胡蘿卜冰溫干燥實(shí)驗(yàn)研究*

王豐，李保國，申江，蘇樹強(qiáng)，張明融

1(上海理工大學(xué)食品科學(xué)與工程研究所，上海，200093)2(天津商業(yè)大學(xué)，天津，300134) 3(上海錦立保鮮科技有限公司，上海，201201)

冰溫貯藏技術(shù)(controlled freezing point)是繼冷藏和氣調(diào)貯藏之后的第三代保鮮技術(shù)，研究始于20世紀(jì)70年代，由日本學(xué)者山根昭美博士首先提出［1］。由于生物體內(nèi)含有糖、蛋白質(zhì)、醇類等物質(zhì)，生物體的冰點(diǎn)(又稱凍結(jié)點(diǎn))均低于0℃，0℃到生物體冰點(diǎn)之間的溫度區(qū)間稱為冰溫帶［2］。食品在此溫度帶保存，不僅可以有效地降低冷藏設(shè)備的能耗，還可以克服凍結(jié)食品因冰結(jié)晶帶來的蛋白質(zhì)變性、組織結(jié)構(gòu)損傷、液汁流失等現(xiàn)象，與冷藏相比其貯藏期得到顯著延長［3］。常溫貯藏食品通常采用干燥技術(shù)將食品脫水。目前，應(yīng)用廣泛的食品干燥技術(shù)有熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥等，尤其是真空冷凍干燥技術(shù)近年發(fā)展迅速。采用冷凍干燥技術(shù)可以獲得高品質(zhì)的脫水食品，但冷凍干燥需要時(shí)間長，成本高。山根昭美博士最早提出了冰溫干燥這一概念，文中改進(jìn)了其冰溫干燥的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合冰溫貯藏技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出新的冰溫干燥方法。冰溫干燥即被干燥的食品保持在冰溫帶進(jìn)行干燥，這時(shí)食品物料的細(xì)胞及蛋白質(zhì)仍然維持在活性狀態(tài)，而又未凍結(jié)的情況下進(jìn)行干燥［4］。

本文以胡蘿卜為研究對象進(jìn)行了冰溫干燥研究，通過實(shí)驗(yàn)分析了該技術(shù)的特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥進(jìn)行了比較。

1 材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

胡蘿卜，購于蔬菜市場，新鮮含水率為89%。

碘酸鉀，碘化鉀，鹽酸，無水硫酸鈉，石油醚，丙酮，胡蘿卜素標(biāo)樣，均為分析純。

1.2 設(shè)備與儀器

冰溫干燥實(shí)驗(yàn)裝置(上海錦立保鮮科技有限公司)，真空冷凍干燥機(jī)(美國Virtis公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，DZF-6020烘干箱(上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，全自動(dòng)色差計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，F(xiàn)A1604電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

自行研制的冰溫干燥實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由真空系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)，微波加熱系統(tǒng)，捕水器，光纖測溫傳感器和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)主要由真空泵、真空壓力表以及管道組成，真空泵需要有一定的抽氣速率和一定的極限真空度，將真空室內(nèi)抽成要求的真空度，以保證物料水分蒸發(fā)所需要的壓力差，并在物料中水分蒸發(fā)時(shí)自身降溫到其冰溫帶溫度。微波加熱具有滲透性和靶向性，無加熱慣性，在對物料進(jìn)行冰溫干燥過程中，提供干燥所需要的熱量，并通過控制輸入微波功率，對冰溫帶的溫度進(jìn)行控制。制冷系統(tǒng)為捕水器提供冷量，使捕水器盤管的溫度保持在－8℃以下，以保證在冰溫干燥過程中，由物料蒸發(fā)出來的水蒸氣能被及時(shí)完全捕集凝結(jié)在盤管上，避免水蒸氣進(jìn)入真空泵，造成對真空泵的損壞。光纖測溫傳感器，對物料干燥過程進(jìn)行溫度檢測，可在微波場內(nèi)準(zhǔn)確測溫，不受微波電磁場的干擾。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)對物料冰溫干燥過程的溫度、真空壓力、捕水器盤管表面溫度進(jìn)行檢測和采集，并對微波加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和真空系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 冰溫干燥實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

