高壓脈沖電場對蘋果崩塌溫度的影響

吳亞麗

（太原理工大學力學學院，山西太原030024）

高壓脈沖電場對蘋果崩塌溫度的影響

吳亞麗

（太原理工大學力學學院，山西太原030024）

以蘋果為研究對象，進行真空冷凍干燥實驗并與高壓脈沖電場預處理的樣品進行分析對比，研究電場預處理對蘋果微觀結構及崩塌溫度的影響。結果表明：當加熱板溫度設定為70℃時，未處理的蘋果樣品出現了較為明顯的塌陷以及斷裂現象。而經過高壓脈沖電場預處理的樣品，在縮短了干燥時間、降低了能耗及物料的最終含水率的同時，樣品的骨架結構保存完整，沒有出現崩塌現象。高壓脈沖電場預處理可以提高果蔬的臨界崩塌溫度約20℃，并使物料的最終含水率達到1.20%，而未經高壓脈沖電場預處理樣品的最終含水率為7.84%。本文對解決干燥過程中崩塌現象的產生有重要意義。

蘋果，高壓脈沖電場預處理，干燥實驗，崩塌溫度，微觀結構

目前，真空冷凍干燥在生產實際中引起干燥時間長、能耗大的主要原因之一是樣品在干燥過程中容易出現崩塌現象，即干燥過程中由于樣品的溫度過高而引起的塌陷，進而導致干燥層的多孔結構喪失、殘余水分增多、復水時間延長，影響樣品的品質。為達到較快的干燥速度，樣品溫度要求盡可能高，但必須低于共熔點溫度或崩塌溫度，以防止樣品熔化、變性或崩塌。干燥過程中樣品溫度每升高1℃，升華干燥時間將縮短13%，干燥速率可以提高11%［1］，然而物料的崩塌溫度限制了冰界面溫度的提高。因此，升華干燥過程中應重視崩塌溫度的控制。塌陷發生在升華界面和多孔層中［2］。Antonello［3］通過掃描電鏡，觀察到蛋糕的干燥溫度接近崩塌溫度時，蛋糕出現了崩塌現象。Venir等［4］研究了冷凍干燥對蘋果汁內部結構的影響，結果表明無水樣品的崩塌溫度為（28±2）℃。Shishehgarha等［5］認為當解析溫度超過50℃時，將加大凍干過程體積塌陷的程度。Kochs［6］研究指出蘋果的崩塌溫度為55℃。左建國等［7］用不同濃度的糖液進行冷凍干燥，結果表明添加高分子材料，由于提高了玻璃化轉變溫度，進而提高了產品的崩塌溫度。

一般，崩塌溫度取決于材料本身的物性和保護劑的種類，即在干燥前對果蔬進行預處理，軟化果蔬細胞組織結構，改善細胞的通透性，可節省干燥能耗和時間，降低成本。而高壓脈沖電場作為一種非熱加工技術，作用于果蔬細胞可以改變細胞的內部組織結構，在一定程度上可以提高產品的崩塌溫度［8］。因此，本文分析了高壓脈沖電場預處理對蘋果崩塌溫度的影響，以期為高壓脈沖電場工藝參數的優化提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

富士蘋果 產地為山西太谷；高壓脈沖電場發生器 美國BTX公司生產，其脈沖寬度、重復頻率和脈沖的電壓幅度均可調節，脈沖波形為單極矩形波，電極處理室為方形不銹鋼平板，間距可調；JDG-0.2型真空冷凍干燥機 中國科學院蘭州近代物理所研制；JSM-6490LV掃描電鏡 日本JEOL公司。

1.2 樣品處理方法

取表皮無損傷的新鮮富士蘋果，洗凈去皮，切成厚度為10mm×17mm×17mm的方塊，進行高壓脈沖電場預處理。高壓脈沖電場預處理的主要參數有脈沖強度、脈沖寬度和脈沖個數。根據前期優化的實驗結果，選取脈沖強度1000V/cm，脈沖寬度120μs，脈沖個數30個［9］。處理后放入冰箱預凍，溫度設定為-30℃，12h后進行真空冷凍干燥。

