方便米饭的真空冷冻干燥工艺

周国燕，王爱民，胡琦玮，曹斌宏，桑迎迎

(上海理工大学低温医学与食品冷冻研究所，上海 200093)

方便米饭的真空冷冻干燥工艺

周国燕，王爱民，胡琦玮，曹斌宏，桑迎迎

(上海理工大学低温医学与食品冷冻研究所，上海 200093)

采用真空冷冻干燥方法确定冻干米饭的最佳工艺参数，并分析比较快速冻结和慢速冻结两种方法对冻干米饭的影响。结果表明：在冻结温度-50℃、时间1.5h；一次干燥温度-20℃、时间8h，二次干燥温度50℃、时间5.5h；真空度维持在10Pa左右的条件下工艺最佳，并绘制了冻干曲线。而且从综合品质和营养角度上分析，快速冻结的产品具有更高的品质，附加值高。

方便米饭；真空冷冻干燥；冻干曲线；冻结速率

随着生活节奏的加快和生活水平的提高，人们对方便食品的需求越来越多。经过热水浸泡或短时间蒸煮后便可食用的方便米饭成为方便面之外的另一种方便主食。它是一种全新的、营养的、健康的、更符合国人饮食习惯的方便食品，避免了方便面高温油炸的缺点，其市场潜力巨大，发展前景广阔[1]。方便米饭的研究在国内外已经取得了较大的成果，包括原料的选择、理化性质、生产工艺、干燥方法等多个方面[2-3]。生产方便米饭的干燥方法主要有热风干燥、微波干燥、微波热风干燥、真空冷冻干燥。研究发现前3种干燥方法生产的方便米饭基本失去新鲜米饭的原有香味，营养成分损失严重，复水性较差，外观较差，易回生，且附加值低[4-6]。真空冷冻干燥技术作为方便米饭产业的新兴加工技术，在冻结时可形成冰晶，破坏淀粉的胶体结构，冰晶升华后，米饭内部可产生多孔结构，有利于提高复水速度[7]。同时，整个干燥过程是在低温低压下操作，米饭中的营养成分几乎不会损失。目前所采用的冻干技术，并不是真正意义上的真空冷冻干燥技术，基本都是采取冷冻-加热干燥工艺，并将一次干燥与二次干燥合并在一起。对于方便米饭的共晶共熔温度、预冻温度、一次干燥温度与时间、二次干燥温度与时间等多个冻干参数，都还未曾进行系统的研究。

本研究通过实验确定真空冷冻干燥米饭的最佳工艺参数，绘制冻干曲线，研究不同冻结速率对冻干米饭品质的影响，为工业化生产提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

永祥牌粳米 黑龙江五常市永强米业有限公司。

HH-6数显恒温型恒温水浴锅 上海安锐自动化仪器有限公司；BP系列电子天平 赛多利斯公司；差示扫描量热仪 美国Perkin-Elmer公司；Virtis系列真空冷冻干燥机 美国SP Industries公司；Skyscan 1074 HR型微CT机 Aartselaar Belgium公司；LH-M100C-1型生物倒置式显微镜 日本Nickon公司；可调数显移液器 德国Eppendorf公司；SZ-93型蒸馏器 上海亚荣生化仪器厂；MDF-382E(N)型超低温冰箱 日本Sanyo公司。

1.2 方法

1.2.1 米饭的制备

称取200g大米，淘洗3次，加入300g水(米水比例为1:1.5)，浸泡20min，然后放入电饭煲，通电，15min后取出。

1.2.2 米饭共晶共熔点的测量

米饭的共晶点和共融点是确定冻结温度和升华温度参数的主要依据，对产品品质和冻干周期具有十分重要的意义。本研究利用差示扫描量热分析法(DSC法)进行分析，称取10mg米饭，以10℃/min的速率从20℃扫描到-55℃，然后再复温到20℃的方法来测定大米的共晶点和共熔点温度。

