菠菜低溫真空干燥實驗研究

申 江，張現(xiàn)紅，胡開永

（天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134）

許多農(nóng)產(chǎn)品含有大量水分，不容易保存和儲藏。常用的貯藏農(nóng)產(chǎn)品和食品的方法有：腌制、熏制、灌裝和干燥。隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高，人們開始意識到腌制、熏制和灌裝食品容易導(dǎo)致營養(yǎng)成分損失或含有致癌物質(zhì)，而干燥加工的農(nóng)產(chǎn)品和食品可以克服以上1缺點，因此干燥設(shè)備和干燥技術(shù)的發(fā)展需求越來越旺盛。

目前國內(nèi)外關(guān)于干燥方法的研究主要有：太陽能干燥、熱風干燥、微波干燥、滲透干燥、噴霧干燥、冷凍干燥和真空干燥等[1]。Doymaz[2]等研究了熱風干燥條件下不同干燥溫度對于茴香和歐芹葉品質(zhì)的影響，實驗結(jié)果表明 60℃是干燥茴香和歐芹葉最合理的溫度。Kaya[3]等研究了不同的干燥條件對于維生素C的影響，結(jié)果表明增加干燥溫度和降低相對濕度都增大產(chǎn)品中維生素C含量的損失。Wu L[4]等研究了茄子的真空干燥特性，結(jié)果表明真空度對于干燥過程的影響較小，溫度是影響干燥過程的主要因素，增加溫度可以明顯縮短干燥時間。Therdthai[5]等對比研究了微波真空干燥和熱風干燥對于薄荷葉干燥過程的影響，結(jié)果表明與熱風干燥相比微波真空干燥在保持產(chǎn)品色澤、微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)水特性方面具有明顯的優(yōu)勢。Bazyma[6]等研究了低溫真空干燥花卉農(nóng)產(chǎn)品的實驗研究，并提出了有關(guān)干燥時間、能耗和最終產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)系式，為進一步優(yōu)化干燥方法和低溫干燥技術(shù)提供了實驗和理論支持。

本實驗通過研究菠菜低溫真空干燥過程動力學(xué)特征，并對比研究低溫真空干燥、真空冷凍干燥和傳統(tǒng)熱風干燥菠菜的復(fù)水性能、葉綠素和維生素 C含量變化，從而尋求一種能很好保存菠菜品質(zhì)的干燥方法

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

菠菜 購買于天津市北辰區(qū)韓家墅農(nóng)貿(mào)市場，在實驗前放于 5℃低溫庫內(nèi)貯藏；2，6-二氯酚靛酚（分析純） 成都市科龍化工試劑廠、白陶土（分析純） 天津市贏達稀貴化學(xué)試劑廠、抗壞血酸（分析純） 天津市德恩化學(xué)試劑有限公司和80%的丙酮 北京燕博通達石油化工有限公司。

低溫真空干燥機 圖1為實驗用低溫真空干燥機原理圖，本機器主要由三部分組成：制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)為冷阱和板式換熱器提供冷量，其中冷阱用來捕捉抽氣中的水分，板式換熱器用來給隔板提供冷量。真空泵可以隨時啟停，以提供實驗所需的真空度，為了保證真空泵的使用壽命和極限真空度，需要注意在冷阱溫度達到-30℃以下時，才可以開啟真空泵。控制系統(tǒng)可以根據(jù)實驗需要設(shè)置加熱板溫度和干燥箱真空度以及干燥時間；MB45水分測定儀 奧克斯；UV-2102PC型紫外可見分光光度計 尤尼柯儀器有限公司；DH-101型鼓風干燥箱 天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；DS12005型組織搗碎機 格蘭仕。

圖1 低溫真空干燥實驗裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the low-temperature vacuum experimental apparatus

1.2 實驗方法

1.2.1 低溫真空干燥條件 通過控制加熱板溫度和干燥箱內(nèi)真空度來控制菠菜溫度為0，5，10℃，測量時干燥樣品的質(zhì)量為20g，干燥過程中每隔1h稱量干燥菠菜重量，干燥20h結(jié)束實驗。

