獼猴桃CO2-低溫高壓滲透膨化干燥工藝優(yōu)化

宋一凡，陳海峰，袁越錦*

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

獼猴桃屬大型落葉藤本植物[1]。果肉呈綠色且肉質(zhì)細(xì)致，酸甜適口。營(yíng)養(yǎng)成分高，其VC含量為99.4～123 mg/100 g[2]。而且有很高的藥用價(jià)值：能夠抗氧化[3]、病毒、癌癥以及防過(guò)敏[4]等，對(duì)心血管疾病也有一定的預(yù)防作用[5]。但獼猴桃在貯藏時(shí)衰老速度較快，易軟化變質(zhì)，較難鮮貯[6-7]。

將鮮果制成膨化食品是解決鮮果貯存問(wèn)題的方法之一[8]。膨化的方式有低溫真空油炸技術(shù)[9-11]、傳統(tǒng)擠壓膨化技術(shù)[12-15]、變溫壓差膨化技術(shù)[16-17]等。傳統(tǒng)擠壓膨化和變溫壓差膨化技術(shù)都屬于蒸汽膨化，即物料是以高壓水蒸汽[18]為介質(zhì)進(jìn)行膨化的。蒸汽膨化由于高溫、高壓、低水分和高剪切等會(huì)造成物料中熱敏性成分以及營(yíng)養(yǎng)成分有一定程度的損失，且因?yàn)榕蚧^(guò)程中氣泡單元的大小和產(chǎn)品密度不易被控制，得到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較粗糙。而利用CO2氣體代替高壓水蒸氣擴(kuò)散到物料組織內(nèi)部的熔體中形成氣泡，產(chǎn)品的膨化效果更好，口感更佳。此外，CO2氣體被廣泛應(yīng)用于食品加工中，它價(jià)格低廉且得到的組分純度較高，形成的氣泡更穩(wěn)固。CO2氣體已被用于制備淀粉-蔗糖混合物以及預(yù)糊化的大米粉膨化[19]。CO2-低溫高壓滲透膨化是利用其本身髙壓的特性使物料膨化，且膨化溫度較低，可最大程度地保留物料原有的營(yíng)養(yǎng)成分。

因此，本研究通過(guò)CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片，同時(shí)對(duì)CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)成品進(jìn)行微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究，以期為鮮果干制品工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃（徐香）購(gòu)于京東電商平臺(tái)；2,6-二氯靛酚合肥巴斯夫生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9070A鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；CO2-低溫高壓滲透膨化設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室自制；DZ-280/2SE小型真空封裝機(jī) 安溪縣翔星機(jī)械設(shè)備有限公司；FA2204C電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；CM-5型色差計(jì) 日本Konica Minolta公司；TA.XTPLUS型食品物性分析儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；Verios 460型臺(tái)式掃描電鏡 美國(guó)FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

新鮮獼猴桃→前處理→預(yù)處理（熱風(fēng)干燥）→放入膨化罐→加熱，通入CO2氣體并保壓→迅速泄壓→抽真空干燥→冷卻定型→獼猴桃脆片。

1.3.2 含水率的測(cè)定

根據(jù)GB 5009.3ü2016《食品中水分的測(cè)定》中的直接干燥法測(cè)定[20]，將獼猴桃片放入105 ℃的烘箱中烘干至恒定質(zhì)量[21]。

1.3.3 復(fù)水比的測(cè)定[22]

隨機(jī)取2～3 片獼猴桃脆片，在25 ℃的蒸餾水中浸泡1.5 h后取出并用濾紙吸干表面水分，稱(chēng)其質(zhì)量[23]。重復(fù)測(cè)量3 次，取平均值。復(fù)水比計(jì)算如式（1）所示：

式中：MR為樣品復(fù)水后質(zhì)量/g；MD為樣品復(fù)水前的質(zhì)量/g。

1.3.4 膨化度的測(cè)定

膨化度是指物料膨化前與膨化后的體積比。參考文獻(xiàn)[24]并稍作修改，采用超細(xì)石英砂填埋體積置換法。重復(fù)測(cè)量3 次，取平均值。計(jì)算如式（2）所示：

