预干燥方式和水分转换点对真空冷冻联合干燥苹果脆片品质的影响

马有川，毕金峰，易建勇*，杜茜茜，金新文，李所彬

（1 中国农业科学院农产品加工研究所 北京100193 2 农业农村部农产品加工综合性重点实验室 北京100193 3 新疆农垦科学院农产品加工研究所 乌鲁木齐832000 4 江苏博莱客冷冻科技发展有限公司 江苏常州213116）

我国是世界苹果生产和加工大国，2018年产量达到3 900 万t，占到全球产量的57%。苹果富含膳食纤维、酚酸（约30%的多酚）、类黄酮（约60%的多酚）等营养和生物活性成分[1]，对血管功能、血压、血脂、炎症、高胆固醇血症和高血糖等产生有益的影响[2]。

干燥是苹果的一种重要加工方式，目前常用的苹果脆片加工干燥技术有真空冷冻干燥、热风干燥、真空低温油浴脱水、压差闪蒸干燥、真空微波干燥等[3]。其中，真空冷冻干燥（freeze drying，FD）苹果脆片营养保留率高，结构疏松，色泽鲜亮，然而加工能耗高，存在硬脆性不佳，易吸湿的品质问题[4]；热风干燥成本低，前期脱除水分快，然而易发生褐变，且苹果片干燥后易变型变硬，营养保留程度差；热泵干燥能耗与热风相比降低50%以上，色泽改变小，其它品质与热风干燥脆片相似[5-6]；真空低温油浴脱水生产的脆片硬脆度较高，然而营养保留程度低，且脂肪含量高；压差闪蒸干燥脆片形态好，具有较高硬脆度，而产能小；真空微波干燥具有干燥速率快，温度低的优点，然而干燥不均匀[7]。近年来，采用其它干燥技术作为预干燥或后干燥，与FD 技术结合的联合干燥技术越来越多，这种联合干燥方式同时结合两种干燥优点，改善产品营养品质，调控产品硬脆度，并降低总干燥时间，达到节能、提质的目的[8-9]，随着冷冻干燥装卸料更加便捷[10]，工业生产上可形成预干燥-冷冻贮藏运输-真空冷冻干燥的模式[11]。然而，FD 苹果脆片仍存在脆性不佳，易吸湿，干燥时间长等制约产业发展的问题。

本研究针对FD 苹果脆片脆性不佳，易吸湿的问题，在前人[12-13]研究的基础上，探究不同水分转换点和不同预干燥方式对真空冷冻联合干燥苹果脆片品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

材料：苹果（品种：烟台富士；产地：山东烟台）购于北京幸福荣耀超市，含水量（6.38±0.18）kg/kg（干基），经去核后，切成厚度8 mm，直径18 mm 的圆片，用于后续干燥和品质分析。

试剂：绿原酸、原花青素b1、儿茶素、表儿茶素、芦丁、根皮苷、槲皮素酚类物质标准品均为分析纯，上海源叶生物科技有限公司；甲醇（色谱纯），美国Fisher 公司；2，6-二氯靛酚钠为分析纯，Sigma 公司。

1.2 仪器与设备

蔬菜水果切片机（CL50），法国Robot Couple公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9123A），上海一恒科技有限公司；闭环除湿热泵干燥机，正旭新能源设备科技有限公司；BLK-0.5 型真空冷冻干燥机，江苏博莱客冷冻科技发展有限公司；中短波红外干燥，泰州圣泰科红外科技有限公司；真空微波干燥机，中国电子科技集团公司；数码相机Nikon D700，尼康Nikon 公司；电子眼色彩分析系统，Lens Eye-NET Version1.5.5.0，美国；TA.HD plus 物性测试仪，英国Stable Micro System 公司；扫描电镜（S-570），日本日立公司；离心机（3K15），德国Sigma 公司；PEN3 电子鼻，德国Airsense 公司；2695 高效液相色谱仪、2998 型二极管阵列检测器，美国Waters 公司；Meso MR 型核磁共振分析与成像系统，上海纽迈电子科技有限公司；水分活度测定仪（AW1000T），昌琨实业有限公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥方法 每组干燥处理苹果片用量500 g。在前期取得干燥曲线的基础上，获得不同水分比干燥时间，得到不同水分比半干苹果片。预干燥后的半干片进行均湿12 h，测定共晶点（完全冻结温度）冻干后得到联合干燥苹果脆片。水分比计算参考宋慧慧等[14]的计算方法，如式（1）所示。

