超声渗透辅助组合干燥对胡萝卜干燥均匀性及品质的影响

徐亚元 郎旭敏 肖亚冬 刘庆峥 李大婧 刘春菊 刘春泉 张钟元 宋江峰

摘要：选用超声渗透预处理+微波联合压差膨化干燥方法制备胡萝卜脆片，考察不同蔗糖渗透液质量分数、超声功率密度、超声时间、超声温度、微波预干燥水分含量转换点和微波功率强度对胡萝卜微波预干燥水分均匀性、色泽均匀性及压差膨化干燥后产品的收缩率、脆度、色差和总类胡萝卜素保留率的影响，以期获得较优的胡萝卜脆片干燥工艺。结果表明，超声功率密度、超声时间、超声温度、蔗糖渗透液质量分数、微波预干燥的水分含量转换点和微波功率强度对胡萝卜脆片干燥均匀性和品质具有显著影响（P<0.05），通过超声渗透预处理可以显著改善微波预干燥后样品的水分和色泽均匀性;超声渗透预处理较优工艺参数为超声功率密度0.50 W/cm2，超声时间30 min，超声温度 70 ℃，蔗糖渗透液质量分数30%，微波预干燥较优工艺参数为水分含量转换点80%，微波干燥功率强度5 W/g。研究获得了较优的胡萝卜脆片超声渗透协同微波联合压差膨化干燥工艺参数，为拓宽胡萝卜的利用途径、提高其附加值提供了切实可靠的技术和理论支撑。

关键词：胡萝卜;超声渗透;微波干燥;压差膨化干燥;均匀性;品质

中图分类号：TS255.36   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）09-0148-08

胡萝卜（Daucus carota L.）含有丰富的营养成分，如类胡萝卜素、蛋白质、脂肪、纤维素、多种维生素、各种无机盐等[1]，具有抗氧化、促进生长发育、保护视力、抗癌防癌、提高免疫力、促消化等重要作用[2]。除鲜食外，脱水加工是胡萝卜的主要加工方式之一，加工后的产品便于运输和储存，能延长货架期，从而解决偏远山区的供给问题，也能有效调节蔬菜生产的淡、旺季[3-4]。近年来，休闲果蔬脆片倍受消费者青睐，但是市售的胡萝卜脆片、脆条等休闲产品以油炸为主，如果摄入过多，不益于人们的身体健康。随着人们生活水平的提高，慢性疾病发病率提高，人们对油炸高脂食品的摄入量需求减少。因此，开发营养、健康、方便且耐储存的休闲果蔬脆产品尤为重要，对于提升胡萝卜的附加值具有重要意义[5]。

油炸型产品的酥脆性虽然较好，但是含油量高且易变质，虽然真空冷冻干燥型果蔬脆片的营养保留率高、外观品质好、酥脆性佳，但是生产过程能耗大、成本高。通过微波干燥（MD）、压差膨化干燥（EPD）等方法制备的果蔬脆片产品绿色天然、口感酥脆、耐储藏，能够克服油浴产品的含油量高、热量高、易酸败等缺点，还具有独特的怡人风味[6-7]。但是通过单一热风、微波、气流膨化等干燥技术获得的非油炸型胡萝卜休闲产品质地偏硬，且均匀性不佳，通过预处理技术、多物理场联合干燥可以有效避免单一干燥方式的缺点，显著改善产品品质和干燥均匀性[8-9]。然而，目前关于预处理方法协同组合干燥方式对胡萝卜脆片品质及干燥均匀性影响的研究甚少。

根据前期的预试验，本研究选用超声渗透预处理+微波联合压差膨化干燥方法制备胡萝卜脆片，研究预处理过程中蔗糖渗透液质量分数、超声功率密度、超声时间、超聲温度、微波预干燥水分含量转换点和微波功率强度对胡萝卜微波预干燥水分均匀性、色泽均匀性及压差膨化干燥后产品的硬度、脆度、色差、总类胡萝卜素保留率的影响，以期为拓宽胡萝卜的利用途径，提高其附加值提供切实可靠的技术支撑，对于推进行业技术进步和持续发展具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

胡萝卜购于南京市玄武区安振强副食品销售中心，切片厚度为8 mm，使用模具将其统一制成直径为34 mm的圆柱体，于4 ℃冰箱中贮藏备用。试验于2019年9—12月在江苏省农业科学院农产品加工研究所实验室进行。

