不同預處理方式對胡蘿卜熱泵干燥品質的影響

金聽祥,王廣紅,彭鈺航,馬瑜聰,張盼,曹瀧

(鄭州輕工業大學 能源與動力工程學院,河南 鄭州,450002)

胡蘿卜富含各類維生素、糖類、脂肪、揮發油、胡蘿卜素、花青素、鈣、鐵等營養成分[1],在我國廣泛種植,產量和出口量占全球40%,但是我國現有技術對胡蘿卜的開發利用率不高,深加工技術匱乏,會造成一定的資源浪費和環境污染。干燥是胡蘿卜較為常用的一種貯藏和加工方法,干燥前合適的預處理不僅能更好地保留胡蘿卜的營養物質,呈現較好的形態和色澤,還能節約能耗。

目前預處理在果蔬干燥應用廣泛[2-3],常見的有超聲波[4-6]、熱燙[7-8]、冷凍[9-10]和滲透[11-12]以及多種預處理方式聯合的方法[13-15],多用于解決干燥過程中物料發生褐變、營養成分流失以及干燥時間長等問題。

在對胡蘿卜進行干燥時,針對不同的干燥方法也會采用不同的預處理方式。FAN等[16]發現超聲預處理可顯著縮短胡蘿卜紅外冷凍干燥的干燥時間。LIU等[17]發現超聲波輔助滲透預處理可提高胡蘿卜熱風干燥成品的類胡蘿卜素含量,降低脫水干燥過程的能耗。WANG等[18]發現真空蒸汽脈沖熱燙預處理可提高胡蘿卜的干燥速度,干燥時間縮短了25.9%。王森浩[19]通過實驗對比了熱燙、凍融、浸漬和CO2預處理對胡蘿卜壓差膨化干燥效果的影響,發現采用熱燙-CO2預處理方案干燥效果最好。ANDO等[20]發現凍融預處理可有效提高胡蘿卜微波真空干燥的干燥速率。KAYA等[21]研究了3個類型蔗糖+鹽混合進行的預處理對胡蘿卜干燥的影響,對未處理和預處理的胡蘿卜切片進行有效擴散系數估計。KOWALSKI等[22]發現滲透預處理能顯著提高胡蘿卜對流干燥最終產品的質量,且成品變形較少,顏色保存較好。丁真真等[23]對比了海藻糖、葡萄糖、乳糖浸漬預處理對胡蘿卜熱風干燥脫水品質的影響,發現葡萄糖滲透預處理得到的品質最好。HIRANVARACHAT等[24]發現對胡蘿卜進行檸檬酸酸洗預處理后,干燥成品顏色比對照組更紅,β-胡蘿卜素保留率更高。ALAM等[25]發現脈沖電場預處理可在不影響產品品質的前提下,有效地縮短胡蘿卜和歐洲防風草的干燥時間。GONG等[26]發現熱風輔助射頻加熱預處理可以使胡蘿卜熱風干燥后保持良好的質量,且能耗更低。YUCEL等[27]研究采用不同壓力-時間-溫度組合的高壓靜水壓力對蘋果、紅豆和胡蘿卜進行干燥,發現超過100 MPa的壓力會影響細胞的滲透性,從而導致較高的干燥速率。

熱泵干燥是一種節能環保的干燥方法,但對胡蘿卜熱泵干燥的預處理方法研究較少,且缺乏不同預處理之間的比較。因此,本文結合胡蘿卜及果蔬常用的預處理方法,以干燥速率、色澤變化、復水比、胡蘿卜素含量、質構和感官評價為標準,研究漂燙、汽蒸、超聲波、滲透和凍融5種預處理方式對胡蘿卜熱泵干燥品質的影響,以期對胡蘿卜熱泵干燥的實際生產過程提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

試驗樣品采用當天采購的同一批直徑大致相同[d=(4.5±0.2)cm]、成熟適度、未木質化、無病蟲、無萎縮、無糠心、皮薄肉厚、顏色呈橙紅色的新鮮胡蘿卜。

1.1.2 試劑

石油醚60～90,鄭州利研儀器有限公司;石英砂50～80目，上海麥克林生化科技有限公司。

1.1.3 儀器設備

CG-05HA型空氣能熱泵箱式一體節能烘干機,廣東創陸制冷科技有限公司;TA.TOUCH型質構儀,上海保圣實業發展有限公司;200T高速多功能粉碎機,永康市鉑歐五金制品有限公司;FBS-750A型快速水分儀,廈門弗布斯檢測設備有限公司;YS3060型分光測色儀,深圳市三恩時科技有限公司;DC-3010型低溫恒溫槽(溫度波動±0.5 ℃),江蘇天翎儀器有限公司;多功能切菜機,中山市百客思電器有限公司;ES500精密電子天平(精度0.001 g),天津市德安特傳感技術有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗流程

