吸波材料輔助發(fā)泡藍(lán)莓果漿微波冷凍干燥的試驗(yàn)研究

于佳慧，王 維，唐宇佳，張 朔，林潤(rùn)澤，張大為

吸波材料輔助發(fā)泡藍(lán)莓果漿微波冷凍干燥的試驗(yàn)研究

于佳慧，王 維※，唐宇佳，張 朔，林潤(rùn)澤，張大為

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，大連 116024）

針對(duì)常規(guī)冷凍干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗高的問(wèn)題，試驗(yàn)研究了吸波材料輔助的發(fā)泡藍(lán)莓果漿微波冷凍干燥過(guò)程，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。制備了未發(fā)泡與發(fā)泡兩種冷凍樣品，分別使用石英和碳化硅底盤進(jìn)行了常規(guī)和微波冷凍干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用石英底盤在30 ℃、15 Pa下，發(fā)泡物料的冷凍干燥時(shí)間相比于未發(fā)泡物料縮短了39.1%。采用碳化硅底盤在相同條件和2 W微波功率下，發(fā)泡物料微波冷凍干燥時(shí)間比發(fā)泡與未發(fā)泡物料常規(guī)冷凍干燥分別縮短了14.3%和47.8%；當(dāng)功率提高至4 W時(shí)，干燥時(shí)間分別縮短了25.0%和54.3%。常規(guī)和微波冷凍干燥產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)，總單體花色苷和總多酚的保留率相比于原果漿均分別在80%和75%以上。結(jié)果表明，吸波材料輔助的發(fā)泡物料微波冷凍干燥能夠大幅度縮短干燥時(shí)間、提高干燥過(guò)程經(jīng)濟(jì)性。

干燥；微波；冷凍干燥；微波加熱；發(fā)泡；吸波材料；花色苷；多酚

0 引 言

藍(lán)莓具有獨(dú)特的口感和良好的營(yíng)養(yǎng)保健功能，其富含花色苷和多酚等成分，對(duì)于許多慢性疾病具有預(yù)防作用[1]。藍(lán)莓果實(shí)為漿果型，具有肉嫩多汁、表皮薄的特點(diǎn)，不便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。為了延長(zhǎng)保質(zhì)期和降低運(yùn)輸成本，通常將漿果干燥成為果干或者固體粉末等形式[2]。在眾多的干燥方法中，冷凍干燥產(chǎn)品在營(yíng)養(yǎng)成分的保留、質(zhì)構(gòu)和口感方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。冷凍干燥過(guò)程是在低溫和接近真空無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行的，能夠極大地保留原料的風(fēng)味和揮發(fā)性成分，有效地減少生物活性成分的氧化[4]。但冷凍干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗大和生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用[5]。冷凍干燥（Freeze-Drying，F(xiàn)D）是一個(gè)典型的質(zhì)、熱耦合傳遞過(guò)程。因此，強(qiáng)化冷凍干燥過(guò)程以降低過(guò)程能耗必須從傳質(zhì)和傳熱兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。

水蒸氣在干燥層中的遷移是影響冷凍干燥過(guò)程傳質(zhì)速率的主要因素之一[6-7]。常見的液體物料冷凍干燥過(guò)程是將料液直接冷凍，冷凍物料內(nèi)部一般不存在孔隙，冰晶升華只發(fā)生在升華界面[8]。為了降低傳質(zhì)阻力、提高冷凍干燥速率，Wang等[9]提出，采用“軟冰”冷凍方法使得料液發(fā)泡膨化，形成多孔的“非飽和”物料，然后再進(jìn)行冷凍干燥。理論和試驗(yàn)結(jié)果均表明，預(yù)先形成的孔隙增加了水蒸氣遷移的空間，傳質(zhì)阻力大大降低；較大的內(nèi)部表面積也有利于解吸干燥的進(jìn)行，有效縮短了冷凍干燥時(shí)間[10-11]。這種方法適合一些含糖量較高、黏度較大的液態(tài)或半液態(tài)食品物料，通過(guò)機(jī)械攪打的方式可以使其形成穩(wěn)定的泡沫；將泡沫物鋪成均勻薄層（通常0.3～1 cm），然后冷凍干燥[12]。由于果漿本身不易起泡，通常需要在果漿中添加一定的發(fā)泡劑，如雞蛋清、大豆分離蛋白等[13-14]。分離乳清蛋白營(yíng)養(yǎng)可觀，富含多種活性成分，是一種常用的發(fā)泡劑[12]。為了維持整個(gè)冷凍干燥過(guò)程中泡沫的機(jī)械和熱穩(wěn)定性，通常需要添加一定的穩(wěn)定劑。果膠作為一種高分子量的多糖，有助于維持泡沫的穩(wěn)定，阻止泡沫發(fā)生液膜排液、聚并以及奧斯特瓦爾德熟化等現(xiàn)象[15]。雖然泡沫冷凍干燥有效強(qiáng)化了過(guò)程傳質(zhì)，但是發(fā)泡物料的有效熱導(dǎo)率較小，此時(shí)傳熱成為過(guò)程速率的控制因素。

提升操作溫度有利于冷凍干燥過(guò)程的傳熱，但過(guò)高的溫度可能使物料內(nèi)的冰晶融化，導(dǎo)致干燥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)破壞和干燥過(guò)程失敗。陳彩勝[16]指出，熱傳導(dǎo)是冷凍干燥過(guò)程主要的傳熱機(jī)理，傳熱阻力主要來(lái)自于物料和加熱板表面之間的不良導(dǎo)熱。微波具有良好的穿透性，其能夠與耗散物質(zhì)相互作用，形成體熱源狀態(tài)，大大減小了傳熱阻力[17]。Ozcelik等[2]發(fā)現(xiàn)，微波冷凍干燥可以大幅度縮短干燥時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量與常規(guī)冷凍干燥相當(dāng)。但是，微波加熱具有選擇性，其加熱效果與物料損耗因子的大小密切相關(guān)。藍(lán)莓果漿凍結(jié)后冰晶損耗因子很小，對(duì)微波的吸收能力極弱。如果果漿中固體基質(zhì)的吸波能力較差，微波體加熱效果將難以體現(xiàn)。為了充分利用微波，Wang等[18]提出，使用損耗因子較大的吸波材料碳化硅（Silicon Carbide，SiC）來(lái)輔助微波加熱。理論和試驗(yàn)結(jié)果均表明，該方法有效地強(qiáng)化了微波冷凍干燥過(guò)程[8,19]。但是在較大的微波功率下，物料內(nèi)部的冰晶快速升華，水蒸氣無(wú)法通過(guò)致密的結(jié)構(gòu)及時(shí)地遷移至物料外部，造成物料局部過(guò)熱、甚至崩塌[20]。此時(shí)，傳質(zhì)成為過(guò)程速率的控制因素。

