石曉微 劉云宏,2

(1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.農(nóng)產(chǎn)品干燥裝備河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471023)

香蕉含豐富的碳水化合物、膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)和酚類(lèi)化合物，具有較強(qiáng)的抗氧化活性[1-2]。但其為呼吸躍變型果實(shí)且質(zhì)地柔軟，采收后容易腐爛[3]。干燥對(duì)減少香蕉損失，延長(zhǎng)貯藏時(shí)間和促進(jìn)產(chǎn)品運(yùn)輸具有重要意義[4]。傳統(tǒng)的干燥方式，如油炸和熱風(fēng)干燥等，由于高溫或者較長(zhǎng)的干燥時(shí)間可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味、顏色、營(yíng)養(yǎng)成分等品質(zhì)特性造成嚴(yán)重?fù)p害，并降低干制品的復(fù)水能力[5-6]。遠(yuǎn)紅外輻射(Far-infrared radiation,FIR)具有熱效應(yīng)好、節(jié)能、溫度分布均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，被廣泛應(yīng)用于獼猴桃[9]、紫薯[10]、蘿卜[11]等產(chǎn)品的干燥過(guò)程中，并且能夠大幅縮短干燥時(shí)間，提高干燥產(chǎn)品品質(zhì)。

超聲技術(shù)由于其機(jī)械振動(dòng)和空化作用，可以擴(kuò)張物料的內(nèi)部組織并形成海綿狀結(jié)構(gòu)，從而有效地降低物料的內(nèi)部傳質(zhì)阻力，加速水的擴(kuò)散并縮短干燥時(shí)間[12-13]。與氣介式超聲相比，直觸超聲具有更小的能量衰減，對(duì)干燥過(guò)程的改善效果更為顯著[14]。孫暢瑩等[15]將直觸超聲用于梨片的熱風(fēng)干燥過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)干燥時(shí)間明顯縮短，產(chǎn)品品質(zhì)顯著提高。Zhao等[16]研究表明，超聲處理可改善污泥中孔隙結(jié)構(gòu)的連通性，有利于加速污泥對(duì)流干燥過(guò)程中的水分運(yùn)輸，且隨著聲能密度的增大，污泥中水分運(yùn)輸?shù)酶?。劉云宏等[17]研究發(fā)現(xiàn)，將遠(yuǎn)紅外輻射技術(shù)和直觸超聲相結(jié)合可有效改善物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯著提高物料的質(zhì)熱傳遞過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)更高效、節(jié)能的快速干燥。Liu等[18]發(fā)現(xiàn)，直觸超聲可以加快獼猴桃遠(yuǎn)紅外輻射干燥中的水遷移并提高干燥速率。但有關(guān)直觸超聲聯(lián)合遠(yuǎn)紅外輻射干燥對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。試驗(yàn)擬以香蕉片為研究對(duì)象，進(jìn)行超聲—遠(yuǎn)紅外輻射干燥試驗(yàn)，探討超聲功率和遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)干燥香蕉片的質(zhì)構(gòu)、復(fù)水比、收縮率、色澤、總酚含量、維生素C含量、抗氧化活性等品質(zhì)指標(biāo)的影響，以期為香蕉片現(xiàn)代干燥加工技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮香蕉：成熟度一致，采用105 ℃烘箱法測(cè)得其干基含水率為(5.24±0.12) g/g，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外輻射干燥裝置：河南科技大學(xué)自制，具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[17]；

紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)：T6新世紀(jì)型，北京普析通用儀器有限公司；

高速離心機(jī)：TG16-WS型，湘儀離心機(jī)儀器有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA.XT EXPRESS型，英國(guó)SMS公司；

色差儀：Color i5型,美國(guó)X-Rite公司；

高效液相色譜儀：Agilent 1260 Infinity型，安捷倫科技有限公司；

電子天平：Scout SE型，美國(guó)OHAUS公司。

1.3 干燥方法

將香蕉去皮后切成厚度為5 mm的圓形薄片，并浸于0.2%的異抗壞血酸鈉溶液中20 min以防止干燥過(guò)程中的酶促褐變。用濾紙吸干表面水分，并將65 g左右的香蕉片平鋪于超聲振動(dòng)盤(pán)上，然后放入干燥室內(nèi)。每間隔20 min對(duì)樣品進(jìn)行稱重，直至含水率低于17%(干基)。設(shè)置風(fēng)速為1.5 m/s，遠(yuǎn)紅外輻射距離為10 cm，輻射溫度分別為150，210，270 ℃，超聲功率分別為0，30，60 W。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 質(zhì)構(gòu) 根據(jù)文獻(xiàn)[19]修改如下：測(cè)前速度2 mm/s，測(cè)試速度0.5 mm/s，測(cè)后速度5 mm/s，硬度為破壞樣品以獲得力變形曲線的最大力，脆度為力變形曲線上峰的數(shù)量，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值。

