籽瓜固形物微波真空干燥特性及其品質研究*

丁宏斌，吳亮，臧澤鵬，徐彥瑞，黃曉鵬，吳勁鋒

(1. 甘肅省農業(yè)機械化技術推廣總站,蘭州市,730046; 2. 甘肅農業(yè)大學機電工程學院,蘭州市,730070)

0 引言

籽瓜(籽用西瓜),又名打瓜,是西瓜的一種分支變種,屬葫蘆科一年生草本植物,具有喜溫、耐熱和耐旱的特性,廣泛種植于我國甘肅、新疆等地區(qū)。籽瓜富含維生素、蛋白質、纖維素和氨基酸等營養(yǎng)成分[1-2]。籽瓜的綜合加工利用要求盡可能將各組分高值化利用,最大限度地挖掘其潛在價值。但傳統(tǒng)“取籽棄瓤”的收獲方式未能將籽瓜中瓜皮、瓜瓤等固形物進行有效的利用,同時新鮮籽瓜在破碎取籽后剩余的固形物含水率高,易霉變腐敗,給后續(xù)加工利用造成很大的困難。為實現(xiàn)籽瓜固形物的有效利用,需通過干燥技術抑制微生物的生長和與酶有關的化學反應,以保持成分和延長貨架期[3-4]。

干燥作為一種液—固分離過程,是降低多孔材料水分活度和保持品質最常用的方法之一[5-6]。目前,對籽瓜固形物干燥過程的研究仍處于起步階段。曬干、熱風干燥等簡單干燥方法,成本低、適用性廣,但存在干燥產品耗時、質量差等缺點,導致營養(yǎng)價值降低[7-8]。冷凍干燥可以防止物料皺縮、較好的保留營養(yǎng)成分、提高生物利用度,但冷凍干燥成本高且干燥時間長[9]。周琦等[10]以微波功率、真空度、切片厚度進行單因素試驗,考察了其對復水比、色差、VC含量等指標的影響,對微波真空干燥檸檬片進行了干燥工藝優(yōu)化。祿璐[11]采用了噴霧干燥、熱風干燥、冷凍干燥方法對籽瓜果肉進行試驗來制備籽瓜粉,試驗表明,噴霧干燥品質好,優(yōu)于其他兩種干燥方式。因此,適宜的干燥方式對保留籽瓜營養(yǎng)價值起至關重要的作用。

微波真空干燥技術將微波干燥與真空干燥技術兩種干燥方式的優(yōu)點相結合[12],它是由于電磁波直接穿透材料引起分子摩擦而產生(由內而外)的體積加熱,分子摩擦產生熱能,在真空環(huán)境中利用熱能去除水分,具有加熱速度快、能量消耗低等優(yōu)點[13]。Zia等[14]研究表明,微波干燥后藍莓中花青素、維生素C和抗壞血酸含量最高。付輝戰(zhàn)等[15]對新鮮桑葚的微波真空干燥特性和動力學特性進行研究,并對其干燥過程中的活性成分的變化進行分析,結果表明微波真空干燥法處理桑葚的效果較好,并獲得了最佳的微波真空干燥工藝參數(shù)。

目前關于微波真空技術對籽瓜干燥品質影響的研究較少,基于此,本文應用微波真空干燥技術研究籽瓜固形物在不同干燥溫度、真空度和比功率下籽瓜固形物切片的干燥特性、理化性質及品質變化,旨在為籽瓜潛在價值的挖掘和產業(yè)化加工的發(fā)展提供理論。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮籽瓜購自中國甘肅省白銀市,品種為“籽瓜1號”。試驗選擇表皮良好,尺寸與色澤相當?shù)男迈r籽瓜,經過破碎取籽機、瓜皮粉碎機、打漿機、過濾裝置和離心機,固液分離后去掉上層清液,將下層沉淀的固形物作為試驗材料。將籽瓜固形物放置于熱風干燥箱中干燥24 h,測得初始含水率M0為(88.75±0.5)%。以干燥溫度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃)、真空度(-0.060 MPa、-0.065 MPa、-0.070 MPa、-0.075 MPa)和比功率(12 W/g、15 W/g、20 W/g、30 W/g)為試驗因素進行籽瓜固形物切片的干燥試驗。微波真空干燥箱預熱30 min后,取(200±0.5)g單層平鋪于托盤上,利用自動稱重系統(tǒng)每隔2.5 min記錄一次,直至含水率降至10%以下時,停止干燥。所有試驗進行三次重復,取其平均值為試驗值。