式中：Ve為膨化后體積/cm3；Vo為膨化前體積/cm3。

1.3.5 VC含量的測(cè)定

采用2,6-二氯靛酚滴定法[25]測(cè)定。

1.3.6 色澤的測(cè)定

采用色差計(jì)測(cè)定，結(jié)果以?xún)煞N色調(diào)之間的差值即ΔE值作為獼猴桃脆片色澤的篩選指標(biāo)，ΔE值越小說(shuō)明產(chǎn)品色澤保留越好。重復(fù)測(cè)量3 次，取平均值[26]。計(jì)算如式（3）所示：

式中：L*、a*、b*為白板的測(cè)定值，L、a、b為獼猴桃脆片的測(cè)定值。L*為明度指數(shù)，從黑暗（L=0）到明亮（L=100）的變化；a*為顏色從綠色（-a*）到紅色（+a*）的變化；b*為顏色從藍(lán)色（-b*）到黃色（+b*）的變化。

1.3.7 硬度及脆度的測(cè)定

選取大小均一的獼猴桃脆片，用物性分析儀測(cè)定硬度和脆度，重復(fù)3 次，取平均值[27]。測(cè)定條件為：TPA雙循環(huán)壓縮模式，測(cè)試前速率5.0 mm/s，測(cè)試速率5.0 mm/s，測(cè)試后速率5.0 mm/s，測(cè)試距離3.0 mm，探頭HDP/CFS，數(shù)據(jù)采集速率500h10-6。啟動(dòng)模式自動(dòng)。

物性分析儀自動(dòng)顯示出應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，曲線(xiàn)中的峰值就是樣品的硬度值，即樣品斷裂所需要的最大應(yīng)力，單位為g。峰值越大，硬度值越大，樣品的硬度也就越大，硬度值在一定范圍內(nèi)與產(chǎn)品的酥脆性呈正相關(guān)。脆度值為樣品破裂破碎所需的最大應(yīng)力，單位為g。

1.3.8 微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察

參考文獻(xiàn)[28]：獼猴桃片→采樣切片→噴金→掃描電鏡掃描→電鏡圖譜。

1.3.9 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取獼猴桃片切片厚度、預(yù)干燥后含水率、抽空時(shí)間（物料膨化完成后，將物料抽真空干燥至含水率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)起止所需要的時(shí)間，抽真空度為-0.07～-0.08 MPa）、膨化溫度（物料膨化時(shí)膨化罐內(nèi)加熱的溫度）、膨化壓差（膨化罐內(nèi)加壓前、后的壓力差）、進(jìn)壓時(shí)間（向膨化罐內(nèi)加壓的時(shí)間）6 個(gè)因素為單因素，每次改變一個(gè)因素逐一進(jìn)行膨化實(shí)驗(yàn)，考察各個(gè)因素對(duì)膨化效果的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)因素與水平Table 1 Levels of independent variables used forone-factor-at-a-time design

1.3.10 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以膨化壓差、膨化溫度、抽空時(shí)間為自變量，膨化度、硬度、脆度為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理建立3因素2 次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，優(yōu)化CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 2 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for central composite design

1.4 數(shù)據(jù)處理

結(jié)果采用3 次重復(fù)fs表示，采用IBM SPSS19.0和Design-Expert 8.0.6 Trial進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 切片厚度對(duì)膨化效果的影響

如表3所示，產(chǎn)品的復(fù)水比和膨化度隨著切片厚度的增加先增大后降低；含水率都在干制品的要求范圍內(nèi)；硬度及脆度在切片厚度6 mm時(shí)達(dá)到最大值；VC含量在6 mm時(shí)最高；色澤在6 mm時(shí)保留較好。因此，適當(dāng)增加獼猴桃片的厚度有利于膨化度和脆性的增加，但過(guò)厚對(duì)膨化能的需求越高并不利于膨化。綜合考慮切片厚度為6 mm左右最佳。

表3 切片厚度對(duì)膨化效果的影響Table 3 Effect of slice thickness on puffing efficiency

2.1.2 預(yù)干燥后含水率對(duì)膨化效果的影響

表4 預(yù)干燥后含水率對(duì)膨化效果的影響Table 4 Effect of water content after predrying on puffing efficiency

