皱皮木瓜真空冻干工艺优化及基于LF-NMR技术的复水特性研究

崔 莉 杜利平，2 闫慧娇 刘 伟 耿岩玲 王 晓*

（1 山东省中药质量控制技术重点实验室 山东省分析测试中心 济南250014 2 食品科学与工程学院 山东农业大学 山东泰安271018）

皱皮木瓜 （Chaenomeles speciosa（Sweet.）Nakai）又名贴梗海棠，贴梗木瓜，属蔷薇科木瓜属，是我国常用药食兼用药材品种，国外研究较少[1]。皱皮木瓜具有平肝舒筋，和胃化湿之功效，可治疗湿痹拘挛、关节酸疼、吐泻转筋、脚气水肿等症[2]，其果实采收后，鲜果生命活动仍非常旺盛，水分含量较高，不易贮藏，急需干燥加工，目前，皱皮木瓜的研究主要集中在功能活性成分及药理作用等方面[3-8]，对其采后加工，特别是干燥等关键工艺的研究报道较少。

真空冷冻干燥是指将物料冻结到共晶点温度以下，在真空状态下，通过升华除去物料中水分的一种干燥方法[9]。冻干样品能够较好地保留其活性成分，同时还具有脱水彻底、复水快、质量轻、适合常温长期贮藏等优点[10]。 本研究以皱皮木瓜片为对象， 通过响应面法优化真空冷冻干燥过程中木瓜片的厚度、 真空冷冻干燥机的隔板温度以及真空度，以干燥成品的复水比和色差为指标，优化真空冷冻干燥皱皮木瓜片的工艺。

低场核磁共振 （Low Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）是一种无损、无侵入的快速测量技术， 从微观的角度解释样品中水分分布及其状态变化， 可直观地显示水的流动性以及迁移过程，目前国外已将NMR 技术应用于果蔬、肉类等各类食品加工、贮藏的诸多方面[11-14]。 近年来该技术用于分析干制品的复水过程显示出其独特的优势[15]。 本文在优化皱皮木瓜冷冻干燥工艺的基础上， 对此条件下真空冷冻干燥和热风干燥的皱皮木瓜片的复水过程进行低场核磁试验， 研究不同干燥条件下复水过程中的水分状态变化， 进而分析冻干木瓜片的复水性质， 以期为更好地指导干燥加工生产提供理论依据和技术支持， 促进皱皮木瓜资源的综合开发利用。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

新鲜皱皮木瓜于2015年10月份采自临沂平邑。

Epsilon 1/2-4 真空冷冻干燥机， 北京五洲东方科技发展有限公司；万分之一天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；NH310 色差仪，深圳市三恩时科技有限公司； MesoMR23-060H-I 核磁共振分析系统，上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 真空冷冻干燥工艺优化 将大小均一的皱皮木瓜切成不同厚度的半圆形状， 设置不同的隔板温度和真空度参数进行冷冻干燥， 记录干燥初始和最终的样品质量。 用色差仪测定不同条件下的色差值，同时将干燥成品进行复水试验，计算复水比， 将色差值和复水比作为皱皮木瓜冷冻干燥指标。

1.2.1.1 单因素试验 根据本研究所用真空冷冻干燥机的性能及前期预试验， 选择皱皮木瓜片厚度（2，4，6，8 和10 mm）、 隔板温度（10，20，30，40和50 ℃）和真空度（1.6，2.4，3.2 和4.0 mbar）进行单因素试验，考察对色差值和复水比的影响。

1.2.1.2 响应面优化 在单因素试验的基础上，为了获得色差值最小，复水比最佳的工艺条件，利用Box-Behnken 试验设计法，以木瓜厚度、隔板温度、真空度作为3 个考察因素，选取3 个水平进行试验，每个因素的低、中、高水平分别记作-1、0、＋1，试验因素水平及编码见表1。 运用Design-Expert trial version 8.0.6.0 软件对数据进行回归分析，确定皱皮木瓜冷冻干燥的最佳工艺条件。

表1 Box-Behnken 设计因素水平表Table 1 Variables and levels in Box-Behnken design

1.2.2 色泽的测定 采用色差仪测定木瓜片的色泽，本试验用△E 值代表被测样品的色泽（L、a、b）与鲜样的（L*、a*、b*）的色差值[16]。色差值（△E）计算方法如下：

