野生蕨菜真空冷冻干燥动力学及产品特性研究

陈雪珍，毛杰

（福建闽北职业技术学院食品与生物工程系，福建南平353000）

野生蕨菜真空冷冻干燥动力学及产品特性研究

陈雪珍，毛杰

（福建闽北职业技术学院食品与生物工程系，福建南平353000）

通过建立蕨菜真空冷冻干燥动力学模型，对冻干蕨菜进行真空冷冻干燥其动力学特性的研究，并从感官外观、水分含量和活度、复水特性以及主要营养成分保存情况等不同方面进行量化指标检测，对冻干蕨菜和热风干蕨菜进行比较全面的对比。结果表明：冷冻温度、真空度和装料量3种因素对蕨菜干燥效果都有不同程度的影响；验证方程的预测值与试验值基本吻合；冻干蕨菜较热风干蕨菜更接近新鲜蕨菜物理特性，风味更为浓郁，主要营养成分保存更加完整。

蕨菜；真空冷冻；干燥；动力学

蕨菜（Pteridium aquilinum var．Latiusculum），又被称为拳头菜、吉祥菜、龙爪菜等，属凤尾蕨科的草本植物，是一种比较常见的山野菜，在福建闽北山区中的产量极为丰富。因口感爽滑、脆嫩，易于烹饪深受广大百姓喜欢。蕨菜生长采收的季节性相当强，故在采收、贮存和加工的过程中易发生褐变现象，失去原有的鲜绿色泽，易老化变质，而且由于新鲜的蕨菜具有一些难以替代的特性，比如含水量比较高、野生菜的鲜味比较重，因此在制作成罐头产品或者干制品时，虽然能够保持一定的原始风味，但是其新鲜的特点特征仍然难以较好地保持。

蕨菜的干燥处理方式有多种，与热风干燥蕨菜相比，通过真空冷冻干燥后的蕨菜，在外观比如色泽以及口感脆度等方面都保存得比较好，而且具有更加优越的指标成分[1]。另外，干燥动力学研究主要是对薄层干燥曲线进行数学模拟，即20 mm以下的物料层表面完全暴露在相同环境下进行干燥，通过建立蕨菜的真空冷冻干燥动力学模型，全面了解掌握蕨菜干燥过程。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验原料

野生新鲜蕨菜：南平农贸市场，通过醋酸锌浓度30 mg/100 g、pH 6.5、护色时间20 min护色处理后进行真空冷冻干燥。

1.1.2 主要仪器

DH-S20-3红外水分测定仪：南京诚意试验设备有限公司；BPG-9000鼓风干燥箱：上海精密仪器有限公司；ZD-F15真空冷冻干燥机：北京太阳自动化设备有限公司；WT10002N电子天平：哈尔滨天平仪器有限公司；HD-4型水分活度测量仪：金华市卓尔仪表有限公司；HGP-7500S型光谱仪：武汉市诚光分析仪器有限责任公司；A300氨基酸分析仪：日本克里默公司；756MC紫外光/可见分光光度计：南京科技仪器有限公司。

1.2 指标测定

1.2.1 真空冷冻干燥动力学模型的确定

描述果蔬干燥过程的模型主要包括3类，即Page方程模型、指数模型和单项扩散模型[2]。（1）Page方程模型方程为 MR=e-rtN；（2）指数模型方程为 MR=e-rt；（3）单项扩散模型方程为MR=Ae-rt。式中：t为干燥时间，min；A、r、N为待定的系数。根据蕨菜真空冷冻干燥需要，本章采用的是两个模型，即采用Page模型和单项扩散模型来模拟干燥过程[1]。另外，为了提升数据分析和处理结果，鉴于原模型方程较为复杂，进而综合考量，将式（1）和（3）的模型经过取对数后得到新的方程（4），即：Page模型方程式 ln（-lnMR）=Nlnt+lnr和方程（5）单项扩散模型方程为 ln（MR）=lnAe-rt。

1.2.2 干燥速率的测定[3]

干燥速率 η=△m/△t。

式中：△m代表相邻两次时间的失水量，g；△t为相邻两次的时间间隔长度，min。

1.2.3 含水量（湿基含水量）的测定[3]

采用红外水分测定仪测定新鲜蕨菜、热风干蕨菜和冻干蕨菜3个对象的水分含量。

干基水分含量/%=湿物料中的水分质量/湿物料绝干物料的质量×100

1.2.4 干燥率

干燥率/%=成品质量/原料质量=（100-M）/（100-m）×100

式中：M为干菜的含水量，%；m为新鲜蕨菜的含水量，%。

干燥速率曲线是指蕨菜在干燥过程中，某个时间点的绝对水分（W绝）与干燥速率（dW绝/dt）两个指标之间的关系曲线，即dW绝/dt=f（W绝）。

1.2.5 水分活度的测定[4]

