微波加工漿果技術(shù)進(jìn)展

林 甄，劉海軍，鄭先哲，劉成海，宋翔宇，劉代亞

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

我國有豐富的漿果資源，目前漿果種植面積約4.5萬hm2，年產(chǎn)量接近30萬t[1]，主要包括藍(lán)莓（Semen trigonellae）、越橘（Vaccinium）、樹莓（Rubus）、黑加侖（Ribes nigrum.L）、藍(lán)靛果（Lonicera）等。漿果中富含多種維生素、抗氧化的花青素、人體必需氨基酸、微量元素和水溶性纖維等[2-4]，因具有風(fēng)味誘人、顏色明麗和營養(yǎng)豐富等特點(diǎn)，漿果制品有較高市場認(rèn)知度和較大需求量。漿果收獲季節(jié)集中在每年7～9月份，氣溫25～35℃；新鮮漿果水分在90%，且質(zhì)地柔軟，極易破損、腐爛。干燥制得的漿果干品，可以廣泛用作食品顏色、風(fēng)味和營養(yǎng)成分的天然添加劑。

1 微波真空膨化漿果脆片影響因素

國內(nèi)外諸多學(xué)者在分析和測定食品性物料方面做大量研究工作[5-7]。Zhang等研究初始含水率、微波強(qiáng)度和真空度3個參數(shù)對香魚片膨化度影響規(guī)律，結(jié)果表明合理的初始含水率和微波強(qiáng)度可以提高魚片的膨脹度和脆性，高真空度能夠強(qiáng)化魚片膨化效果[8]。Clary等通過測量微波真空膨化過程中葡萄物料的表層溫度，控制微波輸出功率，可獲得較好的膨化葡萄干品[9]。分析表明，葡萄的膨化特性與其表層溫度、膨化時間、微波強(qiáng)度和鮮葡萄的糖分、水分含量有關(guān)。經(jīng)微波真空膨化后的葡萄干中的維生素A、維生素B1和維生素B2明顯高于日曬后的制品。

1.1 化學(xué)成分對膨化效果的影響

微波膨化過程中，淀粉、糖、蛋白質(zhì)、油脂等化學(xué)成分對膨化效果均有一定影響。其中淀粉對膨化效果的影響最大，淀粉含量增加可使物料膨化率提高。研究表明，淀粉的種類和組成對膨化也有一定影響，糯米粉產(chǎn)品較馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、大麥淀粉產(chǎn)品膨化率高。藍(lán)莓漿果中的淀粉含量很低，微波真空膨化時需要外加淀粉，向藍(lán)莓果漿中加入前期研究得到的淀粉混合物配方，使藍(lán)莓鮮片達(dá)到理想膨化效果。

1.2 水分含量對膨化效果的影響

水分含量對原料吸收微波能能力有重要影響。原料中的水分含量越高，介電常數(shù)也越大，因而也就越易被加熱。由于微波加熱具有選擇性，在物料中含水量高的區(qū)域，吸收微波能的能力強(qiáng)而溫度升高快，為了使物料均勻膨化，在微波膨化前應(yīng)使食品內(nèi)的水分分布均勻。漿果鮮片的初始含水率是微波真空膨化過程的影響因素。

1.3 微波頻率與功率對膨化效果的影響

在工業(yè)應(yīng)用中，微波的兩個頻段是915和2 450 MHz，頻率越高，加熱速度越快。國內(nèi)外絕大部分農(nóng)產(chǎn)品（食品）微波加工設(shè)備的微波頻率都是2 450 MHz，在我國的微波加工設(shè)備中，也是取用該數(shù)值，選擇微波強(qiáng)度（微波功率與物料質(zhì)量的比值）作為微波真空膨化過程的影響因素。

1.4 真空度對膨化效果影響

在微波真空膨化過程中，膨化腔內(nèi)的真空度低時，物料內(nèi)水分氣化溫度降低，且物料表層周圍水蒸汽分壓也低，有利于內(nèi)部水分氣化，使物料膨化，但真空度過低，使得水分?jǐn)U散速度過快，蒸發(fā)到腔體中，反而不利于膨化，且在過低的真空狀態(tài)時，也不利于微波設(shè)備工作，容易出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此，真空度是微波真空膨化過程的影響因素。