1.4.2 復(fù)水比 根據(jù)文獻(xiàn)[20]。按式(1)計(jì)算復(fù)水比。

(1)

式中：

RR——樣品復(fù)水比；

Mf——復(fù)水后樣品質(zhì)量，g；

M0——復(fù)水前樣品質(zhì)量，g。

1.4.3 收縮率 參照文獻(xiàn)[21]。以小米為介質(zhì)，通過(guò)置換法測(cè)定樣品體積，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。按式(2)計(jì)算樣品收縮率。

(2)

式中：

SR——樣品的收縮率，%；

V0、V——干燥前、后樣品體積，mL。

1.4.4 色差 參照文獻(xiàn)[22]。L*為明暗度，a*為紅綠色，b*為黃藍(lán)色。每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值。

1.4.5 感官評(píng)價(jià) 參照文獻(xiàn)[23]。將香蕉片干制品的外觀、風(fēng)味、質(zhì)地、口感和總體可接受性用于感官評(píng)價(jià)，選擇20位不同年齡段的人，從1～9進(jìn)行滿意度評(píng)價(jià)(1為非常不喜歡，9為非常喜歡)。并評(píng)價(jià)外觀、風(fēng)味、質(zhì)地、口感和總體可接受性在所有評(píng)價(jià)指標(biāo)中的重要程度，以頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法確定權(quán)重分別為0.203，0.182，0.176，0.209，0.231。

1.4.6 總酚含量 根據(jù)文獻(xiàn)[24]。

1.4.7 維生素C含量 按GB 5009.86—2016執(zhí)行。

1.4.8 抗氧化活性

(1) DPPH自由基清除活性：根據(jù)文獻(xiàn)[25]。按式(3) 計(jì)算DPPH自由基清除率。

(3)

式中：

I——清除率，%；

Ai——樣品組吸光度；

Aj——空白組吸光度；

Ac——對(duì)照組吸光度。

(2) ABTS自由基清除活性：根據(jù)文獻(xiàn)[26]。按式(3) 計(jì)算ABTS自由基清除率。

1.4.9 加權(quán)綜合評(píng)分 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為硬度、脆度、復(fù)水比、收縮率、色差、感官評(píng)價(jià)、總酚含量、維生素C含量和抗氧化活性。參照文獻(xiàn)[27]，評(píng)分值分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)(λ)分別為0.10，0.10，0.05，0.05，0.20，0.20，0.10，0.10，0.10。脆度、復(fù)水比、感官評(píng)價(jià)、總酚含量、維生素C含量為正效應(yīng)，隸屬函數(shù)為：

(4)

硬度、收縮率、色差和抗氧化活性為負(fù)效應(yīng)，隸屬函數(shù)為：

(5)

y=(Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9)λ，

(6)

式中：

Ci、Cmin、Cmax——實(shí)際指標(biāo)值、最小指標(biāo)值和最大指標(biāo)值。

1.4.10 統(tǒng)計(jì)分析 使用Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Duncan方法進(jìn)行顯著性分析，數(shù)據(jù)表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。小寫(xiě)字母不同表示相同溫度不同功率之間差異顯著(P<0.05)；大寫(xiě)字母不同表示相同功率不溫度之間差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)構(gòu)

由圖1可知，硬度與香蕉片內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。硬度隨遠(yuǎn)紅外輻射溫度的增加而顯著減小(P<0.05)，當(dāng)遠(yuǎn)紅外輻射溫度為150，210，270 ℃時(shí)，干燥香蕉片的硬度值分別為(1 028.471±45.424)，(788.203±27.410)，(600.574±30.029) g。這可能是由于遠(yuǎn)紅外輻射溫度的升高破壞了樣品的分子骨架，擴(kuò)張了內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，硬度值降低。Léonard等[28]研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)紅外輻射可以改善香蕉片的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，并且最終孔隙度隨溫度的增加而增加。干燥香蕉片的硬度值隨超聲功率的增加而減小。以210 ℃為例，當(dāng)超聲功率從0 W增加到30 W 時(shí)，硬度值從(788.203±27.410)g減小至(672.131±34.607) g，減少了14.73%。這是由于超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)擴(kuò)張了樣品的組織結(jié)構(gòu)，增大超聲功率能夠增強(qiáng)機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，從而形成更加疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，硬度值減小[17]。

