獼猴桃在凍干-真空微波聯(lián)合干燥過程中的品質變化與水分分布特征

廉苗苗，黃略略，段續(xù)*

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471023)2(深圳職業(yè)技術學院 應用化學與生物技術學院，廣東 深圳，518055)

獼猴桃富含有機酸、維生素、類胡蘿卜素、黃酮類化合物及多種礦物質元素,營養(yǎng)豐富[1-2]。新鮮獼猴桃中水分含量高，極易腐敗變質[3]，因此將新鮮獼猴桃切片加工成干制品，能極大地延長保質期及貨架期。傳統(tǒng)的獼猴桃干燥方法有熱風干燥(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]。熱風干燥容易使干制品的品質難以控制[6]。微波干燥雖然熱效率高，干燥后的產(chǎn)品質量好，但干燥過程很難控制，容易因過熱導致產(chǎn)品出現(xiàn)燃燒、糊化、表面硬化等現(xiàn)象[7-9]。真空冷凍干燥技術可以最大限度地保留獼猴桃原有的營養(yǎng)成分和形狀[10-12]，但干燥效率低，運行成本高[13-14]。事實上，冷凍干燥的大部分水分在升華段已被去除，解析段耗時雖長，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的凍干解析干燥段，從而縮短干燥時間。相關報道已證實，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)約將近一半時間[15-17]，能耗也大幅度下降，但產(chǎn)品品質接近凍干產(chǎn)品，明顯優(yōu)于真空微波干燥產(chǎn)品。所以，將FD-MVD應用于獼猴桃片的干燥具有較好的應用前景。

JIANG等[18]比較了AD、FD、MVD、FD-MVD和AD-MVD不同干燥方式對功能性秋葵零食品質的影響，結果表明，F(xiàn)D-MVD是一種很有前途的功能性秋葵零食加工技術。PEI等[19-20]利用FD和FD- MVD對雙孢蘑菇進行干燥，研究了其非揮發(fā)性風味成分和干燥產(chǎn)物的復水干燥動力學，結果發(fā)現(xiàn)FD-MVD產(chǎn)品與FD產(chǎn)品具有相似的復水特性和風味成分，唯一的區(qū)別是前者變形程度稍高。ZHOU等[16]在對鴨蛋清蛋白和咸鴨蛋清蛋白進行脫水時，也將FD與隨后的MVD步驟相結合，研究發(fā)現(xiàn)，與單獨使用FD相比，采用聯(lián)合干燥工藝，產(chǎn)品乳化性能增強，外觀質量提高，能耗明顯降低。HUANG等[21]比較了不同水分轉換點的鐵山藥片的體積密度、顏色和顯微結構，結果發(fā)現(xiàn)，水分轉化點是FD-MVD一個非常重要的工藝參數(shù)。HUANG等[22]通過對蘋果切片的結構、香氣和微觀結構的分析，比較了2種聯(lián)合干燥方法對蘋果切片的效果。結果表明，F(xiàn)D-MVD樣品的香氣保留率高于MVD-FD樣品，但低于FD單獨處理的樣品。

有關FD-MVD的相關研究已有很多，但對于獼猴桃片的FD-MVD的研究還未見報道，本文通過凍干-真空微波干燥獼猴桃片，通過分析干燥的獼猴桃片的感官質量、干燥時間和微觀結構，確定FD-MVD的最佳水分轉化點，用于生產(chǎn)高質量、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構以及FD-MVD期間獼猴桃的水分分布，分析整個獼猴桃切片的水分分布與FD-MVD產(chǎn)品的微觀結構之間的關系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

徐香獼猴桃購于深圳市麥德龍超市，選擇個體完整、大小均勻、無機械損傷的獼猴桃作為原料。

1-4型真空冷凍干燥機，德國Christ公司；YHW2S型微波真空干燥機，南京亞泰微波能技術研究所；DHG-9123A型電熱恒溫熱風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；MS-204S精密分析電子天平，梅特勒METTLER TOLEDO公司；400型色差計，Data color公司；S4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；CCT-1800型太赫茲時域光譜儀，深圳市太赫茲科技創(chuàng)新研究院。

1.2 試驗方法

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

凍干實驗：將凍結的樣品放入真空冷凍干燥機，設置加熱板溫度為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。每組試驗重復3次。

聯(lián)合干燥試驗：第一階段將預凍好的獼猴桃樣品放置在真空冷凍干燥機中。加熱板溫度設置為40 ℃，真空壓力設置為5.5 Pa，冷阱溫度設置為-50 ℃，分別進行FD處理4、6、8、10和12 h。第二階段將凍干后的樣品放入MVD。設置微波真空干燥機真空壓力為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%。所有干燥試驗均重復3次。

1.2.3 水分含量的測定

采用烘箱法測定。在干燥過程中，每隔一定時間，將樣品從干燥器中取出，在105 ℃的烘箱中干燥，直到獼猴桃片達到恒重(通常為3～4 h)。所有試驗均重復3次，含水率按公式(1)計算：

(1)

