微波功率對月柿果片微波間歇干燥中水分遷移及品質的影響

覃焱婷 段振華 韋珍珍 周思云 唐小閑

(1.大連工業(yè)大學食品學院，遼寧 大連 116034；2.賀州學院食品與生物工程學院，廣西 賀州 542899)

恭城月柿為柿科(Ebenaceae)柿屬(DiospyrosL.)植物。由于月柿屬于呼吸躍變型果實，采后常溫下極易軟化，且柿果是季節(jié)性收獲的，如果使用不當?shù)馁A藏和運輸方法，將造成重大損失[1]。對月柿進行干燥可以較好地解決這個問題。

干燥通過去除游離水來減緩產品中可能發(fā)生的生化反應，從而使產品能夠便于貯存、運輸和攜帶[2]。近年來，微波間歇干燥因具有干燥時間短、散熱均勻、最終產品質量好、能耗低等優(yōu)點，成為了研究熱點[3-4]。而有關月柿微波干燥的研究報道甚少。

低場核磁共振(LF-NMR)和成像技術(MRI)在快速、無損地監(jiān)測水分變化方面具有獨特的優(yōu)勢，已被廣泛用于干燥[5]、復水[6]、冷凍[7]、嫩化[8]等食品加工過程中。研究擬以恭城月柿為試驗原料，采用LF-NMR和MRI技術監(jiān)測不同微波功率下月柿果片的水分狀況，并對月柿果片的色澤、質構和微觀結構進行測定，對比其在不同微波功率下的品質變化，為月柿干燥加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

恭城月柿：市售。

1.2 主要儀器設備

微波爐：G70D20CN1P-D2(S0)型，廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；

電子天平：JJ1000型，常熟市雙杰測試儀器廠；

水分測定儀：MB90型，奧豪斯儀器常州有限公司；

核磁共振成像分析儀：NMI 20-015V-I型，上海紐邁電子科技有限公司；

色差計：CR-400型，日本柯尼卡美能達控股株式會社；

物性測定儀：TA.XT Plus型，英國Stable Micro Systems公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-7610F型，日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備 取無破損、成熟度相對一致的月柿，經去皮后，將其切成厚度為2 cm 的果片，均勻擺放后置于微波干燥腔內。在間歇比為2的條件下，設定不同的微波功率(280，350，420，490，560 W)進行干燥，到達間歇時間后將其取出，快速稱量月柿干燥產品的總質量，直至月柿果片干燥至設定質量(對應干基≤35%[9])時，停止干燥。

1.3.2 水分測定 根據(jù)GB 5009.3—2016, 采用直接干燥法測定月柿果片的初始含水量。干燥樣品含水量按式(1)計算[10]:

(1)

式中：

Xt——月柿干燥至t時的干基含水率，g/g；

Mt——月柿干燥至t時的總質量，g；

Md——月柿絕干物料質量，g。

1.3.3 低場核磁共振(LF-NMR)和成像(MRI)檢測 采用核磁共振成像分析儀對樣品進行測定，測定參數(shù)：樣品倉恒溫(32±0.01)℃，質子共振頻率18.0 MHz，采用Carr-Purcell-Meiboom-Gillsquence(CPMG)脈沖序列采集衰減信號，90°脈沖和180°脈沖分別為10.00，19.52 μs，回波個數(shù)4 000，累加采樣4次。以玉米油為標準油，測量橫向弛豫時間(T2)。將不同微波功率下干燥的月柿果片每干燥5 min進行衰減信號的采集，每次測量進行3次。

對不同微波功率干燥后的月柿果片進行核磁共振圖像試驗，將樣品置于透明圓柱形玻璃管，采用自旋回波(MSE)序列進行T2加權成像，掃描參數(shù)：翻轉角度90°，尺寸256，像素192，視野80 mm×80 mm，層厚3 mm，層間隙2 mm。通過20 ms的回波時間和500 ms的重復時間獲得T2加權圖像。

1.3.4 色差值測定 將月柿果片研磨成粉末狀，分別測定月柿果片的L*、a*、b*值。以白板作為標準參考，每個樣品測定3次，取其平均值，按式(2)計算總色差。

(2)

