檸檬片的低溫凍結(jié)與真空冷凍干燥工藝研究

章斌，丁心，侯小楨，秦軼，鄧其海，高雪，楊小敏（.韓山師范學(xué)院生命科學(xué)與食品科技學(xué)院，廣東潮州504；.廣東中興綠豐發(fā)展有限公司，廣東河源57000）

檸檬片的低溫凍結(jié)與真空冷凍干燥工藝研究

章斌1，丁心2，侯小楨1，秦軼2，鄧其海2，高雪1，楊小敏1
（1.韓山師范學(xué)院生命科學(xué)與食品科技學(xué)院，廣東潮州521041；2.廣東中興綠豐發(fā)展有限公司，廣東河源517000）

摘要：考察預(yù)處理方式、凍結(jié)溫度（-40、-60、-100℃和液氮滴淋）等因素對檸檬片真空冷凍干燥的影響，并以產(chǎn)品復(fù)水率、色差L值、菌落總數(shù)、大腸菌群數(shù)為指標(biāo)，探討凍結(jié)方式對檸檬片貯藏過程中的品質(zhì)變化影響。試驗結(jié)果表明，檸檬的共晶點在-23℃～-25℃范圍內(nèi)，共熔點在-20℃～-22℃范圍內(nèi)；實驗條件下的最佳凍結(jié)溫度為-100℃，此時的真空干燥時間為11.2 h，貯藏3個月后的色差L值為78.65，且菌落總數(shù)低于180 cfu/g，大腸菌群低于3MPN/g，均達到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：檸檬片；預(yù)脫水；真空冷凍干燥；液氮；凍結(jié)速率

檸檬富含VC、礦物質(zhì)、揮發(fā)性精油、黃酮類、橙皮甙等組分，營養(yǎng)價值和藥用價值很高；隨著我國檸檬種植面積的不斷擴大和產(chǎn)量的逐漸增加，檸檬以商品鮮果銷售為主的同時，針對其滿足鮮銷或出口需要后的殘次果率高的現(xiàn)狀，檸檬果酒、檸檬果醋、檸檬濃縮汁、檸檬干片等產(chǎn)品的開發(fā)，以及檸檬精油、檸檬苦素等功能成分的提取與應(yīng)用已成為延長檸檬產(chǎn)業(yè)鏈的重要途徑之一[1-3]。

真空冷凍干燥（Vacuum Freeze Drying，以下簡稱“凍干”）是在較高真空度條件下，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分以冰晶體形式直接升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術(shù)；該技術(shù)能最大限度地保持原料的色、香、味和營養(yǎng)成分，在農(nóng)產(chǎn)品干燥加工中有廣闊的應(yīng)用前景。另一方面，受凍干技術(shù)操作費用較高、能耗大、干燥時間較長的特點所限，目前在食品工業(yè)中的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍受到一定限制。因此，對原料進行適當(dāng)?shù)念A(yù)脫水以去除部分游離水，并選用適宜的凍結(jié)溫度，使物料獲得良好的凍結(jié)品質(zhì)以及合適的冰晶體分布形式與大小，對降低凍結(jié)能耗和縮短升華干燥時間均有重要的現(xiàn)實意義。

廣東河源地區(qū)的尤力克檸檬種植面積現(xiàn)已超過3 600 hm2，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)對檸檬鮮銷后的深加工以凍干片生產(chǎn)和精油開發(fā)為主。從節(jié)能降耗的綠色加工角度出發(fā)，本實驗采用熱風(fēng)干燥進行鮮檸檬的預(yù)脫水處理后，探討凍結(jié)方式對檸檬片升華干燥和產(chǎn)品品質(zhì)的影響，旨在為檸檬干片的節(jié)能干燥加工提供一定實驗參考。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

檸檬：新鮮無機械損傷，廣東中興綠豐發(fā)展有限公司；檸檬酸、抗壞血酸：食用級，市售。

FD-1D-50型真空冷凍干燥機：北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；JZ-350型色彩色差計：深圳金準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；KQ-5200DB型超聲波清洗器：昆山超聲儀器有限公司；CS101-1A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：重慶銀河試驗儀器廠；BCD-257SL型冰箱：海爾集團；VC890C+型數(shù)字萬用表：深圳勝利高電子科技有限公司；AUW120型電子分析天平：日本島津公司。

