不同干燥方式對牛蒡脆片品質的影響

朱翠平+張鐘元+李大婧+劉春泉

摘要：研究熱風、真空微波、真空冷凍、熱風聯合真空微波、真空冷凍聯合真空微波5種干燥方式對牛蒡脆片干燥時間、色澤、收縮率、微觀結構、多酚含量、黃酮含量和多糖含量等指標的影響。結果表明：熱風、真空微波以及熱風聯合真空微波干燥后產品色差大、收縮嚴重、營養損失多，產品品質明顯低于其他干燥方式。真空冷凍聯合真空微波干燥產品品質接近于真空冷凍干燥，內部形成多孔狀結構使產品硬度和脆度適中，多酚、黃酮、多糖的含量保留較好，而干燥時間縮短46%。綜上所述，真空冷凍聯合真空微波干燥是牛蒡脆片最適宜的加工方法。

關鍵詞：牛蒡；脆片；生產工藝；干燥方式；物理指標；營養指標；品質；干燥時間；微觀結構

中圖分類號： TS255.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0181-04

牛蒡（Arctium lappa L.）別稱惡實、大力子、東洋參等，屬于菊科牛蒡屬2年生草本植物[1]。牛蒡營養豐富，其中含有的多酚類物質具有較強的抗氧化、抗菌、消炎、抗突變、降血壓等功效[2-3]；牛蒡多糖可促進體內乳酸菌和雙歧桿菌的增殖，維持腸道微生態[4]。我國牛蒡主要種植于山東、江蘇、安徽、黑龍江等省，銷售以出口為主，但隨著對牛蒡營養成分的深入研究，其食用價值和藥用價值在國內也越來越受到重視。鮮牛蒡根肉質灰白，其中含有大量纖維，在生長后期及貯藏過程中極易纖維化而變空心[5-6]。牛蒡根纖維化后，其纖維素和木質素含量迅速增加，導致結構進一步變硬，不但影響食用口感，而且為深入加工帶來困難。目前，牛蒡干制品主要有牛蒡茶和牛蒡脆片。牛蒡脆片采用的工藝多為真空油炸，營養損失嚴重，且油脂易氧化，長期食用易帶來健康問題。非油炸干燥主要有熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥、冷凍干燥、聯合干燥等。Paengkanya等研究發現，真空微波聯合熱風干燥比單一真空微波、熱風干燥榴蓮干速率快，且可提高產品的亮度值、脆度值，降低產品的收縮率、硬度[7]。Chong等研究發現，對流聯合真空微波干燥可節省50%的干燥時間，而熱泵聯合真空微波干燥得到的蘋果干收縮率小、色澤變化小，多酚保留率最高，抗氧化活性最強，且在這2種聯合干燥方式中由于真空微波的應用大大降低了產品硬度、脆度，使口感更佳[8]。以上研究表明，聯合干燥較單一干燥方式能有效提高干燥效率和產品品質，但由于牛蒡根易纖維化的結構，非油炸干燥方式尤其是聯合干燥方式對于干燥牛蒡脆片的影響有待進一步深入研究。本研究采用熱風干燥、真空微波干燥、真空冷凍干燥、熱風聯合真空微波干燥、真空冷凍聯合真空微波干燥5種方式對牛蒡片進行干燥，分析不同干燥方式生產的牛蒡脆片物理指標和營養指標的差異，探討不同干燥方式對牛蒡脆片品質的影響，旨在確定適宜牛蒡脆片生產的干燥工藝，為牛蒡綜合開發利用提供理論依據和技術支撐。

1材料與方法

1.1材料與試劑

新鮮牛蒡購于江蘇省徐州市牛蒡種植基地，為柳川理想黃肌牛蒡，嫩黃色，根莖粗壯，貯藏于實驗室4 ℃冷藏庫中。

分析純乙醇、Na2CO3、NaOH、NaNO2、Al（NO3）3、苯酚、沒食子酸購于北京化學試劑公司；Folin-酚試劑購買于 Sigma-Aldrich 上海貿易有限公司。

