超高压和超声波预处理对蒜片热风干燥过程及品质的影响

郝启栋，乔旭光，郑振佳，卢晓明

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东省高校食品加工技术与质量控制重点实验室，泰安 271018）

0 引 言

大蒜（Allium sativumL.）是两年生百合科植物，作为调味品和中草药在世界各地被广泛使用[1]。大蒜含水率高，在贮藏过程中品质易发生劣变，脱水干燥不仅可以保留大蒜原有的风味，同时抑制微生物繁殖和一些不良反应[2]，从而达到延长货架期、增加产品附加值的目标，是大蒜有效的加工方法。大蒜干燥加工方法主要有热风干燥、冷冻干燥、热泵干燥等[3]，目前以热风干燥为主[4]。热风干燥操作简便且易于实现，但是其能耗高且长时间加热会对产品颜色、复水性和蒜素含量等方面产生不利的影响[5]。因此，缩短干燥时间，降低能耗是提高产品品质的关键要求。为了解决这些问题，研究人员尝试了超声波、渗透和冻融等预处理方法，发现预处理可以改变干制果蔬（胡萝卜、樱桃番茄、生姜）的微观组织结构，提高水分活度，从而增加样品的干燥效率，并使得最终样品获得更好的复水性以及提高生物活性成分保留率，从而实现改善干制品品质和降低能耗的目的[6-8]。

超声波在果蔬干制领域研究较多，超声波可以引起“空化效应”，改变物料的显微结构，促进物料内部水分向外迁移[9]。Nowacka等[10]研究发现，猕猴桃脱水前的超声波处理提高了物料的水分活度。Gabriella等[11]指出经超声预处理的甜瓜真空干燥过程中水分扩散率增加约25%，致使总干燥时间缩短了12.80%。物料经超声波预处理后会吸收水分，即使其结构的改变缩短了总干燥时间，但也有可能增加其后续的干燥负荷。超高压也是一种物理预处理方式，它会影响物料组织结构，如细胞变形、细胞间隙增大等，也能增加细胞的渗透性，降低物料的含水率。Yucel等[12]观察到，将大于100 MPa的压力作用到胡萝卜、苹果和绿豆上，提高了样品干燥过程中的传热和传质速率。Patras等[13]的研究结果显示，超高压处理的番茄和胡萝卜泥的抗氧化活性显著高于对照的样品（P＜0.05）。因此，将超声与超高压联合应用到物料的脱水前处理有可能会强化超声的脱水干燥过程，提高产品品质。

低场核磁共振（Low Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR）是一种高效、低成本、灵敏和非破坏性的分析形式，被广泛用于研究物料干燥中的水分迁移过程[14]。季蕾蕾等[15]利用低频核磁共振揭示了甘薯叶片在不同干燥方式下的水分迁移，甘薯中的自由水随干燥时间的延长大部分被排出，小部分向结合水迁移，致使甘薯叶片内结合水的比例逐渐增加，直至稳定。卢映洁等[16]将低场核磁共振技术应用于花生的干燥过程，发现花生内部自由水和弱结合水随着干燥过程的进行含量不断减少，且内部水分逐渐向外迁移，结合水含量变化不明显。目前，关于预处理对热风干燥影响的研究主要侧重于产品干燥过程和品质，然而，有关超声和超高压对蒜片热风干燥过程中水分状态和迁移变化的作用机制鲜有研究。

为揭示超声与超高压对蒜片干燥特性的影响。本文采用低场核磁分析蒜片在热风干燥过程中的水分状态及其分布，研究预处理间的横向弛豫时间和峰面积，干燥过程中蒜片水分状态的变化。通过能耗、色泽、复水比、蒜素含量和显微结构来评估预处理对干制蒜片品质的影响，为大蒜干燥工艺的优化和质量改进提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大蒜，品种为白皮多瓣，购于山东省济宁市金乡县，初始湿基含水率为66.07%±0.22%，4 ℃下保存；甲醇，色谱纯，山东禹王和天下新材料有限公司试剂；正己烷，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；乙腈，色谱纯，山东禹王和天下新材料有限公司试剂。

DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；NMI20-015V-I核磁共振成像分析仪，上海纽迈电子科技有限公司；JP-080S超声波清洗器，深圳市洁盟清洗设备有限公司；CR400色差仪，广东七彩仪器设备有限公司；LC-2010HT高效液相色谱仪，日本岛津公司；HPP600/3-5L超高压食品处理装置，包头科发高压科技有限责任公司；电子式电表，上海华立电表；SUPRATM 55扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司公司。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理方法

选择新鲜、无腐烂的大蒜，手工去皮，机器切片，厚度控制为（2.0±0.1）mm，并进行以下3种预处理。

对照（Control）：鲜蒜片（0.3 kg）在室温下浸入蒸馏水中漂洗5 min，取出沥干，用滤纸吸干表面水分。

超声处理（Ultrasound, US）：根据前期的超声响应面试验得出的优化工艺参数。将鲜蒜片（0.3 kg）浸入烧杯的蒸馏水中，料液比为1:5 g/mL。然后将装有蒜片的烧杯放入超声波水浴中，在300 W下超声15 min，温度为（30±1）℃，取出沥干，用滤纸吸干表面水分。

超高压处理（Ultrahigh Pressure, UHP）：参照Zhang等[17]建立的方法。超高压压力100 MPa，超高压时间5 min，处理量0.3 kg。

超高压-超声联合处理（UHP-US）：在上述相同的操作参数下先进行超高压处理，然后进行超声波处理。处理完成后，取出沥干，用滤纸吸干表面水分。

1.2.2 热风干燥

将经过预处理的样品平铺到托盘上，干燥箱温度控制在60 ℃，空气流速为1 m/s，每隔30 min取出干燥样品进行称量[18]。当样品的湿基含水率低于8%时，停止干燥。所有干燥试验重复3次。

1.2.3 干燥曲线

计算干燥过程中大蒜湿基含水率（Mw，%）和干基含水率（Md，%）公式[19-20]如下：

式中Wt为t时刻的蒜片质量，g；Wd为蒜片干物质质量，g。

干燥速率（DR, g/(g·min)）公式[21]如下：

式中Mt为t时刻的干基含水率，%；Mt+dt分别是t+dt时刻的含水率，%。

1.2.4 干燥能耗

干燥能耗为样品中除去1 kg水分所需的能量，通过公式（4）计算[22]：

式中EC为单位能耗，kW·h/kg；Ep和Ed分别表示预处理和干燥过程中的能耗，kW·h；mw为除去的水分质量，kg。

1.2.5 水分分布及迁移分析

LF-NMR测定预处理后大蒜片的水分状态。称取一定质量的蒜片样品放置在25 mm磁性线圈的中心。采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboomo-Gill）脉冲序列测定横向弛豫时间（T2）[23]。CPMG的主要参数为：采样等待时间（TW）为5 000 ms，回波时间（TE）为0.25 ms，回波个数（NECH）为6 000，重复采样次数（NS）为8。

1.2.6 色差测定

通过色差仪测定不同预处理干燥技术下蒜片的色泽变化，测定L*（亮度）、a*（红绿度）、b*（黄蓝度），每个样品重复测定3次。对照组为L0*=100，a0*=0，b0*=0。色差值（ΔE）计算公式为[24]如下：

1.2.7 复水性的测定

将1.0 g干制蒜片置于10 mL蒸馏水中，室温下放置12 h后取出，用滤纸去除表面水分，称量。计算公式[25]如下：

式中R为复水比，g/g；md为干制蒜片质量，g；mf为复水后蒜片质量，g。

1.2.8 大蒜素的测定

参考Zhang等[26]的高效液相色谱法测大蒜素。

样品处理：将干制蒜片粉碎，过60目筛后，得到粒度小于0.25 mm的蒜粉，取3 g加入3 mL去离子水混匀后，加入10 mL正己烷剧烈震荡2 min，放置10 min，然后5 000 r/min离心10 min，取上清液于100 mL烧杯中，封口，重复提取三次。在空气流下吹干有机相，加入10 mL乙腈复溶后经0.2μm微孔滤膜过滤进样。

色谱条件：Agilent Plus C18 色谱柱（4.6 mm ×250 mm，5μm）；流动相，A相为水，B相为乙腈-甲醇，乙腈-甲醇-水（50∶9∶41，体积比）；流速1.0 mL/min；柱温25℃；进样量10μL。

