香葱叶柄超声热风干燥工艺优化及品质分析

田 震 肖亚冬 徐亚元 李大婧 刘 阚胡 奇 郁志芳 刘春泉,*

(1 南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095；2 江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014；3 江苏中烟工业有限责任公司南京卷烟厂，江苏 南京 210012)

香葱(Alliumascalonicum)是一种生长于亚洲中部地区的百合科(Liliaceae)葱属(Alliu)植物，具有特殊的芳香气味，是各种速食食品和汤品中的必备配料[1]。香葱对人体健康具有重要的作用，它不仅有助于肠胃消化，而且具有解热作用[2]。新鲜香葱含水量高，极易出现变黄及腐烂现象，不宜长时间存放，即使采用保鲜柜贮藏也很难长久保存，需进行干燥加工以延长其货架期。目前，工业生产多采用热风干燥和真空冷冻干燥对香葱进行干燥。但两种方法均有一些不足之处，热风干燥耗时长且能耗高，制得的香葱干燥产品复水性差、营养品质低[3]；真空冷冻干燥虽可以最大程度地保留香葱的色泽和营养品质，但是其生产成本高，不利于大规模生产[4]。

近年来，研究者大多采用预处理与干燥技术相结合的方式对果蔬进行干燥。预处理主要是应用一些物理和化学方法或者是各种能量场对物料在干燥前进行处理以使干燥产品具有理想的品质[5]。渗透脱水、蒸汽或热水漂烫、射频处理、高压脉冲电场和超声波等都可以作为干燥前的处理方法[6-7]。其中，诸多研究已表明，将超声波应用于干燥预处理可以提高产品的干燥速率，改善其品质[8-9]。Garcia等[10]研究超声波预处理对草莓干燥时间和品质的影响发现，超声处理可以加快草莓的干燥速度，缩短干燥时间。李武强等[11]对胡萝卜片超声远红外干燥工艺进行了研究，结果表明超声预处理可以明显缩短胡萝卜远红外干燥的时间，并能保证其品质。因此，本研究采取超声处理与热风干燥联用对香葱叶柄进行干燥，利用响应面法对超声处理香葱叶柄的条件进行优化，并对热风干燥后香葱叶柄干燥产品品质进行分析，以期为香葱叶柄脱水加工节能提质提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜香葱，购于南京市孝陵卫农产品批发市场。

1.2 仪器与设备

KQ-S1000VDE型三频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；FA2104电子分析天平，北京赛多利斯科学仪器公司；DHG-9073BS-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；UV-6300紫外分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；H2050R台式高速冷冻离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；HPLC1200高效液相色谱仪，美国安捷伦科技有限公司；WSC-S型色差仪，上海精密科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 选材→去除叶片→清洗→晾干→切段(5～8 mm)→称重→超声波预处理→热风干燥→样品→测色差→粉碎→过筛→其他指标测定。

1.3.2 单因素试验 称取150 g已切段香葱叶柄，利用超声进行预处理，单因素试验设计：固定超声频率为45 kHz，超声时间为10 min，考察不同超声功率(400、500、600、700、800 W)对香葱叶柄干燥品质的影响；固定超声功率为700 W，超声时间为10 min，考察不同超声频率(45、80、100 kHz)对香葱叶柄干燥品质的影响；固定超声功率为700 W，超声频率为45 kHz，考察不同超声时间(5、10、15、20、25 min)对香葱叶柄干燥品质的影响。

1.3.3 响应面试验 超声预处理：根据单因素试验结果，确定超声功率A(500、600、700 W)、超声频率B(45、80、100 kHz)和超声时间C(5、10、15 min)为试验因素和水平。测定干燥速率(X1)、复水比(X2)、色泽L值(X3)、硫代亚磺酸酯保留率(干燥后含量/干燥前含量，X4)及蒜氨酸保留率(干燥后含量/干燥前含量，X5)5个指标，将各指标进行归一化处理，赋予其不同的权重系数进行多指标综合评分[12]。权重系数分别为干燥速率0.45、复水比0.15、L值0.1、硫代亚磺酸酯保留率0.05、蒜氨酸保留率0.25。通过Design-Expert 8.0.6进行三因素三水平的Box-Behnken试验，响应面因素水平表见表1。

