不同預處理方法對馬鈴薯片熱泵干燥速率及其干片品質的影響

金雪凍，付婷婷，王輝，段嬌嬌，孫燕，游茂蘭，覃小麗，劉雄*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(貴州省生物技術研究所，貴州 貴陽，550006)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)，又名土豆、洋芋等，營養豐富，糧菜兼用，能夠為人體提供多種營養成分，被譽為“十全十美的食物”[1]，是日常膳食中鉀、鎂、鐵、維生素C、維生素B6和膳食纖維的重要來源[2]，且塊莖中富含優質蛋白質，易被人體消化吸收[3]。另外，馬鈴薯還具有多種藥用及保健功效[2,4-5]。由于其適應性強、耐瘠薄干旱、產量高和可供人類食用部分高達85%[6]等特點，所以在各大洲擴展迅速，現已與小麥、稻谷、玉米、高粱并稱為世界五大糧食作物[7]。2015年我國提出馬鈴薯主糧化發展戰略，使其逐漸變成第四大主糧作物[8]。我國馬鈴薯總產量雖然豐富，但大量的馬鈴薯僅作為鮮食和飼用，只有14%用于加工，其潛在的經濟價值并未被完全開發[9]。

馬鈴薯干片生產能提高馬鈴薯資源利用率，減少其腐敗變質，從而延長貨架期，為馬鈴薯的深加工提供重要原料，提高馬鈴薯的經濟價值。在干片生產過程中，干燥速率和干片品質不僅會受到干燥方式的影響，也會受到不同預處理技術的影響。良好的預處理方法不僅能有效地防止產品蜷曲變形，而且對于縮短干燥時間、抑制酶促褐變、控制產品色澤、改善產品質構、提升產品檔次和降低生產成本等方面均具有顯著的作用。趙玉生等[10]研究發現燙漂和凍結處理均能提高胡蘿卜丁的干燥速率。AMMAR等[11]研究發現脈沖電場預處理可使馬鈴薯樣品的干燥速率大幅提高，但會加劇酶促褐變，引起營養素損失。洪劍等[9]綜述了多種馬鈴薯褐變抑制預處理技術，常用的有加入優化后的復合護色劑、酸性電解水等預處理方法，二者均具有良好的褐變抑制效果，但高昂的成本限制了其在工業中的推廣。SUKHONTHARA等[12]研究發現米糠提取物對馬鈴薯褐變的抑制效果明顯優于檸檬酸，但成本較高而受限。工業生產中常用亞硫酸鹽對馬鈴薯片進行預處理，成本低廉、操作簡單，但產品中有SO2殘留[9]。亟待開發易操作、低成本、安全無污染且能夠提高馬鈴薯片干燥速率和干片品質的預處理方法。

本試驗采用熱泵干燥方式，研究燙漂、汽蒸、冷凍、汽蒸+冷凍以及燙漂+冷凍等5種不同預處理方法對鮮切馬鈴薯片的干燥速率及其干片品質的影響，篩選出較優的預處理方法，對馬鈴薯加工產業尤其是馬鈴薯干片生產具有一定的理論指導作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮馬鈴薯：品種為青薯9號，初始含水量為81.75%，由貴州省生物技術研究所提供；CuSO4·5H2O、K2SO4、H2SO4、H3BO3、NaOH、C2H5OH等：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器及設備

HH-6D型數顯恒溫水浴磁力攪拌器，惠州市宏業儀器有限公司；WB-KQ01型熱泵(移動除濕烘干機)，廣州溫伴節能熱泵有限公司；DHG-9070型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；UltraScan PRO型測色儀，美國HunterLab公司；TA.Plus型物性測定儀，英國Stable micro system公司；Phenom Pro型掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯干片生產工藝流程

原料挑選→清洗→去皮→切片→漂洗→不同預處理→涼水冷卻→瀝水、擦干表面水分→熱泵干燥→干制品

操作要點：(1)應挑選表面平整光滑，無芽眼、無蟲害，大小均勻且呈圓形或橢圓形的新鮮馬鈴薯；(2)將去皮后的馬鈴薯沿橫向進行切片，要求厚薄均勻，厚度約為2.5 mm；(3)提前5 min開啟熱泵并將其干燥條件設置為[13-14]：定值干燥，干球溫度50 ℃，相對濕度30%，干燥至水分含量不大于15%即可。干燥結束待干片冷卻后，裝入自封袋中備用。

