預(yù)冷凍處理對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜和胡蘿卜果蔬干干燥特性和品質(zhì)特性的影響研究

馬鵬利，夏寧，滕建文

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

1 概述

微波真空干燥是一種最常用的果蔬干燥方法。微波技術(shù)與真空技術(shù)結(jié)合充分發(fā)揮了微波技術(shù)的高效和均勻以及真空條件下水汽化點(diǎn)低的特點(diǎn)，能夠較好地保留食物的色、香、味等品質(zhì)特性，減少熱敏性營養(yǎng)成分及生物活性成分的損失[1]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微波真空干燥的果蔬進(jìn)行了廣泛研究，如王志艷等[2]研究了不同微波真空干燥條件對(duì)南瓜片干燥速率的影響，表明微波強(qiáng)度對(duì)南瓜片干燥速率的影響較大；郭正南[3]對(duì)黃秋葵微波真空的失水特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，黃秋葵的失水速率隨著微波功率的增大而增大。但是，將未預(yù)處理的果蔬干直接進(jìn)行微波干燥處理存在很大的弊端，微波功率過高會(huì)引起果蔬干易糊化，且耗能較大。因此，我們嘗試對(duì)果蔬進(jìn)行預(yù)處理來緩解未處理果干微波干燥的弊端。目前，關(guān)于預(yù)冷凍對(duì)微波真空下高糖含量和低糖含量的果蔬干品質(zhì)特性的研究報(bào)道非常少，但預(yù)冷凍處理對(duì)果蔬干的干燥具有重要意義。Ando等[4-5]研究表明，預(yù)冷凍過程中形成的冰晶對(duì)樣品組織的細(xì)胞膜通透性和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)都會(huì)造成損傷，認(rèn)為干燥速率的提高會(huì)加快組織水分轉(zhuǎn)移，因此，預(yù)冷凍處理方式可以有效地提高果蔬的干燥速率。此外，預(yù)冷凍處理的樣品在微波真空干燥下的機(jī)械性能變化較大，口感較好；Zielinska等[6]研究了藍(lán)莓干微波真空預(yù)冷凍處理的效果，結(jié)果表明預(yù)冷凍可以有效地降低干燥時(shí)間及能源消耗。

因此，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)品的多樣性，本研究選取菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干分別作為高糖和低糖果干的代表，將預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干樣品分別與未處理(新鮮)樣品進(jìn)行對(duì)比，研究預(yù)冷凍對(duì)其干燥速率、膨化率、硬度和脆度等品質(zhì)特性的影響；此外，將預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干再一次進(jìn)行對(duì)比，研究預(yù)冷凍處理對(duì)菠蘿蜜(高糖)和胡蘿卜(低糖)果干的干燥特性、膨化率、硬度和脆度等品質(zhì)特性的影響。評(píng)價(jià)預(yù)冷凍處理對(duì)高糖含量的菠蘿蜜果干和低糖含量的胡蘿卜果干在微波真空干燥下的實(shí)用性，以期得到耗時(shí)最短、耗能最少、品質(zhì)更好的產(chǎn)品，為預(yù)冷凍產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了技術(shù)參考和理論支持。

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

菠蘿蜜、胡蘿卜：南寧，選取新鮮完整的菠蘿蜜、胡蘿卜貯藏于4 ℃冷庫中備用。

2.1.2 主要儀器與設(shè)備

WBZ-10型智能化靜態(tài)微波真空干燥機(jī) 貴陽新奇微波工業(yè)有限責(zé)任公司；AE224型電子分析天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；DHG-9146A型電子恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；ACS-3H型電子秤 中山市金利電子衡器有限公司；TA-XT plus型質(zhì)構(gòu)儀 英國StableMicro公司；D-180GY2S型冰箱 康佳公司；Phenom型飛納臺(tái)式掃描電鏡；核磁共振成像分析儀 紐邁電子科技有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 樣品制備

分別選擇形狀大小相似的菠蘿蜜去核，胡蘿卜去皮后切分成長×寬×厚為6 cm×3 cm×3 mm的小粒，用保鮮袋密封。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，置于-18 ℃的冰箱中凍藏3 d更有利于冰晶的形成，干燥前將其解凍至室溫。

