超聲輔助滲糖技術制備低糖金絲蜜棗及其營養品質評價

田文妮，肖更生,3，溫 靖*，余元善，彭 健，張 利

（1.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所/農業農村部功能食品重點實驗室，廣東省農產品加工重點實驗室，廣東廣州 510610；2.新疆西圣果業有限責任公司，新疆喀什 844100；3.仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東廣州 510610）

紅棗富含多酚、維生素C、多肽和微量元素等成分，營養和保健功能顯著[1]。蜜棗是紅棗的主要深加工產品之一，屬于蜜餞類，蜜棗加工能消耗掉集中成熟期的大量紅棗，緩解供需矛盾。隨著“大健康”戰略的推進，消費者更加關注蜜餞的營養和保健功效[2]。研究表明，高糖分飲食易引起糖尿病等代謝綜合癥，因此，現代蜜餞研發既要注重風味和質構，又要注重營養功效，加工具有一定保健功能的低糖功能型蜜餞，已成為健康生活的發展要求[1-2]。金絲蜜棗加工過程中滲糖處理是一個重要的環節，滲糖不足會影響后期蜜棗的干燥效果和貯藏穩定性；而過度滲糖則會導致金絲蜜棗糖分太高。目前滲糖工藝常采用的技術為熱滲糖、真空滲糖和微波滲糖工藝，但存在營養及風味損失大、滲糖能耗大、生產效率低等問題[2]。超聲輔助滲糖技術在產品營養風味維持和降能減耗方面具有顯著優勢，為提高低糖蜜餞品質提供了新方法[3]。

超聲輔助滲糖工藝作為果蔬加工的新技術受到廣泛關注，可以有效降低加工能源成本，保護果蔬的自然特性，保持干果果蔬的感官和營養質量[3]。超聲處理的干燥動力是機械效應，其脫水驅動力為糖液與果實組織之間的滲透壓差，不僅可顯著縮短滲透時間，提高滲糖效率，而且可以提高物料的干燥速率、縮短干燥時間，減少能量消耗[4]。Chandra 等[5]研究發現超聲處理不僅能提高木瓜干切片的糖液滲透速率，而且可保留更多的植物化學物質和抗氧化劑；Fernandes 等[6]研究表明超聲波處理不僅提高了表觀水擴散率，節省了能源成本，而且不會破壞芒果組織的結構和細胞外形。Sakooei-Vayghan 等[7]研究表明超聲輔助滲透工藝改善了杏干的物理性質和質構性質，顯著提高了干杏的表觀密度、容重、復水化能力，降低了其收縮率、水活度和微生物負荷（P＜0.05）。劉靜娜等[8]研究發現超聲波滲糖改善了柚皮果脯的質構特性。周彤等[9]研究發現超聲波可降低杏梅的含糖量，提高咀嚼性等質構特性。周筱萱等[10]采用超聲波滲糖技術制備得到的紅棗蜜餞晶瑩剔透，質地柔軟飽滿。趙梅[11]研究發現，超聲波滲糖預處理可以縮短圣女果果脯的煮制時間，提高滲糖速率。

目前國內外關于超聲輔助滲透脫水在果蔬中的應用研究較少，在改善金絲蜜棗產品風味和質構的前提下降低其含糖量和水分含量、提高其營養功效是當前亟需解決的問題。本研究將超聲輔助滲糖技術應用于低糖金絲蜜棗的開發，為低糖功能性金絲蜜棗的產業化提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

紅棗，品種為‘新疆和田棗’，大小和成熟度一致（顏色偏白色），購于新疆西圣果業有限責任公司。

苯酚、硫酸，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；標準品抗壞血酸（CSA:50-81-7），純度≥98.0%，上海楚定分析儀器有限公司；白砂糖，食品級，廣州市左克生物科技發展有限公司；純凈水，農夫山泉股份有限公司。

1.2 儀器與設備

阿貝折光儀，Abbe60，英國Stanley 公司；紫外可見分光光度計，UV-1800，日本島津公司；電熱恒溫水浴鍋，HWS-24，上海一恒科學儀器有限公司；超聲波機，B-4200DT，寧波科學茨生物技術有限公司；TA-XT plus質構儀，英國Stable Micro Systems 公司；磁力攪拌器，B4-1A，上海司樂儀器有限公司；熱泵干燥機，WRH-100TB1S，廣東威而信實業有限公司；高效液相色譜儀，shebi Essentia LC-15C，日本島津。

