全 文 ：研究与探讨 Vol . 33 , No . 01 , 2012
2012年第1期
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渗透脱水技术广泛应用于果蔬和鱼肉类干燥前
的预处理，它利用渗透溶液和物料间的浓度差使物
料中的水分通过细胞的半渗透膜自发向周围转移；
同时，溶液中的溶质也向物料组织中渗入[1]。该脱水
方法具有节约能耗、提高产品品质和延长货架期的
优点[2]。目前，关于渗透脱水的机理还不清楚，大多数
学者认为该过程以分子扩散为基础，细胞内物质经
历了细胞膜、胞间连丝、细胞外空间的传递到达了渗
透溶液[3]。国内外许多人进行了渗透脱水的理论研究，
如Panades[4]、曹晖[5]和董全[6]分别计算了番石榴、猕猴
桃及蓝莓渗透脱水的水分和固形物的有效扩散系
数；而Park等人[7]提出Peleg模型可反映梨的渗透脱水
规律。但总体而言，一是渗透脱水基本以水果类为对
象，对高含水率绿色蔬菜的研究还比较缺乏，而且因
材料的差异性，有关水果研究所得的成果可能在蔬
菜类研究的指导方面有一定局限性；其次，在以Fick
第二定律为基础的渗透脱水理论研究中，有效扩散
系数的实际含义及其与溶液浓度、温度间的数学关
系还可进一步探讨。莴笋是一种高含水率绿色蔬菜，
含有大量维生素和烟酸，可药食两用[8]。莴笋干制品
不仅运输方便，还可保留大量营养物质和风味，因而
受到了消费者的欢迎。虽然程璐[9]曾研究了莴笋的渗
透脱水情况，但对渗透脱水理论方面的讨论还有待
加深。因此，实验将以莴笋为对象，研究其渗透脱水
的传质规律及有效扩散系数与因素间的关系，希望
能为渗透脱水的理论研究起到一定填补作用，同时
王 妮，杨 薇*，刁卓超
（昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650224）
摘 要：以葡萄糖溶液浓度（10%～40%）和温度（35～65℃）为影响因素，研究了莴笋渗透脱水的动力学过程。 分别使用
Azuara模型和Fick第二扩散定律计算出了平衡时刻的失水率、固形物增加率以及相应的水分和固形物有效扩散系数。
设计了均匀实验，通过曲面拟合的方法得到了水分、固形物有效扩散系数与因素的回归方程。 结果表明：失水率随着
葡萄糖溶液浓度增加而增大，但随着温度的升高而降低；固形物增加率随着溶液浓度和温度的增加而增加。 Azuara模
型可用来预测失水率和固形物增加率，通过曲面拟合得到的有效扩散系数回归方程拟合性较高。 有效扩散系数反映
了失水率和固形物增加率达到平衡时刻的快慢程度。
关键词：渗透脱水，有效扩散系数，Fick第二定律，莴笋
Study on effective diffusion coefficients of osmotic dehydration of
asparagus lettuce
WANG Ni，YANG Wei*，DIAO Zhuo-chao
（Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650224，China）
Abstract：The mass transfer kinetics during osmotic dehydration of asparagus lettuce was investigated in
glucose solution with concentration between 10%～40% and temperature between 35～65℃. Rates of water loss
and solid gain at equilibrium as well as effective diffusivity coefficients were calculated by Azuara model and
Fick’s second law respectively. Regression equations of effective diffusivity coefficients of water loss rate and
solid gain rate were obtained based on surface fitting by a uniform design. The results showed that water loss
rate increased with the increasing of glucose concentration，but it reduced with the increasing of temperature.
Both the increasing of solute concentration and temperature enhanced solid gain rate. Azuara model was fit for
predicting values of water loss rate and solid gain rate. And a high degree of correlation was observed in
regression equations of effective diffusion coefficients by surface fitting. Effective diffusion coefficients
represented the rates of water loss and solid gain approaching equilibrium.
