真空超聲波等對(duì)水果脫水的影響
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滲透脫水是指果蔬在一定溫度下，浸入高滲透壓的溶液中，利用細(xì)胞膜的半滲透性使物料中水分轉(zhuǎn)移到溶液中的一種方法[1-2]。滲透脫水通常用來(lái)作為果蔬進(jìn)行其他干燥過(guò)程的前處理，可以除去部分水分、降低能耗，并能保持產(chǎn)品原有的品質(zhì)，如色澤、質(zhì)地、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)等[3-4]。在滲透過(guò)程中，物料組織內(nèi)部水分向外界滲透液擴(kuò)散，滲透液中的溶質(zhì)也會(huì)向物料內(nèi)部遷移，同時(shí)還有物料自身組分的少量浸出(如糖類、有機(jī)酸、維生素、礦物質(zhì)等)[5]。滲透時(shí)物質(zhì)傳遞的唯一動(dòng)力是細(xì)胞膜兩側(cè)的滲透壓，是一個(gè)極為緩慢的過(guò)程。不少學(xué)者研究采用真空或脈沖真空[6-7]、超聲波[8-9]、高靜水壓[10]、電場(chǎng)[11-12]、離心[12-13]等高新技術(shù)來(lái)強(qiáng)化這一過(guò)程，提高物質(zhì)的遷移速率，然而目前對(duì)這一過(guò)程質(zhì)量傳遞模型的研究仍有不足，一些模型較為復(fù)雜。本文分析了芒果滲透脫水過(guò)程中失水率和固增率的變化規(guī)律，并采用菲克擴(kuò)散模型來(lái)評(píng)價(jià)真空、脈沖真空、超聲波對(duì)芒果滲透動(dòng)力學(xué)的影響，為脫水芒果產(chǎn)品的生產(chǎn)提供理論參考。
1材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
芒果：凱特，七八成熟，大小一致，市售；果葡糖漿：食品級(jí)，市售。
1.2儀器與設(shè)備
WZS-I型阿貝折光儀：上海光學(xué)儀器廠；DGH-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海精密科學(xué)儀器公司；AE200-S型分析天平：瑞士梅特勒公司；GSY-Ⅱ型恒溫水浴鍋：北京醫(yī)療設(shè)備廠；KQ-500E型超聲波清洗儀：昆山市超聲儀器公司。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
芒果去皮、去核后，用切片刀切成26mm×26mm×5mm塊狀。樣品浸沒(méi)在65°Brix果葡糖漿溶液中，糖液溫度為30℃，料液比為1:3，最大滲透時(shí)間為180min，滲透過(guò)程中每5min攪拌1次，滲透結(jié)束后將樣品取出，經(jīng)蒸餾水快速?zèng)_洗后，用吸水紙吸干表面水分[7]。在滲透過(guò)程中，樣品的水分含量和固形物含量每隔30min測(cè)定1次。常壓滲透實(shí)驗(yàn)(CK)：在恒溫水浴鍋中進(jìn)行，滲透時(shí)間為180min，作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。真空滲透實(shí)驗(yàn)(VOD)：在真空度為-0.1MPa的容器中，維持真空滲透180min。脈沖真空滲透實(shí)驗(yàn)(PVOD)：先在-0.1MPa的真空下處理5min，接著壓力恢復(fù)到大氣壓下保持25min，然后再在相同真空下處理5min，再恢復(fù)到大氣壓下保持25min，如此反復(fù)循環(huán)直至滲透結(jié)束。超聲波滲透實(shí)驗(yàn)(UOD)：在超聲波清洗器(40kHz，400W)中進(jìn)行，滲透處理時(shí)間為180min。
1.3.2水分含量和固形物含量的測(cè)定
水分含量的測(cè)定：105℃烘干恒重法測(cè)定，平行實(shí)驗(yàn)3次。固形物含量的測(cè)定：采用阿貝折光儀測(cè)定，平行實(shí)驗(yàn)3次。
1.3.3失水率和固增率的計(jì)算
樣品的失水率、固增率計(jì)算公式為[14]：
1.3.4水分?jǐn)U散系數(shù)和固形物擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算
菲克擴(kuò)散方程被廣泛地應(yīng)用于估算果蔬滲透脫水時(shí)的水分?jǐn)U散系數(shù)和固形物擴(kuò)散系數(shù)，計(jì)算公式為[14-15]：
2結(jié)果與分析
2.1芒果滲透脫水過(guò)程中失水率的變化