Folin酚试剂，购自上海麦克林生化科技有限公司;2，6-二氯靛酚，购自上海蓝季科技发展有限公司;氢氧化钾、硫酸钠，购自南京化学试剂股份有限公司;乙醇、正己烷、甲醇均为分析纯级别，购自国药集团化学试剂有限公司;β-胡萝卜素标准品，购自上海源叶生物科技有限公司。

1.2 主要仪器

CM-700d1全自动色差计，购自日本柯尼卡美能达公司;CT3质构仪，购自英国CNS Farmell公司;UV-6300型紫外-可见分光光度计，购自上海美谱达仪器有限公司;振动式微波真空干燥设备，购自南京孝马机电设备厂;QDPH-5型电加热式压差膨化干燥设备，购自天津市勤德新材料科技有限公司;Quanta-200环境扫描电子显微镜，购自美国FEI公司;Epoch全自动酶标仪，购自Bio Tek公司;KH-7200-DB型数控超声波清洗器，购自昆山禾创超声仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程及工艺参数的设置 工艺流程：鲜胡萝卜片→超声辅助蔗糖渗透→MD干燥→均湿 12 h→EPD（条件：膨化温度为100 ℃，停滞时间为10 min，抽空温度为75 ℃，抽空时间为200 min）干燥至水分含量为6%→冷却→充氮包装。在超声预处理和MD干燥过程中，超声功率密度、超声时间、超声温度、蔗糖渗透液质量分数、MD微波功率强度、MD水分含量转换点6个参数的设置见表1。

1.3.2 水分含量的测定 根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》中的直接干燥法测定样品的水分含量。

1.3.3 硬度、脆度的测定 样品硬度、脆度的测定采用CT3质构仪，选用HDP/BSW型探头，测试条件如下：检测前速度为1.0 mm/s，检测速度为 1.0 mm/s，检测后速度为10.0 mm/s，感应力为5 g，压缩距离为8 mm。将物料置于中空测试台上，测得其压力峰值-变形时间质构图，脆度为下压探头第1次冲向样品的过程中在坐标图上出现的第1个明显压力峰值，单位为g，每个处理的样品重复测定6次以上。

1.3.4 色泽的测定[10] 采用CM-700d1全自动色差计，以白板色泽为标准，测定样品色泽。样品的色泽指标有亮度（L*，L*=0表示黑色，L*=100表示白色）、红度（a*，+a表示偏红色，-a表示偏绿色）、黄度（b*，+b表示黄色，-b表示偏蓝色），ΔE表示颜色变化值。每个样品重复测试7次，取平均值，颜色变化值（ΔE）的计算公式如下：

ΔE=（L*-L0）2+（a*-a0）2+（b*-b0）2。

式中：L0、a0、b0表示新鲜胡萝卜的测定值;L*、a*、b*表示不同干燥方式下胡萝卜脆片的测定值。

1.3.5 总类胡萝卜素含量的测定 参照颜少宾等的方法[11]测定样品中的总类胡萝卜素含量，其中总类胡萝卜素保留率的计算公式如下：

总类胡萝卜素保留率=干燥后样品的总类胡萝卜素含量/鲜样的总类胡萝卜含量×100%。

1.3.6 水分均匀性和色泽均匀性的测定[12] 将胡萝卜片按照图1中1～12的位置摆放均匀，微波干燥8 min，测定每个位置样品的水分含量和色泽（L值），通过标准偏差分析判断样品水分含量和色泽的均匀性。

