高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)蘋果崩塌溫度的影響

吳亞麗

（太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西太原030024）

高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)蘋果崩塌溫度的影響

吳亞麗

（太原理工大學(xué)力學(xué)學(xué)院，山西太原030024）

以蘋果為研究對(duì)象，進(jìn)行真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)并與高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的樣品進(jìn)行分析對(duì)比，研究電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)蘋果微觀結(jié)構(gòu)及崩塌溫度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)加熱板溫度設(shè)定為70℃時(shí)，未處理的蘋果樣品出現(xiàn)了較為明顯的塌陷以及斷裂現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的樣品，在縮短了干燥時(shí)間、降低了能耗及物料的最終含水率的同時(shí)，樣品的骨架結(jié)構(gòu)保存完整，沒(méi)有出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理可以提高果蔬的臨界崩塌溫度約20℃，并使物料的最終含水率達(dá)到1.20%，而未經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理樣品的最終含水率為7.84%。本文對(duì)解決干燥過(guò)程中崩塌現(xiàn)象的產(chǎn)生有重要意義。

蘋果，高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理，干燥實(shí)驗(yàn)，崩塌溫度，微觀結(jié)構(gòu)

目前，真空冷凍干燥在生產(chǎn)實(shí)際中引起干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗大的主要原因之一是樣品在干燥過(guò)程中容易出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，即干燥過(guò)程中由于樣品的溫度過(guò)高而引起的塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致干燥層的多孔結(jié)構(gòu)喪失、殘余水分增多、復(fù)水時(shí)間延長(zhǎng)，影響樣品的品質(zhì)。為達(dá)到較快的干燥速度，樣品溫度要求盡可能高，但必須低于共熔點(diǎn)溫度或崩塌溫度，以防止樣品熔化、變性或崩塌。干燥過(guò)程中樣品溫度每升高1℃，升華干燥時(shí)間將縮短13%，干燥速率可以提高11%［1］，然而物料的崩塌溫度限制了冰界面溫度的提高。因此，升華干燥過(guò)程中應(yīng)重視崩塌溫度的控制。塌陷發(fā)生在升華界面和多孔層中［2］。Antonello［3］通過(guò)掃描電鏡，觀察到蛋糕的干燥溫度接近崩塌溫度時(shí)，蛋糕出現(xiàn)了崩塌現(xiàn)象。Venir等［4］研究了冷凍干燥對(duì)蘋果汁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明無(wú)水樣品的崩塌溫度為（28±2）℃。Shishehgarha等［5］認(rèn)為當(dāng)解析溫度超過(guò)50℃時(shí)，將加大凍干過(guò)程體積塌陷的程度。Kochs［6］研究指出蘋果的崩塌溫度為55℃。左建國(guó)等［7］用不同濃度的糖液進(jìn)行冷凍干燥，結(jié)果表明添加高分子材料，由于提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的崩塌溫度。

一般，崩塌溫度取決于材料本身的物性和保護(hù)劑的種類，即在干燥前對(duì)果蔬進(jìn)行預(yù)處理，軟化果蔬細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，改善細(xì)胞的通透性，可節(jié)省干燥能耗和時(shí)間，降低成本。而高壓脈沖電場(chǎng)作為一種非熱加工技術(shù)，作用于果蔬細(xì)胞可以改變細(xì)胞的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以提高產(chǎn)品的崩塌溫度［8］。因此，本文分析了高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)蘋果崩塌溫度的影響，以期為高壓脈沖電場(chǎng)工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

富士蘋果 產(chǎn)地為山西太谷；高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器 美國(guó)BTX公司生產(chǎn)，其脈沖寬度、重復(fù)頻率和脈沖的電壓幅度均可調(diào)節(jié)，脈沖波形為單極矩形波，電極處理室為方形不銹鋼平板，間距可調(diào)；JDG-0.2型真空冷凍干燥機(jī) 中國(guó)科學(xué)院蘭州近代物理所研制；JSM-6490LV掃描電鏡 日本JEOL公司。

