酸菜微波真空冷凍干燥工藝及復(fù)水特性研究

賀 健 易軍鵬 - 李 欣 段 續(xù) 任廣躍 - 吳甜甜 -

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2. 河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽 471023)

酸菜是指低濃度食鹽溶液條件下經(jīng)乳酸發(fā)酵制備而成的貯藏型蔬菜[1]。其既保留了蔬菜自身的維生素C、氨基酸、膳食纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)[2-3]，且經(jīng)發(fā)酵后又富含益生菌、乳酸菌等功能微生物。酸菜酸咸適度，口感鮮美嫩脆，適當(dāng)食用可達到降低膽固醇、增加胃腸道有益菌、預(yù)防心腦血管疾病、防止便秘等效果[4-6]。然而酸菜含有大量水分、不易貯藏和運輸，易腐爛變質(zhì)，其產(chǎn)品較為單一，多為軟罐頭形式流通，且需高溫殺菌才能長時間保存，導(dǎo)致口感較差，益生菌基本失活。目前對酸菜加工的研究多為發(fā)酵工藝優(yōu)化、菌種篩選等，而關(guān)于酸菜深加工產(chǎn)品研究極少[7]。

干燥是一種常見的延長食品保質(zhì)期的加工方式。經(jīng)干燥后，食品基本沒有自由水分，可抑制微生物快速生長繁殖和酶活性，同時干燥產(chǎn)品可以保持良好的品質(zhì)，有利于長期保存和運輸[8-9]。酸菜中乳酸菌的生長溫度為5～55 ℃，最適生長溫度為30～40 ℃[10-11]，溫度過高會對乳酸菌產(chǎn)生殺滅作用[12]。因此熱風(fēng)、熱泵干燥等干燥方式不利于酸菜的干制加工。微波真空冷凍干燥(Microwave vacuum freeze-drying，MFD)是將傳統(tǒng)的真空冷凍干燥技術(shù)與高效的微波加熱技術(shù)相結(jié)合來提供水分升華需要的能量，無需媒介即可對物料進行整體加熱的一種很有潛力的技術(shù)[13-14]。與真空冷凍干燥相比，MFD在升溫速度、干燥時間、干燥效率和整體能耗方面都有較大提升[15-16]；與熱風(fēng)、熱泵干燥相比，微波的穿透性使得微波能直接對物料內(nèi)外進行整體加熱，從而使物料中的固態(tài)水吸收熱量迅速升華為水蒸氣，最大限度地保持了物料原有的品質(zhì)、風(fēng)味和營養(yǎng)成分，且復(fù)水性較高[17-19]。張海偉等[20]研究表明采用三段式微波真空冷凍干燥香菇比熱風(fēng)干燥、冷凍干燥加工時間更短，產(chǎn)品復(fù)水性更高。葉曉夢[21]研究表明，凍干—微波真空聯(lián)合干燥產(chǎn)品的品質(zhì)非常接近于冷凍干燥產(chǎn)品，同時減少約31%的干燥時間，能耗大幅度降低。Duan等[22]研究表明，微波冷凍干燥條件下的雙孢菇干制品品質(zhì)與冷凍干燥的產(chǎn)品相當(dāng)，但其能耗遠遠低于冷凍干燥。

MFD技術(shù)兼具干燥效率和產(chǎn)品品質(zhì)，是縮短生產(chǎn)周期最佳的干燥方式之一，已成功應(yīng)用于水果、蔬菜、中藥材和部分肉類中，但尚未見對酸菜進行干燥的研究。試驗擬研究MFD對酸菜的干燥特性、復(fù)水特性及干燥能耗的影響，并采用響應(yīng)面優(yōu)化法得出最佳復(fù)水比工藝條件，為實現(xiàn)酸菜干制品在作為家用即食輔料、高端蔬菜包和實現(xiàn)酸菜大批量、高效、高品質(zhì)干燥的工廠化提供相關(guān)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸菜：榆園酸菜，配料為大白菜、水、食用鹽、植物乳桿菌，沈陽榆園食品有限公司；

