廉苗苗,黃略略,段續(xù)*
1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng),471023)2(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,廣東 深圳,518055)
獼猴桃富含有機(jī)酸、維生素、類(lèi)胡蘿卜素、黃酮類(lèi)化合物及多種礦物質(zhì)元素,營(yíng)養(yǎng)豐富[1-2]。新鮮獼猴桃中水分含量高,極易腐敗變質(zhì)[3],因此將新鮮獼猴桃切片加工成干制品,能極大地延長(zhǎng)保質(zhì)期及貨架期。傳統(tǒng)的獼猴桃干燥方法有熱風(fēng)干燥(hot air drying,AD)[4]、真空微波干燥(vacuum microwave drying,MVD)[5]和真空冷凍干燥(freeze drying,FD)[6]。熱風(fēng)干燥容易使干制品的品質(zhì)難以控制[6]。微波干燥雖然熱效率高,干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量好,但干燥過(guò)程很難控制,容易因過(guò)熱導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)燃燒、糊化、表面硬化等現(xiàn)象[7-9]。真空冷凍干燥技術(shù)可以最大限度地保留獼猴桃原有的營(yíng)養(yǎng)成分和形狀[10-12],但干燥效率低,運(yùn)行成本高[13-14]。事實(shí)上,冷凍干燥的大部分水分在升華段已被去除,解析段耗時(shí)雖長(zhǎng),但只去掉少部分水分。因此,將原料大部分水分經(jīng)凍干去除后,此時(shí)半干產(chǎn)品的“骨架”已形成,后期再采用真空微波方式去除剩余水分,則可利用快速高效的真空微波干燥段替代冗長(zhǎng)的凍干解析干燥段,從而縮短干燥時(shí)間。相關(guān)報(bào)道已證實(shí),凍干-真空微波聯(lián)合干燥(FD-MVD)可比常規(guī)的凍干工藝節(jié)約將近一半時(shí)間[15-17],能耗也大幅度下降,但產(chǎn)品品質(zhì)接近凍干產(chǎn)品,明顯優(yōu)于真空微波干燥產(chǎn)品。所以,將FD-MVD應(yīng)用于獼猴桃片的干燥具有較好的應(yīng)用前景。
JIANG等[18]比較了AD、FD、MVD、FD-MVD和AD-MVD不同干燥方式對(duì)功能性秋葵零食品質(zhì)的影響,結(jié)果表明,F(xiàn)D-MVD是一種很有前途的功能性秋葵零食加工技術(shù)。PEI等[19-20]利用FD和FD- MVD對(duì)雙孢蘑菇進(jìn)行干燥,研究了其非揮發(fā)性風(fēng)味成分和干燥產(chǎn)物的復(fù)水干燥動(dòng)力學(xué),結(jié)果發(fā)現(xiàn)FD-MVD產(chǎn)品與FD產(chǎn)品具有相似的復(fù)水特性和風(fēng)味成分,唯一的區(qū)別是前者變形程度稍高。ZHOU等[16]在對(duì)鴨蛋清蛋白和咸鴨蛋清蛋白進(jìn)行脫水時(shí),也將FD與隨后的MVD步驟相結(jié)合,研究發(fā)現(xiàn),與單獨(dú)使用FD相比,采用聯(lián)合干燥工藝,產(chǎn)品乳化性能增強(qiáng),外觀質(zhì)量提高,能耗明顯降低。HUANG等[21]比較了不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)的鐵山藥片的體積密度、顏色和顯微結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn),水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)是FD-MVD一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)。HUANG等[22]通過(guò)對(duì)蘋(píng)果切片的結(jié)構(gòu)、香氣和微觀結(jié)構(gòu)的分析,比較了2種聯(lián)合干燥方法對(duì)蘋(píng)果切片的效果。結(jié)果表明,F(xiàn)D-MVD樣品的香氣保留率高于MVD-FD樣品,但低于FD單獨(dú)處理的樣品。
有關(guān)FD-MVD的相關(guān)研究已有很多,但對(duì)于獼猴桃片的FD-MVD的研究還未見(jiàn)報(bào)道,本文通過(guò)凍干-真空微波干燥獼猴桃片,通過(guò)分析干燥的獼猴桃片的感官質(zhì)量、干燥時(shí)間和微觀結(jié)構(gòu),確定FD-MVD的最佳水分轉(zhuǎn)化點(diǎn),用于生產(chǎn)高質(zhì)量、低能耗的獼猴桃干燥產(chǎn)品。此外,研究了獼猴桃片的中心和邊緣部分的微觀結(jié)構(gòu)以及FD-MVD期間獼猴桃的水分分布,分析整個(gè)獼猴桃切片的水分分布與FD-MVD產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
