微波真空冷凍干燥蜂蛹工藝的研究

平麗娟，方 晟，毛建衛(wèi)，蔡成崗，陳文斌

(1.浙江科技學院生物與化學工程學院，浙江杭州310023;2.浙江省農產品化學與生物加工技術重點實驗室，浙江杭州310023)

蜂蛹含有豐富的營養(yǎng)物質，干物質中含蛋白質44.01%、碳水化合物20.34%、總糖0.73%、幾丁質4.37%，還含有豐富的礦物質、維生素、幾丁質、黃酮類化合物、酶類和激素類等其他活性物質，這些物質除能增強人體的各項生理機能，促進人體的新陳代謝外，還對抗衰老、養(yǎng)顏美容有特效［1］。目前蜂蛹加工多采用真空冷凍干燥，干燥過程中采用熱傳導方式加熱，由于熱量傳遞和水分擴散方向相反，因此熱質傳遞的驅動力低，十分緩慢，干燥效率低。干燥是一種高能耗的操作工藝，據(jù)報道，法國、英國、瑞典等發(fā)達國家，高達12%的工業(yè)能耗用于干燥，其中用于農產品、食品的干燥能耗僅次于造紙工業(yè)，位居第2位［2］，我國干燥操作的能耗約占總能耗的 10%［3］。微波真空冷凍干燥是將凍結成固態(tài)的含水物質，在真空及共晶溫度以下進行升華、干燥，并通過微波發(fā)生器對待干燥物料提供熱量。微波具有穿透力，微波真空冷凍干燥食品物料也不存在大的溫度梯度，冷凍干燥時間短，同時，在微波加熱過程中無需對熱介質、設備等作預加熱處理，因此能量利用率高，節(jié)能效果好。當采用較低的微波干燥強度時，對蛋白質等成分影響也很小，因而采用微波真空凍干干燥方法可以用于蜂蛹等熱敏性食品的干燥，并可保持蜂蛹的形、色、香、味及最大程度保存生物活性物含量。微波的電場(E)、磁場(H)不但是時間的函數(shù)而且還是空間位置的函數(shù)，物料組成成分的不一致性等因素，盡管比常規(guī)冷凍干燥傳熱性能更好，但是物料各部位也會出現(xiàn)溫度不均勻現(xiàn)象［4］，因而蜂蛹微波凍干過程需嚴格控制溫度、微波功率等，本研究采用光纖/紅外集成技術，分別對物料內部、表面溫度進行控制，獲得優(yōu)化工藝參數(shù)。應用微波真空冷凍干燥技術有助于延長食品的保質期，保持食品原有的風味和營養(yǎng)成分以及食品原料的生理活性，增強保健食品的功能性［5］，因生物體作為極性介質吸收微波能量后產生兩種效應:熱效應和非熱效應(也稱生物效應)，會具有殺滅細菌、真菌，殺蟲和蟲卵，鈍化或激活酶活［4］等特征，本研究考察蜂蛹微波凍干過程中活性物的變化，如蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性物保留量、細菌等生物體的變化等。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

蜂蛹 浙江天源堂蜂業(yè)有限公司;超氧化物歧化酶(T-SOD測試盒) 南京建成研究所;G250考馬斯亮藍 國藥集團化學試劑有限公司;標準牛血清蛋白 上海伯奧生物科技有限公司;牛肉浸粉 青島高科技園海博生物技術有限公司;瓊脂 福建泉州市泉港化工廠;蛋白胨 杭州微生物試劑有限公司;無水乙醇、冰乙酸、濃磷酸、鹽酸、氯化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、氯化鉀等均為分析純。

YHZ4S-02型微波真空冷凍干燥設備 南京亞泰微波能技術研究所;紅外/光纖測溫 深圳歐普申光電科技有限公司，測溫范圍-40～250℃;共晶點測試儀 日本，(電阻0～300MΩ);掃描電子顯微鏡日本，S-3400;TG16臺式高速離心機 長沙英泰儀器有限公司;721G可見分光光度儀、YP502N電子天平 上海精密科學儀器有限公司;JM-B電子天平余姚市紀銘稱重校驗設備有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;其他培養(yǎng)皿，燒杯，移液槍，容量瓶，移液管，玻璃棒，膠頭滴管等玻璃耗材 華東醫(yī)藥器材化劑公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蜂蛹真空冷凍干燥工藝實驗

1.2.1.1 微波真空冷凍干燥中試裝置 主要由真空泵、壓縮機、冷阱、干燥倉、紅外/光纖測溫控制系統(tǒng)、PLC操作系統(tǒng)、涼水塔等設備組成，如圖1所示。蜂蛹真空冷凍干燥工藝流程:原料→共晶點測定→預冷凍→恒溫干燥(升華干燥過程)→降速干燥(解析干燥過程)→回軟→包裝。

圖1 微波真空冷凍干燥中試裝置圖Fig.1 Diagram of microwave vacuum freeze-drying for pilot scale experiment

