超声波强化菠萝渗透脱水工艺

任仙娥，何 仁，黄永春，张建苗，杨 锋

(广西工学院生物与化学工程系，广西 柳州 545006)

超声波强化菠萝渗透脱水工艺

任仙娥，何 仁，黄永春，张建苗，杨 锋

(广西工学院生物与化学工程系，广西 柳州 545006)

研究超声波强化菠萝渗透脱水的工艺过程。结果表明超声波强化菠萝渗透脱水的优化工艺条件：超声波频率中(48.1kHz)、超声波功率300W、糖液质量分数60%、糖液温度60℃、超声波作用时间40min，在此工艺条件下菠萝脱水率可达到41.41%。超声波强化技术能提高菠萝渗透脱水过程中的传质速率，缩短脱水时间。

超声波；菠萝；渗透脱水

果蔬渗透脱水是指在一定温度下，将水果或蔬菜浸入高渗透压的溶液，即糖溶液或盐溶液中，利用细胞膜的半渗透性使物料中水分转移到溶液中，达到除去部分水分的一种技术[1-2]。目前，已有学者对苹果[3]、杏[4]、胡萝卜[5]、蓝莓[6]、红辣椒[7]、香蕉[8]、番石榴[9]等果蔬的渗透脱水过程进行研究，取得了很多研究成果，促进了果蔬加工业的发展。但是，果蔬的渗透脱水是非常缓慢的过程，近年来许多试验试图在不影响最终产品质量的前提下，利用高新技术，如高静水压[10]、电场[7]、超声波[11]、真空[12]和离心[13]等来强化这一过程，提高物质的迁移速率。本实验将超声波强化技术应用到菠萝的渗透脱水过程中，旨在为脱水菠萝产品的生产提供一定的理论基础，促进菠萝产业的发展。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

菠萝、白砂糖(一级) 市购。

JBT/C-YCL40T0超声波药品处理机 济宁金百特工程机械有限公司；MODEL WYT-4手持糖度计 福建省泉州光学仪器厂；HH-8数显电热恒温水浴锅 国华电器有限公司；ZFD-5250全自动新型鼓风干燥箱 福建省龙溪教学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 菠萝渗透脱水工艺流程

菠萝清洗、去皮、切片→加入菠萝质量8倍的糖液→超声波处理一定时间→取出、清洗表面黏附的糖液、吸干表面水分→称质量、计算物料脱水率

1.2.2 脱水率的测定

将经过渗透脱水的菠萝片取出，用水冲洗黏附于菠萝表面的渗透液，表面擦干后称质量，用下式计算菠萝的脱水率[16]。

式中：X为脱水率/%；m0为原始物料的质量/g；mt为渗透t时刻物料的质量/g。

2 结果与分析

2.1 超声波强化菠萝渗透脱水单因素试验

2.1.1 超声波处理频率的选择

在糖液质量分数50%、糖液温度60℃、超声波输出功率250W条件下，分别按照低(25.2kHz)，中(48.1 kHz)，高(68.0kHz)的超声频率进行试验，处理60min，平行试验3次，通过计算脱水率测定超声波频率对菠萝渗透脱水的影响，结果如图1所示。

图1 超声波频率对菠萝渗透脱水的影响Fig.1 Effect of ultrasonic frequency on osmotic dehydration of pineapple

由图1可知，随着超声波处理频率的增大，菠萝脱水率增加。在超声场处理频率由低到中内表现得特别明显，脱水率增幅较大。当频率达到中后，再提高频率，脱水率增加不明显，另外考虑到单纯增加超声频率，将会增加生产耗能，所以超声频率选择中档(48.1kHz)为宜。

2.1.2 超声波功率的选择

在糖液质量分数50%、糖液温度为60℃、超声波频率中(48.1kHz)的条件下，分别调节超声波输出功率为150、200、250、300、350W进行试验，处理60min，平行试验3次，通过计算脱水率测定超声波功率对菠萝渗透脱水的影响，结果如图2所示。

图2 超声波功率对菠萝渗透脱水的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on osmotic dehydration of pineapple

由图2可知，超声波的功率对菠萝渗透脱水的影响较大。随着超声波功率的增大，菠萝的脱水率增加，这是由于超声波功率增大，产生的空化效应增强，渗透脱水的传质速率加快，脱水率增加[14]，但当功率达到300W后，脱水率增幅不明显。

2.1.3 超声波处理时间的选择

在糖液质量分数50%、糖液温度60℃、超声波频率中(48.1kHz)、超声波功率300W的条件下，分别处理20、40、60、80、100min，平行试验3次，通过计算脱水率测定超声波处理时间对菠萝渗透脱水的影响，结果如图3所示。

图3 超声波作用时间对菠萝渗透脱水的影响Fig.3 Effect of ultrasonic treatment time on osmotic dehydration of pineapple

由图3可知，菠萝脱水率随着超声波处理时间的增长而增加，这是由于超声作用时间越长，其产生的空化作用时间越长，即强化传质作用时间越长。在超声场处理条件下处理时间为在20～40min内表现得特别明显，脱水率提高了1 3%左右。当超声处理时间达到40min后，再增加时间，脱水率增加不明显，所以超声处理时间以40min左右为宜。

