超声辅助渗糖技术制备低糖金丝蜜枣及其营养品质评价

田文妮，肖更生,3，温 靖*，余元善，彭 健，张 利

（1.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所/农业农村部功能食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广东广州 510610；2.新疆西圣果业有限责任公司，新疆喀什 844100；3.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州 510610）

红枣富含多酚、维生素C、多肽和微量元素等成分，营养和保健功能显著[1]。蜜枣是红枣的主要深加工产品之一，属于蜜饯类，蜜枣加工能消耗掉集中成熟期的大量红枣，缓解供需矛盾。随着“大健康”战略的推进，消费者更加关注蜜饯的营养和保健功效[2]。研究表明，高糖分饮食易引起糖尿病等代谢综合症，因此，现代蜜饯研发既要注重风味和质构，又要注重营养功效，加工具有一定保健功能的低糖功能型蜜饯，已成为健康生活的发展要求[1-2]。金丝蜜枣加工过程中渗糖处理是一个重要的环节，渗糖不足会影响后期蜜枣的干燥效果和贮藏稳定性；而过度渗糖则会导致金丝蜜枣糖分太高。目前渗糖工艺常采用的技术为热渗糖、真空渗糖和微波渗糖工艺，但存在营养及风味损失大、渗糖能耗大、生产效率低等问题[2]。超声辅助渗糖技术在产品营养风味维持和降能减耗方面具有显著优势，为提高低糖蜜饯品质提供了新方法[3]。

超声辅助渗糖工艺作为果蔬加工的新技术受到广泛关注，可以有效降低加工能源成本，保护果蔬的自然特性，保持干果果蔬的感官和营养质量[3]。超声处理的干燥动力是机械效应，其脱水驱动力为糖液与果实组织之间的渗透压差，不仅可显著缩短渗透时间，提高渗糖效率，而且可以提高物料的干燥速率、缩短干燥时间，减少能量消耗[4]。Chandra 等[5]研究发现超声处理不仅能提高木瓜干切片的糖液渗透速率，而且可保留更多的植物化学物质和抗氧化剂；Fernandes 等[6]研究表明超声波处理不仅提高了表观水扩散率，节省了能源成本，而且不会破坏芒果组织的结构和细胞外形。Sakooei-Vayghan 等[7]研究表明超声辅助渗透工艺改善了杏干的物理性质和质构性质，显著提高了干杏的表观密度、容重、复水化能力，降低了其收缩率、水活度和微生物负荷（P＜0.05）。刘静娜等[8]研究发现超声波渗糖改善了柚皮果脯的质构特性。周彤等[9]研究发现超声波可降低杏梅的含糖量，提高咀嚼性等质构特性。周筱萱等[10]采用超声波渗糖技术制备得到的红枣蜜饯晶莹剔透，质地柔软饱满。赵梅[11]研究发现，超声波渗糖预处理可以缩短圣女果果脯的煮制时间，提高渗糖速率。

目前国内外关于超声辅助渗透脱水在果蔬中的应用研究较少，在改善金丝蜜枣产品风味和质构的前提下降低其含糖量和水分含量、提高其营养功效是当前亟需解决的问题。本研究将超声辅助渗糖技术应用于低糖金丝蜜枣的开发，为低糖功能性金丝蜜枣的产业化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

红枣，品种为‘新疆和田枣’，大小和成熟度一致（颜色偏白色），购于新疆西圣果业有限责任公司。

苯酚、硫酸，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；标准品抗坏血酸（CSA:50-81-7），纯度≥98.0%，上海楚定分析仪器有限公司；白砂糖，食品级，广州市左克生物科技发展有限公司；纯净水，农夫山泉股份有限公司。

1.2 仪器与设备

阿贝折光仪，Abbe60，英国Stanley 公司；紫外可见分光光度计，UV-1800，日本岛津公司；电热恒温水浴锅，HWS-24，上海一恒科学仪器有限公司；超声波机，B-4200DT，宁波科学茨生物技术有限公司；TA-XT plus质构仪，英国Stable Micro Systems 公司；磁力搅拌器，B4-1A，上海司乐仪器有限公司；热泵干燥机，WRH-100TB1S，广东威而信实业有限公司；高效液相色谱仪，shebi Essentia LC-15C，日本岛津。