1.2.1.2 共晶點測定 共晶點的測定是研究蜂蛹微波真空冷凍干燥的重要環(huán)節(jié)，是確定升華溫度的依據(jù)，測定共晶點的方法有多種，其中常用的為電阻檢測法。蜂蛹的細胞組織液是由多種物質組成的復雜溶液，在凍結過程開始有一些成分結晶漸漸析出，溶液的濃度隨之發(fā)生變化，當電阻增大到某一值不再變化時，此時的溫度就是共晶點。

1.2.1.3 預冷凍 稱取新鮮蜂蛹10kg，裝盤厚度控制在5mm，且厚度均勻，預凍溫度約共晶點以下10℃，凍結應快速，達到預凍溫度保持2h，蜂蛹才能凍透。

1.2.1.4 升華干燥 預凍結束后，進入升華階段，在真空及共晶溫度以下進行恒速干燥，控制升華溫度約共晶點以下10～15℃，冷阱溫度-50℃，干燥倉壓力控制在50Pa。由微波發(fā)生器向處于冷凍蜂蛹提供升華潛熱，以除去蜂蛹中易除去的非結合水分。在升華階段，微波強度的大小會影響蜂蛹的形狀、結構和干燥時間，強度過大，物料呈玻璃化，凍干后的蜂蛹會出現(xiàn)干癟。分別以最大微波強度0.20、0.24、0.28、0.32W/g提供升華熱，通過控溫自動調節(jié)功率。

1.2.1.5 解析干燥 解析干燥階段因剩余水分吸附在蜂蛹細胞內的空隙中、小的毛細管中及以化學鍵與其它物質相結合的水分，在升華階段不能去除，只能通過提高溫度的方法來破壞其結合能，使之從蜂蛹中脫附出來，但這一過程的溫升也不易過快過高，如過高則會使蜂蛹品質下降。通過控溫自動調節(jié)功率，分別控制最高微波強度為 0.20、0.24、0.28、0.32W/g，設置最高溫度為30℃。

1.2.2 微波凍干過程蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的變化 新鮮蜂蛹在適宜微波強度作用下干燥，干燥過程最終產品水分控制在3%以下，測定解析干燥過程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性。采用鄰苯三酚自氧化法測定SOD活性，并根據(jù)考馬斯亮藍法測定蛋白濃度。具體步驟如下:稱取蜂蛹樣品，將樣品研磨成粉末，分別溶于50mL去離子水中，搖勻后靜置;待溶液靜置4h后，將其放于45℃水中進行熱水浴15min;將溶液在8400r/min，4℃下離心2次，取上清液冷藏備用;將上清液稀釋100倍后，取1mL樣液通過考馬斯亮藍法測定其吸光值OD，根據(jù)吸光值計算上清液中蛋白濃度;按照SOD試劑盒說明書中的步驟添加各種試劑并用可見分光光度儀測定SOD活性，得出吸光值OD;計算每克蜂蛹的SOD活性。

式中:總SOD活性:以25℃時抑制鄰苯三酚自氧化速率50%時所需的SOD量為一個活力單位U/mg prot;反應液總體積、取樣液體積:mL;組織液蛋白含量:mg prot/mL。

1.2.3 微波凍干蜂蛹產品菌落數(shù)測定 微生物檢測指標為菌落總數(shù)，采用平板計數(shù)法，參照GB 4789.2-2010食品安全國家標準方法測定菌落總數(shù)，實驗結果取3次實驗平均值。取一定量的真空冷凍干燥與微波真空冷凍干燥后樣品進行分析。

1.2.4 復水率測定 稱取干燥蜂蛹1g，精確稱量，分別在20℃的水中測定復水率，間隔10s測定一次，小心取出蜂蛹，用紙吸干表面水分，察看復水情況，確定測定次數(shù)。

F=(mt-m1)/mt

Ft=(mt-m1)/t

其中，F(xiàn):復水率(g/g);Ft:復水速率(g/s);mt:在時間t時，樣品復水后的質量(g);m1:樣品復水前的質量(g);t:復水時間(s)。

2 結果與分析

2.1 共晶點測定

當蜂蛹的溫度降到水分全部凍結，電阻不再變化，此時的溫度為蜂蛹的共晶點，由實驗結果可知，該溫度為-8.5℃。

圖2 共晶點測定曲線Fig.2 Curve of eutectic point

2.2 干燥曲線

由實驗結果可知，當微波強度分別設定在0.20、0.24、0.28、0.32W/g時，設定最高溫度 30℃，升華溫度-22℃，確定蜂蛹微波真空凍干時間的影響。由實驗結果可知，四組微波強度的凍干時間分別為650、540、420、330min，結果如圖3 所示。

圖3 微波強度對蜂蛹微波真空凍干時間的影響Fig.3 Influence of microwave intensities on Honeybee Pupae drying time

不同的微波強度凍干后所得產品的感官檢測結果如表1所示。

表1 微波凍干蜂蛹感官評價表Table 1 Table of sensory evaluation of dried Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

