馬蹄脆片微波真空干燥工藝優化及其水分變化

譚德馨，唐小閑，張奕濤，李官麗，黎小椿，羅楊合*，伍淑婕*

（1.廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西柳州 545006；2.賀州學院食品與生物工程學院，廣西賀州 542899）

馬蹄學名荸薺，俗稱水栗、烏芋[1]，是我國特色果蔬，其產量占世界95%，廣西馬蹄產量占全國70%。馬蹄不僅肉嫩脆甜、風味獨特、營養豐富，而且富含槲皮素[2]、樺木酸[3]、圣草酚[3]等多種生物活性成分，其保健價值極高。自古有“地下雪梨”和“江南人參”的美譽，深受大眾的喜歡，具有廣闊的市場前景及研究價值。

馬蹄主要以鮮食為主，但馬蹄含水率較高，生命活動和呼吸代謝旺盛，很容易導致腐敗變質，同時產地交通不便，產業鏈、供應鏈、價值鏈不健全，嚴重影響了馬蹄產業的發展[4]。干燥技術的應用能延長馬蹄的貯藏期，便于產品流通[5]。目前，馬蹄干燥大多采用熱風干燥[6]、真空干燥[7]和微波干燥[8]。熱風干燥雖然操作簡單，但是營養物質損失較多[9]。真空干燥雖然營養物質保存好，但其耗能較大、生產費用較高[10]。微波干燥雖然干燥速度快、操作簡單，但風味物質損失較大，產品色差和形變程度較大，復水比較差，干燥過程最終水分含量難以控制，而且成本大[11]。因此，尋找一種干燥效率高、物理結構破壞小、營養物質損失少的馬蹄干燥技術顯得尤為重要。微波真空干燥的產品不僅能很好地保持鮮果原有的結構，而且風味品質好，干燥效率較高[12?13]。

本文以馬蹄為主要原料，采用微波真空干燥法優化馬蹄脆片干燥工藝，并對最佳工藝參數下制備的馬蹄脆片進行水分變化分析，豐富馬蹄加工產品種類，以期為馬蹄脆片的制備和應用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬蹄：市售；葡萄糖、苯酚：廣東光華科技股份有限公司；濃硫酸、氫氧化鈉：四川西隴科學有限公司；鹽酸：昆山金城試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

微波真空動態干燥機（VP?018AV）：上海鑭泰微波設備制造有限公司；物性測定儀（TA.XTPLUS）：英國stable micro systems 公司；色彩色差計（CR?400）：日本柯尼卡美能達公司；核磁共振成像分析儀（NMI20）：蘇州紐邁電子科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

新鮮馬蹄→清洗→去皮→切片→鋪料→微波真空干燥→冷卻→包裝→成品。

挑選個體大小均勻、無腐爛、損傷的馬蹄；將馬蹄清洗去皮并切片，測其含水量為87.82%；稱取馬蹄片400 g，平鋪于置料筐中，放入微波真空干燥設備的干燥室中，設置好儀器參數，樣品干燥至含水率≤4%停止。

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 微波功率對馬蹄脆片品質的影響

稱取馬蹄片400 g，在干燥溫度為70 ℃、真空度為-95 kPa、切片厚度為2.5 mm 條件下，考察微波功率（1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 kW）對馬蹄脆片總糖含量、色差值和脆度的影響。

1.3.2.2 干燥溫度對馬蹄脆片品質的影響

稱取馬蹄片400 g，在微波功率為2.0 kW、真空度為-95 kPa、切片厚度為2.5 mm 條件下，考察干燥溫度（50、60、70、80、90 ℃）對馬蹄脆片總糖含量、色差值和脆度的影響。

1.3.2.3 真空度對馬蹄脆片品質的影響

稱取馬蹄片400 g，在微波功率為2.0 kW、干燥溫度為70 ℃、切片厚度為2.5 mm 條件下，考察真空度（-55、-65、-75、-85、-95 kPa）對馬蹄脆片總糖含量、色差值和脆度的影響。

1.3.2.4 切片厚度對馬蹄脆片品質的影響

稱取馬蹄片400 g，在微波功率為2.0 kW、干燥溫度為70 ℃、真空度為-95 kPa 條件下，考察切片厚度（2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm）對馬蹄脆片總糖含量、色差值和脆度的影響。

1.3.3 響應面優化試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，根據Box?Behnken試驗設計原理，選取A微波功率、B干燥溫度、C切片厚度為自變量，以馬蹄脆片Y1色差值、Y2總糖含量和Y3脆度作為試驗設計的響應值，響應面試驗設計的因素及水平如表1所示。