1.5 物料的幾何特性對膨化效果的影響

微波膨化時影響物料加熱的幾何特性主要是體積大小和形狀。物料應(yīng)盡量避免存在棱角，以防局部加熱過度。因此在研究中，漿果鮮片的厚度一致（根據(jù)前期研究的優(yōu)化結(jié)果），做成圓片形狀，避免棱角效應(yīng)。

從上述的理論分析和前期試驗(yàn)結(jié)果可知，目前國內(nèi)外學(xué)者分析了影響微波真空膨化過程的外在因素，如果在此基礎(chǔ)上，深入地研究微波真空膨化條件與物料間作用機(jī)理，定量分析膨化過程，可為漿果類物料膨化加工提供理論依據(jù)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢

2.1 微波真空膨化果蔬脆片的研究

國內(nèi)研究果蔬脆片真空微波膨化技術(shù)的高校和科研院所有：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、天津市食品研究所、中國農(nóng)機(jī)院、江南大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等，這些研究機(jī)構(gòu)目前已研制出蘋果片、香蕉片、胡蘿卜、南瓜、土豆片、哈密瓜等系列膨化產(chǎn)品。韓清華詳細(xì)研究微波真空干燥膨化蘋果脆片的加工方法，對微波功率、壓力、物料厚度、預(yù)處理后蘋果片初始含水率與其干燥特性、膨化率的關(guān)系進(jìn)行研究[10]，得出較佳工藝參數(shù)，在微波功率為12.0 w·g-1、壓力為15 kPa、蘋果片厚度為8 mm、預(yù)處理后蘋果片初始含水率為37.5%的條件下，可膨化出高品質(zhì)蘋果脆片，干燥時間為4 min時膨化率最大達(dá)到321%。Ressing等用兩維有限元模型模擬面團(tuán)的微波真空膨化過程，研究發(fā)現(xiàn)面團(tuán)內(nèi)外的壓力差和面團(tuán)內(nèi)因溫度升高產(chǎn)生的蒸汽量是面團(tuán)膨化的主要原因[11]。微波在物料內(nèi)部的滲透深度決定其溫度分布。美國加州大學(xué)Fresno分校的Gutierrez等就采用微波真空干燥技術(shù)膨化葡萄干，在色澤、質(zhì)地和效率等方面，明顯優(yōu)越于普通日曬干燥，并設(shè)計(jì)了專用的微波真空干燥設(shè)備。

2.2 影響物料的介電特性的因素

在微波真空膨化過程中，對物料吸收能量和熱量轉(zhuǎn)化過程起決定作用的是其介電特性，該特性包括介電常數(shù)和介電損耗因子兩個指標(biāo)。介電常數(shù)是指物料吸收微波能的能力；介電損耗因子是指物料把吸收的微波能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。農(nóng)產(chǎn)品屬于吸濕性物料，介電特性與頻率、組成、水分、溫度和體密度有關(guān)，水分含量是決定其介電特性主要因素。從本質(zhì)上講，物料的介電特性取決于化學(xué)組分及水分中永久性偶極子動量。在微波作用下，食品和農(nóng)產(chǎn)品中的介電特性變化是十分復(fù)雜的，受物料種類和加工方式的影響，介電特性的兩個指標(biāo)可能增加或者減小。測量物料的介電特性方法較多，其中開端同軸探針法（Open-ended coaxial probe method）是成熟的測量農(nóng)產(chǎn)品介電特性方法。

2.3 物料介電特性與溫度和含水率關(guān)系的研究

Sipahioglu等研究了馬鈴薯、香蕉等15種果蔬，在2 450 MHz和5～130℃溫度范圍內(nèi)的介電特性隨著溫度和含水率的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：介電常數(shù)隨著溫度下降而變小[12]；介電損耗因子隨著溫度增加出現(xiàn)先減少后增加變化趨勢。不同果蔬在相同的溫度和含水率條件下的介電特性有差異，研究者認(rèn)為果蔬的成分及灰分含量是造成差異的主要原因。

