超声波辅助处理制备伽师瓜冻干片工艺研究

刘艳全，张 甜，丁真真，阿斯木古丽·买买提，陈华方，王 东*

（1.喀什大学生命与地理科学学院，叶尔羌绿洲生态与生物资源研究高校重点实验室，新疆喀什 844000；2.新疆胡杨牧歌种养殖科技有限公司，新疆喀什 844000）

伽师瓜属葫芦科（Cutrbitaceae）黄瓜属（CucumisC.），是南疆主栽的甜瓜品种之一，主要种植在伽师县，被列为“中国地理标志产品”。伽师瓜口感香脆多汁、滋味香甜，富含多种维生素、矿物质，备受人们青睐，被称为“天下第一瓜”[1]。近年来，伽师县将伽师瓜作为主要经济作物大力发展，2020年种植面积超2万hm2，年产量约60万t。但因采摘季节温度高，伽师瓜采后易软化，损失严重，降低了其食用价值和经济价值，加之产地偏远，严重制约了产业发展。因此，探索伽师瓜的深加工产品形式、延长其产业链非常迫切，对提高农产品附加值具有重要意义。

果蔬干制是果蔬采后保藏和加工的重要方法，干制品营养价值高、口感独特。突如其来的疫情更是增强了消费者储备食物的意识，果蔬脆片会更受欢迎[2-4]。果蔬脆片常用的干燥措施有自然晒干、热风干燥、真空冷冻、红外辐射干燥、真空油炸干燥、低温真空膨化干燥、压差闪蒸干燥、微波和超声波辅助干燥等技术。真空冷冻干燥是将物料进行低温速冻，随后在高真空的冻干仓中使物料中的固态水升华为气态从而脱水的干燥技术。此技术可最大限度地保留食物营养成分，尤其是热不稳定成分和易氧化成分，防止颜色变化，且产品不易变形，表面不易硬化，复水性好[5-6]。超声波技术利用空穴效应加速固-液和固-气系统中的传质过程，可应用于果蔬冷冻干燥领域[7-8]。如任广跃等[9]研究表明超声波处理果蔬可以提高干燥速率，保留食品的营养成分，改善冻干终品品质。周新丽等[10]研究表明超声波辅助冷冻干燥使产品质构、胡萝卜素含量、VC含量、复水率等指标都有较好的表现。然而，我国冻干产品占比还很小，技术设备也较落后，美国和日本市场上出售的脱水产品、冻干食品已占40%以上[11-12]。因此，探索超声波预处理辅助冷冻干燥技术很有必要。本文以伽师瓜为原料，探讨了超声波预处理辅助冷冻干燥技术制备一种口感酥脆、风味独特的营养伽师瓜冻干片，为伽师瓜的深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

材料：新鲜伽师瓜，品种为“卡拉库赛”，8～9月份成熟，购于伽师县水果批发市场。

试剂：L-抗坏血酸，食品级，西安浩天生物工程有限公司；苯酚、浓硫酸均为分析纯；葡萄糖标准品，上海联硕生物科技有限公司。

1.2 仪器和设备

KQ-500Z超声波发生器，工作频率40 kHz、功率200～500 W，昆山市超声仪器有限公司；冷冻干燥机，Christ ALPHA 1-2LD plus，德国。721分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；电热恒温水浴锅，HHS型，上海博讯实业有限公司；高性价比精密色差仪，NR60CP型，深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 伽师瓜冻干片的制备

选新鲜、大小均匀、无损伤的伽师瓜，削皮，去籽，切成一定厚度、长30 mm、宽20 mm的瓜片。将切好的瓜片立即放入抗坏血酸溶液中，采用工作频率为40 kHz、功率为200 W，控制温度，超声处理一定时间后沥干。将超声后的伽师瓜片，在冻干机盘上平铺一层，将冻干仓隔板温度设定为-40 ℃预冻3 h，冷却至-20 ℃。然后压力设为20 Pa，按照下列升温程序对物料进行真空冷冻干燥：-20 ℃、1 h，10 ℃、1 h，0 ℃、1 h，10 ℃、1 h，20 ℃、1 h，30 ℃、1 h，40 ℃、1 h，50 ℃至结束，冻干时间为9 h，得伽师瓜冻干片。

