不同冰溫真空干燥壓力對(duì)草莓品質(zhì)的影響

賀紅霞，申江，*，張川，周成君

（1.天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2.華商國際工程有限公司，北京100069；3.北京市京科倫冷凍設(shè)備有限公司，北京101302）

草莓營養(yǎng)豐富，果實(shí)富含酚類等抗氧化活性物 質(zhì)，特別是維生素C含量較高，有很好的營養(yǎng)、保健和藥用價(jià)值，被譽(yù)為水果皇后。其采收期短，上市集中，易產(chǎn)生機(jī)械損傷，不耐貯藏[1-2]。將新鮮草莓加工成草莓干、草莓粉、草莓速溶飲料等一系列新產(chǎn)品不僅食用更加方便，還可解決草莓的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題，拓寬草莓制品市場(chǎng)[3－4]。

研究表明，相比于自然干燥，熱風(fēng)干燥有效提高了傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。但高溫易使組織細(xì)胞、營養(yǎng)成分遭到破壞，食品品質(zhì)大幅下降[5]；冷凍干燥草莓雖然可以最大程度保持草莓原有形狀與味道，但高能耗、低效率也限制了其應(yīng)用[6－8]；微波干燥可很好的保留草莓營養(yǎng)物質(zhì)[9－10]，但微波干燥中的空穴效應(yīng)造成的電磁場(chǎng)的不均勻性，導(dǎo)致干燥倉內(nèi)的物料容易產(chǎn)生熱點(diǎn)影響其品質(zhì)[11]；冰溫真空干燥是將真空干燥技術(shù)與冰溫技術(shù)相結(jié)合，使真空干燥過程中物料溫度始終被控制在冰溫帶范圍內(nèi)的新型干燥技術(shù)。冰溫干燥可使果蔬組織細(xì)胞在鮮活狀態(tài)下被快速干燥，不會(huì)產(chǎn)生冰晶破壞物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)。同時(shí)真空干燥中低氧環(huán)境可抑制干燥過程中營養(yǎng)物質(zhì)的氧化與微生物的生長與繁殖。因此冰溫真空干燥既可維持物料原有的活體特性，又能在干燥后有效地保存物料原有風(fēng)味及營養(yǎng)成分。對(duì)胡蘿卜[12]的研究發(fā)現(xiàn)，冰溫真空干燥可獲得高品質(zhì)胡蘿卜干制品，其品質(zhì)優(yōu)良，復(fù)水性強(qiáng)。與冷凍干燥、熱風(fēng)干燥相比，菠菜經(jīng)冰溫真空干燥維生素C保有量最高，最接近于新鮮菠菜，葉綠素含量達(dá)新鮮菠菜葉綠素含量87%。復(fù)水比雖小于冷凍干燥，但遠(yuǎn)大于熱風(fēng)干燥[13]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)草莓干制品的研究主要集中在冷凍干燥[7，14]、熱風(fēng)干燥和微波干燥[15]，對(duì)草莓冰溫真空干燥及其干制品品質(zhì)的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。

本文研究在干燥溫度相對(duì)穩(wěn)定條件下（－0.5±0.2）℃，艙內(nèi)不同干燥壓力（絕對(duì)壓力 50、100、300、500 Pa）對(duì)草莓干燥速率、失重率及相關(guān)干燥品質(zhì)的影響，為今后冰溫真空干燥草莓的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

中國山東省濟(jì)南市產(chǎn)紅顏（99）草莓，于清晨采摘，并在冷藏車中5℃～6℃保存運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，存放于（5±1）℃冰溫庫。

1.2 儀器與設(shè)備

LJQK多功能果蔬保鮮裝置[16]（兼具真空預(yù)冷、減壓貯藏、冰溫真空干燥功能，天津商業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室）。該裝置可用于果蔬冰溫真空干燥試驗(yàn)，主要包括真空系統(tǒng)、可控電加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

該設(shè)備的真空艙可用于不同溫度和壓力，不同形狀和大小的果蔬樣品的干燥。由自動(dòng)調(diào)節(jié)器控制樣品溫度，干燥過程中自動(dòng)稱取樣品重量、溫度等信息。真空艙貨架裝有耐低壓稱重傳感器，用于檢測(cè)干燥過程中果蔬重量的變化。干燥結(jié)束統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為濕基濕含量10%以下，可根據(jù)果蔬初始重量、初始濕基濕含量，計(jì)算干燥完成后果蔬重量，通過稱重傳感器判斷干燥結(jié)束時(shí)間。同時(shí)根據(jù)干燥過程中果蔬重量的變化，計(jì)算各時(shí)段內(nèi)失重率與干燥速率。