Key words：osmotic dehydration；effective diffusion coefficient；Ficks second law；asparagus lettuce
中图分类号：TS255.1 文献标识码：A 文 章 编 号：1002-0306（2012）01-0131-05
收稿日期：2011－01－04 * 通讯联系人
作者简介：王妮（1986-），女，硕士研究生，研究方向：农产品加工与
机械。
莴笋渗透脱水有效扩散系数研究
131
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2012.01.114
Science and Technology of Food Industry 研究与探讨
2012年第1期
也为实际生产提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
莴笋 产于云南，购于当地市场，购买后放入冰
箱中保存（4～5℃），实验前取出；葡萄糖 购于当地
市场，食品级；蒸馏水 实验室自制。
HH-S恒温水浴锅 江苏金坛大地自动化仪器
厂；电热鼓风干燥箱 101A-2型，上海实验仪器厂有
限公司；电子分析天平 BL310（0.01g），美国西特公司。
1.2 实验方法
1.2.1 工艺流程 莴笋→去皮→切片→渗透脱水→取出，
冲洗表面糖液，吸取表面水分→称重→干燥，测定指标
1.2.2 操作要点
1.2.2.1 切片 莴笋片直径为30mm，厚度为5mm。
1.2.2.2 渗透脱水 莴笋片在不同温度（35～65℃）和
浓度（10%～40%）的葡萄糖溶液中进行渗透脱水，固
液比为1∶5。
1.2.2.3 称重 莴笋片在渗透至30、60、90、120、180、
240min时取出，称量渗后质量。
1.2.2.4 干燥、测定指标 莴笋渗后样品在70℃温度
下干燥，直至最后三次测得的干物质质量相等。
1.2.3 均匀实验 实验采用葡萄糖浓度和温度为因
素。其中葡萄糖浓度水平为10%、15%、20%、25%、
30%、35%、40%；温度水平为30、35、40、45、50、55、
60℃。根据因素水平数，使用U*7（74）均匀设计表[10]，具
体形式如表1所示。
1.2.4 测定方法
1.2.4.1 莴笋初始水分含量的测定 样品初始水分
含量依据GB/T5009.3-2010[11]测定，测得值为94.1～
96.2g/100g。
1.2.4.2 失水率和固形物增加率[12] 失水率（WL）和
固形物增加率（SG）的计算公式如下所示：
WL（%）=[（M0X0-MtXt）/M0]×100%
SG（%）=[（MtSt-M0S0）/M0]×100%
式中，M0—渗透脱水前物料质量；Mt—渗透至t时
刻的物料质量；X0—渗透脱水前物料的水分含量（湿
基）；Xt—渗透至t时刻的物料物料水分含量（湿基）；
S0—渗透脱水前物料固形物含量；St—渗透至t时刻的
物料固形物含量。
1.2.4.3 水分和固形物有效扩散系数 水分和固形
物有效扩散系数（m2/s）的计算采用Crank[1]对Fick第
二定律的解析解，如下式所示：
Mr= WL-WL∞WL∞
= 2α（1+α）1+α+α2q12
exp -Dew tq1
2
L2→ →
Sr= SG-SG∞SG∞
= 2α（1+α）1+α+α2q12
exp -Des tq1
2
L2→ →
式中，Mr—水分比；Sr—固形物残存比；α—渗透
溶液与每一片物料的体积比；qn—方程tan（q1）=-αq1
的非零正根；Dew—水分有效扩散系数；Des—固形物
有效扩散系数；t—时间；L—物料厚度的一半；WL∞—
平衡时刻的失水率；SG∞—平衡时刻的固形物增加
率。平衡时刻的失水率及固形物增加率的计算使用
Azuara[13]的两项系数模型，如下式所示：
WL=S1tWL∞/（1+S1t）
SG=S2tSG∞/（1+S2t）
式中，S1—与失水率有关的系数；S2—与固形物
增加率有关的系数。
1.3 数据分析与处理
采用Matlab7.0和SPSS13.0软件进行数据分析；
采用TableCurve3D v4.0和Excel软件制作曲线图。
2 结果与分析
2.1 莴笋渗透脱水传质规律
2.1.1 葡萄糖溶液浓度对失水率的影响 从图1可
