超声波预处理对甘薯(IPOMEA BATATAS)渗透脱水及油炸的影响研究

摘要

甘薯是一种含有极其丰富营养物质的农作物，例如淀粉、纤维、类胡萝卜素、维生素C和矿物质。食用甘薯对健康有很多益处，例如增强视力、提高免疫力、降低血糖指数，同时甘薯还具有抗氧化和抗炎作用。中国是最大的甘薯生产国，而美国是最大的甘薯出口国。甘薯的食用方式各种各样，例如蒸煮、油炸、焙烤、甘薯泥、甘薯面条等。因为甘薯易腐败的性质，在收割之后甘薯一般经过干燥处理便可贮藏较长时间。使用传统方法对甘薯进行干燥存在一些弊端，例如营养物质的流失、结构和质地的破坏、操作费用昂贵以及干燥所需时间较长等。因此，为了保存甘薯中的营养物质和一些其他理化性质，渗透式脱水方法很有发展前景。
　　超声波是一种简便有效而且同时不会影响到环境的新型技术，可以广泛应用到食品生产加工过程中，例如辅助提取、水解、脱气、冻结及乳化过程。超声波可以有效地强化传质、缩短加工时间，在尽可能减少原料使用的同时提高产品的产率。
　　本文涉及三种应用于甘薯加工的试验方法，包括超声波辅助蒸馏水浸泡(UD)甘薯样品，无超声渗透脱水(OD)以及超声波辅助渗透脱水(UOD)。实验的第一部分包括如下目的:首先确定和优化超声辅助渗透甘薯脱水(UOD)加工过程的技术参数;进一步确定在甘薯渗透脱水过程中超声波预处理对传质动力学和扩散系数的影响;探讨超声波预处理对渗透脱水的甘薯样品的质地、颜色、结构、类胡萝卜素和维生素C含量的影响。实验的第二部分着重研究对经过上述预处理之后的甘薯样品进行油炸实验，包括如下目的:探讨超声预处理减少油炸甘薯中含油率的可能性;探讨经过预处理的甘薯样品在深度油炸时的传质动力学;确定超声预处理对油炸甘薯的结构、质地及颜色动力学的影响;探讨超声预处理对油炸甘薯的感官和营养含量（类胡萝卜素和维生素C）的影响。
　　在优化超声波辅助甘薯渗透脱水的过程中，超声波频率为20-50kHz，超声波预处理时间为10-30min，同时在30℃的处理温度下，蔗糖的浓度为20-60％(w/v)。根据实验需求不同超声探头的直径范围在1-3cm之间。响应参数由脱水量、固形物增量以及物料减少量来表示。结果表明，当超声波频率从20-35kHz时，脱水量和物料减重量均增加，随后随着频率的继续增加(35-50kHz)而减少。超声波频率、预处理时间和蔗糖浓度均被证明对脱水量有很重要的影响，预处理时间和蔗糖浓度同时也被证明对物料减少量有重要影响。对于固形物增量而言，只有蔗糖浓度对其有显著性影响。经过优化，获得的最佳参数为:超声频率33.93kHz、超声处理时间30min、蔗糖溶液浓度35.69％(w/v)。在该最优加工条件下，脱水量和物料减少量达到最大值，分别为21.62％和17.23％;固形物增量达到最小，为4.40％。这说明低频率超声波有利于甘薯的渗透脱水，同时也减少了甘薯渗透脱水时蔗糖的使用量。
　　超声预处理对甘薯渗透脱水的传质动力学、结构、类胡萝卜素和维生素C的含量有一定的影响。在本实验中，超声探头的直径为2cm、频率为28kHz、最大功率为300W。在室温下(30℃)，超声预处理时间分别为20、30、45和60min。用阿苏阿拉模型用来确定动力学参数。所建模型的拟合相关系数为0.92-0.98、卡方值小于0.6、均方根误差小于0.9、平均相对偏差小于10％，说明该模型能与实验数据高度匹配。相比蒸馏水超声(UD)和无超声渗透脱水(OD)，采用超声辅助渗透脱水预处理(UOD)明显具有较高的传质系数(0.0690/min;0.0456/min)，较高的脱水平衡值(33.11％)和固形物增量(6.5487％)，及较好的样品结构。相比UD和UOD，经过OD处理的样品含有最高的类胡萝卜素保留量。但是超声被证明在UD和UOD预处理样品时可以提高样品中维生素C的保留量。
　　对超声预处理如何影响渗透脱水之后甘薯的扩散系数、质地和颜色进行了进一步的研究。在所有的预处理中，水分含量和溶质的扩散系数的范围分别为2.89×10-10-4.95×10-10和1.17×10-10-1.67×10-10 m2s-1。经过UOD处理后的样品的水分扩散率明显高于(p＜0.05)经过OD(32.82％)和UD(41.62％)处理。同时经UOD处理的样品质地也发生了最大程度的改变，相比未处理的样品松软了92.47％。结果进一步表明，经过UD处理的甘薯样品其亮度(L*)增加而红色色度（a*）减小;而经过UOD处理的甘薯样品其黄色色度（b*）和颜色浓度（C*）同时增加。甘薯样品经过UOD处理显示出最大的总色差(△E)。结果进一步表明，未经过任何预处理的甘薯样品的平均色度值(Ho)为66.24°，而经过UD、OD和UOD处理过的甘薯样品平均色度值的范围分别为为64.49-71.9°，63.41-72.62°和54.68-61.39°。
　　经过预处理的甘薯样品分别在130、150、170℃的油温下油炸2、4、6、8和10min。一级反应的动力学模型与该过程中样品的水分损失和油量吸收的传质速率高度匹配(R2范围在0.82-0.98之间)。经过UOD及OD预处理的甘薯样品被证明水分含量最低，而经过UD处理的甘薯样品的含油量在油温150和170℃时最低，分别为65.11和71.47％。在150和170℃时，所有经过预处理的样品的k值均高于未经过与处理的样品。因此，该结果表明，超声波预处理在深度油炸中可以有效地降低样品含油量。
　　实验探讨了超声波预处理对油炸甘薯的质地、颜色、结构、类胡萝卜素和维生素C的含量、感官评定的影响。部分甘薯样品在130、150、170℃的油温下分别油炸2、4、6、8和10min，研究其质地和颜色的变化情况;其他样品在150℃的油温下油炸6min，研究其结构、类胡萝卜素和维生素C的含量及感官评定的变化情况。结果表明，相比未经过预处理的样品，经过UD处理的甘薯样品的最大标准化F值无显著性的变化(p＞0.05);而经过UOD及OD预处理的甘薯样品有显著性的变化(p＜0.05)，同时甘薯样品的硬化速度也远远高于未处理的样品。尤其是经过UOD处理的样品相比其他更有优势，例如亮度高、红色色度低、黄色色度适中、总色差小。甘薯样品的质地及颜色动力学呈温度依赖性，在本实验中用活化能来表示。经过OD处理的甘薯样品相比未处理样品的类胡萝卜素含量有显著性的变化(p＜0.05)，而经过UOD和UD处理的样品较对照组无显著性差异(p＞0.05)。维生素C含量的变化情况与类胡萝卜素大致类似。结果进一步表明，相比对照组，UD处理的样品在油炸之后其结构中仅仅只含有极少油量，或者没有油残留。这也证实了以前实验的结果，经过UD预处理的样品含油量要低于其他方法与处理的样品。感官分析还表明了未经处理的样品和超声预处理的样品之间并没有显著性的差异。
　　从上述情况中可以明显看出超声波预处理可以很好地应用于工业渗透脱水和甘薯油炸的生产过程，可以有效地提高甘薯的干燥程度并能减少油炸过程中产品的吸油量。

