果蔬變溫壓差膨化干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

黃壽恩 李忠海 何新益

HUANG Shou-en1，2 LIZhong-hai1 HE Xin-yi3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410004；3.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)系，天津 300384）

(1.College of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha,Hunan 410004,China;2.Changsha University of Science and Technology,Changsha,Hunan 410114,China;3.Departmentof Food Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

果蔬干燥是果蔬加工儲(chǔ)藏的主要方式之一，可通過(guò)各種不同的方法降低果蔬的水分含量，提高貨架壽命，改善其貯運(yùn)性能。目前，用于果蔬干燥的方法較多，如自然干燥、熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空冷凍干燥等，不同的干燥方法對(duì)果蔬制品的品質(zhì)影響不同。黃壽恩等[1]以脫水柑橘皮表觀密度、收縮率、多孔性、復(fù)水率和硬度為考察指標(biāo)，比較了不同干燥方法（冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥、熱風(fēng)干燥）對(duì)脫水柑橘皮品質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明：冷凍干燥柑橘皮色澤好，復(fù)水率最好；變溫壓差膨化干燥制備的脫水柑橘皮色澤、質(zhì)構(gòu)酥脆性、復(fù)水能力均強(qiáng)于熱風(fēng)干燥法，表觀密度也低于熱風(fēng)干燥產(chǎn)品；干燥方法的選擇對(duì)脫水柑橘皮品質(zhì)特性影響顯著（P<0.05）。從干燥時(shí)間能耗比較而言，冷凍干燥柑橘皮所需的成本較高，耗能較大；變溫壓差膨化相對(duì)冷凍干燥來(lái)說(shuō)生產(chǎn)成本較低，能耗??；熱風(fēng)干燥操作簡(jiǎn)單易行，生產(chǎn)成本最低，但干燥時(shí)間長(zhǎng)且制品品質(zhì)較差。綜合考慮，變溫壓差膨化干燥在柑橘皮的干制方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

果蔬變溫壓差膨化技術(shù)作為一種新型果蔬干燥技術(shù)，近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，在研究成果不斷推出的同時(shí)，其工業(yè)化產(chǎn)品也已悄然出現(xiàn)于市場(chǎng)。文章綜述了果蔬變溫壓差膨化干燥技術(shù)的現(xiàn)狀，討論了影響果蔬膨化效果的各種因素，并展望其發(fā)展趨勢(shì)，旨在為果蔬產(chǎn)業(yè)的綜合開(kāi)發(fā)提供參考。

1 變溫壓差膨化干燥技術(shù)

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

果蔬變溫壓差膨化干燥是以新鮮果蔬為原料，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、預(yù)干燥等前處理工序后，根據(jù)相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理，利用變溫壓差膨化設(shè)備進(jìn)行的。其設(shè)備主要由膨化罐和真空罐（真空罐體積是膨化罐的5～10倍）組成。果蔬原料經(jīng)預(yù)干燥(至含水率為15%～50%)后，送入膨化罐，加熱使果蔬內(nèi)部水分蒸發(fā)，當(dāng)罐內(nèi)壓力從常壓上升至0.1～0.2 MPa時(shí)，物料也升溫至100～120℃，此時(shí)產(chǎn)品處于高溫受熱狀態(tài)，隨后迅速打開(kāi)泄壓閥，與已抽真空的真空罐連通，由于膨化罐內(nèi)瞬間卸壓，使物料內(nèi)部水分瞬間蒸發(fā)，導(dǎo)致果蔬組織迅速膨脹，形成均勻的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。再在真空狀態(tài)下加熱脫水一段時(shí)間，直至含水率≤7%，停止加熱，冷卻至室溫時(shí)解除真空，取出產(chǎn)品，即得到膨化果蔬產(chǎn)品[2-5]。

從膨化過(guò)程來(lái)看，并非所有的果蔬都可以進(jìn)行變溫壓差膨化干燥，只有具備一定條件的果蔬物料才有可能得以順利進(jìn)行：① 物料內(nèi)部必須均勻分布可汽化的液體；② 物料內(nèi)部能廣泛形成相對(duì)密閉的彈性小室，同時(shí)，要保證小室內(nèi)氣體增壓速度大于氣體外泄造成的減壓速度，這樣才能到達(dá)到氣體增壓的需要；③ 構(gòu)成氣體小室的內(nèi)壁材料必須具備一定的拉伸成膜性，而且能在固化段蒸汽外溢后迅速干燥，并固化成膨化制品的相對(duì)不回縮結(jié)構(gòu)網(wǎng)架；④ 外界要提供足以完成膨化全過(guò)程的能量[2，3，6]。