試驗用水均為蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

快速水分測定儀：CS-001X型，深圳市冠亞技術(shù)科技有限公司；

低場核磁共振成像分析儀：NMI20型，紐邁電子科技有限公司；

水浴鍋：YLJYE-100型，北京科偉永興儀器有限公司；

電子天平：JJ223BC型，常熟市雙杰測試儀器廠；

微波真空冷凍干燥機：Duan等[22]設(shè)計制造， 其設(shè)備原理如圖1所示。

1. 真空泵 2. 微波輸入 3. 控制系統(tǒng) 4. 光纖溫度傳感器 5. 微波諧振腔 6. 干燥腔和料盤 7. 制冷設(shè)備 8. 冷肼

1.3 試驗方法

1.3.1 預(yù)處理 將酸菜去掉包裝，擠出多余水分，切絲(6 mm×1 mm)，于-25 ℃凍結(jié)8 h，備用。此酸菜初始濕基含水率約為92.94%。

1.3.2 干燥試驗設(shè)計 將酸菜絲平鋪于干燥箱物料盤內(nèi)，每盤放入50 g。將微波真空冷凍干燥機冷阱溫度設(shè)定為-40 ℃，進行單因素干燥試驗。干燥過程中，每隔30 min將物料盤取出稱量，記錄數(shù)據(jù)后迅速放回繼續(xù)干燥，直至酸菜含水率降至安全貯藏條件(干基含水率降為0.35 g/g)以下時，結(jié)束干燥。每組干燥試驗平行操作3次，取平均值。

(1) 微波功率：固定真空度200 Pa，鋪料層厚度2 mm，考察微波功率(50，200，350，500 W)對酸菜干燥特性的影響。

(2) 真空度：固定微波功率350 W，鋪料層厚度2 mm，考察真空度(100，200，300，400 Pa)對酸菜干燥特性的影響。

(3) 鋪料層厚度：固定微波功率350 W，真空度200 Pa，考察鋪料層厚度(2，4，6，8 mm)對酸菜干燥特性的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以微波功率、真空度和鋪料層厚度為試驗因素，以酸菜干樣品復(fù)水比為響應(yīng)值，設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗優(yōu)化酸菜干燥工藝條件。

1.4 指標測試

1.4.1 干基含水率 按式(1)計算[23]。

(1)

式中:

Mt——干基含水率，g/g；

Wt——t時刻對應(yīng)的樣品質(zhì)量，g；

W——絕干時樣品質(zhì)量，g。

1.4.2 干燥速率 按式(2)計算。

(2)

式中：

DR——干燥速率，g/min；

Mt——任意t時刻干基含水率，g/g；

Mt+Δt——干燥時間t+Δt時樣品的干基含水率，g/g；

Δt——相鄰兩次測量的時間間隔，min。

1.4.3 復(fù)水比 取酸菜干制品約1 g于300 mL燒杯中，按料液比1∶100 (g/mL)加入蒸餾水，40 ℃水浴100 min，取出瀝干10 min，用吸水紙拭干酸菜表面水分，稱重，按式(3)計算復(fù)水比[24]。

(3)

式中：

RR——酸菜復(fù)水比，g/g；

m2——酸菜干樣品復(fù)水后質(zhì)量，g；

m1——酸菜干樣品復(fù)水前質(zhì)量，g。

1.4.4 復(fù)水過程中水分分布的測定 將響應(yīng)面優(yōu)化后最佳工藝參數(shù)條件下的酸菜干樣品進行復(fù)水試驗，分別復(fù)水5，10，20，40，60 min，吸干表面水分，測其復(fù)水比，并放入直徑20 mm的核磁共振專用試管，隨后將試管放置于核磁共振系統(tǒng)的磁場中心位置的射頻線圈中心檢測，利用核磁共振分析軟件中的 CPMG脈沖序列測定樣品的自旋—自旋弛豫時間T2，得到對應(yīng)的T2譜圖。參數(shù)設(shè)置為：主頻21 MHz，偏移頻率301 761.06 kHz，采樣點數(shù)250 052，采樣頻率200.00 kHz，采樣間隔時間2 500 ms。磁體溫度(32±0.01) ℃， 模擬增益20 dB，數(shù)字增益3 dB，重復(fù)采樣次數(shù)2，回波時間0.500 ms，回波個數(shù)2 500。