1.3.2 預處理方法

對照組：空白對照，切片漂洗擦干表面水分之后即可放入熱泵中干燥。

燙漂組：以料液比1∶5(g∶mL)將樣品放入裝有沸水的燒杯中，然后將其置于恒溫水浴鍋中，100 ℃條件下燙漂3 min(前期經一系列預實驗后確定此條件參數，下同)。

汽蒸組：稱取400 g樣品置于直徑為24 cm的蒸籠內，盡量使樣品散開平鋪于整個蒸籠內，加蓋汽蒸3 min。

冷凍組：稱取樣品置于自封袋中，平鋪放置于-20 ℃冰柜中，冷凍3 h。

汽蒸+冷凍組：先將樣品進行汽蒸3 min，然后經過涼水冷卻、瀝水擦干之后再進行-20 ℃，3 h的冷凍處理。

燙漂+冷凍組：先將樣品進行沸水燙漂3 min，再經涼水冷卻、瀝水擦干之后進行-20 ℃，3 h的冷凍處理。

1.3.3 水分含量的測定

采用常壓干燥法，按照國標GB 5009.3—2016 《食品安全國家標準食品中水分的測定》[15]測定。以樣品的濕基含水率為準，每隔1 h取各處理組樣品進行水分含量測定，平行3次試驗，取平均值。按式(1)計算樣品的水分含量。

(1)

式中：mt,樣品t時刻對應的質量，g；ms,樣品恒重時的質量，g。

1.3.4 色澤的測定

將樣品粉碎，過40目篩，裝入自封袋后使用測色儀對樣品進行色澤測定，依次讀取L*值、a*值、b*值，平行8次測量，取平均值。L*值表示亮度；a*表示紅綠值，“+”表示偏紅，“-”表示偏綠；b*表示黃藍值，“+”表示偏黃，“-”表示偏藍。

1.3.5 硬度和脆度的測定

使用物性分析儀進行三點彎曲試驗測定樣品的硬度和脆度，探頭型號為HDP-3PB。儀器測試條件設置為：測量模式，下壓過程測量力；測試前速度為2.0 mm/s，測試速度為0.5 mm/s，測試后速度為10.0 mm/s，測試距離25.0 mm，支撐平臺兩支點間的跨度為20 mm。以坐標圖中出現的最大壓力峰值表示硬度，即樣品斷裂所需的最大力[16]。以最大壓力峰值所對應的橫坐標值作為樣品的脆度，值越大脆度越大。每組樣品重復測定8次，取平均值。

1.3.6 復水比的測定

將干燥不同時長的各組樣品分別取2 g左右放入水浴鍋中，90 ℃恒溫浸泡30 min后取出放在無風處瀝水20 min，再用濾紙吸去表面水分，最后稱質量，計算復水比[17-18]。按式(2)計算樣品的復水比。

(2)

式中：m1,樣品復水后瀝干水分所稱得的質量，g；m0,樣品復水前的質量，g。

1.3.7 蛋白質含量的測定

參考國標GB 5009.5—2016 《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》[19]，采用凱氏定氮法。

1.3.8 馬鈴薯片干制品表面及內部超微結構觀察

將樣品切成2 mm×2 mm×1 mm薄片，采用掃描電鏡觀察馬鈴薯片干制品的微觀結構[20-21]。將樣品薄片固定在掃描電鏡專用樣品套件上，在真空條件下對樣品表面進行鍍金處理，最后將其放入掃描電鏡中檢測，在放大250倍條件下觀察樣品表面微觀結構[16]，在放大1 000倍的條件下觀察樣品內部微觀結構，即樣品的截面微觀結構。

1.4 數據統計分析

所有的試驗結果均用平均值±標準偏差(n=3)表示，使用Excel 2010與SPSS 22.0版統計軟件對試驗數據進行處理和顯著性分析(顯著性水平P<0.05)，用Origin 8.6軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同預處理方法對馬鈴薯片干燥特性的影響