冰溫干燥實(shí)驗(yàn)過程，由真空系統(tǒng)將干燥室抽真空，在真空條件下，被干燥物料中的水分蒸發(fā)帶走熱量，使物料溫度降低，當(dāng)物料溫度降低到其冰溫帶后，啟動(dòng)微波加熱系統(tǒng)，為物料提供干燥過程水分蒸發(fā)所需要的熱量，并維持使水分蒸發(fā)所吸收的熱量與微波加熱量達(dá)到平衡，被干燥物料溫度維持在冰溫帶進(jìn)行干燥。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點(diǎn)

(1)原料切片:將胡蘿卜切成厚度為3 mm的片狀。

(2)冰溫干燥:將壓力設(shè)定為150 Pa，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)微波加熱功率使被干燥的胡蘿卜片溫度處于冰溫帶內(nèi)進(jìn)行干燥，記錄干燥時(shí)間。

(3)真空冷凍干燥:首先對胡蘿卜片進(jìn)行預(yù)凍結(jié)，在－35℃凍結(jié)3 h使其完全凍結(jié)，然后進(jìn)行升華干燥，保持升華壓力在80～100 Pa，干燥約10 h后升華干燥結(jié)束，進(jìn)如解析干燥階段，保持真空度在80 Pa以下［5］，直到干燥結(jié)束，記錄干燥時(shí)間。

(4)熱風(fēng)干燥:將胡蘿卜片放入熱風(fēng)干燥箱內(nèi)，溫度設(shè)為70℃進(jìn)行干燥，記錄干燥時(shí)間。

1.3.3 指標(biāo)測定

(1)含水率:采用GB/T 5009.3－2010《食品中水分的測定》方法進(jìn)行測定。

(2)復(fù)水率:在室溫下，取一定量的干燥胡蘿卜片浸沒在25℃的水中，靜置30 min后，取出，瀝干，除去表面水分，稱重按式(1)計(jì)算復(fù)水率Rf。

式中:mf，復(fù)水后胡蘿卜的質(zhì)量;mg，復(fù)水前胡蘿卜的質(zhì)量。

(3)收縮率:隨機(jī)取6片胡蘿卜，用游標(biāo)卡尺測出物料干燥前與干燥后的體積，計(jì)算出收縮率Sv。

式中:V，干燥后胡蘿卜的體積;Vr，干燥前胡蘿卜的體積。

(4)色澤:用全自動(dòng)色差計(jì)測定胡蘿卜干燥后的色差，結(jié)果由L，a，b值表示，L值表示黑白度，L越大表示物料越白;a值表示紅綠度，a值越大，表示越紅，負(fù)值時(shí)表示綠色;b值表示黃藍(lán)色度，b值越大表示物料越黃，負(fù)值表示藍(lán)色。色差值△Eab表示胡蘿卜干燥后色澤與鮮樣色澤的差值，△Eab越小則越接近物料本來的顏色。

(5)Vc的測定:采用碘滴定法。稱取20 g的樣品放在研缽中，加濃度為2%的HCl溶液5～10 mL研磨成漿狀。將研缽中的樣品移入100 mL容量瓶中，用濃度為2%的HCl溶液定容，搖勻并靜置片刻，再用濾布過濾在燒杯中備用。用移液管移取濃度為1%的KI溶液0.5 mL，濃度為0.5%的淀粉液2 mL，制備的樣品液5 mL，再加蒸餾水至總體積10 mL，用0.001 mol/L的KIO3液滴定，至微藍(lán)色且在1 min不褪色為終點(diǎn)。記錄KIO3液體積(mL)，Vc含量計(jì)算:

式中:W，100 g樣品含的抗壞血酸質(zhì)量(mg);V，滴定樣品所用的KIO3體積(mL);0.088:1 mL 0.001 mol/L KIO3溶液相當(dāng)?shù)目箟难岬牧?mg/mL);B，滴定時(shí)所用樣品溶液體積(mL);b，制成樣品液的體積(mL);a，樣品的質(zhì)量(g)。

(6)胡蘿卜素的測定:采用分光光度法。標(biāo)準(zhǔn)曲線:取10 mg/L的胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)液0.25，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0 mL分別置于25 mL容量瓶中，定容后測定其吸光度。以濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡蘿卜冰溫干燥過程控制

