野生蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)品特性研究

陳雪珍，毛杰

（福建閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建南平353000）

野生蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)品特性研究

陳雪珍，毛杰

（福建閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建南平353000）

通過(guò)建立蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)凍干蕨菜進(jìn)行真空冷凍干燥其動(dòng)力學(xué)特性的研究，并從感官外觀、水分含量和活度、復(fù)水特性以及主要營(yíng)養(yǎng)成分保存情況等不同方面進(jìn)行量化指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)凍干蕨菜和熱風(fēng)干蕨菜進(jìn)行比較全面的對(duì)比。結(jié)果表明：冷凍溫度、真空度和裝料量3種因素對(duì)蕨菜干燥效果都有不同程度的影響；驗(yàn)證方程的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值基本吻合；凍干蕨菜較熱風(fēng)干蕨菜更接近新鮮蕨菜物理特性，風(fēng)味更為濃郁，主要營(yíng)養(yǎng)成分保存更加完整。

蕨菜；真空冷凍；干燥；動(dòng)力學(xué)

蕨菜（Pteridium aquilinum var．Latiusculum），又被稱為拳頭菜、吉祥菜、龍爪菜等，屬鳳尾蕨科的草本植物，是一種比較常見的山野菜，在福建閩北山區(qū)中的產(chǎn)量極為豐富。因口感爽滑、脆嫩，易于烹飪深受廣大百姓喜歡。蕨菜生長(zhǎng)采收的季節(jié)性相當(dāng)強(qiáng)，故在采收、貯存和加工的過(guò)程中易發(fā)生褐變現(xiàn)象，失去原有的鮮綠色澤，易老化變質(zhì)，而且由于新鮮的蕨菜具有一些難以替代的特性，比如含水量比較高、野生菜的鮮味比較重，因此在制作成罐頭產(chǎn)品或者干制品時(shí)，雖然能夠保持一定的原始風(fēng)味，但是其新鮮的特點(diǎn)特征仍然難以較好地保持。

蕨菜的干燥處理方式有多種，與熱風(fēng)干燥蕨菜相比，通過(guò)真空冷凍干燥后的蕨菜，在外觀比如色澤以及口感脆度等方面都保存得比較好，而且具有更加優(yōu)越的指標(biāo)成分[1]。另外，干燥動(dòng)力學(xué)研究主要是對(duì)薄層干燥曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，即20 mm以下的物料層表面完全暴露在相同環(huán)境下進(jìn)行干燥，通過(guò)建立蕨菜的真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型，全面了解掌握蕨菜干燥過(guò)程。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)原料

野生新鮮蕨菜：南平農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，通過(guò)醋酸鋅濃度30 mg/100 g、pH 6.5、護(hù)色時(shí)間20 min護(hù)色處理后進(jìn)行真空冷凍干燥。

1.1.2 主要儀器

DH-S20-3紅外水分測(cè)定儀：南京誠(chéng)意試驗(yàn)設(shè)備有限公司；BPG-9000鼓風(fēng)干燥箱：上海精密儀器有限公司；ZD-F15真空冷凍干燥機(jī)：北京太陽(yáng)自動(dòng)化設(shè)備有限公司；WT10002N電子天平：哈爾濱天平儀器有限公司；HD-4型水分活度測(cè)量?jī)x：金華市卓爾儀表有限公司；HGP-7500S型光譜儀：武漢市誠(chéng)光分析儀器有限責(zé)任公司；A300氨基酸分析儀：日本克里默公司；756MC紫外光/可見分光光度計(jì)：南京科技儀器有限公司。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型的確定

描述果蔬干燥過(guò)程的模型主要包括3類，即Page方程模型、指數(shù)模型和單項(xiàng)擴(kuò)散模型[2]。（1）Page方程模型方程為 MR=e-rtN；（2）指數(shù)模型方程為 MR=e-rt；（3）單項(xiàng)擴(kuò)散模型方程為MR=Ae-rt。式中：t為干燥時(shí)間，min；A、r、N為待定的系數(shù)。根據(jù)蕨菜真空冷凍干燥需要，本章采用的是兩個(gè)模型，即采用Page模型和單項(xiàng)擴(kuò)散模型來(lái)模擬干燥過(guò)程[1]。另外，為了提升數(shù)據(jù)分析和處理結(jié)果，鑒于原模型方程較為復(fù)雜，進(jìn)而綜合考量，將式（1）和（3）的模型經(jīng)過(guò)取對(duì)數(shù)后得到新的方程（4），即：Page模型方程式 ln（-lnMR）=Nlnt+lnr和方程（5）單項(xiàng)擴(kuò)散模型方程為 ln（MR）=lnAe-rt。

