籽瓜固形物微波真空干燥特性及其品质研究*

丁宏斌，吴亮，臧泽鹏，徐彦瑞，黄晓鹏，吴劲锋

(1. 甘肃省农业机械化技术推广总站,兰州市,730046; 2. 甘肃农业大学机电工程学院,兰州市,730070)

0 引言

籽瓜(籽用西瓜),又名打瓜,是西瓜的一种分支变种,属葫芦科一年生草本植物,具有喜温、耐热和耐旱的特性,广泛种植于我国甘肃、新疆等地区。籽瓜富含维生素、蛋白质、纤维素和氨基酸等营养成分[1-2]。籽瓜的综合加工利用要求尽可能将各组分高值化利用,最大限度地挖掘其潜在价值。但传统“取籽弃瓤”的收获方式未能将籽瓜中瓜皮、瓜瓤等固形物进行有效的利用,同时新鲜籽瓜在破碎取籽后剩余的固形物含水率高,易霉变腐败,给后续加工利用造成很大的困难。为实现籽瓜固形物的有效利用,需通过干燥技术抑制微生物的生长和与酶有关的化学反应,以保持成分和延长货架期[3-4]。

干燥作为一种液—固分离过程,是降低多孔材料水分活度和保持品质最常用的方法之一[5-6]。目前,对籽瓜固形物干燥过程的研究仍处于起步阶段。晒干、热风干燥等简单干燥方法,成本低、适用性广,但存在干燥产品耗时、质量差等缺点,导致营养价值降低[7-8]。冷冻干燥可以防止物料皱缩、较好的保留营养成分、提高生物利用度,但冷冻干燥成本高且干燥时间长[9]。周琦等[10]以微波功率、真空度、切片厚度进行单因素试验,考察了其对复水比、色差、VC含量等指标的影响,对微波真空干燥柠檬片进行了干燥工艺优化。禄璐[11]采用了喷雾干燥、热风干燥、冷冻干燥方法对籽瓜果肉进行试验来制备籽瓜粉,试验表明,喷雾干燥品质好,优于其他两种干燥方式。因此,适宜的干燥方式对保留籽瓜营养价值起至关重要的作用。

微波真空干燥技术将微波干燥与真空干燥技术两种干燥方式的优点相结合[12],它是由于电磁波直接穿透材料引起分子摩擦而产生(由内而外)的体积加热,分子摩擦产生热能,在真空环境中利用热能去除水分,具有加热速度快、能量消耗低等优点[13]。Zia等[14]研究表明,微波干燥后蓝莓中花青素、维生素C和抗坏血酸含量最高。付辉战等[15]对新鲜桑葚的微波真空干燥特性和动力学特性进行研究,并对其干燥过程中的活性成分的变化进行分析,结果表明微波真空干燥法处理桑葚的效果较好,并获得了最佳的微波真空干燥工艺参数。

目前关于微波真空技术对籽瓜干燥品质影响的研究较少,基于此,本文应用微波真空干燥技术研究籽瓜固形物在不同干燥温度、真空度和比功率下籽瓜固形物切片的干燥特性、理化性质及品质变化,旨在为籽瓜潜在价值的挖掘和产业化加工的发展提供理论。

1 材料和方法

1.1 试验材料

新鲜籽瓜购自中国甘肃省白银市,品种为“籽瓜1号”。试验选择表皮良好,尺寸与色泽相当的新鲜籽瓜,经过破碎取籽机、瓜皮粉碎机、打浆机、过滤装置和离心机,固液分离后去掉上层清液,将下层沉淀的固形物作为试验材料。将籽瓜固形物放置于热风干燥箱中干燥24 h,测得初始含水率M0为(88.75±0.5)%。以干燥温度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃)、真空度(-0.060 MPa、-0.065 MPa、-0.070 MPa、-0.075 MPa)和比功率(12 W/g、15 W/g、20 W/g、30 W/g)为试验因素进行籽瓜固形物切片的干燥试验。微波真空干燥箱预热30 min后,取(200±0.5)g单层平铺于托盘上,利用自动称重系统每隔2.5 min记录一次,直至含水率降至10%以下时,停止干燥。所有试验进行三次重复,取其平均值为试验值。

(a) 新鲜籽瓜

1.2 仪器与设备

HWZ-30型箱式微波真空干燥机由干燥腔体、控制系统、传动系统、微波加热系统和真空系统等组成。整机功率为3 kW,真空度调节范围为-0.080～-0.060 MPa,转速可调。干燥设备外部尺寸为1 190 mm×950 mm×1 580 mm。微波发生器位于干燥腔室顶部,腔内设有6个旋转托架,其回转直径为500 mm。工作时,在驱动装置的作用下,物料随旋转托架绕主轴匀速转动并依次通过顶部微波源,从而在短时、间歇作用下,提高物料的干燥均匀性及其品质。