由圖2可知，輻射溫度和超聲功率對(duì)干制香蕉片的脆度影響顯著(P<0.05)，脆度值隨輻射溫度和超聲功率的升高而增大。當(dāng)輻射溫度為270 ℃，超聲功率為60 W時(shí)，香蕉片脆度顯著高于其他干燥條件下的，可能是由于輻射溫度和超聲功率的升高促使內(nèi)部疏松結(jié)構(gòu)的形成，更有利于提高香蕉片的酥脆性。

2.2 復(fù)水比

由圖3可知，干燥前50 min，復(fù)水比快速增長(zhǎng)。香蕉片的復(fù)水比隨遠(yuǎn)紅外輻射溫度和超聲功率的升高逐漸增大，未施加超聲時(shí)，輻射溫度從150 ℃上升至270 ℃，復(fù)水比從2.088±0.044增大至2.737±0.074。當(dāng)輻射溫度為210 ℃時(shí)，施加0，30，60 W的超聲，香蕉片的最終復(fù)水比分別為2.435±0.039，2.477±0.043，2.583±0.047。這可能是由于香蕉片在較低的輻射溫度下干燥時(shí)間長(zhǎng)，使得細(xì)胞嚴(yán)重收縮，組織結(jié)構(gòu)致密，不利于水分的吸收。輻射溫度和超聲功率的增加加速了水分湍動(dòng)與遷移擴(kuò)散，干燥時(shí)間縮短。此外，輻射溫度的升高也會(huì)產(chǎn)生更大的熱流密度，加速水分相變，形成更大的蒸汽壓和更高的體積膨脹度，擴(kuò)張香蕉片的微細(xì)孔道。超聲功率的增加也會(huì)加速空化氣泡的形成與破裂，使得香蕉片內(nèi)部組織較為疏松，有利于水分吸收[29]。

圖1 不同干燥條件下香蕉片的硬度Figure 1 The hardness values of banana slices under different drying conditions

圖2 不同干燥條件下香蕉片的脆度Figure 2 The brittleness values of banana slices under different drying conditions

圖3 不同干燥條件下香蕉片的復(fù)水比Figure 3 The rehydration ratio of banana slices under different drying conditions

2.3 收縮率

由圖4可知，香蕉片的收縮率隨輻射溫度和超聲功率的增加而降低。與單一遠(yuǎn)紅外輻射干燥相比，施加超聲后香蕉片的收縮率明顯降低。當(dāng)輻射溫度為150 ℃，未施加超聲時(shí)，香蕉片收縮率最大[(45.32±1.36)%]。當(dāng)輻射溫度為270 ℃，超聲功率為60 W時(shí)，香蕉片的收縮率最小[(20.31±0.42)%]。輻射溫度和超聲功率的升高加速了水分?jǐn)U散，更好地保護(hù)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

圖4 不同干燥條件下香蕉片的收縮率Figure 4 The shrinkage of banana slices under different drying conditions

2.4 色差

由表1可知，與新鮮樣品相比，干燥后的香蕉片表面L*值明顯降低，a*值和b*值普遍上升。當(dāng)超聲功率一定時(shí)，在210 ℃的輻射溫度下，干燥香蕉片表面L*值最高，a*值、b*值和△E值最小。這可能是由于150 ℃下干燥時(shí)間較長(zhǎng)，多酚與氧化酶接觸時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生更多的黑色素。而270 ℃的輻射溫度較高，更易造成非酶褐變，樣品表面顏色變暗，亮度降低[30]。此外，各輻射溫度下，施加超聲功率后，△E值均顯著減小(P<0.05)，且隨超聲功率的升高而明顯降低。這可能是由于超聲可以在不提高樣品溫度下縮短干燥進(jìn)程，更有利于產(chǎn)品外觀色澤的保護(hù)。

2.5 感官品質(zhì)