表1 响应面试验设计因素水平表Table 1 Factors of response surface test design

1.4 指标测定

1.4.1 初始含水率的测定 参考《GB 5009.3-2016食品中水分的测定》[13]的直接干燥法对香葱叶柄的初始含水率进行测定，试验重复3次，得到香葱叶柄的干物质质量(md)。

1.4.2 干燥过程中含水率的测定 干燥过程中每隔5 min 将香葱叶柄从热风干燥设备中取出进行称量[14]，按照公式计算香葱叶柄干燥过程中的干基含水率：

(1)

式中，Xt为干燥过程中t时刻香葱叶柄的干基含水率，%；mt为干燥过程中t时刻香葱叶柄的质量，g；md为香葱叶柄干物质的质量，g。

1.4.3 干燥速率的计算 以1.3.1的工艺对香葱叶柄进行干燥，干燥至干基含水率低于6%。香葱叶柄干燥速率采用总平均速率表示，为整个干燥过程的起始到干燥结束时香葱叶柄的干基含水率之差与整个干燥过程所需时间之比[15]。计算公式如下：

(2)

式中，DR为干燥速率，g(H2O)·(g绝干物料·min)-1；X为香葱叶柄初始干基含水率，%；Xd为干燥结束时香葱叶柄干基含水率，%；t为香葱叶柄干燥时间，min。

1.4.4 复水比的测定 称取2 g干燥后的香葱叶柄放入200 mL 20℃的去离子水中，每隔30 min取出用滤纸将其表面水分擦干并测定复水香葱叶柄的质量，直至其质量基本不变[16]。按照公式计算复水比：

(3)

式中，RR为复水化；Mr为复水后香葱叶柄的质量，g；Md为复水前香葱叶柄的质量，g。

1.4.5 色差L值的测定 将干燥后得到的香葱叶柄装入透明自封袋中平放在实验台上，用色差仪测定L值，平行测定5次，求平均值。

1.4.6 硫代亚磺酸酯含量的测定 参考Han等[17]及李瑜等[18]的方法，并作适当修改。将香葱叶柄研磨过60目筛，取0.2 g粉末于试管中，加入9 mL去离子水，漩涡混合1 min，静置9 min，在4℃、8 000 r·min-1条件下离心15 min。取1 mL上清液，加入5 mL 10 mmol·L-1半胱氨酸溶液，于26℃反应15 min，取1 mL反应液于25 mL具塞试管中，加去离子水至刻度。然后取稀释后的反应液4.5 mL与0.5 mL 5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)[5,5’-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid)，DTNB]溶液(1.5 mmol·L-1)，于26℃反应15 min后, 在412 nm波长处测定其吸光度值(A)。

取5 mL 10 mmol·L-1半胱氨酸溶液，加1 mL去离子水，混匀后取1 mL于25 mL具塞试管中加去离子水至刻度。取稀释后的半胱氨酸溶液4.5 mL与0.5 mL 1.5 mmol·L-1DTNB溶液于26℃反应15 min，然后在412 nm波长处测定其初始吸光度值(A0)。

ΔA412=A0-A

(4)

CThiosulfinate(mmol·L-1)=(ΔA412×β)/(2×14 150)

(5)

式中，CThiosulfinate为硫代亚磺酸酯的含量；β为稀释倍数；14 150为2-硝基-5-硫代苯甲酸在412 nm处的摩尔消光系数(1 cm光径)。

1.4.7 蒜氨酸含量的测定 参照夏陈等[19]的方法，色谱条件：Eclipse XDB-C18柱(250 mm×4.6 mm，5.0 μm)；DAD检测器，检测波长为214 nm；柱温为30℃；流动相为甲醇(A)和水(B)，其中甲醇为95%，等度洗脱0～10 min；流速为0.8 mL·min-1。

