超声辅助渗透处理对真空冷冻干燥桑葚品质的影响*

黄子建

（福建省农产品加工推广总站，福建 福州 350001）

桑葚（Mulberry Fruit）又名桑果等，属桑科（Moraceae）植物，为多年生木本植物桑的成熟果穗。桑葚含有丰富的活性蛋白、花青素、多种维生素及矿物质等[1]，具有极高的营养价值和多种保健功能，被医学界誉为“二十一世纪的最佳保健果品”[2]。已被卫生部列为食药两用的农产品之一[3]。桑葚一般春末夏初成熟，成熟快且采收时间短，极易腐烂、不易保存，由于其营养丰富受到人们的喜爱，除少量鲜食外，已有部分加工成果汁、果酒、果酱、果脯、桑葚膏、桑果糖浆等来提高桑椹的利用率和附加值[1]。

目前对桑葚深加工的研究逐渐增多。黄小丹等[4]探讨不同的干燥方式对桑椹干物质量和活性成分的含量影响，以真空冷冻干燥所得的桑椹干果中的花色苷、总黄酮、还原糖、总糖等活性成分的保持率最高，损失最低，果形保持最好；而热风干燥和远红外干燥的损失率则较高，对桑椹干果的综合品质影响比较大。李娇娇等[5]研究真空冷冻干燥桑葚果工艺参数优化，分析不同真空度、干燥时间和处理量3个因素对真空冷冻干燥桑葚果品质的影响，产品在色香味与营养成分等方面都保持较好。李丰廷等[6]探讨真空冷冻与热风联合干燥对桑葚干品质的影响，结果表明，真空冷冻干燥的桑葚干品质最好，而较短时长(18～24 h)的真空冷冻干燥联合较高温度(85 ℃)的热风干燥能提高干燥效率，其总花色苷、绿原酸、芦丁的含量也高于热风干燥。

为进一步提高真空冷冻干燥效率，降低干燥成本，在保证产品品质的同时需对干燥前物料进行预脱水处理。其中，超声辅助渗透脱水是指在一定的温度下，将物料放入高渗透压的溶液中，由于细胞膜半透性，使物料去除一部分水，同时超声辅助技术产生的一系列挤压和膨胀的“海绵效应”能提高渗透脱水过程中物质的交换效率[8-9]。近年来，有研究表明超声技术在果蔬渗透脱水方面有重要作用。马空军等[8]研究发现，传质界面边界层在超声作用下会减薄，渗糖速率得到提高。曾祥媛等[10-17]研究发现，果蔬在超声波处理下能形成微小通道，促进糖液渗透，真空渗糖可有效减少产品营养损失，较好保持其品质，同时加快物质传递速率，从而有效地减少食品水分含量，降低干燥成本和能耗。但是，目前未见采用超声波辅助预处理技术进行桑葚真空冷冻干燥的相关报道。

本研究在桑葚真空冷冻干燥工艺中，采用超声波辅助渗透预脱水处理，研究其对桑葚真空冷冻干燥品质的影响，通过正交实验优化预处理工艺条件，旨在开发研究桑葚干制产品，以获得具有较高品质的桑葚干品，并为桑葚干燥加工和超声波技术在果蔬中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料

供试桑葚：品种“嘉陵30号”，颜色大小均一，充分成熟，新鲜桑葚的初始含水率为(86±1.5)%。

1.2 主要设备及仪器

KQ-200VDE 型三频恒温数控超声波清洗器（昆山市超声波仪器有限公司）；LG-1.0冷冻干燥机（沈阳航天新阳速冻装备有限公司）；AL204型精密分析天平（梅特勒-托利多（上海）；UV2550型紫外可见分光光度计（日本岛津），SFY-6卤素快速水分测定仪（深圳冠亚科技有限公司）；TA-XTPlus质构仪（英国SMS）。

