预冷冻处理对微波真空干燥下菠萝蜜和胡萝卜果蔬干干燥特性和品质特性的影响研究

马鹏利，夏宁，滕建文

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

1 概述

微波真空干燥是一种最常用的果蔬干燥方法。微波技术与真空技术结合充分发挥了微波技术的高效和均匀以及真空条件下水汽化点低的特点，能够较好地保留食物的色、香、味等品质特性，减少热敏性营养成分及生物活性成分的损失[1]。国内外学者对微波真空干燥的果蔬进行了广泛研究，如王志艳等[2]研究了不同微波真空干燥条件对南瓜片干燥速率的影响，表明微波强度对南瓜片干燥速率的影响较大；郭正南[3]对黄秋葵微波真空的失水特性进行了研究，结果表明，黄秋葵的失水速率随着微波功率的增大而增大。但是，将未预处理的果蔬干直接进行微波干燥处理存在很大的弊端，微波功率过高会引起果蔬干易糊化，且耗能较大。因此，我们尝试对果蔬进行预处理来缓解未处理果干微波干燥的弊端。目前，关于预冷冻对微波真空下高糖含量和低糖含量的果蔬干品质特性的研究报道非常少，但预冷冻处理对果蔬干的干燥具有重要意义。Ando等[4-5]研究表明，预冷冻过程中形成的冰晶对样品组织的细胞膜通透性和细胞壁结构都会造成损伤，认为干燥速率的提高会加快组织水分转移，因此，预冷冻处理方式可以有效地提高果蔬的干燥速率。此外，预冷冻处理的样品在微波真空干燥下的机械性能变化较大，口感较好；Zielinska等[6]研究了蓝莓干微波真空预冷冻处理的效果，结果表明预冷冻可以有效地降低干燥时间及能源消耗。

因此，为了提高产品的质量，扩大产品的多样性，本研究选取菠萝蜜果干和胡萝卜果干分别作为高糖和低糖果干的代表，将预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干样品分别与未处理(新鲜)样品进行对比，研究预冷冻对其干燥速率、膨化率、硬度和脆度等品质特性的影响；此外，将预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干再一次进行对比，研究预冷冻处理对菠萝蜜(高糖)和胡萝卜(低糖)果干的干燥特性、膨化率、硬度和脆度等品质特性的影响。评价预冷冻处理对高糖含量的菠萝蜜果干和低糖含量的胡萝卜果干在微波真空干燥下的实用性，以期得到耗时最短、耗能最少、品质更好的产品，为预冷冻产品的生产提供了技术参考和理论支持。

2 材料和方法

2.1 材料与仪器

2.1.1 实验材料

菠萝蜜、胡萝卜：南宁，选取新鲜完整的菠萝蜜、胡萝卜贮藏于4 ℃冷库中备用。

2.1.2 主要仪器与设备

WBZ-10型智能化静态微波真空干燥机 贵阳新奇微波工业有限责任公司；AE224型电子分析天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DHG-9146A型电子恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；ACS-3H型电子秤 中山市金利电子衡器有限公司；TA-XT plus型质构仪 英国StableMicro公司；D-180GY2S型冰箱 康佳公司；Phenom型飞纳台式扫描电镜；核磁共振成像分析仪 纽迈电子科技有限公司。

2.2 实验方法

2.2.1 样品制备

分别选择形状大小相似的菠萝蜜去核，胡萝卜去皮后切分成长×宽×厚为6 cm×3 cm×3 mm的小粒，用保鲜袋密封。根据预实验结果，置于-18 ℃的冰箱中冻藏3 d更有利于冰晶的形成，干燥前将其解冻至室温。

2.2.2 干燥过程

将1000 g的菠萝蜜和胡萝卜果干样品置于微波真空干燥机中，微波真空干燥机的真空度设定为0.08 MPa，输出功率设定为0.5，1.5 W/g，为了防止温度过高造成样品糊化，采用微波辐照1 min，间隔1 min的干燥方式处理。

2.2.2.1 水分含量的测定[7]

采用常压干燥法。

2.2.2.2 干基含水率

干基含水率是指湿物料中水分与绝干物质的质量之比[8]。在干燥过程中，湿物料的总质量在不断减少，但绝干物质G不变，因此在干燥操作的计算中，应用Mt比较方便。干基含水率Mt是以绝干物质为基准的含水率表达式[9]。干基含水率(Mt)的计算见公式(1)：

Mt=(Wt-G)/G

(1)

式中：Wt为任意t时刻干燥的质量，g；G为绝干物质的质量，g。

2.2.2.3 干燥速率

干燥速率(DR)是指在一定的干燥条件下，物料在单位时间内水分含量的变化[10]。干燥速率是衡量物料在干燥过程中水分蒸发快慢的一个重要指标。干燥速率(DR)的计算见公式(2)：