1.3 方法

1.3.1 金絲蜜棗的制備

（1）工藝流程

原料選擇→清洗→劃線→超聲預處理→加熱滲糖→干燥→金絲蜜棗

（2）操作要點

挑選大小和成熟度相似的‘新疆和田棗’，用純凈水清洗表面，然后用小刀在鮮棗表面均勻劃線，放入裝有糖溶液的玻璃燒杯中。糖溶液（50°Brix）由蔗糖與蒸餾水混合得到，糖溶液與鮮棗的比例為4∶1（g/g）。接著將玻璃燒杯浸入超聲波機中進行超聲預處理。超聲預處理后，將燒杯置于磁力攪拌器上加熱滲糖。完成滲糖后，從糖溶液中取出紅棗樣品，用吸水紙去除多余的溶液，置于熱泵干燥機中60 ℃干燥24 h，得到金絲蜜棗，干燥期間每6 h 進行翻盤，使其干燥均勻，同時對金絲蜜棗進行整形。以未經超聲處理的紅棗作為對照組。

1.3.2 單因素實驗

取60 g 紅棗6 份，按照1.3.1 的工藝進行超聲預處理和加熱滲糖。超聲溫度45℃，超聲時間25 min，滲糖轉速100 r/min，滲糖溫度90 ℃，滲糖時間15 min，超聲功率分別為0、80、160、240、320 W 條件下處理，結束后將新疆紅棗樣品干燥獲得金絲蜜棗，分別測定水分含量和含糖量。將超聲時間分別設置為5、15、25、35、45 min，確定最佳超聲時間。將滲糖溫度分別設置為75、80、85、90、95 ℃，確定最佳滲糖溫度。將滲糖轉速分別設置為0、50、100、150、200 r/min，確定最佳滲糖轉速。將滲糖時間分別設置為5、10、15、20、25 min，確定最佳滲糖時間。

1.3.3 Box-Behnke 設計響應面法優化試驗

以單因素實驗結果為基礎，確定對金絲蜜棗的水分含量和含糖量最具影響的3 個因素為超聲時間（A）、超聲功率（B）、滲糖溫度（C），以金絲蜜棗水分含量（Y1）和含糖量（Y2）作為響應值，采用Design-Expert 10.0.1 軟件，應用Box-Behnken 方法設計實驗組合，優化和驗證金絲蜜棗制備條件，因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken 因素水平設計表Table 1 Factors and levels table of Box-Behnken

1.4 測定指標與方法

1.4.1 理化指標測定

通過計算水分含量，評價滲透脫水過程中棗果與滲透液之間的傳質。采用GB 5009.3—2016 恒重法[12]測定水分含量。參考Zhu 等[13]苯酚-硫酸法測定總糖和果膠含量。采用比色法測定單寧含量。采用高效液相色譜法測定抗壞血酸。每個樣品重復3 次。

1.4.2 質構分析

金絲蜜棗質構特性的測定參考林羨等[14]的方法，采用質構儀進行測定。選用平底柱狀探頭P/50，TPA 模式，設置測前速率1.00 mm/s、測試中速率1.00 mm/s、測后速率1.00 mm/s，兩次壓縮之間停留時間5.00 s，觸發力5.00 g，每組測試重復10 次。

1.5 數據分析

每個處理設置3 個平行，結果以“平均數±方差”的形式表示。用Excel 2013、Design-Expert 10.0.1 進行分析和繪圖，采用SPSS 19.0 軟件進行單因素顯著性分析，采用Duncan 法檢驗數據的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 超聲功率對金絲蜜棗的影響

由圖1 可知，超聲功率對滲糖效果具有顯著的影響，其他條件保持一致的情況下，隨著超聲功率的增大，滲糖后金絲蜜棗的含糖量和水分含量均呈現先降低后升高的趨勢，當超聲功率為160 W 時，金絲蜜棗的水分含量和含糖量最小。隨著超聲功率的提高，含糖量呈現下降的趨勢，這是因為超聲空化引起的微觀通道促進了糖的擴散，在適當的超聲功率條件下（160 W），超聲頻率可以與空化的固有共振頻率相同，從而實現最有效的能量耦合，使得糖液均勻地滲入細胞，減少了細胞中糖分的不均勻分布，從而降低了糖分在棗果組織細胞中的局部積累，降低了蜜棗的含糖量[15]。然而，當超聲功率過大，超聲波對金絲蜜棗組織細胞產生破壞作用，糖液不均勻地滲透入蜜棗中，導致糖液在蜜棗中堆集[16]，因此，超聲功率繼續增大時，含糖量和水分含量上升。為獲得貯藏穩定的低糖蜜棗，綜合考慮，選擇最佳超聲功率為160 W。