1.3 试验条件

1.3.1 干燥处理工艺

参考陈立夫[13]等方法，选用蔗糖作为渗透剂进行超声辅助渗透预脱水。新鲜桑葚清洗后浸于盛有某一浓度蔗糖溶液的烧杯中，将烧杯置于温控超声波清洗器（超声频率为45 kHz）中进行超声辅助渗透预脱水处理，处理结束后用吸水纸吸干桑葚物料表面液滴，之后快速冷冻使物料中心温度降至-18 ℃，参考李娇娇[5]等方法，最后将物料在真空度48 Pa、温度-70 ℃下冷冻干燥28～35 h，至其水分含量≤13%，样品铝箔充氮包装，干燥贮存备用。

1.3.2 桑葚超声辅助渗透预脱水工艺优化

1.3.2.1 单因素试验

⑴ 渗透剂浓度：渗透剂选用蔗糖，浓度分别为10%，20%，30%，40%，超声功率200 W、超声温度40 ℃和超声时间60 min，其中蔗糖浓度为0%作为空白对照。

⑵ 超声功率：超声功率80、120、160、200 W，蔗糖浓度20%、超声温度40 ℃和超声时间60 min。

⑶ 超声温度：超声温度25、40、50、60 ℃，蔗糖浓度20%、超声功率200 W和超声时间60 min。

⑷ 超声时间：超声时间30、60、90、120 min，蔗糖浓度20%、超声功率200 W和超声温度40 ℃。

1.3.2.2 正交实验设计

根据单因素试验结果，以桑葚花青素含量、维生素C含量、感官评分为指标，进行四因素三水平正交实验优化，因素水平表见表1。

表1 桑葚L9(34)正交试验因素水平表

1.3.2.3 确定综合指标

参考陶菊春[18]的方法，将桑葚花青素含量、维生素C含量、感官评分指标的数值按照式⑴进行归一化处理，使得三个指标在同一水平范畴内波动，然后再根据生产实际和指标的影响性考虑，将指标的加权值分别设定为0.25、0.25、0.5，按照式⑵进行综合指标计算，最后以综合指标进行优化分析，求出最优的工艺条件。

归一化公式：指标值=(实际值-最小值)/(最大值-最小值)×100 式 ⑴

综合指标：Y=0.25×花青素含量+0.25×维生素C含量+0.5×感官评分 式 ⑵

1.3.3 测定项目及方法

⑴ 水分含量测定：称取3～5 g样品，置于卤素快速水分测定仪中测定其水分含量。

⑵ 花青素含量测定：参考张喜峰[19]、蔡荣荣[20]等方法，采用香草醛-浓盐酸法测定桑葚的花青素含量。于50 mL容量瓶中加入6 mL 3.0×10-3mol/L的KMnO4溶液，继而加入一定量的原花青素标准溶液或样品溶液，用1.2 mol/L H2SO4溶液稀释至刻度，室温下放置30 min后测定以蒸馏水为空白在310 nm与545 nm处分别测量其吸光度。

⑶ 维生素C含量测定：参考马宏飞等[21]方法，采用紫外分光光度法测定桑葚的维生素C含量。用移液管吸取一定量的维生素C标准溶液或样品溶液转移入到容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻线，摇匀，现配现用。以蒸馏水为空白，在最大吸收波长267 nm处测定其吸光度。

⑷ 感官评定：采用100分制，选择10名评价员组成的感官评定小组对桑椹干制品的感官质量进行评价[5]，并按表2标准进行评分，取其平均值作为评分结果，以得分高为质量优。

表2 桑葚感官质量的加权值

1.3.4 数据处理运用DPS9.5、Excel软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同预处理条件对桑葚原料脱水效果的影响

在相同冷冻干燥条件和时间下，不同超声波预处理对桑葚原料脱水效果如图1所示。从图1a中可知，桑葚原料脱水率随着超声波处理时间的增加而减少，这是由于随着处理时间的延长，桑葚会失水增加，相应的原料脱水率就降低。由图1c可知，桑葚原料脱水率随着渗透剂浓度的增加先增加后降低，在渗透剂浓度20%处达到最大值，这可能是渗透剂的浓度增加会使桑葚原料固形物含量提高，水分相对减少，当渗透剂浓度达到一定值时，糖液黏度相应变大，外部传质阻力增大，水分和蔗糖分子的均匀置换进程被阻碍，扩散速率随之降低[22-23]。

