高压脉冲电场对苹果崩塌温度的影响

吴亚丽

（太原理工大学力学学院，山西太原030024）

高压脉冲电场对苹果崩塌温度的影响

吴亚丽

（太原理工大学力学学院，山西太原030024）

以苹果为研究对象，进行真空冷冻干燥实验并与高压脉冲电场预处理的样品进行分析对比，研究电场预处理对苹果微观结构及崩塌温度的影响。结果表明：当加热板温度设定为70℃时，未处理的苹果样品出现了较为明显的塌陷以及断裂现象。而经过高压脉冲电场预处理的样品，在缩短了干燥时间、降低了能耗及物料的最终含水率的同时，样品的骨架结构保存完整，没有出现崩塌现象。高压脉冲电场预处理可以提高果蔬的临界崩塌温度约20℃，并使物料的最终含水率达到1.20%，而未经高压脉冲电场预处理样品的最终含水率为7.84%。本文对解决干燥过程中崩塌现象的产生有重要意义。

苹果，高压脉冲电场预处理，干燥实验，崩塌温度，微观结构

目前，真空冷冻干燥在生产实际中引起干燥时间长、能耗大的主要原因之一是样品在干燥过程中容易出现崩塌现象，即干燥过程中由于样品的温度过高而引起的塌陷，进而导致干燥层的多孔结构丧失、残余水分增多、复水时间延长，影响样品的品质。为达到较快的干燥速度，样品温度要求尽可能高，但必须低于共熔点温度或崩塌温度，以防止样品熔化、变性或崩塌。干燥过程中样品温度每升高1℃，升华干燥时间将缩短13%，干燥速率可以提高11%［1］，然而物料的崩塌温度限制了冰界面温度的提高。因此，升华干燥过程中应重视崩塌温度的控制。塌陷发生在升华界面和多孔层中［2］。Antonello［3］通过扫描电镜，观察到蛋糕的干燥温度接近崩塌温度时，蛋糕出现了崩塌现象。Venir等［4］研究了冷冻干燥对苹果汁内部结构的影响，结果表明无水样品的崩塌温度为（28±2）℃。Shishehgarha等［5］认为当解析温度超过50℃时，将加大冻干过程体积塌陷的程度。Kochs［6］研究指出苹果的崩塌温度为55℃。左建国等［7］用不同浓度的糖液进行冷冻干燥，结果表明添加高分子材料，由于提高了玻璃化转变温度，进而提高了产品的崩塌温度。

一般，崩塌温度取决于材料本身的物性和保护剂的种类，即在干燥前对果蔬进行预处理，软化果蔬细胞组织结构，改善细胞的通透性，可节省干燥能耗和时间，降低成本。而高压脉冲电场作为一种非热加工技术，作用于果蔬细胞可以改变细胞的内部组织结构，在一定程度上可以提高产品的崩塌温度［8］。因此，本文分析了高压脉冲电场预处理对苹果崩塌温度的影响，以期为高压脉冲电场工艺参数的优化提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

富士苹果 产地为山西太谷；高压脉冲电场发生器 美国BTX公司生产，其脉冲宽度、重复频率和脉冲的电压幅度均可调节，脉冲波形为单极矩形波，电极处理室为方形不锈钢平板，间距可调；JDG-0.2型真空冷冻干燥机 中国科学院兰州近代物理所研制；JSM-6490LV扫描电镜 日本JEOL公司。

1.2 样品处理方法

取表皮无损伤的新鲜富士苹果，洗净去皮，切成厚度为10mm×17mm×17mm的方块，进行高压脉冲电场预处理。高压脉冲电场预处理的主要参数有脉冲强度、脉冲宽度和脉冲个数。根据前期优化的实验结果，选取脉冲强度1000V/cm，脉冲宽度120μs，脉冲个数30个［9］。处理后放入冰箱预冻，温度设定为-30℃，12h后进行真空冷冻干燥。

未处理样品升华阶段加热板温度设定为50、60、70℃，冻干室压力为40Pa；解析阶段加热板温度为90℃，冻干室压力为30Pa［9-10］。预实验表明当加热板温度大于70℃时，部分预处理样品出现崩塌现象，因此预处理样品升华阶段加热板温度设定为70℃，冻干室压力为40Pa；解析阶段加热板温度为90℃，冻干室压力为30Pa。解析阶段当样品的含水率不再发生变化时，停止实验。