圖1 超聲功率對金絲蜜棗的含糖量和水分含量的影響Fig.1 Effects of ultrasonic power on sugar content and water content of candied jujube

2.1.2 超聲時間對金絲蜜棗的影響

由圖2 可知，超聲時間顯著影響金絲蜜棗的滲糖效果。隨著超聲時間的不延長，金絲蜜棗的含糖量和水分含量呈現先降低后升高的趨勢，當超聲時間為25 min時，金絲蜜棗的含糖量和水分含量最小。超聲波空化作用引起的微觀通道促進了糖分向蜜棗組織均勻滲透，但長時間的超聲處理會破壞金絲蜜棗的組織結構，影響蜜棗的咀嚼性[17]，因此25 min 為最佳超聲時間。

圖2 超聲時間對金絲蜜棗的含糖量和水分含量的影響Fig.2 Effects of ultrasonic time on sugar content and water content of candied jujube

2.1.3 滲糖溫度對金絲蜜棗的影響

如圖3 所示，隨著滲糖溫度的升高，金絲蜜棗的水分含量和含糖量總體下降后趨于平穩。這是由于溫度升高，加快了水分子的運動速率，水分向外擴散速率大于糖液向內滲透速率，從而促進水分向外擴散[17-18]。因此，在滲糖溫度從75 ℃升高到85 ℃的過程中，金絲蜜棗的水分含量和含糖量均顯著下降[19]；而溫度超過85 ℃后金絲蜜棗在整個滲透體系中處于平衡狀態，蜜棗的含糖量未發生顯著變化。綜合考慮，選擇最佳滲糖溫度為85 ℃。

圖3 滲糖溫度對金絲蜜棗含糖量和水分含量的影響Fig.3 Effects of sugar permeability temperature on sugar content and water content of candied jujube

2.1.4 滲糖轉速對金絲蜜棗的影響

如圖4 所示，隨著滲糖轉速的增加，金絲蜜棗的水分含量先下降后趨于不變，含糖量總體呈先減少再升高的趨勢，當滲糖轉速為100 r/min 時，金絲蜜棗的含糖量最低（28.30%）。以上結果表明，當滲糖轉速為0 r/min 時，糖分無法均勻滲透進入棗體，不利于蜜棗組織細胞脫水，糖液易凝聚在金絲蜜棗表面，導致金絲蜜棗含糖量和水分含量高（44.03%和43.15%）；滲糖轉速過快（＞100 r/min）則導致糖液與棗果接觸和滲透的時間短，未能充分滲透進蜜棗內部而凝集在蜜棗表面，同時滲透過程易發生糖液噴濺現象[20]。因此，通過以合適的轉速攪拌，利用糖分的滲透壓使糖液均勻地滲透進棗果的果肉組織細胞，可減少糖液用量，降低能耗，并提高金絲蜜棗的結構致密度，增強其耐煮性[21]。綜合考慮，選擇最佳滲糖轉速為100 r/min。

圖4 滲糖轉速對金絲蜜棗的含糖量和水分含量的影響Fig.4 Effects of sugar permeability speed on sugar content and water content of candied jujube

2.1.5 滲糖時間對金絲蜜棗的影響

如圖5 所示，隨著滲糖時間的增加，金絲蜜棗的水分含量先下降后增加，當滲糖時間為15 min 時，金絲蜜棗的水分含量最低。金絲蜜棗的含糖量隨滲糖時間的增加呈遞增趨勢，這是由于超聲空化作用增大了蜜棗的傳質相際接觸面，增大了滲糖速率。當滲糖時間為20 min 時，金絲蜜棗的含糖量達到最大值（36.90%），這是由于滲糖初期棗果中組織細胞滲透液質量濃度顯著小于糖液的質量濃度，糖分的質量轉移系數大，轉移速率大[22-23]。而隨著時間的延長，糖液和紅棗組織間滲透液的質量濃度差縮小，糖的傳質功率減弱，從而使糖的滲透速率降低[24-25]。綜合考慮，選擇最佳滲糖時間為15 min。

