微波加工浆果技术进展

林 甄，刘海军，郑先哲，刘成海，宋翔宇，刘代亚

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

我国有丰富的浆果资源，目前浆果种植面积约4.5万hm2，年产量接近30万t[1]，主要包括蓝莓（Semen trigonellae）、越橘（Vaccinium）、树莓（Rubus）、黑加仑（Ribes nigrum.L）、蓝靛果（Lonicera）等。浆果中富含多种维生素、抗氧化的花青素、人体必需氨基酸、微量元素和水溶性纤维等[2-4]，因具有风味诱人、颜色明丽和营养丰富等特点，浆果制品有较高市场认知度和较大需求量。浆果收获季节集中在每年7～9月份，气温25～35℃；新鲜浆果水分在90%，且质地柔软，极易破损、腐烂。干燥制得的浆果干品，可以广泛用作食品颜色、风味和营养成分的天然添加剂。

1 微波真空膨化浆果脆片影响因素

国内外诸多学者在分析和测定食品性物料方面做大量研究工作[5-7]。Zhang等研究初始含水率、微波强度和真空度3个参数对香鱼片膨化度影响规律，结果表明合理的初始含水率和微波强度可以提高鱼片的膨胀度和脆性，高真空度能够强化鱼片膨化效果[8]。Clary等通过测量微波真空膨化过程中葡萄物料的表层温度，控制微波输出功率，可获得较好的膨化葡萄干品[9]。分析表明，葡萄的膨化特性与其表层温度、膨化时间、微波强度和鲜葡萄的糖分、水分含量有关。经微波真空膨化后的葡萄干中的维生素A、维生素B1和维生素B2明显高于日晒后的制品。

1.1 化学成分对膨化效果的影响

微波膨化过程中，淀粉、糖、蛋白质、油脂等化学成分对膨化效果均有一定影响。其中淀粉对膨化效果的影响最大，淀粉含量增加可使物料膨化率提高。研究表明，淀粉的种类和组成对膨化也有一定影响，糯米粉产品较马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、大麦淀粉产品膨化率高。蓝莓浆果中的淀粉含量很低，微波真空膨化时需要外加淀粉，向蓝莓果浆中加入前期研究得到的淀粉混合物配方，使蓝莓鲜片达到理想膨化效果。

1.2 水分含量对膨化效果的影响

水分含量对原料吸收微波能能力有重要影响。原料中的水分含量越高，介电常数也越大，因而也就越易被加热。由于微波加热具有选择性，在物料中含水量高的区域，吸收微波能的能力强而温度升高快，为了使物料均匀膨化，在微波膨化前应使食品内的水分分布均匀。浆果鲜片的初始含水率是微波真空膨化过程的影响因素。

1.3 微波频率与功率对膨化效果的影响

在工业应用中，微波的两个频段是915和2 450 MHz，频率越高，加热速度越快。国内外绝大部分农产品（食品）微波加工设备的微波频率都是2 450 MHz，在我国的微波加工设备中，也是取用该数值，选择微波强度（微波功率与物料质量的比值）作为微波真空膨化过程的影响因素。

1.4 真空度对膨化效果影响

在微波真空膨化过程中，膨化腔内的真空度低时，物料内水分气化温度降低，且物料表层周围水蒸汽分压也低，有利于内部水分气化，使物料膨化，但真空度过低，使得水分扩散速度过快，蒸发到腔体中，反而不利于膨化，且在过低的真空状态时，也不利于微波设备工作，容易出现打火现象。因此，真空度是微波真空膨化过程的影响因素。

1.5 物料的几何特性对膨化效果的影响

微波膨化时影响物料加热的几何特性主要是体积大小和形状。物料应尽量避免存在棱角，以防局部加热过度。因此在研究中，浆果鲜片的厚度一致（根据前期研究的优化结果），做成圆片形状，避免棱角效应。

从上述的理论分析和前期试验结果可知，目前国内外学者分析了影响微波真空膨化过程的外在因素，如果在此基础上，深入地研究微波真空膨化条件与物料间作用机理，定量分析膨化过程，可为浆果类物料膨化加工提供理论依据。

