超聲波處理對真空冷凍干燥香蕉片的影響

章斌，侯小楨，謝澤玲

（1.韓山師范學院生物系，廣東 潮州 521041；2.韓山師范學院美術系，廣東 潮州 521041）

真空冷凍干燥（Vacuum Freeze Drying，以下簡稱“凍干”）是在較高真空條件下，使預先凍結的物料中的水分以冰晶體形式直接升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術。國內外有關凍干的研究已有不少報道，且研究內容大多集中在對凍干理論、凍干工藝和凍干設備的研究這3個方面[1-3]。從加工設備及工藝參數來看，凍干是一種操作費用較高、能耗大、干燥時間較長的干燥方法，因而在工業化生產中的應用受到一定限制[4-5]。

近幾年來，超聲波技術因其獨特的熱效應、機械效應和空化效應而在功能活性成分提取、食品殺菌與保鮮、食品結晶與凍結、食品干燥等方面有著越來越廣泛的應用[6-8]。但將超聲波技術與其他干燥技術（如熱風干燥、微波干燥、真空冷凍組合干燥等）結合起來用于果蔬脆片的研究鮮有報道；另一方面，組合干燥技術現已成為干燥技術的一個重要研究內容和發展方向[9-10]，作為分支之一的超聲波-真空冷凍組合干燥技術亦將成為未來干燥技術的一個重要方向。因此，本試驗采用超聲波法對香蕉片進行預處理，探討超聲波對凍干香蕉片的影響，以期為超聲波技術與凍干技術的結合使用提供一些理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

香蕉：九成熟，無機械損傷，購于韓山師院西區市場。

BCD-257SL型冰箱：海爾集團；FD-1D-50型真空冷凍干燥機：北京博醫康實驗儀器有限公司；CS101-1A型電熱恒溫鼓風干燥箱：重慶銀河試驗儀器廠；KQ-500VDB型臺式數控超聲波清洗器：昆山超聲儀器有限公司；AUW120型電子分析天平：日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

原料→去皮→切片（6 mm厚）→超聲波處理→預冷→凍結→真空冷凍干燥→檢驗→成品

1.2.2 試驗指標測定

1.2.2.1 成品含水量測定[11]

隨機取干燥好的香蕉片2 g～5 g，切碎放入稱量瓶，置熱風干燥箱，于105℃下干燥至重量變化不超過3 mg。

1.2.2.2 復水率測定[12]

將真空冷凍干燥好的香蕉片放入水中，讓其充分吸水20min～30min；瀝干表面和四周的水，稱重，計算。

1.2.2.3 凍干終點和凍干總時間的確定

以“NY/T 948-2006-香蕉脆片標準”中的成品含水量5.0%為參照，在凍干后期，每隔一定時間迅速取出樣品稱重，使經超聲波預處理后的香蕉片樣品干燥至統一含水量5.0%為止，記錄相應的凍干時間。

2 結果與分析

2.1 超聲波功率對凍干香蕉片的影響

超聲波頻率45 kHz，分別在超聲波功率80、100、120、140、160、180、200 W 條件下預處理 20 min，然后按1.2.1流程進行凍干處理，測定凍干總時間和成品復水率，結果分別見圖1和圖2。

圖1 超聲波功率對凍干總時間的影響Fig.1 Effects on drying time by ultrasonic power

圖2 超聲波功率對成品復水率的影響Fig.2 Effects on rehydration rate by ultrasonic power

由圖1和圖2可知：隨著超聲波功率的增加，凍干總時間先減少后增大，成品復水率先增大后降低；140W預處理條件下的凍干總時間達至最小，復水率為最高。可能的原因是超聲波功率指聲波所具有的能量，功率越大，能量也越大，對物料性狀和內部結構的機械作用強度亦愈大；過高的功率會導致細胞破裂，從而導致在凍結過程所形成的冰晶體分布不均，影響升華通道的形成，延緩升華干燥時間。

2.2 超聲波作用時間對凍干香蕉片的影響

超聲波頻率45 kHz，于140 W功率下分別超聲處理 15、20、25、30、35、40、45、50 min 進行預處理，然后按1.2.1流程進行凍干處理，測定凍干總時間和成品復水率，結果分別見圖3和圖4。

圖3 超聲波作用時間對凍干總時間的影響Fig.3 Effects on drying time by extraction time

圖4 超聲波作用時間對成品復水率的影響Fig.4 Effects on rehydration rate by extraction time

從圖3和圖4可看出：在一定頻率和一定功率下，經超聲波處理后的樣品凍干總時間均有所縮短，在35 min時達至最小值；而經超聲波處理后的成品復水率均有所升高，且在35 min時達至最大。可能的原因是經適當時間地超聲波后，原料內部組織逐漸形成海綿狀疏松結構，形成的冰晶明顯減小，分布更加均勻，在凍結過程中利于升華通道的生成[6，13]；另一方面，空化作用有助于除去部分結合水，從而節省后期的凍干總時間[14]。