1.3.2 冻干片干燥品质测定

（1）复水率

用30 ℃蒸馏水，恒温水浴浸泡0.5 h，充分吸水后捞出，沥干表面的水分，按式（1）计算复水率。

式中，Re为冻干片复水率，%；m1为复水前瓜片质量，g；m2为复水后瓜片质量，g。

（2）总糖

采用苯酚硫酸法，以葡萄糖制作标准曲线，测定490nm波长处的吸光度，计算总糖含量。参考王建[13]的总糖测定方法。

（3）色度

测定伽师瓜冻干片的明度指数L*、a*、b*，按照CIELab 1976色差公式（2）计算其总色差值（ΔE值），ΔE值越小说明产品色泽越鲜亮[14]。

式中，L*、a*、b*是对照，L、a、b是实际值。

1.3.3 感官评价

伽师瓜冻干片感官评定小组由20名有经验的学生组成，从色泽、酥脆度、风味和滋味4个方面对样品进行分析，评定标准见表1。

表1 冻干片感官评价表Table 1 Sensory evaluation of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

1.4 单因素试验

在冷冻条件不变的基础上，考察超声时间（10、15、20、25、30 min）、超声温度（30、40、50、60、70、80 ℃）、抗坏血酸浓度（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g/mL）和切片厚度（5、10、15、20、25 mm）对伽师瓜冻干片复水率、总糖和色度的影响。

1.5 响应面试验

在单因素试验基础上，选择超声时间（A）、超声温度（B）和抗坏血酸浓度（C）为试验因素，根据Box-Behnken实验原理设计响应面试验，因素及水平见表2。

表2 响应面试验因素水平表Table 2 Factors and levels in response surface design

1.6 数据处理分析

采用Excel对数据进行统计、绘图；采用Design Expert 8.05进行响应面试验设计、方程模拟和模型分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 超声时间对伽师瓜冻干片品质的影响

超声温度50 ℃，厚度10 mm，抗坏血酸浓度0.4 g/mL，冻干条件采用1.3.1中工艺参数，测定超声时间为10、15、20、25、30 min对冻干片复水率的影响，结果见图1。

图1 超声时间对伽师瓜冻干片复水率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic time on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

由图1可知，超声波预处理可有效增加冻干片的复水率，当超声25 min时，复水率达到最大值57.3%，随后稍有下降。分析原因可能是时间过长会破坏组织细胞结构，导致组织结构塌陷，影响干燥后的复水效果[15]。

超声时间对冻干片总糖含量的影响见下页图2。由图2可知，超声时间对冻干片总糖含量的影响较小，随超声时间增加，总糖含量先增高后缓慢下降，当超声时间为20～25 min时，总糖含量较高。

图2 超声时间对伽师瓜冻干片总糖含量的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on total sugar of "Jiashi"melon freeze-dried tablets

表3 超声时间对冻干片色泽的影响Table 3 Effect of ultrasonic time on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

超声时间对冻干片色泽的影响如表3所示。由表3可知，超声预处理对冻干片影响较大，可以有效改善冻干片的颜色，以未超声处理冻干片为对照，随着超声时间增加时，亮度L*值先上升后下降，25 min时最大；a*值先降低后升高，可能是由于加入抗坏血酸具有护绿作用；b*值逐渐变大，说明冻干片的颜色向黄色变化[14]。因此，超声时间应控制在25 min。

2.1.2 超声温度对伽师瓜冻干片品质的影响

超声时间25 min，瓜片厚度10 mm，抗坏血酸浓度0.4 g/mL时，冻干条件采用1.3.1中工艺参数，考察超声温度为30、40、50、60、80 ℃时对冻干片复水率的影响，结果见图3。由图3可知，超声温度对冻干片的复水率影响较大，随超声温度升高，复水率先增加后降低，温度为60 ℃时，复水率达到最大值，为57.6%。

