冷凍預處理及負壓微波噴動干燥對脫水牛蒡品質的影響

黃家鵬，張慜*，鄭丹丹

（1.江南大學食品學院，江蘇無錫214122；2.海通食品集團股份有限公司，浙江慈溪315300）

冷凍預處理及負壓微波噴動干燥對脫水牛蒡品質的影響

黃家鵬1，張慜*1，鄭丹丹2

（1.江南大學食品學院，江蘇無錫214122；2.海通食品集團股份有限公司，浙江慈溪315300）

以牛蒡為主要原料，在干燥腔內真空壓力波動范圍為12～21 kPa的條件下，研究噴動頻率、微波功率，以及預處理方式，對負壓微波噴動干燥（PSMVD）牛蒡片的干燥特性及質構、收縮率、復水比、感官評分、色澤等品質的影響。結果表明：噴動頻率、微波功率，以及預處理方式對其影響較大，當噴動頻率為3.3 r/min，微波功率為19.8 W/g，采用冷凍預處理（-18℃，12 h）的方式，所得到的牛蒡產品色澤佳、質地松脆、風味濃郁、保質期長。

牛蒡；負壓微波噴動；預處理；冷凍

牛蒡（Arctium lappa L.），俗稱惡實、大力子、東洋參等，是菊科牛蒡屬兩年生草本根菜類植物，以肉根供食用，享有蔬菜之王的美譽，種植地分布于我國臺灣、江蘇、山東等省域。牛蒡根不僅富含蛋白質、氨基酸、菊糖、胡蘿卜素、纖維素、鈣、磷、鐵等人體所需的多種維生素及礦物質，而且含有牛蒡酸、醛類、多炔類及揮發油等多種小分子活性成分［1］。牛蒡根肉質為灰白色，暴露在空氣中會褐變，在貯藏過程中易纖維化而使口感變差甚至無法食用。為保持牛蒡的營養成分并防止鮮貯過程中的纖維化，對收獲后的牛蒡進行切片干燥是行之有效的方法。

傳統微波真空干燥存在產品加熱過程不均勻，易出現冷、熱點現象，影響產品干燥品質。為了克服微波真空干燥不均勻性，負壓微波噴動干燥方法通過周期性的真空壓力變化，帶動物料顆粒周期性噴動，從而提高了物料干燥的均勻性，避免了產品由于局部溫度過高而造成的燒焦現象，提高了干后產品的品質，同時也相應地提高了干燥速率以及降低了有效能耗［2］。

本文中探討了噴動頻率、微波功率，以及預處理方式對牛蒡干燥品質的影響。

1　材料與方法

1.1試驗材料與試劑

牛蒡購買于徐州匯美食品旗艦店，成熟度和粗細基本一致，無腐爛變質現象；抗壞血酸、氯化鈉、D-異VC鈉，均為分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2主要儀器與設備

負壓微波噴動干燥設備，微波頻率915 MHz，江南大學食品學院提供；101-1-BS電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫療器械廠產品；PL203型電子分析天平，CR-400型色度計，日本KONICA MINOLTA公司產品；TA-XT2型質構儀，英國Stable Micro System公司制造；中短波紅外加熱器，泰州圣泰科紅外科技有限公司制造；以及LG家用冷藏冷凍冰箱等。

1.3試驗方法

1.3.1工藝流程牛蒡→清洗→去皮→切片→護色→預處理→負壓微波噴動干燥→包裝→品質評價

1.3.2操作要點

1）切片：牛蒡為圓柱體，從中間一分為二，將牛蒡斜切成橢圓形片狀，厚度為3 mm。

2）護色：將切后的牛蒡片放入護色液（質量分數0.5%抗壞血酸+質量分數0.5%NaCl）常溫浸泡30 min；將護色后的牛蒡片放入95℃質量分數0.5%的D-異Vc鈉溶液中熱燙3～5 min，取出后立即用冷卻水冷卻。

