預冷凍處理對微波真空干燥下菠蘿蜜和胡蘿卜果蔬干干燥特性和品質特性的影響研究

馬鵬利，夏寧，滕建文

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

1 概述

微波真空干燥是一種最常用的果蔬干燥方法。微波技術與真空技術結合充分發(fā)揮了微波技術的高效和均勻以及真空條件下水汽化點低的特點，能夠較好地保留食物的色、香、味等品質特性，減少熱敏性營養(yǎng)成分及生物活性成分的損失[1]。國內外學者對微波真空干燥的果蔬進行了廣泛研究，如王志艷等[2]研究了不同微波真空干燥條件對南瓜片干燥速率的影響，表明微波強度對南瓜片干燥速率的影響較大；郭正南[3]對黃秋葵微波真空的失水特性進行了研究，結果表明，黃秋葵的失水速率隨著微波功率的增大而增大。但是，將未預處理的果蔬干直接進行微波干燥處理存在很大的弊端，微波功率過高會引起果蔬干易糊化，且耗能較大。因此，我們嘗試對果蔬進行預處理來緩解未處理果干微波干燥的弊端。目前，關于預冷凍對微波真空下高糖含量和低糖含量的果蔬干品質特性的研究報道非常少，但預冷凍處理對果蔬干的干燥具有重要意義。Ando等[4-5]研究表明，預冷凍過程中形成的冰晶對樣品組織的細胞膜通透性和細胞壁結構都會造成損傷，認為干燥速率的提高會加快組織水分轉移，因此，預冷凍處理方式可以有效地提高果蔬的干燥速率。此外，預冷凍處理的樣品在微波真空干燥下的機械性能變化較大，口感較好；Zielinska等[6]研究了藍莓干微波真空預冷凍處理的效果，結果表明預冷凍可以有效地降低干燥時間及能源消耗。

因此，為了提高產(chǎn)品的質量，擴大產(chǎn)品的多樣性，本研究選取菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干分別作為高糖和低糖果干的代表，將預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干樣品分別與未處理(新鮮)樣品進行對比，研究預冷凍對其干燥速率、膨化率、硬度和脆度等品質特性的影響；此外，將預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干再一次進行對比，研究預冷凍處理對菠蘿蜜(高糖)和胡蘿卜(低糖)果干的干燥特性、膨化率、硬度和脆度等品質特性的影響。評價預冷凍處理對高糖含量的菠蘿蜜果干和低糖含量的胡蘿卜果干在微波真空干燥下的實用性，以期得到耗時最短、耗能最少、品質更好的產(chǎn)品，為預冷凍產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了技術參考和理論支持。

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

2.1.1 實驗材料

菠蘿蜜、胡蘿卜：南寧，選取新鮮完整的菠蘿蜜、胡蘿卜貯藏于4 ℃冷庫中備用。

2.1.2 主要儀器與設備

WBZ-10型智能化靜態(tài)微波真空干燥機 貴陽新奇微波工業(yè)有限責任公司；AE224型電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；DHG-9146A型電子恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；ACS-3H型電子秤 中山市金利電子衡器有限公司；TA-XT plus型質構儀 英國StableMicro公司；D-180GY2S型冰箱 康佳公司；Phenom型飛納臺式掃描電鏡；核磁共振成像分析儀 紐邁電子科技有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 樣品制備

分別選擇形狀大小相似的菠蘿蜜去核，胡蘿卜去皮后切分成長×寬×厚為6 cm×3 cm×3 mm的小粒，用保鮮袋密封。根據(jù)預實驗結果，置于-18 ℃的冰箱中凍藏3 d更有利于冰晶的形成，干燥前將其解凍至室溫。

2.2.2 干燥過程

將1000 g的菠蘿蜜和胡蘿卜果干樣品置于微波真空干燥機中，微波真空干燥機的真空度設定為0.08 MPa，輸出功率設定為0.5，1.5 W/g，為了防止溫度過高造成樣品糊化，采用微波輻照1 min，間隔1 min的干燥方式處理。

