胡萝卜冰温干燥实验研究*

王丰，李保国，申江，苏树强，张明融

1(上海理工大学食品科学与工程研究所，上海，200093)2(天津商业大学，天津，300134) 3(上海锦立保鲜科技有限公司，上海，201201)

冰温贮藏技术(controlled freezing point)是继冷藏和气调贮藏之后的第三代保鲜技术，研究始于20世纪70年代，由日本学者山根昭美博士首先提出［1］。由于生物体内含有糖、蛋白质、醇类等物质，生物体的冰点(又称冻结点)均低于0℃，0℃到生物体冰点之间的温度区间称为冰温带［2］。食品在此温度带保存，不仅可以有效地降低冷藏设备的能耗，还可以克服冻结食品因冰结晶带来的蛋白质变性、组织结构损伤、液汁流失等现象，与冷藏相比其贮藏期得到显著延长［3］。常温贮藏食品通常采用干燥技术将食品脱水。目前，应用广泛的食品干燥技术有热风干燥、真空冷冻干燥等，尤其是真空冷冻干燥技术近年发展迅速。采用冷冻干燥技术可以获得高品质的脱水食品，但冷冻干燥需要时间长，成本高。山根昭美博士最早提出了冰温干燥这一概念，文中改进了其冰温干燥的实验方法，结合冰温贮藏技术和冷冻干燥技术的特点设计出新的冰温干燥方法。冰温干燥即被干燥的食品保持在冰温带进行干燥，这时食品物料的细胞及蛋白质仍然维持在活性状态，而又未冻结的情况下进行干燥［4］。

本文以胡萝卜为研究对象进行了冰温干燥研究，通过实验分析了该技术的特点，并与传统的热风干燥和真空冷冻干燥进行了比较。

1 材料、设备与方法

1.1 试验材料

胡萝卜，购于蔬菜市场，新鲜含水率为89%。

碘酸钾，碘化钾，盐酸，无水硫酸钠，石油醚，丙酮，胡萝卜素标样，均为分析纯。

1.2 设备与仪器

冰温干燥实验装置(上海锦立保鲜科技有限公司)，真空冷冻干燥机(美国Virtis公司)，电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏试验设备有限公司)，DZF-6020烘干箱(上海贺德实验设备有限公司)，分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)，全自动色差计(上海精密科学仪器有限公司)，FA1604电子天平(上海精密科学仪器有限公司)。

自行研制的冰温干燥实验装置如图1所示。由真空系统，制冷系统，微波加热系统，捕水器，光纤测温传感器和数据采集与控制系统组成。真空系统主要由真空泵、真空压力表以及管道组成，真空泵需要有一定的抽气速率和一定的极限真空度，将真空室内抽成要求的真空度，以保证物料水分蒸发所需要的压力差，并在物料中水分蒸发时自身降温到其冰温带温度。微波加热具有渗透性和靶向性，无加热惯性，在对物料进行冰温干燥过程中，提供干燥所需要的热量，并通过控制输入微波功率，对冰温带的温度进行控制。制冷系统为捕水器提供冷量，使捕水器盘管的温度保持在－8℃以下，以保证在冰温干燥过程中，由物料蒸发出来的水蒸气能被及时完全捕集凝结在盘管上，避免水蒸气进入真空泵，造成对真空泵的损坏。光纤测温传感器，对物料干燥过程进行温度检测，可在微波场内准确测温，不受微波电磁场的干扰。数据采集与控制系统对物料冰温干燥过程的温度、真空压力、捕水器盘管表面温度进行检测和采集，并对微波加热系统、制冷系统和真空系统进行控制。

图1 冰温干燥实验装置示意图

冰温干燥实验过程，由真空系统将干燥室抽真空，在真空条件下，被干燥物料中的水分蒸发带走热量，使物料温度降低，当物料温度降低到其冰温带后，启动微波加热系统，为物料提供干燥过程水分蒸发所需要的热量，并维持使水分蒸发所吸收的热量与微波加热量达到平衡，被干燥物料温度维持在冰温带进行干燥。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 操作要点

(1)原料切片:将胡萝卜切成厚度为3 mm的片状。

(2)冰温干燥:将压力设定为150 Pa，实时调节微波加热功率使被干燥的胡萝卜片温度处于冰温带内进行干燥，记录干燥时间。

(3)真空冷冻干燥:首先对胡萝卜片进行预冻结，在－35℃冻结3 h使其完全冻结，然后进行升华干燥，保持升华压力在80～100 Pa，干燥约10 h后升华干燥结束，进如解析干燥阶段，保持真空度在80 Pa以下［5］，直到干燥结束，记录干燥时间。