1.2儀器與設備

數顯101A-2型電熱鼓風干燥箱，上海浦東榮本科學儀器有限公司；VMD-1型真空微波干燥設備，南京孝馬機電設備廠；WSC-S型色差儀，上海精密科學儀器有限公司；CT3質構儀，美國Brookfield公司；MP2002電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；KQ-300DE型數控超聲清洗器，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；TG16-WS臺式高速離心機，湖南省長沙湘儀離心機儀器有限公司；ZEISS EVO-LS10掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司。

1.3方法

1.3.1牛蒡脆片生產工藝新鮮牛蒡→清洗→切片→預處理→瀝干表面水分→干燥→牛蒡脆片產品。

1.3.2牛蒡預處理將鮮切牛蒡放入1%檸檬酸中浸泡 30 min。

1.3.3干燥方法的設定（1）熱風干燥（hot air drying，AD）。將預處理后的牛蒡片放入電熱鼓風干燥箱中（70 ℃）干燥至含水率為5%以下。（2）真空微波干燥（vacuum microwave drying，VMD）。將預處理后，牛蒡片放入真空微波干燥設備中（8 W/g）干燥至含水率為5%以下。（3）真空冷凍干燥（vacuum freeze drying，VFD）。將預處理后的牛蒡片放入真空冷凍干燥設備中（絕壓20 Pa、加熱板溫度25 ℃、冷阱溫度-58 ℃）干燥至含水率為5%以下。（4）熱風聯合真空微波干燥（hot air & vacuum microwave drying，AD&VMD）。將預處理后的牛蒡片放入電熱鼓風干燥箱中（70 ℃）干燥30 min后，再真空微波干燥（8 W/g）至含水率為5%以下。（5）真空冷凍聯合真空微波干燥（vacuum freeze&vacuum microwave drying，VFD&VMD）：將預處理后牛蒡片真空冷凍干燥至含水率為60%，真空微波干燥（8 W/g）至含水率為5%以下。

1.3.4指標分析測定（1）含水率。采用GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中的方法進行測定。

式中：mt表示物料t時刻對應的質量，g；ms表示絕干物料質量，g。

（2）色澤及褐變指數。色澤采用色差計測定。L*值（lightness，亮度），在0～100之間變化，0表示黑色，100表示白色；a*值（redness，紅色度）表示紅綠之間的色澤，“+”表示偏紅，“-”表示偏綠，值越大，表示偏向越嚴重；b*值（yellowness，黃色度）表示黃藍之間的色澤，“+”表示偏黃，“-”表示偏藍。按下列公式計算總色差ΔE、褐變指數：

式中：ΔE為總色差；BI為褐變指數；L0、a0、b0是新鮮牛蒡的白度值、紅綠值和黃藍值；L*、a*、b*是不同干燥方式下牛蒡粉的白度值、紅綠值和黃藍值。

（3）收縮率采用體積排除法[9]。

式中：V1表示小米與干燥前牛蒡的體積，cm3；V2表示小米與干燥后牛蒡的體積，cm3；V0表示小米體積，cm3。

（4）硬度、脆度。采用質構儀測定干制品的硬度和脆度，探頭型號為TA3/100，測試速度為0.5 mm/s，以坐標圖中出現的最大壓力峰表示硬度，即樣品斷裂所需的最大力；以出現在下壓探頭第1次沖向樣品過程中坐標圖上的第1個明顯壓力峰值表示脆度。每種樣品重復5次，取平均值。

（5）微觀結構。采用掃描電子顯微鏡[10]。將干燥后的樣品切成（5×5×5） mm3的立方塊，固定在掃描電鏡專用樣品套件上，在真空條件下對樣品表面進行鍍金處理，最后將其放入掃描電鏡中檢測，放大300倍條件下觀察樣品微觀結構。

（6）多酚、黃酮、總糖、還原糖、脆片多糖含量的測定。多酚、黃酮、總糖、還原糖的含量分別采用Folin-Ciocalteus（FC）法[11]、NaNO2-Al（NO3）3-NaOH方法[12]、苯酚-硫酸方法[13]、3，5-二硝基水楊酸法[14]測定。牛蒡脆片多糖的計算公式：多糖含量（mg/g）=總糖含量-還原糖含量。