表1 響應面試驗設計的因素水平Table 1 Factors and levels for response surface test design

1.3.4 含水率測定

含水率的測定參照文獻[14]進行。

1.3.5 色差值測定

運用色彩色差儀對馬蹄脆片的色澤進行檢測[15]。ΔE計算公式如下。

式中：ΔE為干燥后馬蹄脆片的色差值；L0*、a0*、b0*分別為新鮮馬蹄片的亮度、紅度和黃度值；L*、a*、b*分別為干燥后馬蹄脆片的亮度、紅度和黃度值。

1.3.6 總糖含量測定

采用苯酚硫酸法[16]測定馬蹄脆片中總糖含量。

1.3.7 脆度測定

采用參考文獻[17]的方法稍作修改：用物性測定儀對馬蹄脆片進行脆度特性測定。測試采用直徑50 mm的平底圓柱型探頭P/35，測試前速度1.0 mm/s，測試速度2.0 mm/s，測試后速度2.0 mm/s，壓縮程度為樣品形變40%，兩次壓縮之間停留時間5.0 s，壓縮力5.0 g。

1.3.8T2的采集及反演

使用低場核磁共振分析儀測馬蹄脆片的橫向弛豫時間T2，將馬蹄脆片放于永磁場射頻線圈的中心進行T2采集，每份樣品重復采集3 次信號，結果取平均值。序列參數設置為主頻18 MHz、偏移頻率410 000.94 Hz、90°脈沖時間10 μs、180°脈沖時間18 μs、采樣點數200 050、重復時間5 000 ms、累加次數4 次、回波時間400 ms、回波數16 000。對所得圖譜進行反演，得到弛豫時間T2。

1.3.9 低場核磁共振成像

低場核磁共振成像方法參照文獻[18]進行。

1.4 數據處理

采用Design?Expert 13 軟件進行響應面設計和數據分析，使用Origin 2022 和SPSS 26.0 軟件對數據進行繪圖及統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 微波功率對馬蹄脆片色差值、總糖和脆度的影響

色澤能直接反饋產品的感官特性，是衡量果蔬干制品質量的重要評價指標[19]，總色差值ΔE越小，說明干燥后馬蹄脆片的色澤越接近鮮果。碳水化合物是馬蹄果肉的重要營養成分[20]，總糖含量越高，說明干燥后馬蹄脆片的碳水化合物損失越小。脆度是脆片品質重要的結構特性，是影響口感的重要因素。微波真空干燥功率對馬蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影響如圖1所示，對總糖含量和脆度的影響如圖2所示。

圖1 微波功率對馬蹄脆片色差值的影響Fig.1 Influence of microwave power on color difference of water chestnut chips

由圖1 和圖2 可知，微波功率整體上對色差值、總糖含量和脆度影響顯著（p＜0.05）。隨著微波功率的增大，色差值呈先下降后上升的趨勢，微波功率為2.0 kW時，達到最小值6.39；總糖含量呈先上升后下降的趨勢，微波功率為2.0 kW 時，達到最大值56.68 mg/100 g；脆度呈上升的趨勢，微波功率為2.0 kW 時，脆度適中，為253.35 g；微波功率為5.0 kW 時，達到最大值789.16 g。這是因為物料在干燥過程中發生的顏色變化與干燥時間、干燥速率有關，隨著干燥時間的延長，物料暴露在熱環境中的時間延長，會引起干燥物料的顏色變化[21]。微波功率為1.0 kW 時，微波輻射穿透力較弱，釋放的能量密度較少，干燥時間較長，導致色差值較大，總糖也會因為干燥時間的延長而部分損失。微波功率為2.0 kW 時，色差值最小，總糖含量最高，說明此功率干燥的馬蹄脆片最接近于鮮果，品質最好。微波功率越大，微波輻射穿透力越強，馬蹄脆片吸收的能量密度越大，微波能量分布越不穩定，促使內部水分分布不均勻性驟減，局部過熱導致馬蹄脆片燒焦，色澤偏暗黃，稍許變紅，L*值變小，b*值和a*值變大，色素降解愈發嚴重[22]，ΔE值變大。總糖分子因高能量斷裂而降解，其中部分降解得到小分子的寡糖會吸收微波而融化[23]，總糖含量下降。隨著微波功率增大，燒焦現象愈發明顯，導致馬蹄脆片硬度增大，進而引起致使樣品破裂的力增大，脆度增大。

