楊大恒，趙宜范，張麗紅，孟慶瑤，李曉燕,

（1.哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱 150028；2.哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院，黑龍江哈爾濱 150028）

我國是果蔬損耗大國，據(jù)統(tǒng)計每年我國果蔬損耗量可達到20%，遠高于發(fā)達國家5%的損耗率[1]。果蔬損耗的主要原因是其含水量高而造成的腐爛。為了降低果蔬損耗率，提高果蔬的保質期，國內外學者嘗試了許多方法，其中滲透脫水是有效方法之一[2]。滲透脫水可作一種預處理干燥保鮮技術，在果蔬脫水加工中與后續(xù)的干燥、冷凍等工藝聯(lián)合使用[3]。滲透脫水是指在一定溫度下，將果蔬或肉類浸泡在滲透溶質中，使樣品細胞中的水分在滲透壓的作用下自發(fā)遷移，以實現(xiàn)脫水的目的。與傳統(tǒng)的熱風、熱泵干燥相比，滲透脫水是一種非熱加工技術，因滲透脫水溫度相對較低且果蔬中的水分不發(fā)生相變，因而可以不破壞果蔬的營養(yǎng)、感官和功能特性[4]。此外，滲透脫水還可以通過縮短后續(xù)熱風、冷凍和流化床干燥時間，以降低干燥能耗[5]、實現(xiàn)延長果蔬貨架期的目的。單一的滲透脫水傳質速率較低，物理場輔助技術如超聲波、真空、高靜水壓可提升水分遷移速率，具有廣泛的應用前景。

本文從滲透脫水機理及其傳質效率影響因素、物理場輔助滲透脫水技術及動力學模型、物理場輔助滲透脫水技術在果蔬干燥中的應用三個方面綜述了近年來物理場輔助滲透脫水技術的研究進展，總結其在果蔬加工應用中存在的問題。

1 果蔬滲透脫水機理及其傳質效率影響因素

將果蔬浸入到滲透溶液中，由于果蔬細胞膜兩側存在溶液濃度差，造成果蔬脫水，當細胞膜兩側滲透壓平衡，滲透脫水過程完成。圖1 為滲透脫水傳質過程，由圖可知，該過程產(chǎn)生了雙向的質量傳遞：水分損失和固形物增益。水分損失即細胞中的水分在滲透壓的作用下自發(fā)地向滲透液中的擴散過程；固形物增益即滲透溶液中的溶質向細胞內的反方向擴散過程。通過水分損失作用，可以降低果蔬的水分含量，減少果蔬中的生化反應延長保質期；通過固形物增益，則可以向果蔬中引入所需數(shù)量的活性物質、防腐劑、營養(yǎng)物質等，維持果蔬的組織結構，延長貨架期。

圖1 滲透脫水傳質過程Fig.1 Mass-transfer process in osmotic dehydration

1.1 滲透脫水溶液組成對傳質效率的影響

滲透脫水過程的主要驅動力是滲透脫水溶質所產(chǎn)生的滲透壓差，故滲透脫水溶質是滲透脫水效率的主要影響因素之一。滲透脫水溶質必須具有較高的水溶性、較低的成本，并對最終產(chǎn)品的感官性能和穩(wěn)定性有積極的影響[6]?；谶@些特點及物料特性，可供選擇的溶質主要是蔗糖和氯化鈉。大分子的蔗糖能提升滲透壓，有利于滲透浸漬[7]，但在一些研究中發(fā)現(xiàn)高分子溶質與蔗糖溶液混合使用會使果蔬的脫水效應更強。Akharume等[8]研究蔗糖溶液添加食品級的液態(tài)煙熏劑對滲透脫水的影響，結果表明，在蔗糖溶液中添加的液態(tài)煙熏劑可阻止細胞壁塌陷，改變細胞結構，增加脫水率，從而提高傳質效率。Maldonado等[9]在研究菠蘿的滲透脫水時加入了可溶性纖維，滲透溶液由23.3%的蔗糖、33.4%的可溶性纖維和3.3%的菊粉組成，實驗進行2 h，菠蘿的水分損失可達到40%，比Silva[10]在蔗糖溶液中加入4%氯化鈣脫水菠蘿的傳質效率更高，且剩余滲透溶質殘渣還可用來發(fā)酵飲料，不會造成資源浪費。