圖5 滲糖時間對金絲蜜棗含糖量和水分含量的影響Fig.5 Effects of sugar permeability time on sugar content and water content of candied jujube

2.2 響應面優化實驗結果

2.2.1 響應面實驗結果及模型建立與檢驗

根據響應面設計的方案進行實驗，結果見表2。

表2 Box-Behnken 響應面設計及響應值Table 2 Box-Behnken response surface design and response value

多元回歸分析擬合實驗結果，得到以水分含量（Y1）和含糖量（Y2）為目標函數的二次回歸模型分別為：

由表3 的方差分析可知，水分含量（Y1）和含糖量（Y2）的回歸方程模型都顯著（P＜0.05），方程的失擬項不顯 著（P＞0.05），且表明該回歸模型與實際值擬合性好，可用此模型對超聲輔助滲糖金絲蜜棗水分含量和含糖量進行分析和預測。由表3 可知，各因素中對水分含量影響顯著項是A、BC，對含糖量影響顯著項是A、BC、AC。各因素對金絲蜜棗水分含量和含糖量影響最大的為超聲時間，其次為滲糖溫度，影響最小的是超聲功率。

2.2.2 交互作用分析

（1）各因素對水分含量影響的交互作用

結合表3 和圖6 可知，隨著超聲時間的增大，水分含量先降低而后趨于不變；隨著滲糖溫度的升高，水分含量逐漸增大而后趨于不變；當滲糖溫度在90～92 ℃時，隨著超聲功率的增大，金絲蜜棗的水分含量在超聲功率120～200 W 時呈先升后降趨勢，這與單因素結果（先降后升）不一致（圖1），這可能是由于滲糖溫度和超聲功率具有顯著交互作用，且超聲功率為主效應因素，在單因素實驗中滲糖溫度為90 ℃時，金絲蜜棗的水分子處于平衡狀態，此時超聲功率對水分含量的影響效應不同。綜上，在實驗水平范圍內，選擇合適超聲功率和滲糖溫度可降低金絲蜜棗的水分含量。這與Bozkir[15]等的實驗結果一致，可見，超聲輔助滲透工藝顯著提高了物料水分的有效擴散率[26]。在高溫下，較高的有效擴散率是由于溫度對水和溶質分子的觸發影響，加速了從物料核心到基質表面的傳質過程[27]。

圖6 各因素交互作用對金絲蜜棗水分含量的影響Fig.6 Effects of interaction of various factors on water content of candied jujube

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance for each term of the fitted regression model

（2）各因素對含糖量影響的交互作用

結合表3 和圖7（見下頁）可知，隨著超聲時間從20 min 增大到30 min，金絲蜜棗的含糖量呈現下降趨勢；隨著滲糖溫度的升高，含糖量逐漸增大，特別當滲糖溫度低于90 ℃時，改變規律越明顯，因為當溫度大于90 ℃，整個金絲蜜棗內部的糖分子處在動態平衡中，超聲功率和超聲時間的影響效應減弱。其中BC 交互作用為極顯著，AB 顯著，AC 為不顯著。綜上可知，在實驗水平范圍內，選擇適當超聲功率和滲糖溫度可降低金絲蜜棗的含糖量。這與Sharma 等[4]的研究結果相吻合，超聲波在液體中產生一系列的聲波現象，固液界面處產生的聲波可使擴散邊界層變薄，加快糖液滲透。此外，超聲所產生的空化作用有助于更有效地去除紅棗組織中的結合水[28]。

圖7 各因素交互作用對金絲蜜棗含糖量的影響Fig.7 Effects of interaction of various factors on sugar content of candied jujube

2.2.3 超聲輔助滲糖條件的優化

以水分含量最低和含糖量最低為權衡指標，根據Design-Expert 10.0.1 軟件分析出金絲蜜棗最佳超聲輔助滲糖條件：超聲時間27.99 min、超聲功率198.92 W、滲糖溫度94.30 ℃，在此條件下，得到的金絲蜜棗水分含量為14.31%，含糖量為22.91%?？紤]到實際操作的可行性，將超聲輔助滲糖條件修正為超聲時間28 min、超聲功率200 W、滲糖溫度94 ℃，進行驗證實驗，滲糖后金絲蜜棗的水分含量平均值為15.03%，含糖量為23.01%，與模型理論預測值吻合，說明模型可靠。孫海濤等[28]采用超聲滲糖制備的野生軟棗獼猴桃果脯在超聲滲糖時間5.10 h、超聲功率140 W、滲糖液糖度54.00 °Brix 的條件下滲糖制得果脯濕基含糖量為32.27%。相比之下，本研究的超聲滲糖工藝超聲時間更短，制備的果脯含糖量更低。

