李素云，常志娟，張華，張婧明，吳丹，段續(xù)

1. 鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院（鄭州 450002）；2. 河南科技大學食品與生物工程學院（洛陽 471000）

土豆（Solanum tuberosumL.）屬于茄科，產(chǎn)量僅次于小麥、稻米和玉米，在糧食作物中位居第四[1]。土豆含有豐富的營養(yǎng)物質，所以土豆及其相關產(chǎn)品備受青睞。其干制品通常采用真空干燥方式，具有干燥耗時長、熱效率低等缺陷[2]。因此，借助超聲作用降低土豆內(nèi)部傳質阻力、提高水分擴散、縮短干燥時間、保護產(chǎn)品品質。

超聲波干燥在國內(nèi)外是一種最新推出的干燥方式，被干燥物料受到超聲波處理時，空化作用和機械作用使干燥物料受到反復的拉伸和壓縮，進而產(chǎn)生海綿結構，水分容易被轉移出[3]。此外，超聲波干燥還可使物料的形態(tài)發(fā)生改變，形成微小通道，從而使對流傳質速率加快[4]，結合真空技術，既可減少物料營養(yǎng)氧化或降解的幾率，又加快物料中水分的逸出。林平等[5]通過使用超聲波對胡蘿卜片進行預處理，對處理過的胡蘿卜樣本進行真空冷凍干燥。結果表明，在干燥之前對物料進行超聲波預處理能有效地使干燥時間減少，并且得到的樣本品質較好。

因此，以土豆為原料進行直觸式超聲-真空聯(lián)合干燥土豆片研究，探究超聲功率和溫度對土豆片干燥過程中干基含水率、VC含量、微觀結構和復水性的影響，以期為土豆儲藏和精深加工提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

土豆（荷蘭土豆，購買于丹尼斯超市）。

樣品在處理：去皮并用模具壓制成直徑3 cm、厚4 mm的圓形切片。

KQ-700DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州國瑞儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 用超聲-真空干燥土豆片

將土豆切成片狀重80 g，放入具塞抽濾瓶中，塞緊橡膠塞后放進超聲波容器（40 kHz；700 W）中，并將具塞抽濾瓶連接到真空泵抽真空。改變超聲波聲能密度（0，3.5，5.3和7.0 W/g）、超聲溫度（65 ℃和75 ℃），直至干制土豆片的質量不再發(fā)生變化。研究超聲-真空干燥對土豆片的干燥特性和品質的影響。在該項研究的干燥過程中，之所以選擇65 ℃和75 ℃，是因為這2個溫度在傳統(tǒng)的熱風干燥中經(jīng)常被使用。

1.2.2 干燥動力學的數(shù)學模型

1.2.2.1 干基含水率的測定

在熱風干燥過程中，樣本中的水分比例（MR）依據(jù)式（1）計算。

式中：wt為在t時刻含水量；we為平衡含水量；w0為土豆樣本的初始含水量。

w0與we、wt相比，可以忽略不計[6]，所以式（1）可以簡化為

1.2.2.2 有效水分擴散系數(shù)的測定

根據(jù)Fick第二擴散定律可知：

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)，m2/s；L為土豆片厚度的1/2，m；t為干燥時間，s。

式（3）兩邊取對數(shù)后，根據(jù)ln MR和t的對應關系作圖，得到斜率k后便能計算出擴散系數(shù)Deff。

此外，依據(jù)已有研究的干燥模型（表1），得到超聲-真空干燥土豆片的干燥動力學方程。

表1 當前研究中常用的干燥數(shù)學模型[7]

1.2.3 品質特性

1.2.3.1 感官評價

感官性質評定主要是根據(jù)干制品的色澤、風味及所保持的與原有形態(tài)的比較等因素，對干制品的品質進行綜合評定，探究不同超聲波能對干制土豆片品質的影響。

1.2.3.2 抗壞血酸含量測定

維生素C含量的測定參照GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》[8]。

1.2.3.3 干制土豆樣本的復水性

干制品的復水性可以用復水率來衡量，復水率可根據(jù)式（5）計算[9]。

式中：Rf為復水率；Gf為樣本復水后瀝干質量，g；Gg為干制樣本質量，g。

1.2.3.4 干制土豆樣本的掃描電子顯微鏡（SEM）

將不同干燥條件下的樣本涂于鋁箔片，然后將它們一同放進離子濺射儀的樣品艙里，在20 kV的加速電壓下對干制土豆樣本進行噴金。隨后取出噴金樣本，并將噴金后的樣本放在SEM下進行觀察。

2 結果與分析

2.1 超聲-真空脫水土豆片的干燥動力學

2.1.1 不同干燥條件下土豆片的干燥曲線

在65 ℃和75 ℃條件下，研究不同超聲能（0，3.5，5.3和7.0 W/g）對土豆片干燥特性的影響，結果如圖1所示。

圖1 不同干燥條件下的土豆片的干燥曲線

從圖1（a）可以看出，溫度65 ℃時，無超聲作用時干燥時間約250 min，平均干燥速率為5.6×10-3g/（g·min）；加入超聲能密度分別為3.5，5.3和7.0 W/g時，干燥時間分別約為210，210和170 min，平均干燥速率約5.7×10-3，6.1×10-3和6.8×10-3g/（g·min），與無超聲作用相比，干燥時間分別縮短21.4%，21.4%和28.6%，平均干燥速率分別提高1.8%，8.9%和21.4%。從圖1（b）可以看出，溫度75 ℃時，無超聲作用時干燥時間約220 min，平均干燥速率為7.2×10-3g/（g·min）；加入超聲能后，干燥時間分別約為170，130和110 min，平均干燥速率約8.2×10-3，8.4×10-3和9.3×10-3g/（g·min），與無超聲作用相比，干燥時間分別縮短27.3%，36.4%和40.9%，平均干燥速率分別提高13.9%，16.7%和29.2%。