DR=(Mt-Mt+1)/△t。

(2)

式中：DR为干燥速率，g/min；Mt为物料在t时刻干基含水率，g/g；Mt+1为物料在t+1时刻干基含水率，g/g；△t为t+1与t的时间差，min。

2.2.3 品质变化2.2.3.1 膨化率的测定

膨化率是反映物料膨化效果的物理量[11]。在测定果干膨化率时，每次选取10片果干，采用小米体积置换法[12-14]测定微波真空膨化前的果干体积V0和微波真空膨化到t时刻的体积Vt，膨化率(W)的测定见公式(3)：

W=Vt/V0×100%。

(3)

式中：W为果干的膨化率；V0为果干的初始体积，mL；Vt为果干膨化后脆片的体积，mL。

2.2.3.2 硬度和脆性的测定[15-16]

采用质构仪进行测试，参数设置：P/2型穿刺探头，测试速率0.5 mm/s，测试距离8 mm，出发点10 g。样品硬度以质构图中的峰值表示，数值越大表明样品硬度越大，样品越有嚼劲，但硬度过大口感较差。硬度单位为N/cm2；产品脆度以穿刺过程中应力值变化波动而凸显出峰个数多少表示，峰数越多，产品的脆度越大。每种样品重复10次，取其平均值。

2.2.3.3 微观结构组织观察[17]

将经过不同前处理后、具有代表性的果干置于扫描镜下进行组织结构观察，具体操作：将处理好的果干切面用导电胶将其贴到扫描电镜样品台上，先在真空镀膜仪上给果干镀金属膜，再通过扫描电子显微镜进行观察扫描拍照。

2.2.3.4 产品质量评价方法

产品质量感官评价指标见表1。感官评价采取百分制进行评价，评价组成员由本专业的10名同学组成[18]。

表1 产品感官评价指标

2.2.4 数据分析

所有值都是3个及以上独立实验的平均值，采用t检验分析均值差异，并应用Excel软件对数据进行处理。

3 结果与讨论

3.1 预冷冻对微波真空干燥下菠萝蜜果干和胡萝卜果干干燥特性的影响

不同微波功率下菠萝蜜果干和胡萝卜果干的干燥速率见图1。在真空度和装载量恒定的情况下，干燥速率随着果干单位质量吸收的微波能的不同而不同。

图1 菠萝蜜果干(a)和胡萝卜果干(b)在不同微波功率下的干燥速率

由图1可知，果干的微波间歇干燥过程有3个阶段，包括前期加速、中期恒速和后期降速阶段。果干的干燥速率曲线随着微波功率的增大而变陡峭。干燥加速前期阶段，菠萝蜜和胡萝卜果干含有大量水分，能够吸收大量微波辐射能，水蒸气的排出及单位时间内水蒸气的压力差和温度的压力差增长，都迫使自由水向果干表面转移，使果干表面的水分受热优先蒸发，因此，干燥速率呈上升趋势；干燥中期，即恒速阶段，果干吸收的微波均用于蒸发内部的大部分水分，果干表面的水汽蒸发速率与内部的水分扩散速率基本保持恒定状态；干燥后期，即降速阶段，在真空下，果干会产生压力差，水分从果干的内部向外扩散，很短的时间内就能达到果干表面，此时有最大的水分散失速率，随着果干内部水分的减少，吸收的微波也随之减少，干燥速率呈下降趋势[19]。

由图1中(a)可知，微波功率为0.5 W/g、时间为0～60 min时和微波功率为1.5 W/g、时间为0～20 min时，预冷冻处理的菠萝蜜果干的干燥速率大于鲜果的干燥速率，且时间为15 min、功率为1.5 W/g时，预冷冻的菠萝蜜果干的干燥速率达到顶峰。这可能是由于预冷冻缓慢冷冻形成的冰晶破坏了菠萝蜜果干的组织结构，加快了果干的干燥速度，微波功率越高，干燥速率越快，干燥时间越短。但是，果干干燥速度的加快会使果干的表面形成一层薄膜，这层薄膜会阻碍水分的散失。因此，当微波功率为1.5 W/g、时间20 min后，预冷冻的微波功率会下降，图1中(b)胡萝卜果干的干燥速率同理。与未处理的果干相比，在干燥前期，预冷冻处理均提高了菠萝蜜和胡萝卜果干的干燥速率，当微波功率为0.5，1.5 W/g时，预冷冻处理的菠萝蜜果干的干燥速率分别提高了1.04，1.13倍；同理，预冷冻处理的胡萝卜果干的干燥速率分别提高了1.18，1.24倍。