超声温度对伽师瓜冻干片总糖含量的影响如图4所示。由图4可知，超声温度对冻干片总糖的影响较小，随超声温度升高总糖含量先升高后降低，50 ℃时，总糖达到最大值，为36.8%。

图3 超声温度对伽师瓜冻干片复水率的影响Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

图4 超声温度对伽师瓜冻干片总糖含量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature on total sugar of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

表4 超声温度对冻干片色泽的影响Table 4 Effect of ultrasonic temperature on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

超声温度对冻干片色泽的影响见表4。由表4可知，随温度的上升，冻干片亮度L*值先上升后平缓，50 ℃时最大；a*值逐渐增大，b*值逐渐下降，可能是在一定温度下发生了美拉德反应或是超声波促进了抗坏血酸对胡萝卜素的降解作用[14]。因此，超声温度应控制在50～60 ℃。

2.1.3 抗坏血酸浓度对伽师瓜冻干片品质的影响

超声时间25 min，瓜片厚度10 mm，超声温度50 ℃时，冻干条件采用1.3.1中工艺参数，抗坏血酸浓度对冻干片复水率的影响如图5所示。由图5可知，抗坏血酸浓度对复水率影响不大，随抗坏血酸浓度升高复水率先缓慢升高后缓慢降低，浓度为0.4 g/mL时，复水率达到最大值，为57.3%。

图5 抗坏血酸浓度对伽师瓜冻干片复水率的影响Fig.5 Effect of ascorbic acid concentration on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

抗坏血酸浓度对冻干片总糖的影响如图6所示。由图6可知，随抗坏血酸浓度升高，冻干片总糖先升高后缓慢下降，抗坏血酸浓度对总糖影响不大，浓度为0.4 g/mL时达到最大值，为36.4%。

图6 抗坏血酸浓度对伽师瓜冻干片总糖含量的影响Fig.6 Effect of ascorbic acid concentration on total sugar of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

抗坏血酸浓度对冻干片色泽的影响如表5所示。由表5可知，抗坏血酸对冻干片护色效果明显，冻干片亮度L*、a*和b*值先上升后趋于平缓，这表明抗坏血酸可以有效抑制酶类褐变并使冻干片保持较好的颜色。因此，抗坏血酸浓度控制在0.3～0.5 g/mL。

表5 抗坏血酸浓度对冻干片色泽的影响Table 5 Effect of ascorbic acid concentration on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

2.1.4 伽师瓜片厚度对伽师瓜冻干片品质的影响

超声时间25 min，超声温度50 ℃，抗坏血酸浓度为0.4 g/mL时，冻干条件采用1.3.1中工艺参数，考察切片厚度为5、10、15、20、25 mm对冻干片复水率的影响，结果见图7。由图7可知，随瓜片厚度增大，冻干片的复水率明显降低，可能由于切片厚度太大，热传递速率降低，冻干片内部未完全形成疏松多孔结构，导致复水率降低。

图7 伽师瓜片厚度对伽师瓜冻干片复水率的影响Fig.7 Effect of slice thickness on rehydration rate of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

图8 切片厚度对伽师瓜冻干片总糖含量的影响Fig.8 Effect of slice thickness on total sugar of "Jiashi"melon freeze-dried tablets

瓜片厚度对冻干片总糖的影响如图8（见上页）所示。由图8可知，瓜片厚度在5～20 mm范围内，总糖含量变化不大，10 mm时，总糖含量最大，为36.4%。

瓜片厚度对冻干片色泽的影响见表6。由表6可知，亮度L*、a*和b*值呈现先升高后降低，在5～15 mm范围内色泽变化较小。综合冻干设备利用率等因素，瓜片厚度选择10 mm。

表6 切片厚度对冻干片色泽的影响Table 6 Effect of slice thickness on color of "Jiashi" melon freeze-dried tablets