1.5 数据分析

利用SPSS 20.0对数据进行描述性统计、显著性分析及方差分析，显著性水平为0.05。利用Origin 2016软件绘图，并用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 超声功率对香葱叶柄干燥品质的影响 由图1-A可知，随着超声功率的增加，香葱叶柄干燥速率显著增加。当超声功率低于700 W时，对香葱叶柄干燥样品复水比的影响不显著，当超声功率为800 W时，香葱叶柄的复水比显著降低。根据超声作用的原理，超声波与介质相互作用会产生热效应、机械效应和空化效应[20]。超声处理的功率越高，单位面积所含有的机械波就越多，作用到物料上的机械波就越多[8]，因此干燥速率越大。而当超声功率过大时，其对香葱叶柄的组织状态产生一定的破坏，因此使其复水性能下降[21]。

由图1-B可知，香葱叶柄干制品硫代亚磺酸酯保留率随超声功率的增大呈先增加后降低的趋势。当超声功率为700 W时，硫代亚磺酸酯的保留率最高(49.87%)，当超声功率为800 W时其保留率最低。而香葱叶柄蒜氨酸保留率与硫代亚磺酸酯保留率趋势相似，当超声功率为500 W时，香葱叶柄蒜氨酸保留率最高(79.24%)；当超声功率为800 W时蒜氨酸保留率最低(57.62%)。这可能是由于超声波可以降低香葱叶柄的外部传质阻力，同时提高其表面水分蒸发率，缩短干燥时间。因此，硫代亚磺酸酯和蒜氨酸受热破坏较小，保留率较高；但当超声功率过大时会对其产生提取效应，营养成分在超声过程中遭到破坏，导致其保留率降低[22]。综合分析，选择超声功率500、600、700 W进行后续的优化试验。

注：不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。Note: Different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level. The same as following.图1 超声功率对香葱叶柄干燥品质的影响Fig.1 Effect of ultrasonic power on drying quality of chive petiole

2.1.2 超声频率对香葱叶柄干燥品质的影响 由图2-A可知，随着超声频率的增大，香葱叶柄干制品的干燥速率先显著增加后显著降低，这可能是由于较低频率的超声波所具有的空化效应与香葱叶柄组织破碎的振幅相近，易产生共振效果，形成更好的微通道，缩短了干燥时间，从而提高了干燥速率。香葱叶柄干制品的复水比则随超声频率的增大而显著降低。

由图2-B可知，随着超声频率的增大，香葱叶柄干制品的硫代亚磺酸酯保留率和蒜氨酸保留率显著降低。可能是由于超声频率过大，香葱叶柄表层受超声产生的空化作用影响较大[23]，致使香葱叶柄干制品的蒜氨酸保留率下降。硫代亚磺酸酯是由蒜氨酸与蒜氨酸酶反应产生的一类化合物，当超声频率较大时，产生的机械效应会对蒜氨酸酶的结构产生影响，使其酶活降低[24]，从而导致硫代亚磺酸酯的保留率降低。综合分析，选择超声频率45、80、100 kHz进行后续优化试验。

图2 超声频率对香葱叶柄干燥品质的影响Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on drying quality chive petiole

2.1.3 超声时间对香葱叶柄干燥品质的影响 由图3-A可知，随着超声处理时间的延长，香葱叶柄的干燥速率先增加后降低，当超声处理20 min时，香葱叶柄的干燥速率达到最大。而香葱叶柄干制品的复水比也具有相同的趋势。这可能是由于经过适当时间的超声处理，香葱叶柄内部组织逐渐形成疏松的海绵结构，水分容易迁移，加快了其干燥速率。由于其结构疏松吸水量变大，因此复水比也增大，但超过一定的时间后由于其结构遭到破坏而使其复水比降低[25]。