2.3 超聲波頻率對凍干香蕉片的影響

超聲波功率140 W，分別在28、45、100 kHz超聲波頻率下預處理35 min；然后按1.2.1流程進行凍干處理，測定凍干總時間和成品復水率，結果分別見圖5和圖6。

圖5 超聲波頻率對凍干總時間的影響Fig.5 Effects on drying time by ultrasonic frequency

圖6 超聲波頻率對成品復水率的影響Fig.6 Effects on rehydration rate by ultrasonic frequency

由圖5和圖6知：45 kHz處理條件下的凍干總時間最短，成品復水率最大；過高或過低的超聲波頻率均對成品品質有一定不良影響。可能的原因是較低頻率的超聲波所產生的空化效應與香蕉片組織破碎的振幅接近，易產生共振效果，形成更好的升華通道，便于凍干時的冰晶體升華干燥[15]；而超聲波頻率較高時，空化作用反而變得不顯著，對原料升華通道的形成無明顯影響。

2.4 超聲波預處理條件優化試驗

在單因素試驗基礎上，以凍干總時間為考核指標，采用L9（33）正交試驗優化超聲波預處理條件，正交試驗結果與方差分析結果分別見表1和表2。

表1結果表明：影響真空冷凍干燥香蕉片的因素主次順序為B（超聲波作用時間）＞A（超聲波功率）＞C（超聲波頻率），超聲波預處理香蕉片的優化工藝條件為A1B2C3；因此組合不在正交試驗組中；經驗證試驗，并與A2B3C1組合比較，確定超聲波預處理香蕉片最優條件為A2B3C1，即超聲波功率140 W、超聲波作用時間40 min、超聲波頻率28 kHz；此條件下的凍干總時間為8.9 h。

表1 正交試驗設計與結果Table 1 Results of orthogonal experimental design

表2 方差分析表Table 2 Results of variance analysis

表2的方差分析結果表明：超聲波功率和超聲波處理時間對真空冷凍干燥香蕉片的影響差異顯著，而超聲波頻率不顯著。

3 結論

1）影響凍干香蕉片的因素主次順序為：超聲波作用時間>超聲波功率>超聲波頻率；且超聲波功率和超聲波處理時間對凍干香蕉片的影響差異顯著，而超聲波頻率不顯著。

2）超聲波預處理香蕉片的最優工藝條件為：超聲波功率140 W、超聲波作用時間40 min、超聲波頻率28 kHz；此條件下的凍干總時間為8.9 h。

[1]Chokri Hammami.Determination of freeze-drying process variables for strawberries[J].Journal of food engineering,1997,32:133-154

[2]Litvin S,Mannheim C H,Miltz J.Dehydration of carrots by a combination of freeze drying,microwave heating and air or vacuum drying[J].Journal of food engineering,1998,36:103-111

[3]Yeu-Pyng Lin,Tsai-Yun Lee,Jen-Horng Tsen,et al.Dehydration of yam slices using FIR-assisted freeze drying[J].Journal of food engineering,2004,79:1295-1301

[4]章斌,李遠志,肖南,等.香蕉片真空冷凍干燥工藝研究[J].農產品加工·學刊,2009(3):142-144

[5]章斌,李遠志,徐莉珍,等.液氮速凍與真空冷凍干燥香蕉片的工藝研究[J].昆明理工大學學報,2007,32(6A):52-55

[6]周莉.超聲波在食品工業中的應用的研究現狀[J].肉類研究,2009(2):67-71

[7]梁華,鈕琰星,黃鳳洪,等.超聲波在食品工業上的應用[J].食品工業科技,2008,29(7):293-296

[8]宋國勝,胡松青,李琳.超聲波技術在食品科學中的應用與研究[J].現代食品科技,2008,24(6):609-612

[9]李建國,趙麗娟,潘永康,等.組合干燥的應用及進展[J].化學工程,2006,34(1):8-11

[10]Mujumdar A S,Passos M L.干燥—研究和發展中的創新技術和趨勢[J].化工進展-干燥技術專刊,1999,18(增刊):2-9

[11]黃曉鈺,劉鄰渭.食品化學綜合實驗[M].北京:中國農業大學出版社,2002:171-174

[12]包建強,楊永明.青蒜真空冷凍升華干燥技術的研究[J].制冷,2003,22(4):6-9

[13]曾麗芬.超聲波在食品干燥中的應用[J].廣東化工,2008,35(2):49-51

[14]石秀東.超聲波作用在食品加工中的應用[J].包裝與食品機械,1998,16(1):10-11

[15]林平,朱海翔,李遠志,等.超聲波預處理對真空冷凍干燥胡蘿卜的影響研究[J].食品科技,2010,35(7):116-119