式中：MR——水分比；Mt——任意时刻的干基含水率，kg/kg；Me——样品平衡时干基含水率，kg/kg；M0——样品初始干基含水率，kg/kg。

1.3.2 色泽的测定 新鲜及干燥后苹果片色泽依据电子眼系统（V270，Hunter Lab，Reston，VA，USA），测定苹果片的明度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*，并计算总色差ΔE值[14]，如式（2）所示。

式中：Lo，ao，bo分别表示鲜样的亮度、红度和黄度；L*，a*，b*分别表示脆片的亮度、红度和黄度。

1.3.3 硬度、脆度测定 参考Peng 等[15]的方法，硬脆度测定采用TA.HD plus 物性测试仪。采用“Λ”型探头，设置测试条件为：前期测试速度2.0 mm/s，检测中速度1.0 mm/s，后期检测速度10.0 mm/s，其中最大断裂力定义为样品硬度，峰的个数表示脆度，峰个数越多，脆度越大，每个处理取12次平行，去除最大值和最小值后取平均值。

1.3.4 显微结构及图像处理 参考肖敏等[16]的方法，从3 组干燥苹果脆片样品中选取典型样品1片，用液氮速冻处理后立即折断，形成脆片断面，制取苹果脆片的断面观察样本，用碳导电胶将横断面观察样本粘在样品托上，采用离子溅射仪在断面观察样本上喷金，再用扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy，SEM）观察拍照，放大倍数为60 倍。参考李二娜[17]的方法，通过Image-pro plus 6.0（美国Media Cybemetics 公司）进行黑白二值处理和表观孔隙率分析，得到表观孔隙率，如式（3）所示。

式中：η——表观孔隙率，%；An——孔隙总面积，μm2；As——图像总面积，μm2[18]。

1.3.5 低场核磁测定 参考颜娜等[19]的方法，应用CPMG 脉冲序列对苹果片进行自旋-自旋弛豫时间T2 测定。序列参数设置：主频（SF1）=21 MHz，偏移频率（O1）=160207 Hz，采样点数（TD）=1 280 154，采样频率（SW）=200.00 kHz，采样间隔时间（TW）=1 000.000 ms，回波个数（Echo Count）=5 000，回波时间（Echo Time）=0.2 ms，累加次数（NS）=32。每次取样测定重复3 次，检测完成后保存数据。

1.3.6 水分活度测定 通过水分活度仪测定苹果脆片水分活度。用氯化锂饱和盐溶液（aw=0.113）单点校正水分活度后，取2 g 左右苹果脆片置于样品盒内，进行测定，试验重复3 次。

1.3.7 吸湿性测定 参考王海鸥等[20]的方法，本试验采用扩散皿静态称重测试法。将干燥的苹果脆片置于预先恒重的样品瓶称重，称重后，放入一定温度和相对湿度范围的扩散皿内室中。扩散皿外室预先放入饱和氯化钠溶液，以产生平衡相对湿度（75%）。密封后放入调定温度的恒温箱中进行吸湿性试验。放置10，20，30，40，50，100，200 min，称量样品质量变化，试验设3 次重复，吸湿率为前后质量差占吸湿前质量的百分比，如式（4）所示。

式中：Aw——吸湿率，%；mt——吸湿后样品质量，g；m0——吸湿前样品质量，g。

1.3.8 挥发性物质差异分析 参考赵圆圆等[21]的方法，应用PEN 3 电子鼻进行挥发性物质差异分析，取1.0 g 样品置于10 mL 进样瓶中，加盖密封，4 ℃顶空12 h，利用电子鼻依次进行检测。电子鼻分析参数：气体流速300 mL/min，数据采集时间60 s，间隔清洗时间180 s。取平稳时3 个点作为特征值进行主成分分析。