1.2.2 干燥速率的測(cè)定[3]

干燥速率 η=△m/△t。

式中：△m代表相鄰兩次時(shí)間的失水量，g；△t為相鄰兩次的時(shí)間間隔長(zhǎng)度，min。

1.2.3 含水量（濕基含水量）的測(cè)定[3]

采用紅外水分測(cè)定儀測(cè)定新鮮蕨菜、熱風(fēng)干蕨菜和凍干蕨菜3個(gè)對(duì)象的水分含量。

干基水分含量/%=濕物料中的水分質(zhì)量/濕物料絕干物料的質(zhì)量×100

1.2.4 干燥率

干燥率/%=成品質(zhì)量/原料質(zhì)量=（100-M）/（100-m）×100

式中：M為干菜的含水量，%；m為新鮮蕨菜的含水量，%。

干燥速率曲線是指蕨菜在干燥過(guò)程中，某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的絕對(duì)水分（W絕）與干燥速率（dW絕/dt）兩個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，即dW絕/dt=f（W絕）。

1.2.5 水分活度的測(cè)定[4]

采用HD-4型水分活度測(cè)量?jī)x直接檢測(cè)得出指標(biāo)。

1.2.6 復(fù)水率的測(cè)定[4]

采用復(fù)水比（R復(fù)）來(lái)代表干菜的復(fù)水程度。稱取一定質(zhì)量的蕨菜樣品，加一定量的水經(jīng)過(guò)浸泡，直至吸滿水后恒重為止。

R復(fù)=G復(fù)/G干。式中：G復(fù)為干菜復(fù)水后的最大質(zhì)量，g；G干為干菜的試樣重，g。

1.2.7 部分營(yíng)養(yǎng)素測(cè)定

通過(guò)2，6-二氯靛酚鈉法測(cè)定維生素C含量[5]；采用分光光度法分別測(cè)定胡蘿卜素和維生素E的含量[5]。

1.2.8 無(wú)機(jī)元素含量的測(cè)定

通過(guò)HGP-7500S型光譜儀對(duì)冷凍干燥蕨菜的無(wú)機(jī)元素含量進(jìn)行直接測(cè)定。

1.2.9 氨基酸含量的測(cè)定

通過(guò)A300氨基酸分析儀直接測(cè)定冷凍干燥蕨菜的氨基酸含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

先設(shè)定幾個(gè)固定指標(biāo)，即設(shè)置裝料量為8.5 kg/m2和真空度為0.08 MPa，然后分別在-20、-25、-30℃3個(gè)不同條件下進(jìn)行真空冷凍干燥；再重新固定幾個(gè)指標(biāo)，即：分別設(shè)定真空度為0.08 MPa和冷凍溫度-25℃，然后分別在8.0、8.5、9.0 kg/m2的裝料量條件下進(jìn)行真空冷凍干燥；再重新固定幾個(gè)指標(biāo)，即：分別設(shè)定冷凍溫度為-25℃和裝料量為8.5 kg/m2，分別在真空度為0.06、0.07、0.08 MPa 3個(gè)不同條件下進(jìn)行真空冷凍干燥。

測(cè)定過(guò)程中，總干燥時(shí)間為200 min，期間將每個(gè)試驗(yàn)按相同條件重復(fù)3次，隔1 min記錄一次樣品的質(zhì)量，最后取結(jié)果的平均值。然后根據(jù)數(shù)據(jù)情況，分別繪制不同條件下的t—-lnMR和lnt—ln（-lnMR）干燥速率曲線。

1.3.2 蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證確定的動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確與否，因此在真空度為0.06 MPa，冷凍溫度為-20℃，裝料量為8.0 kg/m2條件下再次進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，將試驗(yàn)得到的水分比與時(shí)間的關(guān)系曲線再次同動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)的曲線進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論。

1.3.3 含水量與水分活度比較

稱取3份材料，均為16.21 kg的鮮蕨菜，將其中的兩份分別制成真空冷凍干燥蕨菜和熱風(fēng)干燥蕨菜（120℃熱風(fēng)干燥1 h），然后測(cè)定3份蕨菜的含水量和水分活度值并進(jìn)行比較。