(4)热风干燥:将胡萝卜片放入热风干燥箱内，温度设为70℃进行干燥，记录干燥时间。

1.3.3 指标测定

(1)含水率:采用GB/T 5009.3－2010《食品中水分的测定》方法进行测定。

(2)复水率:在室温下，取一定量的干燥胡萝卜片浸没在25℃的水中，静置30 min后，取出，沥干，除去表面水分，称重按式(1)计算复水率Rf。

式中:mf，复水后胡萝卜的质量;mg，复水前胡萝卜的质量。

(3)收缩率:随机取6片胡萝卜，用游标卡尺测出物料干燥前与干燥后的体积，计算出收缩率Sv。

式中:V，干燥后胡萝卜的体积;Vr，干燥前胡萝卜的体积。

(4)色泽:用全自动色差计测定胡萝卜干燥后的色差，结果由L，a，b值表示，L值表示黑白度，L越大表示物料越白;a值表示红绿度，a值越大，表示越红，负值时表示绿色;b值表示黄蓝色度，b值越大表示物料越黄，负值表示蓝色。色差值△Eab表示胡萝卜干燥后色泽与鲜样色泽的差值，△Eab越小则越接近物料本来的颜色。

(5)Vc的测定:采用碘滴定法。称取20 g的样品放在研钵中，加浓度为2%的HCl溶液5～10 mL研磨成浆状。将研钵中的样品移入100 mL容量瓶中，用浓度为2%的HCl溶液定容，摇匀并静置片刻，再用滤布过滤在烧杯中备用。用移液管移取浓度为1%的KI溶液0.5 mL，浓度为0.5%的淀粉液2 mL，制备的样品液5 mL，再加蒸馏水至总体积10 mL，用0.001 mol/L的KIO3液滴定，至微蓝色且在1 min不褪色为终点。记录KIO3液体积(mL)，Vc含量计算:

式中:W，100 g样品含的抗坏血酸质量(mg);V，滴定样品所用的KIO3体积(mL);0.088:1 mL 0.001 mol/L KIO3溶液相当的抗坏血酸的量(mg/mL);B，滴定时所用样品溶液体积(mL);b，制成样品液的体积(mL);a，样品的质量(g)。

(6)胡萝卜素的测定:采用分光光度法。标准曲线:取10 mg/L的胡萝卜素标准液0.25，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0 mL分别置于25 mL容量瓶中，定容后测定其吸光度。以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线。

2 结果与分析

2.1 胡萝卜冰温干燥过程控制

图2为在150Pa的压力下调节微波功率的变化情况。调节微波功率，保证胡萝卜在干燥过程中始终处于其冰温带内。由图2可见，随着干燥的进行，微波功率需要逐渐降低才能使胡萝卜温度维持在－1.5～0℃内，这是由于随着干燥时间的延长，胡萝卜内水分的蒸发速率逐渐降低，从而蒸发带走的热量逐渐减少，只有同时降低微波所提供的能量，使胡萝卜由水分蒸发失去的热量与吸收微波的能量达到平衡，才能使温度控制在胡萝卜的冰温带内。经过4 h的干燥，微波功率降为0，此时胡萝卜内的水分蒸发基本停止，温度无法再降到0℃以下，冰温干燥达到终点。

图2 冰温干燥功率控制

图3为采用光导纤维测温传感器，测得的胡萝卜在冰温干燥过程中的温度变化情况。从图3中可看出，冰温干燥初期，温度的波动较大，这是因为开始样品含水量高，吸收微波能大，水分蒸发速率也快，为保持在冰温带干燥，需要调低微波加热功率，所以被干燥胡萝卜的温度波动比较大;随着干燥的进行，样品中含水量逐渐减少，吸收微波能量减弱，水分蒸发速率降低，因此温度波动减小，直到达冰温带的上限，停止微波加热干燥结束。

图3 冰温干燥温度变化

2.2 不同干燥方式干燥胡萝卜的品质指标比较

比较研究热风干燥、真空冷冻干燥和冰温干燥胡萝卜对其品质的影响，通过实验测得不同干燥方式得到的干燥胡萝卜样品品质测定结果如表1所示。

表1 采用不同干燥方式干燥胡萝卜实验测定结果

2.2.1 干燥速率的比较

经过实验得到冰温干燥所需时间为4 h，比热风干燥慢，但与真空冷冻干燥相比时间有明显缩短。胡萝卜鲜样的含水率为89%，经过冰温干燥得到的脱水胡萝卜的含水率为4.8%，与冷冻干燥和热风干燥相比，含水率基本一致，含水率达到生产要求。热风干燥平均每小时干燥42%的水分，冷冻干燥平均每小时干燥5.6%的水分，而冰温干燥平均每小时干燥21%的水分，介于前两者之间，与冷冻干燥相比，冰温干燥有更高的干燥效率。