1.3 方法

1.3.1 金丝蜜枣的制备

（1）工艺流程

原料选择→清洗→划线→超声预处理→加热渗糖→干燥→金丝蜜枣

（2）操作要点

挑选大小和成熟度相似的‘新疆和田枣’，用纯净水清洗表面，然后用小刀在鲜枣表面均匀划线，放入装有糖溶液的玻璃烧杯中。糖溶液（50°Brix）由蔗糖与蒸馏水混合得到，糖溶液与鲜枣的比例为4∶1（g/g）。接着将玻璃烧杯浸入超声波机中进行超声预处理。超声预处理后，将烧杯置于磁力搅拌器上加热渗糖。完成渗糖后，从糖溶液中取出红枣样品，用吸水纸去除多余的溶液，置于热泵干燥机中60 ℃干燥24 h，得到金丝蜜枣，干燥期间每6 h 进行翻盘，使其干燥均匀，同时对金丝蜜枣进行整形。以未经超声处理的红枣作为对照组。

1.3.2 单因素实验

取60 g 红枣6 份，按照1.3.1 的工艺进行超声预处理和加热渗糖。超声温度45℃，超声时间25 min，渗糖转速100 r/min，渗糖温度90 ℃，渗糖时间15 min，超声功率分别为0、80、160、240、320 W 条件下处理，结束后将新疆红枣样品干燥获得金丝蜜枣，分别测定水分含量和含糖量。将超声时间分别设置为5、15、25、35、45 min，确定最佳超声时间。将渗糖温度分别设置为75、80、85、90、95 ℃，确定最佳渗糖温度。将渗糖转速分别设置为0、50、100、150、200 r/min，确定最佳渗糖转速。将渗糖时间分别设置为5、10、15、20、25 min，确定最佳渗糖时间。

1.3.3 Box-Behnke 设计响应面法优化试验

以单因素实验结果为基础，确定对金丝蜜枣的水分含量和含糖量最具影响的3 个因素为超声时间（A）、超声功率（B）、渗糖温度（C），以金丝蜜枣水分含量（Y1）和含糖量（Y2）作为响应值，采用Design-Expert 10.0.1 软件，应用Box-Behnken 方法设计实验组合，优化和验证金丝蜜枣制备条件，因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken 因素水平设计表Table 1 Factors and levels table of Box-Behnken

1.4 测定指标与方法

1.4.1 理化指标测定

通过计算水分含量，评价渗透脱水过程中枣果与渗透液之间的传质。采用GB 5009.3—2016 恒重法[12]测定水分含量。参考Zhu 等[13]苯酚-硫酸法测定总糖和果胶含量。采用比色法测定单宁含量。采用高效液相色谱法测定抗坏血酸。每个样品重复3 次。

1.4.2 质构分析

金丝蜜枣质构特性的测定参考林羡等[14]的方法，采用质构仪进行测定。选用平底柱状探头P/50，TPA 模式，设置测前速率1.00 mm/s、测试中速率1.00 mm/s、测后速率1.00 mm/s，两次压缩之间停留时间5.00 s，触发力5.00 g，每组测试重复10 次。

1.5 数据分析

每个处理设置3 个平行，结果以“平均数±方差”的形式表示。用Excel 2013、Design-Expert 10.0.1 进行分析和绘图，采用SPSS 19.0 软件进行单因素显著性分析，采用Duncan 法检验数据的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声功率对金丝蜜枣的影响

由图1 可知，超声功率对渗糖效果具有显著的影响，其他条件保持一致的情况下，随着超声功率的增大，渗糖后金丝蜜枣的含糖量和水分含量均呈现先降低后升高的趋势，当超声功率为160 W 时，金丝蜜枣的水分含量和含糖量最小。随着超声功率的提高，含糖量呈现下降的趋势，这是因为超声空化引起的微观通道促进了糖的扩散，在适当的超声功率条件下（160 W），超声频率可以与空化的固有共振频率相同，从而实现最有效的能量耦合，使得糖液均匀地渗入细胞，减少了细胞中糖分的不均匀分布，从而降低了糖分在枣果组织细胞中的局部积累，降低了蜜枣的含糖量[15]。然而，当超声功率过大，超声波对金丝蜜枣组织细胞产生破坏作用，糖液不均匀地渗透入蜜枣中，导致糖液在蜜枣中堆集[16]，因此，超声功率继续增大时，含糖量和水分含量上升。为获得贮藏稳定的低糖蜜枣，综合考虑，选择最佳超声功率为160 W。