知，在不同葡萄糖溶液浓度下，莴笋渗透脱水的前
30min失水率增长最迅速，随着葡萄糖浓度从15%增
加至35%，失水率有明显提高，这与芦荟渗透脱水结
果有相同趋势[14]。因为渗透脱水的传质驱动力与物
料和溶液间的浓度梯度成正比，因脱水初始时刻的
驱动力最大，在此作用下水分迅速转移，然后随着物
料中的水分不断减少，从而浓度梯度减小，引起失水
率增长减缓，约120min后失水率趋于平衡。
2.1.2 葡萄糖溶液浓度对固形物增加率的影响 在
图2中，因葡萄糖溶液浓度增加使得细胞内外浓度梯
度增大，引起莴笋渗透脱水固形物增加率相应增大。
但与失水率不同的是，固形物增加率并非是在渗透
脱水初期增长最快，而是大约在30～90min间增长最
快。当图1中的莴笋渗透脱水失水率趋于平衡时，图2
中的固形物增加率仍然有增长的趋势，这说明物料
中的溶质渗入要稍晚于水分渗出，平衡时刻也相应
推迟一段时间。在渗透脱水实际生产中，水分脱去
50%即可，而蔬菜干制品内溶质渗入量不应过多，因
图1 葡萄糖溶液浓度对莴笋渗透脱水失水率的影响（40℃）
Fig.1 Effect of glucose concentration on WL in osmotic
dehydration of asparagus lettuce（40℃）
渗透时间（min）
0 50 100 150 200 250
60
50
40
30
20
10
0
失
水
率
（
%）
15%实测
15%预测
25%实测
25%预测
35%实测
35%预测
图2 葡萄糖溶液浓度对莴笋渗透脱水固形物增加率的影响
（40℃）
Fig.2 Effect of glucose concentration on SG in osmotic
dehydration of asparagus lettuce（40℃）
渗透时间（min）
0 50 100 150 200 250
10
5
0
固
形
物
增
加
率
（
%）
15%实测
15%预测
25%实测
25%预测
35%实测
35%预测
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此为减少能耗及防止溶质过多渗入继而影响风味，
莴笋渗透脱水时间应在120min内。
2.1.3 温度对失水率的影响 图3显示，莴笋渗透脱
水失水率随温度的升高而降低。在50℃和60℃条件
下，渗透脱水60min后失水率变化幅度减小，这可能
是因渗透脱水的进行与细胞膜的完整性有着密不可
分的关系，当莴笋片经高温长时间浸泡后，细胞膜已
被破坏，物料和溶液中的水分可自由进出组织，失水
率基本不再变化[9]。因此从实验结果可知，在生产中
莴笋渗透脱水的温度应控制在50℃以内。
2.1.4 温度对固形物增加率的影响 图4显示，随着
渗透溶液温度从40℃上升至60℃，溶质大量进入莴笋
组织，这是因为细胞膜受高温破坏，从而失去了阻止
溶液中溶质渗入的作用，而且温度越高，分子运动越
快，使得更多葡萄糖分子进入细胞组织。
在图1~图4中，莴笋渗透脱水失水率及固形物增
加率的预测值是由Azuara模型计算得来。在一定溶
液浓度和温度条件下，莴笋渗透脱水失水率和固形
物增加率的实验值与模型计算值拟合程度良好，因
此实际生产中可以该模型为参考，来预测任意时刻
莴笋渗透脱水的失水率和固形物增加率，同时可使
用该模型计算这两指标平衡时刻的数值。
2.2 莴笋渗透脱水的有效扩散系数
2.2.1 有效扩散系数及其回归方程 表1为莴笋渗
透脱水均匀设计表及水分和固形物有效扩散系数
结果。
由表1可知，有效扩散系数与葡萄糖溶液浓度和
温度间并非完全的正相关关系。Rastogi等人[15]曾引用
Arrhenius方程描述有效扩散系数与因素间函数关
系，将实验数据与该方程拟合，得到的Arrhenius方程
相关系数低于0.88。从而可推断莴笋在葡萄糖溶液
中渗透脱水时，不适合用此方程描述有效扩散系数
与因素间的关系，因此根据均匀实验结果，使用曲面
拟合方法在Arrhenius模型基础上对方程进行改进，
得到以下有效扩散系数的回归方程（图5和图6为曲面
拟合图）：
-Ln（Dew）=16.84+5.56/C-66.15/C2+1434.95/Tq
R2=0.96
-Ln（Des）=18.00+23.19/C-80.39/C2+1108.31/Tk