徐香獼猴桃購(gòu)于深圳市麥德龍超市,選擇個(gè)體完整、大小均勻、無(wú)機(jī)械損傷的獼猴桃作為原料。
1-4型真空冷凍干燥機(jī),德國(guó)Christ公司;YHW2S型微波真空干燥機(jī),南京亞泰微波能技術(shù)研究所;DHG-9123A型電熱恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;MS-204S精密分析電子天平,梅特勒METTLER TOLEDO公司;400型色差計(jì),Data color公司;S4800型掃描電子顯微鏡,日本日立公司;CCT-1800型太赫茲時(shí)域光譜儀,深圳市太赫茲科技創(chuàng)新研究院。
1.2.1 前處理
將新鮮的獼猴桃清洗、去皮、再均勻切成厚度為5 mm、直徑為4.6 cm的薄片。
1.2.2 凍干-真空微波干燥
凍干實(shí)驗(yàn):將凍結(jié)的樣品放入真空冷凍干燥機(jī),設(shè)置加熱板溫度為40 ℃、干燥壓力50 Pa、冷阱溫度為-50 ℃,干燥至濕基含水率為10%以下。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。
聯(lián)合干燥試驗(yàn):第一階段將預(yù)凍好的獼猴桃樣品放置在真空冷凍干燥機(jī)中。加熱板溫度設(shè)置為40 ℃,真空壓力設(shè)置為5.5 Pa,冷阱溫度設(shè)置為-50 ℃,分別進(jìn)行FD處理4、6、8、10和12 h。第二階段將凍干后的樣品放入MVD。設(shè)置微波真空干燥機(jī)真空壓力為3 kPa,冷阱溫度為-35 ℃,微波功率為0.30 W/g。干燥至濕基含水率<10%。所有干燥試驗(yàn)均重復(fù)3次。
1.2.3 水分含量的測(cè)定
采用烘箱法測(cè)定。在干燥過(guò)程中,每隔一定時(shí)間,將樣品從干燥器中取出,在105 ℃的烘箱中干燥,直到獼猴桃片達(dá)到恒重(通常為3~4 h)。所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,含水率按公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:ωt,t時(shí)刻物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/g;mt,t時(shí)刻試樣的質(zhì)量,g;m0,物料干燥到終點(diǎn)時(shí)的質(zhì)量,g。
1.2.4 感官評(píng)定
評(píng)分小組由10名有感官評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)的成員組成,對(duì)獼猴桃片的外觀、質(zhì)地、色澤、氣味進(jìn)行評(píng)價(jià),感官評(píng)價(jià)如表1所示。
表1 感官評(píng)分表Table 1 Sensory evaluation of kiwifruit slices
1.2.5 復(fù)水比的測(cè)定
在35 ℃蒸餾水中浸泡待測(cè)獼猴桃片,每隔5 min取出樣品,用濾紙吸干表面水分并稱(chēng)重。重復(fù)此操作,直到獼猴桃片吸收水分至飽和狀態(tài),并平行測(cè)量3次,按公式(2)計(jì)算:
(2)
式中:Rr,復(fù)水比;m1,復(fù)水后瀝干樣品質(zhì)量,g;m,復(fù)水前樣品的質(zhì)量,g。
1.2.6 體積密度
采用小米代替法測(cè)定獼猴桃片的體積[23]。已知的小米顆粒直徑在0.9~1.1 mm。在直徑大于獼猴桃樣品直徑的量筒中,加入6~8個(gè)獼猴桃片和適量小米。輕敲量筒,以確保樣品和小米之間沒(méi)有間隙,并注意樣品和小米的體積。然后用同樣的方法再次測(cè)量量筒中的小米,并記錄小米的體積。兩者之間的差為樣品的體積。進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。干燥物料的體積密度ρ按公式(3)計(jì)算:
(3)
式中:ρ,干制品的密度,g/cm3;m,干制品的質(zhì)量,g;V為干制品的總體積,cm3。
1.2.7 微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定及孔隙率分析
取干燥后的獼猴桃樣品,用刀片切取適宜尺寸的獼猴桃薄片,對(duì)樣品噴金后用掃描電子顯微鏡觀察薄片斷面孔隙狀態(tài),工作電壓為4.0 kV,放大倍數(shù)為100倍。將掃描電子顯微鏡拍攝的100倍放大圖片經(jīng)過(guò)Image J軟件轉(zhuǎn)化為8級(jí)灰度圖[24],對(duì)其進(jìn)行黑白二值處理和孔隙分析。
采用Origin 2017對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制,SPSS 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。