1.3.7 收缩率的测定[13] 称取5 g样品，将其浸入60 mL水中，10 s内读出体积变化量（V1-V0）。

ρ=m/（V1-V0）。

式中：ρ为体积密度，kg/m3;m为样品质量，g;V0、V1分别为放入样品前、后量筒中水的体积，mL。

s=ρ0ρd（Xd+1X0+1）。

式中：s为收缩率;ρ0、ρd分别为鲜样、干制品的体积密度，kg/m2;X0、Xd分别为鲜样、干制品的干基含水率，%。s值越小，表明样品体积收缩越大。

1.4 统计分析

每组试验的重复次数不少于3次，用SPSS 16.0对数据进统计分析。

2 结果与分析

2.1 超声功率密度对胡萝卜脆片干燥均匀性及品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理的过程中，超声温度为80 ℃，蔗糖渗透液质量分数为40%，超声功率密度分别为0.22、0.28、0.33、0.39、0.44、0.50、0.55 W/cm2，超声时间为30 min，在MD预干燥的过程中，微波功率强度为5 W/g，预干燥终点水分含量为75%，最后进行压差膨化干燥至水分含量为6%。由图2-a可知，超声功率密度对胡萝卜脆片微波预干燥水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），当超声功率密度为0.50 W/cm2时，不同位置胡萝卜片的水分含量差异最小，即水分含量的均匀性最好。由图2-b可以看出，超声功率密度对胡萝卜脆片MD后L值的均匀性影响显著（P<0.05），L值的均匀性随着超声功率密度的增大先降低后升高，当超声功率密度为0.44 W/cm2时，L值的均匀性最低。由图2-c可以看出，当超声功率密度为0.22～0.55 W/cm2时，胡萝卜脆片的收缩率无显著变化。由图2-d可以看出，超声功率密度对胡萝卜脆片脆度的影响显著（P<0.05），随着超声功率密度的增加，胡萝卜脆片的脆度逐渐降低，当超声功率密度高于0.44 W/cm2时，胡萝卜脆度的变化不显著，且超声功率密度为0.50 W/cm2时脆度最低。如图2-e所示，超声功率密度对胡萝卜脆片色差的影响显著（P<0.05），胡萝卜脆片的ΔE随着超声功率密度的增大先提高后降低，当超声功率密度为0.50、0.55 W/cm2时，胡萝卜脆片的ΔE显著低于其他超声功率密度处理。如图2-f所示，超声功率密度对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率的影响显著（P<0.05），当超声功率密度为0.22、0.50 W/cm2时，样品的总类胡萝卜素保留率较高。品质较好的胡萝卜脆片需具备脆度好、色泽明亮自然、营养保留率高等特点。综合分析得出，当超声功率密度为0.50 W/cm2时，胡萝卜脆片的品质较佳。

2.2 超声时间对胡萝卜脆片干燥均匀性及品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理的过程中，超声温度设为80 ℃，蔗糖渗透液质量分数设为40%，超声功率密度设为0.22 W/cm2，超声时间分别设为10、20、30、40、50、60 min，在MD预干燥的过程中，微波功率强度设为5 W/g，预干燥终点水分含量设为75%，最后进行EPD干燥至水分含量为6%。由图3-a可知，超声时间对胡萝卜脆片MD水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），当超声时间为30 min时，不同位置样品的水分含量差异最小，即水分含量最均匀。从图3-b可以看出，超声时间对胡萝卜脆片MD后L值的均匀性无显著性影响。从图3-c可以看出，当超声时间为30 min时，样品收缩率较高;当超声时间超过30 min时，胡萝卜脆片收缩率无显著变化（P<0.05）。如图3-d所示，超声时间对胡萝卜脆片脆度的影响显著（P<0.05），且随着超声时间的延长而逐渐降低，当超声时间为20、30 min时，胡萝卜脆片的脆度较为适中，而当超声时间为60 min时，胡萝卜样品的脆度最低。如图3-e所示，超声时间对胡萝卜脆片ΔE的影响显著（P<0.05），当超声时间为10～40 min时，胡萝卜脆片的ΔE无显著变化，而当超声时间超过40 min时，ΔE显著升高。如图3-f所示，超声时间对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率的影响显著（P<0.05），随着超声时间的延长，总类胡萝卜素保留率先升高后降低，当超声时间为30 min时，总类胡萝卜素保留率最高。综合考虑胡萝卜脆片的品质，选择超声时间为30 min较为合适。

2.3 超声温度对胡萝卜脆片干燥均匀性及品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理的过程中，

蔗糖渗透液质量分数设为40%，超声功率密度设为0.22 W/cm2，超声温度分别设为30、40、50、60、70、80 ℃，超声时间设为30 min，在MD预干燥过程中，微波功率强度设为5 W/g，预干燥终点水分含量设为75%，最后进行EPD干燥至水分含量为6%。由图4-a可知，超声温度对胡萝卜脆片MD水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），當超声温度为70 ℃时，不同位置样品间水分含量的差异最小，即水分含量最均匀。从图4-b可以看出，超声温度对胡萝卜脆片MD后L值的均匀性影响显著（P<0.05），当超声温度为40 ℃时，L值的均匀性最低。从图4-c可以看出，超声温度对胡萝卜脆片收缩率的影响显著（P<0.05），但未呈现明显规律。如图4-d所示，超声温度对胡萝卜脆片脆度的影响显著（P<0.05），随着超声温度的上升，胡萝卜脆片的脆度逐渐提高，当超声温度为70、80 ℃时，胡萝卜脆片的脆度较高（P<0.05）。如图4-e所示，超声温度对胡萝卜脆片ΔE的影响显著（P<0.05），当超声温度为70 ℃时，胡萝卜脆片的ΔE最低。如图4-f所示，超声温度对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率的影响显著（P<0.05），随着超声温度的升高，总类胡萝卜素保留率逐渐提高，当超声温度为50～80 ℃时，样品总类胡萝卜素的保留率较高。综合考虑胡萝卜脆片的品质和成本，选择超声温度为70 ℃较为合适。