圖2為在150Pa的壓力下調(diào)節(jié)微波功率的變化情況。調(diào)節(jié)微波功率，保證胡蘿卜在干燥過程中始終處于其冰溫帶內(nèi)。由圖2可見，隨著干燥的進(jìn)行，微波功率需要逐漸降低才能使胡蘿卜溫度維持在－1.5～0℃內(nèi)，這是由于隨著干燥時(shí)間的延長，胡蘿卜內(nèi)水分的蒸發(fā)速率逐漸降低，從而蒸發(fā)帶走的熱量逐漸減少，只有同時(shí)降低微波所提供的能量，使胡蘿卜由水分蒸發(fā)失去的熱量與吸收微波的能量達(dá)到平衡，才能使溫度控制在胡蘿卜的冰溫帶內(nèi)。經(jīng)過4 h的干燥，微波功率降為0，此時(shí)胡蘿卜內(nèi)的水分蒸發(fā)基本停止，溫度無法再降到0℃以下，冰溫干燥達(dá)到終點(diǎn)。

圖2 冰溫干燥功率控制

圖3為采用光導(dǎo)纖維測溫傳感器，測得的胡蘿卜在冰溫干燥過程中的溫度變化情況。從圖3中可看出，冰溫干燥初期，溫度的波動(dòng)較大，這是因?yàn)殚_始樣品含水量高，吸收微波能大，水分蒸發(fā)速率也快，為保持在冰溫帶干燥，需要調(diào)低微波加熱功率，所以被干燥胡蘿卜的溫度波動(dòng)比較大;隨著干燥的進(jìn)行，樣品中含水量逐漸減少，吸收微波能量減弱，水分蒸發(fā)速率降低，因此溫度波動(dòng)減小，直到達(dá)冰溫帶的上限，停止微波加熱干燥結(jié)束。

圖3 冰溫干燥溫度變化

2.2 不同干燥方式干燥胡蘿卜的品質(zhì)指標(biāo)比較

比較研究熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥和冰溫干燥胡蘿卜對其品質(zhì)的影響，通過實(shí)驗(yàn)測得不同干燥方式得到的干燥胡蘿卜樣品品質(zhì)測定結(jié)果如表1所示。

表1 采用不同干燥方式干燥胡蘿卜實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果

2.2.1 干燥速率的比較

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到冰溫干燥所需時(shí)間為4 h，比熱風(fēng)干燥慢，但與真空冷凍干燥相比時(shí)間有明顯縮短。胡蘿卜鮮樣的含水率為89%，經(jīng)過冰溫干燥得到的脫水胡蘿卜的含水率為4.8%，與冷凍干燥和熱風(fēng)干燥相比，含水率基本一致，含水率達(dá)到生產(chǎn)要求。熱風(fēng)干燥平均每小時(shí)干燥42%的水分，冷凍干燥平均每小時(shí)干燥5.6%的水分，而冰溫干燥平均每小時(shí)干燥21%的水分，介于前兩者之間，與冷凍干燥相比，冰溫干燥有更高的干燥效率。

2.2.2 復(fù)水率、收縮率結(jié)果比較

采用冰溫干燥得到的胡蘿卜復(fù)水率為5.4，復(fù)水效果接近冷凍干燥得到的復(fù)水效果，具有良好的復(fù)水性，熱風(fēng)干燥所得胡蘿卜復(fù)水性較差。

冰溫干燥是處于液態(tài)下的干燥，干燥會(huì)有一定的收縮，其收縮率經(jīng)測定為25%。而冷凍干燥水分直接由冰升華，外形基本不會(huì)發(fā)生變化。熱風(fēng)干燥的胡蘿卜發(fā)生了卷曲變形，收縮現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖4所示。

2.2.3 感官色澤測定比較

冷凍干燥的胡蘿卜片，其色差值為5.04，色澤保持良好;冰溫干燥的胡蘿卜片，色差值為6.66;而熱風(fēng)干燥為25.28，色差最大(見表1)。采用冰溫干燥胡蘿卜的色澤和外觀相近，接近于新鮮樣品的顏色，而采用熱風(fēng)干燥的胡蘿卜顏色發(fā)生褐變，呈黃色(見圖4)。物料在低溫下進(jìn)行干燥，熱敏物質(zhì)得以保留下來，營養(yǎng)成分和風(fēng)味損失很少，可以最大限度的保