上述研究表明，只有同時(shí)強(qiáng)化過(guò)程的傳質(zhì)和傳熱，才能從根本上解決冷凍干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗高的問(wèn)題。因此，本課題組提出了“吸波材料輔助微波加熱的非飽和多孔介質(zhì)冷凍干燥”的技術(shù)思想，并從試驗(yàn)和理論兩個(gè)方面證明了所提思想能夠顯著縮短冷凍干燥時(shí)間[19,21]。本研究以藍(lán)莓果漿為原料，分別制備未發(fā)泡和發(fā)泡兩種物料；使用石英和SiC兩種材質(zhì)的底盤，分別進(jìn)行常規(guī)和微波冷凍干燥試驗(yàn)，探究發(fā)泡處理和吸波材料輔助微波加熱對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響；以色澤、總單體花色苷和總多酚的保留率為主要指標(biāo)評(píng)價(jià)干燥產(chǎn)品的質(zhì)量；基于掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）形貌表征，從微觀角度研究干燥產(chǎn)品的多孔固體骨架結(jié)構(gòu)對(duì)干燥過(guò)程的作用機(jī)理。研究將這種同時(shí)強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱的冷凍干燥方法應(yīng)用于果漿的干燥，以期為漿果加工行業(yè)開發(fā)出高效的干燥方法提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與裝置

1.1 材料與儀器

新鮮的藍(lán)莓（佳沃藍(lán)莓）購(gòu)自當(dāng)?shù)爻?，平均含水率?5.67%±0.47%。分離乳清蛋白（80%，源葉，中國(guó)）作為發(fā)泡劑，果膠（純度≥74%，羅恩，中國(guó)）作為穩(wěn)定劑。試驗(yàn)中使用的試劑包括：甲醇（純度≥99.9%，科密歐，中國(guó)），卡爾費(fèi)休試劑（科密歐，中國(guó)），福林酚試劑（羅恩，中國(guó)），無(wú)水碳酸鈉（純度≥99.5%，羅恩，中國(guó)）。

試驗(yàn)主要儀器包括：攪拌機(jī)（美的，MJ-WBL2501A，中國(guó)），磁力攪拌器（DragonLAB，MS-H-Pro+，德國(guó)），電動(dòng)打蛋器（樂(lè)米高，N180，中國(guó)），電子天平（Mettler，ME403E，瑞士），冷凍干燥機(jī)（Christ，Alpha 1-4 LSCplus，德國(guó)），卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀（Mettler，ET08，瑞士），臺(tái)式分光測(cè)色儀（3nh，YS6060，中國(guó)），臺(tái)式離心機(jī)（飛鴿，TDL-80-2B，中國(guó)），紫外分光光度計(jì)（PerkinElmer，Lambda 750S，美國(guó)），掃描電鏡（Scanning Electronic Microscope，SEM，F(xiàn)EI，Quanta450，美國(guó)）。

1.2 共晶點(diǎn)測(cè)試裝置

預(yù)凍溫度與物料的共晶溫度或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)。若預(yù)凍溫度較高，則物料中的水分可能未完全凍結(jié)，容易發(fā)生局部沸騰和起泡現(xiàn)象，造成物料失形和表面硬化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響冷凍干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。若預(yù)凍溫度較低，將大大增加冷凍干燥過(guò)程的能耗[22]。為了確定合適的預(yù)凍溫度，本試驗(yàn)采用電阻法測(cè)定藍(lán)莓果漿的共晶溫度。試驗(yàn)是在Christ冷凍干燥機(jī)的共晶點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)（Lyo Control measuring system）上進(jìn)行的，可以實(shí)現(xiàn)樣品溫度和電阻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括：冷凍干燥機(jī)冷阱，共晶點(diǎn)測(cè)試探頭（LyoRx，125130，德國(guó)），無(wú)線加熱隔板（WST，122576，德國(guó)）和數(shù)據(jù)處理軟件（LyoLogplus，125025，德國(guó)）。

1.3 冷凍干燥試驗(yàn)裝置

冷凍干燥在一套自行設(shè)計(jì)并組裝的多功能微波冷凍干燥裝置上進(jìn)行，如圖1所示。該裝置由5個(gè)子系統(tǒng)組成：冷凍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微波加熱系統(tǒng)。

1.深冷冰柜 2.真空泵 3.壓力傳感器 4.調(diào)節(jié)閥 5.冷阱 6.換熱器 7.恒溫循環(huán)槽 8.環(huán)形風(fēng)機(jī) 9.三通閥 10.熱風(fēng)循環(huán)室 11.同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器 12.微波干燥室 13.樣品組件 14.溫度傳感器 15.固態(tài)微波源 16.計(jì)算機(jī) 17.數(shù)據(jù)采集卡 18.質(zhì)量傳感器

冷凍系統(tǒng)為一臺(tái)深冷冰柜。真空系統(tǒng)包括：微波干燥室、冷阱和真空泵。控溫系統(tǒng)包括：恒溫循環(huán)槽、換熱器、環(huán)形風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)循環(huán)室，用于控制和調(diào)節(jié)干燥室表面溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和3個(gè)傳感器。傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)LabVIEW程序數(shù)字化處理后，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。有關(guān)上述4個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[23]。微波加熱系統(tǒng)包括：同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和固態(tài)微波源（Wattsine，WPS-2450-300，中國(guó)）。固態(tài)微波源的選取和微波干燥室的設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[19]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 藍(lán)莓果漿共晶溫度測(cè)量

選取大小均勻、形狀飽滿、表皮圓潤(rùn)的藍(lán)莓鮮果，加水清洗干凈，室溫下瀝干；放入攪拌機(jī)中打漿2 min，然后通過(guò)孔徑為1 mm的篩網(wǎng)濾過(guò)，即可得到細(xì)膩且均勻的藍(lán)莓果漿。共晶溫度測(cè)量步驟如下：1）打開冷凍干燥機(jī)電源、運(yùn)行預(yù)凍程序，使冷阱溫度降低并維持在-54 ℃左右；2）用西林瓶稱量8 mL藍(lán)莓果漿，放入干燥設(shè)備冷阱中；3）將探頭測(cè)試端置于果漿樣品底部，連線端插入設(shè)備的加熱隔板傳感器接口內(nèi)，保證操作面板上樣品的溫度和相對(duì)電阻率讀數(shù)正常；4）使用數(shù)據(jù)處理軟件采集數(shù)據(jù)，并記錄樣品溫度和電阻率的變化值；5）當(dāng)樣品的電阻率達(dá)到最大值并趨于不變時(shí)，樣品達(dá)共晶狀態(tài)，測(cè)量結(jié)束。依次關(guān)閉數(shù)據(jù)采集界面和冷凍干燥機(jī)。6）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

藍(lán)莓果漿的共晶溫度測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖中兩條曲線分別表示樣品溫度和樣品相對(duì)電阻率(/0)的變化。當(dāng)樣品電阻率達(dá)到最大值時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度即為共晶溫度[24]。由圖2可以看出，最大電阻率對(duì)應(yīng)的藍(lán)莓果漿共晶溫度為-20.42 ℃。

