蘭冬梅，許 平，林曉嵐，胡樹國，朱巧巧，王 鳴

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州350002)

滲透脫水是將果蔬浸入到高滲透壓溶液(糖溶液或鹽溶液)，利用細(xì)胞膜的半滲透性使原材料中的水分轉(zhuǎn)移到糖溶液或者鹽溶液中，以達(dá)到除去果蔬組織中部分水分的加工方法。滲透脫水能夠較好地保持果蔬的加工后品質(zhì)和特性［1］，且滲透脫水耗能低、場(chǎng)地占用小、設(shè)備簡單和易于操作，便于與其他干燥方式聯(lián)合［2］，傳統(tǒng)的魚肉、蔬菜的腌制及糖制都屬于該范疇。傳統(tǒng)的滲透脫水時(shí)間較長，物料脫水速度較慢。近年來，在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，一些高新技術(shù)如:超聲波、電場(chǎng)、離心、真空等被用于強(qiáng)化滲透脫水效果。

超聲波具有快速、經(jīng)濟(jì)適用、高效安全的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)、化工、機(jī)械方面都有廣泛應(yīng)用［3］。工程學(xué)上用于水下定位與通訊、地下資源勘查;生物學(xué)上用于剪切大分子、生物工程及處理種子;診斷學(xué)上用于雙功及彩超;在醫(yī)學(xué)上用于理療、治癌、外科、體外碎石、牙科;食品科學(xué)上用于天然物的萃取、均質(zhì)乳化、殺菌等［4］。超聲技術(shù)可提高農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水的脫水效率和營養(yǎng)保持率。本文主要綜述近年來超聲波對(duì)農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水輔助作用的研究進(jìn)展，以期為超聲波輔助農(nóng)產(chǎn)品滲透脫水技術(shù)的研究提供參考。

1 滲透脫水

1.1 滲透脫水的主要影響因素

1.1.1 原材料的組織特性 影響原材料組織特性的因素包括:品種、大小、形狀、成熟度、可溶性固形物含量、含水量、密度、酶活力等。這些因素影響果蔬、魚肉原料的組織特性，從而影響物質(zhì)的遷移過程，使?jié)B透脫水效果受到影響。張曉敏［5］采用片狀和丁狀兩種切分方式研究板栗滲透脫水，當(dāng)失水率達(dá)到10%時(shí)，片狀樣品需2.5 h，丁狀樣品需3.5 h，說明切分厚度會(huì)影響滲透脫水速率;任世英［6］研究了切段和切絲兩種切分方式對(duì)四季豆?jié)B透脫水的影響，結(jié)果表明，切絲樣品60 min 內(nèi)失水率基本恒定，而切段樣品的失水率在180 min 還未達(dá)到穩(wěn)定。以上研究均表明原材料形狀、大小影響滲透脫水速率。此外，果蔬表皮含有蠟質(zhì)成分，影響分子遷移，從而影響滲透脫水過程。

1.1.2 滲透液的種類 滲透液對(duì)滲透脫水過程的影響主要由滲透壓引起。滲透壓是水分在物料與溶液之間擴(kuò)散的推動(dòng)力，而滲透壓與單位體積溶液中所含的分子或者離子數(shù)有關(guān)。溶液濃度相同，分子量越大，粒子數(shù)越少，則滲透壓越低，反之則滲透壓越高。例如相同的滲透壓，蔗糖溶液比葡萄糖溶液濃度高。

常用的滲透液溶質(zhì)包括:蔗糖、葡萄糖、NaCl、麥芽糖以及糊精類等［7］。水果滲透脫水多用糖溶液;蔬菜、魚肉常用NaCl 溶液［8］。滲透脫水產(chǎn)品品質(zhì)受滲透液溶質(zhì)的影響很大。藍(lán)莓滲透脫水達(dá)到50%失水率時(shí)，蔗糖溶液的脫水速度低于高果糖漿，這是因?yàn)楦吖菨{由果糖和葡萄糖組成，而果糖和葡萄糖的分子比蔗糖小，造成蔗糖的擴(kuò)散系數(shù)小，脫水速度變慢［9］;濃度為10% －15%NaCl 溶液與60%蔗糖溶液滲透壓相當(dāng);滲透壓相同時(shí)，葡萄糖溶液濃度低于蔗糖溶液［10］。