氯化鈉溶液有助于果蔬保持顏色、風味和質地，降低果蔬水分活度延長保質期[11]。在早期的滲透脫水研究中氯化鈉主要用于肉類的滲透脫水[12]，近年來開始廣泛地用于果蔬滲透脫水。作為滲透溶質，氯化鈉的分子量（58 g/mol）相對于蔗糖分子量（342 g/mol）更小，因此氯化鈉相對于蔗糖具有更高的滲透壓，所以在果蔬滲透脫水研究中，將氯化鈉添加入蔗糖溶液中以提升飽和溶液的滲透壓。Derossi等[13]采用響應面法和期望函數(shù)法研究了氯化鈉、蔗糖復合溶液中櫻桃番茄的滲透脫水過程，確定了滿足脫水率、水分活度、紅色素綜合指標最優(yōu)期望的滲透脫水條件是55.62%的蔗糖和2.45%的氯化鈉和22 h的脫水時間。

低分子量的氯化鈉具有比大分子量的蔗糖更高的滲透壓，因此在蔗糖溶液中添加氯化鈉可有效地提升溶液的滲透壓，提升滲透脫水效率。在蔗糖溶液中添加高分子活性物質能改善果蔬細胞結構，進而提升滲透脫水效率，故將兩種或兩種以上溶質混合使用可以取得更好的脫水效果。但蔗糖和氯化鈉作為滲透脫水溶質會增加脫水產(chǎn)品的糖鹽含量，與綠色健康食品的發(fā)展趨勢不符，因此蔗糖和氯化鈉替代溶質成為新的研究熱點。另外，為了實現(xiàn)更高的效率及工業(yè)化，滲透溶液的循環(huán)利用也是需要解決的技術問題。

1.2 其他因素對傳質效率的影響

物料表面積、物液比、攪拌強度、滲透溶液的溫度、濃度等因素對脫水傳質效率也有一定的影響。Ayse等[14]在保證其他因素不變的情況下，減小杏體尺寸，水分損失和固形物增益均有顯著增加。這是因為固體尺寸較小時，擴散路徑較小，傳質效率提高。Song等[15]在研究滲透脫水對黑莓的影響時表明，滲透溶液濃度梯度越大，滲透脫水初期擴散速率越大，然而隨著梯度的增加滲透脫水達到平衡的時間就越長，傳質效率越低，原因是隨著濃度的增高，溶液的黏度和傳質阻力也變大，阻礙了整個傳質過程，故滲透溶液的濃度不能過高。Tonon等[16]在研究溫度、溶液組成和攪拌速度對滲透脫水番茄傳質動力學的影響時表明，在脫水過程中適當攪拌可以減少或消除傳質阻力；通過提升脫水溫度可以降低溶液黏度和傳質阻力，提升脫水效率，但過高的溶液溫度（>60 ℃），會導致番茄風味惡化。

滲透脫水的過程非常緩慢，物料表面積、物液比、攪拌強度滲透溶液的溫度、濃度等工藝參數(shù)的改變只能在有限范圍內提高傳質速率，超出一定限度，即使水分遷移速率增大，也會對果蔬的品質產(chǎn)生一定不利的影響。

2 物理場輔助滲透脫水技術及動力學模型

在不顯著影響果蔬品質的前提下，為克服滲透脫水固有傳質速率慢的問題，學者提出一系列物理場輔助滲透脫水技術，主要有：超聲波輔助技術、真空輔助技術、高靜水壓和高壓脈沖電場輔助技術。物理場輔助滲透脫水過程流程如圖2 所示。