如表4所示，產(chǎn)品的膨化度和復(fù)水比隨著預(yù)干燥后含水率的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樗趾窟^(guò)高導(dǎo)致水分不能完全汽化，影響膨化效果；在20%時(shí)產(chǎn)品的硬度、脆度都較高，VC含量和顏色保留率都較好。綜合考慮預(yù)干燥后含水率為20%時(shí)最佳。

2.1.3 抽空時(shí)間對(duì)膨化效果的影響

表5 抽空時(shí)間對(duì)膨化效果的影響Table 5 Effect of pumping time on puffing efficiency

如表5所示，隨著抽空時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品的水分含量變化顯著，然而產(chǎn)品的膨化度和復(fù)水比變化不顯著，主要是因?yàn)楂J猴桃片中水分含量大幅降低，導(dǎo)致汽化的水分較少不足以形成膨化動(dòng)力；硬度及脆度分別在1.5、1.25 h時(shí)達(dá)到最大；VC含量在1 h時(shí)保存率最高；色澤在1.5 h時(shí)和2.5 h時(shí)都保存較好。綜合考慮，選取抽空時(shí)間為1.5 h。與利用N2進(jìn)行膨化相比，抽空時(shí)間大幅縮短，提高了膨化效率。這是因?yàn)槔肗2進(jìn)行膨化時(shí)預(yù)處理需作凍融處理且預(yù)干燥后含水率較高，導(dǎo)致抽空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2.1.4 膨化溫度對(duì)膨化效果的影響

如表6所示，膨化溫度對(duì)產(chǎn)品水分含量影響顯著，膨化度和復(fù)水比都隨著膨化溫度的升高而增大；在90 ℃時(shí)硬度和脆度達(dá)到最大值，但是硬度過(guò)高不利于咀嚼，脆度過(guò)大不利于運(yùn)輸；VC含量在60 ℃時(shí)最高，因?yàn)闇囟仍降蚔C降解速率越慢；色澤在70 ℃和80 ℃時(shí)變化不大，且都保留較好，在90 ℃時(shí)發(fā)生褐變。綜合考慮，選擇膨化溫度80 ℃。

表6 膨化溫度對(duì)膨化效果的影響Table 6 Effect of puffing temperature on puffing efficiency

2.1.5 膨化壓差對(duì)膨化效果的影響

表7 膨化壓差對(duì)膨化效果的影響Table 7 Effect of puffing pressure difference on puffing efficiency

如表7所示，膨化壓差對(duì)含水率的影響不顯著；復(fù)水比和膨化度隨著膨化壓差的增加反而減小，且VC含量以及色澤在1.1 MPa時(shí)都保存較好；硬度及脆度在1.5 MPa時(shí)較高，但是壓力越高對(duì)設(shè)備的要求越高，成本就會(huì)提高，且硬度和脆度都過(guò)大時(shí)口感不佳。綜合考慮，選擇膨化壓差1.1 MPa。利用N2進(jìn)行膨化時(shí)膨化壓差為1.82 MPa，利用CO2氣體作為膨化介質(zhì)，相比N2滲透性更強(qiáng)，所需壓差較低，故降低了設(shè)備要求，節(jié)約了資源。

2.1.6 進(jìn)壓時(shí)間對(duì)膨化效果的影響

表8 進(jìn)壓時(shí)間對(duì)膨化效果的影響Table 8 Effect of pressure on puffing efficiency

如表8所示，進(jìn)壓時(shí)間對(duì)膨化效果的影響不大。復(fù)水比、膨化度、VC含量以及色澤隨著進(jìn)壓時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大；硬度及脆度在進(jìn)壓時(shí)間為4 min時(shí)較大，因此考慮節(jié)省時(shí)間以及提高生產(chǎn)效率，選擇進(jìn)壓時(shí)間為4 min。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 回歸方程及其參數(shù)分析

