王 旭，李文峰，何澤威，王幀紅，田艮蘭，高曉旭，譚

（重慶市長(zhǎng)江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 408100）

榨菜是世界三大醬腌菜之一，與德國(guó)的酸甜甘藍(lán)和歐洲的酸黃瓜齊名。榨菜作為中國(guó)的一種傳統(tǒng)食物，已在重慶涪陵地區(qū)大規(guī)模生產(chǎn)超過100年。在傳統(tǒng)的加工工藝中，需采用自然風(fēng)干將莖瘤芥水分降低至85%（濕基，w.b.），而這一過程需要25 d[1]。即使采用優(yōu)化的鹽滲透脫水技術(shù)仍需超過20 d時(shí)間才能將莖瘤芥含水量降低至生產(chǎn)要求。此外，鹽脫水由于大量廢水的排放，鹽滲透脫水也會(huì)引起環(huán)境問題。因此，迫切需要一種莖瘤芥脫水的替代策略。

熱風(fēng)干燥（Hot-air drying，HAD） 是一種被廣泛應(yīng)用的農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥方法[2]。但熱風(fēng)干燥是一種高耗能單元操作。值得注意的是，一些預(yù)處理可以改變食物的初始含水量或改變食物的組織結(jié)構(gòu)，以縮短熱風(fēng)干燥時(shí)間[3-5]。超聲波（Ultrasound，US）預(yù)處理已應(yīng)用于幾種水果和蔬菜，提高了水分的有效擴(kuò)散效率，使干燥時(shí)間縮短了10%～50%[6]。水分有效擴(kuò)散系數(shù)增加的機(jī)理可能是超聲波預(yù)處理導(dǎo)致食物內(nèi)部微通道的形成[5-6]。此外，自由水的增加或許產(chǎn)生了一種假象：超聲波預(yù)處理提高熱風(fēng)干燥速率。

眾所周知，干燥過程的水分傳遞由內(nèi)部擴(kuò)散和表面汽化控制[5，7]。而通常起主導(dǎo)作用的是內(nèi)部擴(kuò)散控制[5]，同時(shí)也是許多食品干燥過程中的限速因素。雖然表面汽化控制對(duì)汽液界面的水傳遞影響較小，但超聲波預(yù)處理也可使其顯著增強(qiáng)[5]。因此，超聲預(yù)處理可以通過改善莖瘤芥干燥過程的內(nèi)部水分傳遞來強(qiáng)化脫水。試驗(yàn)首先探究了熱風(fēng)干燥對(duì)莖瘤芥脫水的影響，然后研究了超聲預(yù)處理對(duì)莖瘤芥熱風(fēng)脫水過程的影響及機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮莖瘤芥的膨大莖組織（Brassica juncea var.tumida Tsen et Lee），購(gòu)于涪陵馬鞍市場(chǎng)。采用105℃烘干至恒質(zhì)量法[8]測(cè)得莖瘤芥的平均初始含水量為95.3%±0.02%（w.b.）。干燥試驗(yàn)前，用清水清洗莖瘤芥，擦干表面多余水分后手工去皮并切成厚度為4 mm的薄片。

1.2 設(shè)備

101A-1型數(shù)顯電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；JA503型電子天平，常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司產(chǎn)品；JY92-Ⅱ型超聲波細(xì)胞破碎機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)品；DZ-260T型DZQ系列真空包裝機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 超聲預(yù)處理

在干燥處理之前，莖瘤芥分別在功率為0，200，400，600 W的超聲波條件下進(jìn)行30，60 min預(yù)處理（見表1）。在超聲波預(yù)處理過程中，將莖瘤芥樣品放入500 mL蒸餾水中。超聲波處理后，用吸水紙吸去表面多余水分，隨后放入干燥箱中進(jìn)行熱風(fēng)干燥[5]。

試驗(yàn)預(yù)處理見表1。

表1 試驗(yàn)預(yù)處理

1.3.2 熱風(fēng)干燥

將經(jīng)過超聲處理的和未超聲處理的莖瘤芥平鋪在干燥托架上，分別在50，60，70℃和風(fēng)速0.5 m/s條件下進(jìn)行熱風(fēng)干燥，直至含水率小于85%（w.b.）為止。在熱風(fēng)干燥過程中，用電子天平稱量樣品質(zhì)量變化，每次稱量過程少于15 s以減小誤差。水分含量（MC）采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：wt，ws——在任何時(shí)間稱量的干燥物質(zhì)量，g。

1.3.3 復(fù)水試驗(yàn)