图1 不同超声波渗透预处理条件对桑葚脱水效果的影响

由图1b、图1c和图1d可见桑葚原料脱水率随着超声波处理温度和功率的增加而增加，当超声波功率超过120 W时脱水率增加较缓慢，脱水率差异不显著，这表明温度升高和功率的增加，桑葚细胞收缩，进而形成微孔通道，有利于水分从细胞壁扩散，加快桑葚失水。

2.2 不同预处理条件对桑葚花青素含量的影响

不同超声波预处理条件下对桑葚冷冻干燥的花青素含量（μg/g）的影响如图2所示。由图2a和图2c可知，随着超声波处理时间和渗透剂浓度的增加，桑葚细胞收缩形成微孔通道，加快水分从细胞壁扩散，从而缩短干燥时间，桑葚干花青素含量增加。随超声波处理时间的增加，青花素产生的速度逐渐加快，说明超声波的辅助应用有助于缩短冷冻干燥时间，从而使得花青素保存的更好。

图2 不同超声波预处理条件对桑葚花青素含量的影响

有研究表明，花色苷是一种水溶性的类黄酮类化合物，其化学性质不稳定，除了与物质本身结构的稳定性有关外，还容易受温度、气压等条件影响[4,23]，该结果和黄小丹[4]、陈娇娇[5]的试验结果一致。由图2b和图2d可知，花青素含量随着超声波温度和功率的增加先减少后增加，可能是花青素在处理过程中不稳定。

2.3 不同预处理条件对桑葚维生素C含量的影响

果蔬在干燥过程中维生素C的保留率（μg/g）是评价干燥手段的重要指标，不同渗透预处理条件下干燥桑葚的维生素C含量如图3所示。随着超声波处理温度、功率、时间和渗透剂浓度的增加，桑葚的维生素C含量逐渐减少，这一方面是因为维生素C是热敏感性物质，高温处理能破坏维生素C结构使其降解，其分解速度受温度和处理时间等影响[14-15]；另一方面可能是因为发生了酶促反应。该结果和林羡等[22,24-25]的试验结果一致，果实内的抗坏血酸氧化酶在原组织完整时其催化作用不是很明显，但当组织受到破坏又与空气接触时，就能加速抗坏血酸的氧化作用。因此，在相对较低的温度下进行适当时间、功率和渗透剂浓度进行干燥有利于维生素C的保存。

图3 不同超声波渗透预处理条件对桑葚维生素C含量的影响

2.4 正交实验结果分析

根据单因素试验结果，将桑葚的花青素含量、维生素C含量作为综合指标中营养成分的主要参照，同时，考虑到桑葚外观、色泽、风味等感官对实际生产的重要性，将感官评分纳入综合指标。采用L9(34)进行正交实验，以渗透剂浓度、超声功率、超声温度、超声时间作为考察因子，确定桑葚真空冷冻干燥超声波辅助预处理的最佳条件。实验每个处理平行3次取平均值，正交实验结果见表3，利用DPS软件对花青素含量、维生素C含量、感官评分等三个指标进行二次多项式逐步回归分析，分析结果见表4。先对花青素含量、维生素C含量、感官评分三个指标进行归一化处理后，通过加权处理（花青素含量、维生素C含量、感官评分的加权比重分别为0.25、0.25、0.5）得出综合指标，再用DPS软件对其进行二次多项式逐步回归分析，得出综合指标回归方程，分析结果见表5。

表3 L9(34)正交试验结果

表4 桑葚不同指标的回归方程及统计检验

表5 桑葚综合指标的回归方程及统计检验

通过二次多项式逐步回归分析，根据标准系数的绝对值与显著水平，由表4可知，花青素含量、维生素C含量、感官评分指标回归拟合度较好，各因素对花青素含量指标影响的主次顺序为超声功率x2(p=0.011)＞渗透剂浓度x1(p=0.030)＞超声时间x4(p=0.063)＞超声温度x3(p=0.132不显著)；对维生素C含量指标影响的主次顺序为渗透剂浓度x1(p=0.029)＞超声温度x3(p=0.081)＞超声时间x4(p=0.216不显著)＞超声功率x2(p=0.729不显著)；对感官评分指标影响的主次顺序为渗透剂浓度x1(p=0.017)＞超声功率x2(p=0.077)＞超声温度x3(p=0.399不显著)＞超声时间x4(p=0.668不显著)。

