超声波辅助渗透脱水预处理的农产品干制研究进展

兰冬梅，许 平，林晓岚，胡树国，朱巧巧，王 鸣

(福建农林大学食品科学学院，福建 福州350002)

渗透脱水是将果蔬浸入到高渗透压溶液(糖溶液或盐溶液)，利用细胞膜的半渗透性使原材料中的水分转移到糖溶液或者盐溶液中，以达到除去果蔬组织中部分水分的加工方法。渗透脱水能够较好地保持果蔬的加工后品质和特性［1］，且渗透脱水耗能低、场地占用小、设备简单和易于操作，便于与其他干燥方式联合［2］，传统的鱼肉、蔬菜的腌制及糖制都属于该范畴。传统的渗透脱水时间较长，物料脱水速度较慢。近年来，在不影响产品品质的前提下，一些高新技术如:超声波、电场、离心、真空等被用于强化渗透脱水效果。

超声波具有快速、经济适用、高效安全的优点，在工业、食品、医学、化工、机械方面都有广泛应用［3］。工程学上用于水下定位与通讯、地下资源勘查;生物学上用于剪切大分子、生物工程及处理种子;诊断学上用于双功及彩超;在医学上用于理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科;食品科学上用于天然物的萃取、均质乳化、杀菌等［4］。超声技术可提高农产品渗透脱水的脱水效率和营养保持率。本文主要综述近年来超声波对农产品渗透脱水辅助作用的研究进展，以期为超声波辅助农产品渗透脱水技术的研究提供参考。

1 渗透脱水

1.1 渗透脱水的主要影响因素

1.1.1 原材料的组织特性 影响原材料组织特性的因素包括:品种、大小、形状、成熟度、可溶性固形物含量、含水量、密度、酶活力等。这些因素影响果蔬、鱼肉原料的组织特性，从而影响物质的迁移过程，使渗透脱水效果受到影响。张晓敏［5］采用片状和丁状两种切分方式研究板栗渗透脱水，当失水率达到10%时，片状样品需2.5 h，丁状样品需3.5 h，说明切分厚度会影响渗透脱水速率;任世英［6］研究了切段和切丝两种切分方式对四季豆渗透脱水的影响，结果表明，切丝样品60 min 内失水率基本恒定，而切段样品的失水率在180 min 还未达到稳定。以上研究均表明原材料形状、大小影响渗透脱水速率。此外，果蔬表皮含有蜡质成分，影响分子迁移，从而影响渗透脱水过程。

1.1.2 渗透液的种类 渗透液对渗透脱水过程的影响主要由渗透压引起。渗透压是水分在物料与溶液之间扩散的推动力，而渗透压与单位体积溶液中所含的分子或者离子数有关。溶液浓度相同，分子量越大，粒子数越少，则渗透压越低，反之则渗透压越高。例如相同的渗透压，蔗糖溶液比葡萄糖溶液浓度高。

常用的渗透液溶质包括:蔗糖、葡萄糖、NaCl、麦芽糖以及糊精类等［7］。水果渗透脱水多用糖溶液;蔬菜、鱼肉常用NaCl 溶液［8］。渗透脱水产品品质受渗透液溶质的影响很大。蓝莓渗透脱水达到50%失水率时，蔗糖溶液的脱水速度低于高果糖浆，这是因为高果糖浆由果糖和葡萄糖组成，而果糖和葡萄糖的分子比蔗糖小，造成蔗糖的扩散系数小，脱水速度变慢［9］;浓度为10% －15%NaCl 溶液与60%蔗糖溶液渗透压相当;渗透压相同时，葡萄糖溶液浓度低于蔗糖溶液［10］。

1.1.3 渗透液的温度及浓度 渗透液的温度主要影响原材料的失水率、溶质渗入率及原材料风味等因素。温度提高，分子运动增加，传质速率提高，原材料失水率提高，而渗入率也会提高，则风味受到影响，有些原材料还会出现褐变、营养素流失、组织变软等［11］导致品质下降的情况。因此温度的选择应当在保证原材料风味的前提下，达到原材料失水率与渗透溶质增加的高比值。非特殊情况无需额外加热。

渗透液浓度影响渗透液与细胞间的渗透压差［12］，浓度越高，压差越大，则原材料失水率越大，并且随之粘度也会增大，导致水的扩散速度降低，总扩散速度则相应降低，并且粘度增大对搅拌速度也会产生影响。因此，渗透液浓度的选择要考虑原材料的材质与组织特性，并且考虑搅拌速度等因素。