1.2 果蔬變溫壓差膨化干燥制品的特點(diǎn)

果蔬膨化食品被國(guó)際食品界譽(yù)為“21世紀(jì)食品”，因其綠色天然，口感酥脆，營(yíng)養(yǎng)豐富，已逐漸成為方便休閑食品消費(fèi)的佼佼者。果蔬膨化產(chǎn)品以新鮮水果蔬菜為原料加工而成，與其他谷物類(lèi)、薯類(lèi)膨化產(chǎn)品比較，具有以下特點(diǎn)：① 天然。果蔬膨化產(chǎn)品基本上都是經(jīng)過(guò)浸糖處理后，直接烘干、膨化制備而成，加工過(guò)程無(wú)需添加色素或其他添加劑等；② 果蔬膨化產(chǎn)品酥脆性佳，口感良好。③ 最大程度保留了果蔬原有的營(yíng)養(yǎng)成分，以及香氣成分；④ 果蔬膨化產(chǎn)品食用便捷，含水量一般在 7%以下，易于攜帶、貯存[5，6]。

2 影響果蔬變溫壓差膨化的因素

2.1 果蔬原料特性

目前已見(jiàn)報(bào)道的果蔬膨化原料有蘋(píng)果、棗、哈密瓜、胡蘿卜、馬鈴薯等。畢金峰[2]從蘋(píng)果細(xì)胞電鏡掃描結(jié)構(gòu)上分析比較了4種不同品種蘋(píng)果原料所制成的膨化蘋(píng)果脆片的比容和酥脆性，結(jié)果表明國(guó)光蘋(píng)果更適合膨化。畢金峰[2]通過(guò)對(duì)棗的膨化干燥研究表明，不同品種的棗其膨化效果也不相同，如冬棗比金絲小棗膨化效果明顯要好，而且不同品種的冬棗膨化效果也不一樣。王榮梅等[7]研究表明，在煊鈴棗、圓鈴棗和長(zhǎng)紅棗3個(gè)棗品種中，長(zhǎng)紅棗較適合于制成膨化脆棗。

果蔬原料是復(fù)雜的混合物體系，所含化學(xué)成分不同，各成分含量間的相對(duì)比例也不同?，F(xiàn)有的色譜分析無(wú)法破解果蔬原料復(fù)雜體系的復(fù)雜性，也無(wú)法破解復(fù)雜體系的整體性。而紅外光譜由于具有宏觀性（譜峰的疊加性）規(guī)避了對(duì)復(fù)雜體系各個(gè)組分的剖析，同時(shí)宏觀性契合了復(fù)雜體系的整體性。因此，果蔬原料的品種、產(chǎn)地的不同均可在紅外圖譜中顯示出差別來(lái)，憑借這些差異就可以達(dá)到宏觀質(zhì)量控制的目的，從而使膨化果蔬原料選擇的更為科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 果蔬原料預(yù)處理方式

在果蔬原料膨化干燥前必須進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的目的是：① 保證或改善干燥產(chǎn)品的品質(zhì)；② 提高脫水干燥效率；③ 滿(mǎn)足其產(chǎn)品形狀大小方面的特殊要求。預(yù)處理按作用方式可分機(jī)械預(yù)處理、物理預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理三類(lèi)。機(jī)械預(yù)處理是通過(guò)機(jī)械手段來(lái)實(shí)現(xiàn)原料預(yù)處理，常見(jiàn)的有物料切分、粉碎、削皮、去蒂等，大多僅對(duì)脫水速度和產(chǎn)品外觀品質(zhì)有較大影響。物理預(yù)處理是利用物理因素的變化達(dá)到某種效果的預(yù)處理方法，如常用的熱燙處理、冷凍處理就是通過(guò)對(duì)介質(zhì)溫度、處理時(shí)間和介質(zhì)濕度三因素控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，物理預(yù)處理對(duì)脫水速度和膨化干燥產(chǎn)品品質(zhì)均有較大影響。化學(xué)預(yù)處理則是通過(guò)化學(xué)手段來(lái)干涉物料在加工過(guò)程中的化學(xué)變化，從而控制其變化向有利于品質(zhì)方向轉(zhuǎn)化的預(yù)處理方法。