綜合各因素，優(yōu)化微波強度為0.28W/g，效率高，同時產品保持原物料的外觀形狀等性能優(yōu)異，因為物料在升華脫水前已經經過凍結處理，形成了穩(wěn)定的固體骨架，所以水分升華后，固體骨架基本保持不變，蜂蛹的形狀和干燥前一致，無干癟變形，將其切開后，呈海綿多孔狀，并保持原有奶白的色澤，口感鮮美，有香味，掃描電子顯微鏡表征如圖4所示。

圖4 微波凍干蜂蛹橫切面的電鏡微觀結構(×250)Fig.4 Diagram of the cross section microstructure of the dried Honeybee Pupae(×250)

2.3 微波凍干過程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力變化

陳蕾等［6］的研究表明，SOD酶活力最大時對應的溫度數(shù)值約在40℃，在適宜的溫度下酶的活力出現(xiàn)最大值，未達到該溫度前其活力隨溫度升高而加大，當超過該溫度時酶就很快失活。王紹林［4］研究表明，當微波能量比較小，還不足以使其產生鈍化，當水分活度減少到一定的值，也會導致食品中酶會失去活性。在設定微波強度為0.28W/g時，微波輻射蜂蛹入物料內部產生熱效應和其他非熱生物效應，酶活力與微波輻射時間、溫度、水分有關。微波真空冷凍干燥過程中蜂蛹SOD活性酶隨時間、溫度、水分的變化如圖5，當含水量小于4%時，SOD酶活力急劇下降，水分的變化趨緩。當干燥時間在420min時，蜂蛹水分含量為2.84%，SOD酶活力為36.9U/mg prot。蜂蛹水分含量在3%以下，能保存時間較長，蜂蛹在此條件下的SOD酶活力保留比較高，可以確定此時為干燥終點。

圖5 微波凍干過程中蜂蛹水分含量和SOD酶活力變化Fig.5 Water content and change of SOD activity of Honeybee Pupae during drying process

2.4 菌落總數(shù)

微波真空冷凍干燥過程同時具有殺菌功效。殺菌是微波的熱效應和生物效應的共同結果，這就使微波冷凍干燥技術可將干燥和殺菌結合起來。由實驗結果可知，干燥前微生物活菌數(shù)為3.8×104個，微波真空凍干后殘留的微生物活菌數(shù)為2800個左右，而真空凍干蜂蛹產品中微生物活菌數(shù)超過3.3×104個，如圖6所示，微波真空凍干工藝殺菌效果明顯。

圖6 不同干燥方法的蜂蛹菌落總數(shù)Fig.6 Total Honeybee Pupae colony forming units of different drying methods

2.5 復水性

微波冷凍干燥蜂蛹復水性測定結果為復水后的蜂蛹質量約為復水前的3倍，比真空冷凍干燥好，具有優(yōu)良的復水性和復原性，食用時能迅速吸水，實驗結果如圖7所示，凍干蜂蛹的復水率在1s時為1.9倍，隨著時間延長而有一定的增加，復水速率呈現(xiàn)降低趨勢。

圖7 微波真空凍干蜂蛹復水率、復水速率曲線Fig.7 Curves of rehydration and rehydration rate of Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

3 結論

3.1 真空冷凍干燥的能量消耗主要在制冷、真空、加熱系統(tǒng)，其中制冷、真空系統(tǒng)能耗約占80%，采用微波冷凍干燥蜂蛹工藝，具有干燥時間短的優(yōu)勢，與常規(guī)凍干相比干燥時間可縮短約65%。

3.2 經微波真空冷凍干燥，能很好地保持原物料的外觀形狀，無干癟變形，保持原有色澤;復水性測定結果表明:微波冷凍干燥蜂蛹在20℃，1s復水率可達1.9，復水速率快，1s復水可達2.9g/s，具有優(yōu)良的復水性。

3.3 微波冷凍干燥過程能夠良好保留生物活性物質活性，解析干燥過程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力呈現(xiàn)先略有增加后有所降低的趨勢，蜂蛹凍干至水分含量為2.84%時，SOD活性為36.9U/mg prot。微波真空凍干過程是一個真空低溫脫水過程，抑制了氧化變質和細菌繁殖，同時具有殺菌功效等優(yōu)點，使蜂蛹產品存活微生物菌落數(shù)顯著降低，這就使微波冷凍干燥過程將干燥和殺菌一體化。

［1］張海生，陳錦屏，武巧莉，等.蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的提取及理化性質研究［J］.食品科學，2007，28(10):192-195.

［2］Mujumdar A S.Handbook of industrial drying［M］.New York:Marcel Dekke，USA，1966.

［3］潘永康.現(xiàn)代干燥技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1998.

［4］王紹林.微波加熱技術在食品加工中應用［J］.食品科學，2000，21(2):6-9.

［5］徐振方，吳才章，郭順生.微波真空冷凍干燥中關鍵技術研究［J］.農業(yè)機械，2011，6(17):126-128.

［6］陳蕾，羅志剛，何小維，等.蜂蛹SOD 理化性質研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，3(6):65-68.