不同預處理方法下馬鈴薯片干燥曲線整體呈“L”型(如圖1)，各組樣品水分含量隨干燥時間的延長而降低，且在不同時間段干燥速率均有所不同。冷凍處理的馬鈴薯片初始水分含量有所降低，這是由于冷凍形成的冰晶破壞了細胞結構，細胞內水分在冰晶融化過程中游離出來[22]。

圖1 不同預處理方法下馬鈴薯片的干燥曲線Fig.1 Dying curves of potato slices by different pretreatment methods

整個干燥過程中，在前2 h，各組樣品干燥速率由快到慢的排序為：汽蒸>燙漂+冷凍>對照>燙漂>冷凍>汽蒸+冷凍。原因可能是由于汽蒸高溫對馬鈴薯片內部組織結構破壞較大，使得片中水分向表面遷移迅速，很大程度加快了干燥速率。而經冷凍處理使得大部分水變成冰晶，需要吸熱融化成液態水后才能蒸發，故干燥速率緩慢。燙漂組的樣品由于糖等可溶性化合物的浸出和燙漂期間淀粉糊化[23]，在樣品表面形成的膜減緩了干燥速率，與文獻報道的燙漂可以提高干燥速率[10,24]的結論有所不同，這可能與樣品的種類和所含基本成分有關。而燙漂后再經冷凍處理則對樣品表面的膜具有一定的破壞作用，加快了干燥速率。在2～4 h，各組樣品干燥速率由大到小的順序為：汽蒸+冷凍>冷凍>燙漂>對照>燙漂+冷凍>汽蒸，與前2 h相比，汽蒸組和汽蒸+冷凍組的干燥速率變化最大。原因可能是前期水分遷移迅速將可溶性物質帶到馬鈴薯片表面與糊化淀粉形成薄膜覆蓋在樣品表面，從而使汽蒸處理組的干燥速率降低。而此時汽蒸+冷凍組由于冰晶全部融化成液態水，且汽蒸和冷凍處理使馬鈴薯片細胞組織結構破壞嚴重，水分溢出加快了干燥速率，冷凍組亦如此。在4～6 h，各組樣品干燥速率持平且均接近于0，樣品脫水極其緩慢且樣品的含水量基本保持在10%左右。原因是絕大部分自由水已經被脫除且受干燥環境介質濕度的影響，樣品與環境中介質濕度趨于平衡，故干燥速率極其緩慢。

馬鈴薯干片的水分含量≤15%的標準即可，由圖1可知，對照組水分含量降到15%需要干燥2.7 h，而汽蒸組樣品干燥2 h即可使水分含量達到14.80%，用時縮短了25.9%，提高了干燥效率。

2.2 不同預處理方法對馬鈴薯干片品質的影響

2.2.1 不同預處理方法對馬鈴薯干片色澤的影響

色澤是評判食品品質優劣的重要指標之一。由圖2可知，不同預處理方法對馬鈴薯干片的色澤均有影響。與對照組相比，各預處理組的L*值均有所降低，即馬鈴薯干片的亮度減小，且具有顯著性差異(P<0.05)。其中，冷凍處理對馬鈴薯片的亮度影響最大，使L*值由(91.06±0.28)降到了(77.46±0.42)，其亮度值最低。一方面，可能是由于干燥過程前期冷凍處理組干燥速率較慢，隨著時間的延長、溫度升高，酶促反應進行地更加徹底，褐變比對照組嚴重；另一方面，隨著冰晶的融化會將部分VC、可溶性物質以及多酚氧化酶等物質帶到馬鈴薯片表面發生氧化反應，加重酶促褐變反應。不同預處理組b*值由小到大排序為：冷凍<對照<汽蒸+冷凍<燙漂<燙漂+冷凍<汽蒸，其中汽蒸組的b*值達到了最大值(31.77±0.56)，樣品呈明亮的淡黃色，色澤較好。樣品的a*值變化范圍是(2.67±0.16)～(7.27±0.56)，表明了預處理方法對樣品色澤的影響較小。