1.2試驗方法

1.2.1工藝流程

檸檬鮮果→清洗→切片（4mm～6mm）→護色→瀝干→預(yù)脫水→凍結(jié)→真空冷凍干燥→成品→檢測

1.2.2凍結(jié)方式

分別將預(yù)脫水后的檸檬片進行常規(guī)凍結(jié)、低溫凍結(jié)和液氮超速凍結(jié)，并使其中心溫度降至共晶點5℃～10℃以下。

1.3真空干燥過程參數(shù)的確定

1.3.1冷阱溫度的確定

升華干燥過程，冷阱溫度越低，冷阱的捕水能力越強，一定程度上可縮短升華干燥時間；但過低的冷阱溫度對設(shè)備制冷要求高，導(dǎo)致機器成本及運轉(zhuǎn)費用高。因此，依據(jù)所測的檸檬共晶點和共融點溫度，從生產(chǎn)能耗和成本角度考慮，本實驗選擇冷阱溫度在-35℃左右，且待冷阱溫度降至設(shè)定值并保持3min～5min后再開啟真空泵抽真空。

1.3.2擱板溫度的確定

為防止升華干燥過程因加熱板溫度控制不當(dāng)而引起的產(chǎn)品冒泡、崩解等現(xiàn)象發(fā)生，須確保檸檬片升華界面溫度低于其共熔點。同時，為盡可能縮短解析干燥時間，在防止檸檬片干縮的前提下，應(yīng)盡量提高加熱板溫度。因此，本實驗確定升華干燥過程的擱板溫度為45℃，解析干燥過程的擱板溫度為55℃。

1.3.3干燥室壓力的確定

升華過程的干燥室壓力大小直接影響著傳熱和傳質(zhì)：壓力大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)增大，對流傳熱效果好，但不利于水蒸氣的逸出；反之，則有利于水蒸氣逸出，但傳熱受阻。因而通常把干燥室壓力控制在略低于最高升華溫度所對應(yīng)的飽和蒸氣壓力值的1/2[4]。本實驗確定升華干燥階段的干燥室壓力65Pa，解析干燥階段的干燥室壓力40 Pa。

1.4試驗指標(biāo)與測定方法

1.4.1共晶點與共熔點測定

共晶點與共熔點測定采用電阻法測定。

1.4.2含水量測定

含水量測定采用常壓干燥法。

1.4.3復(fù)水率測定

將檸檬凍干片充分吸水20min～30min，瀝干后稱重，按下式計算：1.4.4凍干終點確定

以“NY/T435-2000《綠色食品水果、蔬菜脆片》”標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的成品含水量≤5.0%為凍干終點。

1.4.5色差L值測定

采用JZ-350型色彩色差計測定。

1.4.6微生物指標(biāo)測定

菌落總數(shù)與大腸菌群測定分別按GB 4789.2-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗菌落總數(shù)測定》、GB 4789.3-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)》進行。

2　結(jié)果與分析

2.1檸檬的共晶點與共熔點

共晶點溫度是物料在凍結(jié)過程中，其內(nèi)部水分全部變?yōu)楸鶗r的溫度；共熔點溫度是完全凍結(jié)的物料在升溫過程中，開始出現(xiàn)液態(tài)時的溫度。為防止物料在真空干燥的升華階段和解析階段出現(xiàn)冒泡、崩解等情況，在設(shè)定好適宜的加熱板溫度的同時，依據(jù)共晶點溫度和共熔點溫度進行物料凍結(jié)是實現(xiàn)低冷凍能耗、高干燥品質(zhì)的有效途徑。

由圖1知：檸檬的共晶點在-23℃～-25℃范圍內(nèi)，共熔點在-20℃～-22℃范圍內(nèi)。

2.2凍結(jié)方式對檸檬片干燥及產(chǎn)品品質(zhì)的影響

2.2.1不同凍結(jié)方式下的凍干曲線

凍干曲線是表示凍干過程中產(chǎn)品的溫度、壓力隨時間變化的關(guān)系曲線，建立合適的凍干曲線對產(chǎn)品品

圖1　檸檬共晶點和共溶點測定結(jié)果Fig.1Determ ination results ofeutectic point andm elting point of lemon