1.3.9 VC 测定 样品打粉，各称取1.000 g，参考GB 5009.86-2016 食品中抗坏血酸的测定，采用2，6-二氯酚靛酚法测定苹果脆片中VC 含量[22]，试验重复3 次。

1.3.10 酚类物质测定 参考Li 等[23]的方法，采用高效液相色谱法定性定量样品中酚类物质。样品打粉，各称取1.000 g（鲜样取5 g，液氮速冻打粉）80%甲醇浸提2 h，离心取上清液，残渣重复提取1次，合并上清液，旋蒸浓缩，定容至10 mL，取1 mL 用于HPLC-DAD 测定酚类物质。HPLC 条件为：色谱柱：安捷伦eclipse XDB-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）；柱温40 ℃；检测波长为280，300，320 nm；以体积分数2%乙酸为流动相A，甲醇为流动相B；流速为1.0 mL/min；进样体积为10 μL；梯度洗脱程序为：0～20 min，5～25 g/100 mL B；20～35 min，25～40 g/100 mL B；35～40 min，40 g/100 mL B；40～45 min，40～95 g/100 mL B；45～50 min，95 g/100 mL B；50～53 min，95～5 g/100 mL B；53～55 min，5 g/100 mL B。系统由Waters breeze 程序控制。定量采用外标法，各酚类物质含量以干基计。酚类物质测定重复3 次。

1.3.11 数据处理 采用spss24、origin2020、office excel 2016 进行数据处理，Image-pro plus 6.0（美国Media Cybemetics 公司）进行微观结构图像分析处理。

2 结果与分析

2.1 联合干燥对苹果脆片色泽的影响

色泽是苹果脆片的一个重要品质[23]，通过前期预试验发现AD、IRD 苹果脆片脆性不佳，MVD苹果脆片褐变严重，筛选后均被剔除。不同干燥方式苹果脆片色泽结果如表2所示，FD 对苹果脆片色泽保护最佳，除AD-FD 外，a*（红度值）基本保持不变；MVD-FD 的L*（亮度值）最小，热风、热泵预干燥的苹果脆片L*值最大，并且不同水分比预干燥苹果脆片L*值无显著差异；而AD-FD 苹果脆片的b*（黄度值）较高，IRD-FD 及MVD-FD 苹果脆片的b*较低，在不同水分比的热泵冻干联合干燥中发现，H8F、H6F 苹果脆片的b*显著高于H4F、H2F 和FD 苹果脆片，这可能与预干燥时间长短有关，常压下干燥时间越长，造成褐变越大。

表2 不同干燥方式制备的苹果脆片的色泽、硬度、脆度、VC 含量和水分活度Table 2 The color，hardness，crispness，VC and aw of the apple chips dried by different drying methods

2.2 联合干燥对苹果脆片硬脆度的影响

硬脆度是苹果脆片重要的感官指标，受到水分、物料种类和化学成分影响[24]。不同干燥方式的苹果脆片物性分析曲线如图1所示；从图中计算曲线力的最大值作为脆片硬度，峰个数为脆度进行分析，结果如表2 中所示。FD 苹果脆片硬度（19.09N）最小，显著小于其它预干燥组（P<0.05）。通过预干燥可显著提高联合干燥苹果脆片的硬度，并且水分比越低，硬度越高，这可能与物料皱缩程度有关，即预干燥后的水分比越低，物料的皱缩程度越大，组织越致密，最终产品的硬度也越大[19]，而仅采用未联合FD 的HPD 方式，最终HPD苹果脆片一方面水分活度大于FD 苹果脆片，另一方面孔隙致密，皱缩严重，导致HPD 苹果脆片硬脆度小（26.52N，29.00 个）的性质。如表2所示，水分比0.6，0.4 的热泵预干燥真空冷冻干燥脆片脆度（50.67 个、69.33 个）最高，显著高于FD 苹果脆片（P<0.05）。这表明热泵预干燥联合真空冷冻干燥苹果脆片可以有效调控苹果脆片硬脆度。

