苑麗婧，何 秀，林 蓉，程沙沙

?農(nóng)產(chǎn)品加工工程?

超聲預(yù)處理對獼猴桃水分狀態(tài)及熱風(fēng)干燥特性的影響

苑麗婧，何 秀，林 蓉，程沙沙※

（1. 大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，大連 116034； 2. 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，大連 116034）

為了進(jìn)一步明確超聲預(yù)處理技術(shù)對獼猴桃及其熱風(fēng)干燥的作用效果，該文研究了200～600 W超聲功率和10～30 min超聲時(shí)間對獼猴桃片中水分狀態(tài)和分布、營養(yǎng)成分和后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中干燥特性、水分遷移規(guī)律，以及干燥后樣品的微觀結(jié)構(gòu)、色澤和質(zhì)構(gòu)特性的影響。超聲預(yù)處理能夠引起獼猴桃片中水分流動的變化和重新分布，從而加快熱風(fēng)干燥過程中水分的遷移和蒸發(fā)，并且增加超聲功率比延長超聲時(shí)間引起的水分變化更明顯。與對照組未處理的樣品相比，超聲預(yù)處理會引起獼猴片中可溶性固形物、可滴定酸和抗氧化成分的減少。核磁共振成像結(jié)果表明獼猴桃片中的水分在熱風(fēng)干燥過程中由外表面向內(nèi)部逐漸去除，水分含量逐漸降低。超聲預(yù)處理在獼猴桃片內(nèi)部產(chǎn)生微觀通道和褶皺，從而改變了獼猴桃片內(nèi)部的水分狀態(tài)和分布，加速了熱風(fēng)干燥階段水分的遷移和去除，使熱風(fēng)干燥速率比對照組的樣品提高了7.6%～17.5%。此外，超聲預(yù)處理對獼猴桃片干燥后的色澤沒有顯著影響（>0.05），并且降低了干燥后樣品的硬度、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性等（<0.05）。綜合分析，超聲功率400 W作用20 min或600 W作用10 min預(yù)處理?xiàng)l件比較合適，該結(jié)果為超聲預(yù)處理技術(shù)在獼猴桃熱風(fēng)干燥加工中的應(yīng)用提供了一定的參考。

超聲；水分；獼猴桃；熱風(fēng)干燥；低場核磁共振；品質(zhì)

0 引 言

獼猴桃由于富含維生素C、鉀、鈣以及氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，被譽(yù)為“果中之王”，受到世界各地消費(fèi)者的青睞。但是，新鮮獼猴桃由于含水率高、乙烯敏感度高以及酶活性高，易發(fā)生蒸騰失水、組織軟化、風(fēng)味降低等品質(zhì)劣化現(xiàn)象，從而造成食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的損失[1]。干燥是一種最常見的食品加工方法，主要通過降低食品中的水分抑制微生物和酶促反應(yīng)引起的品質(zhì)劣變，延長食品的貨架期[2-3]。在現(xiàn)有的干燥方法中，熱風(fēng)干燥（Hot-Air Drying，HAD）因成本低，操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為果蔬干燥中應(yīng)用較廣泛的加工方式之一。

超聲波作為一種機(jī)械波，可以通過與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，改變食品的微觀結(jié)構(gòu)和加工特性，已經(jīng)作為預(yù)處理手段被廣泛應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域[4-6]。Xu等[7]研究了低頻超聲預(yù)處理對胡蘿卜在中波紅外輻射干燥過程中傳質(zhì)、水分遷移、微觀結(jié)構(gòu)、干燥特性以及品質(zhì)指標(biāo)的影響，結(jié)果表明低頻超聲可以提高胡蘿卜片的干燥速度，并維持干燥后胡蘿卜片的色澤。Vallespir等[8]分析了干燥溫度（5、10、15 ℃）和超聲輔助對獼猴桃低溫干燥動力學(xué)、營養(yǎng)成分含量以及抗氧化活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲輔助能夠促進(jìn)獼猴桃干燥過程中水分的擴(kuò)散，使干燥時(shí)間縮短了55%～65%，獼猴桃營養(yǎng)成分和抗氧化活性的影響與干燥溫度有關(guān)，在15 ℃干燥過程中使用超聲輔助能夠減少生物活性成分和抗氧化性能的損失。Fijalkowska等[9]研究發(fā)現(xiàn)與未處理的樣品相比，超聲預(yù)處理縮短了蘋果片13%～17%的熱風(fēng)干燥時(shí)間，并能改善干蘋果樣品的色澤參數(shù)，此外，經(jīng)超聲預(yù)處理的干蘋果片復(fù)水3 h后的含水率和可溶性固形物損失與未處理的干蘋果片相比沒有明顯的差異（>0.05）。