目录

声明

ACKNOWLEDGEMENT

Abstract

摘要

TABLE OF CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

LIST OF ABBREVIATIONS

CHAPTER ONE GENERAL INTRODUCTION AND PROJECT AIMS

1．1 Introduction

1．2 Objectives and significance of study

1．3 Organization of dissertation

CHAPTER TWO LITERATURE REVIEW

2．1 Sweet potato (Ipomea batatas)

2．1．1 Origin and Taxonomy

2．1．2 Cultivation

2．1．3 Nutritional benefits of sweet potato

2．2 Ultrasound

2．2．1 Ultrasound probe／horn

2．3 Osmotic dehydration

2．3．1 Factors affecting osmotic dehydration

2．3．2 Advantages of osmotic dehydration

2．4 Frying

2．4．1 Theory of frying

2．4．2 Factors affecting frying of food

CHAPTER THREE Optimization of Ultrasound Assisted Osmotic Dehydration of sweet Potato (Ipomea batatas) Using Response Surface Methodology

3．1 Introduction

3．2 Materials and Methods

3．2．1 Ultrasound assisted osmotic dehydration

3．2．2 Experimental design

3．2．3 Determination of water loss，solute gain and weight reduction

3．3 Statistical Analysis

3．4 Result and Discussion

3．4．1 Description of Model

3．4．2 Water Loss

3．4．3 Solid gain

3．4．4 Weight Reduction

3．4．5 Optimization

3．5 Conclusion

CHAPTER FOUR Influence of Ultrasound on Mass Transfer Kinetics，Structure，Carotenoid and Vitamin C Content of Osmodehydrated Sweet Potato (Ipomea Batatas)