Coronel等研究牛奶、豆?jié){等流體食品在泵送過程中的介電特性隨著溫度變化規(guī)律[13]，結(jié)果表明流體食品的介電常數(shù)隨著溫度增加呈下降趨勢，而介電損耗因子隨著溫度的增加而增加，并得到介電特性與溫度的回歸方程。研究中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)靛果果漿的介電特性只是在特定的情況下可以預(yù)測。

分析食品物料中的介電特性有助于理解物料與微波能間相互作用。在Kent的研究中發(fā)現(xiàn)焙烤面團(tuán)的介電特性是溫度、體密度和含水率的函數(shù)[14]。Miura用時域反射法測量稻米、牛奶等固態(tài)和液態(tài)物料的微波（頻率范圍在100 kHz～10 GHz.）介電松弛特性[15]。物料的介電松弛現(xiàn)象是由自由水和結(jié)合水重定位、界面極化等引起的，這是物料的介電特性變化的本質(zhì)原因。

2.4 物料介電特性與影響因素關(guān)系模型建立

Cheng研究微波真空膨化葡萄干過程，在含水率5%～80%，溫度25～80℃范圍內(nèi)，分別建立介電常數(shù)和介電損耗因子與溫度和含水率的回歸方程[16]。結(jié)果表明隨著含水率和溫度升高，葡萄干的介電常數(shù)和介電損耗因子均呈非線性下降趨勢。根據(jù)孔隙率、含水率和配方比例3項(xiàng)指標(biāo)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測蛋糕的介電常數(shù)和介電損耗因子兩項(xiàng)指標(biāo)，其可信度準(zhǔn)確性方面高于主成分分析法和最小二乘法。

果蔬的微波真空膨化技術(shù)已經(jīng)引起國內(nèi)外學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的濃厚興趣，但是目前該領(lǐng)域的研究成果多數(shù)都局限在不同物料的微波真空膨化工藝參數(shù)方面，而對漿果在微波真空膨化過程，動態(tài)的介電特性變化規(guī)律和作用機(jī)理的認(rèn)識還不十分清楚。鄭先哲等的研究發(fā)現(xiàn)，果蔬物料在微波真空的加工條件下，容易出現(xiàn)受熱不均、邊際效應(yīng)明顯等質(zhì)量劣變現(xiàn)象，但目前還缺乏有效的方法控制微波真空過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。如果從對膨化過程有重要影響的物料初始含水率和溫度入手，研究物料的介電常數(shù)和介電損耗因子變化，有可能確定引起漿果鮮片膨化效果的主要因素，從而揭示微波場對物料作用機(jī)理，預(yù)測物料介電特性指標(biāo)[17]。

3 微波輔助泡沫干燥漿果技術(shù)研究

3.1 高黏熱敏性農(nóng)產(chǎn)品干燥工藝和干品品質(zhì)研究

漿果是典型高黏熱敏性農(nóng)產(chǎn)品，干燥時去水困難、內(nèi)含的花青素、維生素等活性成分易降解。確定合理干燥工藝和保證物料干燥品質(zhì)是高黏熱敏性農(nóng)產(chǎn)品干燥時重點(diǎn)研究問題[18]，由單一工藝（如熱風(fēng)干燥、真空干燥等）向組合干燥工藝方面發(fā)展，充分利用單種工藝的優(yōu)點(diǎn)，在干燥品質(zhì)、效率和能量利用率等方面有顯著優(yōu)勢。王瑞應(yīng)用微波冷凍組合方法對蔬菜湯料脫水加工，發(fā)現(xiàn)干品在風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)和復(fù)水性方面與冷凍干燥的相近[19]；Leusink等應(yīng)用微波真空干燥方法對Saskatoon漿果進(jìn)行干燥，得到的干品中花青素含量接近冷凍干燥而遠(yuǎn)高于熱風(fēng)干燥的制品[19]；Borquez采用真空滲透與微波真空組合干燥方法，對冷凍樹莓漿果進(jìn)行干燥，加工出完整樹莓果干，在顏色、口感和質(zhì)構(gòu)等方面品質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于單一干燥方法[20]。鄭先哲應(yīng)用自行提出的微波輔助泡沫組合干燥方法對藍(lán)靛果、藍(lán)莓和樹莓果漿等進(jìn)行干燥加工，在干燥效率和干品品質(zhì)等方面優(yōu)于其他干燥方法[17]，但發(fā)現(xiàn)干燥條件對漿果干燥特性及品質(zhì)影響缺乏一致規(guī)律、優(yōu)化出的干燥參數(shù)推廣性差等問題，需要從本質(zhì)上研究微波條件對漿果品質(zhì)影響機(jī)理才可能解決這些問題。