(a) 新鮮籽瓜

1.2 儀器與設備

HWZ-30型箱式微波真空干燥機由干燥腔體、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成。整機功率為3 kW,真空度調節(jié)范圍為-0.080～-0.060 MPa,轉速可調。干燥設備外部尺寸為1 190 mm×950 mm×1 580 mm。微波發(fā)生器位于干燥腔室頂部,腔內設有6個旋轉托架,其回轉直徑為500 mm。工作時,在驅動裝置的作用下,物料隨旋轉托架繞主軸勻速轉動并依次通過頂部微波源,從而在短時、間歇作用下,提高物料的干燥均勻性及其品質。

其他設備:Agilent 1100型高效液相色譜儀;CR-410型色差儀;JM-A3003型電子天平;TS-200 B型恒溫搖床;TGL20M型高速離心機;T2600S紫外分光光度計;HKSF-2型快速水分儀,水分解析度0.01%。

1.3 干燥參數(shù)的計算

1.3.1 干基含水率的計算

干基含水率的計算公式如式(1)所示[16]。

(1)

式中:Wt——籽瓜固形物切片t時刻的質量,g;

Wd——籽瓜固形物切片的干重,g。

1.3.2 水分比的計算

水分比的計算公式如式(2)所示[17]。

(2)

式中:Mc——t時刻籽瓜固形物干基含水率,g/g;

M0——籽瓜固形物的初始含水率,g/g;

Me——籽瓜固形物的平衡含水率,g/g。

1.3.3 干燥速率的計算

干燥速率的計算公式如式(3)所示[18]。

(3)

式中:Mt1、Mt2——分別為t1和t2時刻籽瓜固形物切片的干基含水率,g/g。

1.3.4 色澤的測定

采用CR-410型色差儀測定籽瓜固形物樣品的明亮度L*、紅綠值a*和藍黃值b*,色差值ΔE越小,說明籽瓜固形物干制品與鮮籽瓜固形物色澤越接近,其計算公式如式(4)所示[19]。

(4)

式中:L0、a0、b0——籽瓜固形物鮮樣的色澤值、紅綠值、黃藍值;

L*、a*、b*——干制品的色澤值。

1.4 品質指標測定

1.4.1 提取液的制備

取籽瓜固形物粉末0.5 g,浸于盛有20 mL 80%乙醇溶液的具塞錐形瓶中,在25 ℃、黑暗、180 r/min條件下旋轉振蕩48 h后,取出溶液后離心15 min(參數(shù):4 ℃、6 000 r/min),取上清液,用80%乙醇定容至25 mL,于4 ℃保存,用于多糖的測定。

1.4.2 多糖含量的測定

多糖的測定采用硫酸-苯酚法[20]。其多糖含量以蔗糖為標準品標定,計算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Pc——樣品多糖含量,mg/g;

C1——蔗糖質量濃度,mg/mL;

Vt——吸取樣液體積,mL;

M——籽瓜固形物初始質量,g。

1.4.3 維生素C(VC)含量的測定

VC測定:取1.0 mL提取液于試管中,加入1.0 mL 50 g/L TCA溶液,然后按照制作標準曲線的方法加入其他成分,進行反應和測定。在534 nm波長下,重復測量3次吸光值。計算公式如式(6)所示[21]。

(6)

式中:m——由標準曲線求得的抗壞血酸的質量,μg;

Vs——滴定時所用樣品提取液的體積,mL;