2.2.2 复水率、收缩率结果比较

采用冰温干燥得到的胡萝卜复水率为5.4，复水效果接近冷冻干燥得到的复水效果，具有良好的复水性，热风干燥所得胡萝卜复水性较差。

冰温干燥是处于液态下的干燥，干燥会有一定的收缩，其收缩率经测定为25%。而冷冻干燥水分直接由冰升华，外形基本不会发生变化。热风干燥的胡萝卜发生了卷曲变形，收缩现象严重，如图4所示。

2.2.3 感官色泽测定比较

冷冻干燥的胡萝卜片，其色差值为5.04，色泽保持良好;冰温干燥的胡萝卜片，色差值为6.66;而热风干燥为25.28，色差最大(见表1)。采用冰温干燥胡萝卜的色泽和外观相近，接近于新鲜样品的颜色，而采用热风干燥的胡萝卜颜色发生褐变，呈黄色(见图4)。物料在低温下进行干燥，热敏物质得以保留下来，营养成分和风味损失很少，可以最大限度的保

图4 不同干燥方式得到的胡萝卜样品

3 结论

留食品原有的成分、味道、色泽和芳香。

2.2.4 Vc和胡萝卜素保留率的比较

比较干燥后Vc和胡萝卜素保留率可知(见表1)，Vc在干燥过程中很容易被氧化，冰温干燥与冷冻干燥都是在真空条件下进行的，所以Vc被氧化的程度较小，冰温干燥Vc保留率为68.8%。热风干燥胡萝卜暴漏在空气中，因此Vc损失最严重，其Vc保留率只有40%。

冰温干燥与冷冻干燥胡萝卜素保留率均在90%以上。这是由于冰温干燥与冷冻干燥都是在低温真空状态下进行，胡萝卜素分解少。而热风干燥胡萝卜素损失最大，保留率只有68.5%。

2.2.5 干燥能耗比较

热风干燥过程中的主要能耗为水分蒸发和废气排空所需的热量。冷冻干燥过程中主要能耗为升华干燥需要的能量。冰温干燥采用微波加热方式，主要的无用能耗是磁控管和变压器发热损耗和风机的能耗。微波加热具有靶向性，效率高于热风干燥，采用微波加热的单位能耗在3 000 kJ/kg，而冷冻干燥的单位能耗高达20 000 kJ/kg以上。冰温干燥具有节能的优点。

冰温干燥作为一种全新的干燥技术，即在食品冰温带内对其进行干燥。冰温干燥为食品干燥提供了真空低温的条件，可获得高品质的干燥食品。通过与冷冻干燥与热风干燥对比，得到以下结论。

(1)在自制的冰温干燥实验台上，通过在真空条件下胡萝卜内水分的蒸发带走热量使胡萝卜温度降低到冰温带内，并通过微波加热使胡萝卜温度稳定在冰温带内进行冰温干燥。压力设置为150Pa，采用微波加热经过4h得到含水率为4.8%的脱水胡萝卜。

(2)冰温干燥得到的胡萝卜复水率为5.4，Vc保留率为68.8%，胡萝卜素保留率为93.7%。感官品质接近冷冻干燥得到的胡萝卜，比起冷冻干燥有一定的干缩现象，但干燥时间只需4h。与热风干燥相比，干燥品质优良。并且相比冷冻干燥，节能效果明显。

(3)冰温干燥非常适合于如冬虫夏草、海产品等高附加值食品的干燥，有着非常广阔的应用前景。

［1］ 李林，申江，王晓东.冰温贮藏技术研究［J］．保鲜与加工，2008，45(2):38 －41.

［2］ 刘志鸣，万金庆，王建民.日本冰温技术发展史略［J］．制冷与空调，2005(3):70－74.

［3］ 石文星，彦启森，马灵芝，等.冰温技术及其在食品工业中的应用［J］．天津商学院学报，1999，19(3):39－44.

［4］ 应月，李保国，董梅，等.冰温技术在食品贮藏中的研究进展［J］．制冷技术，2009(2):12－15.

［5］ 刘玉环.胡萝卜片的真空冷冻干燥加工工艺及研究［J］．食品科技，2006(3):52－54

［6］ 崔政伟，许时婴，孙大文.微波真空干燥技术的进展［J］．粮油加工与食品机械，2002(7):28－30.