2 国内外研究现状和趋势

2.1 微波真空膨化果蔬脆片的研究

国内研究果蔬脆片真空微波膨化技术的高校和科研院所有：东北农业大学、天津市食品研究所、中国农机院、江南大学、中国农业科学院等，这些研究机构目前已研制出苹果片、香蕉片、胡萝卜、南瓜、土豆片、哈密瓜等系列膨化产品。韩清华详细研究微波真空干燥膨化苹果脆片的加工方法，对微波功率、压力、物料厚度、预处理后苹果片初始含水率与其干燥特性、膨化率的关系进行研究[10]，得出较佳工艺参数，在微波功率为12.0 w·g-1、压力为15 kPa、苹果片厚度为8 mm、预处理后苹果片初始含水率为37.5%的条件下，可膨化出高品质苹果脆片，干燥时间为4 min时膨化率最大达到321%。Ressing等用两维有限元模型模拟面团的微波真空膨化过程，研究发现面团内外的压力差和面团内因温度升高产生的蒸汽量是面团膨化的主要原因[11]。微波在物料内部的渗透深度决定其温度分布。美国加州大学Fresno分校的Gutierrez等就采用微波真空干燥技术膨化葡萄干，在色泽、质地和效率等方面，明显优越于普通日晒干燥，并设计了专用的微波真空干燥设备。

2.2 影响物料的介电特性的因素

在微波真空膨化过程中，对物料吸收能量和热量转化过程起决定作用的是其介电特性，该特性包括介电常数和介电损耗因子两个指标。介电常数是指物料吸收微波能的能力；介电损耗因子是指物料把吸收的微波能转化为热能的能力。农产品属于吸湿性物料，介电特性与频率、组成、水分、温度和体密度有关，水分含量是决定其介电特性主要因素。从本质上讲，物料的介电特性取决于化学组分及水分中永久性偶极子动量。在微波作用下，食品和农产品中的介电特性变化是十分复杂的，受物料种类和加工方式的影响，介电特性的两个指标可能增加或者减小。测量物料的介电特性方法较多，其中开端同轴探针法（Open-ended coaxial probe method）是成熟的测量农产品介电特性方法。

2.3 物料介电特性与温度和含水率关系的研究

Sipahioglu等研究了马铃薯、香蕉等15种果蔬，在2 450 MHz和5～130℃温度范围内的介电特性随着温度和含水率的变化规律。研究结果表明：介电常数随着温度下降而变小[12]；介电损耗因子随着温度增加出现先减少后增加变化趋势。不同果蔬在相同的温度和含水率条件下的介电特性有差异，研究者认为果蔬的成分及灰分含量是造成差异的主要原因。

Coronel等研究牛奶、豆浆等流体食品在泵送过程中的介电特性随着温度变化规律[13]，结果表明流体食品的介电常数随着温度增加呈下降趋势，而介电损耗因子随着温度的增加而增加，并得到介电特性与温度的回归方程。研究中发现，蓝靛果果浆的介电特性只是在特定的情况下可以预测。

分析食品物料中的介电特性有助于理解物料与微波能间相互作用。在Kent的研究中发现焙烤面团的介电特性是温度、体密度和含水率的函数[14]。Miura用时域反射法测量稻米、牛奶等固态和液态物料的微波（频率范围在100 kHz～10 GHz.）介电松弛特性[15]。物料的介电松弛现象是由自由水和结合水重定位、界面极化等引起的，这是物料的介电特性变化的本质原因。

2.4 物料介电特性与影响因素关系模型建立

Cheng研究微波真空膨化葡萄干过程，在含水率5%～80%，温度25～80℃范围内，分别建立介电常数和介电损耗因子与温度和含水率的回归方程[16]。结果表明随着含水率和温度升高，葡萄干的介电常数和介电损耗因子均呈非线性下降趋势。根据孔隙率、含水率和配方比例3项指标，用神经网络方法预测蛋糕的介电常数和介电损耗因子两项指标，其可信度准确性方面高于主成分分析法和最小二乘法。

果蔬的微波真空膨化技术已经引起国内外学者和产业界的浓厚兴趣，但是目前该领域的研究成果多数都局限在不同物料的微波真空膨化工艺参数方面，而对浆果在微波真空膨化过程，动态的介电特性变化规律和作用机理的认识还不十分清楚。郑先哲等的研究发现，果蔬物料在微波真空的加工条件下，容易出现受热不均、边际效应明显等质量劣变现象，但目前还缺乏有效的方法控制微波真空过程中的产品质量。如果从对膨化过程有重要影响的物料初始含水率和温度入手，研究物料的介电常数和介电损耗因子变化，有可能确定引起浆果鲜片膨化效果的主要因素，从而揭示微波场对物料作用机理，预测物料介电特性指标[17]。