1.4.5 數(shù)據(jù)處理 每組試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。運用Origin 2017軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 微波功率對酸菜干燥特性的影響 由圖2可知，當(dāng)微波功率分別為50，200，350，500 W時，酸菜干燥至終點所用時間分別為180，150，120，100 min，其最高干燥速率分別為0.145，0.192，0.213，0.240 g/(g·min)，微波功率為500 W時的干燥時間比50 W時的縮短了44.4%、干燥速率最大值提高了1.66倍。說明微波功率對酸菜干燥曲線影響很大，即微波功率越大，干燥曲線越陡峭，干燥時間越短，干燥速率最高值最大，干燥速率越快。

由圖2(b)可知，酸菜干燥速率曲線基本存在兩個階段：加速階段和減速階段。干燥前中期，極性分子水吸收微波，并將微波的電磁場能轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高自身和周圍物質(zhì)溫度，凍結(jié)酸菜中的水分大量吸收熱能，以升華的形式被脫除。隨著微波功率的增大，單位質(zhì)量酸菜吸收的微波能越多，水分子旋轉(zhuǎn)振動越劇烈，產(chǎn)品熱量越多，溫度升高越快，單位時間內(nèi)水分子升華越多，干燥速率越快[25-26]。而干燥后期，酸菜中的水分則是以蒸發(fā)為主，升華為輔的方式進行脫除的，水分蒸發(fā)需要一個將液態(tài)水遷移至物料表面的過程，且隨著酸菜含水量的減少，酸菜所吸收的微波能減少，傳質(zhì)推動力下降，干燥速率開始逐漸下降。

2.1.2 真空度對酸菜干燥特性的影響 由圖3(a)可知，不同真空度下，酸菜干燥至終點所用時間基本相同，干基含水率曲線趨勢接近。對比圖2發(fā)現(xiàn)，真空度對其干基含水率和干燥速率的影響程度遠小于微波功率(P<0.05)。由圖3(b)可知，不同真空度下酸菜干燥速率過程主要為加速和降速階段，恒速階段持續(xù)時間較短。當(dāng)真空度分別為100，200，300，400 Pa時，其最高干燥速率分別為0.213，0.190，0162，0.143 g/(g·min)，真空度為100 Pa 時的干燥速率最大值比400 Pa時提高了約1.49倍。干燥前期，真空度對干燥速率影響較顯著，隨著真空度的提高，水分子的沸點會逐漸降低，水分子是以冰晶升華為水蒸氣逸出物料進而脫除的，當(dāng)微波功率一定即干燥溫度一定時，真空度越高，水的沸點越低，水分升華越容易，酸菜干燥速率越快。干燥中后期，干燥速率差異逐漸減小，最后基本相同。實際生產(chǎn)中，增大真空度能降低水的沸點，促進水分蒸發(fā)，但會增加干燥中消耗的能量，增加干制成本[27]。

圖2 微波功率對酸菜干基含水率及干燥速率的影響

圖3 真空度對酸菜干基含水率和干燥速率的影響

2.1.3 鋪料層厚度對酸菜干燥特性的影響 由圖4(a)可知，鋪料層厚度對酸菜干基含水率和干燥速率影響顯著(P<0.01)，當(dāng)鋪料層厚度分別為2，4，6，8 mm時，酸菜干燥至終點所用時間分別為120，180，270，390 min，其最高干燥速率分別為0.213，0.125，0.060，0.052 g/(g·min)。鋪料層厚度為2 mm時的干燥速率最大值比8 mm時的提高了約4.10倍，鋪料層厚度越薄，干燥曲線越陡峭，達目標含水率所需干燥時間越短，干燥速率越大。由圖4(b)可知，不同鋪料層厚度下酸菜的干燥速率過程主要為加速、勻速和降速階段，鋪料層厚度越薄，恒速干燥階段持續(xù)時間越短。整個干燥過程中，隨著裝載量的增大，相同干基含水率所對應(yīng)的干燥速率加快，這是由于鋪料層厚度越薄，微波越能輕易穿透物料內(nèi)部進行加熱，且厚度越薄，酸菜單位體積的表面積越大，物料內(nèi)部水分向外遷移通道縮短，水分擴散能力增大加快了傳熱速率，最終導(dǎo)致干燥速率增加，干燥時間縮短。