綜合考慮，選擇微波功率在1.0、2.0、3.0 kW 進行響應面優化試驗為宜。

2.1.2 干燥溫度對馬蹄脆片色差值、總糖和脆度的影響

微波真空干燥溫度對馬蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影響如圖3所示，對總糖含量和脆度的影響如圖4所示。

圖3 干燥溫度對馬蹄脆片色差值的影響Fig.3 Influence of drying temperature on color difference of water chestnut chips

圖4 干燥溫度對馬蹄脆片總糖含量和脆度的影響Fig.4 Influence of drying temperature on total sugar content and crispness of water chestnut chips

由圖3 和圖4 可知，干燥溫度整體上對色差值、總糖含量和脆度影響顯著（p＜0.05）。隨著干燥溫度的升高，色差值和脆度整體呈先下降后上升的趨勢，在70 ℃時色差值達到最小值6.41，脆度適中為253.77 g；總糖含量呈先上升后下降的趨勢，在70 ℃時達到最大值56.08 mg/100 g。這是因為干燥溫度低于70 ℃時，熱效應較弱，原料內部溫度過低，不利于總糖的溶出和擴散[24]，隨著干燥溫度的升高，熱效應逐漸加強，干燥時間減少，色差值逐漸降低，總糖含量逐漸升高。在70 ℃時色差值最小，總糖含量最高，說明此干燥溫度下的馬蹄脆片最接近于鮮果，品質最好。當干燥溫度高于70 ℃時，高溫產生的能量較大，馬蹄脆片不能及時消耗掉熱量，過熱導致馬蹄脆片伴隨色澤反應，色澤偏暗黃，少許變紅，L*值變小，a*值和b*值變大，色素降解愈發嚴重，ΔE值變大，原料內部溫度過大，使總糖分子鏈降解[24]，從而使總糖含量下降。在溫度低于90 ℃時，隨著干燥溫度升高，傳熱和水分蒸發速率加快，物料水分脫除速度過快會導致孔結構遭到破壞，馬蹄脆片外層的保護膜受損[25]，進而使得脆度下降。在90 ℃時脆度上升，是因為溫度過大，產生“熱失控”現象[26]，馬蹄脆片燒焦，引起脆度變大。綜合考慮，選擇干燥溫度60、70、80 ℃進行響應面優化試驗為宜。

2.1.3 真空度對馬蹄脆片色差值、總糖和脆度的影響

微波真空干燥真空度對馬蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影響如圖5所示，對總糖含量和脆度的影響如圖6所示。

圖5 真空度對馬蹄脆片色差值的影響Fig.5 Influence of vacuum degree on color difference of water chestnut chips

圖6 真空度對馬蹄脆片總糖含量和脆度的影響Fig.6 Influence of vacuum degree on total sugar content and crispness of water chestnut chips

由圖5 和圖6 可知，真空度對色差值、總糖含量和脆度影響顯著（p＜0.05）。隨著真空度的增大，色差值和脆度呈下降的趨勢，總糖含量呈上升的趨勢。真空度為-95 kPa 時，色差值和脆度均達到最小值，分別為6.31 和257.96 g，總糖含量達到最大值55.97 mg/100 g。這是因為真空度越高，物料水分蒸發得越迅速，使得微波通過水的產能作用不能在馬蹄脆片表面高度集中[27]，避免出現焦點，使干燥后的馬蹄脆片具有良好的色澤，ΔE值較小，L*值、a*值和b*值更接近于鮮果。真空度越低，水的沸點越高，干燥時間越長，總糖熱降解時間越長，總糖含量越低。真空度越低，越容易使馬蹄脆片產生焦化，形成一層硬的保護膜，導致脆度變大。綜合考慮，選擇真空度-95 kPa 作為試驗的最佳真空度，不進行響應面優化試驗。

2.1.4 切片厚度對馬蹄脆片色差值、總糖和脆度的影響

微波真空干燥切片厚度對馬蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影響如圖7所示，對總糖含量和脆度的影響如圖8所示。

圖7 切片厚度對馬蹄脆片色差值的影響Fig.7 Influence of slice thickness on color difference of water chestnut chips

圖8 切片厚度對馬蹄脆片總糖含量和脆度的影響Fig.8 Influence of slice thickness on total sugar content and crisp?ness of water chestnut chips