為了解釋和比較超聲波預(yù)處理和隨后的熱風(fēng)干燥可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化[5]。干燥后的莖瘤芥在25℃的水浴中進(jìn)行復(fù)水。將脫水的莖瘤芥樣品（約3 g）置于80 mL蒸餾水中。一定時(shí)間后，將樣品從水中取出，用吸水紙吸去表面水分后稱量。在前30 min，每5 min稱量1次，然后在接下來的30 min，每10 min稱量1次。

1.3.4 脫水和復(fù)水曲線的數(shù)學(xué)模型

莖瘤芥的水分比（MR）和干燥速率（DR）分別用公式（2） 和公式（3） 進(jìn)行計(jì)算[9]：

式中：Mt——時(shí)間t（w.b.）時(shí)的水分含量；

Me——時(shí)間為t+dt（min）時(shí)的平衡水分含量，（w.b.）；

Mt+dt——時(shí)間為t+dt（min）時(shí)的水分含量；

t——干燥時(shí)間，min。

用5個(gè)半理論模型和2個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)莖瘤芥脫水曲線進(jìn)行擬合（見表2）[2]。擬合的確定系數(shù)（R2）是選擇最佳模型的關(guān)鍵參數(shù)之一[10]，它可以用公式（4） 來計(jì)算[11]。

式中：a和b——常數(shù)；

MRexp，i——第i次試驗(yàn)無量綱水分比；

MRpre，i——第i次預(yù)測(cè)的無量綱水分比；

N——觀測(cè)次數(shù)。

通常，F(xiàn)ick第二擴(kuò)散定律被用來描述擴(kuò)散的質(zhì)量傳遞[12]。公式（5） 是由Fick第二定律推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)方程，并將其簡(jiǎn)化為公式（6）。在目前的研究中，通過繪制MR與干燥時(shí)間的導(dǎo)數(shù)曲線可得到Deff，其斜率用公式（7） 表示[13]。

式中：Deff——水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——切片厚度，m；

t——干燥時(shí)間，s；

n——正整數(shù)。

數(shù)學(xué)模型見表2。

1.3.5 統(tǒng)計(jì)分析

用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0，IBM對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合。其他簡(jiǎn)單計(jì)算則由Excel 2016進(jìn)行。所有的圖片都用GraphPad Prism繪制。

表2 數(shù)學(xué)模型

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥溫度對(duì)莖瘤芥脫水的影響

在熱風(fēng)干燥機(jī)中，分別在50，60，70℃下對(duì)莖瘤芥進(jìn)行脫水，考查莖瘤芥的水分含量與干燥時(shí)間的關(guān)系。

超聲預(yù)處理對(duì)莖瘤芥脫水的影響見圖1。

圖1 超聲預(yù)處理對(duì)莖瘤芥脫水的影響

由圖1可知，在50，60，70℃下，樣品達(dá)到平衡含水量的干燥時(shí)間分別為300，120，80 min，見圖1（a）。值得注意的是，與自然風(fēng)干（傳統(tǒng)方法）需要25 d和鹽滲透脫水（商業(yè)化生產(chǎn)）需要22 d相比[1]，熱風(fēng)干燥明顯降低了莖瘤芥的干燥時(shí)間。因此，熱風(fēng)干燥是一種高效的莖瘤芥干燥方法。此外，莖瘤芥的干燥速率隨干燥溫度的升高而增加，見圖1（b）。這可能是因?yàn)楦稍锝橘|(zhì)和莖瘤芥之間的溫度差增加，從而強(qiáng)化了熱量傳遞和水分遷移[14]。此外，圖1（b）顯示了一個(gè)明顯的加速周期，表明在脫水早期階段（MC＞85%，w.b.），莖瘤芥內(nèi)部的水分遷移速率比瘤莖芥菜表面的水分遷移速率更快。這與已有報(bào)道中描述的蘋果渣干燥結(jié)果相似[15]。

