微波-電能聯(lián)合凍干對(duì)南瓜干燥速度和品質(zhì)的影響

金敬紅，孫曉明，姚正穎，陳文華

(1.中華全國(guó)供銷(xiāo)合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 210042；2.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江 金華 321004)

南瓜(Cucurbitamoschata)為葫蘆科南瓜屬植物，果實(shí)和種子均可食用。南瓜富含胡蘿卜素、果膠膳食纖維和多糖、糖蛋白和γ-氨基丁酸，不僅可以補(bǔ)充日常營(yíng)養(yǎng)，還對(duì)緩解胃潰瘍、中輕度糖尿病、便秘等具有良好功效[1-2]。高品質(zhì)的南瓜干制品已經(jīng)成為很多中高檔功能性食品、休閑食品的常規(guī)原料，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前，南瓜常用的干制技術(shù)包括熱風(fēng)干燥技術(shù)、真空冷凍干燥技術(shù)等。其中，熱風(fēng)干燥技術(shù)干燥溫度高，產(chǎn)品品質(zhì)差，干燥過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重?fù)p失熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分。真空冷凍干燥技術(shù)是將物料預(yù)凍至冰點(diǎn)以下，使物料中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在較高的真空度下采用電能或者蒸汽加熱物料，使得物料中的冰會(huì)直接升華為蒸汽而被除去，物料即被干燥[3-4]。真空冷凍干燥技術(shù)具有干燥溫度低，物料揮發(fā)性成分和受熱變性的營(yíng)養(yǎng)成分和芳香成分損失很小，能夠更好地保持物料原有的性狀，復(fù)水性好、含水量低等優(yōu)點(diǎn)，是果蔬、生物制品、藥品首選的干燥方法。但該技術(shù)也有設(shè)備投資大、干燥周期長(zhǎng)、干燥成本高、微生物易超標(biāo)等缺點(diǎn)。

如何實(shí)現(xiàn)在保證干制南瓜的高品質(zhì)基礎(chǔ)上加快干燥速度、降低生產(chǎn)成本成為南瓜高品質(zhì)干燥的關(guān)鍵。聯(lián)合干燥工藝是依據(jù)物料的特性，將兩種或兩種以上的干燥工藝聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，分階段或同時(shí)進(jìn)行的一種復(fù)合干燥技術(shù)，它能夠減少干燥的經(jīng)濟(jì)性與成品質(zhì)量之間的矛盾，代表了干燥技術(shù)的發(fā)展方向[5-9]。由于干燥過(guò)程中不同物料的組織結(jié)構(gòu)不同，很多情況下組織結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度跟水分含量密切相關(guān)，水分含量高的時(shí)候組織結(jié)構(gòu)相對(duì)強(qiáng)度低，變換干燥方式可能導(dǎo)致物料表面出現(xiàn)塌陷等問(wèn)題，造成干制南瓜品質(zhì)的下降。因此，在聯(lián)合干燥工藝的不同干燥方法轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定尤為重要。

真空微波干燥技術(shù)是在高真空條件下，以微波直接作用于物料的內(nèi)部水分，在交變電磁場(chǎng)的作用下使物料中的水分子高速運(yùn)動(dòng)，水分子摩擦生熱，溫度升高而快速蒸發(fā)，具有物料內(nèi)外同時(shí)加熱、傳熱速度快、干燥溫度低、干燥速度快、干燥后物料品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，也存在設(shè)備投資相對(duì)較高、存在干燥邊緣效應(yīng)等缺點(diǎn)。

本研究采用微波凍干和傳統(tǒng)的電加熱真空冷凍干燥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)凍干)兩種干燥工藝組合，通過(guò)對(duì)南瓜凍干過(guò)程中微波功率、水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)等因素的研究，確定微波-電能聯(lián)合凍干的最佳工藝，研究微波-電能聯(lián)合凍干工藝對(duì)凍干南瓜品質(zhì)(營(yíng)養(yǎng)保持、感官、復(fù)水性、微生物等)和干燥能耗方面的影響，為干制南瓜產(chǎn)業(yè)優(yōu)化提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