图1 超声功率对金丝蜜枣的含糖量和水分含量的影响Fig.1 Effects of ultrasonic power on sugar content and water content of candied jujube

2.1.2 超声时间对金丝蜜枣的影响

由图2 可知，超声时间显著影响金丝蜜枣的渗糖效果。随着超声时间的不延长，金丝蜜枣的含糖量和水分含量呈现先降低后升高的趋势，当超声时间为25 min时，金丝蜜枣的含糖量和水分含量最小。超声波空化作用引起的微观通道促进了糖分向蜜枣组织均匀渗透，但长时间的超声处理会破坏金丝蜜枣的组织结构，影响蜜枣的咀嚼性[17]，因此25 min 为最佳超声时间。

图2 超声时间对金丝蜜枣的含糖量和水分含量的影响Fig.2 Effects of ultrasonic time on sugar content and water content of candied jujube

2.1.3 渗糖温度对金丝蜜枣的影响

如图3 所示，随着渗糖温度的升高，金丝蜜枣的水分含量和含糖量总体下降后趋于平稳。这是由于温度升高，加快了水分子的运动速率，水分向外扩散速率大于糖液向内渗透速率，从而促进水分向外扩散[17-18]。因此，在渗糖温度从75 ℃升高到85 ℃的过程中，金丝蜜枣的水分含量和含糖量均显著下降[19]；而温度超过85 ℃后金丝蜜枣在整个渗透体系中处于平衡状态，蜜枣的含糖量未发生显著变化。综合考虑，选择最佳渗糖温度为85 ℃。

图3 渗糖温度对金丝蜜枣含糖量和水分含量的影响Fig.3 Effects of sugar permeability temperature on sugar content and water content of candied jujube

2.1.4 渗糖转速对金丝蜜枣的影响

如图4 所示，随着渗糖转速的增加，金丝蜜枣的水分含量先下降后趋于不变，含糖量总体呈先减少再升高的趋势，当渗糖转速为100 r/min 时，金丝蜜枣的含糖量最低（28.30%）。以上结果表明，当渗糖转速为0 r/min 时，糖分无法均匀渗透进入枣体，不利于蜜枣组织细胞脱水，糖液易凝聚在金丝蜜枣表面，导致金丝蜜枣含糖量和水分含量高（44.03%和43.15%）；渗糖转速过快（＞100 r/min）则导致糖液与枣果接触和渗透的时间短，未能充分渗透进蜜枣内部而凝集在蜜枣表面，同时渗透过程易发生糖液喷溅现象[20]。因此，通过以合适的转速搅拌，利用糖分的渗透压使糖液均匀地渗透进枣果的果肉组织细胞，可减少糖液用量，降低能耗，并提高金丝蜜枣的结构致密度，增强其耐煮性[21]。综合考虑，选择最佳渗糖转速为100 r/min。

图4 渗糖转速对金丝蜜枣的含糖量和水分含量的影响Fig.4 Effects of sugar permeability speed on sugar content and water content of candied jujube

2.1.5 渗糖时间对金丝蜜枣的影响

如图5 所示，随着渗糖时间的增加，金丝蜜枣的水分含量先下降后增加，当渗糖时间为15 min 时，金丝蜜枣的水分含量最低。金丝蜜枣的含糖量随渗糖时间的增加呈递增趋势，这是由于超声空化作用增大了蜜枣的传质相际接触面，增大了渗糖速率。当渗糖时间为20 min 时，金丝蜜枣的含糖量达到最大值（36.90%），这是由于渗糖初期枣果中组织细胞渗透液质量浓度显著小于糖液的质量浓度，糖分的质量转移系数大，转移速率大[22-23]。而随着时间的延长，糖液和红枣组织间渗透液的质量浓度差缩小，糖的传质功率减弱，从而使糖的渗透速率降低[24-25]。综合考虑，选择最佳渗糖时间为15 min。