V——樣品提取液總體積,mL;

m′——所加籽瓜固形物質量,g。

1.4.4 膳食纖維含量的測定

在燒杯中加入100 μL蛋白酶溶液,蓋上鋁箔后在60 ℃振搖反應30 min。攪拌并加入5 mL 0.561 mol/L的HCl, 保持在60 ℃,將溶液pH調至為4.0～4.7,酸性過大使用1 mol/L NaOH溶液,堿性過大則使用1 mol/L HCl溶液。pH值調至合適范圍后攪拌同時加100 μL淀粉葡糖苷酶溶,密封持續(xù)振蕩反應30 min。在每份樣品中加入預熱至60 ℃的95%乙醇225 mL, 乙醇與樣品的體積比為4∶1。室溫下沉淀1 h,過濾。分別用15 mL的78%乙醇、95%乙醇和丙酮沖洗殘渣各2次置于坩堝中,將坩堝在105 ℃烘箱中烘干后稱量,減去坩堝質量后即為殘余物質量G。計算公式如式(7)所示[22]。

(7)

式中:X——樣品中含粗纖維的含量,%;

G——殘余物的質量,g。

2 結果與討論

2.1 不同干燥條件對籽瓜固形物微波真空干燥特性分析

2.1.1 干燥溫度對籽瓜固形物干燥特性的影響

探究不同干燥溫度對籽瓜中固形物微波真空干燥特性的影響規(guī)律時,選擇真空度為-0.07 MPa、比功率為20 W/g,干燥曲線如圖2所示。

(a) 水分比

固形物微波真空干燥初期干燥速度隨干燥溫度的升高而增大,物料水分比下降,水分流失速度加快。原因在于干燥前期,物料中的水分含量較高,易于向表面遷移,從而使干燥速度發(fā)生明顯的變化。在55 ℃時,物料的含水量變化趨勢比較慢,干燥速度也比較慢,這主要是因為微波發(fā)生器能同時加熱物料內外,在干燥前期,物料的表面水分蒸發(fā)量和從內部流向表面的水分大致相同,而當后續(xù)含水量減少時,物料內部的水分很難再遷移,引起物料表面過熱,影響到物料內部的水分的流失。研究表明,在微波真空干燥條件下,籽瓜固形物的干燥溫度在45～50 ℃之間較為適宜。

2.1.2 真空度對籽瓜固形物干燥特性的影響

干燥溫度為50 ℃、比功率為20 W/g時,不同真空度對籽瓜固形物微波真空干燥特性的影響如圖3所示。

(a) 水分比

物料微波真空干燥速率隨真空度的增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢,水分比變化速度由快到慢,這是因為在干燥前期,物料中有大量的自由水,很容易從內部向表面遷移,從而使材料的干燥速度更快;而在后期,由于自由水含量低,物料中的水分多以結合水的形式存在,而且不容易從物料內部除去,所以干燥速度很慢。同時還發(fā)現(xiàn),在-0.070 MPa的真空狀態(tài)下,物料的水分比降低速度最快,干燥速率最高,表明該狀態(tài)下的物料在除濕過程中,被加熱的物料向表面轉移的水分最多,且能被及時排除,從而達到了最快的干燥速度。反之,如果真空度較低,則會增大干燥設備的濕度,從而提高物料的吸濕率。結果表明,微波真空干燥籽瓜固形物適宜的真空度為-0.070～-0.065 MPa。

2.1.3 比功率對籽瓜固形物干燥特性的影響

干燥溫度為50 ℃、真空度為-0.070 MPa時,不同真空度對籽瓜固形物微波真空干燥特性的影響見圖4。

(a) 水分比

比功率對固形物微波真空干燥特性的影響較小,由于微波真空干燥是一種輻射式的干燥技術,它的微波能穿透物料的表面,對物料的內部產生作用,使得物料在整個烘干過程中一直處于整體加熱的穩(wěn)定狀態(tài),從而達到更好的烘干效果。通過對水分比變化規(guī)律的觀察,發(fā)現(xiàn)在20 W/g的比功率下,物料的含水量降低速度更快,干燥效率更高,這是由于在此參數(shù)下,物料內部的水分可以最大限度地吸收微波的能量,而不會引起物料的過熱和吸收輻照不足。同等條件下,當比功率為12 W/g時,可能料盤中物料太多,出現(xiàn)了物料吸收輻照能不足的情況,從而導致物料水分比下降速率較慢,干燥速率較低。因此,籽瓜中固形物的微波真空干燥過程中較為適宜的比功率范圍為15～20 W/g。