1.2.9 微观结构观察

将每组预处理后的干燥蒜片的横断面作为观察样本，喷金处理后使用扫描电子显微镜在200倍下观察镀金蒜片样品的表面形貌。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0软件对试验结果进行Duncan检验，以分析不同预处理和对照样品之间的差异。采用origin2017软件对数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同预处理对蒜片干燥特性的影响

图1为不同预处理后的蒜片热风干燥曲线。应用超高压预处理后，鲜蒜的初始含水率显著下降（P＜0.05），这可能是由于超高压过程中的加压和减压破坏了细胞结构，致使样品水分损失[12]。相比之下，超声和超声-超高压预处理的鲜蒜初始含水率增加，这是由于超声引起的海绵效应，Ricce等[27]在利用超声预处理干燥萝卜时也发现类似现象。超声-超高压预处理的大蒜样品含水率要高于超高压预处理的样品，这也是超声促进了介质向样品中转移的原因。

由图1a知，对照样品与使用超高压、超声、超高压-超声的样品达到干燥终点（湿基含水率小于8%）的时间分别为480、300、270和180 min。与对照的干燥时间相比，超高压、超声和超高压-超声的干燥时间分别减少了37.5%、43.75%、62.50%。从图1b中观察到预处理的干燥速率明显高于对照样品。超高压提高干燥速率可能与提高细胞渗透性有关，它促进了水由样品内部向外部转移[28]。超声波导致蒜片内部形成显微通道，从而提高了水分的扩散效率[29]。超高压-超声联合预处理表现出较高的干燥效率，主要是由于高压增加了细胞的渗透性，随后超声波诱导蒜片内部水分形成“空化效应”，大大改善了干燥过程中的水分迁移速度[30]。

2.2 不同预处理对蒜片能耗的影响

对照样品、超高压样品、超声样品和超高压-超声样品的能耗见图2，不同处理的能耗分别为4.89、3.67、3.51和3.31 kW·h/kg，结果表明预处理可以降低干燥过程的能耗。超高压-超声组相比对照组能耗较低了32.31%，Zhang等[17]也发现类似现象，利用超高压预处理将真空冷冻草莓干的能耗降低了18.70%，造成这一现象的主要原因是超高压增加了细胞的渗透性，增强了水分向外迁移速率[27]。超声相比对照组能耗降低了28.22%，罗登林等[31]也发现采用超声波预处理对香菇片进行热风干燥可使单位能耗减少约22%，进一步验证了超声预处理具有降低了能耗和干燥时间的效果。超高压-超声在降低能源消耗方面效果最显著（P＜0.05），相较于对照降低了32.31%；相较于Alolga等[32]研究的超声渗透辅助对流干燥大蒜技术的单位能耗（4.8 kW·h/kg）降低了31.04%。因此，超高压-超声联合预处理具有显著的节能效果，该预处理有利于强化传质效果，提高干燥速度，减小干燥成本。

2.3 低场核磁监测干燥过程中蒜片含水率的变化

图3为4种干燥方法的蒜片横向弛豫时间（T2）曲线。新鲜蒜片有3个峰值。T21峰具有最短的弛豫时间，为0.1～1 ms，代表与大分子颗粒紧密结合的水（结合水）[33]。T22的弛豫时间为1～10 ms，代表了固定在细胞质中的水（不易流动水）[34]。T23具有最长的弛豫时间（＞10 ms），是在液泡和细胞间隙中易流动的那部分水（自由水）[23]。3种水的峰面积，从左到右分别标记为A21、A22和A23。图3显示，对于4种干燥方法，随着时间的推移，峰面积逐渐减小，T2曲线向左移动，T22和T23变化较大，T21变化较小，说明蒜片失水主要来自自由水和不易流动水。