1.2.3 冻干米饭感官特性的测定

冻干米饭的感官特性[8-9]包括复水前的气味、外观、色泽、形状，以及复水后的气味、色泽、形状、口感和滋味等，主要通过色泽、气味、形状、滋味和口感5方面进行评定。根据米饭感官指标(表1)[10]，可对米饭的感官特性进行评定，并给出相应的分值。

表1 米饭感官评分标准Table 1 Sensory evaluation standards of instant rice

1.2.4 冻干米饭复水时间的测定[11]

定量称取成品10g置烧杯中，加入5倍的沸水后立即加盖。密闭5min后，从中取出1粒米饭放于玻璃板上，再盖上一玻璃板对其施压，观察玻璃板上的米粒有无白芯，如有白芯，再间隔0.5min测定一次，直至无白芯为止，此时记录时间即为方便米饭的复水时间。设3组平行。

1.2.5 冻干米饭复水率的测定[10-12]

定量称取成品10g置烧杯中，加入5倍的沸水后立即加盖。密闭5min[13-14]后，沥干水并用滤纸吸干表面水分，称量复水后的米饭质量，并计算复水率(设3组平行样)。

式中：m1为复水前米饭质量；m2为复水后米饭质量。

1.2.6 冻干米饭老化特性的测定[15]

将冻干米饭研磨粉碎。取2mg粉末置于PE(perkin elmer)标准液体皿中，用移液器吸取6.0μL双蒸水于PE标准液体皿中并混合，然后用PE压样机密封，制好的样品，室温(25℃)平衡约15h。再在差示扫描量热仪中，以10℃/min的升温速率从20℃扫描到100℃，进行老化特性测定。老化度用焓变值(ΔH)表示，ΔH值越大老化程度就越高。设3组平行样。

1.2.7 冻结温度的测定[16]

本研究选用热电偶来测定冻结过程中米饭的冻结温度，把探针插到米粒的中心部位，温度信号转换成热电动势信号，并通过电气仪表转换成被测米粒的冻结温度，来判断冻结时间、一次干燥时间及二次干燥时间。

1.2.8 冻结速率的设置

根据冻结速率的不同，冻结过程可分为快速冻结和慢速冻结两类。本实验选用含水量为70%左右、颗粒饱满、色泽圆润的大米，每份称取5g分别采用慢速冻结和快速冻结。慢速冻结主要通过米饭进箱后降温来实现，快速冻结主要通过预先在超低温冰箱(-90℃)冻结来实现。冻结好后在冻干机中进行冻干实验，然后通过感官评定、复水时间、复水率、孔隙率及内部微观结构来判断冻结速率对冻干米饭品质的影响。

1.2.9 冻干米饭内部微观结构的分析

分别采用快速冻结和慢速冻结制取冻干米饭，并取其横切面，然后用微CT机对其横切面进行扫描成像，并利用分析软件进行图像重构和孔隙率计算。先将微CT机预热15～20min，然后把样品放在载物台上，设置扫描参数为每3.6°扫描一张图像，最后将扫描得到的100张图像进行重构，并分析计算。设3组平行样。

2 结果与分析

2.1 米饭的共晶共熔点

在1.2.2节条件下，测量米饭的共晶共熔点，并选取重现性较好的作为米饭的共晶共熔点(图1)。

共晶点温度[17]是指物料完全冻结时的温度；共熔点温度[17]是指完全冻结的物料在加热过程中开始融化的温度。从图1的DSC热流曲线可以看出：米饭降到-16℃左右时，出现一个向下的放热峰，其起始温度为-15.91℃，峰值温度为-17.19℃；同样的，米饭的温度逐渐升高到-7.12℃时，米饭颗粒开始融化吸收能量，在DSC分析图谱中得到向上的吸热峰。根据共晶点和共融点的定义以及DSC热流曲线分析，可以得到米饭的共晶点温度为-17.19℃，共熔点温度为-7.12℃。