图5 渗糖时间对金丝蜜枣含糖量和水分含量的影响Fig.5 Effects of sugar permeability time on sugar content and water content of candied jujube

2.2 响应面优化实验结果

2.2.1 响应面实验结果及模型建立与检验

根据响应面设计的方案进行实验，结果见表2。

表2 Box-Behnken 响应面设计及响应值Table 2 Box-Behnken response surface design and response value

多元回归分析拟合实验结果，得到以水分含量（Y1）和含糖量（Y2）为目标函数的二次回归模型分别为：

由表3 的方差分析可知，水分含量（Y1）和含糖量（Y2）的回归方程模型都显著（P＜0.05），方程的失拟项不显 著（P＞0.05），且表明该回归模型与实际值拟合性好，可用此模型对超声辅助渗糖金丝蜜枣水分含量和含糖量进行分析和预测。由表3 可知，各因素中对水分含量影响显著项是A、BC，对含糖量影响显著项是A、BC、AC。各因素对金丝蜜枣水分含量和含糖量影响最大的为超声时间，其次为渗糖温度，影响最小的是超声功率。

2.2.2 交互作用分析

（1）各因素对水分含量影响的交互作用

结合表3 和图6 可知，随着超声时间的增大，水分含量先降低而后趋于不变；随着渗糖温度的升高，水分含量逐渐增大而后趋于不变；当渗糖温度在90～92 ℃时，随着超声功率的增大，金丝蜜枣的水分含量在超声功率120～200 W 时呈先升后降趋势，这与单因素结果（先降后升）不一致（图1），这可能是由于渗糖温度和超声功率具有显著交互作用，且超声功率为主效应因素，在单因素实验中渗糖温度为90 ℃时，金丝蜜枣的水分子处于平衡状态，此时超声功率对水分含量的影响效应不同。综上，在实验水平范围内，选择合适超声功率和渗糖温度可降低金丝蜜枣的水分含量。这与Bozkir[15]等的实验结果一致，可见，超声辅助渗透工艺显著提高了物料水分的有效扩散率[26]。在高温下，较高的有效扩散率是由于温度对水和溶质分子的触发影响，加速了从物料核心到基质表面的传质过程[27]。

图6 各因素交互作用对金丝蜜枣水分含量的影响Fig.6 Effects of interaction of various factors on water content of candied jujube

表3 回归模型方差分析表Table 3 Analysis of variance for each term of the fitted regression model

（2）各因素对含糖量影响的交互作用

结合表3 和图7（见下页）可知，随着超声时间从20 min 增大到30 min，金丝蜜枣的含糖量呈现下降趋势；随着渗糖温度的升高，含糖量逐渐增大，特别当渗糖温度低于90 ℃时，改变规律越明显，因为当温度大于90 ℃，整个金丝蜜枣内部的糖分子处在动态平衡中，超声功率和超声时间的影响效应减弱。其中BC 交互作用为极显著，AB 显著，AC 为不显著。综上可知，在实验水平范围内，选择适当超声功率和渗糖温度可降低金丝蜜枣的含糖量。这与Sharma 等[4]的研究结果相吻合，超声波在液体中产生一系列的声波现象，固液界面处产生的声波可使扩散边界层变薄，加快糖液渗透。此外，超声所产生的空化作用有助于更有效地去除红枣组织中的结合水[28]。

图7 各因素交互作用对金丝蜜枣含糖量的影响Fig.7 Effects of interaction of various factors on sugar content of candied jujube