由圖7 和圖8 可知，切片厚度整體上對色差值、總糖含量和脆度影響顯著（p＜0.05）。隨著切片厚度的增加，色差值呈先下降后上升的趨勢，切片厚度為3.0 mm時，色差值達到最小值3.56；總糖含量呈下降的趨勢，切片厚度為4.5 mm 時，達到最小值35.55 mg/100 g；脆度呈上升的趨勢，切片厚度為4.5 mm 時，達到最大值870.51 g。這是因為切片過薄，熱傳導阻力小，馬蹄脆片內部升溫快，易出現焦點，導致色差較大。切片厚度為3.0 mm 時，色差值最小，說明此切片厚度干燥的馬蹄脆片最接近于鮮果，隨著厚度的增加，熱傳導阻力增大，內部水分遷移的路徑越長，局部溫度過高產生焦化或局部升溫過慢[28]，馬蹄脆片色澤不均勻，ΔE值變大，整體顏色變暗黃，部分地方出現紅褐色斑點，L*值變小，a*值和b*值變大，由于干燥時間較長，馬蹄脆片總糖含量損失也較大。隨著切片厚度增加，馬蹄脆片干制品的內部結合力增大[29]，脆度增大。綜合考慮，選擇切片厚度在2.5、3.0、3.5 mm 進行響應面優化試驗為宜。

2.2 響應面法試驗結果與分析

2.2.1 回歸模型的建立

根據Box?Behnken 原理設計出三因素三水平的17 個試驗組進行響應面優化分析試驗，響應面試驗設計與結果見表2。

表2 響應曲面試驗設計與結果Table 2 Test design and results of response surface

利用Design?Expert 13 軟件對試驗數據表2 進行多元線性回歸擬合，得到Y1色差值、Y2總糖含量、Y3脆度對A微波功率、B干燥溫度、C切片厚度的二次多項回歸方程如下。

Y1=3.55+1.56A-0.338 7B-0.133 8C-1.34AB+0.64AC-0.637 5BC+4.90A2+0.835 2B2+4.08C2。

Y2=50.75-1.64A-0.26B-3.31C-0.452 5AB-0.33AC+1.26BC-3.26A2-4.15B2-0.438C2。

Y3=463.86-8.70A+16.32B+116.29C+3.13AB-29.87AC+18.78BC-73.01A2-54.94B2-45.51C2。

對回歸方程方差分析后得到的各響應值的方差分析結果如表3所示。

表3 回歸方程模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation model

由表3 可知，3 個指標模型的p值均達到極顯著水平（p＜0.01），失擬項的p值分別為0.067 2、0.283 7、0.993 6 均不顯著（p＞0.05）。色差值模型中的A、AB、A2、C2影響極顯著（p＜0.01），B2對色差值影響顯著（p＜0.05），B、C、AC、BC對色差值影響不顯著（p＞0.05）。總糖含量模型中A、C、BC、A2、B2對總糖含量影響極顯著（p＜0.01），B、AB、AC、C2影響不顯著（p＞0.05）。脆度模型中B、C、AC、BC、A2、B2、C2影響極顯著（p＜0.01），A和AB對總糖含量影響不顯著（p＞0.05）。3 個指標模型的R2值分別為0.990 0、0.992 7、0.995 2，說明3 個模型相關性較好。變異系數分別為6.89%、1.08%、2.79%，表明試驗有較高的可信度和精確度。由表3 可知，A微波功率、B干燥溫度、C切片厚度對Y1色差值、Y2總糖含量、Y3脆度的影響主次關系順序分別為A＞B＞C、C＞A＞B、C＞B＞A。

2.2.2 響應曲面分析

圖9～圖11 為干燥條件對馬蹄脆片的交互響應曲面。

圖9 各因素對色差值交互影響的響應曲面Fig.9 Response surface of interaction effects among various fac?tors on color difference

由圖9～圖11 可知，圖9 的AB、圖10 的BC、圖11的AC和BC的響應面曲線陡峭，且等高線密集偏橢圓形，說明微波功率和干燥溫度的交互作用對色差值的影響顯著，干燥溫度和切片厚度的交互作用對總糖含量和脆度影響顯著，微波功率和切片厚度的交互作用對脆度的影響顯著。

圖10 各因素對總糖含量交互影響的響應曲面Fig.10 Response surface of interaction effects among various fac?tors on total sugar content

圖11 各因素對脆度交互影響的響應曲面Fig.11 Response surface of interaction effects among various fac?tors on brittleness