2.2.2 干燥過程

將1000 g的菠蘿蜜和胡蘿卜果干樣品置于微波真空干燥機(jī)中，微波真空干燥機(jī)的真空度設(shè)定為0.08 MPa，輸出功率設(shè)定為0.5，1.5 W/g，為了防止溫度過高造成樣品糊化，采用微波輻照1 min，間隔1 min的干燥方式處理。

2.2.2.1 水分含量的測(cè)定[7]

采用常壓干燥法。

2.2.2.2 干基含水率

干基含水率是指濕物料中水分與絕干物質(zhì)的質(zhì)量之比[8]。在干燥過程中，濕物料的總質(zhì)量在不斷減少，但絕干物質(zhì)G不變，因此在干燥操作的計(jì)算中，應(yīng)用Mt比較方便。干基含水率Mt是以絕干物質(zhì)為基準(zhǔn)的含水率表達(dá)式[9]。干基含水率(Mt)的計(jì)算見公式(1)：

Mt=(Wt-G)/G

(1)

式中：Wt為任意t時(shí)刻干燥的質(zhì)量，g；G為絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

2.2.2.3 干燥速率

干燥速率(DR)是指在一定的干燥條件下，物料在單位時(shí)間內(nèi)水分含量的變化[10]。干燥速率是衡量物料在干燥過程中水分蒸發(fā)快慢的一個(gè)重要指標(biāo)。干燥速率(DR)的計(jì)算見公式(2)：

DR=(Mt-Mt+1)/△t。

(2)

式中：DR為干燥速率，g/min；Mt為物料在t時(shí)刻干基含水率，g/g；Mt+1為物料在t+1時(shí)刻干基含水率，g/g；△t為t+1與t的時(shí)間差，min。

2.2.3 品質(zhì)變化2.2.3.1 膨化率的測(cè)定

膨化率是反映物料膨化效果的物理量[11]。在測(cè)定果干膨化率時(shí)，每次選取10片果干，采用小米體積置換法[12-14]測(cè)定微波真空膨化前的果干體積V0和微波真空膨化到t時(shí)刻的體積Vt，膨化率(W)的測(cè)定見公式(3)：

W=Vt/V0×100%。

(3)

式中：W為果干的膨化率；V0為果干的初始體積，mL；Vt為果干膨化后脆片的體積，mL。

2.2.3.2 硬度和脆性的測(cè)定[15-16]

采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)試，參數(shù)設(shè)置：P/2型穿刺探頭，測(cè)試速率0.5 mm/s，測(cè)試距離8 mm，出發(fā)點(diǎn)10 g。樣品硬度以質(zhì)構(gòu)圖中的峰值表示，數(shù)值越大表明樣品硬度越大，樣品越有嚼勁，但硬度過大口感較差。硬度單位為N/cm2；產(chǎn)品脆度以穿刺過程中應(yīng)力值變化波動(dòng)而凸顯出峰個(gè)數(shù)多少表示，峰數(shù)越多，產(chǎn)品的脆度越大。每種樣品重復(fù)10次，取其平均值。

2.2.3.3 微觀結(jié)構(gòu)組織觀察[17]

將經(jīng)過不同前處理后、具有代表性的果干置于掃描鏡下進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察，具體操作：將處理好的果干切面用導(dǎo)電膠將其貼到掃描電鏡樣品臺(tái)上，先在真空鍍膜儀上給果干鍍金屬膜，再通過掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察掃描拍照。

2.2.3.4 產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

產(chǎn)品質(zhì)量感官評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1。感官評(píng)價(jià)采取百分制進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)組成員由本專業(yè)的10名同學(xué)組成[18]。

表1 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.4 數(shù)據(jù)分析

所有值都是3個(gè)及以上獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值，采用t檢驗(yàn)分析均值差異，并應(yīng)用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 預(yù)冷凍對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干干燥特性的影響

不同微波功率下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的干燥速率見圖1。在真空度和裝載量恒定的情況下，干燥速率隨著果干單位質(zhì)量吸收的微波能的不同而不同。