为寻求最佳的工艺参数，利用DPS软件分别对表4中的三个回归方程求极值，得出各指标的最优工艺条件：花青素含量达到最大值(413.35 μg/g)时的工艺条件为渗透剂浓度30%、超声功率200 W、温度60 ℃、时间120 min；维生素C含量达到最大值(48.71 μg/g)时的工艺条件为渗透剂浓度10%、超声功率144 W、温度40 ℃、时间60 min；感官评分达到最大值(84.62)时的工艺条件为渗透剂浓度14%、超声功率200 W、温度60 ℃、时间120 min。

由表5可知，回归方程的决定系数R2=0.9938较接近1，F值22.97＞F0.05(4,4)=6.39，p=0.0153＜0.05，综合指标回归呈显著，说明该模型拟合度较好。进行综合指标最优化分析，得出综合指标最大值为83.088，即渗透剂浓度x1、超声功率x2、超声温度x3、超声时间x4分别为1.389、2.753、1.872、1.062。根据实际生产需要，将各因素进行简化得到：渗透剂浓度x1=1.5、超声功率x2=2.75、超声温度x3=2、超声时间x4=1，即：渗透剂浓度15%、超声功率190 W、超声温度50 ℃、超声时间60 min时，所得的桑葚综合指标达到79.98，花青素含量282.95 μg/g、维生素C含量34.83 μg/g、感官评分84.28。

2.5 验证试验及结果

根据综合优化得到的参数条件，进行验证试验，结果取3次试验平均值。当渗透剂浓度15%、超声功率190 W、超声温度50 ℃、超声时间60 min时，得到桑葚花青素含量、维生素C含量、感官评分分别为283.49μg/g、34.97μg/g、84，与优化时的预测值较为接近，桑葚干品色泽呈紫黑色，硬度适中，口感酥脆，具有浓郁的果香味，说明将各个指标综合优化分析的可行性和可靠性。

2.6 不同预处理对桑葚真空冷冻干燥品质的影响

由表6可知，桑葚在同样的真空冷冻干燥（真空度48 Pa、冷阱温度-70 ℃）下，超声辅助渗透处理能将干燥时间缩短20.83%，提高干燥效率。同时，与直接真空冷冻干燥、蔗糖渗透处理真空冷冻干燥相比，感官评分比较接近，花青素、维生素C的保留情况较好。因此，超声波这一物理手段可以较好地提高桑葚真空冷冻干燥效率，较好地保持桑葚的综合品质，可将超声辅助预处理运用于桑葚干燥加工中，能为桑葚真空冷冻干燥加工和超声波技术在果蔬中的应用提供参考，也为超声辅助渗透前处理冷冻干燥进一步工业化应用以及深度开发提供了理论依据。

表6 不同预处理对桑葚真空冷冻干燥品质的影响

3 结论

不同超声波预处理直接影响真空冷冻干燥桑葚的脱水效果、花青素含量、维生素C含量，通过单因素试验及正交实验发现，花青素含量受超声功率、渗透剂浓度、超声时间显著性影响，维生素C含量受渗透剂浓度、超声温度显著性影响，感官评分受渗透剂浓度、超声功率显著性影响。通过正交实验，以桑葚花青素含量、维生素C含量、感官评分为指标进行加权处理得到综合指标，并进行回归优化分析求得最优工艺参数：渗透剂浓度15%，超声功率190 W，超声温度50 ℃，超声时间60 min，在此条件下得到的桑葚干品综合指标达79.98，花青素含量282.95μg/g、维生素C含量34.83μg/g、感官评分84.28，品质较好，色泽呈紫黑色，硬度适中，口感酥脆，具有浓郁的果香味。通过对比发现，最优水平的超声波预处理可使得真空冷冻干燥时间缩短20.83%，干燥效率明显提高，桑葚花青素和维生素C含量保持的较好，能为桑葚真空冷冻干燥加工和超声波技术在果蔬中的应用提供参考。