1.3.5統計分析單因素試驗指標的差異采用SAS 統計軟件中ANOVA 方差分析，由Tukey分析均值差異的顯著性，顯著水平α=0.05。

2結果與分析

2.1不同干燥方式對牛蒡脆片干燥時間的影響

由表1可知，真空冷凍干燥牛蒡脆片時間最長，而真空微波干燥時間最短。真空冷凍聯合真空微波干燥與真空冷凍干燥相比時間縮短了46%，可能是因為前期采用真空冷凍干燥使牛蒡含水率降至60%，產品內部形成蜂窩狀結構，這種結構促進了后期真空微波干燥的傳熱和傳質，從而使干燥時間大為縮短[15]。

2.2不同干燥方式對牛蒡脆片色澤的影響

色澤是評價果蔬干制品品質的一個重要指標，L*值是用來表示亮度的一個指標，L*值越大，表示樣品越亮；ΔE反映處理后樣品與鮮樣之間的顏色差異，ΔE值越大，說明處理后物料色澤變化越明顯；褐變指數BI反映加工過程中所產生褐色物質的量，BI值越高，說明褐變程度越大。由表1可知，不同干燥方式所得牛蒡脆片的L*、ΔE、BI差異顯著。熱風干燥、真空微波干燥和熱風聯合真空微波干燥所得產品的L*較小，ΔE、BI較大，產品色澤較暗，偏黃，總色差和褐變程度較大，其中熱風干燥產品的總色差達到22.43，嚴重影響產品外觀品質。一方面可能是由于在這3種干燥過程中牛蒡片中的多酚類物質在多酚氧化酶和氧的作用下被氧化成醌，進而聚合成有色物質[16]；另一方面牛蒡片干燥過程中糖類物質發生非酶褐變，如美拉德反應、焦糖化反應等[8，17]，且非酶褐變則比較難以控制，總色差和褐變指數也隨之升高。真空冷凍干燥和真空冷凍聯合真空微波干燥后牛蒡脆片L*較大，ΔE、BI較小，產品色澤較亮，總色差和褐變程度較小。這可能因為在低溫或隔絕空氣的狀態下，可以有效地抑制牛蒡脆片酶和非酶褐變，保證產品品質。

2.3不同干燥方式對牛蒡脆片硬度、脆度的影響

硬度和脆度是反映牛蒡脆片質構的重要指標，直接影響到人們食用時的口感。產品硬度過高，口感堅硬；硬度過低，口感偏軟，沒有嚼勁。脆度越小，表示產品的口感越酥脆。如圖1所示，牛蒡脆片硬度值在1 200～2 700 g之間，其中熱風干燥和真空冷凍干燥硬度值分別為2 672、1 278 g。熱風干燥脆度值最高，真空冷凍和真空冷凍聯合真空微波脆度值顯著低于其他3個方式。這可能是由于熱風干燥過程中，溫度從外向內傳遞，使牛蒡脆片表面溫度高于內部，隨著表面水分的蒸發遷移，細胞快速收縮使物料表面干癟堅硬，導致產品堅硬。而真空冷凍干燥過程中，當壓力低至三相點壓力時，水的冰點與沸點重合，此時固態的冰直接升華轉為氣態，很好地保留了物料疏松多孔的結構，導致產品硬度低，酥脆性好[18]。

對于真空冷凍聯合真空微波干燥，前期真空冷凍過程中，牛蒡片內部已經形成了多孔的結構，后期真空微波干燥保持了這種結構，使最終產品硬度和脆度適中。

2.4不同干燥方式對牛蒡脆片收縮率的影響

收縮率不僅會引起產品體積變化，而且會導致產品形變，直接影響產品感官品質。干燥過程中產品收縮是因為細胞內部水分經由細胞膜、細胞壁然后穿過多孔結構擴散到外界環境中，產品內部水分梯度引發的顯微結構應力導致產品收縮[17]。由圖2可知，熱風干燥產品收縮率最高為60.63%，與熱風聯合真空微波干燥產品收縮較嚴重但并無顯著差異，真空冷凍干燥產品的收縮率最小。熱風干燥時，物料表面形成干硬膜，使牛蒡內部水分未能及時轉移到表面，導致干燥速率減慢，干燥時間過長，皺縮嚴重。真空冷凍聯合真空微波干燥前期在低溫低壓的條件下，牛蒡中水分從冰晶狀態下直接升華，所占空間仍然保留，形成穩定的固定骨架[18]，有利于后期真空微波干燥，在這種聯合干燥方式下物料的收縮程度大大降低。