1.1.3 滲透液的溫度及濃度 滲透液的溫度主要影響原材料的失水率、溶質(zhì)滲入率及原材料風(fēng)味等因素。溫度提高，分子運(yùn)動(dòng)增加，傳質(zhì)速率提高，原材料失水率提高，而滲入率也會(huì)提高，則風(fēng)味受到影響，有些原材料還會(huì)出現(xiàn)褐變、營養(yǎng)素流失、組織變軟等［11］導(dǎo)致品質(zhì)下降的情況。因此溫度的選擇應(yīng)當(dāng)在保證原材料風(fēng)味的前提下，達(dá)到原材料失水率與滲透溶質(zhì)增加的高比值。非特殊情況無需額外加熱。

滲透液濃度影響滲透液與細(xì)胞間的滲透壓差［12］，濃度越高，壓差越大，則原材料失水率越大，并且隨之粘度也會(huì)增大，導(dǎo)致水的擴(kuò)散速度降低，總擴(kuò)散速度則相應(yīng)降低，并且粘度增大對(duì)攪拌速度也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，滲透液濃度的選擇要考慮原材料的材質(zhì)與組織特性，并且考慮攪拌速度等因素。

1.1.4 操作條件 滲透液與原材料質(zhì)量比、滲透脫水時(shí)間以及滲透脫水過程的攪拌與否都會(huì)影響滲透脫水產(chǎn)品品質(zhì)。合理的滲透液與原材料質(zhì)量比，能夠保證合理的滲透脫水時(shí)間和速率。當(dāng)滲透液與原材料質(zhì)量比為10∶1 及以上時(shí)，可以有效提高滲透速度［13］。滲透脫水在3 h 內(nèi)的脫水速率最快，在此時(shí)間段內(nèi)，時(shí)間越長，失水率越高;但時(shí)間過長會(huì)造成產(chǎn)品品質(zhì)的下降，因此滲透脫水時(shí)間應(yīng)控制在4 －5 h［14］。

1.2 滲透脫水的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究

滲透脫水的傳質(zhì)學(xué)研究［15］主要為實(shí)現(xiàn)滲透脫水過程的可控制性和可預(yù)測(cè)性。滲透脫水主要包括水分和固形物的質(zhì)量傳遞。水分質(zhì)量傳遞是水分從原材料內(nèi)部向溶液中擴(kuò)散［16］;固形物質(zhì)量傳遞是溶液中的固形物向原材料內(nèi)部擴(kuò)散的過程，這兩種過程方向相反且同時(shí)發(fā)生。不同的生產(chǎn)要求對(duì)兩者的要求不盡相同，水果蜜餞生產(chǎn)過程要求糖分充分浸入，而蔬菜脫水則要求控制溶質(zhì)的滲入量。王順民等［17］研究萵筍超聲波輔助滲透脫水表明，滲透劑種類、滲透劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、滲透溫度和超聲波功率等因素都會(huì)對(duì)萵苣滲透脫水產(chǎn)生影響，通過試驗(yàn)所得萵筍超聲波輔助滲透最佳工藝條件為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%的蔗糖作為滲透劑，超聲波功率為200 W，溫度為58 ℃，時(shí)間為149 min，在此條件下萵筍失水率和固形物增加率分別為1109%和342%，這說明超聲波輔助滲透脫水需要滲透液、操作條件等因素相互協(xié)調(diào)控制。目前已經(jīng)初步建立水分和溶質(zhì)的傳質(zhì)模型，其目的是檢測(cè)滲透過程的動(dòng)態(tài)變化。水傳質(zhì)過程的主要研究方法有兩種:Fick 第二定律的非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程［18］和Peleg 方程模擬滲透平衡［19－20］。

原材料的滲透脫水主要是物質(zhì)的遷移。最外層的細(xì)胞最先由于濃度差失水，細(xì)胞內(nèi)濃度升高，并與內(nèi)層細(xì)胞產(chǎn)生濃度差，則水分由第2 層細(xì)胞向第1 層細(xì)胞轉(zhuǎn)移，由此一層層產(chǎn)生的濃度差導(dǎo)致水分的轉(zhuǎn)移過程和細(xì)胞的組織收縮過程從原材料表面逐漸向內(nèi)部進(jìn)行，水分不斷浸出，直至原材料內(nèi)與滲透液濃度相等后，物質(zhì)遷移就趨于平衡。

1.3 滲透脫水的輔助技術(shù)

