主题 | 脉冲电场预处理和不同温度下超声辅助干燥作为猕猴桃升级利用的一种稳定方法：对干燥动力学和最终品质的影响 | ||
| 题目 | PEF pre-treatment and ultrasound-assisted drying at different temperatures as a stabilizing method for the up-cycling of kiwifruit: Effect on drying kinetics and final quality | ||
| 期刊 | Innovative Food Science and Emerging Technologies | ||
| 中科院分区 | 1区 | 影响 因子 | 6.3 |
| 第一 作者 | B. Llavata | 通讯 作者 | J.A. Cárcel |
| 单位 | Analysis and Simulation of Agro-food Processes Group, InstitutoUniversitario de Ingeniería de Alimentos-FoodUPV, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022, Valencia, Spain | ||
| 原文 链 接 | https://doi.org/10.1016/j.ifset.2024.103591 | ||
食品工业产生的大量副产物对环境和经济是一个重大的挑战。为了有效循环经济系统，食品加工副产物的循环利用越来越受到广泛的重视。猕猴桃就是一种典型的产品，其全球年生量高达百万吨，但并不是所有的猕猴桃都符合商业标准，会造成丢弃或剩余。猕猴桃具有出色的抗氧化特性，并是纤维素的良好来源，但由于其水分含量超过80%导致其极易发生腐败变质，因此干燥储存对其是一种极佳的储藏手段。
在食品工业中，对流干燥是最普遍的脱水技术之一，其主要挑战在于其耗时、能耗大。使用高渗或低渗溶液（无论是否使用超声波）进行预处理可部分改变产品结构，从而加快后续干燥过程。然而，这些方法通常会造成大量的营养流失。而对于快速非热预处理技术（如脉冲电场（PEF））可以克服这一缺点。PEF包括应用可影响细胞膜结构的短时电脉冲，以及产生可促进传质的临时或永久孔隙。据报道PEF预处理可使马铃薯的干燥时间缩短27%，洋葱的干燥时间缩短30%，罗勒的干燥时间可缩短高达57%。另一方面，在干燥过程中应用空气超声波（US）也能在食品基质中产生机械效应，从而提高干燥速度，同时不会造成样品过热。研究表明将两级强度的PEF预处理与US辅助干燥工艺（50 W，50℃）相结合可显著缩短橘皮的干燥时间。然而，目前缺乏关于PEF与US联用技术参数（如干燥温度、PEF电压和US功率）对猕猴桃干燥工艺以及品质影响的理论知识，这极大地限制的猕猴桃的高值化利用。因此，本研究的目的是确定猕猴桃干燥过程中温度、PEF预处理和US应用对猕猴桃干燥动力学以及最终品质的综合影响。
本研究以初始含水量为82.4±0.9%的猕猴桃（Actinidia deliciosa）为研究对象，根据图1实验装置所示，首先将其置于PEF发生器（EPULSUS-PM1，Energy Pulse System，Lisbon，Portugal）进行不同电压下（0 V、2500 V和5000 V）的PEF预处理，接着在对流干燥器中进行不同US功率（0 W、25 W 和 50 W）辅助的干燥处理（40℃、55℃和70℃）。根据Fick第二定律的模型对猕猴桃干燥动力学进行建模，并对干燥后猕猴桃的功能特性（溶胀能力、持水和持油能力）、抗氧化特性以及色泽进行分析；最后基于猕猴桃的干燥工艺参数与理化特性进行响应面分析。
图1. 实验装置示意图。（A）脉冲电场处理：1）PEF发生器，2）电流流动。（B）超声波辅助干燥器：3）风扇，4）热阻，5）热气流，6）样品架，7）振动筒，8）超声波换能器，9）自动平衡，10）超声波发生器和阻抗匹配单元。
3.1 干燥动力学
