胡蘿卜冰溫干燥實驗研究*

王豐，李保國，申江，蘇樹強，張明融

1(上海理工大學食品科學與工程研究所，上海，200093)2(天津商業大學，天津，300134) 3(上海錦立保鮮科技有限公司，上海，201201)

冰溫貯藏技術(controlled freezing point)是繼冷藏和氣調貯藏之后的第三代保鮮技術，研究始于20世紀70年代，由日本學者山根昭美博士首先提出［1］。由于生物體內含有糖、蛋白質、醇類等物質，生物體的冰點(又稱凍結點)均低于0℃，0℃到生物體冰點之間的溫度區間稱為冰溫帶［2］。食品在此溫度帶保存，不僅可以有效地降低冷藏設備的能耗，還可以克服凍結食品因冰結晶帶來的蛋白質變性、組織結構損傷、液汁流失等現象，與冷藏相比其貯藏期得到顯著延長［3］。常溫貯藏食品通常采用干燥技術將食品脫水。目前，應用廣泛的食品干燥技術有熱風干燥、真空冷凍干燥等，尤其是真空冷凍干燥技術近年發展迅速。采用冷凍干燥技術可以獲得高品質的脫水食品，但冷凍干燥需要時間長，成本高。山根昭美博士最早提出了冰溫干燥這一概念，文中改進了其冰溫干燥的實驗方法，結合冰溫貯藏技術和冷凍干燥技術的特點設計出新的冰溫干燥方法。冰溫干燥即被干燥的食品保持在冰溫帶進行干燥，這時食品物料的細胞及蛋白質仍然維持在活性狀態，而又未凍結的情況下進行干燥［4］。

本文以胡蘿卜為研究對象進行了冰溫干燥研究，通過實驗分析了該技術的特點，并與傳統的熱風干燥和真空冷凍干燥進行了比較。

1 材料、設備與方法

1.1 試驗材料

胡蘿卜，購于蔬菜市場，新鮮含水率為89%。

碘酸鉀，碘化鉀，鹽酸，無水硫酸鈉，石油醚，丙酮，胡蘿卜素標樣，均為分析純。

1.2 設備與儀器

冰溫干燥實驗裝置(上海錦立保鮮科技有限公司)，真空冷凍干燥機(美國Virtis公司)，電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏試驗設備有限公司)，DZF-6020烘干箱(上海賀德實驗設備有限公司)，分光光度計(上海美譜達儀器有限公司)，全自動色差計(上海精密科學儀器有限公司)，FA1604電子天平(上海精密科學儀器有限公司)。

自行研制的冰溫干燥實驗裝置如圖1所示。由真空系統，制冷系統，微波加熱系統，捕水器，光纖測溫傳感器和數據采集與控制系統組成。真空系統主要由真空泵、真空壓力表以及管道組成，真空泵需要有一定的抽氣速率和一定的極限真空度，將真空室內抽成要求的真空度，以保證物料水分蒸發所需要的壓力差，并在物料中水分蒸發時自身降溫到其冰溫帶溫度。微波加熱具有滲透性和靶向性，無加熱慣性，在對物料進行冰溫干燥過程中，提供干燥所需要的熱量，并通過控制輸入微波功率，對冰溫帶的溫度進行控制。制冷系統為捕水器提供冷量，使捕水器盤管的溫度保持在－8℃以下，以保證在冰溫干燥過程中，由物料蒸發出來的水蒸氣能被及時完全捕集凝結在盤管上，避免水蒸氣進入真空泵，造成對真空泵的損壞。光纖測溫傳感器，對物料干燥過程進行溫度檢測，可在微波場內準確測溫，不受微波電磁場的干擾。數據采集與控制系統對物料冰溫干燥過程的溫度、真空壓力、捕水器盤管表面溫度進行檢測和采集，并對微波加熱系統、制冷系統和真空系統進行控制。

圖1 冰溫干燥實驗裝置示意圖

冰溫干燥實驗過程，由真空系統將干燥室抽真空，在真空條件下，被干燥物料中的水分蒸發帶走熱量，使物料溫度降低，當物料溫度降低到其冰溫帶后，啟動微波加熱系統，為物料提供干燥過程水分蒸發所需要的熱量，并維持使水分蒸發所吸收的熱量與微波加熱量達到平衡，被干燥物料溫度維持在冰溫帶進行干燥。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

(1)原料切片:將胡蘿卜切成厚度為3 mm的片狀。

(2)冰溫干燥:將壓力設定為150 Pa，實時調節微波加熱功率使被干燥的胡蘿卜片溫度處于冰溫帶內進行干燥，記錄干燥時間。

(3)真空冷凍干燥:首先對胡蘿卜片進行預凍結，在－35℃凍結3 h使其完全凍結，然后進行升華干燥，保持升華壓力在80～100 Pa，干燥約10 h后升華干燥結束，進如解析干燥階段，保持真空度在80 Pa以下［5］，直到干燥結束，記錄干燥時間。