對(duì)表9試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到膨化壓差（A）、膨化溫度（B）、抽空時(shí)間（C）與產(chǎn)品的膨化度（Y1）、硬度（Y2）、脆度（Y3）之間的多元二次回歸方程，該方程的回歸系數(shù)與變量分析見(jiàn)表10。

表9 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 9 Experimental scheme and results for response surface analysis

表10 回歸系數(shù)及變量分析Table 10 Regression coefficients and analysis of significance

方程的決定系數(shù)R2均在0.85以上，說(shuō)明方程的擬合性好，試驗(yàn)誤差小[29]。通過(guò)方程的顯著性分析可知，膨化壓差和膨化溫度對(duì)獼猴桃脆片的各項(xiàng)指標(biāo)均有顯著性影響；抽空時(shí)間對(duì)獼猴桃脆片的膨化度和硬度有極顯著影響，對(duì)脆度值沒(méi)有顯著性影響。3因素對(duì)獼猴桃脆片品質(zhì)的影響排序?yàn)锳＞B＞C。

2.2.2 交互作用分析

由表10可知，膨化壓差和膨化溫度的交互作用對(duì)獼猴桃脆片的膨化度和脆度有極顯著性影響，膨化壓差和抽空時(shí)間交互作用對(duì)獼猴桃脆片的膨化度和硬度有極顯著性影響，膨化溫度和抽空時(shí)間交互作用對(duì)獼猴桃脆片的膨化度有極顯著影響，其他變量之間的交互作用對(duì)于指標(biāo)的影響不顯著。此處，只對(duì)有極顯著交互作用的情況進(jìn)行分析，其他交互作用暫不予討論。

依次固定C和B為0水平，觀(guān)察AB的交互作用和AC的交互作用對(duì)產(chǎn)品Y1的影響，得到交互效應(yīng)方程（4）和（5）。再固定C為0水平，觀(guān)察AB的交互作用對(duì)產(chǎn)品Y3的影響，得到交互效應(yīng)方程（6）。

圖1 因素交互作用對(duì)膨化產(chǎn)品指標(biāo)的影響Fig. 1 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on response variables

由圖1a可知，當(dāng)抽空時(shí)間一定，膨化壓差較低時(shí)，膨化度隨著膨化溫度的升高而迅速增大；膨化壓差較高時(shí)，膨化度隨著膨化溫度的升高先增大后緩慢減?。慌蚧瘻囟容^低時(shí)，產(chǎn)品的膨化度隨著膨化壓差的增大而增大；膨化溫度較高時(shí)，產(chǎn)品的膨化度隨著膨化壓差的增大先增大后緩慢減小。膨化度在中心處達(dá)到最大值。當(dāng)膨化溫度和膨化壓差取各自的最優(yōu)值時(shí)，產(chǎn)品的膨化度可達(dá)到最大值。

由圖1b可知，當(dāng)膨化溫度一定，獼猴桃片的膨化度隨著抽空時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢增大；隨著膨化壓差的增大而增大。抽空時(shí)間對(duì)獼猴桃片的膨化度影響較小，故在膨化溫度一定時(shí)，膨化壓差取最優(yōu)值時(shí)膨化度可達(dá)到最大。

由圖1c可知，當(dāng)抽空時(shí)間一定，膨化壓差較低時(shí)，脆度隨著膨化溫度的升高而緩慢增大；膨化壓差較高時(shí)，脆度隨著膨化溫度的升高而減?。慌蚧瘻囟容^低時(shí)，脆度隨著膨化壓差的增大而增大；膨化溫度較高時(shí)，脆度隨著膨化壓差的增大而減小。這是因?yàn)殡S著膨化溫度和膨化壓差的增大，獼猴桃表面析出的糖分較多，會(huì)使產(chǎn)品的硬度過(guò)大從而導(dǎo)致脆度減小。

