超声—远红外辐射干燥对香蕉片品质的影响

石晓微 刘云宏,2

(1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2.农产品干燥装备河南省工程技术研究中心，河南 洛阳 471023)

香蕉含丰富的碳水化合物、膳食纤维、维生素、矿物质和酚类化合物，具有较强的抗氧化活性[1-2]。但其为呼吸跃变型果实且质地柔软，采收后容易腐烂[3]。干燥对减少香蕉损失，延长贮藏时间和促进产品运输具有重要意义[4]。传统的干燥方式，如油炸和热风干燥等，由于高温或者较长的干燥时间可能会对产品的风味、颜色、营养成分等品质特性造成严重损害，并降低干制品的复水能力[5-6]。远红外辐射(Far-infrared radiation,FIR)具有热效应好、节能、温度分布均匀、产品质量好等优点[7-8]，被广泛应用于猕猴桃[9]、紫薯[10]、萝卜[11]等产品的干燥过程中，并且能够大幅缩短干燥时间，提高干燥产品品质。

超声技术由于其机械振动和空化作用，可以扩张物料的内部组织并形成海绵状结构，从而有效地降低物料的内部传质阻力，加速水的扩散并缩短干燥时间[12-13]。与气介式超声相比，直触超声具有更小的能量衰减，对干燥过程的改善效果更为显著[14]。孙畅莹等[15]将直触超声用于梨片的热风干燥过程中，发现干燥时间明显缩短，产品品质显著提高。Zhao等[16]研究表明，超声处理可改善污泥中孔隙结构的连通性，有利于加速污泥对流干燥过程中的水分运输，且随着声能密度的增大，污泥中水分运输得更快。刘云宏等[17]研究发现，将远红外辐射技术和直触超声相结合可有效改善物料内部结构，显著提高物料的质热传递过程，从而实现更高效、节能的快速干燥。Liu等[18]发现，直触超声可以加快猕猴桃远红外辐射干燥中的水迁移并提高干燥速率。但有关直触超声联合远红外辐射干燥对产品品质影响的研究尚未见报道。试验拟以香蕉片为研究对象，进行超声—远红外辐射干燥试验，探讨超声功率和远红外辐射温度对干燥香蕉片的质构、复水比、收缩率、色泽、总酚含量、维生素C含量、抗氧化活性等品质指标的影响，以期为香蕉片现代干燥加工技术开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜香蕉：成熟度一致，采用105 ℃烘箱法测得其干基含水率为(5.24±0.12) g/g，市售。

1.2 仪器与设备

超声强化远红外辐射干燥装置：河南科技大学自制，具体结构和参数见文献[17]；

紫外—可见分光光度计：T6新世纪型，北京普析通用仪器有限公司；

高速离心机：TG16-WS型，湘仪离心机仪器有限公司；

质构仪：TA.XT EXPRESS型，英国SMS公司；

色差仪：Color i5型,美国X-Rite公司；

高效液相色谱仪：Agilent 1260 Infinity型，安捷伦科技有限公司；

电子天平：Scout SE型，美国OHAUS公司。

1.3 干燥方法

将香蕉去皮后切成厚度为5 mm的圆形薄片，并浸于0.2%的异抗坏血酸钠溶液中20 min以防止干燥过程中的酶促褐变。用滤纸吸干表面水分，并将65 g左右的香蕉片平铺于超声振动盘上，然后放入干燥室内。每间隔20 min对样品进行称重，直至含水率低于17%(干基)。设置风速为1.5 m/s，远红外辐射距离为10 cm，辐射温度分别为150，210，270 ℃，超声功率分别为0，30，60 W。

1.4 指标测定

1.4.1 质构 根据文献[19]修改如下：测前速度2 mm/s，测试速度0.5 mm/s，测后速度5 mm/s，硬度为破坏样品以获得力变形曲线的最大力，脆度为力变形曲线上峰的数量，每组试验重复10次，取平均值。

1.4.2 复水比 根据文献[20]。按式(1)计算复水比。

(1)

式中：

RR——样品复水比；

Mf——复水后样品质量，g；

M0——复水前样品质量，g。

1.4.3 收缩率 参照文献[21]。以小米为介质，通过置换法测定样品体积，每组试验重复5次。按式(2)计算样品收缩率。

(2)

式中：

SR——样品的收缩率，%；

V0、V——干燥前、后样品体积，mL。

1.4.4 色差 参照文献[22]。L*为明暗度，a*为红绿色，b*为黄蓝色。每组试验重复10次，取平均值。

1.4.5 感官评价 参照文献[23]。将香蕉片干制品的外观、风味、质地、口感和总体可接受性用于感官评价，选择20位不同年龄段的人，从1～9进行满意度评价(1为非常不喜欢，9为非常喜欢)。并评价外观、风味、质地、口感和总体可接受性在所有评价指标中的重要程度，以频数统计法确定权重分别为0.203，0.182，0.176，0.209，0.231。

