果蔬变温压差膨化干燥技术研究现状及发展趋势

黄寿恩 李忠海 何新益

HUANG Shou-en1，2 LIZhong-hai1 HE Xin-yi3

（1.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.长沙理工大学，湖南 长沙410004；3.天津农学院食品科学系，天津 300384）

(1.College of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha,Hunan 410004,China;2.Changsha University of Science and Technology,Changsha,Hunan 410114,China;3.Departmentof Food Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

果蔬干燥是果蔬加工储藏的主要方式之一，可通过各种不同的方法降低果蔬的水分含量，提高货架寿命，改善其贮运性能。目前，用于果蔬干燥的方法较多，如自然干燥、热风干燥、微波干燥、真空冷冻干燥等，不同的干燥方法对果蔬制品的品质影响不同。黄寿恩等[1]以脱水柑橘皮表观密度、收缩率、多孔性、复水率和硬度为考察指标，比较了不同干燥方法（冷冻干燥、变温压差膨化干燥、热风干燥）对脱水柑橘皮品质特性的影响，结果表明：冷冻干燥柑橘皮色泽好，复水率最好；变温压差膨化干燥制备的脱水柑橘皮色泽、质构酥脆性、复水能力均强于热风干燥法，表观密度也低于热风干燥产品；干燥方法的选择对脱水柑橘皮品质特性影响显著（P<0.05）。从干燥时间能耗比较而言，冷冻干燥柑橘皮所需的成本较高，耗能较大；变温压差膨化相对冷冻干燥来说生产成本较低，能耗小；热风干燥操作简单易行，生产成本最低，但干燥时间长且制品品质较差。综合考虑，变温压差膨化干燥在柑橘皮的干制方面具有较高的应用价值。

果蔬变温压差膨化技术作为一种新型果蔬干燥技术，近年来受到了学术界和产业界的高度重视，在研究成果不断推出的同时，其工业化产品也已悄然出现于市场。文章综述了果蔬变温压差膨化干燥技术的现状，讨论了影响果蔬膨化效果的各种因素，并展望其发展趋势，旨在为果蔬产业的综合开发提供参考。

1 变温压差膨化干燥技术

1.1 技术简介

果蔬变温压差膨化干燥是以新鲜果蔬为原料，经过预处理、预干燥等前处理工序后，根据相变和气体的热压效应原理，利用变温压差膨化设备进行的。其设备主要由膨化罐和真空罐（真空罐体积是膨化罐的5～10倍）组成。果蔬原料经预干燥(至含水率为15%～50%)后，送入膨化罐，加热使果蔬内部水分蒸发，当罐内压力从常压上升至0.1～0.2 MPa时，物料也升温至100～120℃，此时产品处于高温受热状态，随后迅速打开泄压阀，与已抽真空的真空罐连通，由于膨化罐内瞬间卸压，使物料内部水分瞬间蒸发，导致果蔬组织迅速膨胀，形成均匀的蜂窝状结构。再在真空状态下加热脱水一段时间，直至含水率≤7%，停止加热，冷却至室温时解除真空，取出产品，即得到膨化果蔬产品[2-5]。

从膨化过程来看，并非所有的果蔬都可以进行变温压差膨化干燥，只有具备一定条件的果蔬物料才有可能得以顺利进行：① 物料内部必须均匀分布可汽化的液体；② 物料内部能广泛形成相对密闭的弹性小室，同时，要保证小室内气体增压速度大于气体外泄造成的减压速度，这样才能到达到气体增压的需要；③ 构成气体小室的内壁材料必须具备一定的拉伸成膜性，而且能在固化段蒸汽外溢后迅速干燥，并固化成膨化制品的相对不回缩结构网架；④ 外界要提供足以完成膨化全过程的能量[2，3，6]。