2.4 蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片干燥均匀性及品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理的过程中，蔗糖渗透液的质量分数分别设为10%、20%、30%、40%、50%、60%，超声功率密度设为0.22 W/cm2，超声温度设为80 ℃，超声时间设为30 min，在MD预干燥的过程中，微波功率强度设为5 W/g，预干燥终点水分含量为75%，最后进行EPD干燥至水分含量为6%。由图5-a可知，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片MD水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），当蔗糖渗透液质量分数为50%～60%时，不同位置样品的水分含量差异最小，即水分含量最均匀。从图5-b可以看出，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片MD后L值的均匀性影响显著（P<0.05），呈先降低后升高的趋势，当蔗糖渗透液质量分数为30%时，L值的均匀性最低。从图5-c可以看出，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片收缩率的影响显著（P<0.05），当蔗糖渗透液质量分数为10%、30%时，其收缩率明显高于其他组。如图5-d所示，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆度的影响显著（P<0.05），当渗透液质量分数为10%～30%时，胡萝卜脆片的脆度较高。如图5-e所示，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片ΔE的影响显著（P<0.05），当蔗糖渗透液质量分数为30%时，胡萝卜脆片的ΔE最低（P<0.05）。如图5-f所示，蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率的影响无显著性差异。综合考虑胡萝卜脆片的品质，选择蔗糖渗透液质量分数为30%较为合适。

2.5 水分含量转换点对胡萝卜脆片干燥均匀性及品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理过程中，蔗糖渗透液质量分数设为40%，超声功率密度设为0.22 W/cm2，超声温度设为80 ℃，超声时间设为 30 min，在MD预干燥过程中，微波功率强度设为5 W/g，预干燥终点即水分含量转换点分别设为50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%，最后进行EPD干燥至水分含量为6%。由图6-a可知，MD水分含量转换点对胡萝卜脆片MD水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），当水分含量转换点为75%、80%时，MD水分含量均匀性最佳。从图6-b可以看出，水分含量转换点对胡萝卜脆片MD后L值均匀性的影响显著（P<0.05），当水分含量转换点为80%时，L值的均匀性最低。从图6-c可以看出，水分含量转换点对胡萝卜脆片收缩率的影响显著（P<0.05），当水分含量转换点为75%、80%时，收缩率显著高于其他组（P<0.05）。如图6-d所示，水分含量转换点对胡萝卜脆片脆度的影响显著（P<0.05），随着水分含量转换点逐渐升高，胡萝卜脆片的脆度逐渐增加，当水分含量转换点达到80%时，胡萝卜脆片的脆度最高（P<0.05）。如图6-e所示，水分含量转换点对胡萝卜脆片ΔE的影响显著（P<0.05），当水分含量转换点为80%时，胡萝卜脆片的ΔE最小（P<0.05）。如图6-f所示，水分含量转换点对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率影响显著（P<0.05），随着水分含量转换点逐渐升高，总类胡萝卜素保留率逐渐提高，当水分含量转换点为75%、80%时，总类胡萝卜素保留率较高。综合考虑胡萝卜脆片的整体品质，选择水分含量转换点为80%较为合适。

2.6 微波功率强度对胡萝卜脆片干燥均匀性和品质的影响

胡萝卜样品在超声辅助渗透预处理过程中，蔗糖渗透液质量分数设为40%，超声功率密度设为0.22 W/cm2，超声温度设为80 ℃，超声时间设为 30 min，在MD预干燥过程中，微波功率强度分别设为3、4、5、6、7 W/g，预干燥终点水分含量为75%，最后进行EPD干燥至水分含量为6%。由图7-a可知，微波功率强度对胡萝卜脆片MD水分含量均匀性的影响显著（P<0.05），当微波功率强度为 5 W/g 时，不同位置样品的水分含量差异最小，即水分含量最均匀。从图7-b可以看出，微波功率强度对胡萝卜脆片MD后L值的均匀性影响不显著。从图7-c可以看出，微波功率强度对胡萝卜脆片收缩率的影响显著（P<0.05），当微波功率强度为 3 W/g 时，收缩率较高，其次是微波功率为4、5 W/g的处理。如图7-d、图7-e所示，当微波功率强度大于4 W/g时，微波功率强度对胡萝卜脆片脆度和ΔE的影响均无显著性差异。如图7-f所示，微波功率强度对胡萝卜脆片总类胡萝卜素保留率的影响显著（P<0.05），随着微波功率强度逐渐增大，总类胡萝卜素保留率先升高后降低，当微波功率强度为5、6 W/g时，总类胡萝卜素保留率较高。综合考虑产品的品质和生产成本，选择微波功率强度为 5 W/g 较为合适。