其他设备:Agilent 1100型高效液相色谱仪;CR-410型色差仪;JM-A3003型电子天平;TS-200 B型恒温摇床;TGL20M型高速离心机;T2600S紫外分光光度计;HKSF-2型快速水分仪,水分解析度0.01%。

1.3 干燥参数的计算

1.3.1 干基含水率的计算

干基含水率的计算公式如式(1)所示[16]。

(1)

式中:Wt——籽瓜固形物切片t时刻的质量,g;

Wd——籽瓜固形物切片的干重,g。

1.3.2 水分比的计算

水分比的计算公式如式(2)所示[17]。

(2)

式中:Mc——t时刻籽瓜固形物干基含水率,g/g;

M0——籽瓜固形物的初始含水率,g/g;

Me——籽瓜固形物的平衡含水率,g/g。

1.3.3 干燥速率的计算

干燥速率的计算公式如式(3)所示[18]。

(3)

式中:Mt1、Mt2——分别为t1和t2时刻籽瓜固形物切片的干基含水率,g/g。

1.3.4 色泽的测定

采用CR-410型色差仪测定籽瓜固形物样品的明亮度L*、红绿值a*和蓝黄值b*,色差值ΔE越小,说明籽瓜固形物干制品与鲜籽瓜固形物色泽越接近,其计算公式如式(4)所示[19]。

(4)

式中:L0、a0、b0——籽瓜固形物鲜样的色泽值、红绿值、黄蓝值;

L*、a*、b*——干制品的色泽值。

1.4 品质指标测定

1.4.1 提取液的制备

取籽瓜固形物粉末0.5 g,浸于盛有20 mL 80%乙醇溶液的具塞锥形瓶中,在25 ℃、黑暗、180 r/min条件下旋转振荡48 h后,取出溶液后离心15 min(参数:4 ℃、6 000 r/min),取上清液,用80%乙醇定容至25 mL,于4 ℃保存,用于多糖的测定。

1.4.2 多糖含量的测定

多糖的测定采用硫酸-苯酚法[20]。其多糖含量以蔗糖为标准品标定,计算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Pc——样品多糖含量,mg/g;

C1——蔗糖质量浓度,mg/mL;

Vt——吸取样液体积,mL;

M——籽瓜固形物初始质量,g。

1.4.3 维生素C(VC)含量的测定

VC测定:取1.0 mL提取液于试管中,加入1.0 mL 50 g/L TCA溶液,然后按照制作标准曲线的方法加入其他成分,进行反应和测定。在534 nm波长下,重复测量3次吸光值。计算公式如式(6)所示[21]。

(6)

式中:m——由标准曲线求得的抗坏血酸的质量,μg;

Vs——滴定时所用样品提取液的体积,mL;

V——样品提取液总体积,mL;

m′——所加籽瓜固形物质量,g。

1.4.4 膳食纤维含量的测定

在烧杯中加入100 μL蛋白酶溶液,盖上铝箔后在60 ℃振摇反应30 min。搅拌并加入5 mL 0.561 mol/L的HCl, 保持在60 ℃,将溶液pH调至为4.0～4.7,酸性过大使用1 mol/L NaOH溶液,碱性过大则使用1 mol/L HCl溶液。pH值调至合适范围后搅拌同时加100 μL淀粉葡糖苷酶溶,密封持续振荡反应30 min。在每份样品中加入预热至60 ℃的95%乙醇225 mL, 乙醇与样品的体积比为4∶1。室温下沉淀1 h,过滤。分别用15 mL的78%乙醇、95%乙醇和丙酮冲洗残渣各2次置于坩埚中,将坩埚在105 ℃烘箱中烘干后称量,减去坩埚质量后即为残余物质量G。计算公式如式(7)所示[22]。

(7)

式中:X——样品中含粗纤维的含量,%;

G——残余物的质量,g。

2 结果与讨论

2.1 不同干燥条件对籽瓜固形物微波真空干燥特性分析

2.1.1 干燥温度对籽瓜固形物干燥特性的影响

探究不同干燥温度对籽瓜中固形物微波真空干燥特性的影响规律时,选择真空度为-0.07 MPa、比功率为20 W/g,干燥曲线如图2所示。

(a) 水分比

固形物微波真空干燥初期干燥速度随干燥温度的升高而增大,物料水分比下降,水分流失速度加快。原因在于干燥前期,物料中的水分含量较高,易于向表面迁移,从而使干燥速度发生明显的变化。在55 ℃时,物料的含水量变化趋势比较慢,干燥速度也比较慢,这主要是因为微波发生器能同时加热物料内外,在干燥前期,物料的表面水分蒸发量和从内部流向表面的水分大致相同,而当后续含水量减少时,物料内部的水分很难再迁移,引起物料表面过热,影响到物料内部的水分的流失。研究表明,在微波真空干燥条件下,籽瓜固形物的干燥温度在45～50 ℃之间较为适宜。