4．1 Introduction

4．2 Material and Methods

4．2．1 Raw materials

4．2．2 Pretreatment Methods

4．2．3 Determination of water loss and solid gain

4．2．4 Determination of Mass Transfer Kinetics

4．2．5 Scanning Electron Microscopy (SEM)

4．2．6 Determination of Carotenoid Contents

4．2．7 Determination of Vitamin C Content

4．3 Statistical Analysis

4．4 Results and Discussion

4．4．1 Mass transfer kinetics of osmodehydrated sweet potato

4．4．2 Water loss

4．4．3 Solid gain

4．4．4 Effects of Different Pretreatments on the Microstructure of Osmodehydrated Sweet Potato

4．4．5 Eflects of Different Pretreatments on the Carotenoid Contents of Sweet Potato

4．4．6 Effects of Different Pretreatments on the Vitamin C Contents of Sweet Potato

4．5 Conclusion

CHAPTER FIVE Influence of Ultrasound Pretreatment on Diffusion Coefficients，Texture and Colour of Osmodehydrated Sweet Potato (Ipomea Batatas)

5．1 Introduction

5．2 Material and methods

5．2．1 Material

5．2．2 Methods

5．2．3 Determination of water loss and solid gain

5．2．4 Determination of effective moisture diffusivity during osmotic dehydration

5．2．5 Determination of water diffusivity of pretreated sweet potato during hot air drying

5．2．6 Texture analysis

5．2．7 Colour analysis

5．3 Statistical Analysis

5．4 Results and discussion

5．4．1 Effects of ultrasounds treatments on the moisture and solute diffusivities of osmodehydrated sweet potato

5．4．2 Effects of ultrasounds treatments on the texture of osmodehydrated sweet potato

5．4．3 Effect of ultrasound treatments on the colour of osmodehydrated sweet potato

5．4．4 Effect of ultrasound pretreatments on the water diffusivity of pretreated sweet potato during hot air drying

5．4．5 Total drying time

5．5 Conclusion

CHAPTER SIX Effect of ultrasound pretreatments on the kinetics of moisture loss and oil uptake during deep fat frying of sweet potato (Ipomea batatas)

6．1 Introduction

6．2 Materials and methods

6．2．1 Materials

6．2．2 Pretreatment procedure

6．2．3．Frying

6．2．4．Moisture content analysis

6．2．5．Oil content analysis

6．2．6．Modeling

6．3 Statistical Analysis

6．4 Results and Discussion

6．4．1 Effect of ultrasound pretreatment on the moisture content of fried sweet potato

6．4．2 Effect of ultrasound pretreatment on the oil content of fried sweet potato

6．5 Conclusion

CHAPTER SEVEN Effects of Ultrasound Pretreatments on the Texture and Colour Kinetics of Sweet Potato (Ipomea batatas) during Deep Fat Frying

7．1 Introduction

7．2 Material and Methods

7．2．1．Raw material

7．2．2 Pretreatment methods

7．2．3 Frying experiment

7．2．4 Determination of texture

7．2．5 Determination of colour

7．2．6 Determination of activation energy

7．3 Statistical Analysis

7．4 Results and discussion

7．4．1 Effect of different pretreatments on the texture Kinetics of deep fat fried sweet potato

7．4．2 Effect of ultrasound pretreatments on the colour kinetics of deep fat fried sweet potato

7．5 Conclusion

CHAPTER EIGHT Effects 0f Ultrasound Pretreatments on the Structure，Carotenoid and Vitamin C of Fried Sweet Potato

8．1 Introduction

8．2 Material and Methods

8．2．1 Raw material

8．2．2 Pretreatment methods

8．2．3 Frying experiment

8．2．4 Determination of Carotenoid Contents

8．2．5 Determination of Vitamin C Content

8．2．6 Scanning Electron Microscopy (SEM)

8．2．7 Sensory Analysis

8．3 Statistical Analysis

8．4 Result and discussion

8．4．1 Carotenoid retention of fried sweet potato pretreated by ultrasound

8．4．2 Vitamin C retention of fried sweet potato pretreated by Ultrasound

8．4．3 Effects of ultrasound pretreatments on the structure of fried sweet potato

8．4．4 Sensory analysis results

8．5 Conclusion

CHAPTER NINE

9．1 General Conclusions，Future Work and List of Publications

9．2 Innovations／Novelty

9．3 Future Work

References

List of Publications

Other Publications