圖2 冷凍過(guò)程中樣品溫度和相對(duì)電阻率的變化

2.2 微波冷凍干燥試驗(yàn)

2.2.1 樣品制備

本試驗(yàn)制備了兩種物料，分別是未發(fā)泡物料和發(fā)泡物料。未發(fā)泡物料的制備是將100 g果漿與3.5 g分離乳清蛋白和1.5 g果膠混合于200 mL的燒杯中，放置在磁力攪拌器上，室溫下以200 r/min攪拌30 min，使添加劑完全水合。發(fā)泡物料的制備是將果漿與分離乳清蛋白和果膠混合后（添加量與未發(fā)泡物料相同），使用電動(dòng)打蛋器均勻攪打10 min，即可得到藍(lán)莓果漿泡沫。兩種物料的初始含水率均為80.25%±0.10%。稱取8 g兩種物料，分別裝入模具塑形，使物料在支撐底盤上平鋪均勻，置于深冷冰柜中冷凍定型。冷凍溫度一般比物料共晶溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低10～20 ℃[22,24]，這是為了保證物料凍結(jié)完全，避免干燥過(guò)程中的物料崩塌。考慮到樣品從深冷冰柜移入干燥室時(shí)又會(huì)升溫，本試驗(yàn)最終確定冷凍溫度為-40 ℃，冷凍時(shí)間為6 h。

物料厚度對(duì)于冷凍干燥過(guò)程是一個(gè)十分重要的參數(shù)[25]。冷凍干燥過(guò)程主要的傳質(zhì)阻力來(lái)自于水蒸氣在干燥層的遷移。隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，干燥層厚度不斷增加，傳質(zhì)阻力與干燥層厚度大致呈線性關(guān)系[6]。物料越薄，流動(dòng)阻力和熱阻越小，質(zhì)量和熱量傳遞越快，升華速率越高。為了探究發(fā)泡處理對(duì)過(guò)程傳質(zhì)是否具有強(qiáng)化作用，制備的發(fā)泡樣品厚度略大于未發(fā)泡樣品厚度。未發(fā)泡樣品直徑為40 mm，厚度為6.2 mm；發(fā)泡樣品直徑為66 mm，厚度為8.4 mm。試驗(yàn)使用了石英和SiC兩種材質(zhì)的底盤作為對(duì)照。石英的介電損耗因子為0.003，不易吸收微波；SiC的介電損耗因子為11.0，極易吸收微波[20]。支撐未發(fā)泡物料和發(fā)泡物料的石英底盤直徑分別為40和66 mm，厚度為5 mm；SiC底盤直徑為66 mm，厚度為5 mm，僅在3.3小節(jié)使用。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

本研究采用未發(fā)泡和發(fā)泡兩種物料進(jìn)行常規(guī)和微波冷凍干燥試驗(yàn)。常規(guī)冷凍干燥是指單純由干燥室表面針對(duì)物料的輻射加熱模式，采用石英底盤；微波冷凍干燥采用輻射+微波的組合加熱模式，采用石英和吸波材料SiC底盤。典型操作條件為：干燥室輻射溫度（）為30 ℃、干燥室壓力（）為15 Pa[6,26]。微波功率分別設(shè)定為2和4 W。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)操作設(shè)計(jì)

操作步驟如下：

1）啟動(dòng)循環(huán)水浴加熱器（圖1中7，下同）和風(fēng)機(jī)（8）以預(yù)熱干燥室（12）至設(shè)定溫度；向冷阱（5）中添加適量液氮，開啟真空泵（2），調(diào)節(jié)三通閥（9）使真空系統(tǒng)與干燥室連通，調(diào)節(jié)閥門（4）使干燥室達(dá)到設(shè)定壓力。

2）完成預(yù)熱后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)三通閥使真空系統(tǒng)與干燥室暫時(shí)隔離；將樣品組件（13）從深冷冰柜（1）中取出，快速地移至干燥室；開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)三通閥使真空系統(tǒng)與干燥室再次連通。

3）開啟固態(tài)微波源（15），調(diào)節(jié)輸出功率至預(yù)設(shè)值。輻射加熱模式則省略此步驟。

4）運(yùn)行計(jì)算機(jī)（16）上的LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序，顯示并自動(dòng)儲(chǔ)存壓力傳感器（3）、溫度傳感器（14）和質(zhì)量傳感器（18）數(shù)據(jù)。

5）當(dāng)樣品質(zhì)量趨于穩(wěn)定時(shí)，干燥結(jié)束。停止數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉固態(tài)微波源（如使用）。

6）取出樣品，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

2.3 干燥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 殘余含水率

將干燥產(chǎn)品放入瓷質(zhì)研缽中迅速研磨成粉末狀，使用卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀測(cè)定其殘余含水率?？栙M(fèi)休滴定原理為：樣品溶解在甲醇溶劑中，含碘的卡爾費(fèi)休試劑滴入樣品，與樣品中的水分發(fā)生反應(yīng)；滴定反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)時(shí)將產(chǎn)生過(guò)量的碘，被電極檢測(cè)到，通過(guò)卡爾費(fèi)休試劑的滴定量可以確定樣品的含水率[27]。

2.3.2 色 澤

色澤是非常重要的食品感官質(zhì)量特性，直接影響到消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)[2]。為了評(píng)估干燥前后產(chǎn)品的色差，本試驗(yàn)使用臺(tái)式分光測(cè)色儀分別測(cè)定了藍(lán)莓果漿和干燥產(chǎn)品的色澤參數(shù)。測(cè)定過(guò)程中使用D65標(biāo)準(zhǔn)光源，設(shè)置觀察者角度為10°。測(cè)定結(jié)果基于CIELAB顏色空間體系，該體系的顏色均由*（Lightness，明度）、*（Redness，紅色度）、*（Yellowness，黃色度）3個(gè)參數(shù)表示。產(chǎn)品的色差（?）由式（1）計(jì)算得到。其中*0、*0、*0表示藍(lán)莓果漿的色澤參數(shù)；*、*、*表示干燥產(chǎn)品的色澤參數(shù)。色差值越大表示干燥前后產(chǎn)品的色澤變化越明顯。