3 讨论

在本研究中，影响因素和测定指标均是根据前期研究结果确定的，通过主成分分析和核心指标权重计算，筛选出胡萝卜脆片的6个核心评价指标作为优化工艺的结果判断指标，包括水分含量均匀性、L值的均匀性、收缩率、ΔE、脆度、总类胡萝卜素保留率。

各因素對微波水分含量均匀性、L值的均匀性、收缩率、脆度、ΔE和总类胡萝卜素保留率的影响具有显著性差异。在胡萝卜脆片预处理和干燥的过程中，超声波对其干燥均匀性及其他品质都有一定影响，这可能是因为超声波属于机械波，可使细胞内形成空化效应，从而影响干燥过程中水分含量及其他品质的变化[14]。随着超声功率密度、时间和温度的变化，胡萝卜脆片色泽变化较为显著，这可能是因为超声处理过程中形成的过氧化氢对褐变有抑制作用，从而对胡萝卜样品的色泽具有一定的保护作用[15]。另外，由于在超声过程中，样品是浸入介质溶液中的，空气浸入受到限制，从而降低了对色泽的破坏程度[16]。经过超声渗透处理，胡萝卜样品的L值显著提高，说明样品亮度显著提高，这可能是因为超声辅助渗透过程中的蔗糖渗透液具有提高亮度的作用[17-18]。超声功率密度和时间对收缩率均无明显影响，原因在于收缩率与水分含量有关，水分含量的变化较小。

蔗糖滲透液质量分数对胡萝卜脆片脆度的影响较为显著，可能是因为蔗糖渗透液在胡萝卜表面形成了蔗糖层，且糖的吸收增加了样品的固形物含量，使得干燥后样品的结构孔隙率降低、弹性损失，从而变得更加紧密[18]。在超声辅助渗透过程中，糖的吸收率会降低，空化作用会引起表面压缩应力、膨胀应力，形成细胞间的微观通道，对胡萝卜脆片的质地和收缩率也具有较大影响[14]。水分含量转换点对微波干燥水分均匀性的影响较为显著，随着水分含量转换点逐渐提高，水分含量的均匀性越好，而水分含量的变化影响着收缩率的变化，因此收缩率逐渐提高，样品的体积缩小程度越来越小。微波干燥功率强度对总类胡萝卜素保留率的影响较大，这可能是因为微波干燥过程中热空气的氧化导致类胡萝卜素被降解和异构化[19]，而类胡萝卜素的降解与氧气、高温有关[20]。也有研究提出，β-胡萝卜素易通过异构化、自氧化、光氧化和脂氧化酶氧化而降解[21]。因此可见，胡萝卜在微波干燥过程中很有可能会伴随着类胡萝卜素的异构化和氧化降解，导致总类胡萝卜素保留率的变化。

4 结论

在不同影响因素中，超声功率密度对胡萝卜片水分含量、L值的均匀性、脆度、ΔE和总类胡萝卜素保留率的影响显著，而对收缩率无显著性影响;超声时间对胡萝卜片水分含量均匀性、脆度、ΔE和总类胡萝卜素保留率影响显著，而对L值的均匀性和收缩率无显著性影响;超声温度和MD干燥的水分含量转换点对胡萝卜片水分含量和L值的均匀性、收缩率、脆度、ΔE和总类胡萝卜素保留率影响显著;蔗糖渗透液质量分数对胡萝卜片水分含量和L值的均匀性、收缩率、脆度和ΔE影响显著，而对总类胡萝卜素保留率无显著性影响;微波功率强度对胡萝卜片水分含量均匀性、收缩率和总类胡萝卜素保留率影响显著，而对L值的均匀性、脆度和ΔE无显著性影响。综合考虑，选择超声功率密度 0.50 W/cm2、超声时间30 min、超声温度70 ℃、蔗糖渗透液质量分数30%作为超声辅助渗透条件，将MD干燥的水分含量转换点80%、微波干燥功率强度5 W/g作为微波预干燥条件，可显著改善微波预干燥的水分和色泽均匀性，在此条件下，制备的胡萝卜脆片具有较佳的质地结构和营养品质。

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