預(yù)處理對(duì)脫水速率控制的理論主要是控制物料水分?jǐn)U散理論和控制其細(xì)胞膜阻力的理論[8-12]。

2.2.1 控制物料水分?jǐn)U散理論 該理論認(rèn)為，控制物料水分?jǐn)U散主要是通過(guò)調(diào)節(jié)其蒸發(fā)面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9，10]。機(jī)械預(yù)處理以切割、粉碎等手段加大了物料脫水過(guò)程中的水分蒸發(fā)面積。從脫水機(jī)理來(lái)說(shuō)，切分既減少了內(nèi)擴(kuò)散的距離，又增大了外擴(kuò)散面的面積，從而有效地提高了脫水速率。迄今為止，切割形狀（切塊、條、片等）及其厚度、切割方式（各種機(jī)械、手工方式）以及預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)脫水速率的影響及其優(yōu)化的研究報(bào)道較多，這些研究大多是試驗(yàn)型的，尚缺乏從機(jī)理的角度定量地分析內(nèi)外擴(kuò)散參數(shù)，分析有意義的單元體，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型。在擴(kuò)散分析中，水分蒸發(fā)面積是一個(gè)重要的參數(shù)，由于水分的蒸發(fā)總是向上的，而蒸發(fā)面積在物料堆積時(shí)具有方向性，即蒸發(fā)面積是一個(gè)矢量，使有效蒸發(fā)面積存在。堆積的隨機(jī)性，可應(yīng)用隨機(jī)理論加以研究。但這一方面的工作研究還不多。

2.2.2 控制細(xì)胞膜阻力理論 現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)認(rèn)為：在物理參數(shù)（如溫度、時(shí)間等）的影響下，細(xì)胞膜透性（水分和可溶性物質(zhì)滲透出來(lái)的能力）會(huì)發(fā)生很大改變，從而使細(xì)胞膜對(duì)水分蒸發(fā)的阻力也反向變化。因此，該理論強(qiáng)調(diào)利用預(yù)處理來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的阻力。熱燙預(yù)處理作為一種重要的細(xì)胞膜阻力削弱手段被廣泛地應(yīng)用。在熱燙溫度（90～100℃）的刺激下，細(xì)胞死亡，細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)發(fā)生凝固[13-17]。

為了減少膨化干燥產(chǎn)品的皺縮，改善其外觀，近年來(lái)，國(guó)外研究者常將可食用的多羥基化合物（如麥芽糖漿、蔗糖、甘油等）在干燥前滲入組織以使復(fù)水后的脫水蔬菜有良好的組織重建特性。這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)滲透質(zhì)交換過(guò)程。但滲透程度卻由于物料和所用添加劑的親和程度差異很大。

復(fù)合預(yù)處理常用于在變溫壓差膨化干燥過(guò)程中。何新益等[18]為優(yōu)化變溫壓差膨化法制備冷泡茶的工藝，研究了含水率、冷凍處理次數(shù)和膨化溫度對(duì)冷泡茶水浸出物的影響。結(jié)果表明，冷凍預(yù)處理和變溫壓差膨化可以大大提高茶葉的膨化干燥的效果。黃宗海等[19]對(duì)胡蘿卜變溫壓差膨化工藝中煮糖時(shí)麥芽糖漿液的濃度、冷凍處理方式以及膨化前胡蘿卜的水分含量3個(gè)因素進(jìn)行逐一的單因子試驗(yàn)，考察其對(duì)膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響。研究表明，經(jīng)過(guò)冷凍預(yù)處理的產(chǎn)品膨化度、色澤、酥脆度明顯高于未經(jīng)冷凍處理的，而且具較完整、均勻的外觀，有效避免了外觀收縮的現(xiàn)象。畢金峰等[20，21]和馬立霞等[22]也探討預(yù)處理對(duì)哈密瓜和胡蘿卜及蘋(píng)果膨化干燥的影響。

但是這些冷凍預(yù)處理后效果的出現(xiàn)，均需要從細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)的變化上得到答案。應(yīng)用電子顯微技術(shù)可以研究果蔬經(jīng)預(yù)處理前后的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，顯示其微觀結(jié)構(gòu)變化，從而才能在機(jī)理上的探討預(yù)處理對(duì)膨化效果的影響。