3）負壓微波噴動：將預處理后的牛蒡片置于負壓微波噴動干燥腔內，調節噴動頻率、微波功率以及真空度，以物料濕基含水量低于質量分數6%為干燥終點。

4）包裝：干燥后樣品不易吸潮，對光照不敏感，采用一般塑封袋包裝即可，置于干燥陰涼處。

5）品質評價：將干燥后所得樣品進行收縮率測量、復水率對比、質構分析、色差測量、感官評分。

1.3.3指標測定

1）水分含量：參照國標GB5009.3-2010食品中水分的測定方法，鮮切牛蒡濕基含水率為質量分數80.6%。

2）樣品體積和收縮率的測定：采用小米法測出干燥前后物料的體積，文字表達式：

物料的體積=（小米+物料的體積）-小米的體積再通過前后體積比計算出收縮率

式（1）中，v1為干燥前牛蒡的體積（mL）；v2為干燥后牛蒡的體積（mL）。每個實驗條件下干燥樣品的收縮率測量3次，平均測量值用于數據處理與分析。

3）復水比的測定［3］：稱取牛蒡干制品5 g，置于250 mL的燒杯中，再向燒杯中加入150 mL的蒸餾水，放入45℃恒溫水浴中復水，1 h后取出，用濾紙擦干表面水分，稱量復水前后的質量。復水比

式（2）中，mg為干燥后牛蒡的質量（g）；mf為復水后瀝干水分的牛蒡質量（g）。每個實驗條件下干燥樣品的復水比測量3次，平均測量值用于數據處理與分析。

4）質構測定：用TA-XT2物性測試儀進行壓縮破壞試驗，以測定負壓微波噴動干燥牛蒡片的脆度力學特征參數。試驗結果用脆度（g）來表示，脆度是樣品的脆度點出現在下壓探頭第一次沖向樣品過程中坐標圖上的第一個明顯壓力峰值處，峰值越小樣品越脆。根據牛蒡脆片的物理特性，選用P 0.5S探頭（Surrey，UK）。測試條件為：測前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度5 mm/s，觸發力為20 g（1 g=9.8 mN），壓縮比為70%。每次處理的樣品重復做5次，取其平均值［4］。

5）色澤：采用自動色差儀直接測定，每個樣品平行測定3次。L*值表示色澤明暗度，a*值表示色澤紅綠程度，b*值表示色澤黃藍程度。

6）感官評分標準：選擇作者所在實驗室的10位同學對干燥后的牛蒡片進行感官評分，綜合考慮干制品色澤、風味和外形指標，滿分10分，表1為具體的感官評分標準。

表1　牛蒡片感官評價標準Table 1Burdock slices sensory evaluation criteria

2　結果與分析

2.1噴動頻率對牛蒡片干燥特性及品質的影響

脈沖噴動對牛蒡片干燥的均勻性影響較大。Feng與Tang經對蘋果片噴動床干燥研究后發現：蘋果片使用靜止床干燥2.5 min后，蘋果片之間的溫度差最大值達到127.5℃；使用微波噴動床后，蘋果片之間的溫度變化值最高是±1.4℃，在干燥的最后階段這個變化值上升到±4℃［5］。在脈沖噴動干燥中主要研究的是噴動頻率對物料干燥特性的影響。

圖1為噴動頻率（1.25、1.8、3.3 r/min）對牛蒡片濕基含水率的影響。由圖1可以看出，隨著脈沖噴動頻率的增加，物料的干燥速率加快；這是由于脈沖噴動加快，牛蒡片較為均勻的攪動有利于水分的傳質過程，進而干燥速率加快。而干燥10 min后，頻率為1.8 r/min時干燥速率最快，干燥速率V（頻率3.3 r/min）＜V（頻率1.8 r/min），這可能是由于噴動的氣體為常溫的氣體，頻率過快導致大量的常溫氣體與熱牛蒡片接觸，從而降低了牛蒡片的表面溫度，影響了水分的蒸發，進而相對于頻率為1.8 r/min時的負壓微波噴動干燥速率有所降低。范樂明等［2］在研究土豆片脈沖噴動干燥特性時也發現了同樣的效果，干燥前期，隨著脈沖噴動頻率增大，干燥速率V（頻率3.75 r/min）＜V（頻率5 r/min）；隨著干燥時間的延長，在干燥后期，頻率為5 r/min時干燥速率最快，干燥速率V（頻率7.5 r/min）＜V（頻率5 r/min）。