1.2.2 不同干燥方式的條件 對菠菜進行低溫真空干燥、熱風干燥、冷凍真空干燥：低溫干燥下控制干燥箱壓力為600Pa，溫度為0oC；熱風干燥時保持熱風的溫度為60oC；冷凍干燥時，先把菠菜在低溫冷柜中進行冷凍，直到菠菜溫度降為-37℃，將凍結(jié)的菠菜放在真空冷凍干燥箱內(nèi)干燥，干燥箱內(nèi)壓力設(shè)為20Pa。干燥后分別測量低溫真空干燥、熱風干燥和冷凍真空干燥條件下菠菜的維生素C含量、葉綠素含量和復(fù)水特性。

1.3 評價指標

1.3.1 干燥曲線

水分比（MR）用來表示在一定干燥條件下物料中還有多少水分沒有被干燥掉，可以反映物料干燥速率的大小，MR的定義如式（1）所示：

式中：Mt為t時刻含水量；Mo為初始含水量；Me為平衡含水量。

在一定干燥條件下平衡含水量Me與Mt和Mo相比比較小，因此可以忽略不計[7-8]，式（1）通常可以寫為：

干燥速率是指干燥物料中水分變化與時間的關(guān)系，干燥速率（DR）可以通過公式（3）計算：

式中：t1和t2是干燥時間；Mt1和Mt2是菠菜樣品在t1和t2時刻的水分含量。

1.3.2 復(fù)水比

復(fù)水性能是用來表示干燥產(chǎn)品在干燥過程中受損程度的一種重要物理參數(shù)，復(fù)水性能常用干燥產(chǎn)品復(fù)水前后的重量比來表示，影響復(fù)水比大小的因素有水溫和浸水時間。實驗中將5±0.5g干燥后的菠菜葉放在60℃的水中，每隔30min將樣品拿出，用吸水紙吸干表面水分，然后稱量重量[9]。復(fù)水比（RC）的計算公式如（4）所示：

式中：RC為復(fù)水比；m1為復(fù)水后吸干表面水分后樣品質(zhì)量（g）；m2為復(fù)水前樣品質(zhì)量（g)。

1.3.3 葉綠素

葉綠素的測量方法為丙酮提取法，用分光光度計測定在該波長下葉綠素溶液的吸光度(也稱為光密度)，再根據(jù)葉綠素在該波長下的吸收系數(shù)即可計算葉綠素含量。

葉綠素含量以每千克樣品含有的毫克數(shù)（mg/kg）表示，按式（5）計算：

式中：

A665——在665nm處的吸光度；

A645——在645nm處的吸光度；

A663——在663nm處的吸光度；

V——萃取液的體積，m l；

W——試樣質(zhì)量，g

1.3.4 維生素C

維生素C的測量方法采用GB/T 6195-1986 2，6-二氯靛酚法。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥曲線

圖2為是菠菜干燥過程中含水量（M）隨時間的變化曲線，圖3為菠菜干燥過程中水分比（MR）隨干燥時間的變化曲線。從圖2可以看出菠菜初始含水量為10.11 kg水/kg干物質(zhì)，干燥20h后含水量為0.10 kg水/kg干物質(zhì)。10℃條件下菠菜在干燥12h后，含水量基本不變，而5℃和0℃含水量達到不變的時間分別為15h和17h，這表明溫度的提高可以縮短干燥時間。

圖2 菠菜低溫干燥含水量（M）曲線Fig.2 Moisture content versus time for spinach as a function of drying temperature

圖3 菠菜低溫干燥水分比（MR）曲線Fig.3 Moisture ratio versus time for spinach as a function of temperature

圖4為菠菜低溫干燥過程的干燥速率（DR）曲線。由圖我們可以看出，在干燥開始的1h以內(nèi)，存在一個加速干燥階段，主要是由于在初始階段菠菜內(nèi)外之間的水分壓差比較大，遠遠大于水分之間的束縛力。由于本實驗為1h測量一次重量，因此不能準確確定加速階段的具體時間。與一般理論上干燥存在三個階段（加速階段、恒速階段、降速階段）不同之處是菠菜的低溫干燥過程中不存在恒速干燥階段，這與 Ertekin[10]在熱風干燥過程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象一致。提高溫度可以提高加速階段的干燥速率，但在干燥開始5h之后，0℃～10℃范圍內(nèi)提高溫度對于提高干燥速率的效果并不是很明顯。

圖4 菠菜低溫干燥干燥速率（DR）曲線Fig.4 Drying rates of spinach versus time at different drying temperatures

