不同冰溫真空干燥壓力對草莓品質的影響

賀紅霞，申江，*，張川，周成君

（1.天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津300134；2.華商國際工程有限公司，北京100069；3.北京市京科倫冷凍設備有限公司，北京101302）

草莓營養豐富，果實富含酚類等抗氧化活性物 質，特別是維生素C含量較高，有很好的營養、保健和藥用價值，被譽為水果皇后。其采收期短，上市集中，易產生機械損傷，不耐貯藏[1-2]。將新鮮草莓加工成草莓干、草莓粉、草莓速溶飲料等一系列新產品不僅食用更加方便，還可解決草莓的儲存和運輸問題，拓寬草莓制品市場[3－4]。

研究表明，相比于自然干燥，熱風干燥有效提高了傳熱和傳質系數。但高溫易使組織細胞、營養成分遭到破壞，食品品質大幅下降[5]；冷凍干燥草莓雖然可以最大程度保持草莓原有形狀與味道，但高能耗、低效率也限制了其應用[6－8]；微波干燥可很好的保留草莓營養物質[9－10]，但微波干燥中的空穴效應造成的電磁場的不均勻性，導致干燥倉內的物料容易產生熱點影響其品質[11]；冰溫真空干燥是將真空干燥技術與冰溫技術相結合，使真空干燥過程中物料溫度始終被控制在冰溫帶范圍內的新型干燥技術。冰溫干燥可使果蔬組織細胞在鮮活狀態下被快速干燥，不會產生冰晶破壞物料細胞結構。同時真空干燥中低氧環境可抑制干燥過程中營養物質的氧化與微生物的生長與繁殖。因此冰溫真空干燥既可維持物料原有的活體特性，又能在干燥后有效地保存物料原有風味及營養成分。對胡蘿卜[12]的研究發現，冰溫真空干燥可獲得高品質胡蘿卜干制品，其品質優良，復水性強。與冷凍干燥、熱風干燥相比，菠菜經冰溫真空干燥維生素C保有量最高，最接近于新鮮菠菜，葉綠素含量達新鮮菠菜葉綠素含量87%。復水比雖小于冷凍干燥，但遠大于熱風干燥[13]。

目前國內外學者對草莓干制品的研究主要集中在冷凍干燥[7，14]、熱風干燥和微波干燥[15]，對草莓冰溫真空干燥及其干制品品質的相關研究鮮見報道。

本文研究在干燥溫度相對穩定條件下（－0.5±0.2）℃，艙內不同干燥壓力（絕對壓力 50、100、300、500 Pa）對草莓干燥速率、失重率及相關干燥品質的影響，為今后冰溫真空干燥草莓的工業化生產提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料

中國山東省濟南市產紅顏（99）草莓，于清晨采摘，并在冷藏車中5℃～6℃保存運輸至實驗室，存放于（5±1）℃冰溫庫。

1.2 儀器與設備

LJQK多功能果蔬保鮮裝置[16]（兼具真空預冷、減壓貯藏、冰溫真空干燥功能，天津商業大學實驗室）。該裝置可用于果蔬冰溫真空干燥試驗，主要包括真空系統、可控電加熱系統、制冷系統和控制系統。

該設備的真空艙可用于不同溫度和壓力，不同形狀和大小的果蔬樣品的干燥。由自動調節器控制樣品溫度，干燥過程中自動稱取樣品重量、溫度等信息。真空艙貨架裝有耐低壓稱重傳感器，用于檢測干燥過程中果蔬重量的變化。干燥結束統一標準為濕基濕含量10%以下，可根據果蔬初始重量、初始濕基濕含量，計算干燥完成后果蔬重量，通過稱重傳感器判斷干燥結束時間。同時根據干燥過程中果蔬重量的變化，計算各時段內失重率與干燥速率。