2.1.2 真空度对籽瓜固形物干燥特性的影响

干燥温度为50 ℃、比功率为20 W/g时,不同真空度对籽瓜固形物微波真空干燥特性的影响如图3所示。

(a) 水分比

物料微波真空干燥速率随真空度的增大呈现先升后降的趋势,水分比变化速度由快到慢,这是因为在干燥前期,物料中有大量的自由水,很容易从内部向表面迁移,从而使材料的干燥速度更快;而在后期,由于自由水含量低,物料中的水分多以结合水的形式存在,而且不容易从物料内部除去,所以干燥速度很慢。同时还发现,在-0.070 MPa的真空状态下,物料的水分比降低速度最快,干燥速率最高,表明该状态下的物料在除湿过程中,被加热的物料向表面转移的水分最多,且能被及时排除,从而达到了最快的干燥速度。反之,如果真空度较低,则会增大干燥设备的湿度,从而提高物料的吸湿率。结果表明,微波真空干燥籽瓜固形物适宜的真空度为-0.070～-0.065 MPa。

2.1.3 比功率对籽瓜固形物干燥特性的影响

干燥温度为50 ℃、真空度为-0.070 MPa时,不同真空度对籽瓜固形物微波真空干燥特性的影响见图4。

(a) 水分比

比功率对固形物微波真空干燥特性的影响较小,由于微波真空干燥是一种辐射式的干燥技术,它的微波能穿透物料的表面,对物料的内部产生作用,使得物料在整个烘干过程中一直处于整体加热的稳定状态,从而达到更好的烘干效果。通过对水分比变化规律的观察,发现在20 W/g的比功率下,物料的含水量降低速度更快,干燥效率更高,这是由于在此参数下,物料内部的水分可以最大限度地吸收微波的能量,而不会引起物料的过热和吸收辐照不足。同等条件下,当比功率为12 W/g时,可能料盘中物料太多,出现了物料吸收辐照能不足的情况,从而导致物料水分比下降速率较慢,干燥速率较低。因此,籽瓜中固形物的微波真空干燥过程中较为适宜的比功率范围为15～20 W/g。

2.1.4 微波真空干燥对有效水分扩散系数的影响

有效水分扩散系数Deff可以用来评估籽瓜固形物中水分的扩散和迁移能力。由表1可知,不同干燥条件下,籽瓜固形物Deff值的范围在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之间。干燥温度和真空度对物料有效水分扩散系数影响较大,且随着干燥温度和比功率的增加而增大,说明随着干燥温度和比功率的增加,物料中的水分散失的越来越快,而真空度对有效水分扩散系数的影响不明显。

表1 不同干燥条件对籽瓜固形物色泽、有效水分扩散率和复水比的影响Tab. 1 Influence of different drying conditions on the color, effective water diffusion rate and rehydration ratio

2.2 不同干燥条件对籽瓜固形物色泽品质的影响

色泽是衡量中食品营养成分保留程度的外在指标,通常将色差ΔE作为评价物料色泽变化的综合指标之一,ΔE越小说明所得干制品的褐变程度越低,品质越好,从某种意义上也反映了干燥工艺的优劣。籽瓜固形物鲜样的L*、a*、b*分别为55.49、-10.35、23.63。由表1可知,不同干燥条件对籽瓜固形物色泽影响的显著程度依次为:干燥温度>比功率>真空度。干燥温度在40～55 ℃范围内,籽瓜固形物的色泽品质保持得较好。其中干燥温度为40 ℃时总色差ΔE为23.00,变化最小,说明此在干燥温度下干燥后的籽瓜固形物品质最佳。且随温度的增加,总色差ΔE逐渐增大,这是因为温度的升高加快了物料的氧化,从而导致物料颜色变深,黄蓝值明显增加。而随着比功率的减小,物料总色差ΔE也呈现增大的趋势。这是由于同功率下,随着料层厚度的增加,水分由物料内部迁移至表面的难度增加,导致物料表面出现局部焦化的概率增大,因此物料色泽变化明显。与干燥温度和比功率相比,真空度对色泽的影响较小,真空度为-0.070 MPa时,总色差ΔE最小,为23.02,说明在此真空度条件下籽瓜固形物色泽最接近鲜样,表观品质最好。

2.3 不同干燥条件对籽瓜固形物复水比的影响

复水性能是指新鲜果蔬产品干制后吸水恢复原来至新鲜程度的能力,它是衡量干制品品质好坏的重要指标。不同干制条件下物料的复水比见表1。从表1中可以看出,不同干燥温度条件下,随着温度的增加,籽瓜干制品的复水比整体呈现出增加的趋势,并且在50 ℃时达到最大,干燥品质最佳。真空度对干制品复水比影响较小,在-0.070 MPa时复水比最高,品质最佳。在不同比功率条件下,20 W/g和12 W/g复水比一致,干燥品质均达到最佳。