2.3 工藝優(yōu)化

利用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，在獼猴桃脆片ΔE值最小，含水率在7%以下，膨化度最高以及硬度、脆度和VC含量最佳的條件下尋找工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，得出最優(yōu)工藝參數(shù)為膨化壓差1.03～1.1 MPa，膨化溫度80～82.46 ℃，抽空時(shí)間90～91.61 min。經(jīng)過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在膨化壓差1.1 MPa、膨化溫度80 ℃、抽空時(shí)間90 min的條件下進(jìn)行獼猴桃CO2-低溫高壓滲透膨化干燥，得到膨化度為2.36，硬度為2 497.38 g，脆度為1 114.82 g。通過(guò)比較CO2-低溫高壓滲透膨化和氮?dú)獾蜏馗邏簼B透膨化兩種膨化方式，得出前者比后者所需抽空時(shí)間更短、膨化壓差更小，制備出的獼猴桃脆片具有更好的酥脆性、膨化度和復(fù)水比都增大，色澤也較鮮艷。因此，在優(yōu)化參數(shù)的范圍內(nèi)，利用CO2氣體進(jìn)行低溫高壓滲透膨化干燥可以得到綜合品質(zhì)優(yōu)良的獼猴桃脆片。

2.4 獼猴桃熱風(fēng)干燥和CO2-低溫高壓滲透膨化微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

圖2 不同干燥方式的微觀(guān)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Microstructure of hot-air dried and puffed products

從圖2可以看出，兩種不同的干燥方式對(duì)獼猴桃脆片微觀(guān)結(jié)構(gòu)影響顯著。熱風(fēng)干燥的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞[30]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)塌陷且組織致密，出現(xiàn)組織斷裂，產(chǎn)品口感較堅(jiān)硬；由于熱風(fēng)干燥的過(guò)程是由外到內(nèi)進(jìn)行的，在干燥過(guò)程中濕度梯度和溫度梯度的方向相反，故干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而破壞了物料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，造成內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)塌陷[31]。CO2-低溫高壓滲透膨化是在膨化罐中對(duì)獼猴桃片進(jìn)行加壓加熱，在物料處于過(guò)熱狀態(tài)時(shí)迅速泄壓，過(guò)熱蒸汽瞬間蒸發(fā)、減壓膨脹，并依靠氣體的膨脹力帶動(dòng)物料中高分子等物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變性，從而形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這賦予了產(chǎn)品更好的口感。

2.5 獼猴桃膨化前后營(yíng)養(yǎng)成分的變化

常規(guī)變溫壓差膨化產(chǎn)品加工溫度在100 ℃左右，甚至更高，會(huì)造成各種酶活性降低甚至喪失、美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)加劇等，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的品質(zhì)下降。與傳統(tǒng)蒸汽膨化相比，CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片的膨化溫度較低、歷時(shí)較短，因此獼猴桃中的大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失率較低，VC的保存率也較高。因?yàn)樵谟醒鯒l件下，溫度對(duì)獼猴桃VC降解速度的影響較大，VC降解速度隨著溫度的升高而增大[32]。此外，膨化過(guò)程中物料的淀粉發(fā)生了裂解過(guò)程，淀粉徹底α化，不會(huì)因放置還原成β淀粉，因此提高了人體對(duì)膨化產(chǎn)品的消化吸收率。

3 結(jié) 論

通過(guò)CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片，綜合考察了切片厚度、預(yù)干燥后含水率、抽空時(shí)間、膨化溫度、膨化壓差、進(jìn)壓時(shí)間對(duì)獼猴桃膨化產(chǎn)品含水率、復(fù)水比、膨化度、硬度、脆度、色澤和VC含量的影響，結(jié)果表明抽空時(shí)間、膨化溫度、膨化壓差對(duì)獼猴桃脆片的膨化度、硬度、脆度影響最大，預(yù)干燥后含水率和切片厚度次之，進(jìn)壓時(shí)間最小。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取膨化壓差、膨化溫度、抽空時(shí)間為自變量，將產(chǎn)品的膨化度、硬度、脆度作為模型響應(yīng)值，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化膨化工藝，結(jié)果表明：CO2-低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片條件為膨化壓差1.03～1.1 MPa、膨化溫度80～82.46 ℃、抽空時(shí)間90～91.61 min。在此條件下制得的獼猴桃脆片色澤鮮亮，VC保存率較高，口感酥脆，且加工效率高于利用N2進(jìn)行低溫高壓滲透膨化制備獼猴桃脆片。