图2显示了所研究的各种条件下的干燥动力学结果，结果表明干燥温度对猕猴桃样品的干燥速率有明显的影响。这主要归因于温度的升高导致介质中的能量含量增加，这不仅促进了水分子的运动，还使其状态发生变化，从液态变为气态，从而加快了干燥过程。因此，在40℃下需要10–13 h才能完成干燥过程；而在70℃下则低于6 h。PEF预处理导致细胞膜磷脂发生重组，造成其结构发生变化，从而形成孔隙，这可以促进水分从细胞内的释放。结果表明在55°C下进行的猕猴桃干燥实验，PEF预处理（55℃-5000 V-0 W）可缩短5.3%的时间（图2b）。此外，在干燥过程中应用US会导致样品内部形成微裂纹，并在表面产生微斑点，这大大促进了传质，从而加速脱水过程。如图2b所示，与55℃-0 V-0 W下的干燥相比，55℃-0V-50 W下的US辅助干燥将达到0.072±0.001 kg水/kg dm，可将干燥时间缩短19.1%。图2a和c结果表明PEF（无US）预处理的样品和经过US辅助干燥（无PEF）样品的干燥动力学是叠加的，这表明两种技术引起的干燥增强是相似的；且两种技术结合使用时，干燥时间的缩短效果明显优于单一技术处理。此外，PEF电压从2500 V增加到5000 V，施加的US功率从25 W增加到50 W，可使55℃下的干燥时间大大缩短；由于更高强度的PEF处理会导致更大的膜分解，以及更大的US功率可以增加其机械效应，这导致55℃-5000 V-50 W下所需的干燥时间与在70℃下进行的常规干燥所需的时间范围相同。
图2. 猕猴桃在不同条件下的干燥动力学实验。A：40℃、B：55℃，C：70℃。
3.2 响应面模型的建立
通过将所提出的扩散模型与实验数据进行拟合，确定了有效扩散率（Deff）和传质系数（k）。计算干燥动力学与实验干燥动力学之间的一致性（图3）表明了较好的拟合度，且解释方差均>98.5%。进一步拟合多项式模型，以量化所研究变量（温度、PEF电压和US功率）对Deff和k的影响。Deff获得的响应面表明了干燥温度的显著影响（p<0.001）；温度越高，Deff越大（图4a和b）；同样，PEF预处理对Deff也具有显著性影响（p<0.001）。PEF的二次效应为正，因此从某一点开始，随着Deff值的增加，RSM的曲率向上。如图4a所示，只有当电压阈值被克服时，Deff才会在40℃时显著增加。由图4b和c所示干燥过程中的US也会对Deff产生显著性影响（p<0.05），这主要归因于US诱导的机械应力引起的海绵效应和微裂纹形成等效应。此外，干燥温度和US之间的相互作用呈负相关（p<0.05），这表明干燥温度越低，US对Deff的改善越显著。对于k，它主要受到干燥温度和US的显著影响（p<0.001）。这主要因为高温可以促进猕猴桃表面的蒸发过程及其扩散；且界面处微激振的产生可导致扩散边界层的减少，从而降低了传质的外部阻力。值得注意的是PEF预处理对k没有显著性影响，这是因为样品外层细胞中发生的电穿孔强度不足以对外部传质阻力产生显著影响。
图3. 猕猴桃在 55℃、PEF电压为2500 V、超声波功率为25 W下干燥后的实验含水量与计算含水量的对比。
图4. 猕猴桃干燥过程中有效扩散系数（Deff）和传质系数（k）的响应面图。T：干燥温度、PEF：脉冲电场预处理的电压、US：超声功率。
3.3 质量参数
3.3.1 功能特性
猕猴桃干燥样品的膨胀能力（SW）在5.3–7.4 mL/g dm之间，具体取决于干燥条件（表1）。在拟合多项式模型后发现，唯一对SW有显著影响（p<0.05）的因素是在干燥过程的US（表2）。由此可见，US功率的增加会导致SW值的上升，这归因于超声波的机械效应可导致细胞破裂并打开结构，从而导致电荷增加和亲水基团的更大暴露。此外，虽然干燥温度对k的影响并不显著，但图5a和b表明在中等温度下获得的SW值最高，这是因为高温会促进某些多糖的细胞损伤，而低温通常会导致更长的干燥时间，从而引起结构收缩。干燥样品的持水能力（WRC）测量值在10.4–13 kg水/kg dm之间（表1），但不同干燥条件下不存在显著性差异（表2）。样品的持油能力（ORC）介于2.7–3.3 kg油/kg dm之间（表1）；表2结果表明，温度和US之间的交互作用对其具有显著性影响（p<0.05）；这在图5h中可以反映出来，即在最高US值和中间温度下ORC值达到最大。这可归因于US可导致猕猴桃样品疏水基团的暴露，从未增强其与油的结合。此外，如表2和图5i所示，PEF和US之间的交互作用对ORC也具有显著性影响（p<0.05），这主要是因为PEF预处理产生的结构变化可能会导致构成猕猴桃纤维的聚合物发生分枝，从而有利于US在干燥过程中的后续作用。然而，由调整后的决定系数（R2adj）和平均绝对值误差（MAE）（表1）可知多项式模型在所考虑的函数性质内的拟合意义有限。因此从发现的高标准偏差值（表1）可以发现对猕猴桃极易变质，这可能会掩盖干燥过程中温度、PEF预处理和US的综合影响。
表1. 猕猴桃在不同条件下（温度、PEF电压和US功率）干燥后的响应变量（Deff、k、SW、WRC、ORC、TPC、VC、AC、L*、a*、b*、ΔE）的值。