选取干燥时间、最终含水率及单位能耗为实验指标。其中干燥时间为升华阶段开始到整个干燥过程结束所经历的时间；最终含水率是干燥结束后，在线检测系统实时检测得到；单位能耗=功率/初始质量。

干燥结束后取样品放在液氮中冷冻、断裂、镀膜，并利用JSM-6490LV扫描电镜观察其微观组织结构。

2 结果与讨论

2.1 未处理组实验结果

真空冷冻干燥过程的三个主要参数是物料厚度、加热板温度和冻干室压力，其中影响果蔬干燥效果最主要的因素是物料的厚度，其次是加热板温度和冻干室压力。研究表明果蔬的厚度应控制在10mm以内［10］，这样有助于提高果蔬的干燥速率，降低干燥能耗，因此在进行干燥实验时选择物料的厚度为10mm。预实验结果表明当升华阶段的冻干室压力低于40Pa时，物料出现了溶化、发泡等现象，因此设定冻干室压力的范围为40Pa。加热板温度依次设定为50、60、70℃，分别进行真空冷冻干燥实验。未处理苹果样品的变化情况如图1所示。

图1a是加热板温度为50℃，冻干室压力为40Pa的条件下苹果的干燥样品，可以看出样品有轻微的塌陷现象，但不影响产品的外观和质量。在这种干燥条件下，干燥的时间较长，大于10h（见表1），耗电量大，相对应的生产率过低。图1b是在加热板温度为60℃，冻干室压力为40Pa的条件下苹果的干燥样品，此时样品有轻微的塌陷和断裂现象，影响了干燥的效果，而且由于出现崩塌现象，造成干燥时间较长（9.47h），能耗较大（409.03kJ·g-1）。图1c和图1d是加热板温度为70℃，冻干室压力为40Pa的条件下苹果的干燥样品，干燥时间为8.30h，能耗为383.66k J·g-1，最终含水率为7.84%，此时样品出现了较为明显的塌陷和断裂现象。

由于真空冷冻干燥是由表及里的干燥方式，对于物料整体而言，物料表层首先干燥，因物料外层首先干燥而形成的硬壳板阻碍了内部水分继续向外迁移，使内部水分扩散的速度低于温度递增的速度，因此出现了崩塌现象。内部细胞塌陷，阻碍了水分子的继续扩散，使物料原有的结构坍塌，样品表面硬化现象严重，样品（图1c）向内凹陷了3mm左右。在热应力的作用下，部分细胞的细胞壁与相邻细胞的细胞壁分离，出现了应力裂纹。这主要是由于样品在干燥初期物料含水率较高而且均匀一致，组织较松软时，物料的内层和外层可同时收缩和膨胀，干燥应力小。当干燥达到一定水分含量时，物料外层部分已干，比较坚硬，膨胀和收缩量大大减少，物料中心部分则含水率较高，随着干燥的进行物料继续收缩，造成内外的膨胀和收缩量不一致，干燥应力无法消除，当达到一定极限时，产生了应力裂纹。随着温度的升高，样品（图1d）出现了断裂现象。通过表1可以看出加热板温度设定越高，可在一定程度上降低能耗，缩短干燥时间。但过高的加热温度除了对样品外观的影响之外，还有一个重要影响就是样品的最终含水率，由于样品外表出现塌陷现象，原先蒸汽扩散的通道被封闭，使样品内部的水散发不出来，最终留在样品内部，不利于贮藏，而且复水性差。因此，需要寻求一种预处理方法，既能保证物料的品质又能降低干燥能耗，缩短干燥时间。

2.2 处理组实验结果

在实验过程中发现，经过电场预处理后的苹果样品没有出现崩塌现象，如图2所示。样品的骨架结构保存完整，复水性能好，而且干燥时间大大缩短，耗电量降低，生产率提高。

图2 高压脉冲电场预处理苹果的干燥样品Fig.2 Drying of apples pretreated by pulsed electric field

当电场参数为1000V/cm，120μs，30个时，干燥时间为6.20h，能耗为329.05k J·g-1，最终含水率为1.20%。与同温度条件下未处理的样品相比，干燥时间缩短了25.30%，能耗降低了14.23%，最终含水率由7.84%降低为1.20%。因此经过高压脉冲电场预处理后可以缩短干燥时间，降低能耗，达到干燥彻底的效果。当升华阶段加热板温度大于70℃，经过高压脉冲电场预处理的样品部分出现了轻微塌陷的现象，因此认为经过高压脉冲电场预处理的样品，升华阶段加热板温度设定为70℃为宜。