2.2.2.1 水分含量的測定[7]

采用常壓干燥法。

2.2.2.2 干基含水率

干基含水率是指濕物料中水分與絕干物質的質量之比[8]。在干燥過程中，濕物料的總質量在不斷減少，但絕干物質G不變，因此在干燥操作的計算中，應用Mt比較方便。干基含水率Mt是以絕干物質為基準的含水率表達式[9]。干基含水率(Mt)的計算見公式(1)：

Mt=(Wt-G)/G

(1)

式中：Wt為任意t時刻干燥的質量，g；G為絕干物質的質量，g。

2.2.2.3 干燥速率

干燥速率(DR)是指在一定的干燥條件下，物料在單位時間內水分含量的變化[10]。干燥速率是衡量物料在干燥過程中水分蒸發(fā)快慢的一個重要指標。干燥速率(DR)的計算見公式(2)：

DR=(Mt-Mt+1)/△t。

(2)

式中：DR為干燥速率，g/min；Mt為物料在t時刻干基含水率，g/g；Mt+1為物料在t+1時刻干基含水率，g/g；△t為t+1與t的時間差，min。

2.2.3 品質變化2.2.3.1 膨化率的測定

膨化率是反映物料膨化效果的物理量[11]。在測定果干膨化率時，每次選取10片果干，采用小米體積置換法[12-14]測定微波真空膨化前的果干體積V0和微波真空膨化到t時刻的體積Vt，膨化率(W)的測定見公式(3)：

W=Vt/V0×100%。

(3)

式中：W為果干的膨化率；V0為果干的初始體積，mL；Vt為果干膨化后脆片的體積，mL。

2.2.3.2 硬度和脆性的測定[15-16]

采用質構儀進行測試，參數(shù)設置：P/2型穿刺探頭，測試速率0.5 mm/s，測試距離8 mm，出發(fā)點10 g。樣品硬度以質構圖中的峰值表示，數(shù)值越大表明樣品硬度越大，樣品越有嚼勁，但硬度過大口感較差。硬度單位為N/cm2；產(chǎn)品脆度以穿刺過程中應力值變化波動而凸顯出峰個數(shù)多少表示，峰數(shù)越多，產(chǎn)品的脆度越大。每種樣品重復10次，取其平均值。

2.2.3.3 微觀結構組織觀察[17]

將經(jīng)過不同前處理后、具有代表性的果干置于掃描鏡下進行組織結構觀察，具體操作：將處理好的果干切面用導電膠將其貼到掃描電鏡樣品臺上，先在真空鍍膜儀上給果干鍍金屬膜，再通過掃描電子顯微鏡進行觀察掃描拍照。

2.2.3.4 產(chǎn)品質量評價方法

產(chǎn)品質量感官評價指標見表1。感官評價采取百分制進行評價，評價組成員由本專業(yè)的10名同學組成[18]。

表1 產(chǎn)品感官評價指標

2.2.4 數(shù)據(jù)分析

所有值都是3個及以上獨立實驗的平均值，采用t檢驗分析均值差異，并應用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

3 結果與討論

3.1 預冷凍對微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干干燥特性的影響

不同微波功率下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的干燥速率見圖1。在真空度和裝載量恒定的情況下，干燥速率隨著果干單位質量吸收的微波能的不同而不同。