水分是新鮮果蔬中含量最多的組分，干燥過程中水分狀態(tài)和分布的變化與干燥產(chǎn)品的品質(zhì)密切相關(guān)[10]。低場核磁共振（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技術(shù)是研究食品加工過程中水分狀態(tài)、分布及遷移變化規(guī)律的有力工具，具有無損、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，在水產(chǎn)品、肉制品、堅(jiān)果、果蔬等食品的干燥加工過程中得到廣泛應(yīng)用[11-15]。Xu等[16]利用LF-NMR發(fā)現(xiàn)西藍(lán)花中存在3種流動性不同的水組分，MRI能夠可視化地展現(xiàn)西藍(lán)花不同部位水分的分布情況；同時(shí)，利用LF-NMR和MRI方法還可以實(shí)現(xiàn)對西藍(lán)花熱風(fēng)干燥過程中水分流動性和分布變化的監(jiān)測。李定金等[17]利用LF-NMR探究山藥切片中的水分在真空微波干燥過程中的變化規(guī)律，結(jié)果表明微波功率越高，不可移動水和自由水去除的時(shí)間越短，并且干基含水率與弛豫峰總峰面積之間具有良好的相關(guān)性，可用于干燥終點(diǎn)的快速無損預(yù)測。郝啟棟等[18]利用LF-NMR發(fā)現(xiàn)超聲或超高壓預(yù)處理主要去除蒜片中的自由水，兩種預(yù)處理方式均能夠縮短干燥過程中自由水的脫除時(shí)間，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)超高壓-超聲聯(lián)合處理能夠有效擴(kuò)增蒜片中的顯微通道，更有助于削減蒜片組織對水分的束縛作用。Chitrakar等[19]利用LF-NMR技術(shù)研究了糖或鹽預(yù)處理對幾種果蔬（蘋果、胡蘿卜、卷心菜、花椰菜和蘿卜）干燥過程中水分狀態(tài)的影響，并且發(fā)現(xiàn)水分活度和水組分弛豫峰總面積之間具有較好的相關(guān)性。Sun等[20]利用LF-NMR研究胡蘿卜在微波真空干燥中的水分遷移變化，發(fā)現(xiàn)新鮮胡蘿卜中主要為自由水，弛豫峰總面積和自由水的峰面積均隨著干燥過程的進(jìn)行逐漸降低，結(jié)合反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation Artificial Neural Network，BP-ANN）方法能夠構(gòu)建水分含量的快速預(yù)測模型。李琳琳等[21]利用LF-NMR比較了哈密瓜在熱風(fēng)干燥和紅外輻射干燥過程中水分遷移規(guī)律的區(qū)別，并結(jié)合偏最小二乘回歸基于弛豫數(shù)據(jù)構(gòu)建了哈密瓜干燥過程中水分含量的快速預(yù)測模型。李梁等[22]利用LF-NMR發(fā)現(xiàn)獼猴桃切片在熱風(fēng)干燥中水分脫除順序依次為自由水、不易流動水、結(jié)合水，不同水組分在干燥過程中能夠相互轉(zhuǎn)化，并且水組分的核磁峰值總和與獼猴桃切片含水率之間具有良好的相關(guān)性。但是，有關(guān)超聲預(yù)處理對獼猴桃中水分狀態(tài)和分布以及后續(xù)熱風(fēng)干燥品質(zhì)影響的報(bào)道較少。

因此，本文利用超聲波對熱風(fēng)干燥前的獼猴桃片進(jìn)行預(yù)處理，利用LF-NMR和MRI技術(shù)研究不同超聲功率及超聲處理時(shí)間對獼猴桃片中水分狀態(tài)和分布以及后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中水分遷移變化規(guī)律的作用效果，借助掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）的觀察分析預(yù)處理對干燥獼猴桃片的微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合預(yù)處理后營養(yǎng)成分變化、熱風(fēng)干燥特性和熱風(fēng)干燥后色澤和質(zhì)構(gòu)的變化規(guī)律，探究超聲預(yù)處理對獼猴桃及其熱風(fēng)干燥過程的影響，為獼猴桃生產(chǎn)加工提供一定理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的獼猴桃樣品購自大連當(dāng)?shù)厥袌?，品種為徐香，選擇大小均勻，無機(jī)械損傷的樣品，儲存在4 ℃冰箱中備用，使用前平衡至室溫20 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備與處理