2.1.4 微波真空干燥對有效水分擴散系數(shù)的影響

有效水分擴散系數(shù)Deff可以用來評估籽瓜固形物中水分的擴散和遷移能力。由表1可知,不同干燥條件下,籽瓜固形物Deff值的范圍在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之間。干燥溫度和真空度對物料有效水分擴散系數(shù)影響較大,且隨著干燥溫度和比功率的增加而增大,說明隨著干燥溫度和比功率的增加,物料中的水分散失的越來越快,而真空度對有效水分擴散系數(shù)的影響不明顯。

表1 不同干燥條件對籽瓜固形物色澤、有效水分擴散率和復水比的影響Tab. 1 Influence of different drying conditions on the color, effective water diffusion rate and rehydration ratio

2.2 不同干燥條件對籽瓜固形物色澤品質的影響

色澤是衡量中食品營養(yǎng)成分保留程度的外在指標,通常將色差ΔE作為評價物料色澤變化的綜合指標之一,ΔE越小說明所得干制品的褐變程度越低,品質越好,從某種意義上也反映了干燥工藝的優(yōu)劣。籽瓜固形物鮮樣的L*、a*、b*分別為55.49、-10.35、23.63。由表1可知,不同干燥條件對籽瓜固形物色澤影響的顯著程度依次為:干燥溫度>比功率>真空度。干燥溫度在40～55 ℃范圍內,籽瓜固形物的色澤品質保持得較好。其中干燥溫度為40 ℃時總色差ΔE為23.00,變化最小,說明此在干燥溫度下干燥后的籽瓜固形物品質最佳。且隨溫度的增加,總色差ΔE逐漸增大,這是因為溫度的升高加快了物料的氧化,從而導致物料顏色變深,黃藍值明顯增加。而隨著比功率的減小,物料總色差ΔE也呈現(xiàn)增大的趨勢。這是由于同功率下,隨著料層厚度的增加,水分由物料內部遷移至表面的難度增加,導致物料表面出現(xiàn)局部焦化的概率增大,因此物料色澤變化明顯。與干燥溫度和比功率相比,真空度對色澤的影響較小,真空度為-0.070 MPa時,總色差ΔE最小,為23.02,說明在此真空度條件下籽瓜固形物色澤最接近鮮樣,表觀品質最好。

2.3 不同干燥條件對籽瓜固形物復水比的影響

復水性能是指新鮮果蔬產品干制后吸水恢復原來至新鮮程度的能力,它是衡量干制品品質好壞的重要指標。不同干制條件下物料的復水比見表1。從表1中可以看出,不同干燥溫度條件下,隨著溫度的增加,籽瓜干制品的復水比整體呈現(xiàn)出增加的趨勢,并且在50 ℃時達到最大,干燥品質最佳。真空度對干制品復水比影響較小,在-0.070 MPa時復水比最高,品質最佳。在不同比功率條件下,20 W/g和12 W/g復水比一致,干燥品質均達到最佳。

2.4 不同干燥條件對多糖含量的影響

從圖5可以直觀地看出,隨著干燥溫度的上升,固形物中的多糖含量先增加后減少,并且在50 ℃的干燥溫度下,多糖含量最高(105.44 mg/g)。

圖5 不同干燥條件對籽瓜固形物多糖含量的影響

這可能是由于溫度越低,干燥耗時越長,增加了美拉德反應和焦糖化反應的時間,因此多糖損失嚴重。而在干燥溫度為55 ℃時,由于干燥溫度過高,籽瓜固形物中的多糖發(fā)生局部過熱和焦糖化現(xiàn)象,促使多糖降解速度加快,含量降低。因此50 ℃的干燥溫度能最大程度保留籽瓜固形物當中的多糖成分。真空度為-0.060 MPa時,固形物中多糖含量為65.34 mg/g,且隨著真空度的增加,固形物當中多糖含量也明顯增加。相較于干燥溫度和真空度,比功率對干制品多糖含量影響最小,隨著比功率的增加,干制品種多糖含量逐漸減少,這可能是因為高的比功率條件下,糖類物質發(fā)生熱降解,導致多糖類物質含量下降。