采用HD-4型水分活度测量仪直接检测得出指标。

1.2.6 复水率的测定[4]

采用复水比（R复）来代表干菜的复水程度。称取一定质量的蕨菜样品，加一定量的水经过浸泡，直至吸满水后恒重为止。

R复=G复/G干。式中：G复为干菜复水后的最大质量，g；G干为干菜的试样重，g。

1.2.7 部分营养素测定

通过2，6-二氯靛酚钠法测定维生素C含量[5]；采用分光光度法分别测定胡萝卜素和维生素E的含量[5]。

1.2.8 无机元素含量的测定

通过HGP-7500S型光谱仪对冷冻干燥蕨菜的无机元素含量进行直接测定。

1.2.9 氨基酸含量的测定

通过A300氨基酸分析仪直接测定冷冻干燥蕨菜的氨基酸含量。

1.3 试验方法

1.3.1 蕨菜真空冷冻干燥动力学试验

先设定几个固定指标，即设置装料量为8.5 kg/m2和真空度为0.08 MPa，然后分别在-20、-25、-30℃3个不同条件下进行真空冷冻干燥；再重新固定几个指标，即：分别设定真空度为0.08 MPa和冷冻温度-25℃，然后分别在8.0、8.5、9.0 kg/m2的装料量条件下进行真空冷冻干燥；再重新固定几个指标，即：分别设定冷冻温度为-25℃和装料量为8.5 kg/m2，分别在真空度为0.06、0.07、0.08 MPa 3个不同条件下进行真空冷冻干燥。

测定过程中，总干燥时间为200 min，期间将每个试验按相同条件重复3次，隔1 min记录一次样品的质量，最后取结果的平均值。然后根据数据情况，分别绘制不同条件下的t—-lnMR和lnt—ln（-lnMR）干燥速率曲线。

1.3.2 蕨菜真空冷冻干燥动力学模型验证

为进一步验证确定的动力学模型准确与否，因此在真空度为0.06 MPa，冷冻温度为-20℃，装料量为8.0 kg/m2条件下再次进行试验测定，将试验得到的水分比与时间的关系曲线再次同动力学模型预测的曲线进行比较，得出相关结论。

1.3.3 含水量与水分活度比较

称取3份材料，均为16.21 kg的鲜蕨菜，将其中的两份分别制成真空冷冻干燥蕨菜和热风干燥蕨菜（120℃热风干燥1 h），然后测定3份蕨菜的含水量和水分活度值并进行比较。

1.3.4 复水率比较

分别将蕨菜冻干制品和热风干制品进行常温浸泡，然后分别加热煮沸，煮沸时间为10 min，将水沥干后分别称重，再测定复水率。另外，计算确定两份材料的干燥率。

1.3.5 主要营养成分含量比较

根据维生素C、胡萝卜素、维生素E、无机素和氨基酸含量的测定方法，分别测定鲜蕨菜、真空冷冻干燥蕨菜和热风干蕨菜3个品类的上述指标。

2 结果与讨论

2.1 蕨菜真空冷冻干燥动力学模型建立

如图 1、2、3、4、5、6 所示，它们分别代表在不同的冷冻温度、不同的真空度以及不同的装料量的试验条件下，测定的试验数据，据此绘制了不同的t—-lnMR和 lnt—ln（-lnMR）曲线。

图1 不同冷冻温度下的-ln（MR）与t之间的关系Fig.1 Relationship between-ln（MR）and t at different freezing temperature

图2 不同冷冻温度下的ln（-lnMR）与lnt之间的关系Fig.2 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different freezing temperature

根据试验结果，可以看到冷冻温度、真空度和装料量都是蕨菜真空冷冻干燥的重要影响因素，虽然影响程度不同，但是-lnMR与t呈现出了非线性关系，而ln（-lnMR）与lnt之间呈现出线性关系。因此，综合来看，蕨菜真空冷冻干燥的动力学模型基本满足ln（-ln－MR）=lnr+Nlnt方程。

图3 不同真空度值下的-ln（MR）与t之间的关系Fig.3 Relationship between-ln（MR）and t at different vacuum level

图4 不同真空度下的ln（-lnMR）与lnt之间的关系Fig.4 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different vacuum level