1.2 果蔬变温压差膨化干燥制品的特点

果蔬膨化食品被国际食品界誉为“21世纪食品”，因其绿色天然，口感酥脆，营养丰富，已逐渐成为方便休闲食品消费的佼佼者。果蔬膨化产品以新鲜水果蔬菜为原料加工而成，与其他谷物类、薯类膨化产品比较，具有以下特点：① 天然。果蔬膨化产品基本上都是经过浸糖处理后，直接烘干、膨化制备而成，加工过程无需添加色素或其他添加剂等；② 果蔬膨化产品酥脆性佳，口感良好。③ 最大程度保留了果蔬原有的营养成分，以及香气成分；④ 果蔬膨化产品食用便捷，含水量一般在 7%以下，易于携带、贮存[5，6]。

2 影响果蔬变温压差膨化的因素

2.1 果蔬原料特性

目前已见报道的果蔬膨化原料有苹果、枣、哈密瓜、胡萝卜、马铃薯等。毕金峰[2]从苹果细胞电镜扫描结构上分析比较了4种不同品种苹果原料所制成的膨化苹果脆片的比容和酥脆性，结果表明国光苹果更适合膨化。毕金峰[2]通过对枣的膨化干燥研究表明，不同品种的枣其膨化效果也不相同，如冬枣比金丝小枣膨化效果明显要好，而且不同品种的冬枣膨化效果也不一样。王荣梅等[7]研究表明，在煊铃枣、圆铃枣和长红枣3个枣品种中，长红枣较适合于制成膨化脆枣。

果蔬原料是复杂的混合物体系，所含化学成分不同，各成分含量间的相对比例也不同。现有的色谱分析无法破解果蔬原料复杂体系的复杂性，也无法破解复杂体系的整体性。而红外光谱由于具有宏观性（谱峰的叠加性）规避了对复杂体系各个组分的剖析，同时宏观性契合了复杂体系的整体性。因此，果蔬原料的品种、产地的不同均可在红外图谱中显示出差别来，凭借这些差异就可以达到宏观质量控制的目的，从而使膨化果蔬原料选择的更为科学化、标准化。

2.2 果蔬原料预处理方式

在果蔬原料膨化干燥前必须进行预处理，预处理的目的是：① 保证或改善干燥产品的品质；② 提高脱水干燥效率；③ 满足其产品形状大小方面的特殊要求。预处理按作用方式可分机械预处理、物理预处理和化学预处理三类。机械预处理是通过机械手段来实现原料预处理，常见的有物料切分、粉碎、削皮、去蒂等，大多仅对脱水速度和产品外观品质有较大影响。物理预处理是利用物理因素的变化达到某种效果的预处理方法，如常用的热烫处理、冷冻处理就是通过对介质温度、处理时间和介质湿度三因素控制来实现的。一般来说，物理预处理对脱水速度和膨化干燥产品品质均有较大影响。化学预处理则是通过化学手段来干涉物料在加工过程中的化学变化，从而控制其变化向有利于品质方向转化的预处理方法。

预处理对脱水速率控制的理论主要是控制物料水分扩散理论和控制其细胞膜阻力的理论[8-12]。

2.2.1 控制物料水分扩散理论 该理论认为，控制物料水分扩散主要是通过调节其蒸发面积来实现的[9，10]。机械预处理以切割、粉碎等手段加大了物料脱水过程中的水分蒸发面积。从脱水机理来说，切分既减少了内扩散的距离，又增大了外扩散面的面积，从而有效地提高了脱水速率。迄今为止，切割形状（切块、条、片等）及其厚度、切割方式（各种机械、手工方式）以及预处理工艺参数对脱水速率的影响及其优化的研究报道较多，这些研究大多是试验型的，尚缺乏从机理的角度定量地分析内外扩散参数，分析有意义的单元体，在此基础上建立数学模型。在扩散分析中，水分蒸发面积是一个重要的参数，由于水分的蒸发总是向上的，而蒸发面积在物料堆积时具有方向性，即蒸发面积是一个矢量，使有效蒸发面积存在。堆积的随机性，可应用随机理论加以研究。但这一方面的工作研究还不多。