圖1 菠蘿蜜果干(a)和胡蘿卜果干(b)在不同微波功率下的干燥速率

由圖1可知，果干的微波間歇干燥過程有3個(gè)階段，包括前期加速、中期恒速和后期降速階段。果干的干燥速率曲線隨著微波功率的增大而變陡峭。干燥加速前期階段，菠蘿蜜和胡蘿卜果干含有大量水分，能夠吸收大量微波輻射能，水蒸氣的排出及單位時(shí)間內(nèi)水蒸氣的壓力差和溫度的壓力差增長，都迫使自由水向果干表面轉(zhuǎn)移，使果干表面的水分受熱優(yōu)先蒸發(fā)，因此，干燥速率呈上升趨勢(shì)；干燥中期，即恒速階段，果干吸收的微波均用于蒸發(fā)內(nèi)部的大部分水分，果干表面的水汽蒸發(fā)速率與內(nèi)部的水分?jǐn)U散速率基本保持恒定狀態(tài)；干燥后期，即降速階段，在真空下，果干會(huì)產(chǎn)生壓力差，水分從果干的內(nèi)部向外擴(kuò)散，很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到果干表面，此時(shí)有最大的水分散失速率，隨著果干內(nèi)部水分的減少，吸收的微波也隨之減少，干燥速率呈下降趨勢(shì)[19]。

由圖1中(a)可知，微波功率為0.5 W/g、時(shí)間為0～60 min時(shí)和微波功率為1.5 W/g、時(shí)間為0～20 min時(shí)，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干的干燥速率大于鮮果的干燥速率，且時(shí)間為15 min、功率為1.5 W/g時(shí)，預(yù)冷凍的菠蘿蜜果干的干燥速率達(dá)到頂峰。這可能是由于預(yù)冷凍緩慢冷凍形成的冰晶破壞了菠蘿蜜果干的組織結(jié)構(gòu)，加快了果干的干燥速度，微波功率越高，干燥速率越快，干燥時(shí)間越短。但是，果干干燥速度的加快會(huì)使果干的表面形成一層薄膜，這層薄膜會(huì)阻礙水分的散失。因此，當(dāng)微波功率為1.5 W/g、時(shí)間20 min后，預(yù)冷凍的微波功率會(huì)下降，圖1中(b)胡蘿卜果干的干燥速率同理。與未處理的果干相比，在干燥前期，預(yù)冷凍處理均提高了菠蘿蜜和胡蘿卜果干的干燥速率，當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干的干燥速率分別提高了1.04，1.13倍；同理，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率分別提高了1.18，1.24倍。

由圖2可知，果干的干基含水率曲線隨著加熱時(shí)間的延長而變陡峭，功率增大，所需的干燥時(shí)間越短，原因可能是加熱時(shí)間的延長，增加了菠蘿蜜和胡蘿卜果干內(nèi)水分子的摩擦和振蕩速度，在真空情況下，水的汽化溫度會(huì)因?yàn)檎羝麎旱臏p小而降低，使得汽化的速度加快，從而加快了干燥速率，降低了干基含水率，縮短了干燥時(shí)間。

圖2 菠蘿蜜果干(a)和胡蘿卜果干(b)在不同微波功率下的干基含水率

由圖3中(b)可知，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜和胡蘿卜果干的干基含水率曲線相對(duì)更陡峭，胡蘿卜果干的干基含水率大于菠蘿蜜果干的干基含水率，經(jīng)計(jì)算，胡蘿卜果干的初始干基含水率是菠蘿蜜果干的2.72倍。但是，由圖3中(a)可知，胡蘿卜果干的干燥速率大于菠蘿蜜果干的干燥速率。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，與預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干相比，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率最大提高了3.02，3.4倍。因此，相對(duì)于高糖含量的菠蘿蜜果干而言，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的干燥速率更快，預(yù)冷凍處理對(duì)于低糖含量的胡蘿卜果干更合適。

圖3 預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的干燥曲線

3.2 預(yù)冷凍對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干品質(zhì)特性的影響

3.2.1 預(yù)冷凍處理對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干膨化率的影響

微波功率是影響果干膨化率、脫水速度以及成品品質(zhì)的主要因素，適當(dāng)?shù)墓β什坏梢蕴岣呙撍俾剩铱梢蕴岣吖纱嗥呐蚧什⒏纳乒傻娘L(fēng)味品質(zhì)[20]。微波具有內(nèi)部加熱的特性，且速度非常快。果干中的水分在短時(shí)間內(nèi)迅速汽化蒸發(fā)，并在果干的內(nèi)部積累形成蒸汽壓，若果干的質(zhì)構(gòu)不能承受此壓力，就會(huì)造成體積膨脹，產(chǎn)生膨化效應(yīng)[21]。