3 微波辅助泡沫干燥浆果技术研究

3.1 高黏热敏性农产品干燥工艺和干品品质研究

浆果是典型高黏热敏性农产品，干燥时去水困难、内含的花青素、维生素等活性成分易降解。确定合理干燥工艺和保证物料干燥品质是高黏热敏性农产品干燥时重点研究问题[18]，由单一工艺（如热风干燥、真空干燥等）向组合干燥工艺方面发展，充分利用单种工艺的优点，在干燥品质、效率和能量利用率等方面有显著优势。王瑞应用微波冷冻组合方法对蔬菜汤料脱水加工，发现干品在风味、质构和复水性方面与冷冻干燥的相近[19]；Leusink等应用微波真空干燥方法对Saskatoon浆果进行干燥，得到的干品中花青素含量接近冷冻干燥而远高于热风干燥的制品[19]；Borquez采用真空渗透与微波真空组合干燥方法，对冷冻树莓浆果进行干燥，加工出完整树莓果干，在颜色、口感和质构等方面品质指标远优于单一干燥方法[20]。郑先哲应用自行提出的微波辅助泡沫组合干燥方法对蓝靛果、蓝莓和树莓果浆等进行干燥加工，在干燥效率和干品品质等方面优于其他干燥方法[17]，但发现干燥条件对浆果干燥特性及品质影响缺乏一致规律、优化出的干燥参数推广性差等问题，需要从本质上研究微波条件对浆果品质影响机理才可能解决这些问题。

3.2 微波加热对物料内水分、温度传递和品质变化影响的研究

研究微波能在物料内部吸收和转化过程，建立物料内部温度和水分的分布模型，可以从本质上揭示微波干燥过程中传热、传质机理，是确定效率高、品质好干燥工艺的理论依据。原有研究物料在微波场中传热和传质模型时，为简化计算过程把物性参数看作常数、把物料内部温度和水分分布用平均值处理，这与实际情况有较大偏差，需要加入校正因素[21]；现有研究考虑到物料的热特性和介电特性参数随温度和水分等条件的动态变化，能够准确分析微波能在物料内吸收、转化过程[22]，通过调整微波功率输入模式，可以改善物料内部温度分布均匀性，保证物料干燥后品质。应用光纤传感器测定微波场中浆果脆片、起泡果浆的温度变化规律，发现微波场中浆果物料的温度变化经历平缓、快升和缓升三个阶段，符合Sigmodal函数规律[23]，但发现微波辅助泡沫干燥果浆过程中，物料内部存在气、液、固三种状态，且有辐射、对流和热传导三种方式耦合，与常规传热、传质过程有很大区别。在高黏热敏性物料干燥品质研究方面，干燥温度是影响物料品质的主要因素，高温会引起浆果中多酚氧化酶和葡萄糖苷酶降解，破坏花青素含量和活性，其降解过程可用Arrhenius、Eyring和Ball模型（为温度函数），以及一阶动力学模型表征[21-25]。另外，微波加热在物料内部产生的热点效应、分子扭动和强化传质都属于非热效应，不同于常规加热产生的热效应对物料内部活性成分的影响；从发现的现象推断微波能对起泡果浆内部主要活性成分（多酚类和花青素）有热效应和非热效应的影响。但目前在微波对物料内活性成分影响的研究多局限于宏观分析成分含量和活性变化，缺少从质、热传递过程方面揭示微波条件对物料内活性成分直接作用机理，无法从本质上控制干燥条件对干品品质的影响。可根据起泡果浆微波泡沫干燥特性，通过建立微波干燥过程中物料内部传热传质过程与其活性成分降解关系模型，从热效应和非热效应两方面揭示微波条件对物料品质作用机理，实现对物料干燥品质的控制。

3.3 加工过程对农产品及食品活性成分影响

加工后产品中活性成分含量及活性是评价其品质的重要指标。在农产品加工过程中活性成分降解方面，当前的研究趋势主要在微观水平上，揭示加工过程中组分结构变化与降解物产生关联机制，对各组分变化形成有效控制手段。在浆果加工品质方面，减少活性成分的降解和提高其活性一直是热点研究内容。浆果中酚类成分在果实中比分离出的单体更具抗氧化能力，但干燥后浆果干品含有花青素、维生素等活性成分，容易受到光照、加热、氧气等因素影响发生降解。