2.2 超聲預(yù)處理對(duì)莖瘤芥干燥效果的影響

不同強(qiáng)度的超聲波都可以被用于強(qiáng)化食品的干燥。由圖1（c） ～（e） 可知，所有超聲預(yù)處理均導(dǎo)致莖瘤芥的初始含水量增加，見圖1（c），圖1（e），表現(xiàn)為干燥開始時(shí)的水分含量（w.b.）超過100%。由圖1（c）可知，隨著超聲功率從200 W提高到600 W，莖瘤芥脫水時(shí)間隨之增加。盡管文獻(xiàn)稱超聲波能提升干燥速率，但超聲波預(yù)處理30 min和60 min并沒有顯著縮短胡蘿卜的熱風(fēng)干燥時(shí)間[5]。然而，這些結(jié)果與400 W超聲波預(yù)處理蘋果的干燥動(dòng)力學(xué)特征有很大不同[6]。值得注意的是，隨著超聲功率的增加，莖瘤芥的初始含水量增加，見圖2（d）。因此，脫水時(shí)間的延長(zhǎng)可能是由于初始含水量升高所致。先前的報(bào)道指出，超聲介質(zhì)和樣品之間的水分活度差異是造成超聲預(yù)處理樣品初始含水量上升的關(guān)鍵因素，這導(dǎo)致了大量水分從超聲環(huán)境轉(zhuǎn)移到食物中[5]。眾所周知，在含水材料中，超聲波以人類感知不到的頻率振動(dòng)，導(dǎo)致材料的壓縮和膨脹，從而導(dǎo)致微通道的形成[4]。這些微通道允許水進(jìn)入莖瘤芥的組織內(nèi)部，從而增加水分含量。然而，400 W超聲預(yù)處理60 min與400 W超聲預(yù)處理30 min相比，莖瘤芥的初始含水量略有下降，見圖2（a）。Ricce等人[5]在胡蘿卜干燥試驗(yàn)中也觀察到了類似現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可能是由于超聲波預(yù)處理時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致已有的微通道崩潰，從而不利于傳質(zhì)。Deff反映了材料在特定條件下的脫水能力，并表征了其內(nèi)在的水分傳質(zhì)特性[17]。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，隨著超聲功率的增加，Deff降低，見圖2（b），表明超聲波預(yù)處理削弱了熱風(fēng)干燥過程中莖瘤芥的傳質(zhì)。然而，僅有600 W的超聲波預(yù)處理降低了莖瘤芥的脫水速率，200 W和400 W的超聲波預(yù)處理都提高了莖瘤芥的脫水速率，見圖1（d），圖1（f）。這可能是因?yàn)槌暡A(yù)處理增加了樣品自由水的含量，使其水分散失容易。就此而言，超聲預(yù)處理或許不能增強(qiáng)莖瘤芥內(nèi)部水分的去除。

超聲功率對(duì)莖瘤芥含水量的影響見圖2。

圖2 超聲功率對(duì)莖瘤芥含水量的影響

2.3 干燥溫度對(duì)莖瘤芥復(fù)水的影響

復(fù)水是干燥食品最重要的質(zhì)量參數(shù)之一[4]。復(fù)水與預(yù)處理、樣品性質(zhì)（干燥引起的變化）、干燥和復(fù)水的條件直接相關(guān)[16]。由圖3（a） 可知，在60℃干燥的莖瘤芥與在50℃和70℃干燥的莖瘤芥相比具有最高的復(fù)水能力。在50℃干燥的莖瘤芥復(fù)水能力接近于70℃干燥樣品的復(fù)水能力。這一現(xiàn)象可能是因?yàn)楦稍餃囟冗^高和干燥時(shí)間過長(zhǎng)，而這些都不利于提升干燥食品的品質(zhì)。就干后莖瘤芥復(fù)水特性而言，60℃是可接受的莖瘤芥熱風(fēng)干燥溫度。

超聲波預(yù)處理對(duì)莖瘤芥復(fù)水的影響見圖3。

2.4 超聲波預(yù)處理對(duì)莖瘤芥復(fù)水的影響

圖3 超聲波預(yù)處理對(duì)莖瘤芥復(fù)水的影響

以往的報(bào)道表明，隨著超聲波預(yù)處理功率的增加會(huì)導(dǎo)致干燥食品的復(fù)水能力增加，但超聲波預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)降低干燥食品的復(fù)水能力[17]。在研究中發(fā)現(xiàn)，莖瘤芥的復(fù)水活性隨超聲功率的增加而降低，而隨超聲時(shí)間的增加而增加，見圖3（b），圖3（c）。此外，以不同功率、不同時(shí)間超聲波預(yù)處理后的樣品復(fù)水能力均低于未預(yù)處理樣品的復(fù)水能力，圖3（b）。與此類似，超聲波預(yù)處理也導(dǎo)致熱風(fēng)干燥蘋果的復(fù)水能力顯著降低[4]。這些結(jié)果表明，超聲波預(yù)處理和隨后的熱風(fēng)干燥可改變莖瘤芥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。不僅如此，熱風(fēng)干燥會(huì)導(dǎo)致莖瘤芥組織發(fā)生嚴(yán)重收縮，這反映了莖瘤芥樣品的孔隙率較低。這種現(xiàn)象可能是超聲波預(yù)處理導(dǎo)致了莖瘤芥內(nèi)部微通道的形成，而熱風(fēng)干燥又嚴(yán)重破壞了這些微通道。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，在超聲波預(yù)處理和熱風(fēng)干燥之前，將莖瘤芥樣品進(jìn)行真空包裝。該設(shè)計(jì)有效避免了超聲波通過聲波傳遞介質(zhì)（水）而對(duì)產(chǎn)品造成影響[5]。由圖4可知，未真空包裝樣品的脫水速率高于真空包裝樣品，但低于直接熱風(fēng)干燥樣品，見圖4（c）。這可能是由于熱風(fēng)干燥導(dǎo)致不同的孔隙和微通道堵塞或塌陷。超聲波預(yù)處理雖然不能有效地提高脫水率，但會(huì)導(dǎo)致孔隙和微通道的形成，這可能對(duì)榨菜的進(jìn)一步加工有一定的促進(jìn)作用。