超聲預(yù)處理：將平衡至室溫的獼猴桃去皮，切成厚度約為7 mm的獼猴桃片。將獼猴桃片放入裝有去離子水（樣品與去離子水質(zhì)量比為1:4）的500 mL燒杯中，采用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（SCIENTZ-950E，寧波新芝生物科技股份有限公司）并將P6超聲探頭浸入液面下15 mm，分別在200、400和600 W條件下處理10、20和30 min。在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上[5]，結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果確定超聲功率和作用時(shí)間。超聲處理后的樣品用廚房用紙去除表面水分，進(jìn)行核磁信號和營養(yǎng)成分的測定。

熱風(fēng)干燥：將超聲預(yù)處理后的獼猴桃樣品置于電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）中進(jìn)行干燥（以不經(jīng)過預(yù)處理直接熱風(fēng)干燥的獼猴桃片作為對照組），參考文獻(xiàn)[23]確定干燥溫度為60 ℃，以干燥240 min作為干燥終點(diǎn)。選擇相同的干燥時(shí)間作為干燥終點(diǎn)0，為了方便不同處理組之間數(shù)據(jù)的比較，干燥終點(diǎn)時(shí)水分比范圍為0.10～0.14，在熱風(fēng)干燥過程中，每隔60 min取樣進(jìn)行LF-NMR和MRI數(shù)據(jù)測定。

1.2.2 低場核磁共振弛豫曲線的測定

采用低場核磁共振成像分析儀（MesoQMR23-06OH，蘇州紐邁電子科技有限公司）在Carr-Purcell-Meiboom- Gill（CPMG）序列下獲得獼猴桃樣品的衰減信號。采集參數(shù)設(shè)置如下：90°脈沖時(shí)間P1和180°脈沖時(shí)間P2分別為21和42s，重復(fù)采樣的等待時(shí)間TW為4 000s，回波時(shí)間TE為0.5 ms，累加次數(shù)NS為8，回波個(gè)數(shù)NECH為18 000。CPMG衰減數(shù)據(jù)利用多元分析軟件（Multi.Exp.Inv Analysis）中的SRIT算法進(jìn)行反演，獲得樣品的自旋-自旋（2）弛豫分布曲線。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平行樣品數(shù)為3，每個(gè)樣品測定3次。

1.2.3 磁共振成像的測定

采用同一臺低場核磁共振成像分析儀的成像軟件在Spin-Echo（SE）序列下獲得獼猴桃樣品的質(zhì)子密度加權(quán)圖像。主要成像參數(shù)為：視野FOV為100 mm × 100 mm，回波時(shí)間TE為20 ms，重復(fù)時(shí)間TR為1 600 ms，切片厚度為2 mm，層數(shù)為1，平均值為2，相位大小為192。

1.2.4 營養(yǎng)成分的測定

獼猴桃片中營養(yǎng)成分的測定方法如下：可溶性固形物含量使用手持糖度計(jì)進(jìn)行測定[24]，可滴定酸和維生素C含量分別參照酸堿滴定法和2,6-二氯靛酚滴定法進(jìn)行測定[25-26]，總酚含量參考福林酚法進(jìn)行測定[27]，黃酮含量參考比色法進(jìn)行測定[28]。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平行測定3次。

1.2.5 干燥曲線的測定

獼猴桃初始干基含水率參考GB5009.3-2016中的直接干燥法進(jìn)行測定[29]，為（6.52±0.25）g/g。干燥過程中每隔20 min取樣稱質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量損失計(jì)算取樣時(shí)間點(diǎn)獼猴桃片的含水率，然后根據(jù)公式（1）和（2）進(jìn)行水分比及干燥速率（g/(g·min））的計(jì)算。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平行測定5次。

式中M為干燥時(shí)間時(shí)樣品的含水率，g/g；M為最終平衡含水率，g/g（平衡含水率表示物料失水和吸水達(dá)到動態(tài)平衡，水分不能繼續(xù)除去，其數(shù)值較小，相對于M其數(shù)值是可忽略的，因此在進(jìn)行水分比的計(jì)算時(shí)，可將平衡含水率視為0，從而將水分比的計(jì)算公式簡化）；0為初始含水率，g/g；M1為干燥時(shí)間1時(shí)樣品的含水率，g/g；M2為干燥時(shí)間2時(shí)樣品的含水率，g/g。

1.2.6 微觀結(jié)構(gòu)的測定

首先將干燥后的獼猴桃切成薄片，然后用導(dǎo)電膠將切好的薄片固定到SEM（SU8010，日本日立公司）的樣品臺上，樣品進(jìn)行噴金處理后，送樣至SEM觀察腔中，在1 000倍的放大倍數(shù)下進(jìn)行獼猴桃樣品微觀結(jié)構(gòu)的觀察。

