柠檬片的低温冻结与真空冷冻干燥工艺研究

章斌，丁心，侯小桢，秦轶，邓其海，高雪，杨小敏（.韩山师范学院生命科学与食品科技学院，广东潮州504；.广东中兴绿丰发展有限公司，广东河源57000）

柠檬片的低温冻结与真空冷冻干燥工艺研究

章斌1，丁心2，侯小桢1，秦轶2，邓其海2，高雪1，杨小敏1
（1.韩山师范学院生命科学与食品科技学院，广东潮州521041；2.广东中兴绿丰发展有限公司，广东河源517000）

摘要：考察预处理方式、冻结温度（-40、-60、-100℃和液氮滴淋）等因素对柠檬片真空冷冻干燥的影响，并以产品复水率、色差L值、菌落总数、大肠菌群数为指标，探讨冻结方式对柠檬片贮藏过程中的品质变化影响。试验结果表明，柠檬的共晶点在-23℃～-25℃范围内，共熔点在-20℃～-22℃范围内；实验条件下的最佳冻结温度为-100℃，此时的真空干燥时间为11.2 h，贮藏3个月后的色差L值为78.65，且菌落总数低于180 cfu/g，大肠菌群低于3MPN/g，均达到有关标准要求。

关键词：柠檬片；预脱水；真空冷冻干燥；液氮；冻结速率

柠檬富含VC、矿物质、挥发性精油、黄酮类、橙皮甙等组分，营养价值和药用价值很高；随着我国柠檬种植面积的不断扩大和产量的逐渐增加，柠檬以商品鲜果销售为主的同时，针对其满足鲜销或出口需要后的残次果率高的现状，柠檬果酒、柠檬果醋、柠檬浓缩汁、柠檬干片等产品的开发，以及柠檬精油、柠檬苦素等功能成分的提取与应用已成为延长柠檬产业链的重要途径之一[1-3]。

真空冷冻干燥（Vacuum Freeze Drying，以下简称“冻干”）是在较高真空度条件下，使预先冻结的物料中的水分以冰晶体形式直接升华为水蒸气而除去，从而获得干燥制品的技术；该技术能最大限度地保持原料的色、香、味和营养成分，在农产品干燥加工中有广阔的应用前景。另一方面，受冻干技术操作费用较高、能耗大、干燥时间较长的特点所限，目前在食品工业中的大规模工业化应用仍受到一定限制。因此，对原料进行适当的预脱水以去除部分游离水，并选用适宜的冻结温度，使物料获得良好的冻结品质以及合适的冰晶体分布形式与大小，对降低冻结能耗和缩短升华干燥时间均有重要的现实意义。

广东河源地区的尤力克柠檬种植面积现已超过3 600 hm2，当地企业对柠檬鲜销后的深加工以冻干片生产和精油开发为主。从节能降耗的绿色加工角度出发，本实验采用热风干燥进行鲜柠檬的预脱水处理后，探讨冻结方式对柠檬片升华干燥和产品品质的影响，旨在为柠檬干片的节能干燥加工提供一定实验参考。

1　材料与方法

1.1材料与设备

柠檬：新鲜无机械损伤，广东中兴绿丰发展有限公司；柠檬酸、抗坏血酸：食用级，市售。

FD-1D-50型真空冷冻干燥机：北京博医康实验仪器有限公司；JZ-350型色彩色差计：深圳金准仪器设备有限公司；KQ-5200DB型超声波清洗器：昆山超声仪器有限公司；CS101-1A型电热恒温鼓风干燥箱：重庆银河试验仪器厂；BCD-257SL型冰箱：海尔集团；VC890C+型数字万用表：深圳胜利高电子科技有限公司；AUW120型电子分析天平：日本岛津公司。