在揭示活性成分降解机理前提下，如何有效保护和高效应用加工后农产品中活性成分是重点研究问题。微胶囊包埋是目前保护水果、蔬菜等物料中色素、多酚类活性天然成分的适宜方法。微胶囊化的活性成分稳定性高和使用方便，多用于功能性食品。麦芽糊精、阿拉伯树胶和磷酸三钙的混合物是包埋多酚类活性成分的理想壁材。喷雾干燥是包埋活性成分微胶囊的主要方法，Cristhiane等学者选择麦芽糊精为包埋壁材，研究喷雾干燥加工黑加仑果粉的微胶囊加工工艺，获得高品质的微胶囊制品[27]。对水果中活性成分（花青素等），选择大豆分离蛋白（SPI）和麦芽糊精（MD）为壁材，应用喷雾干燥方法制备微胶囊，具有良好的稳定性。采用流化床是包埋含活性成分微胶囊的另一适用方法，具有设备相对简单，操作容易等特点。当前食品微胶囊包埋加工需要专门设备和工艺，在工艺连续性和操作便捷性方面，不适于干燥后浆果干品表层包埋处理，但这些成果为微波泡沫干燥工艺中果浆自包埋过程的壁材选择和流程确定提供理论依据。

研究发现[28]，在制备起泡浆果果浆时，浆果原浆加入大豆分离蛋白、单甘脂（具有网状多链的分子结构，作为起泡剂）和加入羧甲基纤维素（作为泡沫稳定剂）后，静置不定时间，可使起泡果浆中的原浆成分（果胶、纤维、多糖等）沉入体积均匀泡沫的下面；起泡果浆微波干燥过程中，果浆内部水分形成水蒸气扰动果浆和起泡剂，再产生大量轻盈泡沫，又可把密度较大的部分浆果的原浆成分（果胶、纤维等）挤入内部；干燥时泡沫表面水分蒸发，落下的起泡剂干成分覆盖在浆果干品上，形成保护层，阻碍氧气、光照等因素对浆果干品中活性成分降解作用。在微波泡沫干燥浆果过程的后期，再向果浆表层喷加大豆分离蛋白和麦芽糊精混合物泡沫液，待其水分蒸发后，形成保护膜覆盖浆果脱水干品的外层，强化保护效应。据此提出基于微波泡沫干燥技术的自包埋浆果制品加工理论和工艺。

4 结论

目前国内外学者透彻地分析了影响微波真空膨化过程的外在因素，如在此基础上深入研究微波真空膨化条件与物料间作用机理，定量分析膨化过程，可为浆果类物料膨化加工提供理论依据。微波加工浆果研究的趋势是保护干燥后浆果中花青素、维生素C活性成分和提高干燥后制品质量为目标，通过建立微波场中起泡果浆内部微波能吸收、质、热传递过程与其活性成分降解间的动力学模型，在微观上解析微波加工条件对浆果中活性成分的结构、降解产物作用机理，在宏观上对浆果干品的内部和外观品质进行综合评价。通过调整微波干燥工艺参数和流程，保护干燥时浆果中活性成分；通过控制起泡果浆中泡沫运移、以及喷雾施加大豆分离蛋白和麦芽糊精起泡混合液，实现对果浆干品的包埋，抑制降解，获得活性成分含量高的浆果干品。

[1]王柏林.黑龙江省小浆果资源种类、生产及开发现状[J].种植业,2009(1):14-15.

[2]Monica A F,Joseph M C R.Drying of seabuckthorn(Hippophae rhamnoides L.)berry:Impact of dehydration methods on kinetics and quality[J].Drying Technology,2011,29(3):351-359.

[3]Ratiya T,Somkiat P,Jaruwan K,et al.Determination of effective moisture diffusivity and assessment of quality attributes of banana slices during drying[J].LWT-Food Science and Technology,2011,44(6):1502-1510.

[4]Ratti C,Kudra T.Drying of foamed biological materials:Opportunities and challenges[J].Drying Technology,2006,24(9):1101-1108.