圖1表明,獼猴桃片的干燥特性受水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)的影響很大。水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)表示FD階段的干燥時(shí)間[21]。獼猴桃在FD 4 h、FD 6 h、FD 8 h后,進(jìn)入MVD,干燥速率可分為3個(gè)階段:升速階段、恒速階段、降速階段。在干燥初期,獼猴桃干燥速率緩慢提高,從水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右時(shí),干燥速率逐漸降低;而在FD 10 h、FD 12 h后,獼猴桃片進(jìn)入MVD時(shí),干燥速率只有恒速和降速階段,而沒(méi)有升速階段。
圖1 獼猴桃片在不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下的干燥特性Fig.1 Drying characteristics of kiwi slices at differentmoisture transition points
從獼猴桃片的外觀、質(zhì)地、色澤、氣味來(lái)綜合分析不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)獼猴桃片感官品質(zhì)的影響,結(jié)果如圖2所示。
圖2 獼猴桃片在不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下的感官評(píng)分Fig.2 Sensory scores of kiwi slices at differentmoisture transition points
不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)獼猴桃片感官品質(zhì)影響很大,F(xiàn)D時(shí)間越長(zhǎng),獼猴桃片的感官評(píng)分越高,其中,凍干4 h和6 h的感官評(píng)分明顯低于FD 8 h、10 h、12 h。FD 8 h、10 h和12 h的感官評(píng)分雖有差異,但差異不大。FD 10 h和12 h的感官評(píng)分在外觀和氣味上沒(méi)有差異,只有在質(zhì)地和色澤上有差異。
由圖3可知,凍干時(shí)間越長(zhǎng),物料的復(fù)水比越大。FD 12 h的獼猴桃片的復(fù)水比顯著高于4、6和8 h(P<0.05),但是,F(xiàn)D 4 h與FD 6 h之間,F(xiàn)D 8 h與FD 10 h之間,F(xiàn)D 10 h與FD 12 h之間復(fù)水比都無(wú)顯著性差異(P>0.05)。
圖3 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)獼猴桃片復(fù)水特性的影響Fig.3 Influence of different moisture transition points onrehydration characteristics of kiwi fruit slices注:不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05區(qū)間存在顯著性差異
凍干階段結(jié)束后,獼猴桃片內(nèi)部形成了大量孔隙,獼猴桃片的孔隙決定了其復(fù)水特性,平均孔隙面積越大,孔隙率越高,復(fù)水比就越大[25]。凍干階段時(shí)間越長(zhǎng),獼猴桃片內(nèi)部形成的細(xì)胞骨架越堅(jiān)固,孔隙越大,且凍干結(jié)束后獼猴桃片的水分含量較低,在后續(xù)的干燥過(guò)程中,水蒸汽從孔隙中逸出,對(duì)孔隙造成的影響較小。凍干階段時(shí)間越短,獼猴桃片內(nèi)部形成的細(xì)胞骨架不穩(wěn)固,在后期的真空微波階段,水分經(jīng)過(guò)再分布,獼猴桃片先前形成的細(xì)胞骨架可能會(huì)坍塌,影響最終孔隙的形成,復(fù)水比就較小。
物料的體積密度能夠表示皺縮的程度,密度越大,表明物料體積越小,物料皺縮越嚴(yán)重[26]。由表2可知,F(xiàn)D時(shí)間越長(zhǎng),物料密度越小。FD 12 h物料的體積密度最小,F(xiàn)D 4 h的體積密度最大,說(shuō)明凍干12 h的獼猴桃片皺縮最小,F(xiàn)D 4 h的獼猴桃片皺縮最為嚴(yán)重。這可能是由于水分含量的不同,導(dǎo)致水分遷移過(guò)程中細(xì)胞壁發(fā)生破壞的程度不同,水分含量越高,細(xì)胞壁皺縮塌陷越嚴(yán)重。FD 時(shí)間越長(zhǎng),物料水分含量越低,水分遷移孔道剛性越強(qiáng),骨架穩(wěn)定性越好,在水分遷移的過(guò)程中表層細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊皺縮現(xiàn)象越不明顯。在FD-MVD中,F(xiàn)D階段時(shí)間越長(zhǎng), MVD時(shí)間越短,總干燥時(shí)間越長(zhǎng)。
