果蔬變溫壓差膨化干燥技術研究現狀及發展趨勢

黃壽恩 李忠海 何新益

HUANG Shou-en1，2 LIZhong-hai1 HE Xin-yi3

（1.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學，湖南 長沙410004；3.天津農學院食品科學系，天津 300384）

(1.College of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha,Hunan 410004,China;2.Changsha University of Science and Technology,Changsha,Hunan 410114,China;3.Departmentof Food Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

果蔬干燥是果蔬加工儲藏的主要方式之一，可通過各種不同的方法降低果蔬的水分含量，提高貨架壽命，改善其貯運性能。目前，用于果蔬干燥的方法較多，如自然干燥、熱風干燥、微波干燥、真空冷凍干燥等，不同的干燥方法對果蔬制品的品質影響不同。黃壽恩等[1]以脫水柑橘皮表觀密度、收縮率、多孔性、復水率和硬度為考察指標，比較了不同干燥方法（冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥、熱風干燥）對脫水柑橘皮品質特性的影響，結果表明：冷凍干燥柑橘皮色澤好，復水率最好；變溫壓差膨化干燥制備的脫水柑橘皮色澤、質構酥脆性、復水能力均強于熱風干燥法，表觀密度也低于熱風干燥產品；干燥方法的選擇對脫水柑橘皮品質特性影響顯著（P<0.05）。從干燥時間能耗比較而言，冷凍干燥柑橘皮所需的成本較高，耗能較大；變溫壓差膨化相對冷凍干燥來說生產成本較低，能耗小；熱風干燥操作簡單易行，生產成本最低，但干燥時間長且制品品質較差。綜合考慮，變溫壓差膨化干燥在柑橘皮的干制方面具有較高的應用價值。

果蔬變溫壓差膨化技術作為一種新型果蔬干燥技術，近年來受到了學術界和產業界的高度重視，在研究成果不斷推出的同時，其工業化產品也已悄然出現于市場。文章綜述了果蔬變溫壓差膨化干燥技術的現狀，討論了影響果蔬膨化效果的各種因素，并展望其發展趨勢，旨在為果蔬產業的綜合開發提供參考。

1 變溫壓差膨化干燥技術

1.1 技術簡介

果蔬變溫壓差膨化干燥是以新鮮果蔬為原料，經過預處理、預干燥等前處理工序后，根據相變和氣體的熱壓效應原理，利用變溫壓差膨化設備進行的。其設備主要由膨化罐和真空罐（真空罐體積是膨化罐的5～10倍）組成。果蔬原料經預干燥(至含水率為15%～50%)后，送入膨化罐，加熱使果蔬內部水分蒸發，當罐內壓力從常壓上升至0.1～0.2 MPa時，物料也升溫至100～120℃，此時產品處于高溫受熱狀態，隨后迅速打開泄壓閥，與已抽真空的真空罐連通，由于膨化罐內瞬間卸壓，使物料內部水分瞬間蒸發，導致果蔬組織迅速膨脹，形成均勻的蜂窩狀結構。再在真空狀態下加熱脫水一段時間，直至含水率≤7%，停止加熱，冷卻至室溫時解除真空，取出產品，即得到膨化果蔬產品[2-5]。

從膨化過程來看，并非所有的果蔬都可以進行變溫壓差膨化干燥，只有具備一定條件的果蔬物料才有可能得以順利進行：① 物料內部必須均勻分布可汽化的液體；② 物料內部能廣泛形成相對密閉的彈性小室，同時，要保證小室內氣體增壓速度大于氣體外泄造成的減壓速度，這樣才能到達到氣體增壓的需要；③ 構成氣體小室的內壁材料必須具備一定的拉伸成膜性，而且能在固化段蒸汽外溢后迅速干燥，并固化成膨化制品的相對不回縮結構網架；④ 外界要提供足以完成膨化全過程的能量[2，3，6]。