新鮮胡蘿卜洗凈，用切片機切片，厚度為3 mm；取2片胡蘿卜片放入水分測量儀，按照GB 5009.3—85測定，胡蘿卜含水率為91%；每500 g一組，分組稱質量；對物料分別進行不同的預處理；使用分光測色儀對預處理后的胡蘿卜片進行色澤測定；將處理過的樣品放入熱泵干燥機中進行干燥，干燥溫度50 ℃，每30 min記錄一次質量，直至質量差<0.02 g/100 g，結束干燥；對干燥成品進行硬度、脆度、復水比及胡蘿卜素含量的測定；制定感官評價表，進行感官評分；對復水后的胡蘿卜進行質構實驗，測定出硬度和脆度。

1.2.2 預處理試驗

漂燙預處理：稱取5組胡蘿卜片,每組500 g,按料液比1∶5(g∶mL),放入100 ℃的水中恒溫水浴,分別漂燙2、2.5、3、3.5和4 min后放入冷水中冷卻,擦干表面水分備用。

汽蒸預處理：稱取5組胡蘿卜片,每組500 g,待水沸后平鋪在蒸籠上,分別汽蒸2、2.5、3、3.5和4 min后取出放涼備用。

超聲波預處理：稱取5組胡蘿卜片,每組500 g,放入超聲波清洗器中,分別設定50、60、70、80和90 ℃,超聲波作用10 min后取出,擦干表面水分備用。

滲透預處理：滲透溶液有15%(質量分數,下同)海藻糖、20%葡萄糖、2%殼聚糖、20%乳糖以及15%鹽的鹽溶液,以料液比1∶10(g∶mL)放入不同溶劑的燒杯中,室溫下靜置2 h,取出擦干表面水分備用。

凍融預處理：取500 g的胡蘿卜片,鋪放在冰柜中,冷凍溫度-20 ℃,冷凍時間2 h。再置于25 ℃的條件下解凍3 h備用。該過程為1次凍融。

1.2.3 評價標準

干基含水率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：Wd,t時刻的干基含水率;mw,t時刻濕胡蘿卜質量,g;md,胡蘿卜的絕干質量,g。

色差：使用手持分光測色儀進行測定。L*值0表示黑色,100表示白色。a*值100為紅色,-80為綠色。b*值100為黃色,-80為藍色。每種處理方式干燥成品取3片,每片測量3個不同位置,取9次讀數的平均值。總體顏色變化用色差值ΔE表示,計算如公式(2)所示：

(2)

復水比：分別取各組干燥成品2 g,放入250 mL燒杯中,用水量為200 mL。樣品復水過程中,將燒杯置于恒溫水浴裝置中,水溫控制在90 ℃,20 min后取出試樣置于篩網上瀝水,擦干表面水分后稱質量,按公式(3)計算復水比。每種處理方式干燥成品取3次樣,分別進行試驗,計算平均值作為最終結果。

(3)

式中：Rf,復水比;Gf,樣品復水后瀝干質量,g;Gg,干制品試樣質量,g。

類胡蘿卜素含量：將干燥后胡蘿卜片粉碎至60目,精確稱取胡蘿卜粉1.5 g于燒杯中,加入20 mL石油醚及少量石英砂后,置于超聲波振蕩器(聲波頻率為60 kHz)中,振蕩15 min后抽濾,濾液轉入50 mL容量瓶中。向沉淀中加入20 mL石油醚,振蕩15 min后再次抽濾,將得到的濾液再次移入上面50 mL容量瓶中。而后將液體用石油醚定容至100 mL,吸取2 mL用石油醚定容至25 mL。利用紫外分光光度計在450 nm波長下進行比色,查標準曲線計算得吸光度值,代入公式(4)計算類胡蘿卜素含量。每組樣品取3次樣,每個樣品測量5次,取平均值作為實驗結果。

(4)