由图2可知，果干的干基含水率曲线随着加热时间的延长而变陡峭，功率增大，所需的干燥时间越短，原因可能是加热时间的延长，增加了菠萝蜜和胡萝卜果干内水分子的摩擦和振荡速度，在真空情况下，水的汽化温度会因为蒸汽压的减小而降低，使得汽化的速度加快，从而加快了干燥速率，降低了干基含水率，缩短了干燥时间。

图2 菠萝蜜果干(a)和胡萝卜果干(b)在不同微波功率下的干基含水率

由图3中(b)可知，预冷冻处理的菠萝蜜和胡萝卜果干的干基含水率曲线相对更陡峭，胡萝卜果干的干基含水率大于菠萝蜜果干的干基含水率，经计算，胡萝卜果干的初始干基含水率是菠萝蜜果干的2.72倍。但是，由图3中(a)可知，胡萝卜果干的干燥速率大于菠萝蜜果干的干燥速率。经计算，当微波功率为0.5，1.5 W/g时，与预冷冻处理的菠萝蜜果干相比，预冷冻处理的胡萝卜果干的干燥速率最大提高了3.02，3.4倍。因此，相对于高糖含量的菠萝蜜果干而言，预冷冻处理的胡萝卜果干的干燥速率更快，预冷冻处理对于低糖含量的胡萝卜果干更合适。

图3 预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干在不同微波功率下的干燥曲线

3.2 预冷冻对微波真空干燥下菠萝蜜果干和胡萝卜果干品质特性的影响

3.2.1 预冷冻处理对微波真空干燥下菠萝蜜果干和胡萝卜果干膨化率的影响

微波功率是影响果干膨化率、脱水速度以及成品品质的主要因素，适当的功率不但可以提高脱水速率，而且可以提高果干脆片的膨化率并改善果干的风味品质[20]。微波具有内部加热的特性，且速度非常快。果干中的水分在短时间内迅速汽化蒸发，并在果干的内部积累形成蒸汽压，若果干的质构不能承受此压力，就会造成体积膨胀，产生膨化效应[21]。

在微波作用下，果干的膨化是以水为动力。若水分含量太低，则膨化动力不足，膨化率低，甚至不能膨化，易焦糊；水分含量过高，则产品膨化后，内部干燥，但外部水分排除不够充分，产品容易塌陷，膨化率低。水分含量过高还会导致膨化时果干内部的水分急剧汽化却排不出去，形成大气泡；若水汽继续外排就会冲击气泡，使之破裂，这些都会损害产品的外观品质。

由图4可知，不同微波功率下，膨化率存在显著性差异。由图4中(a)和(b)可知，预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干的膨化率大于未处理的果干。当微波功率为0.5，1.5 W/g时, 预冷冻处理后的菠萝蜜果干的膨化率分别是未处理果干膨化率的1.54，1.13倍；同理，预冷冻处理后的胡萝卜果干的膨化率分别是未处理果干膨化率的1.62，1.89倍，且差异性显著(P<0.01)。由图4中(c)可知，预冷冻处理后的胡萝卜果干的膨化率都大于菠萝蜜果干的膨化率。当微波功率为0.5，1.5 W/g时，与预冷冻处理后的菠萝蜜相比，预冷冻处理的胡萝卜果干的膨化率分别是其1.02，1.2倍。由此实验结果可以看出，预冷冻处理对于果干的膨化具有一定的影响。但对于菠萝蜜果干的膨化率影响不大，对于胡萝卜的果干膨化率影响较大，且效果显著。

图4 菠萝蜜果干和胡萝卜果干在不同微波功率下的膨化率

3.2.2 预冷冻处理对微波真空干燥下菠萝蜜果干和胡萝卜果干中质构特性的影响

硬度和脆度对果干的运输和保藏性能具有一定的影响，是评价果干品质的重要指标。由图5中(a)和(b)可知，在不同的功率下，未处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干的硬度大于预冷冻处理的果干的硬度。当微波功率为0.5，1.5 W/g时，未处理的菠萝蜜果干的硬度大于预冷冻处理的菠萝蜜果干的硬度，差异性不显著；未处理的胡萝卜果干的硬度分别是预冷冻处理的胡萝卜果干硬度的1.3，1.5倍，且差异性显著。由图5中(c)可知，将不同微波功率下预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干进行对比，当微波功率为0.5，1.5 W/g时，与预处理的菠萝蜜果干相比，预冷冻的胡萝卜果干的硬度分别是其的0.25，0.32倍，且差异性显著(P<0.01)。

图5 菠萝蜜果干和胡萝卜果干在不同微波功率下的硬度

经查资料可知，脆度用峰数表示，峰数越多，脆度越大。由图6中(a)和(b)可知，预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干的脆度都大于未处理的果干。在不同功率下，预冷冻处理的菠萝蜜和未处理的菠萝蜜果干的差异性不显著，相反，胡萝卜果干表现为极显著。当微波功率为0.5，1.5 W/g时，与未处理的胡萝卜果干相比，预冷冻处理的胡萝卜果干的脆度分别是其的2，2.7倍。由图6中(c)可知，将预冷冻处理的菠萝蜜果干和胡萝卜果干脆度进行对比，菠萝蜜果干的脆度大于胡萝卜果干的脆度。