(4)熱風干燥:將胡蘿卜片放入熱風干燥箱內，溫度設為70℃進行干燥，記錄干燥時間。

1.3.3 指標測定

(1)含水率:采用GB/T 5009.3－2010《食品中水分的測定》方法進行測定。

(2)復水率:在室溫下，取一定量的干燥胡蘿卜片浸沒在25℃的水中，靜置30 min后，取出，瀝干，除去表面水分，稱重按式(1)計算復水率Rf。

式中:mf，復水后胡蘿卜的質量;mg，復水前胡蘿卜的質量。

(3)收縮率:隨機取6片胡蘿卜，用游標卡尺測出物料干燥前與干燥后的體積，計算出收縮率Sv。

式中:V，干燥后胡蘿卜的體積;Vr，干燥前胡蘿卜的體積。

(4)色澤:用全自動色差計測定胡蘿卜干燥后的色差，結果由L，a，b值表示，L值表示黑白度，L越大表示物料越白;a值表示紅綠度，a值越大，表示越紅，負值時表示綠色;b值表示黃藍色度，b值越大表示物料越黃，負值表示藍色。色差值△Eab表示胡蘿卜干燥后色澤與鮮樣色澤的差值，△Eab越小則越接近物料本來的顏色。

(5)Vc的測定:采用碘滴定法。稱取20 g的樣品放在研缽中，加濃度為2%的HCl溶液5～10 mL研磨成漿狀。將研缽中的樣品移入100 mL容量瓶中，用濃度為2%的HCl溶液定容，搖勻并靜置片刻，再用濾布過濾在燒杯中備用。用移液管移取濃度為1%的KI溶液0.5 mL，濃度為0.5%的淀粉液2 mL，制備的樣品液5 mL，再加蒸餾水至總體積10 mL，用0.001 mol/L的KIO3液滴定，至微藍色且在1 min不褪色為終點。記錄KIO3液體積(mL)，Vc含量計算:

式中:W，100 g樣品含的抗壞血酸質量(mg);V，滴定樣品所用的KIO3體積(mL);0.088:1 mL 0.001 mol/L KIO3溶液相當的抗壞血酸的量(mg/mL);B，滴定時所用樣品溶液體積(mL);b，制成樣品液的體積(mL);a，樣品的質量(g)。

(6)胡蘿卜素的測定:采用分光光度法。標準曲線:取10 mg/L的胡蘿卜素標準液0.25，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0 mL分別置于25 mL容量瓶中，定容后測定其吸光度。以濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準曲線。

2 結果與分析

2.1 胡蘿卜冰溫干燥過程控制

圖2為在150Pa的壓力下調節微波功率的變化情況。調節微波功率，保證胡蘿卜在干燥過程中始終處于其冰溫帶內。由圖2可見，隨著干燥的進行，微波功率需要逐漸降低才能使胡蘿卜溫度維持在－1.5～0℃內，這是由于隨著干燥時間的延長，胡蘿卜內水分的蒸發速率逐漸降低，從而蒸發帶走的熱量逐漸減少，只有同時降低微波所提供的能量，使胡蘿卜由水分蒸發失去的熱量與吸收微波的能量達到平衡，才能使溫度控制在胡蘿卜的冰溫帶內。經過4 h的干燥，微波功率降為0，此時胡蘿卜內的水分蒸發基本停止，溫度無法再降到0℃以下，冰溫干燥達到終點。

圖2 冰溫干燥功率控制

圖3為采用光導纖維測溫傳感器，測得的胡蘿卜在冰溫干燥過程中的溫度變化情況。從圖3中可看出，冰溫干燥初期，溫度的波動較大，這是因為開始樣品含水量高，吸收微波能大，水分蒸發速率也快，為保持在冰溫帶干燥，需要調低微波加熱功率，所以被干燥胡蘿卜的溫度波動比較大;隨著干燥的進行，樣品中含水量逐漸減少，吸收微波能量減弱，水分蒸發速率降低，因此溫度波動減小，直到達冰溫帶的上限，停止微波加熱干燥結束。

圖3 冰溫干燥溫度變化

2.2 不同干燥方式干燥胡蘿卜的品質指標比較

比較研究熱風干燥、真空冷凍干燥和冰溫干燥胡蘿卜對其品質的影響，通過實驗測得不同干燥方式得到的干燥胡蘿卜樣品品質測定結果如表1所示。

表1 采用不同干燥方式干燥胡蘿卜實驗測定結果

2.2.1 干燥速率的比較

經過實驗得到冰溫干燥所需時間為4 h，比熱風干燥慢，但與真空冷凍干燥相比時間有明顯縮短。胡蘿卜鮮樣的含水率為89%，經過冰溫干燥得到的脫水胡蘿卜的含水率為4.8%，與冷凍干燥和熱風干燥相比，含水率基本一致，含水率達到生產要求。熱風干燥平均每小時干燥42%的水分，冷凍干燥平均每小時干燥5.6%的水分，而冰溫干燥平均每小時干燥21%的水分，介于前兩者之間，與冷凍干燥相比，冰溫干燥有更高的干燥效率。

