分析

用统计软件SPSS 20.0，IBM对数学模型进行拟合。其他简单计算则由Excel 2016进行。所有的图片都用GraphPad Prism绘制。

表2 数学模型

2 结果与讨论

2.1 干燥温度对茎瘤芥脱水的影响

在热风干燥机中，分别在50，60，70℃下对茎瘤芥进行脱水，考查茎瘤芥的水分含量与干燥时间的关系。

超声预处理对茎瘤芥脱水的影响见图1。

图1 超声预处理对茎瘤芥脱水的影响

由图1可知，在50，60，70℃下，样品达到平衡含水量的干燥时间分别为300，120，80 min，见图1（a）。值得注意的是，与自然风干（传统方法）需要25 d和盐渗透脱水（商业化生产）需要22 d相比[1]，热风干燥明显降低了茎瘤芥的干燥时间。因此，热风干燥是一种高效的茎瘤芥干燥方法。此外，茎瘤芥的干燥速率随干燥温度的升高而增加，见图1（b）。这可能是因为干燥介质和茎瘤芥之间的温度差增加，从而强化了热量传递和水分迁移[14]。此外，图1（b）显示了一个明显的加速周期，表明在脱水早期阶段（MC＞85%，w.b.），茎瘤芥内部的水分迁移速率比瘤茎芥菜表面的水分迁移速率更快。这与已有报道中描述的苹果渣干燥结果相似[15]。

2.2 超声预处理对茎瘤芥干燥效果的影响

不同强度的超声波都可以被用于强化食品的干燥。由图1（c） ～（e） 可知，所有超声预处理均导致茎瘤芥的初始含水量增加，见图1（c），图1（e），表现为干燥开始时的水分含量（w.b.）超过100%。由图1（c）可知，随着超声功率从200 W提高到600 W，茎瘤芥脱水时间随之增加。尽管文献称超声波能提升干燥速率，但超声波预处理30 min和60 min并没有显著缩短胡萝卜的热风干燥时间[5]。然而，这些结果与400 W超声波预处理苹果的干燥动力学特征有很大不同[6]。值得注意的是，随着超声功率的增加，茎瘤芥的初始含水量增加，见图2（d）。因此，脱水时间的延长可能是由于初始含水量升高所致。先前的报道指出，超声介质和样品之间的水分活度差异是造成超声预处理样品初始含水量上升的关键因素，这导致了大量水分从超声环境转移到食物中[5]。众所周知，在含水材料中，超声波以人类感知不到的频率振动，导致材料的压缩和膨胀，从而导致微通道的形成[4]。这些微通道允许水进入茎瘤芥的组织内部，从而增加水分含量。然而，400 W超声预处理60 min与400 W超声预处理30 min相比，茎瘤芥的初始含水量略有下降，见图2（a）。Ricce等人[5]在胡萝卜干燥试验中也观察到了类似现象。这种现象可能是由于超声波预处理时间过长，导致已有的微通道崩溃，从而不利于传质。Deff反映了材料在特定条件下的脱水能力，并表征了其内在的水分传质特性[17]。进一步的分析发现，随着超声功率的增加，Deff降低，见图2（b），表明超声波预处理削弱了热风干燥过程中茎瘤芥的传质。然而，仅有600 W的超声波预处理降低了茎瘤芥的脱水速率，200 W和400 W的超声波预处理都提高了茎瘤芥的脱水速率，见图1（d），图1（f）。这可能是因为超声波预处理增加了样品自由水的含量，使其水分散失容易。就此而言，超声预处理或许不能增强茎瘤芥内部水分的去除。

超声功率对茎瘤芥含水量的影响见图2。

图2 超声功率对茎瘤芥含水量的影响

2.3 干燥温度对茎瘤芥复水的影响

复水是干燥食品最重要的质量参数之一[4]。复水与预处理、样品性质（干燥引起的变化）、干燥和复水的条件直接相关[16]。由图3（a） 可知，在60℃干燥的茎瘤芥与在50℃和70℃干燥的茎瘤芥相比具有最高的复水能力。在50℃干燥的茎瘤芥复水能力接近于70℃干燥样品的复水能力。这一现象可能是因为干燥温度过高和干燥时间过长，而这些都不利于提升干燥食品的品质。就干后茎瘤芥复水特性而言，60℃是可接受的茎瘤芥热风干燥温度。