1.2试验方法

1.2.1工艺流程

柠檬鲜果→清洗→切片（4mm～6mm）→护色→沥干→预脱水→冻结→真空冷冻干燥→成品→检测

1.2.2冻结方式

分别将预脱水后的柠檬片进行常规冻结、低温冻结和液氮超速冻结，并使其中心温度降至共晶点5℃～10℃以下。

1.3真空干燥过程参数的确定

1.3.1冷阱温度的确定

升华干燥过程，冷阱温度越低，冷阱的捕水能力越强，一定程度上可缩短升华干燥时间；但过低的冷阱温度对设备制冷要求高，导致机器成本及运转费用高。因此，依据所测的柠檬共晶点和共融点温度，从生产能耗和成本角度考虑，本实验选择冷阱温度在-35℃左右，且待冷阱温度降至设定值并保持3min～5min后再开启真空泵抽真空。

1.3.2搁板温度的确定

为防止升华干燥过程因加热板温度控制不当而引起的产品冒泡、崩解等现象发生，须确保柠檬片升华界面温度低于其共熔点。同时，为尽可能缩短解析干燥时间，在防止柠檬片干缩的前提下，应尽量提高加热板温度。因此，本实验确定升华干燥过程的搁板温度为45℃，解析干燥过程的搁板温度为55℃。

1.3.3干燥室压力的确定

升华过程的干燥室压力大小直接影响着传热和传质：压力大，气体的导热系数增大，对流传热效果好，但不利于水蒸气的逸出；反之，则有利于水蒸气逸出，但传热受阻。因而通常把干燥室压力控制在略低于最高升华温度所对应的饱和蒸气压力值的1/2[4]。本实验确定升华干燥阶段的干燥室压力65Pa，解析干燥阶段的干燥室压力40 Pa。

1.4试验指标与测定方法

1.4.1共晶点与共熔点测定

共晶点与共熔点测定采用电阻法测定。

1.4.2含水量测定

含水量测定采用常压干燥法。

1.4.3复水率测定

将柠檬冻干片充分吸水20min～30min，沥干后称重，按下式计算：1.4.4冻干终点确定

以“NY/T435-2000《绿色食品水果、蔬菜脆片》”标准中规定的成品含水量≤5.0%为冻干终点。

1.4.5色差L值测定

采用JZ-350型色彩色差计测定。

1.4.6微生物指标测定

菌落总数与大肠菌群测定分别按GB 4789.2-2010《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》、GB 4789.3-2010《食品安全国家标准食品微生物学检验大肠菌群计数》进行。

2　结果与分析

2.1柠檬的共晶点与共熔点

共晶点温度是物料在冻结过程中，其内部水分全部变为冰时的温度；共熔点温度是完全冻结的物料在升温过程中，开始出现液态时的温度。为防止物料在真空干燥的升华阶段和解析阶段出现冒泡、崩解等情况，在设定好适宜的加热板温度的同时，依据共晶点温度和共熔点温度进行物料冻结是实现低冷冻能耗、高干燥品质的有效途径。

由图1知：柠檬的共晶点在-23℃～-25℃范围内，共熔点在-20℃～-22℃范围内。

2.2冻结方式对柠檬片干燥及产品品质的影响

2.2.1不同冻结方式下的冻干曲线

冻干曲线是表示冻干过程中产品的温度、压力随时间变化的关系曲线，建立合适的冻干曲线对产品品

图1　柠檬共晶点和共溶点测定结果Fig.1Determ ination results ofeutectic point andm elting point of lemon

质和生产过程的节能减排均有重要的指导意义。经不同冻结方式处理的柠檬片冻干曲线分别如图2、图3、图4和图5所示。

图2　-40℃冻结处理的冻干曲线Fig.2　Freeze drying curveof lemon sliceby freezing treated at-40℃

图3　-60℃冻结处理的冻干曲线Fig.3　Freezedrying curveof lemon sliceby freezing treated at-60℃

图5　液氮滴淋冻结处理的冻干曲线Fig.5　Freezedrying curveof lemon sliceby liquid nitrogen treatm ent