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面试验设计与结果

表7 响应面试验设计与结果Table7 The design and results of experiment of response surface

根据表7中的数据，对自变量A、B和C用Expert-Design 8.05软件拟合，以感官评分（Y）为响应值，得到多元二次响应面回归方程如下：Y=91.3+1.09A+1.49B+2.17C+1.17AB+0.05AC+0.85BC-2.59A2-3.74B2-4.86C2。

表8 回归模型方差分析Table 8 Variance analysis for the regression model

由表8中方差分析可知，模型的P值小于0.000 1，表明该拟合方程极显著，失拟项不显著，方程决定系数R2=0.915 3，表明感官评分实测值和预测值之间拟合度较好，模型的选取适合。同时表明一次项A、B、C，二次项AB、A2、B2和C2对感官评分影响极显著（P＜0.01）；BC影响显著（P＜0.05），AC影响不显著（P＞0.05），各因素对感官影响大小顺序为抗坏血酸浓度＞超声温度＞超声时间。

2.2.2 两因素交互作用的分析

图9 超声时间和超声温度的交互作用响应面图（a）及等高线图（b）Fig.9 Response surface plot(a) and contour plot(b) of the interaction between ultrasonic time and temperature

图10 超声时间和抗坏血酸浓度交互作用响应面图（a）及等高线图（b）Fig.10 Response surface plot(a) and contour plot(b)of the interaction between ultrasonic time and ascorbic acid concentration

图9（a）表明，当超声温度一定时，随超声时间增加，感官评分先增加后降低；当超声时间一定时，随超声温度增加，感官评分先增加后降低。在超声时间为25 min、超声温度为55 ℃时，感官评分达到最大值，为91.1分。由图9（b）可以看出，等高线图呈椭圆形，说明超声时间和超声温度之间的交互作用极其显著。

图10（a）表明，当超声时间一定时，随抗坏血酸浓度增加，感官评分急剧增加后缓慢降低；当抗坏血酸浓度一定时，随超声时间增加，感官评分先增加后降低。图10（b）表明，等高线图呈椭圆形，超声时间和抗坏血酸浓度交互作用显著，且超声时间25min，抗坏血酸浓度0.4 g/mL时，感官评分最大，为91.1分。

图11 超声温度和抗坏血酸浓度交互作用响应面图（a）及等高线图（b）Fig.11 Response surface plot（a）and contour plot（b）of the interaction between ultrasonic temperature and ascorbic acid concentration

图11（a）表明，当超声温度一定时，随抗坏血酸浓度增加，感官评分先增加后缓慢降低或不变；当抗坏血酸浓度一定时，随超声温度增加感官评分先快速增加后降低，超声温度55 ℃、抗坏血酸浓度0.4 g/mL，感官评分最高，为91.1分。且图11（b）等高线图呈椭圆形，说明超声温度和抗坏血酸浓度之间的交互作用显著。

2.3 最佳条件的预测和验证

本试验通过回归模型预测得到伽师瓜冻干片最佳处理工艺为超声时间26.4 min、超声温度56.4 ℃、抗坏血酸浓度0.42 g/mL，此时伽师瓜冻干片的感官评分的预测值为91.92。综合考虑，修正最优条件为超声时间26 min、超声温度56 ℃、抗坏血酸浓度0.42 g/mL。按照此条件进行3次平行验证试验，得到伽师瓜冻干片的感官评分平均值为92.96，与预测值的误差为1.13%，因此采用响应面法优化伽师瓜冻干片制备工艺条件有一定的参考价值。

3 结论

本试验用超声波辅助冷冻干燥的方式处理伽师瓜，制备了一种冻干片。通过单因素和响应面优化试验，得到最佳工艺为超声时间26 min，超声温度56 ℃，抗坏血酸浓度0.42 g/mL。超声预处理技术因空化作用可改善物料微观结构，促进干物料水分迁移，提高干燥效率，还可改善果蔬色泽，提高果蔬制品品质。本文研究了超声波在伽师瓜冻干片制作中的应用，下一步还将深入探索超声波对果蔬冻干片营养和风味作用机理，为果蔬冻干制品的制作方法提供参考。