圖1 菠蘿蜜果干(a)和胡蘿卜果干(b)在不同微波功率下的干燥速率

由圖1可知，果干的微波間歇干燥過程有3個階段，包括前期加速、中期恒速和后期降速階段。果干的干燥速率曲線隨著微波功率的增大而變陡峭。干燥加速前期階段，菠蘿蜜和胡蘿卜果干含有大量水分，能夠吸收大量微波輻射能，水蒸氣的排出及單位時間內水蒸氣的壓力差和溫度的壓力差增長，都迫使自由水向果干表面轉移，使果干表面的水分受熱優(yōu)先蒸發(fā)，因此，干燥速率呈上升趨勢；干燥中期，即恒速階段，果干吸收的微波均用于蒸發(fā)內部的大部分水分，果干表面的水汽蒸發(fā)速率與內部的水分擴散速率基本保持恒定狀態(tài)；干燥后期，即降速階段，在真空下，果干會產(chǎn)生壓力差，水分從果干的內部向外擴散，很短的時間內就能達到果干表面，此時有最大的水分散失速率，隨著果干內部水分的減少，吸收的微波也隨之減少，干燥速率呈下降趨勢[19]。

由圖1中(a)可知，微波功率為0.5 W/g、時間為0～60 min時和微波功率為1.5 W/g、時間為0～20 min時，預冷凍處理的菠蘿蜜果干的干燥速率大于鮮果的干燥速率，且時間為15 min、功率為1.5 W/g時，預冷凍的菠蘿蜜果干的干燥速率達到頂峰。這可能是由于預冷凍緩慢冷凍形成的冰晶破壞了菠蘿蜜果干的組織結構，加快了果干的干燥速度，微波功率越高，干燥速率越快，干燥時間越短。但是，果干干燥速度的加快會使果干的表面形成一層薄膜，這層薄膜會阻礙水分的散失。因此，當微波功率為1.5 W/g、時間20 min后，預冷凍的微波功率會下降，圖1中(b)胡蘿卜果干的干燥速率同理。與未處理的果干相比，在干燥前期，預冷凍處理均提高了菠蘿蜜和胡蘿卜果干的干燥速率，當微波功率為0.5，1.5 W/g時，預冷凍處理的菠蘿蜜果干的干燥速率分別提高了1.04，1.13倍；同理，預冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率分別提高了1.18，1.24倍。

由圖2可知，果干的干基含水率曲線隨著加熱時間的延長而變陡峭，功率增大，所需的干燥時間越短，原因可能是加熱時間的延長，增加了菠蘿蜜和胡蘿卜果干內水分子的摩擦和振蕩速度，在真空情況下，水的汽化溫度會因為蒸汽壓的減小而降低，使得汽化的速度加快，從而加快了干燥速率，降低了干基含水率，縮短了干燥時間。

圖2 菠蘿蜜果干(a)和胡蘿卜果干(b)在不同微波功率下的干基含水率

由圖3中(b)可知，預冷凍處理的菠蘿蜜和胡蘿卜果干的干基含水率曲線相對更陡峭，胡蘿卜果干的干基含水率大于菠蘿蜜果干的干基含水率，經(jīng)計算，胡蘿卜果干的初始干基含水率是菠蘿蜜果干的2.72倍。但是，由圖3中(a)可知，胡蘿卜果干的干燥速率大于菠蘿蜜果干的干燥速率。經(jīng)計算，當微波功率為0.5，1.5 W/g時，與預冷凍處理的菠蘿蜜果干相比，預冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率最大提高了3.02，3.4倍。因此，相對于高糖含量的菠蘿蜜果干而言，預冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率更快，預冷凍處理對于低糖含量的胡蘿卜果干更合適。

圖3 預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的干燥曲線

3.2 預冷凍對微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干品質特性的影響

3.2.1 預冷凍處理對微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干膨化率的影響

微波功率是影響果干膨化率、脫水速度以及成品品質的主要因素，適當?shù)墓β什坏梢蕴岣呙撍俾?，而且可以提高果干脆片的膨化率并改善果干的風味品質[20]。微波具有內部加熱的特性，且速度非常快。果干中的水分在短時間內迅速汽化蒸發(fā)，并在果干的內部積累形成蒸汽壓，若果干的質構不能承受此壓力，就會造成體積膨脹，產(chǎn)生膨化效應[21]。