1.2.7 色澤的測定

獼猴桃片表面顏色采用測色儀（UltraScan Pro，美國HunterLab公司）進(jìn)行測定，測定結(jié)果以*、*和*值表示，并根據(jù)公式（3）、（4）和（5）進(jìn)行褐變指數(shù)（Browning Index，BI）和總色差（Δ）的計(jì)算。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平行樣品數(shù)為3，每個(gè)樣品選擇8個(gè)表面部位進(jìn)行測定。

式中0*、0*、0*和*、*、*分別為未處理和干燥后獼猴桃片的亮暗度、紅綠度和黃藍(lán)度值。（沒有具體定義，只是中間的一個(gè)計(jì)算公式）

1.2.8 質(zhì)構(gòu)的測定

使用物性測試儀（TA.XT.plus，英國 Stable Micro System 公司）對經(jīng)過不同預(yù)處理的獼猴桃片干燥后的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行測定，測試模式設(shè)為TPA，參數(shù)設(shè)定為：測試前期、中期、后期的速度分別為2、1、2 mm/s，每個(gè)樣品經(jīng)過兩次50%的壓縮循環(huán)，時(shí)間相隔5 s。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平行樣品數(shù)為5。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，數(shù)據(jù)間的差異顯著性采用單因素方差分析（ANOVA）方法（SPSS 19軟件）進(jìn)行分析，<0.05表示存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。使用Origin 8.5軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲預(yù)處理對獼猴桃片中水分狀態(tài)的影響

首先利用LF-NMR研究獼猴桃片中的水分狀態(tài)在超聲預(yù)處理過程中的變化，結(jié)果如圖1所示。圖1a是對照未超聲處理的和200、400和600 W超聲預(yù)處理10 min時(shí)獼猴桃片的2弛豫分布曲線圖。從圖中可以看出，對照組未超聲處理的獼猴桃片中主要含有三種水組分：其中流動性最低的21為細(xì)胞壁中的水分，流動性居中的22為細(xì)胞質(zhì)和胞外間隙中的水分，流動性最強(qiáng)的23為液泡中的水分[30-31]。與對照組未超聲處理的獼猴桃片相比，超聲預(yù)處理會引起23弛豫峰出現(xiàn)右移現(xiàn)象，同時(shí)峰值降低，說明超聲預(yù)處理會引起獼猴桃片內(nèi)部水分流動性的增加和水分含量的減少。另外，超聲功率越大，23峰值降低的幅度越明顯，并出現(xiàn)23峰的分裂。圖1b、圖1c和圖1d分別是超聲功率200、400和600 W分別預(yù)處理10、20和30 min時(shí)獼猴桃片的2弛豫分布曲線圖。200 W超聲預(yù)處理?xiàng)l件下，超聲時(shí)間的延長會進(jìn)一步引起獼猴桃片中的23水組分含量的降低；而400和600 W作用10 min時(shí)，23弛豫峰信號幅值出現(xiàn)明顯下降，但進(jìn)一步延長超聲作用時(shí)間卻不會引起峰值的更明顯的降低，但會引起22與23弛豫峰的融合。以上結(jié)果說明超聲預(yù)處理會引起獼猴桃片內(nèi)部水分狀態(tài)和分布的改變，這可能與超聲波的機(jī)械作用和空化作用有關(guān)[32]。通過不同超聲功率處理10 min和相同超聲功率作用不同時(shí)間的低場核磁共振弛豫曲線的變化結(jié)果比較得出，超聲功率的增加比超聲時(shí)間的延長對獼猴桃片中水分狀態(tài)和分布的影響更明顯，尤其是比較23弛豫峰的變化，超聲功率400和600 W時(shí)，超聲作用10 min時(shí)23的信號幅值降低較明顯，繼續(xù)延長超聲時(shí)間僅引起略微的變化。

2.2 超聲預(yù)處理對獼猴桃片營養(yǎng)成分的影響

2.2.1 可溶性固形物和可滴定酸

圖2a和2b分別展示了超聲預(yù)處理對獼猴桃片中可溶性固形物和可滴定酸的影響。對照組未超聲處理的獼猴桃片中可溶性固形物和可滴定酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.5%和1.60%。超聲預(yù)處理會引起可溶性固形物和可滴定酸含量的降低：相同超聲功率時(shí)，超聲時(shí)間越長，可溶性固形物和可滴定酸含量下降越明顯；相同超聲作用時(shí)間時(shí)，超聲功率越大，總體上可溶性固形物和可滴定酸含量下降也越明顯，但沒有延長超聲時(shí)間引起的下降明顯。這可能是由于超聲預(yù)處理引起了獼猴桃片和超聲介質(zhì)之間的物質(zhì)的交換和轉(zhuǎn)移[32]。