圖2 物理場輔助滲透脫水示意圖Fig.2 Physical field assisted osmotic dehydration

2.1 超聲波輔助滲透脫水

超聲波通過高頻率的振動引起介質高速的壓縮和膨脹[17]，該效應能夠降低內部傳質阻力，此外，超聲波的空化效應可以降低外部傳質阻力[18]。超聲波輔助滲透脫水技術（Ultrasound Assisted Osmotic Dehydration，UAOD）將超聲波與滲透脫水結合在一起，可以在細胞中產(chǎn)生微觀通道進而提高傳質速率。這些通道最初由Fabiano等[19]用顯微鏡觀測到，由圖3 可知，微觀通道是由于甜瓜果肉細胞受超聲波作用發(fā)生形變而形成的，而細胞中的水分則可以利用這些通道作為一種更容易擴散到物料表面的途徑，減小了傳質阻力，加快了滲透脫水速率。

圖3 甜瓜立方體細胞顯微圖[19]Fig.3 Micro-graphs of melon cube cells[19]

2.2 真空輔助滲透脫水

真空輔助滲透脫水（Vacuum Osmotic Dehydration，VOD）以壓力梯度為驅動力：常壓時，果蔬細胞孔隙被氣體所占據(jù)，而處于真空環(huán)境時，孔隙外部壓力減小，內部氣體膨脹溢出；再次恢復常壓時，新建立的壓力梯度導致滲透溶液滲入到以前充滿氣體的孔隙內，既提高了失水速率，又增加了傳質量，故該技術更有利于孔隙率較高果蔬的傳質[12]。真空的輔助作用只影響達到平衡時的速率，而不影響平衡含水量，又由于通過氣、液兩相的交換，滲透溶液填滿果蔬細胞的孔隙，增大了滲透溶液與細胞的接觸面積，故真空下的總傳質效率高于常壓下的傳質效率[20]，同時采取真空輔助技術可以較好地將滲透溶液中所加入的礦物質、維生素、抑制劑、抗菌劑等物質浸漬到果蔬中，以制備功能性強、質量穩(wěn)定、品質新鮮的產(chǎn)品[21]。

2.3 高靜水壓輔助滲透脫水

高靜水壓輔助滲透脫水（High Hydrostatic Pressure Osmotic Dehydration，HHP-OD）利用壓力變化，使果蔬細胞壁和細胞膜分離，利用細胞膜半透性高，提高滲透脫水效率。在滲透脫水中施加高壓和減壓，與未進行高靜水壓處理的樣品相比，滲透過程的水分損失、固形物增益都升高[22]。該技術已被應用于提高遷移速率[22]，改善果蔬感官特性及品質[23]等方面。影響高靜水壓輔助滲透脫水的因素主要有壓力水平、壓力保持時間及滲透溶質種類等。

2.4 高壓脈沖電場輔助滲透脫水

高壓脈沖電場（Pulsed Electric Field，PEF）具有電場強度高，處理時間短（<300 μs）的特點[24]，是食品加工的新技術。果蔬滲透脫水預處理通常采用1～5 kV/cm的高壓脈沖場強[25]。高壓脈沖電場可以對果蔬細胞的細胞膜造成破壞，促使微孔隙形成，因此可以提升具有蠟質表皮果蔬的滲透脫水效率。在高壓脈沖電場處理下，可使藍莓的細胞膜發(fā)生了斷裂并形成氣孔，從而增加水和溶質的擴散效率[26]。

2.5 物理場輔助滲透脫水動力學模型

物理場輔助滲透脫水過程中水分遷移機制復雜，物料與滲透溶液間的傳質受滲透溶液的濃度、溫度、壓力和物液比的影響，對傳質動力學的滲入研究有助于滲透脫水在工業(yè)應用中以降低能耗和生產(chǎn)成本。因此，為了更好地描述物理場輔助滲透脫水過程，數(shù)學模型的建立是非常重要的，也是量化傳質現(xiàn)象和評估過程效率的基本工具[27]。