3.2 微波加熱對物料內(nèi)水分、溫度傳遞和品質(zhì)變化影響的研究

研究微波能在物料內(nèi)部吸收和轉(zhuǎn)化過程，建立物料內(nèi)部溫度和水分的分布模型，可以從本質(zhì)上揭示微波干燥過程中傳熱、傳質(zhì)機(jī)理，是確定效率高、品質(zhì)好干燥工藝的理論依據(jù)。原有研究物料在微波場中傳熱和傳質(zhì)模型時，為簡化計(jì)算過程把物性參數(shù)看作常數(shù)、把物料內(nèi)部溫度和水分分布用平均值處理，這與實(shí)際情況有較大偏差，需要加入校正因素[21]；現(xiàn)有研究考慮到物料的熱特性和介電特性參數(shù)隨溫度和水分等條件的動態(tài)變化，能夠準(zhǔn)確分析微波能在物料內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)化過程[22]，通過調(diào)整微波功率輸入模式，可以改善物料內(nèi)部溫度分布均勻性，保證物料干燥后品質(zhì)。應(yīng)用光纖傳感器測定微波場中漿果脆片、起泡果漿的溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微波場中漿果物料的溫度變化經(jīng)歷平緩、快升和緩升三個階段，符合Sigmodal函數(shù)規(guī)律[23]，但發(fā)現(xiàn)微波輔助泡沫干燥果漿過程中，物料內(nèi)部存在氣、液、固三種狀態(tài)，且有輻射、對流和熱傳導(dǎo)三種方式耦合，與常規(guī)傳熱、傳質(zhì)過程有很大區(qū)別。在高黏熱敏性物料干燥品質(zhì)研究方面，干燥溫度是影響物料品質(zhì)的主要因素，高溫會引起漿果中多酚氧化酶和葡萄糖苷酶降解，破壞花青素含量和活性，其降解過程可用Arrhenius、Eyring和Ball模型（為溫度函數(shù)），以及一階動力學(xué)模型表征[21-25]。另外，微波加熱在物料內(nèi)部產(chǎn)生的熱點(diǎn)效應(yīng)、分子扭動和強(qiáng)化傳質(zhì)都屬于非熱效應(yīng)，不同于常規(guī)加熱產(chǎn)生的熱效應(yīng)對物料內(nèi)部活性成分的影響；從發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象推斷微波能對起泡果漿內(nèi)部主要活性成分（多酚類和花青素）有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的影響。但目前在微波對物料內(nèi)活性成分影響的研究多局限于宏觀分析成分含量和活性變化，缺少從質(zhì)、熱傳遞過程方面揭示微波條件對物料內(nèi)活性成分直接作用機(jī)理，無法從本質(zhì)上控制干燥條件對干品品質(zhì)的影響?？筛鶕?jù)起泡果漿微波泡沫干燥特性，通過建立微波干燥過程中物料內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程與其活性成分降解關(guān)系模型，從熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩方面揭示微波條件對物料品質(zhì)作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對物料干燥品質(zhì)的控制。

3.3 加工過程對農(nóng)產(chǎn)品及食品活性成分影響

加工后產(chǎn)品中活性成分含量及活性是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)。在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中活性成分降解方面，當(dāng)前的研究趨勢主要在微觀水平上，揭示加工過程中組分結(jié)構(gòu)變化與降解物產(chǎn)生關(guān)聯(lián)機(jī)制，對各組分變化形成有效控制手段。在漿果加工品質(zhì)方面，減少活性成分的降解和提高其活性一直是熱點(diǎn)研究內(nèi)容。漿果中酚類成分在果實(shí)中比分離出的單體更具抗氧化能力，但干燥后漿果干品含有花青素、維生素等活性成分，容易受到光照、加熱、氧氣等因素影響發(fā)生降解。