試驗結果表明，在超聲聲能密度相同的情況下，干燥體系溫度由65 ℃升至75 ℃，干燥時間縮短并且干燥速率提高。這是由于隨著溫度升高，物料內(nèi)部自由水分傳遞能力增強，有利于干燥過程進行。另外在同等干燥溫度下，隨著超聲能密度增大，到達物料內(nèi)部的能量增多，超聲所產(chǎn)生的機械效應形成更大破壞力，產(chǎn)生更多微細孔道，綜合作用下增強水分擴散速率。

2.1.2 不同超聲輔助干燥下土豆片的動力學方程

將圖1的數(shù)據(jù)采用表1的干燥動力學方程擬合，得出Wang and Singh模型（MR=1+a×t+b×t2）模擬得較為準確（R2＞0.99），說明模型對試驗數(shù)據(jù)的擬合效果較好，可描述水分比例（MR）和干燥時間（t）之間的關系（表2）。

表2 不同干燥方式條件下土豆片的干燥時間及有效擴散系數(shù)

2.2 品質評估

2.2.1 不同干燥條件下干制土豆片的感官評價結果

由表3可知，選擇干燥溫度75 ℃相對來說干燥速率較快，因此，試驗在固定溫度75 ℃下研究不同超聲波功率對土豆片干燥品質的影響，評價結果如表3所示。

表3 不同干燥條件的干制土豆片的品質比較

從圖2可以看出，在相同干燥溫度條件下，超聲波能7.0 W/g時土豆片的品質最差，主要是由于較大的功率把土豆內(nèi)部的組織結構破壞；其次是在真空條件下的土豆片，由于真空干燥的時間較長，長時間的暴露于高溫條件下的干燥導致土豆片顏色變暗；超聲波能3.4 W/g時的土豆片有部分褐變，品質最好的是超聲波能5.3 W/g時的土豆片色澤金黃。

圖2 75 ℃條件下不同超聲波功率條件下的干制土豆片

2.2.2 VC的保留

不同干燥方法干燥的土豆片中抗壞血酸的保留率如圖3所示。干制土豆片中的抗壞血酸，65 ℃和75 ℃條件下，采用真空干燥技術時的保留率分別為48.93%和58.24%；采用超聲波功率3.5 W/g的超聲波-真空干燥技術時的保留率分別為64.43%和77.13%；采用超聲波功率5.3 W/g的超聲-真空干燥技術時的保留率分別為65.93%和79.86%。這是由于超聲波-真空干燥技術相對干燥時間短，使得VC氧化減少，因此對氧化和熱比較敏感的物質適合使用超聲波-真空干燥技術。

圖3 用不同干燥方法干燥的土豆片產(chǎn)品的抗壞血酸的保留率

2.2.3 干制土豆樣本的微觀結構

圖4為不同功率條件下的超聲波-真空干燥的土豆樣本的微觀結構。與對照組相比（圖4（a）），超聲波-真空干燥樣本（圖4（b）和4（c））的淀粉顆粒的破壞程度更大，這是因為在真空干燥條件下，樣品的干燥速率較慢且時間較長。圖4（b）與4（c）相比，3.5 W/g條件下干燥樣本的淀粉顆粒比5.3 W/g條件下干燥樣本的破壞程度大，充分說明超聲能越大，干燥速率越快，干燥時間越短，與前文研究的水分和時間的關系一致。但是如果超聲能過大，會導致淀粉顆粒破碎（圖4（d））。

圖4 75 ℃條件下不同超聲波功率條件下土豆片樣本的掃描電子顯微圖

2.2.4 干制土豆片的復水性

干制品經(jīng)過復水后各個方面恢復到原狀的程度大小對衡量干制品的品質起著重要作用。復水試驗選擇水溫25 ℃和100 ℃進行復水（圖5）。由圖5可知，100 ℃的高溫的復水效果比25 ℃的復水效果要好。相同溫度下，對照組和超聲能7.0 W/g的干燥樣品復水效果較差。推測可能是長時間干燥或者高超聲能下，物料內(nèi)部的細胞組織發(fā)生破壞導致毛細管發(fā)生堵塞。較低超聲能條件下進行干燥，土豆片的內(nèi)部組織保持原狀的程度較好，并且該條件下土豆片的體積膨脹，能夠加快吸水速率。

圖5 干制土豆片在25 ℃和100 ℃條件下的復水曲線

3 結論

結果表明，超波-真空干燥技術使土豆片的干燥速率顯著加快，提高有效水分擴散系數(shù)，明顯縮短土豆片的干燥時間。其中，在溫度75 ℃、功率5.3 W/g條件下的超波-真空干燥方式干燥土豆片的時間最短，為110 min，此時的干燥土豆片的感官品質最佳，色澤鮮艷，基本保持原形；VC保留率最高、SEM結果表明此工藝下淀粉顆粒保留得最為完整且復水性好。