1.2 果蔬變溫壓差膨化干燥制品的特點

果蔬膨化食品被國際食品界譽為“21世紀食品”，因其綠色天然，口感酥脆，營養豐富，已逐漸成為方便休閑食品消費的佼佼者。果蔬膨化產品以新鮮水果蔬菜為原料加工而成，與其他谷物類、薯類膨化產品比較，具有以下特點：① 天然。果蔬膨化產品基本上都是經過浸糖處理后，直接烘干、膨化制備而成，加工過程無需添加色素或其他添加劑等；② 果蔬膨化產品酥脆性佳，口感良好。③ 最大程度保留了果蔬原有的營養成分，以及香氣成分；④ 果蔬膨化產品食用便捷，含水量一般在 7%以下，易于攜帶、貯存[5，6]。

2 影響果蔬變溫壓差膨化的因素

2.1 果蔬原料特性

目前已見報道的果蔬膨化原料有蘋果、棗、哈密瓜、胡蘿卜、馬鈴薯等。畢金峰[2]從蘋果細胞電鏡掃描結構上分析比較了4種不同品種蘋果原料所制成的膨化蘋果脆片的比容和酥脆性，結果表明國光蘋果更適合膨化。畢金峰[2]通過對棗的膨化干燥研究表明，不同品種的棗其膨化效果也不相同，如冬棗比金絲小棗膨化效果明顯要好，而且不同品種的冬棗膨化效果也不一樣。王榮梅等[7]研究表明，在煊鈴棗、圓鈴棗和長紅棗3個棗品種中，長紅棗較適合于制成膨化脆棗。

果蔬原料是復雜的混合物體系，所含化學成分不同，各成分含量間的相對比例也不同。現有的色譜分析無法破解果蔬原料復雜體系的復雜性，也無法破解復雜體系的整體性。而紅外光譜由于具有宏觀性（譜峰的疊加性）規避了對復雜體系各個組分的剖析，同時宏觀性契合了復雜體系的整體性。因此，果蔬原料的品種、產地的不同均可在紅外圖譜中顯示出差別來，憑借這些差異就可以達到宏觀質量控制的目的，從而使膨化果蔬原料選擇的更為科學化、標準化。

2.2 果蔬原料預處理方式

在果蔬原料膨化干燥前必須進行預處理，預處理的目的是：① 保證或改善干燥產品的品質；② 提高脫水干燥效率；③ 滿足其產品形狀大小方面的特殊要求。預處理按作用方式可分機械預處理、物理預處理和化學預處理三類。機械預處理是通過機械手段來實現原料預處理，常見的有物料切分、粉碎、削皮、去蒂等，大多僅對脫水速度和產品外觀品質有較大影響。物理預處理是利用物理因素的變化達到某種效果的預處理方法，如常用的熱燙處理、冷凍處理就是通過對介質溫度、處理時間和介質濕度三因素控制來實現的。一般來說，物理預處理對脫水速度和膨化干燥產品品質均有較大影響。化學預處理則是通過化學手段來干涉物料在加工過程中的化學變化，從而控制其變化向有利于品質方向轉化的預處理方法。

預處理對脫水速率控制的理論主要是控制物料水分擴散理論和控制其細胞膜阻力的理論[8-12]。

2.2.1 控制物料水分擴散理論 該理論認為，控制物料水分擴散主要是通過調節其蒸發面積來實現的[9，10]。機械預處理以切割、粉碎等手段加大了物料脫水過程中的水分蒸發面積。從脫水機理來說，切分既減少了內擴散的距離，又增大了外擴散面的面積，從而有效地提高了脫水速率。迄今為止，切割形狀（切塊、條、片等）及其厚度、切割方式（各種機械、手工方式）以及預處理工藝參數對脫水速率的影響及其優化的研究報道較多，這些研究大多是試驗型的，尚缺乏從機理的角度定量地分析內外擴散參數，分析有意義的單元體，在此基礎上建立數學模型。在擴散分析中，水分蒸發面積是一個重要的參數，由于水分的蒸發總是向上的，而蒸發面積在物料堆積時具有方向性，即蒸發面積是一個矢量，使有效蒸發面積存在。堆積的隨機性，可應用隨機理論加以研究。但這一方面的工作研究還不多。