式中：N,類胡蘿卜素的含量,mg/g;x,利用標準曲線求得的類胡蘿卜素含量,mg/mL;m,胡蘿卜粉質量,g;k,干基水分含量,%。

質構分析：取復水后的胡蘿卜片,切成尺寸為1 cm×1 cm的待測樣品。采用TA/5柱形探頭進行TPA測試,每組樣品平行測試10次,并采用儀器自帶軟件計算實驗數據的平均值。

感官評價：在農業標準(NYT 1045—2014)及行業標準(SB/T 10158—2012)的基礎上進行修改,確定胡蘿卜感官評價評分標準,如表1所示。

表1 胡蘿卜片感官評定標準Table 1 Sensory evaluation standards for carrot slices

2 結果與分析

經過試驗研究發現漂燙3.5 min,汽蒸3.5 min,超聲波70 ℃處理,2%殼聚糖滲透處理以及凍融1次處理可使胡蘿卜干燥品質達到最佳效果,基于此結果,對5種預處理方式進行對比分析。圖1為采用5種方式進行預處理不同階段的外觀對比。

圖1 不同預處理各階段外觀對比Fig.1 Appearance of samples before and after different pretreatments

2.1 干基含水率

從干基含水率變化(圖2)中可以看出,漂燙3.5 min最早達到干燥標準,且干燥時間縮短約20%。所有經過預處理的樣品組都比未處理組更快地達到干燥標準,這是因為漂燙和汽蒸預處理可以在高溫條件下軟化果蔬組織結構,提高細胞通透性,使干燥過程水分脫除更加容易,超聲預處理可以在干燥前期加快干燥速率,因為超聲波在物料中會產生空化、機械和生物等效應,導致內部的微孔數量增多,增加了熱質遷移通道,減少了水分遷移阻力,加快水分散失速率;滲透預處理時,可在低溫無相變條件下快速脫除水分,改善細胞結構,加快干燥速率;凍融預處理中,速凍過程產生的冰晶使細胞間隙增大、結構膨脹,而解凍過程中冰晶體的生長使果蔬的細胞壁、細胞膜等結構受到損傷,減少了內部水分擴散的阻力。

圖2 干基含水率變化Fig.2 Dry-base moisture content during pretreatment

2.2 色差

由圖1可知,漂燙3.5 min和汽蒸3.5 min比新鮮樣品的顏色更紅,超聲波處理、滲透處理、凍融處理以及未進行預處理的干燥成品均比新鮮樣品的顏色更白。其中漂燙的干燥成品最紅,超聲波處理的干燥成品顏色最淺。

采用色差儀對干燥產品測量發現(表2),汽蒸預處理樣品組的干燥成品色差最小。超聲波處理、滲透處理、凍融處理以及未進行預處理的樣品組干燥成品顏色均偏白,白度值最接近新鮮樣品的是汽蒸預處理樣品組;滲透處理和未進行預處理的樣品組干燥后的紅度值高于新鮮樣品,凍融預處理組的紅度值最接近新鮮樣品組,漂燙預處理組和汽蒸預處理組的紅度值低于新鮮樣品;所有預處理后的干燥成品黃度值均低于新鮮樣品,其中滲透處理組數值最接近,超聲波處理組的相差最大。殼聚糖滲透處理和凍融處理的紅度值較大,同時白度值也最大,由于胡蘿卜干的整體色澤由L*,a*,b*共同決定,因此綜合顏色并沒有表現出最佳的橙紅色。

表2 干燥后產品色差Table 2 Color difference of products after drying

2.3 復水情況

由圖1可以看出,干燥成品的褶皺以及顏色差別較大,但復水后胡蘿卜片整體均較為平整,且顏色相差不大。

由圖3可知,不同預處理方式干燥成品的復水比分別為8.52、6、5.65、4.61、4.83,其中經過漂燙處理的干燥成品的復水比最高為8.52,比未進行預處理干燥成品高68.71%,復水效果最好。汽蒸和超聲波組復水比分別高于未處理樣品組18.82%和11.88%,滲透處理和凍融處理組的復水比值則分別低于未處理樣品組8.71%和4.36%。這是因為在高溫漂燙的過程中,細胞結構遭到破壞,水分進出細胞阻力變小,從而使干燥時水分脫除容易,復水時水分進入細胞的阻力也小,從而表現出較好的復水效果。