圖4 鋪料層厚度對酸菜干基含水率和干燥速率的影響

2.1.4 干燥條件對酸菜復(fù)水比的影響 由圖5(a)可知，固定真空度200 Pa，鋪料層厚度2 mm，酸菜干制品的復(fù)水比隨微波功率的增加先增加后降低，與Krokida等[28]的研究結(jié)果相似。當(dāng)功率從50 W增加至350 W時，酸菜干制品復(fù)水比從8.76 g/g提升至9.11 g/g，但繼續(xù)增加至500 W后，復(fù)水比反而下降至7.62 g/g。隨著微波功率的增加，單位質(zhì)量酸菜干制品吸收的微波能增多，水分以升華的形式去除較多，干燥時間縮短，避免了水分遷移引起的應(yīng)力收縮現(xiàn)象，酸菜干葉氣孔破壞較小，較好地保存了酸菜原有的結(jié)構(gòu)，復(fù)水比增加，但過大的微波功率容易導(dǎo)致物料升溫過快，易使酸菜表面出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，破壞組織細胞結(jié)構(gòu)，酸菜干葉氣孔皺縮，從而影響其復(fù)水比[29]。

由圖5(b)可知，固定微波功率350 W，鋪料層厚度2 mm，酸菜干制品復(fù)水比隨真空度的升高先增加后減小，當(dāng)真空度為200 Pa時達最大值9.11 g/g。隨著真空度的增加，水分的沸點及蒸發(fā)溫度下降，水分蒸發(fā)速率增大，從而在較短時間內(nèi)使酸菜干制品組織膨脹性增強，復(fù)水性逐漸增強，但過高的真空度容易使物料內(nèi)部骨架和冰晶出現(xiàn)崩解和熔化，組織細胞結(jié)構(gòu)被破壞，復(fù)水性減弱[29]。

由圖5(c)可知，固定微波功率350 W，真空度200 Pa，酸菜干制品復(fù)水比隨鋪料層厚度的增加而下降。鋪料層厚度增加時，水分遷移途徑變長，干燥時間變長，單位質(zhì)量酸菜吸收的微波能減少，水分蒸發(fā)變慢，組織膨脹性減弱，復(fù)水比隨之減小。鋪料層厚度減小時，干燥速率加快，同時也容易形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，復(fù)水性較好。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果 在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取微波功率、真空度、鋪料層厚度為主要因素，以復(fù)水比為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗設(shè)計原理進行響應(yīng)面設(shè)計，試驗因素與水平表見表1，試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平

2.2.2 模型的建立及方差分析 采用Design-Expert 8.0.6 數(shù)據(jù)分析軟件對表2中的響應(yīng)值與各因素進行多元回歸分析，并對模型進行方差分析。剔除不顯著項后，酸菜復(fù)水比二次回歸方程為：

表2 Box-Benhnken設(shè)計與結(jié)果

Y= 8.95-0.31A-0.054B-0.32C+0.095AB-0.54A2-0.57B2-0.51C2。

(4)

表3 回歸方程方差分析表?

2.2.3 響應(yīng)面分析 由圖6可知，固定鋪料層厚度為2 mm，響應(yīng)面坡度陡峭，等高線呈橢圓形，說明微波功率與真空度對酸菜干制品復(fù)水比的交互作用極顯著，復(fù)水比隨微波功率和真空度的增加先增大后減小，與單因素結(jié)果一致。由圖7、8可知，微波功率與鋪料層厚度交互作用較弱，而真空度與鋪料層厚度交互作用不顯著。