L、L*分别为鲜样和干样的明度值；a、a*分别是鲜样和干样的红绿值；b 和b*分别是鲜样和干样的黄蓝值；ΔE 分别为总色差值。

1.2.3 复水比的测定 将干燥后的木瓜片至于300 mL 的烧杯中，按照料液比1∶50 倒入蒸馏水，在室温下进行试验。前1 h 每隔5 min 测定一次样品质量，后1 h 每隔10 min 测定一次。测定前沥干60 s，以去除表面水分。 物料在复水2 h 后停止试验，每次试验重复3 次，取平均值。 复水比（Rehydration ratio，RR）的计算公式如下[17]：

式中，Mt——复水到t 时刻物料的质量，g；M0——复水前物料的质量，g；T——复水所需时间，min；RR——复水比，g/g。

1.2.4 皱皮木瓜复水过程中水分分布的测定 将真空冷冻干燥（厚度为4 mm，隔板温度为40 ℃，压力为2.4 mbar）和热风干燥（厚度为4 mm，热风温度为50 ℃）的木瓜片进行复水试验，分别复水10，20，40，60 min，吸干表面的水分，置于核磁共振系统的磁场中心位置的射频线圈中心检测，用纽迈核磁共振分析软件及CPMG （Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间T2 信号，得到对应的T2 谱图。核磁共振系统探头直径：60 mm， 共振频率23.432 MHz，磁体温度为（32±0.01）℃；主要参数设置为：P90（us）=13，P180（us）=27，SW（kHz）=200，TE（ms）=0.15，TR（ms）=1 500，RG1=20，DRG1=3，NS=8，RFD=0.002 ms，EchoCount=8 000。

2 结果与分析

2.1 皱皮木瓜冷冻干燥单因素试验

2.1.1 皱皮木瓜厚度对色差和复水比的影响 将大小均一的皱皮木瓜切成不同厚度的半圆状，隔板温度设置为30 ℃，真空度设置为1.6 mbar 进行冷冻干燥。 由图1 可知，随着木瓜厚度的增大，木瓜片的色差值△E 先降低后增加， 在6 mm 左右△E 时出现最小值，物料厚度过大时，内部水分扩散至物料表面路径长，相对延长了干燥时间，物料太薄，干燥过程中容易引起表层组织硬化，使得后期水分扩散速度慢，干燥时间延长，进而都导致褐变程度高，色泽较差[18]。 随着厚度的增大，复水比逐渐降低，木瓜片越薄，其干燥速度越快，同时越容易形成均匀的孔隙结构，因而其复水性越好。因此，综合比较，选定皱皮木瓜片厚度为4，6，8 mm作为Box-Behnken 试验的3 个水平。

2.1.2 隔板温度对色差和复水比的影响 将皱皮木瓜切成6 mm 的半圆状， 设置不同的隔板温度，真空度为1.6 mbar 进行冷冻干燥。 冻干过程包括预冷冻阶段、升华干燥阶段和解析干燥阶段，解析干燥阶段是在真空条件下对物料升温加热， 进一步去除自由水和部分结合水至安全水分， 因而隔板温度会对产品品质造成影响[19]，由图2 可知，随着冷冻干燥中隔板温度的增加， 木瓜片的色差值△E 呈现逐渐增加的趋势， 说明隔板温度越高木瓜片褐变越严重，所以隔板温度不宜过高，同时，随着隔板温度的增大， 复水比先增大后降低，20，30，40 ℃时复水性较好， 推测隔板温度过低时，木瓜内部冰晶体积增大，对木瓜组织结构产生破坏，隔板温度过高，会导致木瓜内部的冰晶融化，其干燥所形成的多孔性构架刚度下降， 导致样品塌陷[19]，均会造成复水性较差。 因此，选择隔板温度为20，30，40 ℃作为Box-Behnken 试验的3 个水平。

图1 木瓜片厚度对ΔE 和复水比的影响Fig.1 Effect of the thickness on ΔE and rehydration ratio

图2 隔板温度对ΔE 和复水比的影响Fig.2 Effect of the board temperature on ΔE and rehydration ratio

2.1.3 真空度对色差和复水比的影响 将皱皮木瓜切成6 mm 的半圆状，隔板温度设置为30 ℃，分别设置不同真空度进行冷冻干燥， 结果如图3 所示， 可以看出真空度对色差值△E 的影响是先增大后减小，真空度增大，木瓜片表面水分蒸发速度加快，从而提高了内部水分的扩散速度，同时，真空度高使物料内外部蒸汽压差增大， 增加了物料内部水分向外扩散的动力[18]，推测随着真空度的增大， 木瓜片表面湿度环境发生变化导致了不同程度的褐变发生，具体原因有待进一步研究。随着真空度的增大，复水比呈现缓慢减小的趋势，综合考虑选择0.8，1.6，2.4 mbar 作为Box-Behnken 试验的3 个水平。