图1 不同干燥方式制备的苹果脆片的质构特征Fig.1 Texture properties of apple chips dried by different drying methods

2.3 联合干燥对苹果脆片微观结构的影响

不同干燥方式苹果脆片扫描电镜微观结构如图2所示，其中FD 苹果脆片的组织内部结构完整，孔隙边界清晰。通过预干燥后，孔隙结构发生变化，H8F 苹果脆片组织细胞肿胀，部分细胞发生破裂，这与王雪嫒[25]的研究一致，可能是水分含量较高，细胞内部膨胀压力依然较大所致[26]；H6F 苹果和H4F 苹果脆片细胞肿胀状态消失，可能是由于细胞内液体不断散失，导致细胞肿胀结构消失，细胞破坏程度较低；H2F 苹果脆片可观察到细胞破坏较多，孔隙较多，可能是液泡失水过多引起收缩，同时细胞壁张力较低，在细胞壁适应液泡体积减小时发生破裂造成的。AD 干燥速率在苹果水分比0.4 以前的干燥过程中小于HPD 干燥速率，形成的微观结构与HPD 预干燥相似，硬脆度相近。MVD 过程由于加热过程剧烈，且真空度在7.3 kPa 时水分是由液态变为气态，并且由于微波的穿透性，由内向外加热，在干燥过程中组织结构破坏较剧烈，形成孔隙较大。IRD-FD 对苹果脆片孔隙结构破坏较小，与H4F、H6F 两组热泵预干燥脆片相似，在硬脆度上也呈现相似的结果。

图2 不同干燥方式制备的苹果脆片的外观和微观结构Fig.2 The appearance and microstructure of apple chips dried by different drying methods

图3 不同干燥方式制备的苹果脆片表观孔隙率图Fig.3 Apparent porosity images of apple chips dried by different drying methods

采用黑白二值处理显微照片后，计算得到的表观孔隙率可反映脆片断面的破坏程度，表观孔隙率越高，反映内部结构破坏越严重。FD 脆片由于速冻和低温真空环境干燥，对细胞结构破坏小，表观孔隙率低（15.16%），而AD-FD、MVD-FD、IRD-FD 脆片等表观孔隙率高（26.5%，17.5%，32.2%），且随着水分比降低，表观孔隙率升高。

2.4 联合干燥对苹果脆片水分状态的影响

低场核磁共振技术可无损检测食品中不同结合强度的水分含量。不同样品横向弛豫时间（T2）值反演谱图存在差异，参考王雪媛等[27]的分类结果，根据图4a 得到本试验T2反演谱图中3 种峰水分（强结合水、弱结合水、不易流动水）的T2范围分别为：T21a（0.01～2 ms），T21b（2～20 ms），T22（20～200 ms）。从图4b 可以看出，所有干燥方式均能脱去自由水，且强结合水占比大（50%以上），不同预干燥方式的脆片的强结合水含量均大于FD 脆片。联合干燥的强结合水比例大于FD 脆片（52%），且随着水分比降低，弱结合水比例减小（从36%到14%）；并且对于不同预干燥方式，干燥时间越长，强结合水比例越大，这可能是由于部分营养物质在加工中出现降解导致强结合水比例降低。

图4 不同水分比（a1）和不同预干燥方式（a2）联合干燥苹果脆片的T2 反演谱图和不同干燥方式的苹果脆片中强结合水、弱结合水和不易流动水的水分占比（b）Fig.4 T2 relaxation spectra of combined freeze dried apple chips with different moisture conversion point（a1），drying methods（a2），and the populations of tightly bound water，less tightly bound water and immobilize water in apple chips dried by different drying methods（b）