2.2.2 抗氧化成分

超聲預(yù)處理對獼猴桃片中維生素C、總酚和黃酮含量的影響如圖3所示。從圖3a中可以看出，與對照組未超聲處理的樣品相比，超聲預(yù)處理會引起維生素C的降低，超聲時(shí)間越長，下降得越顯著，600 W預(yù)處理30 min時(shí)獼猴桃片中維生素C的含量最低。這可能與維生素C的溶出以及氧化降解有關(guān)，因?yàn)槌暱栈饔媚芤鹆u基自由基的產(chǎn)生[33]。從圖3b可以看出，200、400和600 W功率下分別作用10、20和30 min時(shí)，總酚含量均隨超聲時(shí)間的延長先升高后降低，在作用20 min時(shí)達(dá)到最高，但低于對照組未超聲處理的獼猴桃片中的總酚含量。這一結(jié)果表明適當(dāng)延長超聲預(yù)處理時(shí)間可以增加對獼猴桃片中的總酚物質(zhì)的提取，可能是超聲對細(xì)胞壁起到了一定的破壞作用，促進(jìn)了結(jié)合酚類成分的釋放[34]。從圖3c可以看出，超聲預(yù)處理均會引起獼猴桃片中黃酮含量的降低，超聲功率400和600 W時(shí)，隨著超聲時(shí)間的增加，黃酮含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，原因可能是高功率處理對細(xì)胞壁的破壞作用一方面能夠促進(jìn)黃酮類物質(zhì)的釋放，另一方面釋放出的黃酮類物質(zhì)容易氧化，引起損失[35]。

2.3 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥特性的影響

圖4是不同超聲預(yù)處理的獼猴桃片在熱風(fēng)干燥過程中水分比和干燥速率的變化情況。與以前報(bào)道一致[22]，在熱風(fēng)干燥過程中，隨著獼猴桃片中水分的蒸發(fā)散失，水分比逐漸減小。未超聲預(yù)處理的對照組樣品，干燥240 min后的水分比為0.13±0.04；200 W超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中水分比的影響較小，處理10、20和30 min的樣品干燥240 min后的水分比分別為0.14±0.04、0.13±0.04和0.14±0.06；400 W超聲預(yù)處理的獼猴桃片干燥后的水分比均低于對照組，隨超聲預(yù)處理時(shí)間增加其數(shù)值分別為0.11±0.04、0.12±0.04和0.12±0.04；600 W超聲預(yù)處理10、20和30 min的獼猴桃片干燥終點(diǎn)時(shí)的水分比分別為0.13±0.06、0.10±0.05和0.10±0.04。與對照組相比，超聲預(yù)處理組干燥終點(diǎn)時(shí)的水分比差異不顯著（>0.05）；不同超聲預(yù)處理會引起獼猴桃片含水率的變化，熱風(fēng)干燥初始的含水率范圍為5.95～6.88 g/g。

由干燥速率曲線可以看出，獼猴桃片的熱風(fēng)干燥過程主要為降速干燥，各組樣品的干燥速率均在干燥20 min后達(dá)到最大值，隨著干燥過程的持續(xù)進(jìn)行和水分含量的逐漸降低，組織收縮程度增大，對水分的束縛力和阻力也隨之增大，獼猴桃片內(nèi)部水分向外層轉(zhuǎn)移的速度低于表面水分的蒸發(fā)速度，致使干燥速率不斷減小。和對照組相比，200 W作用10、20和30 min后的平均干燥速率分別提高了7.6%、9.7%和11.3%；400 W作用10、20和30 min后的平均干燥速率分別提高了14.6%、11.4%和17.5%；600 W作用10、20和30 min后的平均干燥速率分別提高了14.1%、16.0%和16.7%。這與超聲產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)以及超聲引起的微觀通道的形成、細(xì)胞間隙的增大和組織結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張有關(guān)，從而加速了水分的遷移擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程的強(qiáng)化[18,36]。