2.2.2 控制細胞膜阻力理論 現代細胞學認為：在物理參數（如溫度、時間等）的影響下，細胞膜透性（水分和可溶性物質滲透出來的能力）會發生很大改變，從而使細胞膜對水分蒸發的阻力也反向變化。因此，該理論強調利用預處理來調節細胞膜的阻力。熱燙預處理作為一種重要的細胞膜阻力削弱手段被廣泛地應用。在熱燙溫度（90～100℃）的刺激下，細胞死亡，細胞內原生質發生凝固[13-17]。

為了減少膨化干燥產品的皺縮，改善其外觀，近年來，國外研究者常將可食用的多羥基化合物（如麥芽糖漿、蔗糖、甘油等）在干燥前滲入組織以使復水后的脫水蔬菜有良好的組織重建特性。這個過程實質上是一個滲透質交換過程。但滲透程度卻由于物料和所用添加劑的親和程度差異很大。

復合預處理常用于在變溫壓差膨化干燥過程中。何新益等[18]為優化變溫壓差膨化法制備冷泡茶的工藝，研究了含水率、冷凍處理次數和膨化溫度對冷泡茶水浸出物的影響。結果表明，冷凍預處理和變溫壓差膨化可以大大提高茶葉的膨化干燥的效果。黃宗海等[19]對胡蘿卜變溫壓差膨化工藝中煮糖時麥芽糖漿液的濃度、冷凍處理方式以及膨化前胡蘿卜的水分含量3個因素進行逐一的單因子試驗，考察其對膨化產品品質的影響。研究表明，經過冷凍預處理的產品膨化度、色澤、酥脆度明顯高于未經冷凍處理的，而且具較完整、均勻的外觀，有效避免了外觀收縮的現象。畢金峰等[20，21]和馬立霞等[22]也探討預處理對哈密瓜和胡蘿卜及蘋果膨化干燥的影響。

但是這些冷凍預處理后效果的出現，均需要從細胞顯微結構的變化上得到答案。應用電子顯微技術可以研究果蔬經預處理前后的細胞結構，顯示其微觀結構變化，從而才能在機理上的探討預處理對膨化效果的影響。

果蔬原料的物化特性在食品預處理加工過程中會發生改變，水的分布和狀態變化在物化特性的改變中扮演重要角色。由于自旋—晶格弛豫時間和自旋—自旋弛豫時間與水分子轉動有關，所以可以通過核磁共振技術確定被固定的不同部分的水分子的流動性質及其結構特征，它可以測定能反映水分子流動性的氫核的縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2。當水和底物緊密結合時，T2會降低；而游離水流動性好，有較大的T2。所以通過T1、T2的測定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流動和結構特征[23-27]。

2.3 差壓膨化干燥工藝參數的研究

2.3.1 切片厚度 隨著切片厚度的增加，產品膨化度先增大而后減小，復水比降低；當切片厚度為5 mm時，膨化度達到最大值。其原因是切片過薄時，果蔬物料內部的水分閃蒸過程中產生的蒸汽壓力小，膨化動力不足；適當增加切片厚度，在一定程度上可以提高產品的膨化度，但產品復水比下降。這是因為切片厚度超過最佳厚度時，內擴散距離太長，壓力尚未深入到物料內部就已大幅度衰減，導致原料內部的水分未能充分蒸發，原料得不到充分的膨化，產品的酥脆度隨之下降[2，28]。

2.3.2 預干燥物料水分含量 變溫壓差膨化技術主要是靠水分受熱蒸發使壓力上升，造成與真空罐之間的壓差，以達到膨化的目的。但是，膨化前果蔬的含水量要適宜。含水量過高則在膨化時易起大泡，真空干燥時間也會延長；水分含量過低則膨化效果不明顯，影響制品的外觀、口感等。

當水分含量達到20%前，果蔬產品的膨化度、復水比隨著預干燥物料水分含量增加而增大；在水分含量為15%～20%時達到最大值；如果水分含量繼續增加，產品的膨化度和復水比反而逐漸下降。這是因為：當物料內部水分含量過低，能夠被閃蒸的水分少，難以在膨化瞬間產生足夠的蒸汽壓力，致使產品未能得以膨化；如果物料內部水分含量過高，大量水分被快速蒸發，致使物料內部結構空隙中的水分和空氣迅速遷移至物料表面，不能形成足夠的膨化動力，反而降低了產品的膨化度[19，28]。