式中：ωt，t時刻物料水分質量分數(shù)，g/g；mt，t時刻試樣的質量，g；m0，物料干燥到終點時的質量，g。

1.2.4 感官評定

評分小組由10名有感官評價經(jīng)驗的成員組成，對獼猴桃片的外觀、質地、色澤、氣味進行評價，感官評價如表1所示。

表1 感官評分表Table 1 Sensory evaluation of kiwifruit slices

1.2.5 復水比的測定

在35 ℃蒸餾水中浸泡待測獼猴桃片，每隔5 min取出樣品，用濾紙吸干表面水分并稱重。重復此操作，直到獼猴桃片吸收水分至飽和狀態(tài)，并平行測量3次，按公式(2)計算：

(2)

式中：Rr，復水比；m1，復水后瀝干樣品質量，g；m，復水前樣品的質量，g。

1.2.6 體積密度

采用小米代替法測定獼猴桃片的體積[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個獼猴桃片和適量小米。輕敲量筒，以確保樣品和小米之間沒有間隙，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。進行3次平行實驗。干燥物料的體積密度ρ按公式(3)計算：

(3)

式中：ρ，干制品的密度，g/cm3；m，干制品的質量，g；V為干制品的總體積，cm3。

1.2.7 微觀結構的測定及孔隙率分析

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Image J軟件轉化為8級灰度圖[24]，對其進行黑白二值處理和孔隙分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2017對試驗結果進行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制,SPSS 22.0對試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 獼猴桃片在不同轉換點下的干燥特性

圖1表明，獼猴桃片的干燥特性受水分轉換點的影響很大。水分轉換點表示FD階段的干燥時間[21]。獼猴桃在FD 4 h、FD 6 h、FD 8 h后，進入MVD，干燥速率可分為3個階段：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，從水分質量分數(shù)在20%左右時，干燥速率逐漸降低；而在FD 10 h、FD 12 h后，獼猴桃片進入MVD時，干燥速率只有恒速和降速階段，而沒有升速階段。

圖1 獼猴桃片在不同水分轉換點下的干燥特性Fig.1 Drying characteristics of kiwi slices at differentmoisture transition points

2.2 不同水分轉換點對獼猴桃片感官品質的影響

從獼猴桃片的外觀、質地、色澤、氣味來綜合分析不同水分轉換點對獼猴桃片感官品質的影響，結果如圖2所示。

圖2 獼猴桃片在不同水分轉換點下的感官評分Fig.2 Sensory scores of kiwi slices at differentmoisture transition points

不同水分轉換點對獼猴桃片感官品質影響很大，F(xiàn)D時間越長，獼猴桃片的感官評分越高，其中，凍干4 h和6 h的感官評分明顯低于FD 8 h、10 h、12 h。FD 8 h、10 h和12 h的感官評分雖有差異，但差異不大。FD 10 h和12 h的感官評分在外觀和氣味上沒有差異，只有在質地和色澤上有差異。

2.3 不同水分轉換點對獼猴桃片復水特性的影響

由圖3可知，凍干時間越長，物料的復水比越大。FD 12 h的獼猴桃片的復水比顯著高于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之間復水比都無顯著性差異(P>0.05)。

圖3 不同水分轉換點對獼猴桃片復水特性的影響Fig.3 Influence of different moisture transition points onrehydration characteristics of kiwi fruit slices注：不同小寫字母表示在P<0.05區(qū)間存在顯著性差異

凍干階段結束后，獼猴桃片內部形成了大量孔隙，獼猴桃片的孔隙決定了其復水特性，平均孔隙面積越大，孔隙率越高，復水比就越大[25]。凍干階段時間越長，獼猴桃片內部形成的細胞骨架越堅固，孔隙越大，且凍干結束后獼猴桃片的水分含量較低，在后續(xù)的干燥過程中，水蒸汽從孔隙中逸出，對孔隙造成的影響較小。凍干階段時間越短，獼猴桃片內部形成的細胞骨架不穩(wěn)固，在后期的真空微波階段，水分經(jīng)過再分布，獼猴桃片先前形成的細胞骨架可能會坍塌，影響最終孔隙的形成，復水比就較小。

2.4 不同水分轉換點對獼猴桃片體積密度的影響

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，物料皺縮越嚴重[26]。由表2可知，F(xiàn)D時間越長，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重。這可能是由于水分含量的不同，導致水分遷移過程中細胞壁發(fā)生破壞的程度不同，水分含量越高，細胞壁皺縮塌陷越嚴重。FD 時間越長,物料水分含量越低，水分遷移孔道剛性越強，骨架穩(wěn)定性越好，在水分遷移的過程中表層細胞結構發(fā)生折疊皺縮現(xiàn)象越不明顯。在FD-MVD中，F(xiàn)D階段時間越長， MVD時間越短，總干燥時間越長。