2.3.3 花色苷含量

本研究使用pH示差法測(cè)定花色苷單體的總含量（Total Monomeric Anthocyanin，TMA，mg/L），根據(jù)Darniadi使用的方法做了一些調(diào)整[28]。首先對(duì)藍(lán)莓果漿和干燥產(chǎn)品中的花色苷進(jìn)行提取。稱取3 g的藍(lán)莓果漿或0.4 g的固體粉末產(chǎn)品于燒杯中，加入蒸餾水分別配制成18或20 mL的溶液。將燒杯放置在磁力攪拌器上，室溫下以300 r/min攪拌3 min。將溶液移入20 mL的離心管中，使用離心機(jī)以4 000 r/min離心10 min，取上清液，然后通過(guò)0.45m的醋酸纖維素濾膜過(guò)濾，即可得到藍(lán)莓果漿或干燥產(chǎn)品的花色苷提取液。使用自行配制的pH值為1.0和4.5的緩沖液，分別對(duì)上述兩種提取液以1∶7的比例進(jìn)行稀釋，室溫下反應(yīng)平衡15 min。以蒸餾水為空白對(duì)照，比色皿的光程長(zhǎng)為1 cm，使用紫外分光光度計(jì)對(duì)樣品溶液進(jìn)行吸收光譜掃描，測(cè)定520和700 nm處的吸光值。以矢車菊-3-葡萄糖苷作為計(jì)量，利用Fuleki式（2）對(duì)樣品溶液中花色苷含量進(jìn)行計(jì)算。

其中=(520 nm-700 nm)pH=1.0-(520 nm-700 nm)pH=4.5；520 nm為520 nm處的吸光值；700 nm為700 nm處的吸光值；MW為矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾質(zhì)量，取值為449.2 g/mol；DF為稀釋系數(shù)；為摩爾消光系數(shù)，取值為26 900 L/(mol·cm)；為光程長(zhǎng)，取值為1 cm。TMA的保留率（%）由式（3）計(jì)算得到。

2.3.4 總酚含量

本研究使用Folin-Ciocalteu比色法測(cè)定總酚含量（Total Phenolic Content，TPC，mg/mL），根據(jù)Pinheiro和Darniadi使用的方法做了一些調(diào)整[29-30]。以沒(méi)食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品，藍(lán)莓果漿和干燥產(chǎn)品的多酚提取方法與花色苷提取方法相同。取1 mL的多酚提取液，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的甲醇水溶液以體積比1∶10（下同）的比例進(jìn)行稀釋，混合均勻后取1 mL上述溶液移入離心管中。此后，分別向離心管中加入5 mL用蒸餾水稀釋的福林酚試劑（1∶10）以及4 mL質(zhì)量濃度為75 g/L的碳酸鈉溶液?；旌暇鶆蚝?，在25 ℃下水浴2 h進(jìn)行顯色。使用紫外分光光度計(jì)對(duì)樣品溶液進(jìn)行吸收光譜掃描，測(cè)定743 nm處的吸光值。TPC的保留率（%）由式（4）計(jì)算得到。

2.3.5 微觀形貌

為了觀測(cè)多孔固體骨架及孔隙空間的大小和連通性，本研究對(duì)冷凍干燥產(chǎn)品進(jìn)行了SEM表征。將合適尺寸的樣品用導(dǎo)電膠固定到樣品臺(tái)上，進(jìn)行氮?dú)獯祾吆笫褂脟娊饍x（Quorum，Q150T，英國(guó)）噴金于樣品表面使之具有導(dǎo)電性，之后將樣品放置于固定架上，移入掃描電鏡室中，對(duì)其進(jìn)行掃描和成像。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有的試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 25.0軟件（IBM，Inc.，美國(guó)）完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)泡處理對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響

為了探究發(fā)泡處理對(duì)冷凍干燥過(guò)程的強(qiáng)化作用，在典型操作條件（30 ℃，15 Pa）下采用石英底盤，試驗(yàn)進(jìn)行了未發(fā)泡和發(fā)泡兩種冷凍樣品的冷凍干燥過(guò)程測(cè)試。樣品的尺寸、質(zhì)量和初始含水率如表2所示。如圖3所示，結(jié)果表明未發(fā)泡和發(fā)泡樣品的干燥曲線數(shù)據(jù)重復(fù)性非常好，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.007 45和0.018 1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

表2 樣品參數(shù)

注：操作溫度30 ℃，壓力15 Pa。

由圖3可見，未發(fā)泡與發(fā)泡樣品的干燥時(shí)間分別為23 000與14 000 s，發(fā)泡物料相比于未發(fā)泡物料干燥時(shí)長(zhǎng)縮短了39.1%。對(duì)物料進(jìn)行發(fā)泡處理能夠大幅度縮短干燥時(shí)間，有利于降低過(guò)程能耗，同時(shí)降低了物料中活性成分降解的風(fēng)險(xiǎn)[31]。對(duì)于無(wú)初始孔隙的未發(fā)泡物料，升華只發(fā)生在升華界面上，升華的水蒸氣通過(guò)逐漸形成的具有一定厚度的多孔半干層逸出物料，阻礙了傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)于有預(yù)制初始孔隙的發(fā)泡物料，升華可以發(fā)生在整個(gè)物料中。雖然發(fā)泡物料的厚度略大于未發(fā)泡物料的厚度，但是發(fā)泡物料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于水蒸氣的遷移，增大了多孔介質(zhì)有效擴(kuò)散系數(shù)，減小了傳質(zhì)阻力，一次干燥階段的時(shí)間大大縮短。較低的初始飽和度使發(fā)泡物料具有更纖薄的固體基質(zhì)和更大的內(nèi)表面積，這促進(jìn)了結(jié)合水的解吸，縮短了二次干燥階段的時(shí)間。但是，由于多孔結(jié)構(gòu)的隔熱作用，這種物料的傳熱阻力更大。這一結(jié)論與本課題組以往研究結(jié)論相符[9,11,32]。從干燥產(chǎn)品外觀和干燥過(guò)程曲線可以看出，干燥過(guò)程中物料仍然保持穩(wěn)定、未出現(xiàn)崩塌，這有利于干燥過(guò)程的順利進(jìn)行。

未發(fā)泡和發(fā)泡物料干燥產(chǎn)品實(shí)物照分別如圖4a和4b所示。比較兩種物料干燥產(chǎn)品的外觀和結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，未發(fā)泡物料干燥產(chǎn)品更加緊實(shí)、質(zhì)地較硬；而發(fā)泡物料干燥產(chǎn)品表面和內(nèi)部均存在大量的孔隙，整體呈現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)，這便于產(chǎn)品的收集。

a. 未發(fā)泡樣品a. Unfoamed sampleb. 發(fā)泡樣品b. Foamed sample

3.2 微波加熱對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響

為了探究微波加熱對(duì)未發(fā)泡與發(fā)泡樣品干燥過(guò)程的影響，在輻射加熱的基礎(chǔ)上對(duì)待干物料施加微波。微波加熱是體加熱，電磁波作用于物料時(shí)部分電磁能耗散為熱能。由于冷凍物料中大部分為冰（初始含水率80.25%），而冰的損耗因子非常低、很難吸收微波，因此微波加熱效果很大程度上取決于冷凍物料中固體基質(zhì)的損耗因子大小。保持典型操作條件（30 ℃，15 Pa），仍使用石英底盤，施加功率為4 W的微波，進(jìn)行微波冷凍干燥試驗(yàn)。兩種樣品微波冷凍干燥曲線如圖5所示。未發(fā)泡與發(fā)泡樣品的微波冷凍干燥時(shí)間分別為21 000和13 000 s。與相同物料的常規(guī)冷凍干燥（見3.1節(jié)）相比，干燥時(shí)間分別縮短了8.7%和7.1%。這說(shuō)明本試驗(yàn)中藍(lán)莓果漿的固體基質(zhì)損耗因子很小，不易吸收微波。這使得物料整體的吸波能力有限，影響了微波加熱的效果。即使施加大功率的微波，大部分的微波能不能被物料吸收，造成微波能的浪費(fèi)，甚至?xí)奈⒉ㄔ础?/p>