真空包裝對(duì)莖瘤芥的影響見圖4。

圖4 真空包裝對(duì)莖瘤芥的影響

2.5 莖瘤芥脫水的最適數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型在估計(jì)干燥動(dòng)力學(xué)行為，以及在預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品和食品干燥所需能量的應(yīng)用中是不可缺少的[18]。因此，研究對(duì)莖瘤芥脫水的最適數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了評(píng)估。由圖5（a）可知，除Weibull模型外的所有模型的R2值均大于0.88，表明這些模型都能很好擬合莖瘤芥的復(fù)水特性。在所有干燥試驗(yàn)中，Henderson模型和Pabis模型、Modified page模型和Wang&Singh模型的R2均達(dá)到了可接受的0.99以上，見圖5（a）。此外，除了統(tǒng)計(jì)參數(shù)R2外，還必須評(píng)估與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合有關(guān)的其他信息[5]。Falade&Solademi表明，Henderson and Pabis模型在干燥的早期階段出現(xiàn)嚴(yán)重的擬合缺失[14]。Wang Z等人[15]報(bào)道指出，Wang&Singh模型不能擬合關(guān)鍵的干燥早期和結(jié)束階段。另一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵因素是超聲預(yù)處理樣品的初始無量綱水分（MR） 高于“1”[19]。由圖5（b） 可知，Modified page模型考慮了每個(gè)階段的水分比，顯示出整個(gè)干燥過程中與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最佳匹配。然而，Henderson&Pabi模型沒有考慮初始水分比；Wang&Singh模型沒有考慮樣品在干燥的早期和結(jié)束階段的水分比，見圖5（c），圖5（d）。因此，選擇Modified page模型作為描述莖瘤芥脫水的最適模型。由于超聲預(yù)處理不能有效地提高莖瘤芥的熱風(fēng)干燥速率。因此，僅用修正Page模型預(yù)測(cè)了未預(yù)處理莖瘤芥的熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)。用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析了干燥溫度對(duì)Modified page模型常數(shù)（k和n） 的影響[9]。建立了基于多元回歸分析的預(yù)測(cè)方程：

MR=exp{-[（0.000 172T-0.007 086）×t]（0.011 535T+

1.491 986）}

式中：T——熱風(fēng)干燥溫度，℃；

t——干燥時(shí)間，min。

幾種數(shù)學(xué)模型對(duì)莖瘤芥擬合試驗(yàn)關(guān)系圖見圖5。通過將試驗(yàn)值與所有熱風(fēng)干燥溫度下的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所建立的預(yù)測(cè)方程[20]。

不同干燥溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和所建方程預(yù)測(cè)模型的關(guān)系圖見圖6。

由圖6可知，所有點(diǎn)在回歸線附近緊密相交，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)（R2＞0.99） 之間有很好的一致性，這表明Modified page模型能適合于描述莖瘤芥的脫水行為。

3 結(jié)論

研究了熱風(fēng)干燥溫度和超聲預(yù)處理對(duì)莖瘤芥脫水和復(fù)水的影響。結(jié)果表明，隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高，干燥時(shí)間縮短，干燥速率增大。熱風(fēng)干燥使莖瘤芥的脫水時(shí)間從傳統(tǒng)方法的20 d顯著縮短到80 min，說明熱風(fēng)干燥是一種有效的干燥方法。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)超聲波預(yù)處理不能顯著提高莖瘤芥的熱風(fēng)干燥速率。此外，隨著超聲功率的增加，初始含水量和干燥時(shí)間增加，有效水分?jǐn)U散系數(shù)降低，復(fù)水能力降低，這可能與超聲波預(yù)處理引起的莖瘤芥組織結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。此外，數(shù)據(jù)表明60℃是莖瘤芥熱風(fēng)干燥的潛在溫度。最后，Modified page模型是描述并預(yù)測(cè)莖瘤芥熱風(fēng)脫水特性的最佳模型。

圖5 幾種數(shù)學(xué)模型對(duì)莖瘤芥擬合試驗(yàn)關(guān)系圖

圖6 不同干燥溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和所建方程預(yù)測(cè)模型的關(guān)系圖