CR－400色彩色差計(jì)：日本KONICA MINOLTA公司；PAL－BXIACID5糖度儀：日本ATAGO公司；XK3190－A19E型電子秤：上海耀華電子秤有限公司；PS－1高速組織搗碎機(jī)：上海標(biāo)本模型廠。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

按照顏色和硬度，選取八分熟大小均勻（平均單體果品重20 g，直徑2 cm～2.5 cm之間）無機(jī)械損傷的果品進(jìn)行去蒂處理。

試驗(yàn)過程包括：（a）對(duì)挑選出來的果品進(jìn)行稱重裝盤、將樣品置于真空艙內(nèi)貨架稱重傳感器上。（b）開啟真空泵和制冷機(jī)組，調(diào)節(jié)真空泵、艙內(nèi)電加熱、制冷機(jī)組供液量，使貨物溫度、艙內(nèi)溫度、壓力維持在設(shè)定誤差允許波動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行冰溫真空干燥。（c）對(duì)干燥后的干制品進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，該批次草莓冰點(diǎn)溫度為－0.8℃～－1.2℃。控制草莓溫度維持在（－0.5±0.2）℃，進(jìn)行4組試驗(yàn)：真空艙內(nèi)干燥壓力分別為500、300、100 Pa和50 Pa，每組草莓質(zhì)量為10 kg，每隔30分鐘記錄一次稱重傳感器示數(shù)及相關(guān)溫度壓力參數(shù)，干燥直至草莓含水量在10%（濕基）以下、干燥物料溫度波動(dòng)較小，并與艙內(nèi)溫度十分接近，認(rèn)定為干燥階段結(jié)束。每組干燥條件重復(fù)3次試驗(yàn)，至干基濕含量10%以下。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1 濕含量[17]

草莓樣品的初始水分含量按照GB 5009.3－2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》的具體操作方法，測(cè)得初始濕基濕含量為91.8%，干基濕含量11.195%。干燥過程中的干基濕含量由干（濕）基濕含量轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行計(jì)算。

1.4.2 失重率

失重率用來衡量草莓冰溫真空干燥過程中失水程度。

式中：m1為干燥前新鮮草莓質(zhì)量，kg；m2為經(jīng)過t時(shí)間干燥后草莓質(zhì)量，kg。

物重由艙內(nèi)稱重傳感器測(cè)量，并由控制系統(tǒng)直接顯示。

1.4.3 干燥速率

干燥速率是衡量干燥過程進(jìn)行快慢的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下（每100 g新鮮草莓的干燥速率）：

式中：t1、t2為前后兩次干燥稱重時(shí)間，h；Mt1、Mt2為草莓試樣在t1、t2為時(shí)刻的水分含量，kg。

1.4.4 維生素C[18]

采用2，6-二氯靛酚滴定方法測(cè)定干燥前后果品中的維生素C含量。

式中：c為校準(zhǔn)曲線查得 VC含量，（μg/mL）；m 為草莓試樣質(zhì)量，g；F為樣品溶液的稀釋倍數(shù)；v為測(cè)試時(shí)吸取提取液體積，mL。

1.4.5 可溶性固形物

可溶性固形物含量采用PAL-BXIACID5糖度儀測(cè)定。

1.4.6 復(fù)水比

復(fù)水性能是用來表示干燥產(chǎn)品在干燥過程中受損程度的一種重要物理參數(shù)，常用復(fù)水比表示，復(fù)水比一般與水溫和浸水時(shí)間相關(guān)。試驗(yàn)中將（100±5）g干燥后的草莓樣品放在30℃的恒溫水槽中，每隔20分鐘去除樣品表面水分進(jìn)行稱重。復(fù)水比（RC）的計(jì)算公式如下所示：

式中：RC為復(fù)水比；m1為復(fù)水后吸干表面水分后樣品重量，g；m2為復(fù)水前樣品重量，g。

1.4.7 色差

采用CR-400色彩色差計(jì)測(cè)量，每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量3次，測(cè)量后將測(cè)量結(jié)果和新鮮草莓進(jìn)行比對(duì)，最后求取平均值，總色差值ΔE計(jì)算公式如下[19]：

式中：ΔL為干燥前后草莓亮度差值；Δa為干燥前后草莓偏紅值差值；Δb為干燥前后草莓偏黃值差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

通過EXCEL2007和SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，軟件Origin8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥壓力對(duì)草莓干燥速度的影響

真空艙內(nèi)壓力是影響干燥過程的重要因素，真空艙內(nèi)壓力主要是通過果品內(nèi)部和真空艙之間的水分壓差從而影響干燥速度。

不同干燥壓力下草莓失重率變化情況見圖1。

圖1 不同干燥壓力對(duì)草莓失重率的影響圖Fig.1 The effect of different drying pressures on the weight loss rate of strawberry