復水能力和收縮率是評價干燥產品品質特征的重要指標，復水能力能夠反映干燥及預處理方式對產品結構及成分產生的物理化學變化的影響程度［6］；收縮率則能夠反映物料在干燥過程受熱的均勻程度。

圖1　噴動頻率對牛蒡片濕基含水率的影響Fig.1Effectofdifferentpulsefrequencyonthe moisture content of burdock slices

由圖2可以看出，隨著脈沖噴動頻率的增加，牛蒡片的收縮率和復水比呈一定的上升趨勢。當噴動頻率為3.3 r/min時，牛蒡片的復水比為3.97，皺縮率為0.3；此時牛蒡片的表面呈現出致密的蜂窩狀小孔，這是因為周期性的壓力變化在牛蒡片內形成了一個交變的壓力差，導致牛蒡片內部細胞相互擠壓，從而產生致密的細胞結構；同時在噴動過程中，溫度低及干燥均勻度高，牛蒡片樣品的組織結構及成分發生較少的物理化學變化，所以頻率為3.3 r/min的樣品具有較高的復水能力；相比于前兩種噴動頻率干燥下的牛蒡片，頻率為3.3 r/min的樣品在干燥結束時形狀平整，基本接近橢圓形，這是因為隨著噴動頻率的增加，牛蒡片受熱的均勻度增加，在噴動干燥過程中沿徑向均勻收縮，且樣品在干燥過程中實現的是空間運動而不是平面運動，所以其收縮的程度最小。

圖2　噴動頻率對牛蒡片收縮率和復水比的影響Fig.2Effect of different pulse frequency on the shrinkage percentage and re-hydration rate of burdock slices

果蔬脆片可作為休閑食品直接食用，主要由硬度和脆度等力學指標描述產品品質特征。硬度指第一次穿破樣品時的壓力峰值，即整個樣品抵抗外力破壞過程中出現的最大峰值。硬度越大，樣品越有嚼勁，但硬度過大口感較差。脆度是樣品出現在下壓探頭第一次沖向樣品過程中坐標圖上的第一個明顯壓力峰值，峰值越小表示越脆［7］。

由圖3可以看出，噴動頻率對牛蒡片的脆度和感官評分有較大影響。當噴動頻率為3.3 r/min時，破碎力為4.3 kg（1 kg=9.8 N），感官評分為7.8；而頻率為1.8 r/min時，其破碎力竟高達5.5 kg。研究中主要通過檢測破碎力的大小來反映牛蒡片脆度，破碎力越小，表明脆度越大［8］。總體而言，當頻率為3.3 r/min時牛蒡片所體現的感官品質均優于前兩者，但仍有小部分牛蒡片呈焦黃色，可能是由于微波的功率過高。

圖3　噴動頻率對牛蒡片破碎力和感官評分的影響Fig.3Effect of different pulse frequency on the friability and sensory score of burdock slices

2.2微波功率對牛蒡片干燥特性以及品質的影響

在食品的干燥過程中，塊狀物料中心的水分不能及時逸散導致含水量處于較高水平，水分子屬于極性分子，對微波的吸收能力很強，易使物料中心吸收過多微波能量，導致物料炭化，產品品質嚴重下降。馬鈴薯塊莖中淀粉含量較高，并且經過熟化處理后具有較高的膨潤度［9］，在微波干燥過程中易產生膨化效果。然而，高微波功率會使得顆粒急劇膨化，最終產品僅剩一層外皮；低微波功率僅僅達到干燥的目的，并無膨化效果。因而在實驗中需要控制微波功率，以控制和改善產品干燥后的品質。

本實驗中設定噴動頻率3.3 r/min，微波功率13.2、19.8、26.4 W/g條件下，進行牛蒡片負壓微波噴動干燥試驗，得到的干燥曲線如圖4所示。可以看出，在相同的噴動頻率（3.3 r/min）下，隨著微波功率的增大，物料濕基含水率降低加快，干燥時間縮短，如微波功率為26.4 W/g時，物料干燥至濕基含水率低于質量分數6%所需時間為30 min，而微波功率為13.2 W/g所需的時間卻為50 min。在干燥后期，微波功率為13.2 W/g時，干燥的速率更快，這可能是因為在同時間內微波功率較小條件下的牛蒡片含水率大，因而吸收的能量也大。