1.4.6 总酚含量 根据文献[24]。

1.4.7 维生素C含量 按GB 5009.86—2016执行。

1.4.8 抗氧化活性

(1) DPPH自由基清除活性：根据文献[25]。按式(3) 计算DPPH自由基清除率。

(3)

式中：

I——清除率，%；

Ai——样品组吸光度；

Aj——空白组吸光度；

Ac——对照组吸光度。

(2) ABTS自由基清除活性：根据文献[26]。按式(3) 计算ABTS自由基清除率。

1.4.9 加权综合评分 综合评价指标为硬度、脆度、复水比、收缩率、色差、感官评价、总酚含量、维生素C含量和抗氧化活性。参照文献[27]，评分值分别为Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9，其对应的权重系数(λ)分别为0.10，0.10，0.05，0.05，0.20，0.20，0.10，0.10，0.10。脆度、复水比、感官评价、总酚含量、维生素C含量为正效应，隶属函数为：

(4)

硬度、收缩率、色差和抗氧化活性为负效应，隶属函数为：

(5)

y=(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9)λ，

(6)

式中：

Ci、Cmin、Cmax——实际指标值、最小指标值和最大指标值。

1.4.10 统计分析 使用Origin 8.5软件对数据进行统计分析，使用Duncan方法进行显著性分析，数据表示为均值±标准差。小写字母不同表示相同温度不同功率之间差异显著(P<0.05)；大写字母不同表示相同功率不温度之间差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 质构

由图1可知，硬度与香蕉片内部的组织结构密切相关。硬度随远红外辐射温度的增加而显著减小(P<0.05)，当远红外辐射温度为150，210，270 ℃时，干燥香蕉片的硬度值分别为(1 028.471±45.424)，(788.203±27.410)，(600.574±30.029) g。这可能是由于远红外辐射温度的升高破坏了样品的分子骨架，扩张了内部组织结构，硬度值降低。Léonard等[28]研究发现，远红外辐射可以改善香蕉片的内部组织结构，并且最终孔隙度随温度的增加而增加。干燥香蕉片的硬度值随超声功率的增加而减小。以210 ℃为例，当超声功率从0 W增加到30 W 时，硬度值从(788.203±27.410)g减小至(672.131±34.607) g，减少了14.73%。这是由于超声的机械效应和空化效应扩张了样品的组织结构，增大超声功率能够增强机械效应和空化效应，从而形成更加疏松的内部结构，硬度值减小[17]。

由图2可知，辐射温度和超声功率对干制香蕉片的脆度影响显著(P<0.05)，脆度值随辐射温度和超声功率的升高而增大。当辐射温度为270 ℃，超声功率为60 W时，香蕉片脆度显著高于其他干燥条件下的，可能是由于辐射温度和超声功率的升高促使内部疏松结构的形成，更有利于提高香蕉片的酥脆性。

2.2 复水比

由图3可知，干燥前50 min，复水比快速增长。香蕉片的复水比随远红外辐射温度和超声功率的升高逐渐增大，未施加超声时，辐射温度从150 ℃上升至270 ℃，复水比从2.088±0.044增大至2.737±0.074。当辐射温度为210 ℃时，施加0，30，60 W的超声，香蕉片的最终复水比分别为2.435±0.039，2.477±0.043，2.583±0.047。这可能是由于香蕉片在较低的辐射温度下干燥时间长，使得细胞严重收缩，组织结构致密，不利于水分的吸收。辐射温度和超声功率的增加加速了水分湍动与迁移扩散，干燥时间缩短。此外，辐射温度的升高也会产生更大的热流密度，加速水分相变，形成更大的蒸汽压和更高的体积膨胀度，扩张香蕉片的微细孔道。超声功率的增加也会加速空化气泡的形成与破裂，使得香蕉片内部组织较为疏松，有利于水分吸收[29]。

图1 不同干燥条件下香蕉片的硬度Figure 1 The hardness values of banana slices under different drying conditions

图2 不同干燥条件下香蕉片的脆度Figure 2 The brittleness values of banana slices under different drying conditions

图3 不同干燥条件下香蕉片的复水比Figure 3 The rehydration ratio of banana slices under different drying conditions

2.3 收缩率

由图4可知，香蕉片的收缩率随辐射温度和超声功率的增加而降低。与单一远红外辐射干燥相比，施加超声后香蕉片的收缩率明显降低。当辐射温度为150 ℃，未施加超声时，香蕉片收缩率最大[(45.32±1.36)%]。当辐射温度为270 ℃，超声功率为60 W时，香蕉片的收缩率最小[(20.31±0.42)%]。辐射温度和超声功率的升高加速了水分扩散，更好地保护了产品结构。