質(zhì)和生產(chǎn)過程的節(jié)能減排均有重要的指導(dǎo)意義。經(jīng)不同凍結(jié)方式處理的檸檬片凍干曲線分別如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2　-40℃凍結(jié)處理的凍干曲線Fig.2　Freeze drying curveof lemon sliceby freezing treated at-40℃

圖3　-60℃凍結(jié)處理的凍干曲線Fig.3　Freezedrying curveof lemon sliceby freezing treated at-60℃

圖5　液氮滴淋凍結(jié)處理的凍干曲線Fig.5　Freezedrying curveof lemon sliceby liquid nitrogen treatm ent

凍結(jié)速率的快慢對物料內(nèi)部所產(chǎn)生的冰晶體數(shù)量和體積有直接影響，由此可對后續(xù)真空干燥的傳質(zhì)與傳熱產(chǎn)生一定影響，進而影響總干燥時間：慢速凍結(jié)產(chǎn)生的冰晶數(shù)量少，但體積大，由此形成的升華通道相應(yīng)也較大；反之，快速凍結(jié)產(chǎn)生的冰晶數(shù)量多且體積較小，即形成的升華通道孔徑較小。Chokri[5]真空冷凍干燥草莓片的研究結(jié)果表明：凍結(jié)速率對凍干品的品質(zhì)和凍干總時間都沒太大影響。姚智華[6]對比了經(jīng)速凍和緩凍處理后的紅富士真空冷凍干燥總時長，其實驗結(jié)果表明兩種凍結(jié)方式下的凍干總時間均為11 h左右，也說明凍結(jié)方式對凍干總時間影響不大。周國燕[7]發(fā)現(xiàn)經(jīng)-20℃/h降溫速率處理的獼猴桃在真空干燥過程的干燥速率略大于經(jīng)-83℃/h降溫速率處理的樣品，但也沒有顯著差異。

圖2、圖3、圖4和圖5顯示分別經(jīng)-40、-60、-100℃和液氮滴淋凍結(jié)處理后的檸檬片真空干燥總時間分別為12.4、11.8、11.2、13.9 h，表明不同凍結(jié)速率對真空干燥總時長有一定影響但不太顯著；這與上述幾位研究人員的研究結(jié)果相一致。同時，本實驗條件下的最短干燥時間處理方式為-100℃凍結(jié)，說明此溫度下凍結(jié)的檸檬片內(nèi)部產(chǎn)生的冰晶體數(shù)量、大小與分布形式相對均勻，能形成較好的冰晶升華通道，利于真空干燥的傳熱順利進行。

盡管凍結(jié)速率對真空干燥時間的影響不大，但生產(chǎn)實踐中若能把凍結(jié)溫度控制在適宜范圍（如本實驗中的-100℃左右），在保證凍結(jié)品質(zhì)的前提下，讓物料內(nèi)部的游離水分快速通過最大冰晶生成帶并使冰晶尺寸盡可能大，控制凍結(jié)過程中凍結(jié)界面的推進速度和溫度梯度，則可提高干燥速率，縮短凍干時間。另一方面，解析干燥過程主要是去除物料中的吸附水，在保證產(chǎn)品不發(fā)生崩解的條件下，為縮短干燥時間，應(yīng)盡可能提高加熱板溫度，并使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸氣壓差。相關(guān)研究表明[8]：采用循環(huán)交替改變干燥倉壓力有利于縮短凍干時間。

2.2.2不同凍結(jié)方式下的成品品質(zhì)比較

凍結(jié)作為真空干燥的前道工序，對物料內(nèi)部冰晶體形成的速率、大小與分布形式，直至細胞結(jié)構(gòu)的破壞與否影響很大；對真空干燥過程和產(chǎn)品品質(zhì)同樣也有顯著的影響：如蛋白質(zhì)變性、脂肪氧化、維生素損失、色澤變化以及質(zhì)地（如嫩度）、風(fēng)味和含水量的變化等[9-10]。不同凍結(jié)溫度處理后的檸檬片經(jīng)真空干燥后的成品品質(zhì)如表1所示。

表1　凍結(jié)方式對成品品質(zhì)的影響比較Table1　Com parison of productquality on different freezing methods