未處理樣品升華階段加熱板溫度設定為50、60、70℃，凍干室壓力為40Pa；解析階段加熱板溫度為90℃，凍干室壓力為30Pa［9-10］。預實驗表明當加熱板溫度大于70℃時，部分預處理樣品出現崩塌現象，因此預處理樣品升華階段加熱板溫度設定為70℃，凍干室壓力為40Pa；解析階段加熱板溫度為90℃，凍干室壓力為30Pa。解析階段當樣品的含水率不再發生變化時，停止實驗。

選取干燥時間、最終含水率及單位能耗為實驗指標。其中干燥時間為升華階段開始到整個干燥過程結束所經歷的時間；最終含水率是干燥結束后，在線檢測系統實時檢測得到；單位能耗=功率/初始質量。

干燥結束后取樣品放在液氮中冷凍、斷裂、鍍膜，并利用JSM-6490LV掃描電鏡觀察其微觀組織結構。

2 結果與討論

2.1 未處理組實驗結果

真空冷凍干燥過程的三個主要參數是物料厚度、加熱板溫度和凍干室壓力，其中影響果蔬干燥效果最主要的因素是物料的厚度，其次是加熱板溫度和凍干室壓力。研究表明果蔬的厚度應控制在10mm以內［10］，這樣有助于提高果蔬的干燥速率，降低干燥能耗，因此在進行干燥實驗時選擇物料的厚度為10mm。預實驗結果表明當升華階段的凍干室壓力低于40Pa時，物料出現了溶化、發泡等現象，因此設定凍干室壓力的范圍為40Pa。加熱板溫度依次設定為50、60、70℃，分別進行真空冷凍干燥實驗。未處理蘋果樣品的變化情況如圖1所示。

圖1a是加熱板溫度為50℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，可以看出樣品有輕微的塌陷現象，但不影響產品的外觀和質量。在這種干燥條件下，干燥的時間較長，大于10h（見表1），耗電量大，相對應的生產率過低。圖1b是在加熱板溫度為60℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，此時樣品有輕微的塌陷和斷裂現象，影響了干燥的效果，而且由于出現崩塌現象，造成干燥時間較長（9.47h），能耗較大（409.03kJ·g-1）。圖1c和圖1d是加熱板溫度為70℃，凍干室壓力為40Pa的條件下蘋果的干燥樣品，干燥時間為8.30h，能耗為383.66k J·g-1，最終含水率為7.84%，此時樣品出現了較為明顯的塌陷和斷裂現象。

由于真空冷凍干燥是由表及里的干燥方式，對于物料整體而言，物料表層首先干燥，因物料外層首先干燥而形成的硬殼板阻礙了內部水分繼續向外遷移，使內部水分擴散的速度低于溫度遞增的速度，因此出現了崩塌現象。內部細胞塌陷，阻礙了水分子的繼續擴散，使物料原有的結構坍塌，樣品表面硬化現象嚴重，樣品（圖1c）向內凹陷了3mm左右。在熱應力的作用下，部分細胞的細胞壁與相鄰細胞的細胞壁分離，出現了應力裂紋。這主要是由于樣品在干燥初期物料含水率較高而且均勻一致，組織較松軟時，物料的內層和外層可同時收縮和膨脹，干燥應力小。當干燥達到一定水分含量時，物料外層部分已干，比較堅硬，膨脹和收縮量大大減少，物料中心部分則含水率較高，隨著干燥的進行物料繼續收縮，造成內外的膨脹和收縮量不一致，干燥應力無法消除，當達到一定極限時，產生了應力裂紋。隨著溫度的升高，樣品（圖1d）出現了斷裂現象。通過表1可以看出加熱板溫度設定越高，可在一定程度上降低能耗，縮短干燥時間。但過高的加熱溫度除了對樣品外觀的影響之外，還有一個重要影響就是樣品的最終含水率，由于樣品外表出現塌陷現象，原先蒸汽擴散的通道被封閉，使樣品內部的水散發不出來，最終留在樣品內部，不利于貯藏，而且復水性差。因此，需要尋求一種預處理方法，既能保證物料的品質又能降低干燥能耗，縮短干燥時間。