通过评估使用4种方法干燥的大蒜片的驰豫时间和峰面积的变化，研究了3种状态下水含量的变化，结果如表1～4所示。所有预处理的T21变化范围较小，对照样品为0.30～0.88 ms，超高压为0.27～0.76 ms，超声为0.22～0.79 ms，超高压-超声为0.24～0.69 ms。这表明由于结合水与大分子物质紧密结合，所以它的迁移不受预处理的影响。T22和T23随着干燥的进行下降明显，T22下降可能是由于细胞膜破裂，增加了碳水化合物的浓度并使其与不易流动水结合而引起的，T23下降主要是由自由水蒸发引起的[35]。对照、超高压、超声和超高压-超声的T23分别在240、180、210和120 min后降低至平衡。超高压-超声的T23降低最快，该预处理会引起更多的氢质子运动[18]。

表1 对照组蒜片干燥过程中弛豫时间跟峰面积变化Table 1 Changes of relaxation time and peak area in the drying process of untreated garlic slices

表2 超高压预处理对蒜片干燥过程中弛豫时间跟峰面积变化的影响Table 2 Effects of ultrahigh pressure pretreatment on relaxation time and peak area of garlic slices during drying

表3 超声预处理对蒜片干燥过程中弛豫时间跟峰面积变化的影响Table 3 Effects of ultrasonic pretreatment on relaxation time and peak area of garlic slices during drying

表4 超高压-超声预处理对蒜片干燥过程中弛豫时间跟峰面积变化的影响Table 4 Effect of ultrahigh pressure-ultrasonic pretreatment on relaxation time and peak area of garlic slices during drying

自由水是鲜蒜中水的主要成分，A23占有约85%。A23的变化与ATotal相似，ATotal是总峰面积。A23和ATotal都随着干燥的进行而降低。ATotal的变化也与图1a所示变化一致，表明总峰面积与含水量成正比。在干燥过程中，4种处理下蒜片的自由水峰面积A23呈下降趋势，超高压-超声的自由水脱除时间最少，为90 min，较对照组减少了50%。不易流动水的峰面积A22呈现先增大再减小的变化趋势。对照、超高压、超声和超高压-超声的A22分别经过150、120、90和60 min升高到最大值，说明干燥速率越大，不易流动水达到最高值的时间越短。结合水峰面积A21随着干燥的进行呈现先增加后减小的趋势，对照、超高压、超声和超高压-超声的结合水峰面积A21分别经过180、150、120、90 min达到最大值，说明干燥速率越大，结合水达到峰值的时间越短。结合水峰达到最大值时间滞后于不易流动水，且干燥终点的A21高于初始值，说明在干燥过程中蒜片细胞膜被破坏，大分子物质（如多糖）流入细胞间隙，增加了不易流动水与大分子物质结合的机会。

2.4 微观结构

干制蒜片的扫描电镜结果表明，经不同预处理的干制蒜片的微观结构存在较大差异（图4）。蒜片的显微结构变化与水分迁移和细胞破裂有关，两者会导致大蒜细胞结构出现不同程度的收缩和结构塌陷。图4a所示，对照组蒜片经480 min干燥后，表面细胞组织发生皱缩，并未出现大面积的孔状结构。图4b对应超高压干制蒜片的微观结构，经过300 min的热风干燥，蒜片呈现出高密度、组织较少和不规则的细胞结构，并且细胞间隙增加，细胞壁破坏严重。经过超声预处理后，经过270 min干燥的蒜片组织产生了疏松多孔结构，细胞壁轮廓变得清晰（图4c）。经超高压-超声预处理的蒜片经180 min到达干燥终点，干制蒜片内部显微通道孔径大于超声，且细胞壁更薄，这是由于超高压过程中的压缩以及减压破坏了细胞壁结构，提高了细胞的渗透性，再经过超声引起的组织膨胀和收缩，蒜片内部形成细胞微通道[17]，Fernandes等[36]也在甜瓜细胞中观察到并描述了类似的现象，有利于内部水分的扩散与蒸发。

2.5 干制蒜片颜色变化

颜色是评价食品感官质量的最重要标准之一，也是控制干燥过程的关键因素。表5展示了不同预处理对干制蒜片颜色的影响。L*值表示表面色泽的明暗度，L*值越大表明颜色越白。a*值表示红色到绿色的范围，b*值表示黄色到蓝色的范围[37]。表5中L*值显著高于a*和b*值，表明亮度仍是预处理蒜片干燥过程中颜色变化的主要因素[38]。4种干燥方式的蒜片a*并无显著性差异（P＞0.05）。经预处理的干制蒜片L*值升高，说明超高压与超声均能提高样品的亮度。