表1 不同加热板温度对苹果的影响Table 1 Effect of different drying temperature on apple tissue

2.3 不同干燥条件下苹果的电镜（SEM）图

对于不同干燥条件对苹果微观结构的影响如图3所示，通过图3a未处理样品的电镜图可以看出，细胞结构发生了明显的变形与收缩，细胞塌陷现象较明显，细胞轮廓不清晰，细胞间隙缩小且不规则。由于真空冷冻干燥的热传导加热方式使干燥时样品表面同时存在着气—液两种不同相态的水，形成了较大的表面张力。长时间的真空冷冻干燥使得细胞间结合非常紧密，细胞因失水发生团聚、聚合等变化，使细胞的间隙大多封闭起来，导致细胞与细胞间几乎粘合在一起，同时也有塌陷、皱缩及断裂现象发生。进行干燥时，苹果组织结构塌陷主要是由于干燥温度过高，使细胞内的水分和糖分快速蒸发，水分损失和固形物增量越多，细胞组织结构塌陷越严重。物料温度的不断升高加剧了细胞膜的破裂和细胞壁的破坏，导致了细胞壁的折叠和组织结构的坍塌，细胞骨架结构基本消失［11-12］。图3b中经过电场处理后样品，细胞膜的通透性提高，细胞的间隙增大，在较高的温度和压力下，细胞膨胀为孔蜂窝状结构，有利于物料中水分的扩散，同时可以有效改善细胞的传质方式和速度。

因此，未处理的苹果样品，加热板温度设定为50℃以上，样品出现崩塌现象。而经过预处理后，加热板温度设定为70℃以上时，样品出现崩塌现象。因此，可以认为高压脉冲电场预处理使苹果样品的崩塌温度提高了20℃左右。没有经过预处理的苹果崩塌温度为55℃［6］，所以，经过高压脉冲电场预处理后苹果的崩塌温度为75℃。在干燥过程中，升华阶段设定的加热板温度应该控制在果蔬的崩塌温度以下，这样才能在不破坏果蔬组织保证其品质的同时，提高果蔬的干燥速率。解析阶段果蔬中不存在冻结水，加热板温度在最高允许温度80～90℃下尽可能的高，从而供给果蔬中残留的吸附水更大的能量使其从物料中解析出来，可降低果蔬的最终水分5%～6%。

图3 加热温度70℃时苹果样品的电镜图（×100）Fig.3 SEM of apples at temperature of 70℃（×100）

3 结论

采用不同的加热板温度对苹果进行真空冷冻干燥实验，并结合干燥后苹果的SEM图进行分析，结果表明：当加热板温度设定为70℃时，苹果样品出现了明显的塌陷及断裂现象。而经过高压脉冲电场预处理的样品，在缩短了干燥时间、降低了能耗及物料的最终含水率的同时，样品的骨架结构保存完整，没有出现崩塌现象，因此认为升华阶段加热板的温度设定为70℃为宜。

通过对比，可以发现高压脉冲电场预处理可以提高果蔬的临界崩塌温度20℃左右。对苹果而言，经过高压脉冲电场预处理后苹果的崩塌温度为75℃。所以在干燥过程中，升华阶段设定的加热板温度应该控制在果蔬的崩塌温度以下，这样才能在不破坏果蔬组织保证其品质的同时，提高果蔬的干燥速率。

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Study on the effect of pulsed electric field pretreatment on collapse temperature of apple tissue

WU Ya-li
（College of Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To study the effects of pulsed electric field on collapse temperature and microstructure of apples，thedrying experiments of apple were carried out with different drying temperature. The results showed that whenthe drying temperature at 70℃，the untreated samples had obviously collapse，shrinkage and fracture，however，the treated samples had integrity structure. Meanwhile，the drying time was decreased，the specific energyconsumption was reduced and complete drying of apples could be achieved after pulse electric field pretreated.Finally，after pulsed electric field pretreated，the collapse temperature of fruits and vegetables was increasedabout 20℃ ，and the moisture content after drying was 1.20％ ，however，the moisture content of untreatedsamples was 7.84％. The result was important to solve the collapse phenomena in the drying process.

apple；pulsed electric field pretreatment；drying experiment；collapse temperature；microstructures

TS255.1

A

1002-0306（2015）08-0138-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.019

2014－06－17

吴亚丽（1984－），女，博士，研究方向：农产品加工、生物力学。

太原理工大学引进人才科研启动经费（tyutrc-201244a）。