CR－400色彩色差計：日本KONICA MINOLTA公司；PAL－BXIACID5糖度儀：日本ATAGO公司；XK3190－A19E型電子秤：上海耀華電子秤有限公司；PS－1高速組織搗碎機：上海標本模型廠。

1.3 試驗參數設定

按照顏色和硬度，選取八分熟大小均勻（平均單體果品重20 g，直徑2 cm～2.5 cm之間）無機械損傷的果品進行去蒂處理。

試驗過程包括：（a）對挑選出來的果品進行稱重裝盤、將樣品置于真空艙內貨架稱重傳感器上。（b）開啟真空泵和制冷機組，調節真空泵、艙內電加熱、制冷機組供液量，使貨物溫度、艙內溫度、壓力維持在設定誤差允許波動范圍內進行冰溫真空干燥。（c）對干燥后的干制品進行品質測定。

經試驗測量，該批次草莓冰點溫度為－0.8℃～－1.2℃。控制草莓溫度維持在（－0.5±0.2）℃，進行4組試驗：真空艙內干燥壓力分別為500、300、100 Pa和50 Pa，每組草莓質量為10 kg，每隔30分鐘記錄一次稱重傳感器示數及相關溫度壓力參數，干燥直至草莓含水量在10%（濕基）以下、干燥物料溫度波動較小，并與艙內溫度十分接近，認定為干燥階段結束。每組干燥條件重復3次試驗，至干基濕含量10%以下。

1.4 測定指標

1.4.1 濕含量[17]

草莓樣品的初始水分含量按照GB 5009.3－2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》的具體操作方法，測得初始濕基濕含量為91.8%，干基濕含量11.195%。干燥過程中的干基濕含量由干（濕）基濕含量轉換公式進行計算。

1.4.2 失重率

失重率用來衡量草莓冰溫真空干燥過程中失水程度。

式中：m1為干燥前新鮮草莓質量，kg；m2為經過t時間干燥后草莓質量，kg。

物重由艙內稱重傳感器測量，并由控制系統直接顯示。

1.4.3 干燥速率

干燥速率是衡量干燥過程進行快慢的重要參數，其計算公式如下（每100 g新鮮草莓的干燥速率）：

式中：t1、t2為前后兩次干燥稱重時間，h；Mt1、Mt2為草莓試樣在t1、t2為時刻的水分含量，kg。

1.4.4 維生素C[18]

采用2，6-二氯靛酚滴定方法測定干燥前后果品中的維生素C含量。

式中：c為校準曲線查得 VC含量，（μg/mL）；m 為草莓試樣質量，g；F為樣品溶液的稀釋倍數；v為測試時吸取提取液體積，mL。

1.4.5 可溶性固形物

可溶性固形物含量采用PAL-BXIACID5糖度儀測定。

1.4.6 復水比

復水性能是用來表示干燥產品在干燥過程中受損程度的一種重要物理參數，常用復水比表示，復水比一般與水溫和浸水時間相關。試驗中將（100±5）g干燥后的草莓樣品放在30℃的恒溫水槽中，每隔20分鐘去除樣品表面水分進行稱重。復水比（RC）的計算公式如下所示：

式中：RC為復水比；m1為復水后吸干表面水分后樣品重量，g；m2為復水前樣品重量，g。

1.4.7 色差

采用CR-400色彩色差計測量，每組試驗重復測量3次，測量后將測量結果和新鮮草莓進行比對，最后求取平均值，總色差值ΔE計算公式如下[19]：

式中：ΔL為干燥前后草莓亮度差值；Δa為干燥前后草莓偏紅值差值；Δb為干燥前后草莓偏黃值差值。

1.5 數據處理分析

通過EXCEL2007和SPSS19.0軟件進行數據整理與分析，軟件Origin8.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同干燥壓力對草莓干燥速度的影響