2.2.2 控制细胞膜阻力理论 现代细胞学认为：在物理参数（如温度、时间等）的影响下，细胞膜透性（水分和可溶性物质渗透出来的能力）会发生很大改变，从而使细胞膜对水分蒸发的阻力也反向变化。因此，该理论强调利用预处理来调节细胞膜的阻力。热烫预处理作为一种重要的细胞膜阻力削弱手段被广泛地应用。在热烫温度（90～100℃）的刺激下，细胞死亡，细胞内原生质发生凝固[13-17]。

为了减少膨化干燥产品的皱缩，改善其外观，近年来，国外研究者常将可食用的多羟基化合物（如麦芽糖浆、蔗糖、甘油等）在干燥前渗入组织以使复水后的脱水蔬菜有良好的组织重建特性。这个过程实质上是一个渗透质交换过程。但渗透程度却由于物料和所用添加剂的亲和程度差异很大。

复合预处理常用于在变温压差膨化干燥过程中。何新益等[18]为优化变温压差膨化法制备冷泡茶的工艺，研究了含水率、冷冻处理次数和膨化温度对冷泡茶水浸出物的影响。结果表明，冷冻预处理和变温压差膨化可以大大提高茶叶的膨化干燥的效果。黄宗海等[19]对胡萝卜变温压差膨化工艺中煮糖时麦芽糖浆液的浓度、冷冻处理方式以及膨化前胡萝卜的水分含量3个因素进行逐一的单因子试验，考察其对膨化产品品质的影响。研究表明，经过冷冻预处理的产品膨化度、色泽、酥脆度明显高于未经冷冻处理的，而且具较完整、均匀的外观，有效避免了外观收缩的现象。毕金峰等[20，21]和马立霞等[22]也探讨预处理对哈密瓜和胡萝卜及苹果膨化干燥的影响。

但是这些冷冻预处理后效果的出现，均需要从细胞显微结构的变化上得到答案。应用电子显微技术可以研究果蔬经预处理前后的细胞结构，显示其微观结构变化，从而才能在机理上的探讨预处理对膨化效果的影响。

果蔬原料的物化特性在食品预处理加工过程中会发生改变，水的分布和状态变化在物化特性的改变中扮演重要角色。由于自旋—晶格弛豫时间和自旋—自旋弛豫时间与水分子转动有关，所以可以通过核磁共振技术确定被固定的不同部分的水分子的流动性质及其结构特征，它可以测定能反映水分子流动性的氢核的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2。当水和底物紧密结合时，T2会降低；而游离水流动性好，有较大的T2。所以通过T1、T2的测定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流动和结构特征[23-27]。

2.3 差压膨化干燥工艺参数的研究

2.3.1 切片厚度 随着切片厚度的增加，产品膨化度先增大而后减小，复水比降低；当切片厚度为5 mm时，膨化度达到最大值。其原因是切片过薄时，果蔬物料内部的水分闪蒸过程中产生的蒸汽压力小，膨化动力不足；适当增加切片厚度，在一定程度上可以提高产品的膨化度，但产品复水比下降。这是因为切片厚度超过最佳厚度时，内扩散距离太长，压力尚未深入到物料内部就已大幅度衰减，导致原料内部的水分未能充分蒸发，原料得不到充分的膨化，产品的酥脆度随之下降[2，28]。

2.3.2 预干燥物料水分含量 变温压差膨化技术主要是靠水分受热蒸发使压力上升，造成与真空罐之间的压差，以达到膨化的目的。但是，膨化前果蔬的含水量要适宜。含水量过高则在膨化时易起大泡，真空干燥时间也会延长；水分含量过低则膨化效果不明显，影响制品的外观、口感等。

当水分含量达到20%前，果蔬产品的膨化度、复水比随着预干燥物料水分含量增加而增大；在水分含量为15%～20%时达到最大值；如果水分含量继续增加，产品的膨化度和复水比反而逐渐下降。这是因为：当物料内部水分含量过低，能够被闪蒸的水分少，难以在膨化瞬间产生足够的蒸汽压力，致使产品未能得以膨化；如果物料内部水分含量过高，大量水分被快速蒸发，致使物料内部结构空隙中的水分和空气迅速迁移至物料表面，不能形成足够的膨化动力，反而降低了产品的膨化度[19，28]。