圖2 不同預處理方法下馬鈴薯干片色澤的比較Fig.2 Effects of different pretreatment methods on the color of dried potato slices

2.2.2 不同預處理方法對馬鈴薯干片硬度和脆度的影響

硬度和脆度對馬鈴薯干片的運輸和保藏性能具有一定的影響，是評價干片品質的重要指標，硬度較小、脆度較大均不利于干片的運輸和保藏。由圖3可知，各組硬度由小到大的排列順序為：冷凍<對照<汽蒸<汽蒸+冷凍<燙漂+冷凍<燙漂，硬度值在(493.74±33.39)～(1 871.16±33.28)g之間，其中經冷凍處理的樣品硬度最小，且顯著小于(P<0.05)其余預處理組。燙漂組硬度最大，這與樣品內部淀粉凝膠的剛性結構有關[23]；另外，在干燥期間經燙漂的馬鈴薯片存在連續的結構坍塌，降低了馬鈴薯片的孔隙度，密度增加[25]；而且在干燥過程中馬鈴薯片表面糊化淀粉形成的膜硬化也會增大其硬度。汽蒸+冷凍和燙漂+冷凍處理組硬度無顯著性差異(P>0.05)，但均小于燙漂組，汽蒸組硬度較為適中，達到了(1 546.35±23.76)g。通過單因素方差分析，不同預處理組的脆度可分為3個顯著性水平(P<0.05)，其中對照組和冷凍組的樣品脆度顯著大于其余各組(P<0.05)，分別達到了(19.35±0.27)mm和(20.10±0.61)mm，脆度較大使產品更容易破碎，不利于產品的處理和包裝[25]。而燙漂組、汽蒸組、汽蒸+冷凍組以及燙漂+冷凍組4組間的脆度處于同一水平，無顯著性差異(P>0.05)。

圖3 不同預處理方法下馬鈴薯干片硬度和脆度的比較Fig.3 Effects of different pretreatment methods on the hardness and crispness of dried potato slices

2.2.3 不同預處理方法對馬鈴薯干片復水比的影響

復水性可反映物料在干燥過程中各方面變化的程度，是評價干燥果蔬產品品質的主要指標之一，也可作為評價食品可接受程度的一項指標[26]，復水性常以復水比來表示。由圖4可知，不同預處理方法對樣品復水性的影響存在顯著性(P<0.05)差異。各組樣品復水比范圍是(3.36±0.23)～(4.65±0.06)，由大到小的順序為：汽蒸>燙漂>汽蒸+冷凍>燙漂+冷凍>冷凍>對照，存在3個不同的顯著性(P<0.05)水平，即對照和冷凍、汽蒸+冷凍和燙漂+冷凍、燙漂和汽蒸，說明各預處理方法均能夠不同程度地提高馬鈴薯干片的復水性。其中，汽蒸組樣品復水比最大，達到了4.65，相較于對照組復水比提高了38.4%。復水能力與樣品內部細胞結構有很大關系[27]，由于不同預處理方法對于馬鈴薯片的組織結構均有不同程度地改變，其復水能力隨之受影響。此外淀粉顆粒破損后也會增加其吸水率[28]。

圖4 不同預處理方法下馬鈴薯干片復水比的比較Fig.4 Effects of different pretreatment methods on the rehydration of dried potato slices

2.2.4 不同預處理方法對馬鈴薯干片蛋白質含量的影響

蛋白質含量能在一定程度上反映馬鈴薯干片的營養價值，使干片蛋白質含量降低的預處理方法會降低其營養品質。由圖5可以看出，與對照組相比，除汽蒸處理外其余4種預處理方法均使樣品的蛋白質含量不同程度地降低，由高到低可劃分為4個顯著性(P<0.05)水平：對照和汽蒸、汽蒸+冷凍、燙漂和冷凍、燙漂+冷凍。其中，汽蒸組樣品蛋白質含量達到了(9.90±0.03)%，顯著高于其余預處理組樣品中蛋白質含量。原因如下：一方面，可能是由于汽蒸處理避免了馬鈴薯片與水直接接觸，抑制了蛋白質等可溶性物質浸出流失到水中；另一方面，形成的淀粉凝膠具有保護作用[23]；另外，經過冷凍處理的樣品隨著其中冰晶的融化，蛋白質會隨著水分的逸出而流失，從而降低了蛋白質含量。