2.4 不同干燥条件对多糖含量的影响

从图5可以直观地看出,随着干燥温度的上升,固形物中的多糖含量先增加后减少,并且在50 ℃的干燥温度下,多糖含量最高(105.44 mg/g)。

图5 不同干燥条件对籽瓜固形物多糖含量的影响

这可能是由于温度越低,干燥耗时越长,增加了美拉德反应和焦糖化反应的时间,因此多糖损失严重。而在干燥温度为55 ℃时,由于干燥温度过高,籽瓜固形物中的多糖发生局部过热和焦糖化现象,促使多糖降解速度加快,含量降低。因此50 ℃的干燥温度能最大程度保留籽瓜固形物当中的多糖成分。真空度为-0.060 MPa时,固形物中多糖含量为65.34 mg/g,且随着真空度的增加,固形物当中多糖含量也明显增加。相较于干燥温度和真空度,比功率对干制品多糖含量影响最小,随着比功率的增加,干制品种多糖含量逐渐减少,这可能是因为高的比功率条件下,糖类物质发生热降解,导致多糖类物质含量下降。

2.5 不同干燥条件对VC的影响

如图6所示,不同干燥条件对籽瓜固形物中VC含量的影响显著程度依次为:干燥温度>真空度>比功率。从图4中可知,干燥温度在40～55 ℃范围内,随着温度的增加,干制品中VC含量逐渐增加,且当干燥温度为50 ℃时,干制品中VC的含量最高(1.21 mg/g)。但当干燥温度上升至55 ℃时,VC含量明显减少,这可能是因为干燥温度过高导致VC降解。由图6还可知,随着真空度的增加,固形物干制品中VC含量也逐渐增加,这可能是因为随真空度的增加,干燥箱腔体内部氧气含量逐渐减少,降低了VC被氧化的概率。且当真空度为-0.070 MPa时,固形物干制品中VC含量为1.14 mg/g。比功率条件对固形物干制品中VC含量的影响最小,且随比功率的减小,固形物干制品中VC含量也逐渐减少,但是变化不明显,可能是因为随着比功率减小,单位体积内的物料所受的微波辐射能的降低,从而使干燥时间变长,从而造成细胞壁的氧化损伤,因此干制品中VC含量减少。

图6 不同干燥条件对籽瓜固形物VC含量的影响

2.6 不同干燥条件对膳食纤维的影响

膳食纤维是籽瓜固形物的重要组成成分,膳食纤维的含量可以直观地反映籽瓜固形物的品质。图6反映了不同干燥条件对籽瓜固形物中膳食纤维含量的影响。不同干燥条件对籽瓜固形物干制品中膳食纤维含量影响表现为:干燥温度>比功率>真空度。干燥温度为50 ℃时,籽瓜固形物中膳食纤维含量最高(80.69%)。随着干燥温度的增加,固形物干制品中膳食纤维含量也明显增加,但当干燥温度到达55 ℃时,膳食纤维含量明显减少,这可能是因为温度过高,干燥过程中物料表面发生局部焦化的现象,导致膳食纤维含量减少。不同比功率条件下,随着比功率的增大,物料中膳食纤维含量先增大后减少,这可能是因为随着作用在物料单位体积上微波能的增加,干燥时间缩短,膳食纤维中的营养成分降解量增加,籽瓜固形物干制品中的膳食纤维含量也整体上呈下降趋势。真空度对籽瓜固形物干制品中的膳食纤维含量影响较小。

3 结论

本研究以籽瓜综合加工生产线的副产品籽瓜固形物为试验材料,采用微波真空设备进行干燥,对其干燥特性、表观品质和营养成分进行分析。

1) 随着干燥温度与真空度增大,比功率的减少,籽瓜固形物干燥时间缩短,干燥速率增大,这表明微波真空干燥可以有效地增强热质传递效率。且不同干燥条件下,籽瓜固形物Deff值的范围在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之间,符合农产品Deff范围。

2) 比较各因素条件下样品的理化品质发现,干燥温度、真空度和比功率对籽瓜固形物色泽、复水比和基本营养物质均有显著影响,且干燥温度50 ℃、真空度-0.070 MPa、比功率20 W/g时,籽瓜固形物中多糖含量(105.44 mg/g)、VC的含量(1.21 mg/g)、膳食纤维含量最高(80.69%),在此条件下干制品品质最佳。

综上所述,微波真空干燥的应用不仅有利于提高籽瓜固形物的干燥速率,而且对改善其理化性质具有促进作用,因此微波真空干燥是一种具有较高前景的新型干燥技术。本研究为籽瓜干燥加工共性技术的形成提供了有益的探索和实践。