2.1.4 糖液质量分数的选择

在糖液温度60℃、超声波频率中(48.1kHz)、超声波功率3 0 0 W的条件下，选择糖液质量分数分别为15%、30%、45%、60%、75%)，处理40min，平行试验3次，通过计算脱水率测定糖液浓度对菠萝渗透脱水的影响，结果如图4所示。

图4 糖液质量分数对超声波渗透脱水的影响Fig.4 Effect of sugar concentration on osmotic dehydration of pineapple

由图4可知，菠萝的脱水率随着糖液质量分数的增加而增加，这是因为渗透脱水是物料中的水分向溶液扩

散，同时溶质从高浓度向低浓度扩散的过程，其扩散速率取决于浓度梯度[15]。浓度梯度越大，其扩散速率就越快，致使脱水率随着渗透液浓度的增加而增加。但是当糖液质量分数超过60%后，溶液的黏度升高，外部传质阻力增大，影响扩散速率，所以脱水率此时增幅不大。

2.1.5 糖液温度的选择

在糖液质量分数60%、糖液温度60℃、超声波频率中(48.1kHz)、超声波功率300W的条件下，分别选择糖液温度为40、50、60、70、80℃，处理40min，平行试验3次，通过计算脱水率测定糖液温度对菠萝渗透脱水的影响，结果如图5所示。

图5 糖液温度对超声波渗透脱水的影响Fig.5 Effect of sugar temperature on osmotic dehydration of pineapple

由图5可看出，菠萝失水率与糖液的温度有很大关系。随着糖液温度的升高，菠萝失水率有一定的提高，这是因为温度增加，物料内外物质的迁移速率加快，致使脱水率加快。在超声场处理条件下糖液温度在40～60℃内表现得特别明显，脱水率增幅很大。当糖液温度达到60℃后，再提高温度，脱水率增加不明显，因此糖液温度以60℃左右为宜。

2.2 超声波强化菠萝渗透脱水正交试验

在单因素试验的基础上，选取超声波频率为中(48.1 kHz)，以超声波作用时间、超声波功率、糖液质量分数和糖液温度为试验因素，采用正交试验L9(34)来优化菠萝渗透脱水的工艺条件，因素水平表见表1，结果见表2和表3。

表1 正交试验因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal experiments

由正交试验的极差分析和方差分析结果表明，影响菠萝渗透脱水的主次因素：A＞B＞D＞C，即超声波作用时间＞超声波功率＞糖液质量分数＞糖液温度，并且因素A和B即超声波作用时间和超声波功率对菠萝渗透脱水影响显著。最佳工艺为A2B2C2D2，即超声波作用时间为40min、超声波功率300W、糖液质量分数60%、糖液温度为60℃，此条件在正交表中未出现，经验证试验在此条件下超声波强化菠萝渗透脱水的脱水率为41.41%。

表2 正交试验设计及结果Table2 Results of orthogonal experiments

表3 正交试验方差分析表Table3 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 超声波强化渗透脱水和自然渗透脱水过程的比较

图6 菠萝在超声波强化渗透脱水和自然渗透脱水过程的比较Fig.6 Comparison on dehydration rates of pineapple by using ultrasonic osmotic dehydration and nature osmotic dehydration

由图6可知，超声波强化可以加快菠萝渗透脱水的传质速率，大大缩短脱水的时间。在自然渗透脱水过程中，需要3～4h，菠萝的脱水率才能达到40%以上，而超声波强化过程中，只需要40～60min，菠萝的脱水率就可以达到40%以上。

3 讨论与结论

3.1 超声波强化菠萝渗透脱水的优化工艺条件为超声波频率中档(48.1kHz)、超声波功率300W、糖液质量分数60%、糖液温度60℃、超声波作用时间40min，在此工艺条件下菠萝的脱水率可达到41.41%。

3.2 与自然渗透脱水过程相比，超声波强化可以提高菠萝在渗透脱水过程中的传质速率，大大缩短脱水时间。

3.3 经过超声波强化渗透脱水的菠萝含有中等水分，依然保留菠萝原有的色泽、风味和营养成分，可作为甜点心、酸奶、冰淇淋、果脯、果酱等的优质原料，进一步提高菠萝的利用价值和经济效益。同时在生产中，渗透脱水作为菠萝加工的一种前处理方式，与干燥、冷冻和罐藏等方法组合使用，由于体积和质量的减少，可大大节省能耗。

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Osmotic Dehydration of Pineapple Enhanced by Ultrasonic Treatment

REN Xian-e，HE Ren，HUANG Yong-chun，ZHANG Jian-miao，YANG Feng
(Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China)

In this paper, the osmotic dehydration processing of pineapple after ultrasonic treatment was investigated. Results showed that the optimal dehydration conditions were moderate ultrasonic frequency (48.1 kHz), ultrasonic power of 300 W, sugar concentration of 60%, sugar temperature at 60 ℃, ultrasonic treatment time of 40 min. Under these optimal dehydration conditions, the dehydration rate of pineapple was 41.41%. Ultrasonic treatment could improve mass transfer rate and decrease osmotic dehydration time.

ultrasonic treatment；pineapple；osmotic dehydration

TS 255.36

A

1002-6630(2010)22-0279-04

2010-06-30

任仙娥(1979—)，女，实验师，硕士，研究方向为食品生物技术。E-mail：rxe12@sina.com