图1 米饭的DSC热流曲线Fig.1 DSC heat flow curve of instant rice

2.2 冻结温度和干燥加热温度的确定

理论上冻结温度必须低于物料的共晶点温度[17]。如果冻结温度高于物料的共晶点温度，物料将不能完全固化，在真空干燥时加热致物料中未冻结的部分液体蒸发，长时间一次干燥物料会使物料品质变差。一般规律是冻结温度比物料的共晶点温度低5～10℃。本研究采用的是隔板式冻干机，隔板温度必须低于物料中心温度，并考虑二级制冷、快速冻结对冻干品质及米饭本身性质的影响，冻结温度确定为-50℃。

干燥加热温度主要分为一次干燥温度(升华温度)和二次干燥温度(解吸温度)。一次干燥是真空冷冻干燥过程中最关键的工序，此过程中需提供升华潜热。一般来说，塌陷温度比共晶温度稍高，共晶温度较玻璃化温度高[18-19]。一次干燥温度确定原则：物料冻结部分的温度必须低于物料的共熔点温度，物料已干层部分的温度必须低于其塌陷温度。如果物料温度低于共融点温度过多，则升华的速率降低，升华阶段的时间会延长；如果高于共融点温度，则物料可能会发生融化，升华不能正常进行，干燥后的产品将发生体积缩小，复水困难等现象。本研究采用的是隔板式加热冻干机，只要控制样品冻结层的温度低于共晶温度，而且干燥层的温度一般不会超过其塌陷温度。在二次干燥过程中，物料的温度必须低于其最高允许温度，此温度主要由物料的热敏性质所决定。根据以上分析及2.1节实验结果，并结合大米本身的性质，一次干燥温度确定为-20℃，二次干燥温度为50℃。

2.3 冻结时间和干燥结束时间的判断

冻结结束主要以物料完全冻结为判断依据，本实验主要通过热电偶测定，当米饭的冻结温度达到预设的冻结温度，并保持稳定时，判定为冻结过程结束，此过程一般需要1～2h。当冻结结束时，便开始一次干燥。当米饭的温度与预设的一次干燥温度趋于一致并基本稳定时，判定一次干燥过程可结束，并调整温度进行二次干燥。同样的，当米饭的温度与预设的二次干燥温度趋于一致并基本稳定不变时，判定干燥过程结束。根据实验得到：一次干燥时间大约为7～8h，二次干燥时间约为4～6h。

2.4 干燥过程中真空度的控制

从热力学数据表查知：-30℃时水的饱和蒸汽压为38.02Pa，即在高于此真空度条件下可以直接升华除去水分。真空度的控制主要在一次干燥和二次干燥过程中，目的是为了保证干燥箱体内水蒸气的传递。本实验在干燥过程中将干燥箱真空度稳定地维持在10Pa左右。

2.5 米饭的冷冻干燥曲线

根据上述冷冻干燥参数，进行冷冻干燥实验，并记录数据，重复3次，绘制得米饭冷冻干燥曲线，结果见图2。

图2 米饭的冷冻干燥曲线图Fig.2 Freeze-drying curve of instant rice

从图2可知，大米的整个冷冻干燥过程历时15h。整个冷冻干燥过程可分为以下3部分：冻结时间为1.5h；一次干燥时间为8h；二次干燥时间为5.5h。在一次干燥和二次干燥时，干燥箱的真空度维持在10Pa左右。

2.6 冻结速率[20]对米饭品质的影响

表2 冻结速率对冻干米饭品质的影响Table 2 Effect of frozen rate on the quality of freeze-dried rice