2.3.3 膨化溫度 膨化溫度是影響膨化品質的重要因素之一。溫度是水分蒸發的載體，是壓力形成的條件。溫度過高易產生焦糊，溫度過低則不易膨化。此外，緩慢升溫由于果蔬內部受熱均勻其膨化效果比快速升溫要好。

隨著膨化溫度升高，產品的膨化度、復水比增大；當膨化溫度為80℃時，復水比達到最大值；但膨化溫度超過80℃后，產品的復水比反而下降。這是因為：如果膨化溫度過低，物料內部水分達不到汽化的目的，被閃蒸水分太少，膨化動力降低，膨化效果不明顯。隨著膨化溫度的不斷升高，物料內部水分汽化速度不斷提高，單位時間內汽化的水分增多[2]，物料的膨化度隨之增大。而且，如果膨化溫度過高，熱敏性的果蔬原料極易發生褐變反應，形成不溶性的類黑色素，嚴重影響成品的風味和色澤[2，28]。

2.3.4 膨化壓力差 采用變溫壓差膨化果蔬時，壓力大小的控制是整個膨化過程中關鍵性的技術。壓力越高，壓力罐與真空罐之間的壓差越大，膨化效果越明顯。但壓力大小要適宜。壓力過大，對于一些易破碎的果品蔬菜會造成膨化過度而裂開，破壞外觀形態；壓力過小，膨化效果不明顯。

膨化壓力差過小或過大均不利于產品的膨化。當膨化壓力差低于110 kPa時，隨著膨化壓力差的增大，產品膨化度、復水比隨之增大；當膨化壓力差達到110 kPa時，產品的膨化度達到最大值；當膨化壓力差超過110 kPa時，產品的膨化度反而降低。這是因為：隨著膨化壓力差的逐漸增大，果蔬原料內部的水分得以充分閃蒸，膨化所需的壓力差增大，膨化效果隨之提高；但當膨化壓力差超過一定值，產品過度膨化，致使成品表面產生氣泡狀鼓泡，會直接影響成品的外觀[28]。

2.3.5 均濕處理 均濕處理時間延長有利于產品質量的提高。隨著均濕處理時間的延長，物料被充分浸潤，物料內部的水分分布更為均勻，產品的膨化度、復水比均得到相應的增加，而且物料脫水速率也因此隨之提高[2]。

2.3.6 停滯時間 停滯時間是經過低溫處理的果蔬脆片從進入膨化設備到開始抽真空的時間間隔。適當的停滯時間可以使果蔬充分受熱。打開真空閥后，果蔬內的水分迅速均勻汽化。停滯時間過長，產品焦糊，有苦味。另外較長的停滯時間會使產品的果蔬營養成份損失較多。停滯時間過短，產品發硬，不酥脆。

3 存在的問題和發展趨勢

國內外對果蔬膨化干燥的研究主要集中在工藝參數研究，干燥的基礎理論研究很不深入。國內外對果蔬變溫壓差膨化干燥的研究主要集中在工藝的研究，如膨化哈密瓜[29]、膨化蘋果[30，31]、膨化菠蘿[32]等，主要研究報道以產品膨化度、酥脆性為指標，優化如膨化溫度、膨化壓力、初始水分等膨化工藝參數。在機理方面僅有劉自強[33]探討了食品膨化機理。

中國果蔬變溫壓差膨化干燥技術的研究還處于起步階段。膨化干燥技術研究存在的問題：研究易脫水品種如蘋果的多，研究難脫水品種如高淀粉類的少，結果是在產業化過程中最急需解決的問題解決不了；對膨化干燥果蔬食品一些共同基礎性干燥機理著手研究的少，結果往往僅對某些具體的品種有效，但缺乏通用的干燥規律研究。這使中國變溫壓差膨化干燥業的形勢一直不容樂觀。針對性地果蔬原料膨化干燥的共性和特殊性，重視與干燥相關的前沿技術研發。從變溫壓差膨化干燥的一些共同基礎性干燥機理著手研究，得出一些通用的干燥規律，為開發通用性強的干燥設備提供技術基礎。

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