在微波作用下，果干的膨化是以水為動(dòng)力。若水分含量太低，則膨化動(dòng)力不足，膨化率低，甚至不能膨化，易焦糊；水分含量過高，則產(chǎn)品膨化后，內(nèi)部干燥，但外部水分排除不夠充分，產(chǎn)品容易塌陷，膨化率低。水分含量過高還會(huì)導(dǎo)致膨化時(shí)果干內(nèi)部的水分急劇汽化卻排不出去，形成大氣泡；若水汽繼續(xù)外排就會(huì)沖擊氣泡，使之破裂，這些都會(huì)損害產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。

由圖4可知，不同微波功率下，膨化率存在顯著性差異。由圖4中(a)和(b)可知，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的膨化率大于未處理的果干。當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí), 預(yù)冷凍處理后的菠蘿蜜果干的膨化率分別是未處理果干膨化率的1.54，1.13倍；同理，預(yù)冷凍處理后的胡蘿卜果干的膨化率分別是未處理果干膨化率的1.62，1.89倍，且差異性顯著(P<0.01)。由圖4中(c)可知，預(yù)冷凍處理后的胡蘿卜果干的膨化率都大于菠蘿蜜果干的膨化率。當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，與預(yù)冷凍處理后的菠蘿蜜相比，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的膨化率分別是其1.02，1.2倍。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，預(yù)冷凍處理對(duì)于果干的膨化具有一定的影響。但對(duì)于菠蘿蜜果干的膨化率影響不大，對(duì)于胡蘿卜的果干膨化率影響較大，且效果顯著。

圖4 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的膨化率

3.2.2 預(yù)冷凍處理對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干中質(zhì)構(gòu)特性的影響

硬度和脆度對(duì)果干的運(yùn)輸和保藏性能具有一定的影響，是評(píng)價(jià)果干品質(zhì)的重要指標(biāo)。由圖5中(a)和(b)可知，在不同的功率下，未處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的硬度大于預(yù)冷凍處理的果干的硬度。當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，未處理的菠蘿蜜果干的硬度大于預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干的硬度，差異性不顯著；未處理的胡蘿卜果干的硬度分別是預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干硬度的1.3，1.5倍，且差異性顯著。由圖5中(c)可知，將不同微波功率下預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，與預(yù)處理的菠蘿蜜果干相比，預(yù)冷凍的胡蘿卜果干的硬度分別是其的0.25，0.32倍，且差異性顯著(P<0.01)。

圖5 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的硬度

經(jīng)查資料可知，脆度用峰數(shù)表示，峰數(shù)越多，脆度越大。由圖6中(a)和(b)可知，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干的脆度都大于未處理的果干。在不同功率下，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜和未處理的菠蘿蜜果干的差異性不顯著，相反，胡蘿卜果干表現(xiàn)為極顯著。當(dāng)微波功率為0.5，1.5 W/g時(shí)，與未處理的胡蘿卜果干相比，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的脆度分別是其的2，2.7倍。由圖6中(c)可知，將預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干脆度進(jìn)行對(duì)比，菠蘿蜜果干的脆度大于胡蘿卜果干的脆度。

圖6 菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波功率下的峰數(shù)

此結(jié)果說明，經(jīng)預(yù)冷凍處理后的果干，其質(zhì)構(gòu)變得松散易碎，緩慢冷凍會(huì)導(dǎo)致冰晶無規(guī)則地生長和膨脹，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜被破壞，甚至細(xì)胞壁被破壞，一般來說，冷凍速度越慢，形成晶體的速度越快，組織被破壞的程度就越大，對(duì)于食物來講，在-3～-10 ℃凍結(jié)，組織被損傷的程度最大[22]。破裂的細(xì)胞壁會(huì)從根本上改變機(jī)械組織的特性。高糖含量的果干在干燥的過程中，水分的轉(zhuǎn)移會(huì)帶動(dòng)果干內(nèi)部糖分的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致果干表面的糖組分增加，微波干燥加熱過程使糖組分結(jié)晶化，從而使其表面形成堅(jiān)硬的外殼[23]；另一方面，糖分和菠蘿蜜果干自身的組分通過羥基的氫鍵相互作用[24]，使果干的組織結(jié)構(gòu)硬度增加。且菠蘿蜜果干的含糖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于胡蘿卜果干的含糖量，因此菠蘿蜜果干的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于胡蘿卜果干的硬度，且差異極顯著(P<0.01)。果干的脆度見圖6中(c)，預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜果干的脆性大于胡蘿卜果干，當(dāng)微波功率為0.5 W/g 時(shí)，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的脆性是預(yù)冷凍菠蘿蜜果干的0.64倍，且差異性顯著(P<0.01)；當(dāng)微波功率為1.5 W/g時(shí)，預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的脆性是預(yù)冷凍菠蘿蜜果干的0.94倍。硬度過大，會(huì)影響產(chǎn)品的口感，因此，相對(duì)于高糖含量的菠蘿蜜果干，預(yù)冷凍處理對(duì)于低糖含量的胡蘿卜果干的硬度和脆度品質(zhì)的效果更好。