1.2 樣品處理方法

取表皮無(wú)損傷的新鮮富士蘋果，洗凈去皮，切成厚度為10mm×17mm×17mm的方塊，進(jìn)行高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理。高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的主要參數(shù)有脈沖強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)。根據(jù)前期優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取脈沖強(qiáng)度1000V/cm，脈沖寬度120μs，脈沖個(gè)數(shù)30個(gè)［9］。處理后放入冰箱預(yù)凍，溫度設(shè)定為-30℃，12h后進(jìn)行真空冷凍干燥。

未處理樣品升華階段加熱板溫度設(shè)定為50、60、70℃，凍干室壓力為40Pa；解析階段加熱板溫度為90℃，凍干室壓力為30Pa［9-10］。預(yù)實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)加熱板溫度大于70℃時(shí)，部分預(yù)處理樣品出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，因此預(yù)處理樣品升華階段加熱板溫度設(shè)定為70℃，凍干室壓力為40Pa；解析階段加熱板溫度為90℃，凍干室壓力為30Pa。解析階段當(dāng)樣品的含水率不再發(fā)生變化時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

選取干燥時(shí)間、最終含水率及單位能耗為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。其中干燥時(shí)間為升華階段開(kāi)始到整個(gè)干燥過(guò)程結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間；最終含水率是干燥結(jié)束后，在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)得到；單位能耗=功率/初始質(zhì)量。

干燥結(jié)束后取樣品放在液氮中冷凍、斷裂、鍍膜，并利用JSM-6490LV掃描電鏡觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 未處理組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

真空冷凍干燥過(guò)程的三個(gè)主要參數(shù)是物料厚度、加熱板溫度和凍干室壓力，其中影響果蔬干燥效果最主要的因素是物料的厚度，其次是加熱板溫度和凍干室壓力。研究表明果蔬的厚度應(yīng)控制在10mm以內(nèi)［10］，這樣有助于提高果蔬的干燥速率，降低干燥能耗，因此在進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇物料的厚度為10mm。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)升華階段的凍干室壓力低于40Pa時(shí)，物料出現(xiàn)了溶化、發(fā)泡等現(xiàn)象，因此設(shè)定凍干室壓力的范圍為40Pa。加熱板溫度依次設(shè)定為50、60、70℃，分別進(jìn)行真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)。未處理蘋果樣品的變化情況如圖1所示。

圖1a是加熱板溫度為50℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，可以看出樣品有輕微的塌陷現(xiàn)象，但不影響產(chǎn)品的外觀和質(zhì)量。在這種干燥條件下，干燥的時(shí)間較長(zhǎng)，大于10h（見(jiàn)表1），耗電量大，相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)率過(guò)低。圖1b是在加熱板溫度為60℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，此時(shí)樣品有輕微的塌陷和斷裂現(xiàn)象，影響了干燥的效果，而且由于出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，造成干燥時(shí)間較長(zhǎng)（9.47h），能耗較大（409.03kJ·g-1）。圖1c和圖1d是加熱板溫度為70℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，干燥時(shí)間為8.30h，能耗為383.66k J·g-1，最終含水率為7.84%，此時(shí)樣品出現(xiàn)了較為明顯的塌陷和斷裂現(xiàn)象。