表2 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)聯(lián)合干燥獼猴桃體積密度的影響Table 2 Effects of different water transfer points on volume density of kiwifruit
在電子掃描顯微鏡500倍下成像得到獼猴桃片的芯的微觀結(jié)構(gòu),在電子掃描顯微鏡200倍成像得到獼猴桃片的邊的微觀結(jié)構(gòu),可以得出結(jié)論,獼猴桃片的結(jié)構(gòu)是不均勻的,中心的細(xì)胞比邊緣的細(xì)胞小。中心和邊緣的結(jié)構(gòu)差異對(duì)FD-MVD期間的干燥特性有很大的影響。如圖4和5所示,每個(gè)樣品的中心部分都比較光滑,孔壁呈圓形,沒(méi)有可見(jiàn)的收縮。獼猴桃片在FD 4 h和6 h邊的細(xì)胞有很大程度的折疊和收縮,而FD 10 h和12 h的樣品中邊的細(xì)胞似乎出現(xiàn)了輕微的收縮。FD 8 h的樣品中細(xì)胞略微折疊,但沒(méi)有收縮跡象,而純FD樣品則沒(méi)有明顯差異。如圖4所示,僅經(jīng)過(guò)FD處理的樣品的孔以及經(jīng)過(guò)FD 8 h、10 h和12 h的樣品的孔相對(duì)較小且均勻,而經(jīng)過(guò)FD 4 h和6 h的樣品的孔相對(duì)較大且不均勻。在FD 4 h和6 h樣品中均觀察到嚴(yán)重的折疊和收縮跡象,而在10 h和12 h的FD樣品中觀察到較小的折疊和收縮跡象。可能是由于水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)不同,獼猴桃片在進(jìn)行真空微波干燥時(shí)的水分含量不同所致。當(dāng)水分含量較多時(shí),在真空微波階段,水分在物料干燥過(guò)程中重新分布,使得原本在凍干階段形成的細(xì)胞骨架發(fā)生坍塌,導(dǎo)致FD 4 h和6 h細(xì)胞皺縮較為嚴(yán)重,且空間結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分受到阻礙,無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散,水分變?yōu)檎羝w積迅速膨脹,膨脹速度大大超過(guò)擴(kuò)散速率,將不穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)向四周撐開(kāi),孔洞變大,因此FD 4 h和6 h獼猴桃片的孔較大。在FD 8 h的樣品中,看到的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是均勻的,具有光滑的細(xì)胞壁并且沒(méi)有明顯的收縮跡象??赡苁怯捎陂L(zhǎng)時(shí)間干燥過(guò)程中細(xì)胞膨脹壓力減少,組織脫水增加和細(xì)胞結(jié)構(gòu)高度變形與細(xì)胞骨架坍塌有關(guān)[27-31]。表3為使用Image J軟件進(jìn)行了黑白二值化處理樣品的孔隙率。在FD和不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)的FD-MVD樣品之間孔隙率存在顯著差異。FD樣品的核心和邊緣孔隙率最大,這表明FD樣品具有最佳的孔結(jié)構(gòu)。此外,F(xiàn)D 8 h樣品的孔隙率較高,尤其是在邊緣附近,比其他不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下的樣品更高。
圖4 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下聯(lián)合干燥獼猴桃片芯的電子掃描顯微鏡圖(500×)Fig.4 SEM images(500×) and binarization images of the kiwi slice cores at different water transfer points注:a1、b1、c1、d1、e1、f1分別表示FD、FD 4 h、FD 6 h、FD 8 h、FD 10 h、FD 12 h的掃描電鏡圖像;a2、b2、c2、d2、e2、f2表示掃描電鏡圖像相應(yīng)的8級(jí)灰度圖像,黑白二值化處理的結(jié)果(下同)
圖5 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下聯(lián)合干燥獼猴桃片邊的電子掃描顯微鏡圖(200×)Fig.5 SEM images(200×) and binarization images of the edges of kiwi slices at different water transfer points
表3 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下的孔隙率 單位:%