在揭示活性成分降解機(jī)理前提下，如何有效保護(hù)和高效應(yīng)用加工后農(nóng)產(chǎn)品中活性成分是重點(diǎn)研究問題。微膠囊包埋是目前保護(hù)水果、蔬菜等物料中色素、多酚類活性天然成分的適宜方法。微膠囊化的活性成分穩(wěn)定性高和使用方便，多用于功能性食品。麥芽糊精、阿拉伯樹膠和磷酸三鈣的混合物是包埋多酚類活性成分的理想壁材。噴霧干燥是包埋活性成分微膠囊的主要方法，Cristhiane等學(xué)者選擇麥芽糊精為包埋壁材，研究噴霧干燥加工黑加侖果粉的微膠囊加工工藝，獲得高品質(zhì)的微膠囊制品[27]。對水果中活性成分（花青素等），選擇大豆分離蛋白（SPI）和麥芽糊精（MD）為壁材，應(yīng)用噴霧干燥方法制備微膠囊，具有良好的穩(wěn)定性。采用流化床是包埋含活性成分微膠囊的另一適用方法，具有設(shè)備相對簡單，操作容易等特點(diǎn)。當(dāng)前食品微膠囊包埋加工需要專門設(shè)備和工藝，在工藝連續(xù)性和操作便捷性方面，不適于干燥后漿果干品表層包埋處理，但這些成果為微波泡沫干燥工藝中果漿自包埋過程的壁材選擇和流程確定提供理論依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)[28]，在制備起泡漿果果漿時，漿果原漿加入大豆分離蛋白、單甘脂（具有網(wǎng)狀多鏈的分子結(jié)構(gòu)，作為起泡劑）和加入羧甲基纖維素（作為泡沫穩(wěn)定劑）后，靜置不定時間，可使起泡果漿中的原漿成分（果膠、纖維、多糖等）沉入體積均勻泡沫的下面；起泡果漿微波干燥過程中，果漿內(nèi)部水分形成水蒸氣擾動果漿和起泡劑，再產(chǎn)生大量輕盈泡沫，又可把密度較大的部分漿果的原漿成分（果膠、纖維等）擠入內(nèi)部；干燥時泡沫表面水分蒸發(fā)，落下的起泡劑干成分覆蓋在漿果干品上，形成保護(hù)層，阻礙氧氣、光照等因素對漿果干品中活性成分降解作用。在微波泡沫干燥漿果過程的后期，再向果漿表層噴加大豆分離蛋白和麥芽糊精混合物泡沫液，待其水分蒸發(fā)后，形成保護(hù)膜覆蓋漿果脫水干品的外層，強(qiáng)化保護(hù)效應(yīng)。據(jù)此提出基于微波泡沫干燥技術(shù)的自包埋漿果制品加工理論和工藝。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外學(xué)者透徹地分析了影響微波真空膨化過程的外在因素，如在此基礎(chǔ)上深入研究微波真空膨化條件與物料間作用機(jī)理，定量分析膨化過程，可為漿果類物料膨化加工提供理論依據(jù)。微波加工漿果研究的趨勢是保護(hù)干燥后漿果中花青素、維生素C活性成分和提高干燥后制品質(zhì)量為目標(biāo)，通過建立微波場中起泡果漿內(nèi)部微波能吸收、質(zhì)、熱傳遞過程與其活性成分降解間的動力學(xué)模型，在微觀上解析微波加工條件對漿果中活性成分的結(jié)構(gòu)、降解產(chǎn)物作用機(jī)理，在宏觀上對漿果干品的內(nèi)部和外觀品質(zhì)進(jìn)行綜合評價。通過調(diào)整微波干燥工藝參數(shù)和流程，保護(hù)干燥時漿果中活性成分；通過控制起泡果漿中泡沫運(yùn)移、以及噴霧施加大豆分離蛋白和麥芽糊精起泡混合液，實(shí)現(xiàn)對果漿干品的包埋，抑制降解，獲得活性成分含量高的漿果干品。

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