冻结速率的快慢对物料内部所产生的冰晶体数量和体积有直接影响，由此可对后续真空干燥的传质与传热产生一定影响，进而影响总干燥时间：慢速冻结产生的冰晶数量少，但体积大，由此形成的升华通道相应也较大；反之，快速冻结产生的冰晶数量多且体积较小，即形成的升华通道孔径较小。Chokri[5]真空冷冻干燥草莓片的研究结果表明：冻结速率对冻干品的品质和冻干总时间都没太大影响。姚智华[6]对比了经速冻和缓冻处理后的红富士真空冷冻干燥总时长，其实验结果表明两种冻结方式下的冻干总时间均为11 h左右，也说明冻结方式对冻干总时间影响不大。周国燕[7]发现经-20℃/h降温速率处理的猕猴桃在真空干燥过程的干燥速率略大于经-83℃/h降温速率处理的样品，但也没有显著差异。

图2、图3、图4和图5显示分别经-40、-60、-100℃和液氮滴淋冻结处理后的柠檬片真空干燥总时间分别为12.4、11.8、11.2、13.9 h，表明不同冻结速率对真空干燥总时长有一定影响但不太显著；这与上述几位研究人员的研究结果相一致。同时，本实验条件下的最短干燥时间处理方式为-100℃冻结，说明此温度下冻结的柠檬片内部产生的冰晶体数量、大小与分布形式相对均匀，能形成较好的冰晶升华通道，利于真空干燥的传热顺利进行。

尽管冻结速率对真空干燥时间的影响不大，但生产实践中若能把冻结温度控制在适宜范围（如本实验中的-100℃左右），在保证冻结品质的前提下，让物料内部的游离水分快速通过最大冰晶生成带并使冰晶尺寸尽可能大，控制冻结过程中冻结界面的推进速度和温度梯度，则可提高干燥速率，缩短冻干时间。另一方面，解析干燥过程主要是去除物料中的吸附水，在保证产品不发生崩解的条件下，为缩短干燥时间，应尽可能提高加热板温度，并使产品内外形成较大的蒸气压差。相关研究表明[8]：采用循环交替改变干燥仓压力有利于缩短冻干时间。

2.2.2不同冻结方式下的成品品质比较

冻结作为真空干燥的前道工序，对物料内部冰晶体形成的速率、大小与分布形式，直至细胞结构的破坏与否影响很大；对真空干燥过程和产品品质同样也有显著的影响：如蛋白质变性、脂肪氧化、维生素损失、色泽变化以及质地（如嫩度）、风味和含水量的变化等[9-10]。不同冻结温度处理后的柠檬片经真空干燥后的成品品质如表1所示。

表1　冻结方式对成品品质的影响比较Table1　Com parison of productquality on different freezing methods

表1表明：过高或过低冻结温度处理的柠檬干片的复水情况相对较差，实验中以-100℃冻结处理的复水率为最佳，说明此温度条件对柠檬组织细胞造成的机械损伤小，能较好地保持冻结制品的内部完整性。色差测定结果表明随贮藏时间的延长，产品色泽会逐渐加深，这主要是由于柠檬所含的VC在贮藏期间氧化后形成的酮化合物可与氨化合物结合发生非酶褐变所致。同时，从实验结果也可看出冻结过程的温度越低，越利于产品贮藏期间的色泽保持，尤其是经液氮滴淋处理后的柠檬片呈现明显的苍白色。

2.3产品微生物检验

对铝箔包装3个月后的柠檬冻干片进行微生物指标检测，测定结果如表2所示。

表2　成品微生物检测Table2　M icroorganism detection of products

从表2可看出：经不同冻结速率处理后的柠檬干片在实验贮藏期内的菌落总数和大肠菌群数均达到NY/T 435-2012《绿色食品水果、蔬菜脆片》标准的规定，且速冻更能有效抑制微生物的生长繁殖。