图6 菠萝蜜果干和胡萝卜果干在不同微波功率下的峰数

此结果说明，经预冷冻处理后的果干，其质构变得松散易碎，缓慢冷冻会导致冰晶无规则地生长和膨胀，从而导致细胞膜被破坏，甚至细胞壁被破坏，一般来说，冷冻速度越慢，形成晶体的速度越快，组织被破坏的程度就越大，对于食物来讲，在-3～-10 ℃冻结，组织被损伤的程度最大[22]。破裂的细胞壁会从根本上改变机械组织的特性。高糖含量的果干在干燥的过程中，水分的转移会带动果干内部糖分的转移，导致果干表面的糖组分增加，微波干燥加热过程使糖组分结晶化，从而使其表面形成坚硬的外壳[23]；另一方面，糖分和菠萝蜜果干自身的组分通过羟基的氢键相互作用[24]，使果干的组织结构硬度增加。且菠萝蜜果干的含糖量远远大于胡萝卜果干的含糖量，因此菠萝蜜果干的硬度远远大于胡萝卜果干的硬度，且差异极显著(P<0.01)。果干的脆度见图6中(c)，预冷冻处理的菠萝蜜果干的脆性大于胡萝卜果干，当微波功率为0.5 W/g 时，预冷冻处理的胡萝卜果干的脆性是预冷冻菠萝蜜果干的0.64倍，且差异性显著(P<0.01)；当微波功率为1.5 W/g时，预冷冻处理的胡萝卜果干的脆性是预冷冻菠萝蜜果干的0.94倍。硬度过大，会影响产品的口感，因此，相对于高糖含量的菠萝蜜果干，预冷冻处理对于低糖含量的胡萝卜果干的硬度和脆度品质的效果更好。

3.2.3 预冷冻处理对微波真空干燥下菠萝蜜和胡萝卜果干组织结构及感官评价的影响

预冷冻与未处理的菠萝蜜和胡萝卜果干在不同微波功率下的SEM图像和样品图见图7。在0.5 W/g的功率下，未处理(鲜果)菠萝蜜的空隙大小较不均匀，水分分布不均匀，易糊化，由图7中(a)可知，在干燥过程中，由于压力差，未处理的菠萝蜜的糖分随着水分从果干内部转移至果干表面，糖分在果干表面结晶，表面容易糊化，且由于水分分布不均匀，容易产生气泡。在1.5 W/g功率下，微波功率较大，果干受热不均匀，未处理的菠萝蜜果干的空隙大小不均匀，其产生的气泡更大，见图7中(c)。这是因为在干燥过程中，由于压力差，糖分随着水分迁移到果干表面，且更容易糊化。预冷冻处理的菠萝蜜空隙的大小相对未处理的空隙大小均匀，由于缓慢冷冻，结构组织遭到了破坏，部分出现坍塌、破裂，见图7中(b)和(d)；在干燥过程中，水的流动性较好，水分分布比较均匀，不易产生糊化，且颜色正常，但是表面不干燥且有糖分溢出。胡萝卜果干的空隙是肉眼可见的，见图8。未处理的胡萝卜果干的空隙较大，且大小不一，见图7(e 和g)和图8(a和c)，且颜色由红变黄，易产生气泡。预冷冻处理的胡萝卜果干的空隙相对比较均匀，结构组织比较整齐，膨化率较好，口感酥脆，且能维持果干鲜亮的颜色，见图7(f和h)和图8(c和d)，因此，相对于高糖含量的菠萝蜜果干，预冷冻处理的低糖含量的胡萝卜果干不易糊化，无气泡且颜色鲜艳，口感更好，效果更显著。

图7 预冷冻与未处理(新鲜)的菠萝蜜果干和胡萝卜果干在不同微波下的SEM图像和样品图

图8 预冷冻与未处理(新鲜)的菠萝蜜和胡萝卜果干在不同微波下的样品切面图

4 结论

研究发现，与未处理的果干相比，预冷冻处理对高糖含量的菠萝蜜果干和低糖含量的胡萝卜果干的品质特性均有一定的影响，尤其是对低糖含量的胡萝卜果干干燥特性和品质特性的影响更大，差异性极显著(P<0.01)。预冷冻后的菠萝蜜果干样品表面有糖溢出，容易出现焦糊，质地较硬，酥脆性能差，口感不佳，而预冷冻处理后的胡萝卜果干颜色鲜艳，表面干燥，质地较好，酥脆性较好，口感较好。综合评价，预冷冻处理更适合低糖含量的胡萝卜果干。