2.2.3 微波真空干燥馬蹄脆片的工藝優化

通過Design?Expert 13 軟件對試驗數據進行分析，試驗優化目標為選出馬蹄脆片微波真空干燥的最優工藝，在真空度-95 kPa 時得出以下結論：微波功率1.83 kW、干燥溫度70.54 ℃、切片厚度3.06 mm，該方案模型預測的馬蹄脆片的色差值、總糖含量、脆度分別為3.45、50.54 mg/100 g、477.16 g。根據實際情況進行修正后為微波功率2.0 kW、干燥溫度71 ℃、切片厚度3.1 mm，在此條件下進行驗證試驗得馬蹄脆片的色差值、總糖含量、脆度分別為3.42、50.51 mg/100 g、464.96 g，與預測的色差值、總糖含量、脆度值相差分別為0.87%、0.06%、2.56%。由此表明，采用響應面優化分析法得到的馬蹄脆片微波真空工藝的參數具有可行性。

2.3 利用低場核磁共振探究馬蹄脆片微波真空干燥過程中水分的變化規律

2.3.1 馬蹄脆片最佳工藝條件下T2反演譜隨干燥時間的變化

馬蹄脆片T2反演譜隨干燥時間的變化如圖12所示。

圖12 在最佳工藝條件下T2 反演譜隨干燥時間的變化Fig.12 Changes of T2 inversion spectrum with drying time under optimal process conditions

由低場核磁共振原理可知，弛豫時間T2越短，表明水與物質結合越緊密，說明質子自由度越低，越難排出；弛豫時間T2越長說明質子自由度越高，越容易排出，因此弛豫時間T2可以間接反映水分的相態特征。弛豫時間T2的變化能夠反映水分子的流動性，因此可以了解馬蹄脆片微波真空干燥過程中水分的遷移規律[30?31]。由圖12 可知，馬蹄脆片在干燥過程中產生了2～3 個峰，根據峰出現的時間先后分別命名為T21峰、T22峰、T23峰，其中T21峰（0.10～20.00 ms）為結合水峰，T22峰（20.00～152.00 ms）為不易流動水峰，T23峰（＞152.00 ms）為自由水峰，其中對應波峰（T23）面積在反演圖譜中最大，說明馬蹄片自由水的占比較高，而結合水和不易流動水的比例相對較低。隨著干燥的進行T2圖譜整體向左移動，峰幅值逐漸減小，這是因為隨著干燥時間的延長，自由水含量急劇降低，首先大部分轉化為不易流動水，隨后不易流動水轉化為結合水[32]。15 min 和20 min 時結合水出現兩個峰，這可能是因為干燥程度的加深，馬蹄片內部結構發生變化，一部分結合水發生遷移，使得結合峰個數為兩個。25 min 時部分水分占比變化不明顯，信號幅度也很小，并發生了峰融合現象，即由最初的3 個峰融合為2 個峰，說明到達干燥終點，自由水完全除去，只剩下少量的不易流動水以及結合水。

2.3.2 馬蹄脆片最佳工藝條件下的各個干燥時期的低場核磁共振成像

馬蹄脆片低場核磁共振成像如圖13所示。

圖13 在最佳工藝條件下馬蹄脆片隨干燥時間變化的氫質子成像圖Fig.13 Hydrogen proton imaging of water chestnut chips with drying time under optimal process conditions

藍度圖像氫質子密度越大，信號越強，馬蹄脆片的水分含量越多，在圖13 中呈高亮狀態；相反，水分含量越少，圖像接近背景色。由圖13 可知，隨著干燥時間的延長，馬蹄脆片水分含量逐漸減少，25 min 成像模糊，氫質子完全消失，說明到達干燥終點。

3 結論

本試驗采用微波真空干燥技術來干燥馬蹄脆片，在單因素試驗的基礎上，通過響應面優化得到了微波真空干燥馬蹄脆片的最佳工藝為微波功率2.0 kW、干燥溫度71 ℃、真空度-95 kPa、切片厚度3.1 mm。此工藝下得到的馬蹄脆片的色差值、總糖含量、脆度分別為3.42、50.51 mg/100 g、464.96 g，與模型預測值接近，表明該數學模型具有較高的可靠性，可為馬蹄脆片的加工提供參考。通過低場核磁共振技術研究馬蹄脆片微波真空干燥過程中水分的變化情況可知：馬蹄片內部主要存在自由水、不易流動水及結合水3 種狀態水，其中自由水的占比較高，而結合水和不易流動水的比例相對較低，到達干燥終點時，自由水完全除去，只剩下少量的不易流動水以及結合水。