果蔬原料的物化特性在食品預(yù)處理加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生改變，水的分布和狀態(tài)變化在物化特性的改變中扮演重要角色。由于自旋—晶格弛豫時(shí)間和自旋—自旋弛豫時(shí)間與水分子轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，所以可以通過(guò)核磁共振技術(shù)確定被固定的不同部分的水分子的流動(dòng)性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)特征，它可以測(cè)定能反映水分子流動(dòng)性的氫核的縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2。當(dāng)水和底物緊密結(jié)合時(shí)，T2會(huì)降低；而游離水流動(dòng)性好，有較大的T2。所以通過(guò)T1、T2的測(cè)定可得到被底物部分固定的不同部位的水分子流動(dòng)和結(jié)構(gòu)特征[23-27]。

2.3 差壓膨化干燥工藝參數(shù)的研究

2.3.1 切片厚度 隨著切片厚度的增加，產(chǎn)品膨化度先增大而后減小，復(fù)水比降低；當(dāng)切片厚度為5 mm時(shí)，膨化度達(dá)到最大值。其原因是切片過(guò)薄時(shí)，果蔬物料內(nèi)部的水分閃蒸過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽壓力小，膨化動(dòng)力不足；適當(dāng)增加切片厚度，在一定程度上可以提高產(chǎn)品的膨化度，但產(chǎn)品復(fù)水比下降。這是因?yàn)榍衅穸瘸^(guò)最佳厚度時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散距離太長(zhǎng)，壓力尚未深入到物料內(nèi)部就已大幅度衰減，導(dǎo)致原料內(nèi)部的水分未能充分蒸發(fā)，原料得不到充分的膨化，產(chǎn)品的酥脆度隨之下降[2，28]。

2.3.2 預(yù)干燥物料水分含量 變溫壓差膨化技術(shù)主要是靠水分受熱蒸發(fā)使壓力上升，造成與真空罐之間的壓差，以達(dá)到膨化的目的。但是，膨化前果蔬的含水量要適宜。含水量過(guò)高則在膨化時(shí)易起大泡，真空干燥時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)；水分含量過(guò)低則膨化效果不明顯，影響制品的外觀、口感等。

當(dāng)水分含量達(dá)到20%前，果蔬產(chǎn)品的膨化度、復(fù)水比隨著預(yù)干燥物料水分含量增加而增大；在水分含量為15%～20%時(shí)達(dá)到最大值；如果水分含量繼續(xù)增加，產(chǎn)品的膨化度和復(fù)水比反而逐漸下降。這是因?yàn)椋寒?dāng)物料內(nèi)部水分含量過(guò)低，能夠被閃蒸的水分少，難以在膨化瞬間產(chǎn)生足夠的蒸汽壓力，致使產(chǎn)品未能得以膨化；如果物料內(nèi)部水分含量過(guò)高，大量水分被快速蒸發(fā)，致使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙中的水分和空氣迅速遷移至物料表面，不能形成足夠的膨化動(dòng)力，反而降低了產(chǎn)品的膨化度[19，28]。

2.3.3 膨化溫度 膨化溫度是影響膨化品質(zhì)的重要因素之一。溫度是水分蒸發(fā)的載體，是壓力形成的條件。溫度過(guò)高易產(chǎn)生焦糊，溫度過(guò)低則不易膨化。此外，緩慢升溫由于果蔬內(nèi)部受熱均勻其膨化效果比快速升溫要好。

隨著膨化溫度升高，產(chǎn)品的膨化度、復(fù)水比增大；當(dāng)膨化溫度為80℃時(shí)，復(fù)水比達(dá)到最大值；但膨化溫度超過(guò)80℃后，產(chǎn)品的復(fù)水比反而下降。這是因?yàn)椋喝绻蚧瘻囟冗^(guò)低，物料內(nèi)部水分達(dá)不到汽化的目的，被閃蒸水分太少，膨化動(dòng)力降低，膨化效果不明顯。隨著膨化溫度的不斷升高，物料內(nèi)部水分汽化速度不斷提高，單位時(shí)間內(nèi)汽化的水分增多[2]，物料的膨化度隨之增大。而且，如果膨化溫度過(guò)高，熱敏性的果蔬原料極易發(fā)生褐變反應(yīng)，形成不溶性的類(lèi)黑色素，嚴(yán)重影響成品的風(fēng)味和色澤[2，28]。