真空艙內壓力是影響干燥過程的重要因素，真空艙內壓力主要是通過果品內部和真空艙之間的水分壓差從而影響干燥速度。

不同干燥壓力下草莓失重率變化情況見圖1。

圖1 不同干燥壓力對草莓失重率的影響圖Fig.1 The effect of different drying pressures on the weight loss rate of strawberry

從圖1中可以看出不同干燥壓力下草莓失重率變化趨勢相近，隨著干燥壓力的升高，草莓的失重率越來越大，且呈現先快速增長隨后緩慢增長的趨勢。不同干燥壓力對草莓干基濕含量的影響見圖2。

圖2 不同干燥壓力對草莓干基濕含量的影響Fig.2 The effect of different drying pressures on water content in dry base of strawberry

由圖2可以看出，艙內干燥壓力越低，干燥到目標含水量所需的時間越短，干燥壓力為500、300、100、50 Pa的草莓干燥至目標含水量所需干燥時間分別為108、92、72、48 h。

綜上所述，草莓在4種干燥壓力下的干燥速率趨勢相同：開始階段草莓失水較快，然后逐漸變慢。該趨勢與Doymaz[20]在草莓對流干燥動力學研究中發現的現象一致。這是由于草莓在干燥時所需去除的水分，是占主體的游離水和部分膠體結合水。所以在真空干燥進行1/3階段（約干燥開始的前30小時），游離水從草莓表面快速蒸發向外擴散。由于外擴散的結果，造成草莓表面和內部水分之間產生水蒸氣分壓差，水分由內部向外表面移動，用以維持草莓各部分濕度、壓力的平衡。草莓失重率達到70%后，開始蒸發結合水，因此干燥后期蒸發速度明顯減慢。當干燥到失重率達85%時，草莓失水變得非常困難。從物料表面蒸發出來的水分減少。伴隨干燥過程的進行，表面硬化、干縮變形現象加深，導致進一步失水變得非常困難。

干燥速率（DR）是衡量干燥工藝的重要指標，不同壓力下草莓冰溫干燥速率曲線見圖3。

圖3 不同干燥壓力對草莓干燥速率的影響Fig.3 The effect of different drying pressures on the drying rate of strawberry

由圖3可以看出，在干燥開始的4 h以內，存在一個加速干燥階段，主要是由于在初始階段草莓表面與真空艙壓力差和濕度差較大，遠遠大于草莓內部水分子間的束縛力。理論分析中，當物料本身吸收的熱量與水分蒸發帶走的熱量相同時，物料進入恒速干燥階段。此時干燥速率將保持恒定，物料內部逐漸形成一種多孔結構。該階段干燥過程的進行極易受到外部因素的影響。與理論不同之處是草莓的冰溫干燥過程中不存在恒速干燥階段，可能是受干燥溫度與壓力影響，導致恒速干燥階段持續時間較短。這與Ertekin[21]在熱風干燥過程中發現的現象一致。由圖3分析可知，提高真空度可以提高加速階段的干燥速率，但在干燥開始進行48小時后，提高真空度對提高干燥速率的效果并不明顯。

2.2 不同干燥壓力對草莓品質的影響

2.2.1 艙內干燥壓力對草莓復水特性的影響

不同干燥壓力對草莓復水特性的影響見圖4。

圖4 不同干燥壓力對草莓復水特性的影響Fig.4 The effect of different drying pressures on the rehydration of strawberry

由圖4可知，4條曲線趨勢相同，但不同干燥壓力下草莓干制品的復水比存在一定差異：復水初期1.5 h內，4組條件下的復水比均顯著上升，隨后復水比增長趨于平緩，直至達到最大飽和狀態，復水比穩定在2.91～3.45之間。對比不同干燥壓力下的復水比可以發現，干燥壓力越高，草莓干制品的復水能力越強。這很大程度是由于新鮮草莓的含水量較高，在極低的干燥壓力下進行真空干燥水分遷移較快，使草莓的部分組織細胞受到破壞，導致復水能力降低。