由图3-B可知，随着超声处理时间的延长，香葱叶柄干制品中硫代亚磺酸酯的保留率显著降低。说明超声处理在一定的范围内会使产品的干燥速率和营养成分的保留率处于较优的状态，而超出该范围时则会产生较差的效果[26]。综合分析，确定超声时间5、10、15 min为优化试验的水平。

2.2 响应面优化结果

利用Design-Expert 8.0.6软件的Box-Behnken试验设计原则选取超声功率(A)、超声频率(B)和超声时间(C)进行三因素三水平试验。试验方案及响应面试验结果见表2，显著性检验结果见表3。

图3 超声时间对香葱叶柄干燥品质的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time on drying quality of chive petiole

表2 响应面试验方案及结果Table 2 Scheme and experimental results for response surface design

表3 回归方程系数及显著性检验结果Table 3 Analysis results of significance test of the regression coefficients

2.2.1 回归模型建立及显著性检验 使用Design-Expert 8.0.6软件对表2的数据进行处理，得到回归方程：Y=0.56+0.1A-0.035B+0.052C-0.067AB-0.091AC-0.091BC+0.200A2-0.059B2-0.120C2。

由表3可知，A、B、C对应的P值分别为0.033 8、0.385 2、0.222 8，说明超声功率(A)、超声频率(B)和超声时间(C)对干燥品质的影响效果依次为A>C>B；AB、AC、BC对应的P值分别为0.246 7、0.137 2、0.006 6， 其中，BC的交互作用极显著，三种交互效果依次为BC>AC>AB。对二次回归方程进行方差分析，结果表明该回归方差模型显著(P=0.039 8<0.05)，说明该试验方法可靠。方程的失拟项为0.058 9>0.05，不显著，说明拟合程度良好，试验所得二次回归方程能够对响应值进行良好的预测[27-28]。

2.2.2 响应曲面分析 由表3可知，超声频率和超声时间的交互作用具有极显著影响。由图4-A可知，超声时间对香葱叶柄干制品品质综合评分的影响大于超声频率；当超声频率不变时，随着超声时间的延长综合评分先增加后降低，这可能由于随着超声时间的延长，干燥香葱叶柄所需时间逐渐缩短，硫代亚磺酸酯及蒜氨酸等热敏性成分保留率较高，因此香葱叶柄干制品的综合评分较高；而超声时间过长会使硫代亚磺酸酯和蒜氨酸保留率降低，使得综合评分较低。当超声时间不变时，随着超声频率的增大，综合评分逐渐减小。由图4-B可知，超声频率与超声时间交互作用显著。由图5-A可知，超声功率对香葱叶柄干制品品质综合评分的影响大于超声时间；当超声时间不变时，综合评分随着超声功率的增大而逐渐增加。当超声功率不变时，随着超声时间的延长，综合评分先增大后减小。

2.3 综合评分验证试验

利用Design-Expert软件取综合评分最大值为最优值，得到香葱叶柄超声处理最优工艺条件为超声功率697.66 W，超声频率46.23 kHz，超声时间5.78 min，此条件下综合评分为0.84。为验证该模型的可靠性并便于试验，将此条件调整为超声功率700 W，超声频率45 kHz，超声时间6 min，进行3次重复试验，试验结果见表4。

表4 验证回归模型数据Table 4 Validation of the regression equations

由表4可知，3组验证性试验值与理论值相对误差均小于4%，说明回归模型能够预测和分析香葱叶柄干制品品质综合评分与试验因素之间的变化关系。因此，应用响应面对香葱叶柄超声预处理工艺的优化具有可操作性。