1.3.4 復(fù)水率比較

分別將蕨菜凍干制品和熱風(fēng)干制品進(jìn)行常溫浸泡，然后分別加熱煮沸，煮沸時(shí)間為10 min，將水瀝干后分別稱重，再測(cè)定復(fù)水率。另外，計(jì)算確定兩份材料的干燥率。

1.3.5 主要營(yíng)養(yǎng)成分含量比較

根據(jù)維生素C、胡蘿卜素、維生素E、無(wú)機(jī)素和氨基酸含量的測(cè)定方法，分別測(cè)定鮮蕨菜、真空冷凍干燥蕨菜和熱風(fēng)干蕨菜3個(gè)品類的上述指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型建立

如圖 1、2、3、4、5、6 所示，它們分別代表在不同的冷凍溫度、不同的真空度以及不同的裝料量的試驗(yàn)條件下，測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，據(jù)此繪制了不同的t—-lnMR和 lnt—ln（-lnMR）曲線。

圖1 不同冷凍溫度下的-ln（MR）與t之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between-ln（MR）and t at different freezing temperature

圖2 不同冷凍溫度下的ln（-lnMR）與lnt之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different freezing temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以看到冷凍溫度、真空度和裝料量都是蕨菜真空冷凍干燥的重要影響因素，雖然影響程度不同，但是-lnMR與t呈現(xiàn)出了非線性關(guān)系，而ln（-lnMR）與lnt之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。因此，綜合來(lái)看，蕨菜真空冷凍干燥的動(dòng)力學(xué)模型基本滿足ln（-ln－MR）=lnr+Nlnt方程。

圖3 不同真空度值下的-ln（MR）與t之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between-ln（MR）and t at different vacuum level

圖4 不同真空度下的ln（-lnMR）與lnt之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different vacuum level

圖5 不同裝料量下的-ln（MR）與t之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between-ln（MR）and t at different loadage

圖6 不同裝料量下的ln（-lnMR）與lnt之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different loadage

式中：P 為真空度，MPa；V 為冷凍溫度，℃；I為裝料量，kg/m2；a、b、c、d、e、f、g、h 等為待定系數(shù)。

現(xiàn)在，分別將式（6）、（7）帶入式（5）中，則得到式（8）如下：

根據(jù)上述試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，采用SAS9.3軟件，通過(guò)多元線性回歸計(jì)算，可以得到 a、b、c、d、e、f、g、h 等待定系數(shù)值。表1即為蕨菜真空冷凍干燥的動(dòng)力學(xué)模型。

表1 蕨菜凍干動(dòng)力學(xué)模型Table 1 The kinetic models of vacuum freeze drying fiddlehead

計(jì)算結(jié)果如表1所示，F(xiàn)值為50.89，所求得的回歸方程顯著；回歸方程的決定系數(shù)R2值為0.821 5，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)所得值比較契合，試驗(yàn)誤差小。把計(jì)算得到的各待定系數(shù)代入方程中可得到方程結(jié)果為：ln（-lnMR）=-1.893 65+8.073 62P+0.000 102 25V-0.033 8I+（0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I）lnt，即：MR=e-rtN，式中：r=-1.89365+8.07362P+0.00010225V-0.033 8I；N=0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I。

2.2 蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

如圖7所示，為在同一條件下，試驗(yàn)值與動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線。

圖7 同一條件下試驗(yàn)值與動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線Fig.7 Comparison between experimental data and predicted data at same condition

由圖7曲線所示，在真空度為0.06 MPa，冷凍溫度為-20℃和裝料量8.0 kg/m2的相同條件下，Page方程的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果的具體值基本吻合，比較接近，這充分表明，動(dòng)力學(xué)模型方程對(duì)蕨菜凍干過(guò)程中的水分變化模擬比較準(zhǔn)確，故可作為預(yù)測(cè)方式。