3.3 吸波材料輔助微波加熱對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響

通過(guò)3.2節(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)莓固體基質(zhì)難以吸收微波，微波加熱效果難以體現(xiàn)。為了充分利用微波，將石英底盤替換為SiC底盤，在30 ℃、15 Pa條件下，分別施加2和4 W的微波功率，對(duì)兩種樣品進(jìn)行微波冷凍干燥試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。與常規(guī)無(wú)微波（見3.1節(jié)）冷凍干燥相比，采用SiC底盤輔助微波加熱（2 W）的未發(fā)泡與發(fā)泡樣品冷凍干燥時(shí)間分別為17 500和12 000 s，干燥時(shí)長(zhǎng)分別縮短了23.9%和14.3%。SiC材料介電損耗因子較大，能夠有效地將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能；且SiC材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，有利于通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給物料[33]。仍然采用SiC底盤，保持其他條件不變，提高微波功率至4 W，未發(fā)泡與發(fā)泡樣品冷凍干燥時(shí)間分別為14 000和10 500 s，干燥時(shí)長(zhǎng)相比于常規(guī)冷凍干燥分別縮短了39.1%和25.0%。對(duì)于吸波材料輔助加熱的微波冷凍干燥過(guò)程，物料干燥所需的熱量來(lái)自于3個(gè)方面：表面輻射加熱，物料自身吸收微波和底盤熱傳導(dǎo)。冷凍干燥過(guò)程能夠順利進(jìn)行表明，樣品溫度沒(méi)有超過(guò)其崩塌溫度，供給的微波體積熱可以維持樣品中冰晶升華所需熱量，且冰晶不會(huì)融化。微波冷凍干燥（4 W）試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，探測(cè)到SiC底盤的溫度約為55 ℃。Khanal等[34]的研究表明，干燥溫度在60 ℃以上時(shí)，可能會(huì)影響藍(lán)莓干燥產(chǎn)品中花色苷的含量。產(chǎn)品溫度未超過(guò)60 ℃表明，本試驗(yàn)干燥產(chǎn)品的質(zhì)量能夠得到保證。加大微波功率會(huì)進(jìn)一步縮短干燥時(shí)間，但過(guò)高的微波功率可能會(huì)導(dǎo)致物料崩塌甚至焦化，而且會(huì)造成熱敏性活性成分的降解。

注：操作溫度30 ℃，壓力15 Pa。

試驗(yàn)測(cè)定了干燥產(chǎn)品的殘余含水率。常規(guī)冷凍干燥條件下的未發(fā)泡與發(fā)泡干燥產(chǎn)品殘余含水率分別為4.33%和3.99%；SiC底盤輔助微波加熱（4 W）條件下的未發(fā)泡與發(fā)泡干燥產(chǎn)品殘余含水率分別為1.02%和1.67%。較低的殘余含水率有利于產(chǎn)品的長(zhǎng)期保存。從圖 6還可以看出，在SiC輔助微波加熱（4 W）的條件下，發(fā)泡樣品相比于未發(fā)泡樣品的干燥時(shí)間仍然縮短了25.0%。這進(jìn)一步證明了發(fā)泡處理對(duì)冷凍干燥過(guò)程的強(qiáng)化作用。在30 ℃、15 Pa條件下，SiC輔助的發(fā)泡物料微波冷凍干燥（2 W）時(shí)長(zhǎng)比未發(fā)泡物料的常規(guī)冷凍干燥時(shí)長(zhǎng)縮短了47.8%；提高微波功率至4 W時(shí)，干燥時(shí)間縮短了54.3%。吸波材料輔助發(fā)泡物料微波冷凍干燥實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)程傳質(zhì)和傳熱的同時(shí)強(qiáng)化。

注：操作溫度30 ℃，壓力15 Pa。

3.4 冷凍干燥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.4.1 色澤評(píng)價(jià)

藍(lán)莓果漿的色澤參數(shù)、輻射加熱（30 ℃）和輻射與微波聯(lián)合加熱（30 ℃、4 W）條件下的未發(fā)泡與發(fā)泡物料干燥產(chǎn)品的色澤參數(shù)如表3所示。相比于藍(lán)莓果漿，干燥產(chǎn)品的*和*值明顯增加。這可能是因?yàn)槲锪现兴趾康慕档?，使得色素濃度增加；也可能與干燥過(guò)程中H+濃度的增加改變花色苷的平衡有關(guān)[35]，pH值降低會(huì)導(dǎo)致更多呈現(xiàn)紅色的2-苯基苯并吡喃陽(yáng)離子的形成。從表3可以看出，發(fā)泡處理和加熱條件對(duì)干燥產(chǎn)品的總體色差無(wú)顯著性影響（>0.05）。這說(shuō)明相比于未發(fā)泡物料常規(guī)冷凍干燥，SiC輔助的發(fā)泡物料微波冷凍干燥在大幅度縮短干燥時(shí)間的同時(shí)，并沒(méi)有對(duì)干燥產(chǎn)品的色澤產(chǎn)生顯著影響（>0.05）。

3.4.2 花色苷與總酚含量評(píng)價(jià)

藍(lán)莓的抗氧化能力與其花色苷和總酚的含量高度相關(guān)。環(huán)境因素對(duì)花色苷等多酚類物質(zhì)的穩(wěn)定性具有極大影響，發(fā)泡過(guò)程中劇烈的機(jī)械攪打、干燥過(guò)程中較高的溫度可能會(huì)促進(jìn)多酚類物質(zhì)的降解。藍(lán)莓原漿的花色苷單體總含量（TMA）為（2.91±0.06）mg/g（以藍(lán)莓固體計(jì)），未發(fā)泡和發(fā)泡物料干燥產(chǎn)品的TMA如表4所示。未發(fā)泡和發(fā)泡物料常規(guī)與微波冷凍干燥產(chǎn)品的TMA無(wú)明顯差異。這說(shuō)明發(fā)泡處理和微波加熱對(duì)干燥產(chǎn)品的TMA沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響。計(jì)算了干燥產(chǎn)品相對(duì)于藍(lán)莓原漿TMA的保留率，發(fā)現(xiàn)4種條件下的干燥產(chǎn)品TMA保留率均在80%以上。在Darniadi等[28]的研究中，藍(lán)莓果漿泡沫冷凍干燥產(chǎn)品TMA的保留率在80%～90%范圍內(nèi)。本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[28]結(jié)果相符。

表3 未發(fā)泡與發(fā)泡物料冷凍干燥產(chǎn)品的色澤分析

注：數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；=3。同一列中不同的上標(biāo)字母表示配方之間有明顯的差異（<0.05）。輻射加熱的操作溫度為30 ℃；組合加熱包括30 ℃的輻射加熱和輸入功率為4 W的碳化硅輔助微波加熱。下同。

Note: Data are presented as the mean ± standard deviation;=3. Different superscript letters in the same column indicate a significant difference (<0.05) between recipes. Radiation heating at 30 ℃; combined heating including radiation heating at 30 ℃ and SiC assisted microwave heating with the input power of 4 W. The same below.