3　结论

1）测得柠檬的共晶点在-23℃～-25℃范围，共熔点在-20℃～-22℃范围；据此可将柠檬冻结至-35℃左右再进行真空干燥加工。

2）综合真空干燥总时间、成品品质和贮藏期的微生物变化情况，可考虑选取-100℃为柠檬较佳的冻结温度。

3）本试验在升华干燥阶段的搁板温度为45℃、真空度65Pa，解析干燥阶段的搁板温度为55℃、真空度40 Pa条件下，-40、-60、-100℃和液氮滴淋冻结处理后的柠檬片真空干燥总时间分别为12.4、11.8、11.2、13.9 h，差异不太显著。本研究仅在这一特定条件下开展了冻结温度对柠檬片真空干燥其及产品品质的影响，为摸索更适于工业化生产的柠檬片冻干曲线需做进一步研究。

参考文献：

[1]Fausto Gironi,Marco Maschietti.Continuous countercurrent deterpenation of lemon essential oil by means of supercritical carbon dioxide:Experimental data and processmodelling[J].Chemical Engineering Science,2008,63(3):651-661

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[3]范兰娣.冻干柠檬片生产工艺的研究[J].食品科技,2009,34(5):54-56

[4]DennisRHeldman,RichardW Hartel.食品加工原理[M].北京:中国轻工业出版社

[5]Chokri Hammami.Determination of Freeze-drying Process Variables forStrawberries[J].Journalof food engineering,1997(32):133-154

[6]姚智华.低能耗真空冷冻干燥技术和过程参数的研究[D].山西:山西农业大学,2003

[7]周国燕,陈唯实,叶秀东,等.猴桃热风干燥与冷冻干燥的实验研究[J].食品科学,2007,28(8):164-167

[8]范兰娣.冻干柠檬片生产工艺的研究[J].食品科技,2009,34(5):54-56

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[10]Katherine A Pikal-Cleland,Nair Rodriguez-Hornedo,Gordon L Amidon.Protein denaturation during freezing and thawing in phosphate buffer systems:monomeric and tetramericβ-galactosidase[J]. ArchivesofBiochemistry and Biophysics,2000,384(2):398-406

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.22.022

收稿日期：2015-06-04

基金项目：广东省科技计划项目（2013B020503068）；广东省科技计划项目（2012A020603008）；广东省教育部产学研结合项目（2012B0 91000074）；广东普通高校工程技术开发中心项目“粤东食品加工与安全控制工程技术开发中心”（GCZX-A1415）

作者简介：章斌（1981—），男(汉)，讲师，硕士，从事食品加工与质量安全的研究与教学工作。

Research on the Processing Technology of Freezing and Vacuum Drying of Lem on Slices

ZHANGBin1，DINGXin2，HOUXiao-zhen1，QINYi2，DENGQi-hai2，GAOXue1，YANGXiao-min1
（1.Collegeof Biotechnologyand Food&Science Technology，Hanshan NormalCollege，Chaozhou 521041，Guangdong，China；2.Guangdong Zhongxing Lvfeng DevelopmentCo.，Ltd.，Heyuan 517000，Guangdong，China）

Abstract：Influence of pretreatmentmethod，freezing temperature（-40，-60，-100℃and liquid nitrogen dripping）on the vacuum freeze drying of lemon slices，aswell as taking comp lex water rate，color difference L value，total number of bacteria coloniesand Escherichia coligroup as index，effectsof freezingmethod on the quality of lemon slices during storage were explored in this paper.Results showed that co-melting point and eutectic pointof lemonwere-23℃--25℃，-20℃--22℃respectively.The optimal freezing temperaturewas -100℃underexperimentalconditions，and vacuum drying time 11.2 h，color difference Lvalue78.65，aswell as total number bacteria coloniesand Escherichia coligroup of productwas lower than 180 cfu/g and 3MPN/g respectivelyafter3monthsstorage time，which reached relevantstandards.

Keywords：lemon slices；predewatering；vacuum freeze drying；liquid nitrogen；freezing rate