由于單純的滲透脫水速度較慢，利用一些高科技輔助技術(shù)［21－22］能夠縮短滲透縮水的時(shí)間，包括真空處理［23］、超高壓技術(shù)、超聲波技術(shù)［24］、高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)技術(shù)［25－26］等。真空處理能夠迅速降低氣壓，使原材料中的空氣迅速排出，增加細(xì)胞與滲透液的接觸面積，同時(shí)，增強(qiáng)毛細(xì)管作用;超高壓技術(shù)通過提高壓強(qiáng)，使原材料中的水分移動(dòng)，并且破壞原料的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，提高細(xì)胞通透性;高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)能夠使原材料細(xì)胞膜形成空隙，破壞細(xì)胞膜，影響滲透性。董全［27］比較真空、脈沖真空和常壓下藍(lán)莓滲透脫水情況發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓的有效水分?jǐn)U散率分別為1.678 ×10－9、1.363 ×10－9、0.568 ×10－9m2·s－1。真空滲透脫水、脈沖真空滲透脫水和常壓下滲透脫水的有效固性物擴(kuò)散率分別為0.917 ×10－9、0.639 ×10－9、0.510 ×10－9m2·s－1，真空、脈沖真空的固形物擴(kuò)散率都高于常壓固形物擴(kuò)散率，能夠有效加快滲透脫水。

2 超聲波輔助滲透脫水

2.1 超聲波輔助滲透脫水的原理

超聲波是頻率為20 ×103－2 ×106Hz 的聲波，能夠引起介質(zhì)快速、連續(xù)、壓縮膨脹，具有加速物質(zhì)擴(kuò)散的作用［28－29］。超聲波可以在液體中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，促使液體內(nèi)部產(chǎn)生微小氣泡，使得微小氣泡產(chǎn)生時(shí)速為100 m2·s－1的噴射流［30］，這種噴射流不僅能瞬間擊穿細(xì)胞膜，增強(qiáng)細(xì)胞膜的滲透性，而且也起到了攪拌的作用［31］，形成溶液漩渦，促進(jìn)滲透過程進(jìn)行［32－33］?！昂＞d效應(yīng)”能夠降低內(nèi)部傳質(zhì)阻力，“微擾”和“空化效應(yīng)”能夠減小擴(kuò)散邊界層，降低外部傳質(zhì)阻力，這兩方面因素能夠加快滲透流和擴(kuò)散流的運(yùn)動(dòng)速度。Soria et al［34］認(rèn)為超聲波的微擾效應(yīng)會(huì)降低物料表面水分吸附力并產(chǎn)生微孔道，這種微小氣泡有利于水分的遷移與脫除，并有利于微小氣泡周圍的高壓、高溫以及高頻率的產(chǎn)生。

2.2 影響超聲波輔助滲透脫水速率的因素

李媛等［35］使用超聲波輔助預(yù)處理胡蘿卜滲透脫水表明，原材料厚度、超聲波時(shí)間、超聲波功率都會(huì)對(duì)滲透脫水速率產(chǎn)生影響，胡蘿卜片處理最佳參數(shù)為:切片厚度6 mm，糖溶液濃度15%，超聲波功率、時(shí)間分別為100 W、15 min，脫水時(shí)間4 h。董紅星等［36］研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以顯著強(qiáng)化紅薯滲透脫水過程的物質(zhì)遷移，紅薯脫水率和固形物得率在一定范圍內(nèi)隨超聲波功率、超聲時(shí)間、滲透液濃度、滲透液溫度的增加而提高。紅薯的最佳超聲波滲透脫水條件為:超聲波功率93 W、時(shí)間25 min，滲透液濃度40%，溫度30℃。這說明超聲波的時(shí)間、功率、滲透液濃度等因素會(huì)對(duì)滲透脫水產(chǎn)生影響。

2.3 超聲波輔助滲透脫水農(nóng)產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀

程新峰等［37］使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)和熱示差掃描(differential scanning calorimeter，DSC)技術(shù)比較超聲波和脈沖真空處理對(duì)草莓滲透脫水的影響。在50%蔗糖溶液中經(jīng)過40 ℃脫水處理3 h，超聲波輔助滲透脫水水分流失量明顯高于脈沖真空輔助滲透脫水，超聲波輔助滲透脫水明顯降低初始凍結(jié)溫度和可凍結(jié)水含量。鄒克堅(jiān)［20］對(duì)比真空、脈沖和超聲波對(duì)芒果滲透脫水的影響發(fā)現(xiàn)，真空、脈沖和超聲波均能促進(jìn)芒果水分和固形物的擴(kuò)散，其中超聲波的水分?jǐn)U散系數(shù)最大，有效加快了水分遷移。