2.4 香葱叶柄热风干燥与超声热风干燥干燥特性和品质的比较

由表5可知，香葱叶柄超声预处理后进行热风干燥比单独进行热风干燥的干燥速率提高30.65%；复水性能好于单独热风干燥；L值为香葱叶柄的明度，经超声热风干燥得到的香葱叶柄的明度好于单独热风干燥的香葱叶柄；经过超声处理后进行热风干燥得到的香葱叶柄的硫代亚磺酸酯和蒜氨酸的保留率均大于单独热风干燥的样品。因此，超声处理不仅能够提高香葱叶柄热风干燥的干燥效率，而且产品的营养品质优于单独热风干燥。

表5 热风干燥与超声热风干燥比较Table 5 Comparison of hot air drying and ultrasound-hot air drying

图5 超声功率和超声时间对综合评分的影响Fig.5 Influence of ultrasonic power and ultrasonic time on the comprehensive score

3 讨论

超声预处理作为一种干燥预处理方法被广泛应用于农产品干燥，为提高各类产品的干燥效率和改善干燥品质提供了新思路[29]。本研究采用响应面法对超声预处理工艺进行优化，得到各因素对综合评分的影响大小为：超声功率(A)>超声时间(C)>超声频率(B)，这与代亚萍等[30]利用正交试验设计研究超声波辅助漂烫预处理南瓜片的优化结果一致。前人研究表明，干燥食品的复水性会随着超声预处理功率的增大而提高，但会随着超声预处理时间的延长而降低[31]。而本试验发现香葱叶柄的复水性会随超声预处理功率的增大先提高后降低，随超声预处理时间的延长先升高后降低，在超声预处理功率为700 W时香葱叶柄的复水性最好。这可能是由于超声预处理使香葱叶柄形成微通道，提高了其复水性，而在超声功率过大时又会导致香葱叶柄的结构被破坏造成复水性降低。本研究超声预处理优化试验结果表明，最佳超声频率为45 kHz，该结果与陈文敏等[32]利用超声处理红枣研究其干燥时间的结果类似，即超声频率过高并不能使物料的干燥速率以及干燥品质等得到改善。本研究结果表明，与单独热风干燥相比，超声处理后进行热风干燥能使香葱叶柄的干燥时间缩短30.67%，说明超声预处理能够明显提高香葱叶柄的干燥效率。该结果与前人的研究结果一致，如García-Pérez等[33]用超声辅助热风干燥处理橘子皮，发现超声强化热风干燥比单独的热风干燥所需要的干燥时间缩短约45%；王华等[34]发现超声处理后黄秋葵热风干燥的时间与未处理组相比缩短了15%～16%。

根据现有的文献报道，干燥前采用超声对果蔬进行预处理可能会出现以下情况：细胞结构变化(包括微通道的形成)[35]，水分有效扩散系数增大[36]，干燥速率提高[37]，某些营养素的保留率提高[39]。本试验结果表明超声预处理明显缩短了香葱叶柄热风干燥时间，提高了香葱叶柄干燥产品的品质，对香葱叶柄脱水干燥工业化生产具有极大的指导意义。

由于试验所用香葱叶柄的大小、长短、粗细程度较均一，对于在实际生产中存在的香葱叶柄大小和粗细不均一情况下的工艺参数仍需进一步探究来使其更好地应用于实际生产。同时，还需进一步考虑采用超声预处理与未采用超声预处理二者的能耗比较，以便该方法能够真正应用于实际生产。

4 结论

本研究采用响应面法对超声预处理香葱叶柄的工艺进行了优化，其中超声功率对香葱叶柄品质的综合评分影响最大。优化后的超声预处理条件：超声功率697.66 W、超声频率46.23 kHz、超声时间5.78 min，综合评分为0.84。本研究结果表明，与单独采用热风干燥技术相比，将超声预处理与热风干燥相结合能够提高香葱叶柄的干燥效率，改善其干燥品质。本研究为香葱传统热风干燥工艺的改进及优化提供了参考。