在微波作用下，果干的膨化是以水為動力。若水分含量太低，則膨化動力不足，膨化率低，甚至不能膨化，易焦糊；水分含量過高，則產(chǎn)品膨化后，內部干燥，但外部水分排除不夠充分，產(chǎn)品容易塌陷，膨化率低。水分含量過高還會導致膨化時果干內部的水分急劇汽化卻排不出去，形成大氣泡；若水汽繼續(xù)外排就會沖擊氣泡，使之破裂，這些都會損害產(chǎn)品的外觀品質。

由圖4可知，不同微波功率下，膨化率存在顯著性差異。由圖4中(a)和(b)可知，預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的膨化率大于未處理的果干。當微波功率為0.5，1.5 W/g時, 預冷凍處理后的菠蘿蜜果干的膨化率分別是未處理果干膨化率的1.54，1.13倍；同理，預冷凍處理后的胡蘿卜果干的膨化率分別是未處理果干膨化率的1.62，1.89倍，且差異性顯著(P<0.01)。由圖4中(c)可知，預冷凍處理后的胡蘿卜果干的膨化率都大于菠蘿蜜果干的膨化率。當微波功率為0.5，1.5 W/g時，與預冷凍處理后的菠蘿蜜相比，預冷凍處理的胡蘿卜果干的膨化率分別是其1.02，1.2倍。由此實驗結果可以看出，預冷凍處理對于果干的膨化具有一定的影響。但對于菠蘿蜜果干的膨化率影響不大，對于胡蘿卜的果干膨化率影響較大，且效果顯著。

圖4 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的膨化率

3.2.2 預冷凍處理對微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干中質構特性的影響

硬度和脆度對果干的運輸和保藏性能具有一定的影響，是評價果干品質的重要指標。由圖5中(a)和(b)可知，在不同的功率下，未處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的硬度大于預冷凍處理的果干的硬度。當微波功率為0.5，1.5 W/g時，未處理的菠蘿蜜果干的硬度大于預冷凍處理的菠蘿蜜果干的硬度，差異性不顯著；未處理的胡蘿卜果干的硬度分別是預冷凍處理的胡蘿卜果干硬度的1.3，1.5倍，且差異性顯著。由圖5中(c)可知，將不同微波功率下預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干進行對比，當微波功率為0.5，1.5 W/g時，與預處理的菠蘿蜜果干相比，預冷凍的胡蘿卜果干的硬度分別是其的0.25，0.32倍，且差異性顯著(P<0.01)。

圖5 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的硬度

經(jīng)查資料可知，脆度用峰數(shù)表示，峰數(shù)越多，脆度越大。由圖6中(a)和(b)可知，預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的脆度都大于未處理的果干。在不同功率下，預冷凍處理的菠蘿蜜和未處理的菠蘿蜜果干的差異性不顯著，相反，胡蘿卜果干表現(xiàn)為極顯著。當微波功率為0.5，1.5 W/g時，與未處理的胡蘿卜果干相比，預冷凍處理的胡蘿卜果干的脆度分別是其的2，2.7倍。由圖6中(c)可知，將預冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干脆度進行對比，菠蘿蜜果干的脆度大于胡蘿卜果干的脆度。

圖6 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的峰數(shù)