2.4 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中水分狀態(tài)的影響

根據(jù)圖1中超聲預(yù)處理對獼猴桃片水分分布和狀態(tài)的影響結(jié)果，400 和600 W作用10 min時(shí)23弛豫峰基本上已達(dá)到最低，繼續(xù)增加超聲時(shí)間不會進(jìn)一步引起23弛豫峰的變化，因此對照組和200、400和600 W超聲預(yù)處理選擇10 min的獼猴桃片在熱風(fēng)干燥過程中的2弛豫分布曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，無論是否進(jìn)行超聲預(yù)處理，隨著干燥過程的持續(xù)進(jìn)行，2弛豫峰整體向左下方移動，橫向弛豫時(shí)間縮短，峰值幅度減小，表明在干燥階段獼猴桃片中的水分流動性和水分含量不斷下降。超聲功率對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程也會產(chǎn)生影響，隨著超聲預(yù)處理功率增加，弛豫峰的左移程度和信號幅值的下降幅度逐漸增大，說明大功率超聲預(yù)處理能夠加快獼猴桃片中水分的蒸發(fā)。圖6是對照和200、400和600 W超聲預(yù)處理10 min的獼猴桃片在熱風(fēng)干燥240 min時(shí)的2弛豫分布曲線，從圖6中可以看出，和對照組相比，200 W預(yù)處理10 min對干燥終點(diǎn)水分狀態(tài)和水分含量的影響不明顯，而400和600 W預(yù)處理10 min均能夠減小干燥終點(diǎn)的水分流動性和水分含量，其中600 W時(shí)2弛豫峰信號值最低?；?.1部分的結(jié)果，200 W預(yù)處理時(shí)延長超聲時(shí)間能夠引起獼猴桃片中水分含量的進(jìn)一步降低，因此在圖7中比較了200 W分別作用10、20和30 min對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中的2弛豫分布曲線的影響。

從圖7中可以看出，延長超聲時(shí)間對獼猴桃片干燥過程中的水分狀態(tài)的改變和含量的減少具有輕微的促進(jìn)作用，但效果沒有提高超聲功率明顯。以上結(jié)果說明，提高超聲功率和延長超聲時(shí)間，空化效應(yīng)和海綿效應(yīng)的作用更顯著，對獼猴桃片內(nèi)部水分狀態(tài)和分布的作用效果也越顯著，從而加速了獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中水分的遷移和脫除[37-38]。

2.5 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中水分分布的影響

圖8是不同超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中的質(zhì)子密度加權(quán)圖像。從圖中可以看出，對照組未超聲處理的獼猴桃片中水分含量相對較高但分布不均勻，中心部位水分含量低于四周。超聲預(yù)處理可以引起內(nèi)部水分重新分布，低功率和短時(shí)間超聲預(yù)處理對水分重新分布的作用效果不明顯，而高功率和長時(shí)間超聲預(yù)處理后，獼猴桃片內(nèi)部水分分布逐漸趨于均勻。隨著熱風(fēng)干燥時(shí)間的延長，成像圖中紅色的區(qū)域面積不斷減少，信號強(qiáng)度不斷下降，說明水分含量逐漸降低。從圖中還可以看出，獼猴桃片在熱風(fēng)干燥過程中表面的水分首先蒸發(fā)，然后內(nèi)部水分再向表面擴(kuò)散并蒸發(fā)，這是由于熱風(fēng)干燥首先帶走物料表面的水分。另外，不同的預(yù)處理?xiàng)l件也會影響獼猴桃片熱風(fēng)干燥過程中的水分分布情況：干燥結(jié)束后，經(jīng)過超聲預(yù)處理的獼猴桃片中紅色面積小于對照組；隨著超聲時(shí)間的延長和超聲功率的增大，紅色區(qū)域的面積更小，說明干燥過程中水分蒸發(fā)的速度更快。

2.6 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥后微觀結(jié)構(gòu)的影響

利用SEM對不同超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，對照組獼猴桃樣品的微觀結(jié)構(gòu)較為均勻和緊湊，而超聲預(yù)處理組干燥后的樣品內(nèi)部出現(xiàn)了不同數(shù)目的微孔道和不同程度的褶皺，這可能是因?yàn)槌暡ǖ目栈?yīng)產(chǎn)生空化氣泡，氣泡破裂沖擊樣品產(chǎn)生新的微觀通道，同時(shí)引起震蕩和攪動，使樣品組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，形成褶皺[36,39]。隨著超聲功率和超聲時(shí)間的增加，超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)更加明顯，微孔道數(shù)目和褶皺增多，能夠促進(jìn)干燥過程中水分的流動和遷移。但是，600 W超聲預(yù)處理30 min組熱風(fēng)干燥后樣品的微觀結(jié)構(gòu)比超聲預(yù)處理20 min組熱風(fēng)干燥后的樣品更致密，微孔道孔徑變小，這可能是由于600 W超聲預(yù)處理30 min形成的微孔道更多，使獼猴桃在熱風(fēng)干燥中水分蒸發(fā)的更快，樣品在干燥過程中的收縮程度更大，導(dǎo)致觀察到的微觀結(jié)構(gòu)更緊湊。

2.7 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥后色澤的影響

不同超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的色澤參數(shù)如表1所示。其中，*值為亮暗度，*值為紅綠度，*值為黃藍(lán)度，BI值用來評價(jià)褐變程度，Δ值用來評價(jià)總體色澤變化。與對照組相比，超聲預(yù)處理對獼猴桃片干燥后的*值和*值均沒有產(chǎn)生顯著影響（>0.05），說明亮度和黃藍(lán)度與對照組接近。超聲預(yù)處理會引起干燥后獼猴桃片*值的變化，但不同預(yù)處理組和對照組之間的差異均未達(dá)到顯著性水平（>0.05）。

