超声预处理枸杞热风干燥工艺优化

罗 燕， 黄晓鹏， 李武强， 万芳新， 马国军

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

枸杞(LyciumbarbarumL.)为多年生落叶灌木，果实呈橙红色纺锤体，又名杞子或枸杞子，味甘甜、质柔润，是重要的“药食同源”道地性中药材，主要分布于我国北方地区。现代医学证明，枸杞果实中含有的枸杞多糖、总酚、黄酮等具有增强免疫、抗肿瘤、抗衰老等多种药理活性，同时也具有明目和滋补肝肾的功效[1]。成熟枸杞体内水分和糖分占比较高，常温放置极易发生腐败，除鲜用外，需要经过干燥的手段降低浆果内的水分活度，延长货架期。

干燥是目前农产品保藏、加工和运输的必要环节，可有效提高农副产品的利用率。干制技术的优劣不仅关系到产品的形态和质量，干制过程中的能耗情况还会影响到环境和农产品经济价值。目前枸杞果实的干燥研究主要集中于单一干燥方式下的干燥特性，如克亚·加帕尔[2]以青海枸杞为研究对象，将不同干燥方式下的干制品干燥参数、化学成分、理化指标等进行对比，发现日晒干燥下枸杞皱缩深度大、有效成分损失严重。柴京富[3]系统研究了枸杞热风干燥特性，证实了热风干燥可有效提高枸杞干制品品质。此外，高春燕[4]、Zhang[5]等发现热水浸提下的超声波辅助提取技术可显著提升枸杞多糖含量。

热风干燥是以热空气作为传热介质，经风机等设备促进物料内部的水分经毛细孔径向外扩散的过程，是目前果蔬等农副产品最普遍的干制手段，具有操作简单、适用性广的特点[6-7]。然而热风干燥过程中物料有效成分损失严重，导致干制品品质下降，使其应用受到很大的限制。由于超声预处理具有抑制物料有效成分流失的优点，本研究以超声预处理+热风干燥的方法进行枸杞干燥试验，探讨超声频率、超声功率和超声处理时间对干燥效果的影响，并利用响应曲面法对干燥工艺进行优化，确定枸杞超声强化热风干燥下的最优工艺参数，以期为枸杞干制品的生产提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

枸杞品种为宁杞5号，7月上旬采摘，由甘肃靖远县新寨村提供。

1.2 试验设备

YQ101-0A-4A型电热鼓风干燥箱(北京宇勤腾达制药设备有限公司，电压220 V/50 Hz，功率1.2 kW，风速3 m/s)；HKSF-2型快速水分仪(无锡华科仪器仪表有限公司，精度±0.1%)；CR-410型色差仪(日本柯尼卡美能达公司)；KQ-300VDE型三频数控超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司)；JM-A3003型电子天平(余姚纪铭称重校验设备有限公司)等。

1.3 试验方法

试验前先将超声设备和热风干燥箱调整到预设参数进行预热。挑选颗粒饱满、均匀无破损的枸杞为试验样本，每组样本准确称取100 g(称量误差<1 g)。将物料用3%的Na2CO3溶液去除表皮蜡质层后进行超声预处理，然后将枸杞平铺于热风干燥箱的筛网上进行干燥试验，每隔60 min将物料称重1次，直至含水率降至13%后结束试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验设计

基于前期单因素试验及干燥动力学评价指标，以初始含水率79.2%、热风温度50 ℃为定量，以超声频率(X1)、超声功率(X2)、超声处理时间(X3)为影响因素，以平均干燥速率(Y1)、色差值(Y2)和单位能耗(Y3)为目标参数，每个因素分别取三个水平，对枸杞进行3因素3水平响应面设计试验，因素水平编码见表1，试验方案及试验数据见表2。

表1 响应面试验因素水平表

2.2 试验结果分析

2.2.1 模型建立及显著性检验

对表2中试验数据进行二次多项回归拟合，获得平均干燥速率(Y1)、色差值(Y2)、单位能耗(Y3)的回归方程如下：

(1)

(2)

(3)

对回归方程(1)、(2)和(3)方差分析后得到的结果见表3。

表2 响应面试验数据

表3 多元回归模型方差分析

2.2.2 交互作用分析

图1为不同超声参数对枸杞平均干燥速率交互影响的响应曲面。图中显示，枸杞的平均干燥速率为0.230～0.443 %/min，且不同超声参数间的交互作用对枸杞干制品的交互作用影响不同：当超声波功率在低水平时，随着超声频率的增大，枸杞热风干燥的平均干燥速率明显降低。这是由于超声频率的增加减弱了超声波的空化效应，使得物料内部的水蒸气向外扩散的通道减少，从而降低了枸杞的干燥速率；当超声频率为低水平时，枸杞平均干燥速率的大小与超声处理时间的长短成正比，说明超声处理时间越长，超声波效应对物料干燥的影响越显著。

不同超声参数对枸杞色差值交互影响的响应曲面如图2所示。可以看出，不同超声参数的交互作用对枸杞干制品色差值的影响规律大致相同，色差值总体呈先增大后减小的趋势，这主要是因为超声参数的增加加剧了超声效应对物料表面的影响，使得物料表面破损严重，色差值增大。当超声参数值进一步增大时，细胞膜的通透性也随之增大，营养物质对外迁移的速率降低，使得干制品的总色差值降低。

图3为不同超声参数对枸杞单位能耗交互影响的响应曲面，从图中可以看出，超声处理时间与超声频率的交互作用对单位能耗的影响较大：当超声波作用于枸杞表面的时间处于低水平时，干燥枸杞的单位能耗随着超声频率的增加而增加，这可能是由于超声频率的增加使得水蒸气分子携带的能量减少，增大了单位水分子向外蒸发所需的能耗。另外，随着超声处理时间的增加，超声波的空化效应和机械效应作用于物料的时间延长，传热介质的微孔道数目增加，提高了枸杞的热风干燥效率，使得单位能耗降低。

图1 不同超声参数对枸杞平均干燥速率交互影响的响应曲面

图2 不同超声参数对枸杞色差值交互影响的响应曲面

图3 不同超声参数对枸杞单位能耗交互影响的响应曲面

2.2.3 参数优化与试验验证

利用Design Export软件对3个二元回归方程进行联立求解，得到超声参数的最优理论值分别为超声频率20 kHz、超声功率60 W、超声处理时间20 min，对应的目标参数分别为平均干燥速率0.454 %/min、色差值6.775和单位能耗0.073 kJ/g。对最优工艺参数的理论值进行3组工艺验证试验，得到枸杞干制品的平均干燥速率为0.446%/min，色差平均值为6.600，单位能耗为0.074 kJ/g。相比理论值，误差依次为1.7%、2.5%和1.2%，误差值较小，表明优化所得的工艺参数对实际生产具有一定的指导意义。

3 结论

(1)通过响应面试验，建立了平均干燥速率、色差值、单位能耗与超声频率、超声功率和超声处理时间的二次正交回归模型，方差分析表明回归模型显著，可用于描述枸杞超声强化的热风干燥过程。

(2)获得了枸杞热风干燥的超声预处理最优参数组合：超声频率20 kHz、超声功率60 W、超声处理时间20 min，此时目标参数依次为平均干燥速率0.454%/min、色差值6.775和单位能耗0.073 kJ/g，理论值与试验值误差率均小于2.5%。