圖4　微波功率對牛蒡片濕基含水量變化的影響Fig.4Effect of microwave power on the moisture content of burdock slices

由圖5可以看出，當微波功率為19.8 W/g時，牛蒡片的收縮率為0.6，復水比為5.36，復水比Rr（功率19.8 W/g）>Rr（功率26.4 W/g）>Rr（功率13.2 W/g）。Rr（功率19.8 W/g）>Rr（功率13.2 W/g）的原因是：微波功率越大，單位質量和時間內樣品吸收的微波能越多，提高了水分蒸發強度，從而使得樣品在復水時更容易吸收水分，改善了產品的復水性能［10］；但是隨著微波功率的增加，復水比Rr（功率19.8 W/g）＞Rr（功率26.4 W/g），這可能是由于過高的微波功率導致樣品內部溫度升高過快，從而發生了不可逆的物理化學變化，一些溶質從破壞的細胞中遷移到樣品的表面形成一層堅硬的外殼，致使樣品表面產生了封閉的組織結構，影響了樣品的復水能力。

圖5　微波功率對牛蒡片收縮率和復水比的影響Fig.5Effect of microwave power on the shrinkage percentage and re-hydration rate of burdock slices

由圖6可知，當微波功率為19.8 W/g時，牛蒡片的破碎力和感官評分都達到最佳，即破碎力為3.9 kg，感官評分7.3。功率過低，容易造成樣品干燥不完全，質地太軟，如功率為13.2 W/g時，牛蒡片的干燥用時較長，需要50 min，其色澤和質地遠不如后兩者，且在儲存的過程中，牛蒡片很容易吸潮“回軟”。功率過高，樣品吸收的微波能多，水分散失過快，過干對產品的質地以及色澤有一定的影響，如功率為26.4 W/g時，其破碎力竟高達5.2 kg，質地太硬，且干后產品色澤暗淡，呈現出焦黃色，對其風味也有所影響。所以綜合考慮，確定微波功率為19.8 W/g。

圖6　微波功率對牛蒡片破碎力和感官評分的影響Fig.6Effect of microwave power on the friability and sensory score of burdock slices

2.3不同的預處理方式對牛蒡片干燥特性以及品質的影響

預處理是果蔬加工過程中的一個重要工序，很多加工品都需要這一單元操作。一般而言，預處理對最終產品的色、香、味、形和營養保持具有重要作用。如冷凍預處理對甘薯以及胡蘿卜的變溫壓差膨化產品品質有很大的影響［11-12］；浸漬質量分數為4%的麥芽糊精有利于維持杏鮑菇脆片的形狀，改善產品的硬度和脆度［13］；前期的熱風預處理對牛蒡微波干燥后品質有很大的改善［3］。本實驗中設定噴動頻率3.3 r/min，微波功率19.8 W/g，采取3種不同的方式對牛蒡片進行預處理，即熱風預處理、紅外預處理、冷凍預處理。熱風和紅外預處理的溫度均設置為75℃，牛蒡片的濕基含水率干燥至質量分數70%；冷凍預處理即-18℃下冷凍12 h。

由圖7可以看出，不同預處理方式對牛蒡片干燥后品質有很大的影響。經過冷凍預處理的牛蒡片在干燥后具有較高的收縮率（0.5）和復水比（4.08），而經過熱風和紅外預處理的牛蒡片復水比遠低于未預處理的樣品，Rr（熱風）=3.66，Rr（紅外）=3.53，Rr（未預處理）=3.9。冷凍預處理的牛蒡片具有較高的復水比和收縮率，這與一些學者的研究結果一致，如McMinn等認為，干燥過程收縮越小，多孔性越好，則復水性越好。而經過熱風和紅外預處理的樣品復水比較低，這是因為在熱風和紅外預處理干燥的過程中，牛蒡片內部發生了不可逆的物理化學變化，一些溶質從破壞的細胞中遷移到樣品的表面，形成一層堅硬的外殼，導致樣品表面產生封閉的組織結構［14］；同時熱風預處理是外部提供能量促進干燥過程進行，傳熱和傳質方向相反，使牛蒡表面易于形成一層致密的外殼，降低了牛蒡片的復水能力［15］。未處理的牛蒡片在干燥過程中收縮率最小（0.33），即皺縮最明顯；這是因為未處理的樣品水分含量過大，在干燥的過程中很容易粘結聚集，增大噴動的難度，影響了樣品受熱的均勻性。