R2=0.95
式中，C—葡萄糖浓度；Tk—热力学温度。根据
上述方程的拟合结果可知，水分和固形物的有效扩
散系数回归方程相关系数分别达到了0.96和0.95，
证明方程的拟合性高，因此该回归方程较适合描述
莴笋渗透脱水有效扩散系数与葡萄糖浓度、温度间
的关系。
2.2.2 有效扩散系数与因素关系分析 为验证有效
图3 温度对莴笋渗透脱水失水率的影响（葡萄糖溶液浓度25%）
Fig.3 Effect of temperature on WL in osmotic dehydration of
asparagus lettuce（glucose concentration of 25%）
渗透时间（min）
0 50 100 150 200 250
50
40
30
20
10
0
失
水
率
（
%）
40℃实测
40℃预测
50℃实测
50℃预测
60℃实测
60℃预测
图4 温度对莴笋渗透脱水固形物增加率的影响
（葡萄糖溶液浓度25%）
Fig.4 Effect of temperature on SG in osmotic dehydration of
asparagus lettuce（glucose concentration of 25%）
渗透时间（min）
0 50 100 150 200 250
15
10
5
0
固
形
物
增
加
率
（
%）
40℃实测
40℃预测
50℃实测
50℃预测
60℃实测
60℃预测
表1 莴笋渗透脱水均匀设计表及有效扩散系数值
Table 1 Uniform design and effective diffusion coefficients in
osmotic dehydration of asparagus lettuce
实验号
葡萄糖溶液
浓度（%） 温度（℃）
水分有效扩
散系数×10-10
（m2/s）
固形物有效扩
散系数×10-10
（m2/s）
1 10 55 6.81 1.16
2 15 40 4.51 1.21
3 20 65 5.97 2.40
4 25 50 5.36 2.21
5 30 35 4.15 2.33
6 35 60 6.03 2.75
7 40 45 4.57 2.70
图5 -Ln（Dew）与因素（葡萄糖浓度和温度）的曲面拟合图
Fig.5 Response surface fitting between -Ln（Dew）and factors
（glucose concentration and temperature）
21.7
21.6
21.5
21.4
21.3
21.2
21.1
35 30 25 20 15 10葡萄糖浓度（%） 热力学温度（K）
-L
n（
D e
w）
图6 -Ln（Des）与因素（葡萄糖浓度和温度）的曲面拟合图
Fig.6 Response surface fitting between -Ln（Des）and factors
（glucose concentration and temperature）
22.9
35 30 25 20 15 10 340
葡萄糖浓度（%） 热力学温度（K）
-L
n（
D e
s）
22.8
22.7
22.6
22.5
22.4
22.3
22.2
22.1
22
335
330
325
320
315
310
340
335
330
325
320
315
310
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表2 莴笋渗透脱水有效扩散系数的实测值与预测值
Table 2 Experimental and predictive effective diffusion coefficients during osmotic dehydration of asparagus lettuce
葡萄糖溶液
浓度（%）
温度
（℃）
平衡时刻
失水率（%）
水分有效扩散
系数×10-10（m2/s）
水分有效扩散系数
计算值×10-10（m2/s）
平衡时刻固形物
增加率（%）
固形物有效扩散
系数×10-10（m2/s）
固形物有效扩散系数
计算值×10-10（m2/s）
25 40 46.73 5.11 4.40 13.46 1.43 1.98