2.2 處理組實驗結果

在實驗過程中發現，經過電場預處理后的蘋果樣品沒有出現崩塌現象，如圖2所示。樣品的骨架結構保存完整，復水性能好，而且干燥時間大大縮短，耗電量降低，生產率提高。

圖2 高壓脈沖電場預處理蘋果的干燥樣品Fig.2 Drying of apples pretreated by pulsed electric field

當電場參數為1000V/cm，120μs，30個時，干燥時間為6.20h，能耗為329.05k J·g-1，最終含水率為1.20%。與同溫度條件下未處理的樣品相比，干燥時間縮短了25.30%，能耗降低了14.23%，最終含水率由7.84%降低為1.20%。因此經過高壓脈沖電場預處理后可以縮短干燥時間，降低能耗，達到干燥徹底的效果。當升華階段加熱板溫度大于70℃，經過高壓脈沖電場預處理的樣品部分出現了輕微塌陷的現象，因此認為經過高壓脈沖電場預處理的樣品，升華階段加熱板溫度設定為70℃為宜。

表1 不同加熱板溫度對蘋果的影響Table 1 Effect of different drying temperature on apple tissue

2.3 不同干燥條件下蘋果的電鏡（SEM）圖

對于不同干燥條件對蘋果微觀結構的影響如圖3所示，通過圖3a未處理樣品的電鏡圖可以看出，細胞結構發生了明顯的變形與收縮，細胞塌陷現象較明顯，細胞輪廓不清晰，細胞間隙縮小且不規則。由于真空冷凍干燥的熱傳導加熱方式使干燥時樣品表面同時存在著氣—液兩種不同相態的水，形成了較大的表面張力。長時間的真空冷凍干燥使得細胞間結合非常緊密，細胞因失水發生團聚、聚合等變化，使細胞的間隙大多封閉起來，導致細胞與細胞間幾乎粘合在一起，同時也有塌陷、皺縮及斷裂現象發生。進行干燥時，蘋果組織結構塌陷主要是由于干燥溫度過高，使細胞內的水分和糖分快速蒸發，水分損失和固形物增量越多，細胞組織結構塌陷越嚴重。物料溫度的不斷升高加劇了細胞膜的破裂和細胞壁的破壞，導致了細胞壁的折疊和組織結構的坍塌，細胞骨架結構基本消失［11-12］。圖3b中經過電場處理后樣品，細胞膜的通透性提高，細胞的間隙增大，在較高的溫度和壓力下，細胞膨脹為孔蜂窩狀結構，有利于物料中水分的擴散，同時可以有效改善細胞的傳質方式和速度。

因此，未處理的蘋果樣品，加熱板溫度設定為50℃以上，樣品出現崩塌現象。而經過預處理后，加熱板溫度設定為70℃以上時，樣品出現崩塌現象。因此，可以認為高壓脈沖電場預處理使蘋果樣品的崩塌溫度提高了20℃左右。沒有經過預處理的蘋果崩塌溫度為55℃［6］，所以，經過高壓脈沖電場預處理后蘋果的崩塌溫度為75℃。在干燥過程中，升華階段設定的加熱板溫度應該控制在果蔬的崩塌溫度以下，這樣才能在不破壞果蔬組織保證其品質的同時，提高果蔬的干燥速率。解析階段果蔬中不存在凍結水，加熱板溫度在最高允許溫度80～90℃下盡可能的高，從而供給果蔬中殘留的吸附水更大的能量使其從物料中解析出來，可降低果蔬的最終水分5%～6%。

圖3 加熱溫度70℃時蘋果樣品的電鏡圖（×100）Fig.3 SEM of apples at temperature of 70℃（×100）

3 結論

采用不同的加熱板溫度對蘋果進行真空冷凍干燥實驗，并結合干燥后蘋果的SEM圖進行分析，結果表明：當加熱板溫度設定為70℃時，蘋果樣品出現了明顯的塌陷及斷裂現象。而經過高壓脈沖電場預處理的樣品，在縮短了干燥時間、降低了能耗及物料的最終含水率的同時，樣品的骨架結構保存完整，沒有出現崩塌現象，因此認為升華階段加熱板的溫度設定為70℃為宜。