从表2可知，两种冻结速率对米饭的复水性和老化现象的影响不大。慢速冻结和快速冻结米饭复水所需时间和复水率相差不显著(通过试验数据统计分析计算得出：P＞0.1)。从感官品质和孔隙率来看，快速冻结米饭与慢速冻结的不同，快速冻结米饭比慢速冻结的感官品质好(P＜0.1)，快速冻结米饭比慢速冻结的空隙率小(P＜0.05)。许多研究发现[21-22]慢速冻结比快速冻结更容易出现老化现象，与此次研究结果有所不符，这可能由于实验操作所用时间较短，米饭用量较少的原因，米饭没有长时间处在最易老化温度段，从而使所得的冻干米饭老化现象不明显。

图3 不同冻结速率米饭的孔隙分布Fig.3 Distribution of pore in freeze-dried rice with different frozen rates

从图3得知，两者的孔隙分布都相对比较均匀，但是很明显，慢速冻结所得的孔隙没有快速冻结的均匀，米饭中还存在许多大的孔隙。这是因为慢速冻结形成的冰晶较大，冰晶在干燥时升华留下较大的孔径，从而可得到较大的孔隙，使得慢速冻结在相同的时间内比快速冻结容易脱去更多量的水分，得到更为疏松的多孔结构。而快速冻结能降低米饭在冻结过程时的脱水，形成细小均匀的冰晶，可以获得均匀致密的产品，对米饭内部结构和可溶性固形物等营养物质破坏较小，复水后米饭的黏弹性好、持水力强、耐嚼滋味好。此外，快速冻结能更快的越过米饭最易老化温度段，产品不易发生老化现象。表2显示慢速冻结和快速冻结米饭复水所需时间和复水率相差不显著(P＞0.1)，可能空隙率的大小以及分布程度都影响米饭的复水时间和复水率。

由以上分析可知，快速冻结和慢速冻结的复水性相差不显著，但是从综合品质和营养角度上分析，快速冻结的产品具有更高的品质，其附加值也相对较高。

3 结 论

本研究主要通过DSC法测得米饭共晶点温度-17.19℃，共融点温度-7.12℃。米饭的冻干工艺参数：冻结温度-50℃、时间1.5h，一次干燥温度-20℃、时间8h，二次干燥温度50℃、时间5.5h，真空度控制在10Pa左右，并绘得米饭的冷冻干燥曲线。在此基础上进一步探讨了冻结速率对冻干米饭品质的影响，主要包括干米饭的口感、老化度、孔隙率、复水性以及内部结构等方面。研究发现：两种冻结速率对米饭的复水性和老化现象的影响不大。慢速冻结和快速冻结米饭复水所需时间和复水率相差不显著(P＞0.1)。从感官品质和孔隙率来看，快速冻结米饭与慢速冻结的不同，快速冻结米饭比慢速冻结的感官品质好(P＜0.1)，快速冻结米饭比慢速冻结的孔隙率小(P＜0.05)，而且孔隙分布要比慢速冻结的均匀。因此从综合品质和营养角度上分析，快速冻结的产品具有更高的品质，其附加值也相对较高。

[1]徐树来, 刘晓东, 刘玮. 我国方便米饭的发展现状及存在的主要问题[J]. 农机化研究学报, 2008, 10(10): 250-252.

[2]MOHAMMED S, FRANCO J. Effect oprotein disruption using proteolytic treatment on cooked rice texture properties[J]. Journal of Texture Studies, 2007, 38(1): 423-437.

[3]KROKIDA M K, MARINOS-KOURIS D. Rehydration kinetics of dehydrated products[J]. Journal of Food Engineering, 2003, 57(1): 1-7.

[4]熊善柏, 周习才. 方便米饭生产工艺研究[J]. 粮食与饲料工业, 1995 (10): 12-15.

[5]佟月英, 孙永海, 石晶. 干燥方法对营养强化方便米饭复水性的影响[J]. 农业机械学报, 2003, 34(2): 54-57.

[6]TAKEDA K. Study on gelatinized rice Ⅰ. Effect of drying method on some properties of gelatinized rice[J]. Journal of Agricultural Science, 1986, 31(3): 170-175.