25 50 42.81 5.36 5.08 13.48 2.21 2.21
25 60 36.45 6.86 5.79 19.37 2.12 2.45
15 40 31.91 4.51 4.58 5.89 1.21 1.34
35 40 62.52 4.57 4.45 13.98 2.47 2.43
扩散系数回归方程，将使用回归方程计算所得的有
效扩散系数值与实测值进行比较，结果如表2所示。
2.2.2.1 温度对有效扩散系数的影响 表2数据显
示，莴笋渗透脱水的水分有效扩散系数的实测值随
着温度从40℃上升至60℃而有所增加。而固形物的
有效扩散系数实验值并非随温度的增加而完全呈增
长状态，数据显示该数值在50℃时较大。
2.2.2.2 葡萄糖浓度对有效扩散系数的影响 由表2
可知，随着葡萄糖溶液浓度增加，莴笋渗透脱水水分
有效扩散系数呈现先增后降的不规律变化状态，这
一结果说明溶液浓度变化并不直接引起水分有效扩
散系数产生相应改变，与相关研究报道（Park[7]、
García-Segovia[14]和I·spir[16]的研究结果）相一致。固形
物有效扩散系数实测值随着浓度从15%升至35%出
现了增长趋势，这可能与浓度升高促进固形物渗入
有关。
2.2.2.3 有效扩散系数结果分析 表2中莴笋渗透脱
水平衡时刻失水率和固形物增加率随因素变化的规
律显示，失水率和固形物增加率高并非表示水分和
固形物有效扩散系数数值大。结合Crank的有效扩散
系数计算公式可推测，水分比及固形物残存比的大
小与平衡时刻的失水率和固形物增加率有关。不论
平衡时刻这两指标值大小，只要在脱水过程中任意
时刻的失水率、固形物增加率分别与平衡时刻两指
标的差值小，那么水分比和固形物残存比的值就小，
从而对应的水分和固形物有效扩散系数值就大。即
便平衡时刻的失水率和固形物增加率数值较小，也
可能得到较大的水分和固形物有效扩散系数。如在
25%+60℃条件下，虽然莴笋渗透脱水平衡时刻的失
水率只有36.45%，但图3显示在物料渗透脱水30min
时失水率已达到27.60%，与平衡时刻的失水率差值
较小，因此对应的水分有效扩散系数值较高。从这一
结果可推断，有效扩散系数大小并非直接对应于失
水率或固形物增加率的高低，它反映的是失水率或
固形物增加率达到该条件下平衡时刻的快慢程度。
如果有效扩散系数值越大，那么到达渗透脱水平衡
时刻所需的时间越短。
3 结论
3.1 莴笋渗透脱水的失水率以及固形物增加率随
着葡萄糖溶液浓度的增加而增大。而失水率随着温
度的升高而降低，固形物增加率随温度的增加而增
大。莴笋渗透脱水的失水率先于固形物增加率达到
平衡时刻。在实际生产中，莴笋渗透脱水时间应控制
在120min内，且不宜采用50℃以上高温。
3.2 在一定溶液浓度和温度的条件下，可用Azuara
模型描述莴笋渗透脱水失水率和固形物增加率随时
间变化的情况，并可用此模型来计算平衡时刻的两
指标值。
3.3 Arrhenius方程不适于描述有效扩散系数与葡
萄糖浓度和温度间的关系，而采用曲面拟合方法改
进后的有效扩散系数回归方程其相关系数较高。水
分和固形物有效扩散系数随着温度或葡萄糖浓度增
加并非呈现完全递增或递减的变化。从实验结果推
断，有效扩散系数大小并非直接表示失水率或固形
物增加率的大小，而是反映了失水率和固形物增加
率达到平衡时刻的快慢程度。
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我国是渔业大国，随着水产养殖业和加工业的
迅速发展，水产品的综合利用越来越受到人们的重
视，因而从水产品中获取胶原蛋白及制备活性肽成
为水产研究的热点。在水产品加工时，产生出占鱼体
总重约40%～55%的下脚料（包括鱼头、鱼皮、鱼鳍、鱼
尾、鱼骨及其残留鱼肉），其中鱼皮、鱼鳞占7.5%～
10%[1]。通常这些废弃物加工利用程度很低，大多被
鳕鱼皮胶原蛋白肽的功能特性
及抗氧化活性
刘 淇1，李 慧1，2，赵 玲1，2，柳 倩1，2，曹 荣1，李 亚3
（1.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071； 2.青岛大学生物系，山东青岛 266071；
3.烟台嘉惠生物科技有限公司，山东烟台 264006）
摘 要：以鳕鱼皮胶原蛋白肽为实验材料，研究其吸水性、保水性、乳化性等功能特性，并且进行了体外抗氧化实验。