表2. 响应变量描述为自变量函数的二阶多项式结果和统计结果。
图5. 猕猴桃干燥后功能特性的响应面图。SW：膨胀能力、WRC：持水能力、ORC：持油能力、T：干燥温度、PEF：脉冲电场预处理的电压、US：超声功率。
3.3.2 抗氧化活性
不同干燥条件下猕猴桃样品的总酚含量（TPC）、抗坏血酸（VC）和抗氧化能力（AC）的保留率如表1所示。结果表明新鲜猕猴桃样品的初始TPC为5.3±0.9 mg GA/100 g dm，干燥后含量有所增加，这归因于干燥过程中使用的高温会影响细胞的结构、促进酚类化合物的释放。值得注意的是，干燥过程中只有US对TPC具有显著性影响（表2），即US功率的增加使酚类化合物的保留率增加，这主要归因于US能通过与其他化合物结合促进新酚类化合物的形成以及可以激活次级代谢途径；US使氧化酶部分失活，从而延缓了多酚的降解。猕猴桃样品的初始VC含量为1.5±0.4 mg AA/g dm；由于VC对干燥过程中的温度和氧气高度敏感，导致其含量在干燥过程中显著下降。在70℃下，常规干燥样品的最终VC含量更高（图6d和e）。PEF预处理缩短干燥时间的同时，也可以加速VC的降解和提高抗坏血酸氧化酶活性。US加速干燥的同时，其机械效应可能会造成更大的细胞损伤。这一系列相反的影响表明干燥后样品的VC含量无法通过单一变量来解释。此外，较高的标准偏差（表1）表明实验变异性很大，这可能会掩盖干燥条件对VC所产生的影响。新鲜猕猴桃样品的AC为37.1±6.1 mg Trolox/100 g dm，与VC的变化趋势相似，AC在干燥后也会下降。由于样品中不同抗氧化化合物（如酚类化合物和抗坏血酸）的协同和拮抗作用，导致所有研究变量对AC保留率均没有显著性影响。总而言之，抗氧化化合物在干燥过程中的行为和活性是复杂的，无法通过所研究的研究变量来描述；并且猕猴桃中的高度自然变异会加剧这种现象。因此，用来描述它们的数学模型的可行性是有限的（表2）。
图6. 猕猴桃干燥后抗氧化特性的响应面图。TPC：总酚含量、VC：抗坏血酸、AC：抗氧化能力、T：干燥温度、PEF：脉冲电场预处理的电压、US：超声功率。
3.3.3 色泽
新鲜猕猴桃样品的亮度/暗度（L*）、红色/绿色（a*）和黄色/蓝色（b*）值分别为37±5、−9±2和45±8。由色差（ΔE）的变化可知干燥导致猕猴桃颜色发生了显著变化（表1），这主要归因于L*和a*的变化。值得注意的是研究变量对ΔE没有显著影响（表2）。相反，猕猴桃样品的L*在干燥后会增加，并受到干燥温度的显著影响（p<0.01）（表2），这归因于在干燥过程中猕猴桃的色素发生热降解，导致水果变色；因此，温度越高，L*越大。干燥温度对a*也存在显著性影响；a*在干燥后也会增加，导致猕猴桃样品呈现褐色，这可能与叶绿素的降解有关。此外，PEF预处理和US辅助干燥也会影响a*值。这归因于PEF引起的电穿孔和US引起的细胞破坏促进某些猕猴桃色素和氧化酶的释放，从而加强了褐变反应。值得注意的是，干燥温度与US之间的交互作用呈显著负相关（p<0.05）；因此，与在70℃的US辅助干燥相比，在最低温度下的US辅助干燥所导致的a*增加幅度更大（图7h）；这可能是由于在40℃下的US导致细胞破裂而释放的酶不会完全失活，而在70℃下则会完全失活。
图7. 新鲜猕猴桃和干燥猕猴桃样品之间的坐标L*、a*和b*以及ΔE的响应面图。T：干燥温度、PEF：脉冲电场预处理的电压、US：超声功率。
本研究对猕猴桃干燥过程中温度、PEF预处理（电压）和US（功率）的组合应用进行了评估。单独考虑这三个因素对干燥动力学均有显著性影响，但PEF和US联用处理的干燥时间最短。建模结果表明，干燥温度的升高和US功率的增加都会增加Deff和k。多项式模型表明温度、PEF电压和US功率对干燥动力学参数Deff和k均存在显著性影响。PEF预处理和US可显著提高了持油能力；US可提高了TPC的保留率。猕猴桃干燥后的色泽主要受L*和a*变化的影响；尽管PEF和US可促进干燥猕猴桃样品的褐变反应，但对色泽影响最大的变量是温度。然而，多项式模型对质量参数的拟合效果不佳，其中一些参数的实验变异性较大，而且所研究的三个变量参数可能会产生相反的影响，这可能会掩盖它们的作用。综上所述，PEF预处理和US辅助干燥的结合大大缩短了干燥过程，且产品的最终质量没有发生显著变化。
本文图表均来自本文献
文献解读：吴忠伟
编辑：吴忠伟
校稿：赵沁雨
审核：马婷婷
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