式中：

ΔE——總色差值；

L*——樣品亮度值；

a*——樣品紅綠值；

b*——樣品黃藍值；

L——儀器經白板校正后的亮度值；

a——儀器經白板校正后的紅綠值；

b——儀器經白板校正后的黃藍值。

1.3.5 硬度、彈性、咀嚼性測定 采用TA.XT Plus物性測定儀TPA程序對月柿果片樣品進行測定，參照王宸之等[11]的方法稍作修改，測定參數(shù)：探頭為P/36R，試驗前速度1.00 mm/s，試驗速度3.00 mm/s，試驗后速度10 mm/s，觸發(fā)力5.0 g，測試距離5.000 mm。通過質地特征曲線可得到月柿果片的TPA參數(shù)：硬度、彈性、咀嚼性，每個樣品測定3次，取其平均值。

1.3.6 電子顯微鏡掃描 參照Kamal等[12]的方法并稍作修改，將干燥后的樣品切成1 mm× 1 mm×2 mm大小的塊狀樣品，用石墨雙面膠將樣品固定在樣品臺上，噴金鍍膜后，將制備好的樣品放入低真空樣品室中抽真空后，在1.00 kV的加速電壓下調節(jié)聚光焦距并放大一定倍數(shù)觀察樣品的微觀結構。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件應用Duncan多重比較法進行單因素方差分析，使用Origin 9.1軟件進行繪圖。

2 結果和討論

2.1 對橫向弛豫時間和核磁共振成像的影響

由圖1可知，在新鮮月柿中發(fā)現(xiàn)了3個弛豫時間分別為8，91，1 048 ms(從左到右軸上的每個峰時間分別為T21、T22、T23)。T21的峰值最小(即弛豫時間最小)，流動性最差，可歸屬于結合水，它與月柿組織中的細胞壁多糖結合緊密[13]。較低的中間峰T22代表細胞質中流動性較小的水(也稱為不易流動水)，這些水被困在高度有序的結構中，與大分子緊密結合[14]。具有最大面積的峰T23為存在于細胞間隙、原生質及液泡內游離程度較高的自由水，水分自由度較高、流動性較好[15]。

圖1 新鮮月柿橫向弛豫曲線

干燥過程會改變樣品的含水量，也可能改變水分子與其他細胞內大分子的結合條件[16]。由圖2可知，隨著干燥時間的增加，在不同微波功率下，T2弛豫時間的分布發(fā)生了明顯的變化：峰值振幅明顯減小，橫向弛豫時間向左側偏移。這些現(xiàn)象表明，微波間歇干燥會導致水分含量和水分流動性隨干燥時間的增加而降低。

在微波間歇干燥月柿果片干燥過程中，T21值變化最小，280 W為5.72～9.33 ms，350 W為5.72～7.92 ms，420 W為5.72～9.33 ms，490 W為5.72～7.92 ms，560 W為2.98～10.98 ms。說明與細胞壁多糖結合的水是穩(wěn)定的，不易受干燥過程的影響[13]。隨著干燥時間的延長，T2反演譜上的3個峰會出現(xiàn)峰融合個數(shù)減少的現(xiàn)象，說明在微波間歇干燥過程中，月柿果片的不同狀態(tài)水之間是動態(tài)的連續(xù)變化過程，并且能相互滲透和轉化[17]。這可能是因為微波間歇干燥存在一個間歇時間，月柿果片內部溫度梯度在間歇時間內會減小，水分會重新分布[18]，也可能是由于微波間歇干燥引起的細胞膜損傷，使細胞的持水能力下降，果膠、多糖等大分子物質降解，葡萄糖、果糖、蔗糖等小分子碳水化合物增加，這些溶質的增加為流動性較小的水提供了更多的結合機會[16]。由圖2還發(fā)現(xiàn)，微波功率越大到達干燥終點所需時間越短，且T23急劇減少最終消失，表明微波功率是影響月柿果片干燥速率的重要因素，其值越大越有利于除去自由水。

圖2 不同微波功率干燥月柿果片的橫向弛豫曲線

MRI圖像輪廓清晰分明、亮度高，表明H質子密度越高，物料水分含量也越高[19]。在所有月柿果片樣品中，隨著干燥時間的延長，MRI圖像的外側輪廓逐漸模糊，亮度逐漸減弱，直至干燥后期，因水分過低無法獲取MRI圖像。結果表明，隨著干燥時間的延長，所有月柿果片樣品的T2加權圖像的信號強度均降低；較高質子密度區(qū)域相對應的明亮區(qū)域的大小隨著長時間的微波間歇干燥而減小。因為H質子密度越大，信號強度越大，月柿果片水分含量越高，呈高亮狀態(tài)；相反，水分含量越低，圖像越接近背景色[20]。月柿果片樣品中水分含量的降低，表現(xiàn)為從表面到內部的信號強度降低，微波功率、干燥時間與信號強呈負相關。

2.2 對色澤的影響

由表1可知，L*值、a*值與b*值隨著微波功率的增加而顯著減小，ΔE值則逐漸增大，且隨微波功率變化較為顯著。這可能是因為微波功率越高，干燥溫度越高，微波能量分布越不穩(wěn)定，使樣品出現(xiàn)炭化現(xiàn)象。

表1 微波功率對月柿果片色澤的影響?