購(gòu)自超市的色澤金黃、肉質(zhì)厚、無(wú)病蟲(chóng)害的長(zhǎng)南瓜。

1.1.2 儀器

微波-電能聯(lián)合凍干機(jī)：自制。

JTD-6000電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(常州諾基儀器有限公司)，立式壓力蒸汽滅菌鍋(上海申安醫(yī)療器械廠)，SW-CJ-1F型單人雙面凈化工作臺(tái)(蘇州凈化設(shè)備有限公司)，SPX-50B全自動(dòng)智能型恒溫培養(yǎng)箱(北京恒諾利興科技有限公司)，TU-1800紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，DW-FW110超低溫冷凍儲(chǔ)藏箱(中科美菱)，Setra El-410s型天平等。

1.1.3 試劑

氯化鈉，分析純；抗壞血酸，分析純。平板計(jì)數(shù)瓊脂平板技術(shù)瓊脂培養(yǎng)基(PCA)、結(jié)晶紫中性紅膽鹽瓊脂(VRBA)和煌綠乳糖膽鹽肉湯(BGLG)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 南瓜前處理

原料挑選、切片、去雜：選擇成熟度一致、表面光滑、金黃色的南瓜，沖洗、去皮、籽、瓤、蒂后切成7～8 mm的薄片。

燙漂護(hù)色：將南瓜片放入95℃熱水中燙漂3 min，瀝干20 min，用吸水紙吸取表面水分備用。

冷凍：將切分后(燙熟)的南瓜片取出，整齊鋪在物料盤(pán)上，放入-40℃冷凍柜冷凍24 h定型。

每批次投料量：500 g。

1.2.2 微波-電能聯(lián)合凍干工藝優(yōu)選

將預(yù)凍好的南瓜樣品置于微波-電能聯(lián)合凍干機(jī)內(nèi)，首先進(jìn)行凍干，加熱溫度設(shè)定55℃，分別以?xún)龈? h、4.5 h、5 h、5.5 h后的樣品轉(zhuǎn)入微波真空冷凍干燥，微波功率分別采用300、400、500 W。干燥結(jié)束后測(cè)產(chǎn)品含水量，觀察比較其外觀塌陷和皺縮程度和色澤，確定最佳水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)和微波功率。水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)以?xún)龈砷_(kāi)始的時(shí)間計(jì)算，可以從凍干曲線(xiàn)(圖3)得出其對(duì)應(yīng)的水分含量。

1.2.3 不同干燥工藝比較

南瓜樣品分為兩組，分別采用凍干工藝和1.2.2中優(yōu)選出的優(yōu)化的微波-電能聯(lián)合凍干工藝進(jìn)行干燥處理，每組投料500 g，每組重復(fù)試驗(yàn)三次。具體干燥工藝如下：

(1)冷干工藝：冷凍南瓜片→入真空干燥設(shè)備→真空脫水干燥→成品

(2)微波-電能聯(lián)合凍干工藝：冷凍南瓜片→入凍干倉(cāng)→真空凍干→真空微波凍干→成品

將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的南瓜分別進(jìn)行凍干和微波-電能聯(lián)合凍干，測(cè)定干燥后的南瓜的含水量、菌落總數(shù)、營(yíng)養(yǎng)成分、干燥耗能、感官評(píng)價(jià)，對(duì)比不同預(yù)處理方式和不同干燥方法對(duì)干制南瓜品質(zhì)的影響。其中，營(yíng)養(yǎng)成分以穩(wěn)定性較差的Vc作為代表。

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定方法

含水量測(cè)定采用GB 5009.3-2016中的直接干燥法。

VC含量采用紫外可見(jiàn)分光快速測(cè)定法：根據(jù)VC具有對(duì)紫外產(chǎn)生吸收對(duì)堿不穩(wěn)定的特性，于243 nm處測(cè)定樣品液吸光度，通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，即可計(jì)算樣品中VC的含量[13]。

菌落總數(shù)測(cè)定參照GB4789.2—2016平板計(jì)數(shù)法。能耗采用在微波-凍干機(jī)組單獨(dú)懸掛電能表直接測(cè)定。

1.2.5 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)方法

干燥后的南瓜的感官評(píng)價(jià)要求如表1所示。

表1 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)

其中復(fù)水性可以通過(guò)復(fù)水比體現(xiàn)，是產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)復(fù)水后質(zhì)量與復(fù)水前質(zhì)量之比。復(fù)水比大，說(shuō)明復(fù)水性好。將稱(chēng)量后的樣品放入35 ℃恒溫的蒸餾水中，30 min后，取出瀝干20 min，并用吸水紙除去表面水分，稱(chēng)量[14]。