2.5不同干燥方式對牛蒡脆片微觀結構的影響

圖3為不同干燥方式下牛蒡脆片的微觀結構，圖3-a表明熱風干燥對牛蒡脆片沒有膨化作用，產品內部維管束皺縮，細胞結構排列致密，細胞間幾乎沒有空隙。這是因為在熱風干燥過程中，熱量由外向內傳遞，水分從微孔道蒸發緩慢，細胞間隙水分排出的同時空氣進入，擠壓細胞壁造成組織塌陷[19-20]，這也是造成牛蒡脆片收縮嚴重、質地堅硬的原因。經真空微波干燥和熱風聯合真空微波干燥的產品細胞間隙不均等，維管束孔徑大小不一，孔壁較厚，且組織結構均有不同程度的擠壓現象（圖3-b、圖3-d）。這可能是干燥過程中物料在熱的作用下，導致細胞結構破壞嚴重[7]。由圖3-c可以看出，真空冷凍干燥牛蒡脆片細胞具有明顯的蜂窩狀結構、維管束數量較多且結構均勻、保持好。但由于真空冷凍干燥的牛蒡脆片組織結構較疏松，微孔道壁太薄，產品易破碎產生粉末，不利于包裝運輸。真空冷凍聯合真空微波干燥的產品微孔結構破壞程度較低（圖3-e），從而保留了內部組織的多孔性[21]，且這個結構在真空微波干燥過程中得到了保持，與單一真空冷凍干燥沒有顯著差異。

2.6不同干燥方式對牛蒡脆片中多酚、黃酮、多糖含量的影響

2.6.1多酚、黃酮多酚和黃酮類物質在干燥、提取過程中易離解、水解和氧化，導致含量大大損失[12]。從圖4可知，熱風干燥得到的牛蒡脆片中多酚和黃酮含量均低于真空微波干燥和熱風聯合真空微波干燥。真空冷凍聯合真空微波干燥、真空冷凍干燥的多酚含量較高，且兩者無顯著差別，分別為14.48、16.92 mg/g。真空冷凍干燥中多酚、黃酮含量均最高，為16.92、33.92 mg/g。這是因為在低溫、真空條件下，熱不穩定，具有活性的化合物不易與氧接觸發生氧化反應，因此酚類和黃酮類物質保留得較好，使產品具有較高的營養價值[22]。

2.6.2多糖從圖5可知，真空冷凍干燥時多糖含量最高，為562.94 mg/g；熱風干燥下多糖含量最低，為420.99 mg/g。熱風干燥、真空微波干燥和熱風聯合真空微波干燥下牛蒡脆片中多糖含量明顯低于其他2個處理，這是因為多糖在高溫下易發生美拉德反應而損失；另外在這3種干燥方式下的牛蒡脆片收縮嚴重、結構致密，使后期提取不充分，導致測得的多糖含量較低。

3結論

本研究對不同干燥方式干燥所得牛蒡脆片的物理指標和營養指標進行了測定，結果表明，真空冷凍干燥聯合真空微波干燥比真空冷凍干燥節省近一半時間；從色澤、褐變程度考慮，熱風干燥、熱風聯合真空微波以及真空微波干燥后的牛蒡脆片亮度小、色差大、褐變嚴重且明顯低于其他干燥方式；真空冷凍聯合真空微波干燥的牛蒡脆片硬度脆度適中、收縮不明顯；微觀結構表明，真空冷凍干燥和真空冷凍聯合真空微波干燥牛蒡脆片均能形成明顯的疏松、多孔結構，而其他3種干燥方式下牛蒡脆片內部有明顯塌陷、皺縮現象；對比不同干燥方式條件下牛蒡脆片多酚、黃酮、多糖含量可知，真空冷凍干燥和真空冷凍聯合真空微波干燥后牛蒡脆片中營養物質含量較高。綜合考慮，真空冷凍聯合真空微波干燥的牛蒡脆片色澤變化和褐變程度小、組織疏松、收縮率小、質地均勻、酥脆性好，營養物質保留率高，是一種節能高效、適合牛蒡脆片干燥加工的方法。

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