由于真空冷凍干燥是由表及里的干燥方式，對(duì)于物料整體而言，物料表層首先干燥，因物料外層首先干燥而形成的硬殼板阻礙了內(nèi)部水分繼續(xù)向外遷移，使內(nèi)部水分?jǐn)U散的速度低于溫度遞增的速度，因此出現(xiàn)了崩塌現(xiàn)象。內(nèi)部細(xì)胞塌陷，阻礙了水分子的繼續(xù)擴(kuò)散，使物料原有的結(jié)構(gòu)坍塌，樣品表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，樣品（圖1c）向內(nèi)凹陷了3mm左右。在熱應(yīng)力的作用下，部分細(xì)胞的細(xì)胞壁與相鄰細(xì)胞的細(xì)胞壁分離，出現(xiàn)了應(yīng)力裂紋。這主要是由于樣品在干燥初期物料含水率較高而且均勻一致，組織較松軟時(shí)，物料的內(nèi)層和外層可同時(shí)收縮和膨脹，干燥應(yīng)力小。當(dāng)干燥達(dá)到一定水分含量時(shí)，物料外層部分已干，比較堅(jiān)硬，膨脹和收縮量大大減少，物料中心部分則含水率較高，隨著干燥的進(jìn)行物料繼續(xù)收縮，造成內(nèi)外的膨脹和收縮量不一致，干燥應(yīng)力無(wú)法消除，當(dāng)達(dá)到一定極限時(shí)，產(chǎn)生了應(yīng)力裂紋。隨著溫度的升高，樣品（圖1d）出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。通過(guò)表1可以看出加熱板溫度設(shè)定越高，可在一定程度上降低能耗，縮短干燥時(shí)間。但過(guò)高的加熱溫度除了對(duì)樣品外觀的影響之外，還有一個(gè)重要影響就是樣品的最終含水率，由于樣品外表出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，原先蒸汽擴(kuò)散的通道被封閉，使樣品內(nèi)部的水散發(fā)不出來(lái)，最終留在樣品內(nèi)部，不利于貯藏，而且復(fù)水性差。因此，需要尋求一種預(yù)處理方法，既能保證物料的品質(zhì)又能降低干燥能耗，縮短干燥時(shí)間。

2.2 處理組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)預(yù)處理后的蘋果樣品沒(méi)有出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，如圖2所示。樣品的骨架結(jié)構(gòu)保存完整，復(fù)水性能好，而且干燥時(shí)間大大縮短，耗電量降低，生產(chǎn)率提高。

圖2 高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理蘋果的干燥樣品Fig.2 Drying of apples pretreated by pulsed electric field

當(dāng)電場(chǎng)參數(shù)為1000V/cm，120μs，30個(gè)時(shí)，干燥時(shí)間為6.20h，能耗為329.05k J·g-1，最終含水率為1.20%。與同溫度條件下未處理的樣品相比，干燥時(shí)間縮短了25.30%，能耗降低了14.23%，最終含水率由7.84%降低為1.20%。因此經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后可以縮短干燥時(shí)間，降低能耗，達(dá)到干燥徹底的效果。當(dāng)升華階段加熱板溫度大于70℃，經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的樣品部分出現(xiàn)了輕微塌陷的現(xiàn)象，因此認(rèn)為經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的樣品，升華階段加熱板溫度設(shè)定為70℃為宜。

表1 不同加熱板溫度對(duì)蘋果的影響Table 1 Effect of different drying temperature on apple tissue

2.3 不同干燥條件下蘋果的電鏡（SEM）圖

對(duì)于不同干燥條件對(duì)蘋果微觀結(jié)構(gòu)的影響如圖3所示，通過(guò)圖3a未處理樣品的電鏡圖可以看出，細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變形與收縮，細(xì)胞塌陷現(xiàn)象較明顯，細(xì)胞輪廓不清晰，細(xì)胞間隙縮小且不規(guī)則。由于真空冷凍干燥的熱傳導(dǎo)加熱方式使干燥時(shí)樣品表面同時(shí)存在著氣—液兩種不同相態(tài)的水，形成了較大的表面張力。長(zhǎng)時(shí)間的真空冷凍干燥使得細(xì)胞間結(jié)合非常緊密，細(xì)胞因失水發(fā)生團(tuán)聚、聚合等變化，使細(xì)胞的間隙大多封閉起來(lái)，導(dǎo)致細(xì)胞與細(xì)胞間幾乎粘合在一起，同時(shí)也有塌陷、皺縮及斷裂現(xiàn)象發(fā)生。進(jìn)行干燥時(shí)，蘋果組織結(jié)構(gòu)塌陷主要是由于干燥溫度過(guò)高，使細(xì)胞內(nèi)的水分和糖分快速蒸發(fā)，水分損失和固形物增量越多，細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)塌陷越嚴(yán)重。物料溫度的不斷升高加劇了細(xì)胞膜的破裂和細(xì)胞壁的破壞，導(dǎo)致了細(xì)胞壁的折疊和組織結(jié)構(gòu)的坍塌，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)基本消失［11-12］。圖3b中經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理后樣品，細(xì)胞膜的通透性提高，細(xì)胞的間隙增大，在較高的溫度和壓力下，細(xì)胞膨脹為孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，有利于物料中水分的擴(kuò)散，同時(shí)可以有效改善細(xì)胞的傳質(zhì)方式和速度。