1.1.4 操作条件 渗透液与原材料质量比、渗透脱水时间以及渗透脱水过程的搅拌与否都会影响渗透脱水产品品质。合理的渗透液与原材料质量比，能够保证合理的渗透脱水时间和速率。当渗透液与原材料质量比为10∶1 及以上时，可以有效提高渗透速度［13］。渗透脱水在3 h 内的脱水速率最快，在此时间段内，时间越长，失水率越高;但时间过长会造成产品品质的下降，因此渗透脱水时间应控制在4 －5 h［14］。

1.2 渗透脱水的传质动力学研究

渗透脱水的传质学研究［15］主要为实现渗透脱水过程的可控制性和可预测性。渗透脱水主要包括水分和固形物的质量传递。水分质量传递是水分从原材料内部向溶液中扩散［16］;固形物质量传递是溶液中的固形物向原材料内部扩散的过程，这两种过程方向相反且同时发生。不同的生产要求对两者的要求不尽相同，水果蜜饯生产过程要求糖分充分浸入，而蔬菜脱水则要求控制溶质的渗入量。王顺民等［17］研究莴笋超声波辅助渗透脱水表明，渗透剂种类、渗透剂质量分数、渗透温度和超声波功率等因素都会对莴苣渗透脱水产生影响，通过试验所得莴笋超声波辅助渗透最佳工艺条件为:质量分数为42%的蔗糖作为渗透剂，超声波功率为200 W，温度为58 ℃，时间为149 min，在此条件下莴笋失水率和固形物增加率分别为1109%和342%，这说明超声波辅助渗透脱水需要渗透液、操作条件等因素相互协调控制。目前已经初步建立水分和溶质的传质模型，其目的是检测渗透过程的动态变化。水传质过程的主要研究方法有两种:Fick 第二定律的非稳态传质过程［18］和Peleg 方程模拟渗透平衡［19－20］。

原材料的渗透脱水主要是物质的迁移。最外层的细胞最先由于浓度差失水，细胞内浓度升高，并与内层细胞产生浓度差，则水分由第2 层细胞向第1 层细胞转移，由此一层层产生的浓度差导致水分的转移过程和细胞的组织收缩过程从原材料表面逐渐向内部进行，水分不断浸出，直至原材料内与渗透液浓度相等后，物质迁移就趋于平衡。

1.3 渗透脱水的辅助技术

由于单纯的渗透脱水速度较慢，利用一些高科技辅助技术［21－22］能够缩短渗透缩水的时间，包括真空处理［23］、超高压技术、超声波技术［24］、高强脉冲电场技术［25－26］等。真空处理能够迅速降低气压，使原材料中的空气迅速排出，增加细胞与渗透液的接触面积，同时，增强毛细管作用;超高压技术通过提高压强，使原材料中的水分移动，并且破坏原料的细胞壁结构，提高细胞通透性;高强脉冲电场能够使原材料细胞膜形成空隙，破坏细胞膜，影响渗透性。董全［27］比较真空、脉冲真空和常压下蓝莓渗透脱水情况发现，蓝莓的有效水分扩散率分别为1.678 ×10－9、1.363 ×10－9、0.568 ×10－9m2·s－1。真空渗透脱水、脉冲真空渗透脱水和常压下渗透脱水的有效固性物扩散率分别为0.917 ×10－9、0.639 ×10－9、0.510 ×10－9m2·s－1，真空、脉冲真空的固形物扩散率都高于常压固形物扩散率，能够有效加快渗透脱水。

2 超声波辅助渗透脱水

2.1 超声波辅助渗透脱水的原理

超声波是频率为20 ×103－2 ×106Hz 的声波，能够引起介质快速、连续、压缩膨胀，具有加速物质扩散的作用［28－29］。超声波可以在液体中产生气穴现象，促使液体内部产生微小气泡，使得微小气泡产生时速为100 m2·s－1的喷射流［30］，这种喷射流不仅能瞬间击穿细胞膜，增强细胞膜的渗透性，而且也起到了搅拌的作用［31］，形成溶液漩涡，促进渗透过程进行［32－33］。“海绵效应”能够降低内部传质阻力，“微扰”和“空化效应”能够减小扩散边界层，降低外部传质阻力，这两方面因素能够加快渗透流和扩散流的运动速度。Soria et al［34］认为超声波的微扰效应会降低物料表面水分吸附力并产生微孔道，这种微小气泡有利于水分的迁移与脱除，并有利于微小气泡周围的高压、高温以及高频率的产生。

2.2 影响超声波辅助渗透脱水速率的因素

李媛等［35］使用超声波辅助预处理胡萝卜渗透脱水表明，原材料厚度、超声波时间、超声波功率都会对渗透脱水速率产生影响，胡萝卜片处理最佳参数为:切片厚度6 mm，糖溶液浓度15%，超声波功率、时间分别为100 W、15 min，脱水时间4 h。董红星等［36］研究发现，超声波可以显著强化红薯渗透脱水过程的物质迁移，红薯脱水率和固形物得率在一定范围内随超声波功率、超声时间、渗透液浓度、渗透液温度的增加而提高。红薯的最佳超声波渗透脱水条件为:超声波功率93 W、时间25 min，渗透液浓度40%，温度30℃。这说明超声波的时间、功率、渗透液浓度等因素会对渗透脱水产生影响。