圖4 不同干燥方式得到的胡蘿卜樣品

3 結(jié)論

留食品原有的成分、味道、色澤和芳香。

2.2.4 Vc和胡蘿卜素保留率的比較

比較干燥后Vc和胡蘿卜素保留率可知(見表1)，Vc在干燥過程中很容易被氧化，冰溫干燥與冷凍干燥都是在真空條件下進(jìn)行的，所以Vc被氧化的程度較小，冰溫干燥Vc保留率為68.8%。熱風(fēng)干燥胡蘿卜暴漏在空氣中，因此Vc損失最嚴(yán)重，其Vc保留率只有40%。

冰溫干燥與冷凍干燥胡蘿卜素保留率均在90%以上。這是由于冰溫干燥與冷凍干燥都是在低溫真空狀態(tài)下進(jìn)行，胡蘿卜素分解少。而熱風(fēng)干燥胡蘿卜素?fù)p失最大，保留率只有68.5%。

2.2.5 干燥能耗比較

熱風(fēng)干燥過程中的主要能耗為水分蒸發(fā)和廢氣排空所需的熱量。冷凍干燥過程中主要能耗為升華干燥需要的能量。冰溫干燥采用微波加熱方式，主要的無用能耗是磁控管和變壓器發(fā)熱損耗和風(fēng)機(jī)的能耗。微波加熱具有靶向性，效率高于熱風(fēng)干燥，采用微波加熱的單位能耗在3 000 kJ/kg，而冷凍干燥的單位能耗高達(dá)20 000 kJ/kg以上。冰溫干燥具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

冰溫干燥作為一種全新的干燥技術(shù)，即在食品冰溫帶內(nèi)對其進(jìn)行干燥。冰溫干燥為食品干燥提供了真空低溫的條件，可獲得高品質(zhì)的干燥食品。通過與冷凍干燥與熱風(fēng)干燥對比，得到以下結(jié)論。

(1)在自制的冰溫干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，通過在真空條件下胡蘿卜內(nèi)水分的蒸發(fā)帶走熱量使胡蘿卜溫度降低到冰溫帶內(nèi)，并通過微波加熱使胡蘿卜溫度穩(wěn)定在冰溫帶內(nèi)進(jìn)行冰溫干燥。壓力設(shè)置為150Pa，采用微波加熱經(jīng)過4h得到含水率為4.8%的脫水胡蘿卜。

(2)冰溫干燥得到的胡蘿卜復(fù)水率為5.4，Vc保留率為68.8%，胡蘿卜素保留率為93.7%。感官品質(zhì)接近冷凍干燥得到的胡蘿卜，比起冷凍干燥有一定的干縮現(xiàn)象，但干燥時(shí)間只需4h。與熱風(fēng)干燥相比，干燥品質(zhì)優(yōu)良。并且相比冷凍干燥，節(jié)能效果明顯。

(3)冰溫干燥非常適合于如冬蟲夏草、海產(chǎn)品等高附加值食品的干燥，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 李林，申江，王曉東.冰溫貯藏技術(shù)研究［J］．保鮮與加工，2008，45(2):38 －41.

［2］ 劉志鳴，萬金慶，王建民.日本冰溫技術(shù)發(fā)展史略［J］．制冷與空調(diào)，2005(3):70－74.

［3］ 石文星，彥啟森，馬靈芝，等.冰溫技術(shù)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用［J］．天津商學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，19(3):39－44.

［4］ 應(yīng)月，李保國，董梅，等.冰溫技術(shù)在食品貯藏中的研究進(jìn)展［J］．制冷技術(shù)，2009(2):12－15.

［5］ 劉玉環(huán).胡蘿卜片的真空冷凍干燥加工工藝及研究［J］．食品科技，2006(3):52－54

［6］ 崔政偉，許時(shí)嬰，孫大文.微波真空干燥技術(shù)的進(jìn)展［J］．糧油加工與食品機(jī)械，2002(7):28－30.