表2 不同水分轉換點對聯(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

2.5 不同水分轉換點對獼猴桃切片微觀結構的影響

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構，在電子掃描顯微鏡200倍成像得到獼猴桃片的邊的微觀結構，可以得出結論，獼猴桃片的結構是不均勻的，中心的細胞比邊緣的細胞小。中心和邊緣的結構差異對FD-MVD期間的干燥特性有很大的影響。如圖4和5所示，每個樣品的中心部分都比較光滑，孔壁呈圓形，沒有可見的收縮。獼猴桃片在FD 4 h和6 h邊的細胞有很大程度的折疊和收縮，而FD 10 h和12 h的樣品中邊的細胞似乎出現(xiàn)了輕微的收縮。FD 8 h的樣品中細胞略微折疊，但沒有收縮跡象，而純FD樣品則沒有明顯差異。如圖4所示，僅經(jīng)過FD處理的樣品的孔以及經(jīng)過FD 8 h、10 h和12 h的樣品的孔相對較小且均勻，而經(jīng)過FD 4 h和6 h的樣品的孔相對較大且不均勻。在FD 4 h和6 h樣品中均觀察到嚴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。可能是由于水分轉換點不同，獼猴桃片在進行真空微波干燥時的水分含量不同所致。當水分含量較多時，在真空微波階段，水分在物料干燥過程中重新分布，使得原本在凍干階段形成的細胞骨架發(fā)生坍塌，導致FD 4 h和6 h細胞皺縮較為嚴重，且空間結構內的水分受到阻礙，無法及時擴散，水分變?yōu)檎羝w積迅速膨脹，膨脹速度大大超過擴散速率，將不穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡向四周撐開，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，看到的細胞結構是均勻的，具有光滑的細胞壁并且沒有明顯的收縮跡象。可能是由于長時間干燥過程中細胞膨脹壓力減少，組織脫水增加和細胞結構高度變形與細胞骨架坍塌有關[27-31]。表3為使用Image J軟件進行了黑白二值化處理樣品的孔隙率。在FD和不同水分轉換點的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構。此外，F(xiàn)D 8 h樣品的孔隙率較高，尤其是在邊緣附近，比其他不同水分轉換點下的樣品更高。

圖4 不同水分轉換點下聯(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的8級灰度圖像，黑白二值化處理的結果(下同)

圖5 不同水分轉換點下聯(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 不同水分轉換點下的孔隙率 單位：%

在FD過程中，干燥果實內部的冰晶被升華，升華過程中物料的細胞組織結構被很好地保存，物料形成高度多孔結構的形成[18]。從細胞中去除水分會導致細胞內水溶性化合物的移動，從而增加細胞壁的硬度。物料在干燥過程中發(fā)生收縮，內部張力變大，內部結構變形、局部受損。此外，干燥過程會破壞細胞壁，形成體積增大、形狀拉長的空氣區(qū)[32]。

根據(jù)電子掃描顯微鏡成像結果，經(jīng)過FD 8 h的材料的孔隙結構比經(jīng)過FD 10 h和12 h的材料孔隙結構好。但是，F(xiàn)D 8 h樣品的感官評分比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,詳細原因值得進一步分析。

2.6 不同水分轉換點下的獼猴桃片的芯和邊緣的水分含量

表4的結果表明，經(jīng)過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。當水分含量較高時，更多的微波能量被吸收到中心部分，但是由于細胞較小，水分遷移受到限制。由于能量消耗過多，細胞壁發(fā)生不均勻收縮，從而導致樣品中細胞發(fā)生不同程度地折疊和收縮。在電子掃描顯微鏡成像過程中，經(jīng)過FD 10 h和12 h的樣品在靠近表面的位置出現(xiàn)了更多的細胞收縮跡象。相反，F(xiàn)D 8 h樣品的內部和外部水分含量相同，這使得內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，能量沒有用于破壞細胞結構。因此，F(xiàn)D 8 h的產(chǎn)品具有更完整的內部細胞結構。長時間FD可能會增加樣品細胞的剛度，因此表面細胞的收縮在肉眼上并不明顯。這也是FD 10 h和12 h的樣品的感官評分要高于FD 8 h樣品的原因。獼猴桃樣品經(jīng)過FD 8 h后，其細胞內部和外部水分分布均勻,細胞均勻地吸收了微波能量，并且水分子能夠在整個樣品中均勻地遷移。因此，經(jīng)過FD 8 h的樣品細胞通道具有更好的穩(wěn)定性，水分子均勻蒸發(fā)使得細胞壁收縮均勻。

表4 不同水分轉換點下獼猴桃片的芯和邊緣水分質量分數(shù)的差異 單位：%

3 結論

在獼猴桃片凍干-真空微波聯(lián)合干燥過程中，不同水分轉換點對獼猴桃片的感官品質和微觀結構影響較大，F(xiàn)D時間越長，獼猴桃片的感官評分越高，復水比越大。FD階段時間越長，MVD時間越短，總的干燥時間越長。微觀圖片顯示，獼猴桃中心和邊緣部分的細胞大小有顯著差異，影響了水分在中心和邊緣部分的遷移。從感官品質的角度來看，F(xiàn)D 12 h是最佳的水分轉換點。但從微觀結構來看，F(xiàn)D 8 h樣品具有最佳的細胞結構。因此，F(xiàn)D 8 h是總干燥時間和質量(感官、微觀結構)綜合考慮后的最佳水分轉換點。在后期的研究中，可以根據(jù)其結構差異性研究其在干燥過程中的傳熱傳質的變化。