图4 不同干燥条件下香蕉片的收缩率Figure 4 The shrinkage of banana slices under different drying conditions

2.4 色差

由表1可知，与新鲜样品相比，干燥后的香蕉片表面L*值明显降低，a*值和b*值普遍上升。当超声功率一定时，在210 ℃的辐射温度下，干燥香蕉片表面L*值最高，a*值、b*值和△E值最小。这可能是由于150 ℃下干燥时间较长，多酚与氧化酶接触时间长，产生更多的黑色素。而270 ℃的辐射温度较高，更易造成非酶褐变，样品表面颜色变暗，亮度降低[30]。此外，各辐射温度下，施加超声功率后，△E值均显著减小(P<0.05)，且随超声功率的升高而明显降低。这可能是由于超声可以在不提高样品温度下缩短干燥进程，更有利于产品外观色泽的保护。

2.5 感官品质

由表2可知，当辐射温度为210 ℃，超声功率为60 W时，感官评分最高，香蕉片的感官品质最好。

2.6 总酚含量

由图5可知，辐射温度和超声功率对香蕉片总酚含量有显著影响(P<0.05)。当辐射温度为210 ℃时，香蕉片总酚含量普遍较高。未施加超声时，辐射温度150，210，270 ℃下，香蕉片总酚含量分别为(16.98±0.50)，(22.65±0.73)，(14.21±0.56) mg/100 g。较低温度下，香蕉片长时间受热，内部的酚类化合物易与氧气接触并反应，导致严重的氧化和大量的酚损失。而较高温度下，可能是由于多酚类物质发生了分解或聚合反应而造成含量降低[22]。此外，辐射的应用和超声功率的增加都提高了香蕉片内的总酚含量，当辐射温度为210 ℃时，施加30，60 W的超声功率后，总酚含量分别提高了10.46%，20.00%，表明提高超声功率有利于香蕉片内酚类物质的保留。

表1 不同干燥条件下香蕉片的色泽Table 1 The color of banana slices under different drying conditions

表2 不同干燥条件下香蕉片的感官评分Table 2 Sensory scores of banana slices under different drying conditions

2.7 维生素C含量

由图6可知，辐射温度对香蕉片的维生素C含量有显著影响(P<0.05)，在270 ℃的辐射温度下施加30，60 W的超声对维生素C含量影响不显著(P>0.05)。当超声功率为0 W时，150，210，270 ℃下香蕉片的维生素C含量分别为(9.86±0.47)，(15.69±0.75)，(8.09±0.39) mg/100 g。干燥过程中辐射温度的提高会在一定程度上加快维生素C的氧化和降解速率，但同时辐射能量的增强也会导致香蕉片内水分快速迁移扩散，减少了加热和氧化时间，从而提高了维生素C的保存率。而温度过高，维生素C快速降解从而造成大量损失。此外，维生素C含量随超声功率的增大而增加，可能是由于超声的机械和空化效应能在不提高物料温度的情况下加快干燥过程、缩短干燥时间。

图5 不同干燥条件下香蕉片的总酚含量Figure 5 The total phenol content of banana slices under different drying conditions

图6 不同干燥条件下香蕉片的维生素C含量Figure 6 The VC content of banana slices under different drying conditions

2.8 抗氧化活性

由图7可知，辐射温度和超声功率对香蕉片的抗氧化活性均有显著影响(P<0.05)。当辐射温度为210 ℃，超声功率为60 W时，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最强，当辐射温度为270 ℃，超声功率为0 W时，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最弱，表明在香蕉远红外辐射干燥中施加超声，能够在保护营养成分的同时显著提高干制香蕉片的抗氧化能力。

图7 不同干燥条件下香蕉片的抗氧化活性Figure 7 Antioxidant activity of banana slices under different drying conditions

2.9 加权综合评分优化

由表3可知，提高超声功率可以提高产品品质，但温度过高，产品品质较差。当辐射温度为210 ℃、超声功率为60 W时，综合评分最高。因此，超声—远红外辐射干燥香蕉片的最优参数为210 ℃的远红外辐射温度和60 W 的超声功率。

表3 不同干燥条件下的加权综合评分Table 3 Weighted comprehensive scoring results under different drying conditions

3 结论

与未施加超声的远红外辐射干燥相比，超声联合远红外辐射干燥技术能有效提高产品品质。超声功率的增加能明显提高干制香蕉片的理化品质，辐射温度过高时不利于香蕉片表面色泽的形成和营养成分的保留。通过加权综合评分法确定了香蕉片超声—远红外辐射干燥的最优工艺参数为辐射温度210 ℃，超声功率60 W。后续还需对超声—远红外辐射干燥过程的协同作用进行更微观、更系统的研究与探索。