[7]李建芳. 冷冻干燥压缩全营养方便米饭的开发与工艺研究[D]. 成都:四川农业大学, 2005.

[8]陈天鹏, 李里特, 钱平. 冻干方便米饭品质评价方法及原料适应性的研究[J]. 中国粮油学报, 2006, 21(1): 15-19.

[9]熊善柏, 赵思明, 姚霓, 等. 乙醇浸泡对方便米饭品质影响及浸泡工艺优化控制[J]. 粮食与油脂, 2000(5): 39-41.

[10]蒲彪, 周枫, 李建芳. 冻干方便米饭前处理工艺参数的确定[J]. 中国粮油学报, 2007, 22(6): 12-15.

[11]方丽, 王朝辉, 姜宏宇, 等. 真空冷冻干燥对方便米饭理化性质的影响[J]. 吉林农业大学学报, 2009, 31(6): 777-780.

[12]PUSPITOWATI S, DRISCOLL R H. Kinetics of instant rice produced by freeze drying[J]. International Journal of Food Properties, 2007, 10 (3): 445-453.

[13]佟月英, 孙永海, 石晶. 干燥方法对营养强化方便米饭复水性的影响[J]. 农业机械学报, 2003, 34(2): 54-57.

[14]吴素萍. 干燥方法对方便米粥复水性的影响[J]. 粮油加工与食品机械, 2005(9): 74-76.

[15]陈天鹏, 李里特, 钱平. 冻干方便米饭复水品质的研究[J]. 中国粮油学报, 2006, 21(4): 2-5.

[16]崔清亮, 郭玉明, 程正伟. 冷冻干燥物料共晶点和共熔点的电阻法测量[J]. 农业机械学报, 2007, 39(5): 65-69.

[17]华泽钊. 冷冻干燥新技术[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[18]叶海斌. 食品真空冷冻干燥原理和技术探析[J]. 冷藏技术, 1999(4): 37-40.

[19]李保国, 周伟伟. 生物药品冷冻干燥研究[J]. 干燥技术与设备, 2005, 3(4): 179-183.

[20]郭林. 速冻竹筒米饭制备方法: 中国, CN1846528-A/CN100456954-C[P]. 2006-05-08.

[21]陈宏正. 干燥工艺对α-米饭品质的影响[J]. 食品科学, 2000, 21(8): 22-25.

[22]LEE S W, RHEE C. Effect of heating condition and starch concentration on the structure and properties of freeze-dried rice starch paste[J]. Food Research International, 2007, 40: 215-223.

Vacuum Freeze-drying Processing of Instant Rice

ZHOU Guo-yan，WANG Ai-min，HU Qi-wei，CAO Bin-hong，SANG Ying-ying
(Institute of Cryo-medicine and Food Refrigeration, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In this study, the processing parameters of vacuum freeze-drying for instant rice were explored. The slow frozen and the rapid frozen rates were analyzed and compared. Results indicated that the optimal processing parameters for vacuum freeze-drying of instant rice were primary stage freezing temperature of -50 ℃, freezing time of 1.5 h; drying temperature of -20 ℃, frozen time of 8 h; second stage drying temperature of 50 ℃, frozen time of 5.5 h; final stage frozen temperature of -50 ℃, frozen time of 1.5 h; the vacuum pressure of 10 Pa. Results indicated that rapid frozen could provide higher product quality based on the analysis of comprehensive quality and nutritional components.

instant rice；vacuum freeze-drying；freeze-drying curve；frozen rate

TS213.3

A

1002-6630(2010)24-0147-04

2010-07-04

国家自然科学基金青年基金项目(50206013)；上海市重点学科建设项目(S30503)

周国燕(1970—)，女，副教授，博士，研究方向为食品冷冻、冷藏和生物热系统。E-mail：efly_snow@163.com