真空超声波等对水果脱水的影响

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渗透脱水是指果蔬在一定温度下，浸入高渗透压的溶液中，利用细胞膜的半渗透性使物料中水分转移到溶液中的一种方法[1-2]。渗透脱水通常用来作为果蔬进行其他干燥过程的前处理，可以除去部分水分、降低能耗，并能保持产品原有的品质，如色泽、质地、风味、营养等[3-4]。在渗透过程中，物料组织内部水分向外界渗透液扩散，渗透液中的溶质也会向物料内部迁移，同时还有物料自身组分的少量浸出(如糖类、有机酸、维生素、矿物质等)[5]。渗透时物质传递的唯一动力是细胞膜两侧的渗透压，是一个极为缓慢的过程。不少学者研究采用真空或脉冲真空[6-7]、超声波[8-9]、高静水压[10]、电场[11-12]、离心[12-13]等高新技术来强化这一过程，提高物质的迁移速率，然而目前对这一过程质量传递模型的研究仍有不足，一些模型较为复杂。本文分析了芒果渗透脱水过程中失水率和固增率的变化规律，并采用菲克扩散模型来评价真空、脉冲真空、超声波对芒果渗透动力学的影响，为脱水芒果产品的生产提供理论参考。

1材料与方法

1.1实验材料

芒果：凯特，七八成熟，大小一致，市售；果葡糖浆：食品级，市售。

1.2仪器与设备

WZS-I型阿贝折光仪：上海光学仪器厂；DGH-9240A型电热鼓风干燥箱：上海精密科学仪器公司；AE200-S型分析天平：瑞士梅特勒公司；GSY-Ⅱ型恒温水浴锅：北京医疗设备厂；KQ-500E型超声波清洗仪：昆山市超声仪器公司。

1.3实验方法

1.3.1实验设计

芒果去皮、去核后，用切片刀切成26mm×26mm×5mm块状。样品浸没在65°Brix果葡糖浆溶液中，糖液温度为30℃，料液比为1:3，最大渗透时间为180min，渗透过程中每5min搅拌1次，渗透结束后将样品取出，经蒸馏水快速冲洗后，用吸水纸吸干表面水分[7]。在渗透过程中，样品的水分含量和固形物含量每隔30min测定1次。常压渗透实验(CK)：在恒温水浴锅中进行，渗透时间为180min，作为对照实验。真空渗透实验(VOD)：在真空度为-0.1MPa的容器中，维持真空渗透180min。脉冲真空渗透实验(PVOD)：先在-0.1MPa的真空下处理5min，接着压力恢复到大气压下保持25min，然后再在相同真空下处理5min，再恢复到大气压下保持25min，如此反复循环直至渗透结束。超声波渗透实验(UOD)：在超声波清洗器(40kHz，400W)中进行，渗透处理时间为180min。

1.3.2水分含量和固形物含量的测定

水分含量的测定：105℃烘干恒重法测定，平行实验3次。固形物含量的测定：采用阿贝折光仪测定，平行实验3次。

1.3.3失水率和固增率的计算

样品的失水率、固增率计算公式为[14]：

1.3.4水分扩散系数和固形物扩散系数的计算

菲克扩散方程被广泛地应用于估算果蔬渗透脱水时的水分扩散系数和固形物扩散系数，计算公式为[14-15]：

2结果与分析

2.1芒果渗透脱水过程中失水率的变化

由图1可知，芒果的失水率随着渗透时间的增加而不断增大。在渗透前150min内，对照组的样品具有最大的失水率，其次为真空、脉冲真空处理，而超声波处理具有最小值；但在150min后，超声波处理的失水率最大。同对照组相比，真空、脉冲真空、超声波处理对失水率的影响并不太明显。有些学者研究发现，真空、脉冲真空或超声波处理都能提高物料的失水率[16-17]，这可能是由样品的品种、成熟度、质地、形状等因素的差异导致。

2.2芒果渗透脱水过程中固增率的变化

图2可以看出，芒果的固增率同样随着渗透时间的增加而增大。真空、脉冲真空、超声波处理均能明显地提高样品的固增率，真空处理效果最为突出，其固增率是对照组的2倍多，其次为超声波、脉冲真空处理。在真空下，组织内细胞间隙中的气体被抽出，由于存在压力梯度，外界溶质更容易向组织内部转移[6,18]。同失水率比较，芒果的固增率要小得多，是因为糖分子量较大，不易透过细胞膜，这与Shi等[16]在研究杏、菠萝、草莓的渗透脱水结果一致。超声波能够增加细胞的通透性[9,19]，从而促进溶质的渗入，提高芒果的固增率。

2.3水分扩散系数的计算

从图3可知，方程3能很好地模拟失水率与渗透时间的变化规律，各个处理下拟合方程的相关系数R2在0.97~0.99之间。直线的斜率代表了样品的水分扩散系数，常压、真空、脉冲真空、超声波下水分扩散系数依次为3.11、3.19、3.18、3.37min-1/2，从中可知真空、脉冲真空、超声波处理均能促进水分的扩散，超声波的效果最好，其水分扩散系数增量为8.3%，高于真空和脉冲真空下的值。超声波的空化作用能在物料组织中形成微观通道，减弱固液边界层，促进水分的扩散[9]。Fito[6]的研究也证实了真空渗透过程的扩散渗透和水动力学机理的共同作用促进了物质交换，加快了水分的迁移。由于各处理下的水分扩散系数相差不是太大，在渗透前150min内，常压下样品的失水率最大，但随着时间的延长，真空、脉冲真空和超声波处理的失水率逐渐增大，最终高于对照组的值。

2.4固形物扩散系数的计算

从图4可知，方程4同样能较好模拟失水率与渗透时间的变化规律，各个处理下拟合方程的相关系数R2在0.93~0.98之间，常压、真空、脉冲真空、超声波下固形物扩散系数依次为0.33、0.64、0.40、0.46min-1/2。相比于对照组，真空、脉冲真空、超声波处理都能促进固形物(糖分)向芒果组织中扩散，真空处理的效果最好，其固形物扩散系数高于常压下的94.2%，远大于脉冲真空、超声波处理的固形物扩散系数增量。综合分析表1和表2后发现，固形物的扩散系数远小于水分的扩散系数，这是由于前者的分子量远大于后者的分子量，水分子具有更快的扩散速率。另外可知，超声波处理对水分扩散的影响较大，而真空处理对固形物扩散的促进作用最为明显。

3结论

菲克扩散方程能较好地模拟芒果渗透过程中水分和固形物的扩散动力学。相比于对照组，真空、脉冲真空、超声波处理均能有效地提高水分和固形物的扩散系数，超声波处理下芒果的水分扩散系数最大，而真空处理下样品有最高的固形物扩散系数。渗透过程中，固形物的扩散系数远小于水分的扩散系数。真空、脉冲真空、超声波处理能有效地提高芒果的固增率，而对其失水率的影响并不明显。