2.3 感官特征比較

真空冷凍干燥蕨菜外觀表現(xiàn)為深綠色，內(nèi)部組織疏松多孔，且相對(duì)來(lái)說(shuō)風(fēng)味比較濃郁；而熱風(fēng)干蕨菜外觀表現(xiàn)為深褐色，內(nèi)部組織更為緊實(shí)，野菜香氣方面偏淡。通過(guò)分析兩種干燥方式，可以知道，這是造成二者感官有所區(qū)別的主要因素，即：高溫容易導(dǎo)致蕨菜內(nèi)生細(xì)胞組織軟化而坍塌，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)融為一體，雖然使結(jié)構(gòu)更為緊實(shí)，但是口感卻略差，且外觀明顯出現(xiàn)了干縮現(xiàn)象；而凍干蕨菜由于冷凍時(shí)間較短，內(nèi)部組織在較短時(shí)間內(nèi)凍結(jié)后，能夠較好地保持原來(lái)結(jié)構(gòu)和形狀，外觀飽滿度明顯更好[6]，而且，對(duì)于褐變反應(yīng)的發(fā)生也有明顯的抑制作用。

2.4 水分含量和水分活度比較

代表干制食品保藏性，通常主要通過(guò)水分活度（Aw）和水分含量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)和標(biāo)示。水分含量一般多采用水分占制品濕重的百分比來(lái)表示，水分活度一般采用的是制品的水蒸氣壓與同溫純的蒸氣壓的之間的比值來(lái)表示。理論上認(rèn)為，Aw＜0.7的干制食品在常溫下才能安全地貯存[7]。如表2所示，經(jīng)測(cè)定，蕨菜和干制品的水分含量與水分活度值明顯不同。

表2 蕨菜和干制品的水分含量與水分活度Table 2 The moisture content and water activity product and dry fiddlehead

由表2可見，真空冷凍干燥蕨菜的濕基含水量和干基含水量，都較熱風(fēng)干蕨菜更低。另外，雖然熱風(fēng)干蕨菜的水分活度值低于霉菌生長(zhǎng)所需的最低Aw值0.65，常溫下即可貯存，但是真空冷凍干燥蕨菜的水分活度值僅為0.47，明顯具有更長(zhǎng)更穩(wěn)定的常溫貯存優(yōu)勢(shì)。

2.5 復(fù)水性能比較

衡量干制品品質(zhì)高低，還有一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]，那就是復(fù)水性能，即放入水中后檢驗(yàn)其能恢復(fù)到新鮮狀態(tài)的程度。如表3所示，為測(cè)定的真空冷凍干燥蕨菜和熱風(fēng)干蕨菜的復(fù)水性數(shù)據(jù)。

表3 兩種干蕨菜的干燥率和復(fù)水率Table 3 The drying rate and rehydration rate of two dried fiddlehead

由表3可知，從干燥率方面來(lái)看，熱風(fēng)干蕨菜為13.8%，真空冷凍干燥蕨菜為14.5%，二者沒有明顯差別，原因是鮮蕨菜內(nèi)部組織比較松散，在加熱的條件下極易失水、不易保存。從復(fù)水性能方面看，熱風(fēng)干蕨菜的復(fù)水率為82.9%，復(fù)原后外觀比較飽滿，但是不夠光滑，與新鮮蕨菜有一點(diǎn)差別，而且風(fēng)味和色澤都不如新鮮蕨菜；真空冷凍干燥蕨菜的復(fù)水率為94.8%，數(shù)據(jù)明顯高于熱風(fēng)干蕨菜，這一點(diǎn)從外觀上看也對(duì)比比較明顯，它的復(fù)原后的形狀飽滿度更為接近新鮮蕨菜，口感爽脆，顏色也比熱風(fēng)干蕨菜更偏綠。這都是因?yàn)閮龈蛇^(guò)程時(shí)間短、降溫快速，能夠有效降低蕨菜干縮程度[9]。因此，從這幾點(diǎn)來(lái)看，真空冷凍干燥蕨菜比熱風(fēng)干蕨菜復(fù)水性能更好、感官品質(zhì)更好。

2.6 主要營(yíng)養(yǎng)成分含量比較

蕨菜及其干制品的主要營(yíng)養(yǎng)成分含量見表4。

表4 蕨菜及其干制品的主要營(yíng)養(yǎng)成分含量對(duì)比Table 4 The contact of main nutrient content of fiddlehead and dry products

由表4可知，維生素C在熱風(fēng)干蕨菜中保存率較低，因?yàn)楦邷貙?duì)其破壞性較大；而胡蘿卜素雖然在兩者中都有較高保存率，但是真空冷凍干燥蕨菜中的保存率明顯更好；但是維生素E由于不易保存，因而只在真空冷凍干燥蕨菜中有一定程度的保存。這樣對(duì)比，可以看出真空冷凍干燥蕨菜的營(yíng)養(yǎng)成分保存更完整。