從圖1中可以看出不同干燥壓力下草莓失重率變化趨勢(shì)相近，隨著干燥壓力的升高，草莓的失重率越來越大，且呈現(xiàn)先快速增長隨后緩慢增長的趨勢(shì)。不同干燥壓力對(duì)草莓干基濕含量的影響見圖2。

圖2 不同干燥壓力對(duì)草莓干基濕含量的影響Fig.2 The effect of different drying pressures on water content in dry base of strawberry

由圖2可以看出，艙內(nèi)干燥壓力越低，干燥到目標(biāo)含水量所需的時(shí)間越短，干燥壓力為500、300、100、50 Pa的草莓干燥至目標(biāo)含水量所需干燥時(shí)間分別為108、92、72、48 h。

綜上所述，草莓在4種干燥壓力下的干燥速率趨勢(shì)相同：開始階段草莓失水較快，然后逐漸變慢。該趨勢(shì)與Doymaz[20]在草莓對(duì)流干燥動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致。這是由于草莓在干燥時(shí)所需去除的水分，是占主體的游離水和部分膠體結(jié)合水。所以在真空干燥進(jìn)行1/3階段（約干燥開始的前30小時(shí)），游離水從草莓表面快速蒸發(fā)向外擴(kuò)散。由于外擴(kuò)散的結(jié)果，造成草莓表面和內(nèi)部水分之間產(chǎn)生水蒸氣分壓差，水分由內(nèi)部向外表面移動(dòng)，用以維持草莓各部分濕度、壓力的平衡。草莓失重率達(dá)到70%后，開始蒸發(fā)結(jié)合水，因此干燥后期蒸發(fā)速度明顯減慢。當(dāng)干燥到失重率達(dá)85%時(shí)，草莓失水變得非常困難。從物料表面蒸發(fā)出來的水分減少。伴隨干燥過程的進(jìn)行，表面硬化、干縮變形現(xiàn)象加深，導(dǎo)致進(jìn)一步失水變得非常困難。

干燥速率（DR）是衡量干燥工藝的重要指標(biāo)，不同壓力下草莓冰溫干燥速率曲線見圖3。

圖3 不同干燥壓力對(duì)草莓干燥速率的影響Fig.3 The effect of different drying pressures on the drying rate of strawberry

由圖3可以看出，在干燥開始的4 h以內(nèi)，存在一個(gè)加速干燥階段，主要是由于在初始階段草莓表面與真空艙壓力差和濕度差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于草莓內(nèi)部水分子間的束縛力。理論分析中，當(dāng)物料本身吸收的熱量與水分蒸發(fā)帶走的熱量相同時(shí)，物料進(jìn)入恒速干燥階段。此時(shí)干燥速率將保持恒定，物料內(nèi)部逐漸形成一種多孔結(jié)構(gòu)。該階段干燥過程的進(jìn)行極易受到外部因素的影響。與理論不同之處是草莓的冰溫干燥過程中不存在恒速干燥階段，可能是受干燥溫度與壓力影響，導(dǎo)致恒速干燥階段持續(xù)時(shí)間較短。這與Ertekin[21]在熱風(fēng)干燥過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致。由圖3分析可知，提高真空度可以提高加速階段的干燥速率，但在干燥開始進(jìn)行48小時(shí)后，提高真空度對(duì)提高干燥速率的效果并不明顯。

2.2 不同干燥壓力對(duì)草莓品質(zhì)的影響

2.2.1 艙內(nèi)干燥壓力對(duì)草莓復(fù)水特性的影響

不同干燥壓力對(duì)草莓復(fù)水特性的影響見圖4。

圖4 不同干燥壓力對(duì)草莓復(fù)水特性的影響Fig.4 The effect of different drying pressures on the rehydration of strawberry

由圖4可知，4條曲線趨勢(shì)相同，但不同干燥壓力下草莓干制品的復(fù)水比存在一定差異：復(fù)水初期1.5 h內(nèi)，4組條件下的復(fù)水比均顯著上升，隨后復(fù)水比增長趨于平緩，直至達(dá)到最大飽和狀態(tài)，復(fù)水比穩(wěn)定在2.91～3.45之間。對(duì)比不同干燥壓力下的復(fù)水比可以發(fā)現(xiàn)，干燥壓力越高，草莓干制品的復(fù)水能力越強(qiáng)。這很大程度是由于新鮮草莓的含水量較高，在極低的干燥壓力下進(jìn)行真空干燥水分遷移較快，使草莓的部分組織細(xì)胞受到破壞，導(dǎo)致復(fù)水能力降低。