2.5 联合干燥对苹果脆片吸湿性的影响

脆片吸湿性显著影响脆片感官品质。FD 苹果脆片在一定温湿度条件下吸湿回潮问题严重，由于其表面致密的孔隙结构，加工后在一定湿度环境下极易吸湿回潮，影响脆片的硬脆度。通过预干燥可显著改善FD 脆片吸湿性[9]。本研究中不同预干燥方式和水分比的FD 苹果脆片吸湿率如图5所示，环境湿度为75%时，200 min 内FD 脆片吸湿率最大，HPD 脆片吸湿性最弱，其次是H2F、H4F、H6F 脆片，可以发现，不同预干燥对脆片吸湿性均有降低作用。苹果脆片吸湿性与脆片多孔性结构有关，内部组织结构破坏程度越小，孔隙比表面积越大，脆片吸湿性越高[20]。联合干燥苹果脆片吸湿率差异与其微观结构基本吻合。

图5 不同预干燥方式（a）和不同水分比（b）真空冷冻联合干燥苹果脆片的吸湿率Fig.5 Water-absorbing properties of apple chips dried by different drying methods（a）and water transfer points（b）

2.6 联合干燥对苹果脆片香气的影响

电子鼻是通过气味传感器模拟动物嗅觉的系统，可较好的对加工后产品的气味进行评定[28]。雷达图可直观地表征不同处理气味的差异性[29]。W1C、W3C 和W5C 传感器对芳香成分灵敏；W6S传感器对氢气灵敏；W5S 传感器对氮氧化物灵敏；W1S 传感器对甲烷灵敏；W1W 传感器对硫化物和萜烯类灵敏；W2S 传感器对乙醇和部分芳香成分灵敏；W2W 传感器对有机硫化物灵敏；W3S 传感器对烷烃灵敏[30]。如图6a 为鲜样和干燥处理后经过标准化处理的苹果脆片电子鼻响应值雷达图，由图可知，在苹果脆片样品检测过程中，W1W、W5S 和W2W 传感器较敏感，这与曾辉等[30]对苹果香气的电子鼻分析结果一致。并且，不同样品的W1W、W2W 和W5S 响应值存在显著差异，说明不同干燥样品的芳香类和萜烯类物质含量存在显著差异。通过对不同样品响应值主成分分析，得到结果如图6b所示，第一主成分贡献率为96.0%，第二主成分贡献率为2.5%，累计方差贡献率达98.5%，两个主成分就可以很好地反映鲜样和不同干燥苹果脆片样品的差异性。从图中不同干燥样品香气分布的距离来看，FD 脆片与鲜样最接近，其次是热泵预干燥等联合干燥方式的苹果脆片。

图6 不同干燥方式制备的苹果脆片电子鼻传感器响应值雷达图（a）和主成分分析图（b）Fig.6 Radar chart（a）and principal component analysis plot（b）of electronic nose sensor response value of apple chips dried by different methods

2.7 联合干燥对苹果脆片酚类物质和VC 的影响

由表2 可知，FD 脆片VC 保留率最高（11.32 mg/100 g 干基），降解率约8.7%，其次是IRD-FD苹果脆片（10.25 mg/100 g 干基），降解约17%，其它联合干燥方式VC 损失不到50%，HPD 脆片的VC 含量损失达到50.6%。FD 导致VC 损失的原因可能是由于在冻结过程中pH 值的降低引起的。联合干燥的VC 一方面由于冻结过程而损失，另一方面因为长时间与氧气接触而损失。Shewale等[31]也得到了类似的结果，IRD 苹果脆片VC 降解率约22%，AD 苹果脆片VC 降解率约50%，本研究保留率较高可能是因为采用了联合干燥的方法。