表5 不同预处理对蒜片颜色的影响Table 5 Effects of different pretreatments on the color of garlic slices

4种干燥方式的ΔE具有显著性差异（P＜0.05）。预处理的ΔE均小于对照的样品。超高压-超声样品的ΔE最低，因为超高压会使过氧化物酶及多酚氧化酶失活，超声又使色素物质和酶流失到介质中，物料在热空气中暴露时间更短，从而抑制了褐变[17]。对照样品的ΔE最高，说明干燥时间长会引起收缩，从而增加光吸收[39]。

2.6 不同预处理对蒜片蒜素含量的影响

大蒜素是大蒜中的主要生物活性物质，在完整的大蒜中不存在。蒜氨酸酶催化蒜氨酸生成蒜素，这种反应是由大蒜组织损伤而产生，大蒜的组织结构破坏得越严重、越完全，大蒜素就越容易生成[40]。干制大蒜的蒜素含量如图5所示，对照、超高压、超声和超高压-超声联合预处理的干制蒜片蒜素含量分别为1.97、2.38、2.41和2.67 mg/g。可以看出，与对照组相比，经过预处理的干样品的蒜素含量显著提高（P＜0.05），超高压、超声和超高压-超声的蒜素含量分别较对照提高20.81%、22.34%、35.53%，这是由于对照组的蒜片干燥速度慢，在热空气中暴露时间长，不稳定的亚砜物质会使蒜氨酸降解，已生成的大蒜素会分解为硫醚化合物，导致蒜素含量降低，超高压和超声的机械作用破坏大蒜的细胞膜和细胞壁，使蒜氨酸和蒜氨酸酶有更多接触的机会来生成蒜素，而且蒜片内部出现微孔，利于水分扩散，提高干燥速度，从而保留更多的蒜素。这一结果与之前Chen等[18]的研究一致，他通过超声辅助真空干燥缩短了大蒜干制时间，提高了大蒜素的保留率，说明了提高干燥速率对保留大蒜素的重要性。

2.7 不同预处理对蒜片复水比的影响

由图6可以看出，预处理对干制蒜片的复水性影响显著（P＜0.05），预处理的复水比均高于对照，说明干燥时间越短，复水性越佳。超高压-超声预处理得到的干制蒜片复水比（2.90 g/g）最高，超声（2.59 g/g）次之，超高压（2.48 g/g）比对照（2.27 g/g）提高9.25%。超高压-超声的复水性优于其他3种处理方式的原因主要是：超高压使细胞间隙增加，后经超声挤压组织，出现尺寸更大的显微通道（图4d），并且干燥时间短对显微通道结构破坏小，提高了组织的吸收能力[6]，使复水比增大。

3 结 论

1）预处理对蒜片的热风干燥过程影响显著。对照组与经超高压、超声、超高压-超声的样品达到干燥终点（湿基含水率小于8%）的时间分别为480、300、270和180 min。超高压-超声联合预处理的干燥速率最高，单位能耗最小，为3.31 kW·h/kg。

2）低场核磁共振数据表明蒜片在预处理前后均存在结合水，不易流动水和自由水，干燥过程中损失的主要是自由水与不易流动水。自由水呈整体下降的趋势，超高压-超声的自由水脱除时间最短，为90 min。不易流动水与结合水均呈现先上升后下降的趋势，随着干燥过程的进行，部分不易流动水会与蒜片中的大分子物质结合，转化为结合水。

3）干制蒜片的显微结构显示超高压破坏了细胞壁，导致细胞间隙增加；超声使蒜片出现显微通道；超高压-超声联合预处理扩大了显微通道的孔径，提高蒜片中水分的流动性。

4）超高压-超声联合预处理干制蒜片的品质较优，色差值ΔE为16.11，大蒜素含量为2.67 mg/g，复水比为

2.90 g/g。

因此，超高压和超声联合的预处理可以作为有效改善蒜片的热风干燥过程及品质的处理方式，该方法为其他果蔬的节能干制工艺提供了参考。