表1表明：過高或過低凍結(jié)溫度處理的檸檬干片的復(fù)水情況相對較差，實驗中以-100℃凍結(jié)處理的復(fù)水率為最佳，說明此溫度條件對檸檬組織細胞造成的機械損傷小，能較好地保持凍結(jié)制品的內(nèi)部完整性。色差測定結(jié)果表明隨貯藏時間的延長，產(chǎn)品色澤會逐漸加深，這主要是由于檸檬所含的VC在貯藏期間氧化后形成的酮化合物可與氨化合物結(jié)合發(fā)生非酶褐變所致。同時，從實驗結(jié)果也可看出凍結(jié)過程的溫度越低，越利于產(chǎn)品貯藏期間的色澤保持，尤其是經(jīng)液氮滴淋處理后的檸檬片呈現(xiàn)明顯的蒼白色。

2.3產(chǎn)品微生物檢驗

對鋁箔包裝3個月后的檸檬凍干片進行微生物指標(biāo)檢測，測定結(jié)果如表2所示。

表2　成品微生物檢測Table2　M icroorganism detection of products

從表2可看出：經(jīng)不同凍結(jié)速率處理后的檸檬干片在實驗貯藏期內(nèi)的菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)均達到NY/T 435-2012《綠色食品水果、蔬菜脆片》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且速凍更能有效抑制微生物的生長繁殖。

3　結(jié)論

1）測得檸檬的共晶點在-23℃～-25℃范圍，共熔點在-20℃～-22℃范圍；據(jù)此可將檸檬凍結(jié)至-35℃左右再進行真空干燥加工。

2）綜合真空干燥總時間、成品品質(zhì)和貯藏期的微生物變化情況，可考慮選取-100℃為檸檬較佳的凍結(jié)溫度。

3）本試驗在升華干燥階段的擱板溫度為45℃、真空度65Pa，解析干燥階段的擱板溫度為55℃、真空度40 Pa條件下，-40、-60、-100℃和液氮滴淋凍結(jié)處理后的檸檬片真空干燥總時間分別為12.4、11.8、11.2、13.9 h，差異不太顯著。本研究僅在這一特定條件下開展了凍結(jié)溫度對檸檬片真空干燥其及產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為摸索更適于工業(yè)化生產(chǎn)的檸檬片凍干曲線需做進一步研究。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.022

收稿日期：2015-06-04

基金項目：廣東省科技計劃項目（2013B020503068）；廣東省科技計劃項目（2012A020603008）；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（2012B0 91000074）；廣東普通高校工程技術(shù)開發(fā)中心項目“粵東食品加工與安全控制工程技術(shù)開發(fā)中心”（GCZX-A1415）

作者簡介：章斌（1981—），男(漢)，講師，碩士，從事食品加工與質(zhì)量安全的研究與教學(xué)工作。

Research on the Processing Technology of Freezing and Vacuum Drying of Lem on Slices

ZHANGBin1，DINGXin2，HOUXiao-zhen1，QINYi2，DENGQi-hai2，GAOXue1，YANGXiao-min1
（1.Collegeof Biotechnologyand Food&Science Technology，Hanshan NormalCollege，Chaozhou 521041，Guangdong，China；2.Guangdong Zhongxing Lvfeng DevelopmentCo.，Ltd.，Heyuan 517000，Guangdong，China）

Abstract：Influence of pretreatmentmethod，freezing temperature（-40，-60，-100℃and liquid nitrogen dripping）on the vacuum freeze drying of lemon slices，aswell as taking comp lex water rate，color difference L value，total number of bacteria coloniesand Escherichia coligroup as index，effectsof freezingmethod on the quality of lemon slices during storage were explored in this paper.Results showed that co-melting point and eutectic pointof lemonwere-23℃--25℃，-20℃--22℃respectively.The optimal freezing temperaturewas -100℃underexperimentalconditions，and vacuum drying time 11.2 h，color difference Lvalue78.65，aswell as total number bacteria coloniesand Escherichia coligroup of productwas lower than 180 cfu/g and 3MPN/g respectivelyafter3monthsstorage time，which reached relevantstandards.

Keywords：lemon slices；predewatering；vacuum freeze drying；liquid nitrogen；freezing rate