图3 真空度对ΔE 和复水比的影响Fig.3 Effect of the vacuum degree on ΔE and rehydration ratio

2.2 Box-Behnken 试验设计法对木瓜冷冻干燥的优化

2.2.1 Box-Behnken 试验设计结果 Box-Behnken响应面法是通过回归方程和响应曲面分析得到最佳工艺条件的方法， 现已广泛应用于食品的工艺优化中[20-21]。通过单因素考察，选择木瓜厚度，隔板温度以及真空度为主要因素，以色差（Y1）、复水比（Y2）为评价指标即效应值， 根据表1 的Box-Behnken 响应面试验设计进行试验，结果见表2。

表2 Box-Behnken 设计与结果Table 2 Experimental results and values of responses for Box-Behnken design

2.2.2 考察因素对色差△E 的影响 应用Design-Expert 8.0.6.0 对表2 中的结果进行分析。考察因素对响应值1（色差值）的影响，结果见表3。预测模型的P 值为0.0004，小于0.05，说明模型显著。 因素A、C、AB、BC、A2、B2、C2对木瓜片的色差值和复水比的影响极显著 （P＜0.01）， 因素B、AC对其影响显著（0.01＜P＜0.05），因此各因素对响应值的影响不是简单的线性关系， 所选因素之间存在显著的交互作用。 失拟项用来表示所用模型与试验二者差异的程度， 本例P 值为0.1304＞0.05，说明模型对真实情况的模拟是准确的， 综合来看该预测模型可以用于木瓜冷冻干燥的优化。

3 个因素对色差△E 影响的主次顺序为A＞C＞B：厚度＞真空度＞隔板温度。 拟合得到二次回归方程为：Y1=35.54648-3.94533A+0.723825B-3.22164C+0.999444AB-0.73322AC-1.30568BC+1.155691A2+822.76B2+1.03055C2， 其相关系数r2=0.995517，说明预测模型可靠，能够对△E 变化的真实情况进行很好地描述。 模型信号噪声比为25.5818＞4，是可取的[22]，说明该模型有足够的分辨力，能真实反映试验结果。

表3 响应面回归分析结果（△E）Table 3 Statistical analysis of variance for experimental results （△E）

各因素间的交互作用结果如图4 所示， 其中图4（a）显示了木瓜片厚度与隔板温度交互作用，响应面坡度陡峭，等高线为椭圆形，说明这两个因素交互作用较强， 对木瓜片冷冻干燥时色差的影响显著。 图4（b、c）分别显示了厚度与真空度，隔板温度与真空度的交互作用， 两张图响应面坡度平缓，等高线近似圆形，说明厚度与真空度，隔板温度与真空度的交互作用较弱， 对木瓜片冷冻干燥时色差的影响较小。 根据Design-Expert 8.0.6.0 软件分析计算， 木瓜片冷冻干燥时最有利于颜色保持的组合为：木瓜片厚度为7.45 mm，隔板温度为28.37 ℃， 真空度为2.02 mbar。

图4 色差△E 与A、B、C 的效应面与等高线图Fig.4 Responsive surfaces and contours of △E and A， B， C

2.2.3 考察因素对复水比的影响 各因素对效应值2（复水比）的影响结果见表4。 预测模型的P值为0.00039＜0.05，说明模型显著。失拟项的P 值为0.1208＞0.05，说明模型对真实情况的模拟是准确的， 综合来看该预测模型可以用于木瓜冷冻干燥的优化。 3 个因素对复水比的影响主次顺序为B＞A＞C：隔板温度＞厚度＞真空度。拟合得到二次回归方程为：Y2=0.472259-0.23568A-0.07326B-0.02524C-0.04464AB-0.03947AC-0.01315BC+0.09356A2+0.26551B2+0.09332C2，相关系数r2=0.922401，说明预测模型可靠，能够对真实情况进行很好地描述。模型信号噪声比为9.200983＞4，是可取的[3]，说明该模型有足够的分辨力，能真实反映试验结果。