图5 不同装料量下的-ln（MR）与t之间的关系Fig.5 Relationship between-ln（MR）and t at different loadage

图6 不同装料量下的ln（-lnMR）与lnt之间的关系Fig.6 Relationship between ln（-lnMR）and lnt at different loadage

式中：P 为真空度，MPa；V 为冷冻温度，℃；I为装料量，kg/m2；a、b、c、d、e、f、g、h 等为待定系数。

现在，分别将式（6）、（7）带入式（5）中，则得到式（8）如下：

根据上述试验得出的数据，采用SAS9.3软件，通过多元线性回归计算，可以得到 a、b、c、d、e、f、g、h 等待定系数值。表1即为蕨菜真空冷冻干燥的动力学模型。

表1 蕨菜冻干动力学模型Table 1 The kinetic models of vacuum freeze drying fiddlehead

计算结果如表1所示，F值为50.89，所求得的回归方程显著；回归方程的决定系数R2值为0.821 5，说明模型预测值与试验所得值比较契合，试验误差小。把计算得到的各待定系数代入方程中可得到方程结果为：ln（-lnMR）=-1.893 65+8.073 62P+0.000 102 25V-0.033 8I+（0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I）lnt，即：MR=e-rtN，式中：r=-1.89365+8.07362P+0.00010225V-0.033 8I；N=0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I。

2.2 蕨菜真空冷冻干燥动力学模型验证

如图7所示，为在同一条件下，试验值与动力学模型的预测值对比曲线。

图7 同一条件下试验值与动力学模型的预测值对比曲线Fig.7 Comparison between experimental data and predicted data at same condition

由图7曲线所示，在真空度为0.06 MPa，冷冻温度为-20℃和装料量8.0 kg/m2的相同条件下，Page方程的预测值与试验结果的具体值基本吻合，比较接近，这充分表明，动力学模型方程对蕨菜冻干过程中的水分变化模拟比较准确，故可作为预测方式。

2.3 感官特征比较

真空冷冻干燥蕨菜外观表现为深绿色，内部组织疏松多孔，且相对来说风味比较浓郁；而热风干蕨菜外观表现为深褐色，内部组织更为紧实，野菜香气方面偏淡。通过分析两种干燥方式，可以知道，这是造成二者感官有所区别的主要因素，即：高温容易导致蕨菜内生细胞组织软化而坍塌，使内部结构融为一体，虽然使结构更为紧实，但是口感却略差，且外观明显出现了干缩现象；而冻干蕨菜由于冷冻时间较短，内部组织在较短时间内冻结后，能够较好地保持原来结构和形状，外观饱满度明显更好[6]，而且，对于褐变反应的发生也有明显的抑制作用。

2.4 水分含量和水分活度比较

代表干制食品保藏性，通常主要通过水分活度（Aw）和水分含量两个指标和标示。水分含量一般多采用水分占制品湿重的百分比来表示，水分活度一般采用的是制品的水蒸气压与同温纯的蒸气压的之间的比值来表示。理论上认为，Aw＜0.7的干制食品在常温下才能安全地贮存[7]。如表2所示，经测定，蕨菜和干制品的水分含量与水分活度值明显不同。

表2 蕨菜和干制品的水分含量与水分活度Table 2 The moisture content and water activity product and dry fiddlehead

由表2可见，真空冷冻干燥蕨菜的湿基含水量和干基含水量，都较热风干蕨菜更低。另外，虽然热风干蕨菜的水分活度值低于霉菌生长所需的最低Aw值0.65，常温下即可贮存，但是真空冷冻干燥蕨菜的水分活度值仅为0.47，明显具有更长更稳定的常温贮存优势。

2.5 复水性能比较

衡量干制品品质高低，还有一项重要指标[8]，那就是复水性能，即放入水中后检验其能恢复到新鲜状态的程度。如表3所示，为测定的真空冷冻干燥蕨菜和热风干蕨菜的复水性数据。

表3 两种干蕨菜的干燥率和复水率Table 3 The drying rate and rehydration rate of two dried fiddlehead

由表3可知，从干燥率方面来看，热风干蕨菜为13.8%，真空冷冻干燥蕨菜为14.5%，二者没有明显差别，原因是鲜蕨菜内部组织比较松散，在加热的条件下极易失水、不易保存。从复水性能方面看，热风干蕨菜的复水率为82.9%，复原后外观比较饱满，但是不够光滑，与新鲜蕨菜有一点差别，而且风味和色泽都不如新鲜蕨菜；真空冷冻干燥蕨菜的复水率为94.8%，数据明显高于热风干蕨菜，这一点从外观上看也对比比较明显，它的复原后的形状饱满度更为接近新鲜蕨菜，口感爽脆，颜色也比热风干蕨菜更偏绿。这都是因为冻干过程时间短、降温快速，能够有效降低蕨菜干缩程度[9]。因此，从这几点来看，真空冷冻干燥蕨菜比热风干蕨菜复水性能更好、感官品质更好。