數(shù)學模型分為經(jīng)驗模型、理論模型和半理論模型。經(jīng)驗是指將過程變量與水分損失和固形物增益關聯(lián)，不考慮水和溶質同時傳輸?shù)臐撛诂F(xiàn)象，包括多變量回歸、響應面分析和質量平衡[28]。理論模型是指表示傳質過程中各變量之間關系的，由理論推導所得出的各變量的物理數(shù)學關系式[29]。半理論模型通常是指由理論模型轉換而來的多項式的擴散模型[30]。常用動力學模型包括Azuara模型（經(jīng)驗模型）、Peleg模型（經(jīng)驗模型）、Fick第二定律（理論模型）和Weibull模型（經(jīng)驗模型）等，其具體應用見表1。

表1 滲透脫水常用模型及其應用Table 1 Common models and applications of osmotic dehydration

Cheng等[31]研究了超聲場和脈沖真空場對草莓滲透脫水過程中水的分布和狀態(tài)的影響，利用Peleg模型計算了草莓的水分損失和固形物增益。Alam等[33]利用Fick定律研究金諾桔在蔗糖溶液中的滲透脫水過程，結果表明在滲透溶液溫度為65 ℃、蔗糖濃度為65～75 Brix、物液比為1:5、浸泡時間為270 min的條件下，金諾桔的水分損失較高，最大水分擴散系數(shù)為5.308×10?8m2/s，固形物增益較低，最小固形物擴散系數(shù)為0.49×10?9m2/s。Shama等[32]研究超聲波與真空預處理結合對黑墨籽果滲透脫水的影響，利用Peleg模型預測滲透脫水過程中黑墨籽果水分和溶質含量的平衡值，利用Weibull模型預測不同溫度下滲透脫水過程中黑墨籽果的水分和溶質含量，利用Fick第二定律計算了黑墨籽果的有效水分擴散系數(shù)。Pessoa等[34]對木薯滲透脫水的動力學分析過程中利用Azuara模型擬合了水分損失和固形物增益的實驗數(shù)據(jù)，得到了良好的一致性。

物理場輔助滲透脫水經(jīng)驗模型和理論模型，預測滲透果蔬滲透脫水過程具有較好的準確度，但模型的應用需要針對具體的果蔬形狀進行理論分析，并利用實驗數(shù)據(jù)進行擬合，工作量較大，適用范圍較窄。

3 物理場輔助滲透脫水技術在果蔬干燥中的應用

物理場輔助滲透脫水技術，可有效地提升果蔬滲透脫水效率，是近年來研究的熱點。

在超聲波輔助滲透脫水方面，Sakooei等[35]研究了超聲波輔助滲透脫水對熱風干燥杏的物理、結構和微觀結構性能的影響，結果表明，超聲波的應用改善了杏干的物理和紋理特性且杏干的硬度顯著低于未經(jīng)超聲波處理的脫水樣品。Prithani等[36]分析了超聲波對獼猴桃切片水分損失、固形物增益、有效水分擴散率和溶質擴散率的影響，同時預測了滲透脫水過程中水分損失和固形物增益。Masztalerz等[37]評價了不同超聲波輔助條件對蘋果片滲透脫水的影響，超聲輔助滲透脫水導致的水損失最大，對脫水蘋果片的品質也有一定的改善。Li[38]研究了超聲輔助滲透脫水對三花李的影響，結果表明超聲輔助脫水顯著提升了三花李的脫水效率。

在真空輔助滲透脫水方面，Junqueira等[39]研究了真空壓力對甜菜根、茄子和胡蘿卜的水損失和固形物增益的影響，結果表明，與甜菜根相比，真空條件對茄子和胡蘿卜樣品的影響較大，說明真空輔助對孔隙率較高的果蔬的傳質更有利。為了進一步提升滲透脫水速率，Sharma等[33]提出將超聲波與真空結合來輔助滲透脫水黑墨籽，結果表明，與真空預處理相比，超聲真空預處理樣品的有效水分和溶質擴散系數(shù)最高，同時產(chǎn)品的質量也得到了進一步的改善。