2.2.2 艙內干燥壓力對草莓營養物質的影響

草莓中的重要營養成分是碳水化合物、維生素C等。碳水化合物在加熱時極易引起分解和焦化，特別是葡萄糖和果糖經高溫長時間干燥易發生大量損耗。脫水干燥也容易造成維生素的損失，其中最不穩定的為抗壞血酸（維生素C），不同干燥壓力對草莓可溶性固形物含量、維生素C含量的影響見圖5。

如圖5所示，新鮮草莓可溶性固形物含量為8.7%，在50、100、300、500 Pa的艙內壓力進行干燥，干燥后的可溶性固形物含量分別為20.3%、19.6%、18.1%、18.5%。可以發現由于干燥后物料水分的減少，使得草莓的可溶性固形物含量明顯增加（P＜0.05），但艙內不同干燥壓力對草莓可溶性固形物含量并無明顯的影響（P≥0.05）。

干燥前新鮮草莓維生素C含量為56.7 mg/100 g，經50、100、300、500 Pa的艙內壓力干燥后的維生素C含量分別為 51.3、49.5、45.8、42.2 mg/100 g。可以發現：不同干燥壓力下干制品中的維生素C含均顯著性低于干燥前新鮮草莓（P＜0.05）。這主要是由于維生素C的水溶性特性，使草莓在干燥脫水過程中，維生素C隨水分的蒸發造成滲透損失。但不同干燥壓力下的損失率均在25%以內，這主要是因為真空干燥條件下，由于氧含量降低，使得易氧化物能夠得到很好的保護。

2.2.3 艙內干燥壓力對草莓色差的影響

不同干燥壓力對草莓色差的影響見圖6。

圖6 不同干燥壓力對草莓色差的影響Fig.6 The effect of different drying pressures on the color difference of strawberry

由圖6可以看出，草莓干燥前后的色差比較明顯，且色差值隨干燥壓力的升高而降低。這是由于在低壓下，草莓果肉細胞滲透壓越大，失水率越高，導致草莓果肉部分色素降解和遷移，使干燥前后出現明顯的差異（P＜0.05）。但直觀觀察不同干燥壓力下的草莓干制品，并沒有明顯變化。

3 結論

草莓冰溫干燥過程中，在真空壓差的作用下，最先去除物料表面水分。隨著干燥過程的進行，物料表面水分逐漸去除，物料內部和表面之間形成濕度差，強大的濕度差將加速物料內部水分向表面擴散。同時存在著壓力差，使得被汽化的水分子加速向真空空間移動。在干燥過程中將物料溫度控制在草莓冰溫帶附近，可很好地保存果品品質。

通過測定干燥前后草莓的各項指標，發現不同干燥壓力對草莓的干燥速率、失重率、復水比、維生素C含量、色差等品質均有影響，對可溶性固形物含量則無明顯的影響。相同干燥溫度下，隨著干燥壓力的降低，草莓干燥速率、失重率及維生素C含量均增大，而干基濕含量及復水比均有所減小。雖色差值也隨干燥壓力的降低而增大，但通過直接感官觀察無明顯差異。

對比4種干燥壓力下的試驗結果，50 Pa的干燥壓力雖然可以極大限度的縮短干燥時間，降低能耗，但是干燥后的草莓品質及營養成分受到一定損失，對干燥設備的要求也更高。綜合考慮，試驗在100、300 Pa的干燥壓力下干燥效果較好，100 Pa干燥壓力可以在減少營養物質流失的同時進一步縮短干燥所需時間，干燥至目標含水量以下所需時間為72 h，失重率、復水比、維生素C含量、可溶性固形物含量及色差值分別為91.6%、3.03、49.5 mg/（100 g）、19.6%、20.93。

冰溫真空干燥具有能耗較低、干燥速率快、干燥均勻以及干燥后不流失營養成分等優點，是一種理想的果蔬保鮮技術。