表4 冷凍干燥產(chǎn)品的花色苷單體總含量和總酚含量

注：A結(jié)果以mg·g-1矢車菊-3-葡萄糖苷當(dāng)量（藍(lán)莓固體）表示；B以mg·g-1沒(méi)食子酸（藍(lán)莓固體）表示。

Note: A results expressed in mg·g-1Cyn3Gl equivalent (blueberry solids); B in mg·g-1GAE (blueberry solids).

藍(lán)莓原漿的總酚含量（TPC）為（10.59±0.38）mg/g（以藍(lán)莓固體計(jì)），干燥產(chǎn)品的TPC如表4所示?？梢钥闯?，發(fā)泡處理和微波加熱沒(méi)有對(duì)干燥產(chǎn)品的TPC產(chǎn)生明顯影響。4種條件下的干燥產(chǎn)品TPC的保留率均在75%以上。在Darniadi等[28]的研究中，藍(lán)莓果漿泡沫冷凍干燥產(chǎn)品TPC的保留率在68%～76%范圍內(nèi)。本試驗(yàn)中TPC的保留率略高于文獻(xiàn)[28]中的結(jié)果。

以上結(jié)果表明，吸波材料輔助的微波冷凍干燥產(chǎn)品具有較高的TMA和TPC保留率，與常規(guī)冷凍干燥產(chǎn)品相當(dāng)。一方面，本試驗(yàn)條件下的冷凍干燥過(guò)程中物料溫度始終低于60 ℃，較低的溫度抑制了多酚氧化酶和其他果實(shí)酶的活性，可以有效減少花色苷的降解。另一方面，常規(guī)和微波冷凍干燥過(guò)程均是在較高的真空度下完成的，避免了花色苷等酚類物質(zhì)的氧化。

3.4.3 SEM形貌分析

為了探究發(fā)泡處理對(duì)干燥過(guò)程的強(qiáng)化機(jī)理，本研究分別對(duì)未發(fā)泡和發(fā)泡常規(guī)冷凍干燥產(chǎn)品進(jìn)行了SEM形貌表征。如圖7所示，其中圖7a和7b分別代表放大500和3 000 倍數(shù)下的未發(fā)泡物料產(chǎn)品，圖7c和7d分別代表相應(yīng)倍數(shù)下的發(fā)泡物料產(chǎn)品。觀察圖7a和7c可以看出，未發(fā)泡物料孔隙結(jié)構(gòu)排列緊密，而發(fā)泡物料骨架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蓬松多孔的狀態(tài)，孔壁更加纖薄。由圖7b和7d可知，未發(fā)泡物料存在厚實(shí)的固體基質(zhì)，隔開了孔隙間的連接通道，導(dǎo)致孔隙間的連通性較差。這意味著水蒸氣在孔隙之間遷移時(shí)，必須穿過(guò)厚實(shí)的固體基質(zhì)，傳質(zhì)阻力顯著增加。發(fā)泡物料具有較大的孔隙空間，孔壁上存在空隙，孔隙之間相互連通。水蒸氣不僅可以在孔隙中遷移，還可以穿過(guò)孔壁上的空隙，在相鄰的孔隙之間遷移。發(fā)泡物料的多孔結(jié)構(gòu)減小了傳質(zhì)阻力，加快了干燥速率。

a. 500倍下未發(fā)泡物料b. 3 000倍下未發(fā)泡物料 a. Unfoamed sample at 500×b. Unfoamed sample at 3 000× c. 500倍下發(fā)泡物料d. 3 000倍下發(fā)泡物料 c. Foamed sample at 500×d. Foamed sample at 3 000×

為了探究微波加熱是否對(duì)冷凍干燥產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，本試驗(yàn)還對(duì)吸波材料輔助的未發(fā)泡與發(fā)泡物料微波冷凍干燥產(chǎn)品進(jìn)行了SEM形貌表征。如圖8所示，圖8a和8b分別代表放大3 000倍數(shù)下的未發(fā)泡物料和發(fā)泡物料微波冷凍干燥產(chǎn)品，微波輸入功率為4 W。通過(guò)與圖 7進(jìn)行對(duì)比，兩種物料的微波冷凍干燥產(chǎn)品與常規(guī)冷凍干燥產(chǎn)品具有相似的孔隙結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。這證明微波加熱沒(méi)有改變干燥產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)。

a. 3 000倍下未發(fā)泡物料b. 3 000倍下發(fā)泡物料 a. Unfoamed sample at 3 000×b. Foamed sample at 3 000×

4 結(jié) 論

本文對(duì)藍(lán)莓果漿進(jìn)行發(fā)泡處理，并在吸波材料SiC輔助下進(jìn)行了微波冷凍干燥試驗(yàn)。結(jié)論如下：

1）發(fā)泡處理可以強(qiáng)化冷凍干燥過(guò)程傳質(zhì)，大幅縮短干燥時(shí)間。在30 ℃和15 Pa下采用石英底盤，發(fā)泡物料比未發(fā)泡物料干燥時(shí)間縮短了39.1%。吸波材料輔助微波加熱能夠強(qiáng)化冷凍干燥過(guò)程傳熱，有效縮短干燥時(shí)間。在30 ℃、15 Pa和2 W下采用SiC底盤，未發(fā)泡與發(fā)泡物料微波冷凍干燥時(shí)間比相同物料常規(guī)冷凍干燥分別縮短了23.9%和14.3%；保持其他條件不變，提高微波功率至4 W時(shí)，干燥時(shí)間分別縮短了39.1%和25.0%。

2）吸波材料輔助的發(fā)泡物料微波冷凍干燥實(shí)現(xiàn)了過(guò)程傳質(zhì)傳熱的同時(shí)強(qiáng)化，干燥時(shí)間進(jìn)一步縮短。采用SiC底盤在30 ℃、15 Pa、4 W微波功率和8 g物料質(zhì)量條件下，發(fā)泡物料的微波冷凍干燥時(shí)間比未發(fā)泡物料的常規(guī)冷凍干燥時(shí)間縮短54.3%。

3）微波冷凍干燥產(chǎn)品質(zhì)量與常規(guī)冷凍干燥相當(dāng)，產(chǎn)品的色澤基本無(wú)顯著性差異（>0.05），總單體花色苷和總酚的保留率均分別在80%和75%以上。發(fā)泡物料骨架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蓬松多孔狀態(tài)，孔壁更加纖薄。微波加熱沒(méi)有改變干燥產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)。

[1] 吳越，楊軍，王琦，等. 貯藏時(shí)間和溫度對(duì)藍(lán)莓花色苷微膠囊品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：301-308.