如表5和表6，分別表示的是真空冷凍干燥蕨菜與熱風(fēng)干蕨菜中的無(wú)機(jī)元素以及氨基酸的含量。

由表5、6可知，蕨菜在干制以后，主要無(wú)機(jī)元素的含量都提高了，但是差別不大，但是在氨基酸含量變化方面，真空冷凍干燥蕨菜則相對(duì)都保存得更為完整。其中的原因考慮可能是無(wú)機(jī)元素多數(shù)隨著水分一起流失了，而氨基酸不但可以隨著水分一起流失，還可能高溫分解等。

表5 凍干蕨菜與熱風(fēng)干蕨菜中的無(wú)機(jī)元素含量Table 5 The contents of inorganic elements between fiddlehead and heat-dried fiddleheads

表6 凍干蕨菜與熱風(fēng)干蕨菜中的氨基酸含量Table 6 The contents of amino acids between freeze driedfiddlehead and air-dried fiddleheads

3 小結(jié)

1）通過(guò)研究冷凍溫度、真空度和裝料量3種因素對(duì)蕨菜干燥效果的影響，建立蕨菜真空冷凍干燥動(dòng)力學(xué)模型：ln（-lnMR）=-1.893 65+8.073 62P+0.000 102 25V-0.033 8I+（0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I）lnt，并驗(yàn)證了在真空度為0.06 MPa，冷凍溫度為-20℃和裝料量8.0 kg/m2的相同條件下，Page方程的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果的具體值基本吻合，二者曲線比較接近，這充分表明，動(dòng)力學(xué)模型方程對(duì)蕨菜凍干過(guò)程中的水分變化模擬比較準(zhǔn)確，故可作為預(yù)測(cè)方式。

2）通過(guò)從感官外觀、水分含量和活度、復(fù)水特性以及主要營(yíng)養(yǎng)成分保存情況等不同方面，進(jìn)行量化指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)凍干蕨菜和熱風(fēng)干蕨菜進(jìn)行了比較全面的對(duì)比。結(jié)果表明：在感官方面，真空冷凍干燥蕨菜外觀表現(xiàn)為深綠色，內(nèi)部組織疏松多孔，且相對(duì)來(lái)說(shuō)風(fēng)味比較濃郁；而熱風(fēng)干蕨菜外觀表現(xiàn)為深褐色，內(nèi)部組織更為緊實(shí)，野菜香氣方面偏淡。同時(shí)，真空冷凍干燥蕨菜的復(fù)水性能更加出色，常溫貯存的條件更好；在氨基酸含量方面也比熱風(fēng)干蕨菜保存得更多更完整。綜合來(lái)看，真空冷凍干燥蕨菜經(jīng)過(guò)短時(shí)間高強(qiáng)度干燥后，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)破壞較少，主要營(yíng)養(yǎng)成分保存更完整，耐儲(chǔ)藏性能也更強(qiáng)，更適宜現(xiàn)代化生產(chǎn)生活需求。

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Wild Fiddlehead Vacuum Freeze Drying Dynamics Research and Product Characteristics

CHEN Xue-zhen，MAO Jie
（Department of Food and Biological Engineering，F(xiàn)ujian Minbei Vocational Technical College，Nanping 353000，F(xiàn)ujian，China）

Through the establishment of bracken dynamic model of the vacuum freeze-drying of freeze-dried fiddlehead vacuum freeze drying of the dynamics characteristics of research，and compare the freeze-dried fiddlehead and hot air dry fiddlehead in senses，water content，water activity，water features，physical and chemical indexes such as primary nutrients content.The results showed that the freezing temperature，vacuum degree and material volume three factors effect on dry fiddlehead have different degrees of influence；validation equation coincided basically with the predicted values and experimental values of the freeze-dried fiddlehead more hot air dry fiddlehead closer to the physical properties of fresh fiddlehead more full-bodied flavor and primary nutrients more intacted.

fiddlehead；vacuum freezing；drying；dynamics

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.001

2016-12-28

福建省2015年高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革試點(diǎn)專業(yè)“食品加工技術(shù)”

陳雪珍（1982—），女（漢），講師，碩士研究生，研究方向：食品加工。