在高靜水壓輔助滲透脫水研究方面，Luo等[40]研究了高靜水壓對烏梅果實滲透脫水機理及動力學的影響，結果表明經(jīng)高靜水壓處理后，滲透溶液在烏梅細胞內部重新分布，高靜水壓提高了烏梅傳質的初始速率、有效水分擴散系數(shù)和果實柔軟度。Dash等[41]利用高靜水壓輔助滲透脫水姜片，研究表明在40 ℃ 時，當壓力從0.1 MPa升至600 MPa，有效水分擴散系數(shù)擴大了約12 倍，證明了壓力的增加提升水分損失。

在高壓脈沖電場輔助滲透脫水方面，Tylewicz等[42]研究了高壓脈沖電場輔助滲透脫水有機草莓和獼猴桃，評估了高壓脈沖電場預處理對有機草莓和獼猴桃滲透脫水傳質效率，顏色，抗氧化劑和抗菌性能的影響。Nazari等[43]利用響應面法優(yōu)化了高壓脈沖電場輔助滲透脫水蘋果的工藝參數(shù)，結果表明隨著電場強度的增大，脈沖持續(xù)時間的減小，傳質效率下降，當脈沖數(shù)增大時，水分損失和固形物增益增加。

超聲波輔助滲透脫水果蔬，可以在保持果蔬天然風味、顏色和營養(yǎng)成分的基礎上，同時增加果蔬水分損失和固形物增益、改善干燥果蔬的復水性能、增強其凍干后產(chǎn)品的色澤[44?47]。但利用超聲波輔助滲透脫水，易使?jié)B透溶液和脫水果蔬樣品溫度升高，不利于脫水溫度的控制，因此不適用于熱敏性果蔬。真空輔助滲透脫水適用于含水量較低，果肉孔隙率較高的果蔬。高靜水壓輔助滲透脫水可以有效地提升果蔬滲透脫水效率，但工藝復雜，應用在不同滲透溶液中具有很大的差異性[40]。高壓脈沖電場輔助滲透脫水技術存在著設備昂貴、工藝參數(shù)復雜、應用成本高的缺點。近幾年的研究表明，多物理場組合輔助滲透脫水果蔬已經(jīng)成為一種新的趨勢。

4 結論

雖然物理場輔助滲透脫水果蔬具有脫水效率高、干燥效果顯著等諸多優(yōu)點，但為了使物理場輔助技術在果蔬滲透脫水方面有更好的應用，還存在一些問題亟待解決：

提高滲透脫水溶液的安全性和利用率。物理場輔助滲透脫水技術應用的滲透溶質多為蔗糖和氯化鈉，在提升水分遷移速率的同時也促使脫水溶質進入樣品內部，脫水果蔬多為高鹽高糖產(chǎn)品，在食品健康方面不具備優(yōu)勢，因此需大力開發(fā)健康的替代滲透脫水溶液。在脫水過程中滲透脫水溶液的濃度和微生物含量都會發(fā)生變化，因此能否循環(huán)利用是工業(yè)化滲透脫水過程中最重要的技術問題。近年來有學者提出，采用多級滲透脫水[48]，可以實現(xiàn)滲透脫水溶液再利用的目的，但在實際應用中還有待考究。

擴大物理場輔助技術及其動力學模型的適用范圍。由于果蔬微觀結構及滲透溶質離子種類不同，每種輔助技術適用的果蔬種類有限，因此還需進一步探索物理場輔助技術的作用機理與效應，比如多物理場組合輔助滲透脫水，以更好對果蔬進行滲透脫水。雖然不同的物理場輔助滲透脫水數(shù)學模型已被開發(fā)，但模型的精度還受到樣品形狀和實驗條件的限制，可結合多種模型，深入研究，提高其準確度與適用性。