在FD過(guò)程中,干燥果實(shí)內(nèi)部的冰晶被升華,升華過(guò)程中物料的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)被很好地保存,物料形成高度多孔結(jié)構(gòu)的形成[18]。從細(xì)胞中去除水分會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水溶性化合物的移動(dòng),從而增加細(xì)胞壁的硬度。物料在干燥過(guò)程中發(fā)生收縮,內(nèi)部張力變大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形、局部受損。此外,干燥過(guò)程會(huì)破壞細(xì)胞壁,形成體積增大、形狀拉長(zhǎng)的空氣區(qū)[32]。
根據(jù)電子掃描顯微鏡成像結(jié)果,經(jīng)過(guò)FD 8 h的材料的孔隙結(jié)構(gòu)比經(jīng)過(guò)FD 10 h和12 h的材料孔隙結(jié)構(gòu)好。但是,F(xiàn)D 8 h樣品的感官評(píng)分比FD 10 h或12 h的樣品差。這可能是由于中心和邊緣部分的孔尺寸不同,影響了干燥期間水分遷移,詳細(xì)原因值得進(jìn)一步分析。
表4的結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)FD 8 h和14 h的樣品的中心和邊緣水分含量相似,而經(jīng)過(guò)FD 10 h和12 h的樣品的中心和邊緣水分含量有顯著差異。樣品在FD 10 h和FD 12 h中,中心水分含量高于邊緣水分含量。當(dāng)水分含量較高時(shí),更多的微波能量被吸收到中心部分,但是由于細(xì)胞較小,水分遷移受到限制。由于能量消耗過(guò)多,細(xì)胞壁發(fā)生不均勻收縮,從而導(dǎo)致樣品中細(xì)胞發(fā)生不同程度地折疊和收縮。在電子掃描顯微鏡成像過(guò)程中,經(jīng)過(guò)FD 10 h和12 h的樣品在靠近表面的位置出現(xiàn)了更多的細(xì)胞收縮跡象。相反,F(xiàn)D 8 h樣品的內(nèi)部和外部水分含量相同,這使得內(nèi)部和外部的微波能量吸收相同。樣品吸收的能量消耗主要用于水分遷移,能量沒(méi)有用于破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此,F(xiàn)D 8 h的產(chǎn)品具有更完整的內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)時(shí)間FD可能會(huì)增加樣品細(xì)胞的剛度,因此表面細(xì)胞的收縮在肉眼上并不明顯。這也是FD 10 h和12 h的樣品的感官評(píng)分要高于FD 8 h樣品的原因。獼猴桃樣品經(jīng)過(guò)FD 8 h后,其細(xì)胞內(nèi)部和外部水分分布均勻,細(xì)胞均勻地吸收了微波能量,并且水分子能夠在整個(gè)樣品中均勻地遷移。因此,經(jīng)過(guò)FD 8 h的樣品細(xì)胞通道具有更好的穩(wěn)定性,水分子均勻蒸發(fā)使得細(xì)胞壁收縮均勻。
表4 不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)下獼猴桃片的芯和邊緣水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異 單位:%
在獼猴桃片凍干-真空微波聯(lián)合干燥過(guò)程中,不同水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)獼猴桃片的感官品質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)影響較大,F(xiàn)D時(shí)間越長(zhǎng),獼猴桃片的感官評(píng)分越高,復(fù)水比越大。FD階段時(shí)間越長(zhǎng),MVD時(shí)間越短,總的干燥時(shí)間越長(zhǎng)。微觀圖片顯示,獼猴桃中心和邊緣部分的細(xì)胞大小有顯著差異,影響了水分在中心和邊緣部分的遷移。從感官品質(zhì)的角度來(lái)看,F(xiàn)D 12 h是最佳的水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)。但從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,F(xiàn)D 8 h樣品具有最佳的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此,F(xiàn)D 8 h是總干燥時(shí)間和質(zhì)量(感官、微觀結(jié)構(gòu))綜合考慮后的最佳水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在后期的研究中,可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)差異性研究其在干燥過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)的變化。