此外，除400 W超聲預(yù)處理10 min組外，超聲預(yù)處理使獼猴桃片干燥后的褐變指數(shù)略有升高，但總色差值沒有顯著性差異（>0.05）。褐變指數(shù)的變化可能與預(yù)處理過程中獼猴桃中天然物質(zhì)的損失、自由基的產(chǎn)生以及酶活性的增強(qiáng)等因素有關(guān)[40-41]。綜上可知超聲預(yù)處理可以保持獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的色澤。

2.8 超聲預(yù)處理對獼猴桃片熱風(fēng)干燥后質(zhì)構(gòu)的影響

不同超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的質(zhì)構(gòu)參數(shù)如表2所示。從表2中可以看出，和對照組相比，超聲預(yù)處理導(dǎo)致獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的硬度、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性顯著降低（<0.05）；除600 W預(yù)處理30 min組外，降低的程度均隨超聲功率和超聲時(shí)間的增加而增大。這可能與超聲預(yù)處理引起的獼猴桃片微觀結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)，超聲使獼猴桃片內(nèi)部出現(xiàn)變形和塌陷，形成微觀通道，與未經(jīng)預(yù)處理直接熱風(fēng)干燥后形成的致密緊湊的結(jié)構(gòu)相比，超聲預(yù)處理樣品的組織結(jié)構(gòu)更加疏松多孔。周頔等[42]報(bào)道了經(jīng)超聲預(yù)處理的凍干蘋果片與未經(jīng)超聲處理的樣品相比硬度下降。而600 W超聲預(yù)處理30 min的樣品干燥后的硬度、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性高于600 W預(yù)處理20 min的樣品，原因可能是樣品在干燥過程中失去的水分較多，組織結(jié)構(gòu)的收縮程度較大，從而使質(zhì)構(gòu)參數(shù)增加。但是，超聲預(yù)處理對彈性和內(nèi)聚性均沒有顯著性影響（>0.05），說明干燥產(chǎn)品的形變恢復(fù)速度以及產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗斷裂能力和抵抗力沒有發(fā)生明顯改變。以上結(jié)果表明，超聲預(yù)處理能夠改善或維持獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的質(zhì)構(gòu)特性。

綜合分析超聲預(yù)處理對水分狀態(tài)、營養(yǎng)成分和后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中干燥特性、水分遷移規(guī)律和品質(zhì)的影響，超聲功率400 W作用20 min或600 W作用10 min較適宜獼猴桃的熱風(fēng)干燥預(yù)處理。

表1 不同條件超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的色澤參數(shù)

注：相同列中不同的小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (<0.05), the same below.

表2 不同條件超聲預(yù)處理的獼猴桃片熱風(fēng)干燥后的質(zhì)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié) 論

本文對不同超聲預(yù)處理對獼猴桃片的水分遷移、品質(zhì)變化及熱風(fēng)干燥特性的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）由LF-NMR弛豫結(jié)果可知超聲預(yù)處理能夠使獼猴桃片中的水分含量減少、流動性增加和重新分布，從而加快了熱風(fēng)干燥過程中水分狀態(tài)和含量的改變，提高超聲功率相比延長超聲時(shí)間對獼猴桃片內(nèi)部水分遷移的促進(jìn)效果更明顯。

2）與對照組未超聲處理的樣品相比，超聲預(yù)處理后獼猴桃片中的營養(yǎng)成分含量下降，可溶性固形物、可滴定酸和維生素C含量隨超聲功率和時(shí)間的增加逐漸降低，總酚和黃酮含量隨超聲時(shí)間延長先增大后減小。

3）超聲預(yù)處理在獼猴桃片內(nèi)部產(chǎn)生微觀通道和褶皺，從而促進(jìn)了獼猴桃片中水分狀態(tài)和分布的改變，加速了熱風(fēng)干燥過程中水分的流動，使干燥速率提高了7.6%～17.5%。磁共振成像圖像顯示干燥過程中水分由獼猴桃片外表面向內(nèi)部不斷脫除。

4）超聲預(yù)處理能夠保持獼猴桃片干燥后的色澤，同時(shí)，與未預(yù)處理的對照組相比，使獼猴桃片干燥后的硬度、膠著度、咀嚼度和回復(fù)性減小（<0.05）。