從月柿果片經不同微波功率干燥后的外觀變化可以發(fā)現(xiàn)，果片的中心區(qū)域隨著微波功率的不同而出現(xiàn)不同程度的顏色加深變黑現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象隨著干燥過程的進行由內往外逐漸延伸。這種變化同微波加熱的邊角效應方向相反。這可能是月柿果片的水分含量分布不均勻，且柿果的果心是果實中心纖維束部分，中間會出現(xiàn)空腔現(xiàn)象[21]，因此對樣品進行干燥直至達到所需的含水量時，靠近芯部的區(qū)域比較容易出現(xiàn)焦化或炭化現(xiàn)象[22]。也可能是月柿果片不同部位的化學成分含量不同，在微波加熱條件下發(fā)現(xiàn)了不同的褐變反應，其變化機理有待進一步研究。

2.3 對硬度、彈性、咀嚼性的影響

產品的硬度和彈性等質構特性，對干燥后產品品質變化有很大影響。月柿果片在不同微波功率下的硬度、彈性、咀嚼性如表2所示。月柿果片樣品的硬度、彈性和咀嚼性隨著微波功率的增加而顯著增加，可能是在高的微波功率下，干燥的溫度更高，由此產生的溫度梯度越大，水分傳遞速度快速增加，導致水分快速蒸發(fā)；當果片的水分含量降至某一臨界值后，表現(xiàn)為果片表面水分的汽化速度超過水分傳遞速度，干燥速率降低，果片由最外層向內逐漸變干[23]，導致樣品變硬。果片彈性隨微波功率增大而增大，但變化范圍不大，這可能與果片內部組織結構彈性恢復能力比較恒定有關[24]。咀嚼性是硬度、彈性的綜合表現(xiàn)，反映了果片從咀嚼狀態(tài)到可吞咽狀態(tài)所需的能量[25]，因此硬度與彈性增大，咀嚼性也隨之增大，這與馬超等[26]研究結果一致。

表2 微波功率對月柿果片硬度、彈性、咀嚼性的影響?

2.4 對微觀結構的影響

由圖3可知，當微波功率為280 W時，月柿果片微觀結構呈凹凸不平的溝壑狀，可能是由于在微波干燥過程中，細胞受熱后迅速脫水而收縮，造成塌陷皺褶現(xiàn)象。當微波功率增加到350，420 W時，干燥速率快，內部的水分迅速汽化，使月柿果片內部組織發(fā)生膨脹[27]，產生大的突起，外部呈現(xiàn)大氣泡，體積膨脹。當微波功率為490，560 W時，水分蒸發(fā)產生的壓力差較大，使月柿果片內的部分水分以液態(tài)水形式直接析出表面，該部分水主要在月柿果片的表面汽化蒸發(fā)，削弱了膨化作用[23]，故果片局部突起較小，但可能因其失水速度過快，使組織畸變，造成塌陷皺褶現(xiàn)象。

圖3 不同微波功率微觀結構電鏡掃描圖

3 結論

通過對比分析在不同微波功率下月柿果片的水分動態(tài)狀況、色澤、質構、微觀結構，探討微波功率對月柿果片的影響。微波間隙干燥時，微波能轉化為熱能使組織溫度升高，月柿果片水分不斷散失，H質子密度減少。隨著微波功率的增加，果片干燥溫度升高，果片色澤變暗，硬度、彈性、咀嚼性增加，果片組織結構變形。研究結果表明，較低的微波功率能得到品質較佳的月柿干制品。但由于月柿本身的構造導致果片各部位水分分布不均勻，靠近芯部的區(qū)域干燥速度較快，這種變化與微波的邊角效應相反，因此月柿果片干燥過程中微波引發(fā)逆邊角效應的機理有待進一步深入研究。