復(fù)水比計(jì)算公式：RR=M1/M2

式中：RR—復(fù)水比；M1—復(fù)水后質(zhì)量(g)；M2—復(fù)水前干制品質(zhì)量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南瓜真空冷凍干燥曲線(xiàn)

由圖1可知，采用單純的凍干技術(shù)干燥南瓜需要較長(zhǎng)的干燥周期，干燥時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 h含水率才能降到3%以下。凍干過(guò)程被劃分為升華和解析階段，升華階段物料溫度上升速度比解析階段快，物料中大部分的自由水是在此階段被去除的。主要由于在干燥前期，升華的表面積較大，干燥速度較快；隨著升華的進(jìn)行，不能升華的多孔固體狀基體被保留下來(lái)，隨著表面水分的升華，自由水從表面逐漸向內(nèi)部退縮，導(dǎo)致升華表面越來(lái)越小，傳質(zhì)阻力越來(lái)越大，使得干燥速率越來(lái)越小。冷凍干燥到了最后階段，隨著自由水接近全部去除，干燥速率明顯下降，欲去除這部分的結(jié)合水需要更長(zhǎng)時(shí)間及更多能耗[15]。

圖1 南瓜真空冷凍干燥曲線(xiàn)Fig. 1 Freeze-drying curve of Pumpkin

2.2 南瓜微波-電能聯(lián)合凍干水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)的確定

從圖2可以看出，在不同的凍干水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)轉(zhuǎn)化為微波凍干，最終產(chǎn)品南瓜產(chǎn)品的外觀具有明顯的差別，凍干水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)為4.5 h之后的南瓜產(chǎn)品外形變化較小，低于4.5 h的南瓜產(chǎn)品表面具有明顯的塌陷，影響南瓜產(chǎn)品的感官品質(zhì)。因此，南瓜的微波-電能聯(lián)合凍干水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)可以確定為4.5 h，對(duì)應(yīng)的水分含量為68%。

圖2 不同凍干水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)的南瓜產(chǎn)品Fig. 2 Pumpkin slices with different freeze-drying conversion points

2.3 聯(lián)合凍干下不同微波功率和水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)南瓜品質(zhì)的影響

表2可知，微波功率的大小對(duì)南瓜的品質(zhì)有明顯影響，微波功率大，干燥所用時(shí)間縮短，但由于微波的邊緣效應(yīng)易出現(xiàn)焦黑。不同轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后使用同樣微波功率進(jìn)行干燥，4.5 h后的樣品無(wú)塌陷，外觀色澤也更好，推測(cè)可能因?yàn)? h后樣品中還存留冰晶，此時(shí)進(jìn)行真空微波干燥，冰晶融化速率較慢，樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致最終產(chǎn)品色澤較差，塌縮現(xiàn)象較為嚴(yán)重。凍干4.5 h之后，微波功率低時(shí)，色澤更接近于單純凍干的色澤，而當(dāng)微波功率大時(shí)，干燥時(shí)間較短,但顏色變化較大，局部邊緣區(qū)域有焦黑現(xiàn)象。結(jié)合兩者的結(jié)果，得出凍干4.5 h后，微波凍干功率為400 w較為適宜。

2.4 優(yōu)化的聯(lián)合干燥工藝對(duì)南瓜產(chǎn)品質(zhì)量的影響

2.4.1 對(duì)南瓜干燥曲線(xiàn)的影響

在微波-電能聯(lián)合凍干后期微波直接作用于南瓜內(nèi)部水分，加快內(nèi)部水分遷移，明顯加快了南瓜干燥速度，大幅度縮短干燥時(shí)間(圖3)，引起干燥曲線(xiàn)的明顯變化。

由圖3可知，聯(lián)合干燥工藝干燥至終點(diǎn)所需時(shí)間從單純的凍干工藝的16 h縮短到7 h，明顯少于凍干工藝，說(shuō)明聯(lián)合干燥能夠在干燥后期沒(méi)有冰晶存在的條件下，微波直接作用于南瓜內(nèi)部水分子，加速了水分子的遷移速度，大大加快了南瓜干燥速度。

表2 水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)及微波功率對(duì)南瓜品質(zhì)的影響