超声波预处理对茎瘤芥复水的影响见图3。

2.4 超声波预处理对茎瘤芥复水的影响

图3 超声波预处理对茎瘤芥复水的影响

以往的报道表明，随着超声波预处理功率的增加会导致干燥食品的复水能力增加，但超声波预处理时间的延长会降低干燥食品的复水能力[17]。在研究中发现，茎瘤芥的复水活性随超声功率的增加而降低，而随超声时间的增加而增加，见图3（b），图3（c）。此外，以不同功率、不同时间超声波预处理后的样品复水能力均低于未预处理样品的复水能力，图3（b）。与此类似，超声波预处理也导致热风干燥苹果的复水能力显著降低[4]。这些结果表明，超声波预处理和随后的热风干燥可改变茎瘤芥的内部结构。不仅如此，热风干燥会导致茎瘤芥组织发生严重收缩，这反映了茎瘤芥样品的孔隙率较低。这种现象可能是超声波预处理导致了茎瘤芥内部微通道的形成，而热风干燥又严重破坏了这些微通道。为了验证这一假设，在超声波预处理和热风干燥之前，将茎瘤芥样品进行真空包装。该设计有效避免了超声波通过声波传递介质（水）而对产品造成影响[5]。由图4可知，未真空包装样品的脱水速率高于真空包装样品，但低于直接热风干燥样品，见图4（c）。这可能是由于热风干燥导致不同的孔隙和微通道堵塞或塌陷。超声波预处理虽然不能有效地提高脱水率，但会导致孔隙和微通道的形成，这可能对榨菜的进一步加工有一定的促进作用。

真空包装对茎瘤芥的影响见图4。

图4 真空包装对茎瘤芥的影响

2.5 茎瘤芥脱水的最适数学模型

数学模型在估计干燥动力学行为，以及在预测农产品和食品干燥所需能量的应用中是不可缺少的[18]。因此，研究对茎瘤芥脱水的最适数学模型进行了评估。由图5（a）可知，除Weibull模型外的所有模型的R2值均大于0.88，表明这些模型都能很好拟合茎瘤芥的复水特性。在所有干燥试验中，Henderson模型和Pabis模型、Modified page模型和Wang&Singh模型的R2均达到了可接受的0.99以上，见图5（a）。此外，除了统计参数R2外，还必须评估与试验数据曲线拟合有关的其他信息[5]。Falade&Solademi表明，Henderson and Pabis模型在干燥的早期阶段出现严重的拟合缺失[14]。Wang Z等人[15]报道指出，Wang&Singh模型不能拟合关键的干燥早期和结束阶段。另一个需要考虑的关键因素是超声预处理样品的初始无量纲水分（MR） 高于“1”[19]。由图5（b） 可知，Modified page模型考虑了每个阶段的水分比，显示出整个干燥过程中与预测数据与试验数据的最佳匹配。然而，Henderson&Pabi模型没有考虑初始水分比；Wang&Singh模型没有考虑样品在干燥的早期和结束阶段的水分比，见图5（c），图5（d）。因此，选择Modified page模型作为描述茎瘤芥脱水的最适模型。由于超声预处理不能有效地提高茎瘤芥的热风干燥速率。因此，仅用修正Page模型预测了未预处理茎瘤芥的热风干燥数据。用SPSS统计软件分析了干燥温度对Modified page模型常数（k和n） 的影响[9]。建立了基于多元回归分析的预测方程：

MR=exp{-[（0.000 172T-0.007 086）×t]（0.011 535T+

1.491 986）}

式中：T——热风干燥温度，℃；

t——干燥时间，min。

几种数学模型对茎瘤芥拟合试验关系图见图5。通过将试验值与所有热风干燥温度下的预测值进行比较，验证了所建立的预测方程[20]。

不同干燥温度下的试验数据和所建方程预测模型的关系图见图6。

由图6可知，所有点在回归线附近紧密相交，试验数据和计算数据（R2＞0.99） 之间有很好的一致性，这表明Modified page模型能适合于描述茎瘤芥的脱水行为。

3 结论

研究了热风干燥温度和超声预处理对茎瘤芥脱水和复水的影响。结果表明，随着热风干燥温度的升高，干燥时间缩短，干燥速率增大。热风干燥使茎瘤芥的脱水时间从传统方法的20 d显著缩短到80 min，说明热风干燥是一种有效的干燥方法。同时还发现超声波预处理不能显著提高茎瘤芥的热风干燥速率。此外，随着超声功率的增加，初始含水量和干燥时间增加，有效水分扩散系数降低，复水能力降低，这可能与超声波预处理引起的茎瘤芥组织结构改变有关。此外，数据表明60℃是茎瘤芥热风干燥的潜在温度。最后，Modified page模型是描述并预测茎瘤芥热风脱水特性的最佳模型。

图5 几种数学模型对茎瘤芥拟合试验关系图

图6 不同干燥温度下的试验数据和所建方程预测模型的关系图