因此，未處理的蘋果樣品，加熱板溫度設(shè)定為50℃以上，樣品出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，加熱板溫度設(shè)定為70℃以上時(shí)，樣品出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理使蘋果樣品的崩塌溫度提高了20℃左右。沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的蘋果崩塌溫度為55℃［6］，所以，經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后蘋果的崩塌溫度為75℃。在干燥過(guò)程中，升華階段設(shè)定的加熱板溫度應(yīng)該控制在果蔬的崩塌溫度以下，這樣才能在不破壞果蔬組織保證其品質(zhì)的同時(shí)，提高果蔬的干燥速率。解析階段果蔬中不存在凍結(jié)水，加熱板溫度在最高允許溫度80～90℃下盡可能的高，從而供給果蔬中殘留的吸附水更大的能量使其從物料中解析出來(lái)，可降低果蔬的最終水分5%～6%。

圖3 加熱溫度70℃時(shí)蘋果樣品的電鏡圖（×100）Fig.3 SEM of apples at temperature of 70℃（×100）

3 結(jié)論

采用不同的加熱板溫度對(duì)蘋果進(jìn)行真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合干燥后蘋果的SEM圖進(jìn)行分析，結(jié)果表明：當(dāng)加熱板溫度設(shè)定為70℃時(shí)，蘋果樣品出現(xiàn)了明顯的塌陷及斷裂現(xiàn)象。而經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的樣品，在縮短了干燥時(shí)間、降低了能耗及物料的最終含水率的同時(shí)，樣品的骨架結(jié)構(gòu)保存完整，沒(méi)有出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，因此認(rèn)為升華階段加熱板的溫度設(shè)定為70℃為宜。

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理可以提高果蔬的臨界崩塌溫度20℃左右。對(duì)蘋果而言，經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后蘋果的崩塌溫度為75℃。所以在干燥過(guò)程中，升華階段設(shè)定的加熱板溫度應(yīng)該控制在果蔬的崩塌溫度以下，這樣才能在不破壞果蔬組織保證其品質(zhì)的同時(shí)，提高果蔬的干燥速率。

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Study on the effect of pulsed electric field pretreatment on collapse temperature of apple tissue

WU Ya-li
（College of Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To study the effects of pulsed electric field on collapse temperature and microstructure of apples，thedrying experiments of apple were carried out with different drying temperature. The results showed that whenthe drying temperature at 70℃，the untreated samples had obviously collapse，shrinkage and fracture，however，the treated samples had integrity structure. Meanwhile，the drying time was decreased，the specific energyconsumption was reduced and complete drying of apples could be achieved after pulse electric field pretreated.Finally，after pulsed electric field pretreated，the collapse temperature of fruits and vegetables was increasedabout 20℃ ，and the moisture content after drying was 1.20％ ，however，the moisture content of untreatedsamples was 7.84％. The result was important to solve the collapse phenomena in the drying process.

apple；pulsed electric field pretreatment；drying experiment；collapse temperature；microstructures

TS255.1

A

1002-0306（2015）08-0138-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.019

2014－06－17

吳亞麗（1984－），女，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工、生物力學(xué)。

太原理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（tyutrc-201244a）。