表4 响应面回归分析结果（复水比）Table 4 Statistical analysis of variance for experimental results （rehydration rate）

图5（a，b）分别显示了木瓜片厚度与隔板温度，厚度与真空度的交互作用，两图中响应面坡度陡峭，其等高线为椭圆形，说明其交互作用较强，对木瓜片冷冻干燥成品的复水比影响显著。 图5（c）显示了隔板温度与真空度的交互作用， 其响应面坡度平缓，等高线近似圆形，说明厚度与真空度，隔板温度与真空度的交互作用较弱，对木瓜片冷冻干燥时复水比的影响较小。 木瓜片冷冻干燥时复水比最优的组合为： 木瓜片厚度为4 mm，隔板温度为40 ℃，真空度为2.4 mbar。

图5 复水比与A、B、C 的效应面与等高线图Fig.5 Responsive surfaces and contours of rehydration rate and A， B， C

2.3 冻干与热风干燥木瓜片复水过程的比较

NMR 是通过处在恒定磁场中的氢质子在射频脉冲下的横向弛豫时间T2来反映水分子的结合力和水分迁移等相关信息的试验方法[23-24]。结合水、 不易流动水、 自由水组成的变化可以通过NMR 技术来分析。T2弛豫时间与氢质子所受的束缚力及其自由度有关， 氢质子受束缚越大或自由度越小，T2弛豫时间越短，所以结合水的峰位置在T2谱的最左边，中间峰为不易流动水，自由水的T2弛豫时间最长， 所以其峰位置在T2谱的最右边，他们分别对应T21（0.1～1ms）、T22（1～100 ms）、T23（100～1 000 ms），因而本研究将冻干的木瓜片与普通热风干燥的木瓜片进行比较， 探索通过水分状态及其分布的变化规律来分析解释复水性能的差异，如图6 所示，曲线中与横坐标的峰积分面积分别表征3 种状态的水的含量[25-26]，结果如表6 所示。

图6（a）为木瓜片在最优冷冻干燥组合（厚度为4 mm， 隔板温度为40 ℃， 真空度为2.4 mbar）的条件下，干燥成品复水过程中T2i对应的信号幅度的变化情况。从图中可以看出随着复水的进行，木瓜片中的不易流动水（T22）的信号幅度不断增加， 说明复水过程中进入木瓜片中的水很快转化为不易流动水，结合水（T21）和自由水（T23）变化不大。同时，从图中可以看出不易流动水的峰不断向右移动， 说明复水过程中随着水分的进入束缚力逐渐降低，自由度逐渐增大。 图6（b）为50 ℃热风干燥木瓜片（4 mm）复水过程中T2i对应的信号幅度的变化情况。 变化趋势与木瓜冷冻干燥的趋势基本相同，其不易流动水的峰向右移动幅度更大，说明热风干燥复水过程中束缚水的能力较低。

图6 冻干木瓜（a）和烘干木瓜（b）复水过程T2 谱图变化Fig.6 T2 spectra of freeze-drying papaya（a）and hot-air drying papaya（b）at different rehydration times

由表5 可以得出，木瓜复水过程中，2 种干燥方法对应的木瓜片中不易流动水峰积分面积A22均呈增加趋势，结合水峰积分面积A21和自由水峰积分面积A23变化不显著，真空冷冻干燥的木瓜片在复水过程中不易流动水增加较快，含水量更多，这是由于真空冷冻干燥的木瓜片形状保存完好，没有发生皱缩现象，孔隙较为均匀，所以复水时速度较快，且对水分的束缚力相对较高。

表5 不同干燥方式木瓜片复水时3 种状态水的峰积分面积变化Table 5 Changes of peak integral areas for three kinds of water during different drying methods on pawpaw

3 结论

1）木瓜片冷冻干燥时，分别以木瓜片复水最大值和色差变化最小为指标， 复水比最优的组合为：木瓜片厚度为4 mm，隔板温度为40 ℃， 真空度为2.4 mbar。 色差值最优的组合为：木瓜片厚度为7.45 mm，隔板温度为28.37 ℃， 真空度为2.02 mbar。

2）NMR 试验表明， 复水过程中进入木瓜片中的水很快转化为不易流动水， 结合水和自由水变化不大， 真空冷冻干燥的木瓜片在复水过程中不易流动水增加比热风干燥的木瓜片更快， 其复水特性更好， 低场核磁共振技术对皱皮木瓜复水过程中水分状态的变化可进行较好的表征。