酚类物质是苹果重要的生物活性成分。联合干燥对酚类物质影响的方式包括4 种：FD 的冷冻过程对酚类物质产生的影响[32]，温度和氧化对酚类物质造成的影响，酶活性受到抑制对酚的保护[33]，以及各单体酚类物质之间的相互作用。如表3所示，鲜样和经真空冷冻联合干燥后的苹果脆片均能检出原花青素b1、儿茶素、绿原酸、表儿茶素、芦丁、根皮苷和斛皮苷。不同干燥方式制备的苹果脆片均未检测出咖啡酸、对香豆酸和阿魏酸，可能是它们以结合状态存在，常规提取方法难以将其水解释放[34]。总的来说，酚酸类和无糖苷的黄酮类物质在干燥过程中损失严重，其中FD 苹果脆片的各酚酸类和类黄酮物质含量最高，AD-FD苹果脆片的原花青素b1（43.37%）和绿原酸（64.34%）保留率最低，IRD-FD 苹果脆片的儿茶素保留率（59.70%）最低，MVD-FD 苹果脆片的表儿茶素保留率（37.87%）最低；随着水分比降低，酚酸类和类黄酮酚类物质呈现减少的趋势。然而，类黄酮苷类物质含量则根据干燥方式有不同的变化。

表3 不同干燥方式制备的苹果脆片的酚类物质含量Table 3 The phenolic compounds content of apple chips dried by different drying methods

其中，不同预干燥方式的联合干燥苹果脆片酚类物质中，IRD-FD 苹果脆片的芦丁、根皮苷、斛皮苷含量均显著降低，AD-FD、MVD-FD 苹果脆片的芦丁含量显著上升，且均显著高于FD 苹果脆片；AD-FD 苹果脆片的根皮苷含量在干燥后未发生显著变化，AD-FD、MVD-FD 苹果脆片的斛皮苷含量显著升高，由此可见，这些黄酮类酚类物质升高，一方面可能是干燥过程对细胞结构破坏，利于芦丁、根皮苷和斛皮苷从细胞壁中释放，这与唐道邦等[35]的研究结果一致，另一方面推测是一些酚类物质发生热分解以及在酶的作用下发生降解和转化[36]。

联合干燥脆片的总酚含量随水分比降低而降低，其中FD 苹果脆片保留率最高（73.41%），IRDFD 苹果脆片总酚含量最低（67.87%）。总的来说，不同预干燥方式对总酚影响较小，通过联合干燥可较好地保留苹果脆片的酚类物质。

2.8 联合干燥对苹果脆片干燥时间和能耗的影响

不同干燥方式预干燥时间如表1所示。对比发现，所有联合干燥苹果脆片的有效干燥时间均小于FD 苹果脆片，当联合干燥物料转移时间小于160 min 时，H4F、H2F、MVD-FD、IRD-FD 苹果脆片总干燥时间均小于FD 苹果脆片。通过干燥时间和干燥设备功率计算得到的总能耗结果表明，除MVD-FD 外，联合干燥均可降低总能耗，同等物料量情况下，H4F 与单独采用真空冷冻干燥相比，干燥能耗下降约18.3%。综合产品品质，该联合干燥方式节能提质效果显著。

表1 苹果脆片的干燥方法和干燥条件Table 1 Drying methods and corresponding parameters of apple chips

3 结论

本文探讨了不同预干燥方式对苹果脆片感官、质构、营养品质和能耗的影响，发现不同联合干燥方式中HPD-FD 苹果脆片硬脆度较高，吸湿率最低；基于真空冷冻联合干燥水分转换点优化结果，热泵干燥至水分比0.4 后切换到真空冷冻干燥（H4F）制得产品具有较高的硬脆度，原料多孔结构保持较好，香气和酚类物质保留率高；H4F联合干燥制备苹果脆片与单独采用FD 相比，产品脆性更佳。H4F、FD 和HPD 能耗分别为10.16，12.44，1.64kW·h/kg H2O，H4F 与单独使用真空冷冻干燥相比，干燥能耗下降约18.3%，有效干燥时间缩短160 min。从实际生产考虑，后续还需对人工成本和多批次干燥效率综合研究。综合考虑苹果脆片品质和干燥能耗，H4F 可作为一种节能提质联合干燥方式用于制备苹果脆片，HPD-FD 可作为脆片干燥过程品质调控的良好干燥技术。