2.3.4 膨化壓力差 采用變溫壓差膨化果蔬時(shí)，壓力大小的控制是整個(gè)膨化過(guò)程中關(guān)鍵性的技術(shù)。壓力越高，壓力罐與真空罐之間的壓差越大，膨化效果越明顯。但壓力大小要適宜。壓力過(guò)大，對(duì)于一些易破碎的果品蔬菜會(huì)造成膨化過(guò)度而裂開(kāi)，破壞外觀形態(tài)；壓力過(guò)小，膨化效果不明顯。

膨化壓力差過(guò)小或過(guò)大均不利于產(chǎn)品的膨化。當(dāng)膨化壓力差低于110 kPa時(shí)，隨著膨化壓力差的增大，產(chǎn)品膨化度、復(fù)水比隨之增大；當(dāng)膨化壓力差達(dá)到110 kPa時(shí)，產(chǎn)品的膨化度達(dá)到最大值；當(dāng)膨化壓力差超過(guò)110 kPa時(shí)，產(chǎn)品的膨化度反而降低。這是因?yàn)椋弘S著膨化壓力差的逐漸增大，果蔬原料內(nèi)部的水分得以充分閃蒸，膨化所需的壓力差增大，膨化效果隨之提高；但當(dāng)膨化壓力差超過(guò)一定值，產(chǎn)品過(guò)度膨化，致使成品表面產(chǎn)生氣泡狀鼓泡，會(huì)直接影響成品的外觀[28]。

2.3.5 均濕處理 均濕處理時(shí)間延長(zhǎng)有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。隨著均濕處理時(shí)間的延長(zhǎng)，物料被充分浸潤(rùn)，物料內(nèi)部的水分分布更為均勻，產(chǎn)品的膨化度、復(fù)水比均得到相應(yīng)的增加，而且物料脫水速率也因此隨之提高[2]。

2.3.6 停滯時(shí)間 停滯時(shí)間是經(jīng)過(guò)低溫處理的果蔬脆片從進(jìn)入膨化設(shè)備到開(kāi)始抽真空的時(shí)間間隔。適當(dāng)?shù)耐r(shí)間可以使果蔬充分受熱。打開(kāi)真空閥后，果蔬內(nèi)的水分迅速均勻汽化。停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品焦糊，有苦味。另外較長(zhǎng)的停滯時(shí)間會(huì)使產(chǎn)品的果蔬營(yíng)養(yǎng)成份損失較多。停滯時(shí)間過(guò)短，產(chǎn)品發(fā)硬，不酥脆。

3 存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)果蔬膨化干燥的研究主要集中在工藝參數(shù)研究，干燥的基礎(chǔ)理論研究很不深入。國(guó)內(nèi)外對(duì)果蔬變溫壓差膨化干燥的研究主要集中在工藝的研究，如膨化哈密瓜[29]、膨化蘋(píng)果[30，31]、膨化菠蘿[32]等，主要研究報(bào)道以產(chǎn)品膨化度、酥脆性為指標(biāo)，優(yōu)化如膨化溫度、膨化壓力、初始水分等膨化工藝參數(shù)。在機(jī)理方面僅有劉自強(qiáng)[33]探討了食品膨化機(jī)理。

中國(guó)果蔬變溫壓差膨化干燥技術(shù)的研究還處于起步階段。膨化干燥技術(shù)研究存在的問(wèn)題：研究易脫水品種如蘋(píng)果的多，研究難脫水品種如高淀粉類(lèi)的少，結(jié)果是在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中最急需解決的問(wèn)題解決不了；對(duì)膨化干燥果蔬食品一些共同基礎(chǔ)性干燥機(jī)理著手研究的少，結(jié)果往往僅對(duì)某些具體的品種有效，但缺乏通用的干燥規(guī)律研究。這使中國(guó)變溫壓差膨化干燥業(yè)的形勢(shì)一直不容樂(lè)觀。針對(duì)性地果蔬原料膨化干燥的共性和特殊性，重視與干燥相關(guān)的前沿技術(shù)研發(fā)。從變溫壓差膨化干燥的一些共同基礎(chǔ)性干燥機(jī)理著手研究，得出一些通用的干燥規(guī)律，為開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)的干燥設(shè)備提供技術(shù)基礎(chǔ)。

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