2.6 主要营养成分含量比较

蕨菜及其干制品的主要营养成分含量见表4。

表4 蕨菜及其干制品的主要营养成分含量对比Table 4 The contact of main nutrient content of fiddlehead and dry products

由表4可知，维生素C在热风干蕨菜中保存率较低，因为高温对其破坏性较大；而胡萝卜素虽然在两者中都有较高保存率，但是真空冷冻干燥蕨菜中的保存率明显更好；但是维生素E由于不易保存，因而只在真空冷冻干燥蕨菜中有一定程度的保存。这样对比，可以看出真空冷冻干燥蕨菜的营养成分保存更完整。

如表5和表6，分别表示的是真空冷冻干燥蕨菜与热风干蕨菜中的无机元素以及氨基酸的含量。

由表5、6可知，蕨菜在干制以后，主要无机元素的含量都提高了，但是差别不大，但是在氨基酸含量变化方面，真空冷冻干燥蕨菜则相对都保存得更为完整。其中的原因考虑可能是无机元素多数随着水分一起流失了，而氨基酸不但可以随着水分一起流失，还可能高温分解等。

表5 冻干蕨菜与热风干蕨菜中的无机元素含量Table 5 The contents of inorganic elements between fiddlehead and heat-dried fiddleheads

表6 冻干蕨菜与热风干蕨菜中的氨基酸含量Table 6 The contents of amino acids between freeze driedfiddlehead and air-dried fiddleheads

3 小结

1）通过研究冷冻温度、真空度和装料量3种因素对蕨菜干燥效果的影响，建立蕨菜真空冷冻干燥动力学模型：ln（-lnMR）=-1.893 65+8.073 62P+0.000 102 25V-0.033 8I+（0.686 97-0.055 82P+0.001 97V+0.008 23I）lnt，并验证了在真空度为0.06 MPa，冷冻温度为-20℃和装料量8.0 kg/m2的相同条件下，Page方程的预测值与试验结果的具体值基本吻合，二者曲线比较接近，这充分表明，动力学模型方程对蕨菜冻干过程中的水分变化模拟比较准确，故可作为预测方式。

2）通过从感官外观、水分含量和活度、复水特性以及主要营养成分保存情况等不同方面，进行量化指标检测，对冻干蕨菜和热风干蕨菜进行了比较全面的对比。结果表明：在感官方面，真空冷冻干燥蕨菜外观表现为深绿色，内部组织疏松多孔，且相对来说风味比较浓郁；而热风干蕨菜外观表现为深褐色，内部组织更为紧实，野菜香气方面偏淡。同时，真空冷冻干燥蕨菜的复水性能更加出色，常温贮存的条件更好；在氨基酸含量方面也比热风干蕨菜保存得更多更完整。综合来看，真空冷冻干燥蕨菜经过短时间高强度干燥后，内部组织结构破坏较少，主要营养成分保存更完整，耐储藏性能也更强，更适宜现代化生产生活需求。

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Wild Fiddlehead Vacuum Freeze Drying Dynamics Research and Product Characteristics

CHEN Xue-zhen，MAO Jie
（Department of Food and Biological Engineering，Fujian Minbei Vocational Technical College，Nanping 353000，Fujian，China）

Through the establishment of bracken dynamic model of the vacuum freeze-drying of freeze-dried fiddlehead vacuum freeze drying of the dynamics characteristics of research，and compare the freeze-dried fiddlehead and hot air dry fiddlehead in senses，water content，water activity，water features，physical and chemical indexes such as primary nutrients content.The results showed that the freezing temperature，vacuum degree and material volume three factors effect on dry fiddlehead have different degrees of influence；validation equation coincided basically with the predicted values and experimental values of the freeze-dried fiddlehead more hot air dry fiddlehead closer to the physical properties of fresh fiddlehead more full-bodied flavor and primary nutrients more intacted.

fiddlehead；vacuum freezing；drying；dynamics

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.001

2016-12-28

福建省2015年高等学校创新创业教育改革试点专业“食品加工技术”

陈雪珍（1982—），女（汉），讲师，硕士研究生，研究方向：食品加工。