2.2 復(fù)水比

復(fù)水比是一項用來評價干燥產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標，同時復(fù)水比值的大小還可以表示產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)在干燥過程中受損害的程度。復(fù)水比值過小表示產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)在干燥過程中坍塌比較嚴重[11]。圖5為3種不同干燥方式干燥菠菜的復(fù)水比隨時間的變化曲線，從圖中可以看出3種干燥方式下的菠菜復(fù)水比隨時間的變化趨勢相同；在復(fù)水初始階段干燥菠菜復(fù)水比具有較高的增長率，在復(fù)水后期，復(fù)水比變化緩慢直到最后為一定值，復(fù)水比在初始階段增長快速的主要原因是菠菜表面的很多孔隙迅速被水分子填滿。冷凍真空干燥菠菜由于多孔性能較好，因此復(fù)水比較高，最終復(fù)水比值可以達到9.2；其次是低溫真空干燥，復(fù)水比值為8.0；熱風干燥復(fù)水性能最差，復(fù)水比值為5.1。

圖5 菠菜不同干燥方式下的復(fù)水比（RC）曲線Fig.5 Rehydration ratio of spinach versus time plots for various drying conditions

2.3 維生素C含量變化

維生素C對于人類來說是一種非常重要的的營養(yǎng)成分，它可以保護肺、膀胱和前列腺等器官，并且有利于心血管疾病的治療[12]，可以作為一項重要指標來評價食品加工方法的優(yōu)劣。圖6所示為新鮮菠菜、低溫干燥和其它2種不同干燥方式下菠菜維生素C含量。新鮮菠菜維生素C初始含有量為（368.8±19.3）mg/k g。從圖中可以看出低溫干燥對于菠菜維生素C的破壞性最小，維生素C保有量最高（331.7±13.2) mg/k g，可以達到新鮮菠菜的90%；其次是冷凍真空干燥（312.4±22.3) mg/k g，可以達到新鮮菠菜的85%；熱風干燥對于維生素C的破壞性最大（70.9±3.6) mg/k g，維生素C保有量僅為新鮮菠菜的19%。維生素C是一種熱敏感化合物，并且長期暴漏在空氣中容易被氧化，因此熱風干燥過程中維生素 C損失最大；除此之外維生素 C還是一種水溶性化合物，冷凍干燥破壞了菠菜原有組織結(jié)構(gòu)，提高了細胞膜通透性，因此加速了維生素 C損失。低溫干燥可以克服熱風干燥和冷凍真空干燥以上不足之處，因此最終維生素C保有量最高。

圖6 菠菜在不同干燥方式下的維生素C含量Fig.6 Vitamin C content of spinach for the various drying processes

2.4 葉綠素含量變化

在評價干燥產(chǎn)品品質(zhì)時，感官品質(zhì)是一個重要指標，其中綠色蔬菜類產(chǎn)品干燥后葉綠素含量與感官品質(zhì)有直接的關(guān)系。除此之外，葉綠素對于人們的健康也非常重要，葉綠素不僅有助于因意外失血者的康復(fù)，而且能夠除去殺蟲劑和藥物殘渣的毒素，并且能夠與輻射性物質(zhì)結(jié)合而將之排出體外。圖7為菠菜在不同干燥條件下葉綠素含量。從圖中可以看出，熱風干燥葉綠素損壞最嚴重，主要原因是葉綠素極易被氧化，并且高溫條件下會引起細胞組織中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起蛋白脂質(zhì)膜崩潰和葉綠素—蛋白復(fù)合體的釋放，造成葉綠素降解[13]。 低溫真空干燥和冷凍真空干燥后菠菜葉綠素含量相似，為新鮮菠菜葉綠素含量的87%。主要是由于這2種干燥方法均可以提供低溫無氧的環(huán)境，而這種環(huán)境下葉綠素的損失很小。

圖7 菠菜在不同干燥條件下葉綠素含量Fig.7 Chlorophyll content of spinach at different drying conditions

3 結(jié)論

對菠菜進行低溫真空干燥實驗，研究菠菜低溫真空干燥的動力學(xué)特征和品質(zhì)變化。結(jié)果表明：菠菜低溫干燥過程只有加速階段和減速階段，不存在恒速階段。低溫真空干燥復(fù)水比為8.0，小于冷凍真空干燥的9.2，但大于熱風干燥的5.1。和冷凍真空干燥和熱風干燥相比較，低溫真空干燥的維生素C保有量最高，最接近于新鮮菠菜。低溫真空干燥和冷凍真空干燥對于葉綠素的保存效果相同，葉綠素含量達新鮮菠菜葉綠素含量的87%。

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