李俊先等［38］通過響應(yīng)面優(yōu)化蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、滲透溫度、滲透時(shí)間與超聲波功率等單因素得出超聲波輔助紫薯滲透脫水的最佳工藝為:蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.29%，滲透時(shí)間和溫度分別為2.46 h 和65 ℃，超聲波功率142.33 W，經(jīng)過此條件滲透脫水的紫薯固形物增加8.33%，脫水率增加40.97%。紫薯含有豐富的維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，其花青素含量具有高生物學(xué)性能［39］，此種方法能夠延長紫薯保存時(shí)間。嚴(yán)曉輝等［40］的電鏡掃描結(jié)果顯示超聲波處理對(duì)荔枝組織結(jié)構(gòu)有明顯影響，并且超聲波預(yù)處理有利于干燥速率的提高，超聲波功率越大，影響越顯著。石啟龍等［41］采用超聲波輔助研究雪蓮果滲透脫水工藝，以滲透脫水時(shí)間、溫度、蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲波功率和時(shí)間為單因素，失水率及固形物增加率為指標(biāo)，通過單因素和二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)建立各因素和響應(yīng)值之間的回歸方程，發(fā)現(xiàn)影響固形物增加率的因素依次為:超聲波處理時(shí)間＞溫度＞蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù);影響失水率/固形物增加率的因素依次為:滲透脫水時(shí)間＞蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞時(shí)間＞溫度。雪蓮果超聲波輔助滲透脫水的最佳工藝為超聲波處理時(shí)間35 min，滲透脫水時(shí)間和溫度分別為1.7 h 和41 ℃，此時(shí)失水率/固形物增加率為0.059。Kowalski et al［42］在靜止和間歇兩種情況下，對(duì)滲透預(yù)處理的干燥動(dòng)力學(xué)和生物材料質(zhì)量進(jìn)行研究表明，在最佳干燥條件下，超聲波能縮短干燥時(shí)間和達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量退化最小化。目前有關(guān)超聲波預(yù)處理對(duì)果蔬滲透脫水影響的研究較少，趙彩青等［43］在研究超聲波輔助滲透脫水對(duì)櫻桃和番茄的影響時(shí)，探究超聲波輔助對(duì)果蔬產(chǎn)品的影響。超聲波處理可以提高滲透脫水速度，但隨著時(shí)間延長，超聲波對(duì)滲透脫水速率的影響逐漸降低，當(dāng)超聲波處理時(shí)間為120 min，超聲波預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組幾乎相同，這說明超聲波對(duì)滲透脫水的影響有一定的限制，起初超聲波能夠有效地破壞組織細(xì)胞的細(xì)胞膜，迅速增加細(xì)胞的通透性，有效地提高滲透脫水的速度，但隨著時(shí)間延長，溶質(zhì)滲入量增加，表皮細(xì)胞不再起作用，則超聲波的作用下降。吳曉霞等［44］研究超聲波輔助強(qiáng)化白蘿卜滲透脫水時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲波對(duì)脫水有明顯強(qiáng)化作用，在一定范圍內(nèi)物料脫水速率隨超聲波功率增加而增加，并且時(shí)間越長，脫水率和固形物得率都增大，但是，增加物料厚度和超聲波頻率，出現(xiàn)脫水率降低的情況，這與任仙娥等［45］研究超聲波強(qiáng)化菠蘿滲透脫水所得的結(jié)論相同。試驗(yàn)證明，超聲波對(duì)提高滲透脫水的效率、提高農(nóng)產(chǎn)品的加工保藏率具有良好的效果，然而超聲滲透脫水只能除去部分水分，得到的產(chǎn)品仍具有一定的含水率，難以實(shí)現(xiàn)長期保藏，要達(dá)到較低的水分含量，后期還需采用冷凍干燥等方法進(jìn)一步除去多余的水分［46－48］。

3 小結(jié)

目前滲透脫水產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，通過滲透脫水所得的水果可以用作甜點(diǎn)、冰淇淋及各種快餐的原材料，中等水分含量的水果蔬菜可以通過滲透脫水降低水分活度來延長貨架期，滲透脫水是制備中等水分果蔬的優(yōu)選方法。超聲波作為滲透脫水的預(yù)處理方式，具有加快脫水速度，降低脫水溫度，提高失重率的優(yōu)點(diǎn)［31］，并且在保持果蔬品質(zhì)以及節(jié)能方面具有優(yōu)于其他處理方式的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景［49］。但是在工業(yè)化生產(chǎn)中，要推廣超聲波作為預(yù)處理方式來輔助果蔬滲透脫水，其各類參數(shù)及條件還需進(jìn)一步探究。

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