綜合分析超聲預(yù)處理對水分狀態(tài)、營養(yǎng)成分和后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中干燥特性、水分遷移規(guī)律和品質(zhì)的影響，超聲功率400 W作用20 min或600 W作用10 min較適宜獼猴桃的熱風(fēng)干燥預(yù)處理，結(jié)果為超聲預(yù)處理在獼猴桃熱風(fēng)干燥中的應(yīng)用提供一定的參考。

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Liu Yunhong, Sun Changying, Zeng Ya. Effect of contact ultrasound power on internal moisture migration of pear slices during ultrasound enhanced hot air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 284-292. (in Chinese with English abstract)

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Effects of ultrasound pretreatment on water state and hot-air drying characteristics of kiwifruit

Yuan Lijing, He Xiu, Lin Rong, Cheng Shasha※

(1. School of Food Science and Technology, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China; 2. National Engineering Research Center of Seafood, Dalian 116034, China)

drying is one of the most commonly used food processing methods. It can prolong the shelf life by reducing water activity and inhibiting quality degradation caused by microbial and enzyme reactions. In order to further clarify the effect of ultrasonic pretreatment on the quality of kiwifruit, the effects of ultrasonic power (200-600 W) and ultrasonic time (10-30 min) on the water state and distribution and nutritional components (total soluble solids, titratable acids, vitamin C, total phenols and total flavonoids) of kiwifruit slices were studied.In this paper, drying characteristics and moisture migration during subsequent hot-air drying, as well as the microstructure, color and texture characteristics of dried samples were investigated.The water state, distribution and migration of kiwifruit slices were monitored by Low Field Nuclear Magnetic Resonance (LF-NMR) and Magnetic Resonance Imaging (MRI), and the microstructure of kiwifruit slices was observed by Scanning Electron Microscope (SEM).The results of LF-NMR relaxation showed that there were three water components in kiwifruit, labeled21,22and23, respectively. They represented the water with the lowest fluidity in the cell wall, the water in the cytoplasm and extracellular space, and the water with the highest fluidity in the vacuole. Ultrasonic pretreatment could lead to the splitting of23relaxation peak and the decrease of23peak amplitude, suggesting the redistribution of water in kiwifruit slices. At the same time, the greater the ultrasonic power, the longer the ultrasonic time, and the more obvious the drying effect. Compared with untreated samples, ultrasonic pretreatment reduced the contents of total soluble solids, titratable acids, vitamin C, total phenols and total flavonoids in kiwifruit slices. The LF-NMR results of hot air drying showed that the water redistribution caused by ultrasonic pretreatment could accelerate the moisture migration during hot air drying. MRI found that the brightness area of kiwi slices decreased with the extension of drying time, and the red gradually decreased, indicating the decrease of water during drying. In addition, MRI images also showed that the moisture on the surface of kiwifruit slices was first removed during hot air drying, and then the internal moisture migrated to the surface for evaporation. Scanning Electron Microscope (SEM) images showed that micro channels and folds were formed in kiwifruit slices after ultrasonic pretreatment. These channels and folds led to the changes of water state and distribution, and accelerated the migration and removal of water during hot air drying. Compared with the control sample, ultrasonic pretreatment increased the drying rate of hot air drying process by 7.6% - 17.5%. In addition, ultrasonic pretreatment had no significant effect on the total color difference of dried kiwifruit slices (>0.05), but decreased the hardness, cohesiveness, chewiness and resilience of dried kiwifruit slices (<0.05). The results showed that ultrasonic pretreatment could accelerate the hot air drying speed and improve the texture characteristics of kiwifruit by changing the microstructure, water state and distribution of kiwifruit, but it would cause the loss of some nutrients. On this basis, the pretreatment conditions of ultrasound power 400 W for 20 min or 600 W for 10 min were more suitable. The research results provide a reference for the application of ultrasonic pretreatment in the hot-air drying of kiwifruit.

ultrasound; moisture; kiwifruit; hot-air drying; low-field nuclear magnetic resonance; quality

苑麗婧，何秀，林蓉，等. 超聲預(yù)處理對獼猴桃水分狀態(tài)及熱風(fēng)干燥特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(13)：263-272.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.030 http://www.tcsae.org

Yuan Lijing, He Xiu, Lin Rong et al. Effects of ultrasound pretreatment on water state and hot-air drying characteristics of kiwifruit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 263-272. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.030 http://www.tcsae.org

2021-04-14

2021-06-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC1600802）；大連市青年科技之星項(xiàng)目（2017RQ059）

苑麗婧，研究方向?yàn)槭称芳庸づc貯藏品質(zhì)控制。Email：1169904403@qq.com

程沙沙，副教授，研究方向?yàn)槭称芳庸づc貯藏品質(zhì)控制。Email：chengshasha880321@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.030

TS255.3

A

1002-6819(2021)-13-0263-10