2.3.3 膨化温度 膨化温度是影响膨化品质的重要因素之一。温度是水分蒸发的载体，是压力形成的条件。温度过高易产生焦糊，温度过低则不易膨化。此外，缓慢升温由于果蔬内部受热均匀其膨化效果比快速升温要好。

随着膨化温度升高，产品的膨化度、复水比增大；当膨化温度为80℃时，复水比达到最大值；但膨化温度超过80℃后，产品的复水比反而下降。这是因为：如果膨化温度过低，物料内部水分达不到汽化的目的，被闪蒸水分太少，膨化动力降低，膨化效果不明显。随着膨化温度的不断升高，物料内部水分汽化速度不断提高，单位时间内汽化的水分增多[2]，物料的膨化度随之增大。而且，如果膨化温度过高，热敏性的果蔬原料极易发生褐变反应，形成不溶性的类黑色素，严重影响成品的风味和色泽[2，28]。

2.3.4 膨化压力差 采用变温压差膨化果蔬时，压力大小的控制是整个膨化过程中关键性的技术。压力越高，压力罐与真空罐之间的压差越大，膨化效果越明显。但压力大小要适宜。压力过大，对于一些易破碎的果品蔬菜会造成膨化过度而裂开，破坏外观形态；压力过小，膨化效果不明显。

膨化压力差过小或过大均不利于产品的膨化。当膨化压力差低于110 kPa时，随着膨化压力差的增大，产品膨化度、复水比随之增大；当膨化压力差达到110 kPa时，产品的膨化度达到最大值；当膨化压力差超过110 kPa时，产品的膨化度反而降低。这是因为：随着膨化压力差的逐渐增大，果蔬原料内部的水分得以充分闪蒸，膨化所需的压力差增大，膨化效果随之提高；但当膨化压力差超过一定值，产品过度膨化，致使成品表面产生气泡状鼓泡，会直接影响成品的外观[28]。

2.3.5 均湿处理 均湿处理时间延长有利于产品质量的提高。随着均湿处理时间的延长，物料被充分浸润，物料内部的水分分布更为均匀，产品的膨化度、复水比均得到相应的增加，而且物料脱水速率也因此随之提高[2]。

2.3.6 停滞时间 停滞时间是经过低温处理的果蔬脆片从进入膨化设备到开始抽真空的时间间隔。适当的停滞时间可以使果蔬充分受热。打开真空阀后，果蔬内的水分迅速均匀汽化。停滞时间过长，产品焦糊，有苦味。另外较长的停滞时间会使产品的果蔬营养成份损失较多。停滞时间过短，产品发硬，不酥脆。

3 存在的问题和发展趋势

国内外对果蔬膨化干燥的研究主要集中在工艺参数研究，干燥的基础理论研究很不深入。国内外对果蔬变温压差膨化干燥的研究主要集中在工艺的研究，如膨化哈密瓜[29]、膨化苹果[30，31]、膨化菠萝[32]等，主要研究报道以产品膨化度、酥脆性为指标，优化如膨化温度、膨化压力、初始水分等膨化工艺参数。在机理方面仅有刘自强[33]探讨了食品膨化机理。

中国果蔬变温压差膨化干燥技术的研究还处于起步阶段。膨化干燥技术研究存在的问题：研究易脱水品种如苹果的多，研究难脱水品种如高淀粉类的少，结果是在产业化过程中最急需解决的问题解决不了；对膨化干燥果蔬食品一些共同基础性干燥机理着手研究的少，结果往往仅对某些具体的品种有效，但缺乏通用的干燥规律研究。这使中国变温压差膨化干燥业的形势一直不容乐观。针对性地果蔬原料膨化干燥的共性和特殊性，重视与干燥相关的前沿技术研发。从变温压差膨化干燥的一些共同基础性干燥机理着手研究，得出一些通用的干燥规律，为开发通用性强的干燥设备提供技术基础。

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