通過對比，可以發現高壓脈沖電場預處理可以提高果蔬的臨界崩塌溫度20℃左右。對蘋果而言，經過高壓脈沖電場預處理后蘋果的崩塌溫度為75℃。所以在干燥過程中，升華階段設定的加熱板溫度應該控制在果蔬的崩塌溫度以下，這樣才能在不破壞果蔬組織保證其品質的同時，提高果蔬的干燥速率。

［1］左建國，李維仲，翁林崠.冷凍干燥參數對崩塌溫度的影響分析［J］.農業機械學報，2011，42（2）：126-129.

［2］Ba Y，Rahman MS，Perera CO，et al.State diagram of apple slices：glass transition and freezing curves［J］.Food Research International，2001，34（2-3）：89-95.

［3］Antonello Barresi，Sabrina Ghio，Davide Fissore，et al.Freeze drying of pharmaceutical excipients close to collapse temperature：influence of the process conditions on process time and product quality［J］.Drying Technology，2009，27（6）：805-816.

［4］Venir E，MunariM，Tonizzo A，etal.Structure related changesduringmoistening of freeze dried apple tissue［J］.Journal of Food Engineering，2007，81（1）：27-32.

［5］Shishehgarha F，Makhlouf J.Freeze-drying Characteristics of Strawberries［J］.Drying Technology，2002，20（1）：131-145.

［6］Kochs M.The influence of the freeze process on vapor transport during sublimation in vacuum freeze drying of microscopic samples［J］.Heat Mass Transfer，1993，36（7）：1727-1738.

［7］左建國，華澤釗，劉寶林，等.凍干溶液玻璃化轉變溫度的實驗研究［J］.食品科學，2006，27（2）：58-60.

［8］Resch Helmuth.High-frequency electric current for drying of wood-historical perspectives［J］.maderas.Ciencia y tecnología，2006，8（2）：67-82.

［9］YaliWu，Yuming Guo，Dongguang Zhang.Study of the effect of high-pulsed electric field treatment on vacuum freeze-drying of apples［J］.Drying Technology，2011，29（14）：1714-1720.

［10］崔清亮，郭玉明，姚智華.真空冷凍干燥過程參數對解析干燥能耗的影響［J］.中國食品學報，2007，7（4）：56-61.

［11］黃建立，黃艷，鄭寶東，等.不同干燥方式對銀耳品質的影響［J］.中國食品學報，2010，10（2）：167-173.

［12］丁媛媛，畢金峰，木泰華，等.不同干燥方式對甘薯產品品質的影響［J］.食品科學，2011，32（16）：108-112.

Study on the effect of pulsed electric field pretreatment on collapse temperature of apple tissue

WU Ya-li
（College of Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To study the effects of pulsed electric field on collapse temperature and microstructure of apples，thedrying experiments of apple were carried out with different drying temperature. The results showed that whenthe drying temperature at 70℃，the untreated samples had obviously collapse，shrinkage and fracture，however，the treated samples had integrity structure. Meanwhile，the drying time was decreased，the specific energyconsumption was reduced and complete drying of apples could be achieved after pulse electric field pretreated.Finally，after pulsed electric field pretreated，the collapse temperature of fruits and vegetables was increasedabout 20℃ ，and the moisture content after drying was 1.20％ ，however，the moisture content of untreatedsamples was 7.84％. The result was important to solve the collapse phenomena in the drying process.

apple；pulsed electric field pretreatment；drying experiment；collapse temperature；microstructures

TS255.1

A

1002-0306（2015）08-0138-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.019

2014－06－17

吳亞麗（1984－），女，博士，研究方向：農產品加工、生物力學。

太原理工大學引進人才科研啟動經費（tyutrc-201244a）。