圖3 不同胡蘿卜樣品的復水比Fig.3 Rehydration ratio of different carrot samples

2.4 類胡蘿卜素含量

類胡蘿卜素的降解方式有物理降解、化學降解和生物降解等,物理降解主要包括光降解和熱降解[28]。在大多數的食品加工中,光降解是不可避免、不可控制的。而熱降解根據處理溫度的不同可分為高溫降解和中低溫降解[29]。漂燙和汽蒸預處理都涉及到高溫降解。而漂燙處理因為酶鈍化和硫處理作用可提高產品在貯藏過程中的β-胡蘿卜素含量[30],汽蒸處理跟漂燙處理有相似的機理。超聲波處理會由于空化作用對類胡蘿卜素的降解產生一定的影響。從圖4可知,經過5種不同預處理干燥后產品的β-胡蘿卜素保留量分別為36.82、36.5、39.47、32.93和22.27 mg/100 g,分別比未進行預處理干燥產品高出65.33%、63.89%、77.23%。

圖4 不同胡蘿卜樣品的類胡蘿卜素含量Fig.4 β-Carotene content of different carrot samples

2.5 質構分析

通過對比表3中6組樣品的測試值發現,2%殼聚糖滲透預處理后的干燥樣品的脆度及硬度值最接近未進行預處理樣品組。凍融預處理樣品干燥復水后的樣品硬度和脆度最低,是因為凍融過程對細胞結構的破壞較為嚴重,復水后的硬度脆度明顯低于未處理樣品組。漂燙處理和汽蒸處理時,由于高溫條件對細胞結構造成一定程度的破壞,所以硬度和脆度也較低。超聲波處理和滲透處理對細胞結構的破壞較小,對硬度及脆度的影響也不太明顯。綜合對比6組樣品的數值,2%殼聚糖滲透處理和超聲波70 ℃處理的硬度和脆度效果較好,其次是漂燙3.5 min樣品組。

表3 胡蘿卜質構測試結果 單位：gF

2.6 感官評價

對比圖5中的感官評價可以看出,進行預處理與未處理樣品在外觀上差別不大;色澤方面,經過漂燙和汽蒸預處理的樣品,色澤更加鮮艷,與新鮮樣品之間的色差較小,未經預處理的樣品干燥后整體色澤不鮮艷,評分較低,這與色差儀測量的結果及圖1相匹配;質構方面,經過預處理的樣品在干燥后水分脫除的更加徹底,因此干燥后的樣品更加酥脆,而未處理的樣品直到干燥結束仍有部分水分沒有脫除,脆度會比較低,呈現韌性較大的狀態。氣味方面,漂燙處理3.5 min和超聲波70 ℃處理時,干燥結束后的香味最濃郁。口感方面,超聲波處理和滲透處理的樣品復水后的口感更加爽脆,和未經過預處理的樣品口感接近,凍融預處理的胡蘿卜經干燥復水后口感偏軟,與質構測試結果一致。綜合5個感官評價指標對比分析得分排序為：漂燙(74.73)>超聲波(73.885)>滲透(70.81)>汽蒸(67.48)>凍融(64.855)>未處理(58.15),漂燙3.5 min時干燥成品的品質最好。

圖5 胡蘿卜感官評價雷達圖Fig.5 Radar map of sensory evaluation of carrots

3 結論

通過實驗研究了不同預處理方式對胡蘿卜熱泵干燥品質的影響,結論如下：

對比采用5種預處理和未進行預處理的胡蘿卜干燥品質發現,采用漂燙3.5 min的預處理方法,干燥時間最短,比未進行預處理的樣品組干燥時間縮短約20%,且復水比高,香味濃郁,色澤鮮亮。汽蒸預處理相較其他4種預處理方式而言,干燥前后產品的色差最小,且顏色比新鮮樣品更加鮮艷,干燥成品香味濃郁。超聲波預處理與其他幾種預處理方式相比,干燥后類胡蘿卜素保留率最高,為39.47 mg/100 g。2%殼聚糖滲透預處理與其他預處理方式相比,復水后產品的硬度和脆度較大,口感較爽脆。凍融預處理的干燥成品相比其他預處理的干燥成品,質地方面有韌性,且較為平整,外觀形態較好。

綜合各項指標分析得出,采用漂燙3.5 min的預處理方式,得到的胡蘿卜干燥品質最好且干燥時間較短。