由表2可知，當(dāng)輻射溫度為210 ℃，超聲功率為60 W時(shí)，感官評(píng)分最高，香蕉片的感官品質(zhì)最好。

2.6 總酚含量

由圖5可知，輻射溫度和超聲功率對(duì)香蕉片總酚含量有顯著影響(P<0.05)。當(dāng)輻射溫度為210 ℃時(shí)，香蕉片總酚含量普遍較高。未施加超聲時(shí)，輻射溫度150，210，270 ℃下，香蕉片總酚含量分別為(16.98±0.50)，(22.65±0.73)，(14.21±0.56) mg/100 g。較低溫度下，香蕉片長(zhǎng)時(shí)間受熱，內(nèi)部的酚類(lèi)化合物易與氧氣接觸并反應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的氧化和大量的酚損失。而較高溫度下，可能是由于多酚類(lèi)物質(zhì)發(fā)生了分解或聚合反應(yīng)而造成含量降低[22]。此外，輻射的應(yīng)用和超聲功率的增加都提高了香蕉片內(nèi)的總酚含量，當(dāng)輻射溫度為210 ℃時(shí)，施加30，60 W的超聲功率后，總酚含量分別提高了10.46%，20.00%，表明提高超聲功率有利于香蕉片內(nèi)酚類(lèi)物質(zhì)的保留。

表1 不同干燥條件下香蕉片的色澤Table 1 The color of banana slices under different drying conditions

表2 不同干燥條件下香蕉片的感官評(píng)分Table 2 Sensory scores of banana slices under different drying conditions

2.7 維生素C含量

由圖6可知，輻射溫度對(duì)香蕉片的維生素C含量有顯著影響(P<0.05)，在270 ℃的輻射溫度下施加30，60 W的超聲對(duì)維生素C含量影響不顯著(P>0.05)。當(dāng)超聲功率為0 W時(shí)，150，210，270 ℃下香蕉片的維生素C含量分別為(9.86±0.47)，(15.69±0.75)，(8.09±0.39) mg/100 g。干燥過(guò)程中輻射溫度的提高會(huì)在一定程度上加快維生素C的氧化和降解速率，但同時(shí)輻射能量的增強(qiáng)也會(huì)導(dǎo)致香蕉片內(nèi)水分快速遷移擴(kuò)散，減少了加熱和氧化時(shí)間，從而提高了維生素C的保存率。而溫度過(guò)高，維生素C快速降解從而造成大量損失。此外，維生素C含量隨超聲功率的增大而增加，可能是由于超聲的機(jī)械和空化效應(yīng)能在不提高物料溫度的情況下加快干燥過(guò)程、縮短干燥時(shí)間。

圖5 不同干燥條件下香蕉片的總酚含量Figure 5 The total phenol content of banana slices under different drying conditions

圖6 不同干燥條件下香蕉片的維生素C含量Figure 6 The VC content of banana slices under different drying conditions

2.8 抗氧化活性

由圖7可知，輻射溫度和超聲功率對(duì)香蕉片的抗氧化活性均有顯著影響(P<0.05)。當(dāng)輻射溫度為210 ℃，超聲功率為60 W時(shí)，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最強(qiáng)，當(dāng)輻射溫度為270 ℃，超聲功率為0 W時(shí)，干燥香蕉片的DPPH自由基清除能力和ABTS自由基清除能力最弱，表明在香蕉遠(yuǎn)紅外輻射干燥中施加超聲，能夠在保護(hù)營(yíng)養(yǎng)成分的同時(shí)顯著提高干制香蕉片的抗氧化能力。

圖7 不同干燥條件下香蕉片的抗氧化活性Figure 7 Antioxidant activity of banana slices under different drying conditions

2.9 加權(quán)綜合評(píng)分優(yōu)化

由表3可知，提高超聲功率可以提高產(chǎn)品品質(zhì)，但溫度過(guò)高，產(chǎn)品品質(zhì)較差。當(dāng)輻射溫度為210 ℃、超聲功率為60 W時(shí)，綜合評(píng)分最高。因此，超聲—遠(yuǎn)紅外輻射干燥香蕉片的最優(yōu)參數(shù)為210 ℃的遠(yuǎn)紅外輻射溫度和60 W 的超聲功率。

表3 不同干燥條件下的加權(quán)綜合評(píng)分Table 3 Weighted comprehensive scoring results under different drying conditions

3 結(jié)論

與未施加超聲的遠(yuǎn)紅外輻射干燥相比，超聲聯(lián)合遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)能有效提高產(chǎn)品品質(zhì)。超聲功率的增加能明顯提高干制香蕉片的理化品質(zhì)，輻射溫度過(guò)高時(shí)不利于香蕉片表面色澤的形成和營(yíng)養(yǎng)成分的保留。通過(guò)加權(quán)綜合評(píng)分法確定了香蕉片超聲—遠(yuǎn)紅外輻射干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為輻射溫度210 ℃，超聲功率60 W。后續(xù)還需對(duì)超聲—遠(yuǎn)紅外輻射干燥過(guò)程的協(xié)同作用進(jìn)行更微觀、更系統(tǒng)的研究與探索。