2.5 不同干燥條件對VC的影響

如圖6所示,不同干燥條件對籽瓜固形物中VC含量的影響顯著程度依次為:干燥溫度>真空度>比功率。從圖4中可知,干燥溫度在40～55 ℃范圍內,隨著溫度的增加,干制品中VC含量逐漸增加,且當干燥溫度為50 ℃時,干制品中VC的含量最高(1.21 mg/g)。但當干燥溫度上升至55 ℃時,VC含量明顯減少,這可能是因為干燥溫度過高導致VC降解。由圖6還可知,隨著真空度的增加,固形物干制品中VC含量也逐漸增加,這可能是因為隨真空度的增加,干燥箱腔體內部氧氣含量逐漸減少,降低了VC被氧化的概率。且當真空度為-0.070 MPa時,固形物干制品中VC含量為1.14 mg/g。比功率條件對固形物干制品中VC含量的影響最小,且隨比功率的減小,固形物干制品中VC含量也逐漸減少,但是變化不明顯,可能是因為隨著比功率減小,單位體積內的物料所受的微波輻射能的降低,從而使干燥時間變長,從而造成細胞壁的氧化損傷,因此干制品中VC含量減少。

圖6 不同干燥條件對籽瓜固形物VC含量的影響

2.6 不同干燥條件對膳食纖維的影響

膳食纖維是籽瓜固形物的重要組成成分,膳食纖維的含量可以直觀地反映籽瓜固形物的品質。圖6反映了不同干燥條件對籽瓜固形物中膳食纖維含量的影響。不同干燥條件對籽瓜固形物干制品中膳食纖維含量影響表現(xiàn)為:干燥溫度>比功率>真空度。干燥溫度為50 ℃時,籽瓜固形物中膳食纖維含量最高(80.69%)。隨著干燥溫度的增加,固形物干制品中膳食纖維含量也明顯增加,但當干燥溫度到達55 ℃時,膳食纖維含量明顯減少,這可能是因為溫度過高,干燥過程中物料表面發(fā)生局部焦化的現(xiàn)象,導致膳食纖維含量減少。不同比功率條件下,隨著比功率的增大,物料中膳食纖維含量先增大后減少,這可能是因為隨著作用在物料單位體積上微波能的增加,干燥時間縮短,膳食纖維中的營養(yǎng)成分降解量增加,籽瓜固形物干制品中的膳食纖維含量也整體上呈下降趨勢。真空度對籽瓜固形物干制品中的膳食纖維含量影響較小。

3 結論

本研究以籽瓜綜合加工生產線的副產品籽瓜固形物為試驗材料,采用微波真空設備進行干燥,對其干燥特性、表觀品質和營養(yǎng)成分進行分析。

1) 隨著干燥溫度與真空度增大,比功率的減少,籽瓜固形物干燥時間縮短,干燥速率增大,這表明微波真空干燥可以有效地增強熱質傳遞效率。且不同干燥條件下,籽瓜固形物Deff值的范圍在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之間,符合農產品Deff范圍。

2) 比較各因素條件下樣品的理化品質發(fā)現(xiàn),干燥溫度、真空度和比功率對籽瓜固形物色澤、復水比和基本營養(yǎng)物質均有顯著影響,且干燥溫度50 ℃、真空度-0.070 MPa、比功率20 W/g時,籽瓜固形物中多糖含量(105.44 mg/g)、VC的含量(1.21 mg/g)、膳食纖維含量最高(80.69%),在此條件下干制品品質最佳。

綜上所述,微波真空干燥的應用不僅有利于提高籽瓜固形物的干燥速率,而且對改善其理化性質具有促進作用,因此微波真空干燥是一種具有較高前景的新型干燥技術。本研究為籽瓜干燥加工共性技術的形成提供了有益的探索和實踐。