此結果說明，經(jīng)預冷凍處理后的果干，其質構變得松散易碎，緩慢冷凍會導致冰晶無規(guī)則地生長和膨脹，從而導致細胞膜被破壞，甚至細胞壁被破壞，一般來說，冷凍速度越慢，形成晶體的速度越快，組織被破壞的程度就越大，對于食物來講，在-3～-10 ℃凍結，組織被損傷的程度最大[22]。破裂的細胞壁會從根本上改變機械組織的特性。高糖含量的果干在干燥的過程中，水分的轉移會帶動果干內部糖分的轉移，導致果干表面的糖組分增加，微波干燥加熱過程使糖組分結晶化，從而使其表面形成堅硬的外殼[23]；另一方面，糖分和菠蘿蜜果干自身的組分通過羥基的氫鍵相互作用[24]，使果干的組織結構硬度增加。且菠蘿蜜果干的含糖量遠遠大于胡蘿卜果干的含糖量，因此菠蘿蜜果干的硬度遠遠大于胡蘿卜果干的硬度，且差異極顯著(P<0.01)。果干的脆度見圖6中(c)，預冷凍處理的菠蘿蜜果干的脆性大于胡蘿卜果干，當微波功率為0.5 W/g 時，預冷凍處理的胡蘿卜果干的脆性是預冷凍菠蘿蜜果干的0.64倍，且差異性顯著(P<0.01)；當微波功率為1.5 W/g時，預冷凍處理的胡蘿卜果干的脆性是預冷凍菠蘿蜜果干的0.94倍。硬度過大，會影響產(chǎn)品的口感，因此，相對于高糖含量的菠蘿蜜果干，預冷凍處理對于低糖含量的胡蘿卜果干的硬度和脆度品質的效果更好。

3.2.3 預冷凍處理對微波真空干燥下菠蘿蜜和胡蘿卜果干組織結構及感官評價的影響

預冷凍與未處理的菠蘿蜜和胡蘿卜果干在不同微波功率下的SEM圖像和樣品圖見圖7。在0.5 W/g的功率下，未處理(鮮果)菠蘿蜜的空隙大小較不均勻，水分分布不均勻，易糊化，由圖7中(a)可知，在干燥過程中，由于壓力差，未處理的菠蘿蜜的糖分隨著水分從果干內部轉移至果干表面，糖分在果干表面結晶，表面容易糊化，且由于水分分布不均勻，容易產(chǎn)生氣泡。在1.5 W/g功率下，微波功率較大，果干受熱不均勻，未處理的菠蘿蜜果干的空隙大小不均勻，其產(chǎn)生的氣泡更大，見圖7中(c)。這是因為在干燥過程中，由于壓力差，糖分隨著水分遷移到果干表面，且更容易糊化。預冷凍處理的菠蘿蜜空隙的大小相對未處理的空隙大小均勻，由于緩慢冷凍，結構組織遭到了破壞，部分出現(xiàn)坍塌、破裂，見圖7中(b)和(d)；在干燥過程中，水的流動性較好，水分分布比較均勻，不易產(chǎn)生糊化，且顏色正常，但是表面不干燥且有糖分溢出。胡蘿卜果干的空隙是肉眼可見的，見圖8。未處理的胡蘿卜果干的空隙較大，且大小不一，見圖7(e 和g)和圖8(a和c)，且顏色由紅變黃，易產(chǎn)生氣泡。預冷凍處理的胡蘿卜果干的空隙相對比較均勻，結構組織比較整齊，膨化率較好，口感酥脆，且能維持果干鮮亮的顏色，見圖7(f和h)和圖8(c和d)，因此，相對于高糖含量的菠蘿蜜果干，預冷凍處理的低糖含量的胡蘿卜果干不易糊化，無氣泡且顏色鮮艷，口感更好，效果更顯著。

圖7 預冷凍與未處理(新鮮)的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波下的SEM圖像和樣品圖

圖8 預冷凍與未處理(新鮮)的菠蘿蜜和胡蘿卜果干在不同微波下的樣品切面圖

4 結論

研究發(fā)現(xiàn)，與未處理的果干相比，預冷凍處理對高糖含量的菠蘿蜜果干和低糖含量的胡蘿卜果干的品質特性均有一定的影響，尤其是對低糖含量的胡蘿卜果干干燥特性和品質特性的影響更大，差異性極顯著(P<0.01)。預冷凍后的菠蘿蜜果干樣品表面有糖溢出，容易出現(xiàn)焦糊，質地較硬，酥脆性能差，口感不佳，而預冷凍處理后的胡蘿卜果干顏色鮮艷，表面干燥，質地較好，酥脆性較好，口感較好。綜合評價，預冷凍處理更適合低糖含量的胡蘿卜果干。