2.2.2 艙內(nèi)干燥壓力對(duì)草莓營養(yǎng)物質(zhì)的影響

草莓中的重要營養(yǎng)成分是碳水化合物、維生素C等。碳水化合物在加熱時(shí)極易引起分解和焦化，特別是葡萄糖和果糖經(jīng)高溫長時(shí)間干燥易發(fā)生大量損耗。脫水干燥也容易造成維生素的損失，其中最不穩(wěn)定的為抗壞血酸（維生素C），不同干燥壓力對(duì)草莓可溶性固形物含量、維生素C含量的影響見圖5。

如圖5所示，新鮮草莓可溶性固形物含量為8.7%，在50、100、300、500 Pa的艙內(nèi)壓力進(jìn)行干燥，干燥后的可溶性固形物含量分別為20.3%、19.6%、18.1%、18.5%。可以發(fā)現(xiàn)由于干燥后物料水分的減少，使得草莓的可溶性固形物含量明顯增加（P＜0.05），但艙內(nèi)不同干燥壓力對(duì)草莓可溶性固形物含量并無明顯的影響（P≥0.05）。

干燥前新鮮草莓維生素C含量為56.7 mg/100 g，經(jīng)50、100、300、500 Pa的艙內(nèi)壓力干燥后的維生素C含量分別為 51.3、49.5、45.8、42.2 mg/100 g?？梢园l(fā)現(xiàn)：不同干燥壓力下干制品中的維生素C含均顯著性低于干燥前新鮮草莓（P＜0.05）。這主要是由于維生素C的水溶性特性，使草莓在干燥脫水過程中，維生素C隨水分的蒸發(fā)造成滲透損失。但不同干燥壓力下的損失率均在25%以內(nèi)，這主要是因?yàn)檎婵崭稍飾l件下，由于氧含量降低，使得易氧化物能夠得到很好的保護(hù)。

2.2.3 艙內(nèi)干燥壓力對(duì)草莓色差的影響

不同干燥壓力對(duì)草莓色差的影響見圖6。

圖6 不同干燥壓力對(duì)草莓色差的影響Fig.6 The effect of different drying pressures on the color difference of strawberry

由圖6可以看出，草莓干燥前后的色差比較明顯，且色差值隨干燥壓力的升高而降低。這是由于在低壓下，草莓果肉細(xì)胞滲透壓越大，失水率越高，導(dǎo)致草莓果肉部分色素降解和遷移，使干燥前后出現(xiàn)明顯的差異（P＜0.05）。但直觀觀察不同干燥壓力下的草莓干制品，并沒有明顯變化。

3 結(jié)論

草莓冰溫干燥過程中，在真空壓差的作用下，最先去除物料表面水分。隨著干燥過程的進(jìn)行，物料表面水分逐漸去除，物料內(nèi)部和表面之間形成濕度差，強(qiáng)大的濕度差將加速物料內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散。同時(shí)存在著壓力差，使得被汽化的水分子加速向真空空間移動(dòng)。在干燥過程中將物料溫度控制在草莓冰溫帶附近，可很好地保存果品品質(zhì)。

通過測(cè)定干燥前后草莓的各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同干燥壓力對(duì)草莓的干燥速率、失重率、復(fù)水比、維生素C含量、色差等品質(zhì)均有影響，對(duì)可溶性固形物含量則無明顯的影響。相同干燥溫度下，隨著干燥壓力的降低，草莓干燥速率、失重率及維生素C含量均增大，而干基濕含量及復(fù)水比均有所減小。雖色差值也隨干燥壓力的降低而增大，但通過直接感官觀察無明顯差異。

對(duì)比4種干燥壓力下的試驗(yàn)結(jié)果，50 Pa的干燥壓力雖然可以極大限度的縮短干燥時(shí)間，降低能耗，但是干燥后的草莓品質(zhì)及營養(yǎng)成分受到一定損失，對(duì)干燥設(shè)備的要求也更高。綜合考慮，試驗(yàn)在100、300 Pa的干燥壓力下干燥效果較好，100 Pa干燥壓力可以在減少營養(yǎng)物質(zhì)流失的同時(shí)進(jìn)一步縮短干燥所需時(shí)間，干燥至目標(biāo)含水量以下所需時(shí)間為72 h，失重率、復(fù)水比、維生素C含量、可溶性固形物含量及色差值分別為91.6%、3.03、49.5 mg/（100 g）、19.6%、20.93。

冰溫真空干燥具有能耗較低、干燥速率快、干燥均勻以及干燥后不流失營養(yǎng)成分等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的果蔬保鮮技術(shù)。