2.2.4 超聲輔助滲糖與未超聲組對比

如表4 所示，未超聲輔助滲糖制備的金絲蜜棗水分含量平均為26.63%，含糖量為43.32%，相比之下，超聲輔助滲糖工藝使金絲蜜棗的水分含量和含糖量分別降低11.60%和20.31%，這是因為超聲波滲糖方式能顯著降低滲糖對水果組織細胞結構的破壞作用，有利于促進果脯滲糖的均勻性和擴散速率[29]。

表4 超聲和未超聲輔助滲糖金絲蜜棗TPA 測試結果對比Table 4 Comparison of TPA test results between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

2.3 超聲和未超聲輔助滲糖金絲蜜棗TPA 測試結果對比

如表5 所示，相比未超聲組，超聲輔助滲糖金絲蜜棗的硬度、彈性和咀嚼性分別提高了7.93%、16.42%和21.45%，且更加晶瑩剔透。這與孫麗婷等[30]的研究結果吻合，超聲波滲糖技術提高了紅寶石李果脯的硬度和韌性。

表5 超聲和未超聲輔助滲糖金絲蜜棗TPA 測試結果對比Table 5 Comparison of TPA test results between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

2.4 超聲和未超聲輔助滲糖金絲蜜棗測試結果對比

由表6 可知，未超聲滲糖金絲蜜棗和超聲滲糖金絲蜜棗的單寧含量為分別為（8.73±0.04）mg/g 和（7.05±0.01）mg/g。相比未超聲組，超聲輔助滲糖蜜棗的單寧含量下降了19.24%，表明超聲輔助滲糖技術顯著降低了金絲蜜棗中的單寧含量（P＜0.05），減少了金絲蜜棗中的苦澀味。相比未超聲輔助滲糖蜜棗，超聲輔助滲糖蜜棗的抗壞血酸含量、果膠含量和多酚含量分別提高了24.40%、12.15%和21.36%，表明超聲輔助滲糖更好地保留了金絲蜜棗中的抗壞血酸等抗氧化活性成分，有助于提高金絲蜜棗的抗氧化活性。超聲輔助滲糖技術顯著提高了金絲蜜棗中水溶性果膠的含量（P＜0.05），可能是因為超聲空化作用促使金絲蜜棗胞間或細胞壁中的果膠溶出，導致超聲滲糖組的果膠含量升高[15]。研究表明，超聲輔助工藝可增加紅棗副產品中的多酚保留率，并對DPPH 和FRAP 等自由基具有更強的清除能力[31]。因此，超聲波法輔助工藝是一種綠色、安全、高效的技術，可用于蜜餞加工等。

表6 超聲和未超聲輔助滲糖金絲蜜棗營養成分對比Table 6 Comparison of nutrient contents between ultrasonic and non-ultrasound sugar infiltration of candied dates

3 結論

本文研究了超聲輔助滲糖工藝對金絲蜜棗含糖量、水分含量及質構特性的影響。結果表明，超聲輔助滲糖最優工藝為超聲時間28.00 min、超聲功率200.00 W、滲糖溫度94.00 ℃。相比未超聲組，超聲輔助滲糖工藝不僅降低了金絲蜜棗的水分含量和含糖量，而且提高了低糖金絲蜜棗的營養成分和質構特性，提高了抗壞血酸等抗氧化活性成分，增強了咀嚼性、彈性和韌性。同時，超聲波的超空化作用提高了金絲蜜棗的滲糖效率和干燥效率，節約了能源。因此，超聲輔助滲糖技術適用于制備低糖金絲蜜棗，具有效率高、成本低、工藝簡單的特點，是一種綠色可持續發展的制備工藝，并有望應用于其它果脯的制備，以期制備出符合人們對“營養、健康、安全、方便”的食品消費需求的低糖金絲蜜棗。