圖7 微波功率及鋪料層厚度對復(fù)水比的交互影響

圖6 微波功率及真空度對復(fù)水比的交互影響

2.2.4 回歸模型驗證 根據(jù)回歸模型計算得到最佳干燥工藝條件為微波功率321.56 W，真空度199.20 Pa，鋪料層厚度2.14 mm，酸菜干制品復(fù)水率為9.14 g/g?？紤]到實際可操作性，將工藝條件修正為微波功率320 W，真空度200 Pa，鋪料層厚度2 mm，為驗證結(jié)果的可靠性，進行3次重復(fù)實驗，測得平均復(fù)水率為9.21，相對偏差為0.76%，試驗值與結(jié)果預(yù)測值接近，說明二次回歸方程模型合理，試驗結(jié)果較理想。

圖8 真空度及鋪料層厚度對復(fù)水比的交互影響

2.3 酸菜干樣品復(fù)水過程中水分分布的測定

由圖9可知，酸菜干制品復(fù)水過程中的T2反演譜有3個峰，分別為：T21(0.01～10 ms)為結(jié)合水、T22(10～200 ms)為不易流動水、T23(200～1 000 ms)為自由水[30]。復(fù)水后酸菜體內(nèi)的水分主要是不易流動水而非自由水，與崔莉等[31]研究結(jié)果一致。隨著復(fù)水時間的增加，酸菜中結(jié)合水(T21)的信號幅度始終保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，變化不大；自由水(T23)的信號幅度與干樣品相比有所增加，但差異不明顯；而不易流動水(T22)的信號幅度隨復(fù)水的進行不斷增加，其峰位置不斷向右移動，表明復(fù)水過程中進入酸菜中的水很快就與酸菜細胞組織結(jié)合，并以不易流動水的形式保存在酸菜體內(nèi)，復(fù)水時間越長，其信號幅度越大，H質(zhì)子所受束縛力越小，自由度越大。

圖9 酸菜復(fù)水過程中橫向弛豫時間T2反演譜

由表4可知，隨著復(fù)水時間的增加，酸菜體內(nèi)結(jié)合水的峰積分面積A21和自由水的峰積分面積A23變化不大，不易流動水的峰積分面積A22變化顯著，增加趨勢明顯，峰積分面積最大。酸菜體內(nèi)結(jié)合水的峰積分面積A21隨復(fù)水的進行先緩慢減小后逐漸增加，A21穩(wěn)定在20.52～54.40，說明結(jié)合水是酸菜體內(nèi)最穩(wěn)定的狀態(tài)水，不易受外界環(huán)境的干擾；不易流動水的峰積分面積A22變化顯著，隨著復(fù)水的進行逐漸增加，且在復(fù)水初期增加最快，水分轉(zhuǎn)移速度最大，僅復(fù)水5 min的峰積分面積增加了689.35，復(fù)水60 min時，A22增加至2 153.28，表明A22為復(fù)水后酸菜體內(nèi)水分的主要存在形式，與石芳等[32]的研究結(jié)果相似。復(fù)水后期，A22的增加速度逐漸減小，說明酸菜復(fù)水后期吸水能力開始下降；自由水的峰積分面積A23變化不顯著，隨著復(fù)水的進行有緩慢增加的趨勢，可能是因為復(fù)水時間的增加導(dǎo)致一些自由水附著在酸菜表面，使得A23緩慢增加，但不易被酸菜內(nèi)部吸收，因此自由水的峰積分面積變化不大。

表4 酸菜復(fù)水時3種狀態(tài)水的峰積分面積變化

3 結(jié)論

試驗表明，微波功率、真空度、鋪料層厚度對酸菜干燥特性均有影響，但真空度的影響較?。晃⒉üβ试酱蟆⒄婵斩仍叫?，鋪料層厚度越小，則酸菜干燥速率越大，曲線越陡，達干燥終點時間越短；酸菜微波真空冷凍干燥的最佳干燥工藝條件為微波功率322 W，真空度200 Pa，鋪料層厚度2 mm，此時復(fù)水比為9.14 g/g；LF-NMR試驗表明不易流動水為復(fù)水后酸菜體內(nèi)水分的主要存在形式；復(fù)水時間越長，不易流動水的信號幅值越大，自由度越大，結(jié)合水與自由水則變化不大。后續(xù)可針對酸菜的干燥品質(zhì)、風(fēng)味進行研究。