圖3 不同干燥工藝對(duì)南瓜干燥曲線(xiàn)的影響Fig. 3 Effects of different drying methods on drying curve of Pumpkin

2.4.2 對(duì)凍干南瓜產(chǎn)品中Vc的影響

果蔬凍干最主要的優(yōu)點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)成分保留率極高，采用微波干燥則對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)成分有一定破壞，營(yíng)養(yǎng)成分具有一定損失。常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等穩(wěn)定性較好，變化不大，諸如Vc等熱敏性營(yíng)養(yǎng)成分受干燥工藝影響很大，微波-電能聯(lián)合凍干對(duì)于果蔬Vc的影響如表3所示。

表3 兩種干燥工藝對(duì)干制南瓜產(chǎn)品Vc的影響

由表3中可以看出，Vc是果蔬營(yíng)養(yǎng)成分中穩(wěn)定性較差的成分，在干燥過(guò)程中比較容易被破壞，熱風(fēng)干燥的VC損失率有時(shí)候達(dá)到50%～60%。凍干和微波-電能聯(lián)合凍干樣品中 Vc保留率相差不明顯，保留率都超過(guò)了95%，這表明聯(lián)合干燥工藝也可以很好的保證南瓜干燥產(chǎn)品品質(zhì)。

2.4.3 對(duì)凍干南瓜感官性能的影響

由表4可以看出聯(lián)合干燥產(chǎn)品與單純凍干的產(chǎn)品無(wú)論是色澤還是形態(tài)都非常接近，兩種工藝的干制品復(fù)水性能都不錯(cuò)，聯(lián)合干燥產(chǎn)品的復(fù)水性能稍?xún)?yōu)于凍干產(chǎn)品，可能是微波直接作用于南瓜內(nèi)部的水分，內(nèi)部的加熱造成干制品的內(nèi)部更加酥松，提升了干制品的復(fù)水性能[16]。

表4 兩種干燥方式對(duì)南瓜產(chǎn)品外觀的影響

2.4.4 對(duì)凍干南瓜產(chǎn)品菌落總數(shù)的影響

微波在果蔬干燥過(guò)程中由于微波熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的共同作用，使微生物的蛋白質(zhì)和生理活動(dòng)物質(zhì)發(fā)生變異，從而導(dǎo)致微生物體生長(zhǎng)發(fā)育延緩和死亡，達(dá)到殺菌目的。微波-電能聯(lián)合凍干對(duì)干制南瓜中微生物數(shù)量具有明顯影響(表5)。

表5 兩種干燥方式對(duì)干制南瓜中菌落總數(shù)的影響

由表5可知聯(lián)合干燥的南瓜中菌落總數(shù)明顯低于冷干南瓜中的菌落總數(shù)，說(shuō)明即使在較低的干燥溫度下，微波對(duì)于微生物還是具有較強(qiáng)的殺滅作用。

2.4.5 對(duì)干燥能耗的影響

表6 兩種干燥方式能耗

由表6可知，聯(lián)合干燥工藝在干燥最終產(chǎn)品質(zhì)量相近的情況下，縮短干燥時(shí)間53%，降低干燥能耗48.8%，具有明顯的節(jié)能增效作用。

3 結(jié)論

采用微波-電能聯(lián)合凍干進(jìn)行南瓜干燥，得到的干制南瓜感官品質(zhì)與單純凍干南瓜接近，復(fù)水性更佳，復(fù)水比均超過(guò)10；對(duì)一些熱敏性的營(yíng)養(yǎng)成分的保留率很高，如Vc的保留率超過(guò)95%，與單純凍干方法很接近。通過(guò)對(duì)比兩種干燥后產(chǎn)品的菌落總數(shù)，可以看出微波-電能聯(lián)合凍干相較于純粹的凍干能夠顯著降低南瓜產(chǎn)品的微生物數(shù)量，下降63.3%，有助于解決果蔬凍干過(guò)程中微生物易超標(biāo)的難題，對(duì)于提升、穩(wěn)定凍干果蔬的品質(zhì)具有積極的意義。

采用微波-電能聯(lián)合凍干與純粹的凍干相比較，凍干速度大大加快，凍干周期縮短，單位能耗降低明顯，能耗降低達(dá)到48.8%，可以有效降低果蔬凍干的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本研究為未來(lái)微波-電能聯(lián)合凍干的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。