圖5 不同預處理方法下馬鈴薯干片中蛋白質含量的比較Fig.5 Effects of different pretreatment methods on the protein content of dried potato slices

2.2.5 不同預處理方法對馬鈴薯干片微觀結構的影響

不同預處理方法下馬鈴薯干片表面微觀結構和內部微觀結構如圖6和圖7所示。

a-對照組；b-燙漂組；c-汽蒸組；d-冷凍組；e-汽蒸+冷凍組；f-燙漂+冷凍組圖6 不同預處理方法下馬鈴薯干片的表面微觀結構Fig.6 Effects of different pretreatment methods on the surface microstructure of dried potato slices

a-對照組；b-燙漂組；c-汽蒸組；d-冷凍組；e-汽蒸+冷凍組；f-燙漂+冷凍組圖7 不同預處理方法下馬鈴薯干片的內部微觀結構Fig.7 Effects of different pretreatment methods on the internal microstructure of dried potato slices

由圖可知，對照組(圖6-a、圖7-a)和冷凍組(圖6-d、圖7-d)干片的微觀結構較為相近，與其余的預處理組具有較大的差異。經干燥后，對照組和冷凍組干片表面均沒有形成完整的薄膜，且無完整的細胞輪廓，內部被排列較為緊湊的淀粉顆粒[28]所充滿，并且數顆淀粉顆粒被包含在一個空腔內，這種結構使樣品的硬度和復水性較差、脆度較大。除對照組和冷凍組外，其余4種預處理組的樣品表面均形成一層皺縮程度和硬化程度略有差異的薄膜。這是因為燙漂和汽蒸等高溫處理使樣品表面細胞組織發生皺縮，同時因糊化淀粉、糖類物質以及可溶性固形物等物質的存在，經過長時間干燥形成了膜，并且隨著干燥的進行，出現了“結殼硬化”現象，其中，燙漂組(圖6-b)最為嚴重。而且，這4組樣品內部細胞均被糊化的淀粉基質填充[23,30]，無完整的淀粉顆粒，呈現類似于“磚塊堆砌”的結構,該結構賦予了干片一定的硬度和脆度(圖3)以及較好的復水性(圖4)；同時，也可較清晰地看出各馬鈴薯細胞的輪廓及其之間的縫隙，可能是由細胞組織間的孔道所形成，也在一定程度提升了干片的復水性。

3 結論

本文通過比較不同預處理對馬鈴薯片熱泵干燥速率及其干片品質的影響，得到以下結果：在干燥速率方面，僅汽蒸和燙漂+冷凍2種預處理能提高馬鈴薯片干燥速率，但燙漂+冷凍處理干燥速率提升不明顯；在外觀和質構方面，冷凍處理使干片表面蜷曲嚴重，色澤最差，且易碎裂不利于保藏運輸，其余4種預處理均使干片表面平整，色澤良好，呈明亮的淡黃色，并具有較好的質構特性；在復水性和蛋白質含量方面，燙漂和汽蒸處理的干片復水性最好，冷凍處理復水性最差，且汽蒸處理使馬鈴薯片中蛋白質得以最大限度的保留，而燙漂+冷凍處理蛋白質損失嚴重。在微觀結構方面，除冷凍處理外其余4種處理均使干片表面形成“結殼硬化”的膜結構，內部形成“磚塊堆砌”結構，這與干片的品質特性密切相關。

綜上所述，從馬鈴薯干片的綜合品質來看，汽蒸處理效果最好，燙漂次之，冷凍最差，而汽蒸+冷凍和燙漂+冷凍的處理方式雖然對干片品質有所改善，但操作較為繁瑣費時，且品質并不是最好。因此，汽蒸是最佳的預處理方式，不僅使干片品質達到最佳，而且能顯著提高馬鈴薯片干燥速率，是一種簡單易操作、低成本、適合大范圍推廣的預處理方法。