3.2.3 預(yù)冷凍處理對(duì)微波真空干燥下菠蘿蜜和胡蘿卜果干組織結(jié)構(gòu)及感官評(píng)價(jià)的影響

預(yù)冷凍與未處理的菠蘿蜜和胡蘿卜果干在不同微波功率下的SEM圖像和樣品圖見圖7。在0.5 W/g的功率下，未處理(鮮果)菠蘿蜜的空隙大小較不均勻，水分分布不均勻，易糊化，由圖7中(a)可知，在干燥過程中，由于壓力差，未處理的菠蘿蜜的糖分隨著水分從果干內(nèi)部轉(zhuǎn)移至果干表面，糖分在果干表面結(jié)晶，表面容易糊化，且由于水分分布不均勻，容易產(chǎn)生氣泡。在1.5 W/g功率下，微波功率較大，果干受熱不均勻，未處理的菠蘿蜜果干的空隙大小不均勻，其產(chǎn)生的氣泡更大，見圖7中(c)。這是因?yàn)樵诟稍镞^程中，由于壓力差，糖分隨著水分遷移到果干表面，且更容易糊化。預(yù)冷凍處理的菠蘿蜜空隙的大小相對(duì)未處理的空隙大小均勻，由于緩慢冷凍，結(jié)構(gòu)組織遭到了破壞，部分出現(xiàn)坍塌、破裂，見圖7中(b)和(d)；在干燥過程中，水的流動(dòng)性較好，水分分布比較均勻，不易產(chǎn)生糊化，且顏色正常，但是表面不干燥且有糖分溢出。胡蘿卜果干的空隙是肉眼可見的，見圖8。未處理的胡蘿卜果干的空隙較大，且大小不一，見圖7(e 和g)和圖8(a和c)，且顏色由紅變黃，易產(chǎn)生氣泡。預(yù)冷凍處理的胡蘿卜果干的空隙相對(duì)比較均勻，結(jié)構(gòu)組織比較整齊，膨化率較好，口感酥脆，且能維持果干鮮亮的顏色，見圖7(f和h)和圖8(c和d)，因此，相對(duì)于高糖含量的菠蘿蜜果干，預(yù)冷凍處理的低糖含量的胡蘿卜果干不易糊化，無氣泡且顏色鮮艷，口感更好，效果更顯著。

圖7 預(yù)冷凍與未處理(新鮮)的菠蘿蜜果干和胡蘿卜果干在不同微波下的SEM圖像和樣品圖

圖8 預(yù)冷凍與未處理(新鮮)的菠蘿蜜和胡蘿卜果干在不同微波下的樣品切面圖

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，與未處理的果干相比，預(yù)冷凍處理對(duì)高糖含量的菠蘿蜜果干和低糖含量的胡蘿卜果干的品質(zhì)特性均有一定的影響，尤其是對(duì)低糖含量的胡蘿卜果干干燥特性和品質(zhì)特性的影響更大，差異性極顯著(P<0.01)。預(yù)冷凍后的菠蘿蜜果干樣品表面有糖溢出，容易出現(xiàn)焦糊，質(zhì)地較硬，酥脆性能差，口感不佳，而預(yù)冷凍處理后的胡蘿卜果干顏色鮮艷，表面干燥，質(zhì)地較好，酥脆性較好，口感較好。綜合評(píng)價(jià)，預(yù)冷凍處理更適合低糖含量的胡蘿卜果干。