结果表明鳕鱼皮胶原蛋白肽具有较好的吸水性、保水性、吸油性和起泡性，具有一定的乳化性和较弱的泡沫稳定性。
体外抗氧化实验结果显示，鳕鱼皮胶原蛋白肽对DPPH自由基、羟自由基和超氧阴离子自由基均有一定的清除效果，
且清除率与样品溶液的浓度存在剂量依赖关系；浓度为30mg/mL时，胶原蛋白肽对DPPH·、·OH和O2-·的抑制率分别
可达到73.84%、85.76%、64.09%。 分级后，分子量1ku以下的胶原蛋白肽对DPPH·和·OH的清除能力最强，30mg/mL时
清除率达到84%和90.97%；分子量5ku以上的胶原蛋白肽对O2-·清除能力最强，30mg/mL时清除率达到74.02%。
关键词：鳕鱼皮，胶原蛋白肽，功能特性，抗氧化，自由基清除率
Study on functional properties and antioxidation activity of
collagen polypeptide from codfish skin
LIU Qi1，LI Hui1，2，ZHAO Ling1，2，LIU Qian1，2，CAO Rong1，LI Ya3
（1.Yellow Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Qingdao 266071，China；
2.Biological Department of Qingdao University，Qingdao 266071，China；
3.Yantai Jiahui Biotechnology Co.，LTD.，Yantai 264006，China）
Abstract：The functional characteristics and antioxidation activity collagen from codfish skin were studied. Results
showed that collagen polypeptide had high water solubility，water adsorption，oil absorption and foaming
ability，certain emulsifying property and low foam stability；results of the vitro antioxidant experiment showed：
collagen polypeptide from codfish had certain activity to scavenge DPPH·，·OH and O2 -·.Further more，
scavengeing rate of the sample depended on its dose. The inhibition rate to DPPH·，·OH and O2-· can reach
73.84% ，85.76% and 64.09% . After molecular weight grading，vitro antioxidant experiment showed that the
molecular weight of component below 1ku works best in clearing DPPH· and·OH，clearance can reach 84%
and 90.97% respectively. The molecular weight of collagen in 5ku above，the clearance rate to O2-· can reach
the 74.02%.
Key words：codfish skin；collagen peptide；functional properties；antioxidation；radical scavenging rate
中图分类号：TS254.1 文献标识码：A 文 章 编 号：1002-0306（2012）01-0135-04
收稿日期：2011－09－08
作者简介：刘淇（1965-），男，研究员，研究方向：水产品加工与综合利用。
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