2.2.2 復水率、收縮率結果比較

采用冰溫干燥得到的胡蘿卜復水率為5.4，復水效果接近冷凍干燥得到的復水效果，具有良好的復水性，熱風干燥所得胡蘿卜復水性較差。

冰溫干燥是處于液態下的干燥，干燥會有一定的收縮，其收縮率經測定為25%。而冷凍干燥水分直接由冰升華，外形基本不會發生變化。熱風干燥的胡蘿卜發生了卷曲變形，收縮現象嚴重，如圖4所示。

2.2.3 感官色澤測定比較

冷凍干燥的胡蘿卜片，其色差值為5.04，色澤保持良好;冰溫干燥的胡蘿卜片，色差值為6.66;而熱風干燥為25.28，色差最大(見表1)。采用冰溫干燥胡蘿卜的色澤和外觀相近，接近于新鮮樣品的顏色，而采用熱風干燥的胡蘿卜顏色發生褐變，呈黃色(見圖4)。物料在低溫下進行干燥，熱敏物質得以保留下來，營養成分和風味損失很少，可以最大限度的保

圖4 不同干燥方式得到的胡蘿卜樣品

3 結論

留食品原有的成分、味道、色澤和芳香。

2.2.4 Vc和胡蘿卜素保留率的比較

比較干燥后Vc和胡蘿卜素保留率可知(見表1)，Vc在干燥過程中很容易被氧化，冰溫干燥與冷凍干燥都是在真空條件下進行的，所以Vc被氧化的程度較小，冰溫干燥Vc保留率為68.8%。熱風干燥胡蘿卜暴漏在空氣中，因此Vc損失最嚴重，其Vc保留率只有40%。

冰溫干燥與冷凍干燥胡蘿卜素保留率均在90%以上。這是由于冰溫干燥與冷凍干燥都是在低溫真空狀態下進行，胡蘿卜素分解少。而熱風干燥胡蘿卜素損失最大，保留率只有68.5%。

2.2.5 干燥能耗比較

熱風干燥過程中的主要能耗為水分蒸發和廢氣排空所需的熱量。冷凍干燥過程中主要能耗為升華干燥需要的能量。冰溫干燥采用微波加熱方式，主要的無用能耗是磁控管和變壓器發熱損耗和風機的能耗。微波加熱具有靶向性，效率高于熱風干燥，采用微波加熱的單位能耗在3 000 kJ/kg，而冷凍干燥的單位能耗高達20 000 kJ/kg以上。冰溫干燥具有節能的優點。

冰溫干燥作為一種全新的干燥技術，即在食品冰溫帶內對其進行干燥。冰溫干燥為食品干燥提供了真空低溫的條件，可獲得高品質的干燥食品。通過與冷凍干燥與熱風干燥對比，得到以下結論。

(1)在自制的冰溫干燥實驗臺上，通過在真空條件下胡蘿卜內水分的蒸發帶走熱量使胡蘿卜溫度降低到冰溫帶內，并通過微波加熱使胡蘿卜溫度穩定在冰溫帶內進行冰溫干燥。壓力設置為150Pa，采用微波加熱經過4h得到含水率為4.8%的脫水胡蘿卜。

(2)冰溫干燥得到的胡蘿卜復水率為5.4，Vc保留率為68.8%，胡蘿卜素保留率為93.7%。感官品質接近冷凍干燥得到的胡蘿卜，比起冷凍干燥有一定的干縮現象，但干燥時間只需4h。與熱風干燥相比，干燥品質優良。并且相比冷凍干燥，節能效果明顯。

(3)冰溫干燥非常適合于如冬蟲夏草、海產品等高附加值食品的干燥，有著非常廣闊的應用前景。

［1］ 李林，申江，王曉東.冰溫貯藏技術研究［J］．保鮮與加工，2008，45(2):38 －41.

［2］ 劉志鳴，萬金慶，王建民.日本冰溫技術發展史略［J］．制冷與空調，2005(3):70－74.

［3］ 石文星，彥啟森，馬靈芝，等.冰溫技術及其在食品工業中的應用［J］．天津商學院學報，1999，19(3):39－44.

［4］ 應月，李保國，董梅，等.冰溫技術在食品貯藏中的研究進展［J］．制冷技術，2009(2):12－15.

［5］ 劉玉環.胡蘿卜片的真空冷凍干燥加工工藝及研究［J］．食品科技，2006(3):52－54

［6］ 崔政偉，許時嬰，孫大文.微波真空干燥技術的進展［J］．糧油加工與食品機械，2002(7):28－30.