Wu Yue, Yang Jun, Wang Qi, et al. Effects of storage time and temperature on quality of blueberry anthocyanin microcapsules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 301-308. (in Chinese with English abstract)

[2] Ozcelik M, Heigl A, Kulozik U, et al. Effect of hydrocolloid addition and microwave-assisted freeze drying on the characteristics of foamed raspberry puree[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2019, 56: 102183.

[3] 馬有川，畢金峰，易建勇，等. 預(yù)凍對(duì)蘋果片真空冷凍干燥特性及品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：241-250.

Ma Youchuan, Bi Jinfeng, Yi Jianyong, et al. Effects of pre-freezing on the drying characteristics and quality parameters of freeze drying apple slices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 241-250. (in Chinese with English abstract)

[4] 史德芳，范秀芝，殷朝敏，等. 基于能耗分析的真空冷凍干燥食用菌湯塊制備中試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(10)：253-260.

Shi Defang, Fan Xiuzhi, Yin Chaomin, et al. Pilot-plant test of mushroom instant soup by vacuum freeze drying based on energy consumption analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 253-260. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉德成，鄭霞，肖紅偉，等. 紅棗片冷凍-紅外分段組合干燥工藝優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(17)：293-302.

Liu Decheng, Zheng Xia, Xiao Hongwei, et al. Optimization of sequential freeze-infrared drying process of jujube slices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(17): 293-302. (in Chinese with English abstract)

[6] Pikal M J. Freeze Drying[M]//Encyclopedia of Pharmaceutical Technology. New York, US: Informa Healthcare, 2007: 1807-1833.

[7] Andrieu J, Vessot S. A review on experimental determination and optimization of physical quality factors during pharmaceuticals freeze-drying cycles[J]. Drying Technology, 2018, 36(2): 129-145.

[8] Wang W, Chen G H. Heat and mass transfer model of dielectric-material-assisted microwave freeze-drying of skim milk with hygroscopic effect[J]. Chemical Engineering Science, 2005, 60(23): 6542-6550.

[9] Wang W, Hu D P, Pan Y Q, et al. Freeze-drying of aqueous solution frozen with prebuilt pores[J]. AIChE Journal, 2015, 61(6): 2048-2057.

[10] 牛利嬌，王維，潘思麒，等. 具有預(yù)制孔隙多孔介質(zhì)冷凍干燥的多相傳遞模型[J]. 化工學(xué)報(bào)，2017，68(5)：1833-1844.

Niu Lijiao, Wang Wei, Pan Siqi, et al. Multiphase transport model for freeze-drying of porous media with prefabricated porosity[J]. CIESC Journal, 2017, 68(5): 1833-1844. (in Chinese with English abstract)

[11] 李恒樂(lè)，王維，李強(qiáng)強(qiáng)，等. 具有預(yù)制孔隙多孔物料的冷凍干燥[J]. 化工學(xué)報(bào)，2016，67(7)：2857-2863.

Li Hengle, Wang Wei, Li Qiangqiang, et al. Freeze-drying of porous frozen material with prefabricated porosity[J]. CIESC Journal, 2016, 67(7): 2857-2863. (in Chinese with English abstract)

[12] Darniadi S, Ho P, Murray B S. Comparison of blueberry powder produced via foam-mat freeze-drying versus spray-drying: Evaluation of foam and powder properties[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2018, 98(5): 2002-2010.

[13] Yuksel A N. Development of yoghurt powder using microwave-assisted foam-mat drying[J]. Journal of Food Science and Technology-mysore, 2021, 58(7): 2834-2841.

[14] 王磊，沈柳楊，劉成海，等. 微波干燥漿果過(guò)程中料層電場(chǎng)分布影響能量利用分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(4)：1-10.

Wang Lei, Shen Liuyang, Liu Chenghai, et al. Effect of electric field distribution on energy use efficiency for berry puree under microwave drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(4): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[15] Ozcelik M, Ambros S, Heigl A, et al. Impact of hydrocolloid addition and microwave processing condition on drying behavior of foamed raspberry puree[J]. Journal of Food Engineering, 2019, 240(1): 83-91.

[16] 陳彩勝. 多孔物料真空冷凍干燥過(guò)程熱力學(xué)分析[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

Chen Caisheng. Thermodynamic Analysis of Porous Materials Vacuum Freeze-drying Process[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[17] Chandrasekaran S, Ramanathan S, Basak T. Microwave food processing: A review[J]. Food Research International, 2013, 52(1): 243-261.

[18] Wang W, Chen G H. Numerical investigation on dielectric material assisted microwave freeze-drying of aqueous mannitol solution[J]. Drying Technology, 2003, 21(6): 995-1017.

[19] 張朔，王維，李強(qiáng)強(qiáng)，等. 具有預(yù)制孔隙的維生素C水溶液微波冷凍干燥[J]. 化工學(xué)報(bào)，2019，70(6)：2129-2138.

Zhang Shuo, Wang Wei, Li Qiangqiang, et al. Microwave freeze-drying of vitamin C solution frozen with preformed pores[J]. CIESC Journal, 2019, 70(6): 2129-2138. (in Chinese with English abstract)

[20] Wang W, Chen G H. Freeze drying with dielectric-material-assisted microwave heating[J]. AIChE Journal, 2007, 53(12): 3077-3088.

[21] 楊菁，王維，張朔，等. 吸波材料輔助的液體物料微波冷凍干燥多物理場(chǎng)耦合模型[J]. 化工學(xué)報(bào)，2019，70(9)：3307-3319.

Yang Jing, Wang Wei, Zhang Shuo, et al. Multiphysics conjugated model for freeze-drying of liquid solution assisted by wave-absorbing material[J]. CIESC Journal, 2019, 70(9): 3307-3319. (in Chinese with English abstract)

[22] Ma Y, Wu X, Zhang Q, et al. Key composition optimization of meat processed protein source by vacuum freeze-drying technology[J]. Saudi Journal of Biological Sciences, 2018, 25(4): 724-732.

[23] 于凱，王維，潘艷秋，等. 初始非飽和多孔物料對(duì)冷凍干燥過(guò)程的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2013，64(9)：3110-3116.

Yu Kai, Wang Wei, Pan Yanqiu, et al. Effect of initially unsaturated porous frozen material on freeze-drying[J]. CIESC Journal, 2013, 64(9): 3110-3116. (in Chinese with English abstract)

[24] 崔清亮，郭玉明，程正偉. 冷凍干燥物料共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)的電阻法測(cè)量[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(5)：65-69.