2.3 超声波辅助渗透脱水农产品的研究现状

程新峰等［37］使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和热示差扫描(differential scanning calorimeter，DSC)技术比较超声波和脉冲真空处理对草莓渗透脱水的影响。在50%蔗糖溶液中经过40 ℃脱水处理3 h，超声波辅助渗透脱水水分流失量明显高于脉冲真空辅助渗透脱水，超声波辅助渗透脱水明显降低初始冻结温度和可冻结水含量。邹克坚［20］对比真空、脉冲和超声波对芒果渗透脱水的影响发现，真空、脉冲和超声波均能促进芒果水分和固形物的扩散，其中超声波的水分扩散系数最大，有效加快了水分迁移。

李俊先等［38］通过响应面优化蔗糖质量分数、渗透温度、渗透时间与超声波功率等单因素得出超声波辅助紫薯渗透脱水的最佳工艺为:蔗糖质量分数为56.29%，渗透时间和温度分别为2.46 h 和65 ℃，超声波功率142.33 W，经过此条件渗透脱水的紫薯固形物增加8.33%，脱水率增加40.97%。紫薯含有丰富的维生素、矿物质和膳食纤维，其花青素含量具有高生物学性能［39］，此种方法能够延长紫薯保存时间。严晓辉等［40］的电镜扫描结果显示超声波处理对荔枝组织结构有明显影响，并且超声波预处理有利于干燥速率的提高，超声波功率越大，影响越显著。石启龙等［41］采用超声波辅助研究雪莲果渗透脱水工艺，以渗透脱水时间、温度、蔗糖质量分数、超声波功率和时间为单因素，失水率及固形物增加率为指标，通过单因素和二次正交旋转组合试验建立各因素和响应值之间的回归方程，发现影响固形物增加率的因素依次为:超声波处理时间＞温度＞蔗糖质量分数;影响失水率/固形物增加率的因素依次为:渗透脱水时间＞蔗糖质量分数＞时间＞温度。雪莲果超声波辅助渗透脱水的最佳工艺为超声波处理时间35 min，渗透脱水时间和温度分别为1.7 h 和41 ℃，此时失水率/固形物增加率为0.059。Kowalski et al［42］在静止和间歇两种情况下，对渗透预处理的干燥动力学和生物材料质量进行研究表明，在最佳干燥条件下，超声波能缩短干燥时间和达到产品质量退化最小化。目前有关超声波预处理对果蔬渗透脱水影响的研究较少，赵彩青等［43］在研究超声波辅助渗透脱水对樱桃和番茄的影响时，探究超声波辅助对果蔬产品的影响。超声波处理可以提高渗透脱水速度，但随着时间延长，超声波对渗透脱水速率的影响逐渐降低，当超声波处理时间为120 min，超声波预处理的实验组与对照组几乎相同，这说明超声波对渗透脱水的影响有一定的限制，起初超声波能够有效地破坏组织细胞的细胞膜，迅速增加细胞的通透性，有效地提高渗透脱水的速度，但随着时间延长，溶质渗入量增加，表皮细胞不再起作用，则超声波的作用下降。吴晓霞等［44］研究超声波辅助强化白萝卜渗透脱水时发现，超声波对脱水有明显强化作用，在一定范围内物料脱水速率随超声波功率增加而增加，并且时间越长，脱水率和固形物得率都增大，但是，增加物料厚度和超声波频率，出现脱水率降低的情况，这与任仙娥等［45］研究超声波强化菠萝渗透脱水所得的结论相同。试验证明，超声波对提高渗透脱水的效率、提高农产品的加工保藏率具有良好的效果，然而超声渗透脱水只能除去部分水分，得到的产品仍具有一定的含水率，难以实现长期保藏，要达到较低的水分含量，后期还需采用冷冻干燥等方法进一步除去多余的水分［46－48］。

3 小结

目前渗透脱水产品应用广泛，通过渗透脱水所得的水果可以用作甜点、冰淇淋及各种快餐的原材料，中等水分含量的水果蔬菜可以通过渗透脱水降低水分活度来延长货架期，渗透脱水是制备中等水分果蔬的优选方法。超声波作为渗透脱水的预处理方式，具有加快脱水速度，降低脱水温度，提高失重率的优点［31］，并且在保持果蔬品质以及节能方面具有优于其他处理方式的优势和应用前景［49］。但是在工业化生产中，要推广超声波作为预处理方式来辅助果蔬渗透脱水，其各类参数及条件还需进一步探究。

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