圖7　預處理方式對牛蒡片收縮率和復水比的影響Fig.7Effect of pretreated methods on the shrinkage percentage and re-hydration rate of burdock slice

圖8中冷凍預處理的牛蒡片破碎力（2.4 kg）最小，感官評分高達8.6，產品的外觀、色澤、松脆度明顯高于前幾組。這是由于在冷凍階段，低溫固化了物料內部的纖維結構，有利于后期干燥產品形狀的保持。在冷凍過程中，細胞內核、細胞間隙內冰晶的形成和體積的增大，使細胞原生質、細胞壁等細胞結構受到機械損傷，使得解凍后的產品的質地比新鮮的要軟，進而在膨化過程中增加了產品的松脆度［16］。這與已有的一些研究結果一致，如郭婷在研究預處理對甘薯變溫差膨化干燥產品品質的影響時發現，經過-18℃下冷凍預處理的甘薯所制備的膨化產品具有良好的色澤和酥脆性［12］。因此冷凍預處理對脫水牛蒡的影響遠優于前兩種。

圖8　預處理方式對牛蒡片破碎力和感官評分的影響Fig.8Effect of pretreated methods on the friability and sensory score of burdock slice

圖9顯示了不同預處理方式噴動干燥制得的牛蒡片色澤對比，其中以新鮮牛蒡的色差值為基準。可以看出：與新鮮牛蒡片相比，噴動干燥過程中L*值由65.4增至76左右，a*值有所降低，b*值由5.7增至21左右。在噴動干燥的過程中，牛蒡片亮度變大，并向綠、藍偏移，這是因為真空環境降低了樣品表面水蒸氣的濃度和產品內部水的沸點，使樣品內部和外部的壓力差增大，從而使水分能在較低溫度下快速蒸發；同時真空環境能夠很好地保存樣品的營養成分，防止氧化反應。因此，干后產品的風味、顏色，以及質構有所提高。Joanna等在真空干燥土豆過程中也發現了土豆亮度變大，并向綠、藍偏移［17］。

圖9　預處理方式對牛蒡片顏色指標的影響Fig.9Effect of pretreated methods on the total color of burdock slice

3　結語

負壓微波噴動干燥中，噴動頻率、微波功率，以及預處理方式，對干后產品品質的影響很大。在噴動頻率為3.3 r/min，微波功率為19.8 W/g，采用冷凍預處理的方式，所得到的牛蒡片形狀平整、質地松脆、復水能力強；干燥后產品的收縮率為0.5，破碎力為2.4 kg，復水比為4.05。與傳統的微波真空干燥相比，負壓微波噴動干燥過程快，產品色澤優、品質高、均勻性好。方法可推廣應用于其它果蔬的加工。

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Effects of Frozen Pre-Treatment and Pulse-Spouted Microwave Vacuum Drying on the Quality of Dehydrated Burdock

HUANG Jiapeng1，ZHANG Min*1，ZHENG Dandan2
（1.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Haitong Food Group Company，Cixi 315300，China）

This paper investigated the effects of pulse frequency，microwave power and pre-treatment on the texture，shrinkage percentage，re-hydration rate，sensory score and total color difference of burdock slices dried by pulse-spouted microwave vacuum drying（PSMVD）at the pressure range of 12～21.0 KPa.Results showed that with the pulse frequency 3.3 times/min，microwave power 19.8 w/g and frozen pretreatment at-18℃for 12 h，burdock slices possessed good color，crispiness，rich flavor and long shelf life.

burdock，pulse-spouted microwave vacuum，pretreat，frozen

TS 254

A

1673—1689（2015）12—1262—07

2014-09-24

國家863計劃重點項目（2011AA100802）。

張慜（1962—），男，浙江平湖人，工學博士，教授，博士研究生導師，主要從事農產品加工與貯藏研究。E-mail：min@jiangnan.edu.cn