Cui Qingliang, Guo Yuming, Chen Zhengwei. Measurement of the eutectic point and melting point of the freeze-dried materials based on electric resistance method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(5): 65-69. (in Chinese with English abstract)

[25] Ratti C, Kudra T. Drying of foamed biological materials: Opportunities and challenges[J]. Drying Technology, 2006, 24(9): 1101-1108.

[26] Nail S L, Jiang S, Chongprasert S, et al. Fundamentals of freeze-drying[M]//Development and Manufacture of Protein Pharmaceuticals. New York: Kluwer Academic & Plenum Publishers, 2002: 281-361.

[27] Aro R, Ben Ayoub M W, Leito I, et al. Moisture in solids: Comparison between evolved water vapor and vaporization coulometric Karl Fischer methods[J]. International Journal of Thermophysics, 2020, 41(8): 1-9.

[28] Darniadi S, Ifie I, Ho P, et al. Evaluation of total monomeric anthocyanin, total phenolic content and individual anthocyanins of foam-mat freeze-dried and spray-dried blueberry powder[J]. Journal of Food Measurement and Characterization, 2019, 13(2): 1599-1606.

[29] Pinheiro A M, Maia G A, Figueiredo R W, et al. Response surface methodology optimization of blended fruit nectar: Cashew apple and acai[J]. Nternational Journal of Fruit Science, 2022, 22(1): 275-286.

[30] Darniadi S, Ifie I, Luna P, et al. Foam-mat freeze-drying of blueberry juice by using trehalose-beta-lactoglobulin and trehalose-bovine serum albumin as matrices[J]. Food and Bioprocess Technology, 2020, 13(6): 988-997.

[31] Bagheri H, Motamedzadegan A, Razi S M, et al. The assessment of various properties of a novel celery pulp powder manufactured using foam mat drying[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 2021, 45(12): 1-14.

[32] Wang W, Wang S H, Pan Y Q, et al. Porous frozen material approach to freeze-drying of instant coffee[J]. Drying Technology, 2019, 37(16): 2126-2136.

[33] Dong S, Zhang X H, Zhang D Y, et al. Strong effect of atmosphere on the microstructure and microwave absorption properties of porous SiC ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2018, 38(1): 29-39.

[34] Khanal R C, Howard L R, Prior R L. Effect of heating on the stability of grape and blueberry pomace procyanidins and total anthocyanins[J]. Food Research International, 2010, 43(5): 1464-1469.

[35] Wojdylo A, Figiel A, Oszmiansk J. Effect of drying methods with the application of vacuum microwaves on the bioactive compounds, color, and antioxidant activity of strawberry fruits[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(4): 1337-1343.

Experimental study on the microwave freeze-drying of foamed blueberry puree assisted by wave-absorbing material

Yu Jiahui, Wang Wei※, Tang Yujia, Zhang Shuo, Lin Runze, Zhang Dawei

(,,116024,)

Berry fruits are very popular food products for their high nutritional value and unique flavor. But, the juiciness and thin skin of berries cannot be suitable for long-term storage and transportation. Therefore, berry fruits are often processed into dried products or solid powders, in order to minimize the transportation cost for the long shelf life. Among them, Freeze-Drying (FD) can be used for high-quality products at low temperatures under a nearly oxygen-free environment. However, the long drying time and high energy consumption of FD cannot fully meet the large-scale application in recent years. It is necessary to simultaneously consider the typical coupling mass and heat transfer for the enhancement of FD. In the present work, the technical idea of “freeze-drying of unsaturated porous media with microwave heating assisted by wave-absorbing material” was proposed to apply the berry processing. Much effort was also made to establish a high-efficient and low-cost FD. The blueberry fruits were taken as the research objects of berry fruits during experiments. The eutectic temperature of blueberry puree was measured (-20.42 ℃) as the reference of pre-freezing temperature. Quartz and silicon carbide (SiC) were also used as wave-absorbing materials in the supporting samples for comparison. Unfoamed and foamed frozen samples were prepared with the same initial mass and moisture content. Whey protein isolates and pectin were used as the forming agent and stabilizer. Conventional and wave-absorbing material-assisted microwave FD experiments of blueberry puree were conducted in a lab-scale multifunctional microwave freeze-dryer. Color, Total Monomeric Anthocyanin (TMA), and Total Phenolic Content (TPC) were selected as the indexes to evaluate the quality of freeze-dried products. Results showed that the FD process was enhanced by the single factor of either forming treatment or wave-absorbing material-assisted microwave heating. The foamed sample saved 39.1% freeze-drying time at the radiation temperature of 30 ℃ and 15 Pa chamber pressure with the quartz pad, compared with the unfoamed one. In the case of the same operating conditions with the SiC pad, the microwave FD time of unfoamed sample was shortened by 23.9% at the microwave power of 2 W, and by 39.1% at 4 W, compared with the conventional. The performances of SiC assisted microwave heating were enhanced by 14.3% at 2 W and 25.0% at 4 W for the foamed material, respectively. The microwave FD of foamed material assisted by wave-absorbing material was realized by the simultaneous enhancement of mass and heat transfer, indicating the greatly accelerated FD rate. The microwave FD time of foamed sample was reduced by 47.8% at 2 W and by 54.3% at 4 W, compared with the conventional FD of unfoamed sample. There were no significant differences in colors. TMA and TPC contents of microwave freeze-dried products were comparable with those of conventional ones. The retentions of TMA and TPC in all freeze-dried products were more than 80% and 75%, respectively. The SEM images of dried products revealed that the substrate of the foamed material was porous and tenuous, which was conducive to water vapor migration and bound water desorption. There was no influence of microwave heating on the pore structure of either unfoamed or foamed material. Wave-absorbing material-assisted microwave FD of foamed material can largely decrease the drying time for the process economy. There was almost the same quality of products between the microwave and conventional FD. The finding can provide promising guidance for efficient FD in the food processing industry.

drying; microwave; freeze-drying; microwave heating; foamed; wave-absorbing material; anthocyanin; polyphenol

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.031

TQ028.5；TQ026.6；TQ025.1

A

1002-6819(2022)-18-0284-09

于佳慧，王維，唐宇佳，等. 吸波材料輔助發(fā)泡藍(lán)莓果漿微波冷凍干燥的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：284-292.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.031 http://www.tcsae.org

Yu Jiahui, Wang Wei, Tang Yujia, et al. Experimental study on the microwave freeze-drying of foamed blueberry puree assisted by wave-absorbing material[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 284-292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.031 http://www.tcsae.org

2022-06-03

2022-07-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21676042）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201602167）

于佳慧，研究方向?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)傳遞過(guò)程。Email：nancy_y_u@mail.dlut.edu.cn

王維，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)傳遞過(guò)程和流體相平衡理論。Email：dwwang@dlut.edu.cn