2.2.3 超声辅助渗糖条件的优化

以水分含量最低和含糖量最低为权衡指标，根据Design-Expert 10.0.1 软件分析出金丝蜜枣最佳超声辅助渗糖条件：超声时间27.99 min、超声功率198.92 W、渗糖温度94.30 ℃，在此条件下，得到的金丝蜜枣水分含量为14.31%，含糖量为22.91%。考虑到实际操作的可行性，将超声辅助渗糖条件修正为超声时间28 min、超声功率200 W、渗糖温度94 ℃，进行验证实验，渗糖后金丝蜜枣的水分含量平均值为15.03%，含糖量为23.01%，与模型理论预测值吻合，说明模型可靠。孙海涛等[28]采用超声渗糖制备的野生软枣猕猴桃果脯在超声渗糖时间5.10 h、超声功率140 W、渗糖液糖度54.00 °Brix 的条件下渗糖制得果脯湿基含糖量为32.27%。相比之下，本研究的超声渗糖工艺超声时间更短，制备的果脯含糖量更低。

2.2.4 超声辅助渗糖与未超声组对比

如表4 所示，未超声辅助渗糖制备的金丝蜜枣水分含量平均为26.63%，含糖量为43.32%，相比之下，超声辅助渗糖工艺使金丝蜜枣的水分含量和含糖量分别降低11.60%和20.31%，这是因为超声波渗糖方式能显著降低渗糖对水果组织细胞结构的破坏作用，有利于促进果脯渗糖的均匀性和扩散速率[29]。

表4 超声和未超声辅助渗糖金丝蜜枣TPA 测试结果对比Table 4 Comparison of TPA test results between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

2.3 超声和未超声辅助渗糖金丝蜜枣TPA 测试结果对比

如表5 所示，相比未超声组，超声辅助渗糖金丝蜜枣的硬度、弹性和咀嚼性分别提高了7.93%、16.42%和21.45%，且更加晶莹剔透。这与孙丽婷等[30]的研究结果吻合，超声波渗糖技术提高了红宝石李果脯的硬度和韧性。

表5 超声和未超声辅助渗糖金丝蜜枣TPA 测试结果对比Table 5 Comparison of TPA test results between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

2.4 超声和未超声辅助渗糖金丝蜜枣测试结果对比

由表6 可知，未超声渗糖金丝蜜枣和超声渗糖金丝蜜枣的单宁含量为分别为（8.73±0.04）mg/g 和（7.05±0.01）mg/g。相比未超声组，超声辅助渗糖蜜枣的单宁含量下降了19.24%，表明超声辅助渗糖技术显著降低了金丝蜜枣中的单宁含量（P＜0.05），减少了金丝蜜枣中的苦涩味。相比未超声辅助渗糖蜜枣，超声辅助渗糖蜜枣的抗坏血酸含量、果胶含量和多酚含量分别提高了24.40%、12.15%和21.36%，表明超声辅助渗糖更好地保留了金丝蜜枣中的抗坏血酸等抗氧化活性成分，有助于提高金丝蜜枣的抗氧化活性。超声辅助渗糖技术显著提高了金丝蜜枣中水溶性果胶的含量（P＜0.05），可能是因为超声空化作用促使金丝蜜枣胞间或细胞壁中的果胶溶出，导致超声渗糖组的果胶含量升高[15]。研究表明，超声辅助工艺可增加红枣副产品中的多酚保留率，并对DPPH 和FRAP 等自由基具有更强的清除能力[31]。因此，超声波法辅助工艺是一种绿色、安全、高效的技术，可用于蜜饯加工等。

表6 超声和未超声辅助渗糖金丝蜜枣营养成分对比Table 6 Comparison of nutrient contents between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

3 结论

本文研究了超声辅助渗糖工艺对金丝蜜枣含糖量、水分含量及质构特性的影响。结果表明，超声辅助渗糖最优工艺为超声时间28.00 min、超声功率200.00 W、渗糖温度94.00 ℃。相比未超声组，超声辅助渗糖工艺不仅降低了金丝蜜枣的水分含量和含糖量，而且提高了低糖金丝蜜枣的营养成分和质构特性，提高了抗坏血酸等抗氧化活性成分，增强了咀嚼性、弹性和韧性。同时，超声波的超空化作用提高了金丝蜜枣的渗糖效率和干燥效率，节约了能源。因此，超声辅助渗糖技术适用于制备低糖金丝蜜枣，具有效率高、成本低、工艺简单的特点，是一种绿色可持续发展的制备工艺，并有望应用于其它果脯的制备，以期制备出符合人们对“营养、健康、安全、方便”的食品消费需求的低糖金丝蜜枣。