[5]Nelson SO,Forbus WR,Lawrence K C.Microwave permittivities of fresh fruits and vegetables from 0.2 to 20 GHz[J].Transactions of the ASAE,1994,3 7(1):183-189.

[6]Nelson SO.Dielectric properties of agricultural products[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1999,26(5):845-869.

[7]Nelson SO,Datta A K.Dielectric properties of food materials and electric field interactions[M]//Datta A K,Anantheswaran R C.Handbook of microwave technology for food applications.New York,NY:Marcel Dekker,2001:69-114.

[8]Zhang J,Zhang M,Shan L,et al.Microwave-vacuum heating parameters for processing savory crisp bighead carp(Hypophthalmichthys nobilis)slices[J].Journal of Food Engineering,2007,79(3):885-891.

[9]Clary C,Mejia D E,Wang S,et al.Improving grape quality using microwave vacuum drying associated with temperature control[J].Journal of Food Science,2007,72(1):23-28.

[10]韩清华,李树君,马季威,等.微波真空干燥膨化苹果脆片的研究[J].农业机械学报,2006,37(8):155-159.

[11]Ressing H,Ressing M,Durance T.Modeling the mechanisms of dough puffing during vacuum microwave drying using the finite element method[J].Journal of Food Engineering,2007,82(4):498-508.

[12]Sipahioglu.O,Barringer SA.Dielectric properties of vegetables and fruits as a function of temperature,Ash and moisture content[J].Journal of food science,2003,68(1):234-239.

[13]Coronel P J,Simunovic K P,Sandeep P.Dielectric properties of pumpable food materials at 915 MHz[J].International Journal of Food Properties,2008(11):508-518.

[14]Kent M.Electrical and dielectric properties of food materials:a bibliography and tabulated data[M].London,U K:Science and Technology Publishers,1987.

[15]Miura S,Yagihara A,Mashimo S.Microwave dielectric properties of solid and liquid foods investigated by time-domain reflectometry[J].Journal of Food Science,2003,68(4):1396-1403.

[16]Cheng C C.Temperature distribution and measurement for grape puffs TM in the microwave vacuum drying system[D],Fresno:California State University,1996:8.

[17]郑先哲,刘成海,周贺.黑加仑果浆微波辅助泡沫干燥特性[J].农业工程学报,2009,25(8):288-293.

[18]Hui Y Y,Clary C,Farid M M,et al.Food drying science and technology:Microbiology,chemistry,application[M].Lancaster,Pennsylvania,US:DESTech Publication,2007.

[19]Leusink G J,David D,Kitts P Y,et al.Retention of antioxidant capacity of vacuum microwave fried cranberry[J].Journal of food science,2010,75(3):311-316.

[20]Bórquez R M,Canales E R,Redon J P.Osmotic dehydration of raspberries with vacuum pretreatment followed by microwavevacuum drying[J].Journal of Food Engineering,2010,99:121-127.

[21]Haghi A K,Amanifard N.Analysis of heat and mass transfer during microwave drying of food products[J].Brazilian Journal of Chemical Engineering,2008,25(3):491-501.

[22]Stefan J,Kowalski G M,Jacek B.Heat and mass transfer during microwave-convective drying[J].American Institute of Chemical Engineers,2010,56:24-35.

[23]Zheng X Z,Liu C H,Mu Y Q,et al.Analysis of puffing characteristics using a Sigmodal function for the berry fruit snack subjected to microwave vacuum conditions[J].Drying Technology,2012,30(5):494-504.

[24]Mady C,Fabrice V,Oscar A,et al.Thermal degradation kinetics of anthocyanins from blood orange,blackberry,and roselle using the arrhenius,eyring,and ball models[J].Journal of Agriculture and Food Chemistry,2009,57:6285-6291.

[25]Ahmed J,Shivhare U S,Raghavan G S V.Thermal degradation kinetics of anthocyanin and visual colour of plum puree[J].European of Food Research and Technology,2004,218:525-528.

[26]Gwen J,Leusink D D,Kitts P,et al.Retention of antioxidant capacity of vacuum microwave dried cranberry[J].Journal of Food Science,2010,75(3):311-316.

[27]Cristhiane C F,Silvia P M G,JoséM.et al.Effects of sprayfrying conditions on the physicochemical properties of blackberry powder[J].Drying Technology,2012,30(2):154-163.

[28]王宏业.黑加仑果浆微波辅助泡沫干燥系统研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2011.