由圖1可知，芒果的失水率隨著滲透時(shí)間的增加而不斷增大。在滲透前150min內(nèi)，對(duì)照組的樣品具有最大的失水率，其次為真空、脈沖真空處理，而超聲波處理具有最小值；但在150min后，超聲波處理的失水率最大。同對(duì)照組相比，真空、脈沖真空、超聲波處理對(duì)失水率的影響并不太明顯。有些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，真空、脈沖真空或超聲波處理都能提高物料的失水率[16-17]，這可能是由樣品的品種、成熟度、質(zhì)地、形狀等因素的差異導(dǎo)致。
2.2芒果滲透脫水過(guò)程中固增率的變化
圖2可以看出，芒果的固增率同樣隨著滲透時(shí)間的增加而增大。真空、脈沖真空、超聲波處理均能明顯地提高樣品的固增率，真空處理效果最為突出，其固增率是對(duì)照組的2倍多，其次為超聲波、脈沖真空處理。在真空下，組織內(nèi)細(xì)胞間隙中的氣體被抽出，由于存在壓力梯度，外界溶質(zhì)更容易向組織內(nèi)部轉(zhuǎn)移[6,18]。同失水率比較，芒果的固增率要小得多，是因?yàn)樘欠肿恿枯^大，不易透過(guò)細(xì)胞膜，這與Shi等[16]在研究杏、菠蘿、草莓的滲透脫水結(jié)果一致。超聲波能夠增加細(xì)胞的通透性[9,19]，從而促進(jìn)溶質(zhì)的滲入，提高芒果的固增率。
2.3水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算
從圖3可知，方程3能很好地模擬失水率與滲透時(shí)間的變化規(guī)律，各個(gè)處理下擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2在0.97~0.99之間。直線的斜率代表了樣品的水分?jǐn)U散系數(shù)，常壓、真空、脈沖真空、超聲波下水分?jǐn)U散系數(shù)依次為3.11、3.19、3.18、3.37min-1/2，從中可知真空、脈沖真空、超聲波處理均能促進(jìn)水分的擴(kuò)散，超聲波的效果最好，其水分?jǐn)U散系數(shù)增量為8.3%，高于真空和脈沖真空下的值。超聲波的空化作用能在物料組織中形成微觀通道，減弱固液邊界層，促進(jìn)水分的擴(kuò)散[9]。Fito[6]的研究也證實(shí)了真空滲透過(guò)程的擴(kuò)散滲透和水動(dòng)力學(xué)機(jī)理的共同作用促進(jìn)了物質(zhì)交換，加快了水分的遷移。由于各處理下的水分?jǐn)U散系數(shù)相差不是太大，在滲透前150min內(nèi)，常壓下樣品的失水率最大，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，真空、脈沖真空和超聲波處理的失水率逐漸增大，最終高于對(duì)照組的值。
2.4固形物擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算
從圖4可知，方程4同樣能較好模擬失水率與滲透時(shí)間的變化規(guī)律，各個(gè)處理下擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2在0.93~0.98之間，常壓、真空、脈沖真空、超聲波下固形物擴(kuò)散系數(shù)依次為0.33、0.64、0.40、0.46min-1/2。相比于對(duì)照組，真空、脈沖真空、超聲波處理都能促進(jìn)固形物(糖分)向芒果組織中擴(kuò)散，真空處理的效果最好，其固形物擴(kuò)散系數(shù)高于常壓下的94.2%，遠(yuǎn)大于脈沖真空、超聲波處理的固形物擴(kuò)散系數(shù)增量。綜合分析表1和表2后發(fā)現(xiàn)，固形物的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于水分的擴(kuò)散系數(shù)，這是由于前者的分子量遠(yuǎn)大于后者的分子量，水分子具有更快的擴(kuò)散速率。另外可知，超聲波處理對(duì)水分?jǐn)U散的影響較大，而真空處理對(duì)固形物擴(kuò)散的促進(jìn)作用最為明顯。
3結(jié)論
菲克擴(kuò)散方程能較好地模擬芒果滲透過(guò)程中水分和固形物的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。相比于對(duì)照組，真空、脈沖真空、超聲波處理均能有效地提高水分和固形物的擴(kuò)散系數(shù)，超聲波處理下芒果的水分?jǐn)U散系數(shù)最大，而真空處理下樣品有最高的固形物擴(kuò)散系數(shù)。滲透過(guò)程中，固形物的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于水分的擴(kuò)散系數(shù)。真空、脈沖真空、超聲波處理能有效地提高芒果的固增率，而對(duì)其失水率的影響并不明顯。
