草莓片真空冷凍干燥工藝研究

郭建業，張艷紅，張 嵐，潘張磊，常 青，劉曉明

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

草莓營養豐富，富含多種有效成分，尤其是所含維C，其含量比蘋果、葡萄高7～10 倍，而所含的胡蘿卜素、維A、鈣等也比蘋果、梨、葡萄高3～4 倍，并且水分充足、香甜可口，被人們譽為水果皇后[1]。

草莓從開花到采收一般要經過35～40 d，雖然坐果期長，但成熟漿果的保鮮期只有1～2 d，容易酸敗，不耐貯藏，且果皮薄軟，在儲運過程中極易碰傷腐爛，不宜遠運銷售[2]。因此，在草莓集中上市期間，容易造成產大于銷的問題。

隨著真空冷凍干燥技術的發展，因其能最大限度地保持食品營養成分和原味，成為食品加工的一項高新技術[3]。因此，采用真空冷凍干燥技術制取凍干草莓片，既解決草莓的儲存和運輸問題，也可拓寬草莓制品市場，食用更加方便。然而，目前的研究多是對草莓粉、整粒草莓的凍干工藝研究，對更加迎合市場的草莓片凍干工藝研究報道較少。張莉會等人[4]對超聲結合超高壓預處理對凍干草莓片品質的影響進行了研究。劉涌鋼等人[5]和遲春山[6]也分別對草莓片凍干工藝進行了研究，但都未將工藝條件與凍干草莓片的品質結合起來。因此，采用不同凍干工藝參數對草莓切片進行了凍干，對不同工藝條件對凍干草莓品質的影響進行研究，以期為草莓片凍干品的開發與利用提供數據基礎，促進草莓產業的綠色發展。

1 材料與設備

1.1 試驗材料

草莓品種為隋珠，單果質量10～25 g，甜度5～10 度，產于北京昌平區萬德莊園。

1.2 試驗儀器與設備

Pilot5-8M 型真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司產品；JCS-300 型精密電子天平，哈爾濱眾匯衡器有限公司產品；ACS-30-J 型電子天平，廣東香山衡業集團股份有限公司產品；HH-4 型恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司產品；MB25 型水分快速檢測儀，奧豪斯儀器（常州） 有限公司產品；V1 型真空包裝機，深圳瑞郎克斯科技有限公司產品；共晶點檢測儀，北京博醫康實驗儀器有限公司產品。

2 草莓片真空冷凍干燥工藝流程

選擇新鮮、顆粒飽滿、色澤鮮艷的成熟草莓進行清洗、去柄，然后瀝干水分，進行切片、裝盤，開始預凍，完全凍結后進行真空冷凍干燥，最后出倉、包裝，并抽取部分成品進行品質檢驗。在整個過程中需要注意的有以下幾個方面。

（1） 切片。將新鮮成熟、品質好的草莓除去柄及葉子，沖洗2～3 遍后瀝水，將每個草莓切成厚0.6～0.8 cm。

（2） 裝盤。將草莓片平放在凍干盤上，擺放一層。

（3） 預凍。開啟真空冷凍干燥機的壓縮機、預冷閥和循環泵，在板層溫度下降到設定溫度，當溫度-35 ℃時，將物料盤放進去，設定預凍時間進行預凍。

（4） 真空冷凍干燥。關閉真空冷凍干燥機的預凍閥，開啟冷阱閥，待冷凝器溫度下降到-80 ℃后，開啟真空泵，系統開始抽真空。待凍干室內的真空度下降到20 Pa 以下時，開啟循環泵。進入操作窗對凍干程序進行設置，系統會自動按照設定的工藝參數進行凍干。凍干結束后，關閉加熱和真空泵，插上充氣閥，開啟箱門，取出凍干成品。其中，凍干程序可設置多個階段，每個階段對溫度和時間進行設定。將草莓片的凍干過程分為4 個階段，每個階段固定溫度為-25，-5，15，40 ℃，對干燥時間進行研究分析。

3 草莓片真空冷凍干燥試驗方案

3.1 預凍條件對凍干草莓片品質的影響

預凍是將草莓片中的自由水固化，這樣不僅是為了保護草莓片的品質不變，而且要使凍結后的草莓片形成合理的結構，利于后期凍干過程中水分的升華。預凍時所形成的冰晶體大小在很大程度上影響著干燥后產品的復水性。預凍時形成的冰晶體數量越多、體積越小，凍干產品的復水性就越高，而冰晶體的形成與降溫速率有很大關系[6]。降溫速率慢，水降到冰點以下溫度所需要的時間很長，水分子開始形成的晶核不穩定，容易就被其他的水分子的熱運動所分散，結果形成了數量少、體積大的冰晶體。快速降溫時，由于水被快速降到冰點以下的過冷溫度，因此形成了較多的穩定晶核。由于降溫的速度很快，水分子沒有足夠的時間位移，加之穩定晶核的數量多，水分子只能分散地結合到大量的晶核上。快速降溫的結果是形成了數量多、體積小的冰晶體，因此每種物料都需要有一個最優的預凍速率，以得到最好的產品物理性狀和復水性。因此，在凍干之前應確定2 個預凍參數，一是預凍溫度，二是預凍時間。

開啟設備進行預冷，同時處理草莓進行切片裝盤。預凍溫度分別選擇-20，-35，-50 ℃，預凍時間定為2 h，采用復水率考查預凍溫度對凍干草莓片品質的影響。預凍時間分別選擇1，2，3 h，預凍溫度定為-35 ℃，同樣采用復水率考查預凍時間對凍干草莓片品質的影響。冷凍干燥的4 個階段分別設置為：第一階段-25 ℃，12 h；第二階段-5 ℃，10 h；第三階段15 ℃，11 h；第四階段40 ℃，10 h。至此，選擇出最佳預凍溫度和預凍時間。

3.2 單因素試驗

將第一階段干燥時間設為8，10，12 h 共3 個水平，而第二、三、四階段時間分別為10，11，10 h，進行冷凍干燥試驗，測定復水率，考查第一階段干燥時間對凍干草莓片品質的影響，從而確定出第一階段干燥時間的最佳水平。接著第二階段則分別選取8，10，12 h 3 個凍干時間，第三、四階段時間不變，進行試驗并測定復水率，進而確定出第二階段干燥時間的最佳水平。第三階段干燥時間分別設為9，11，13 h 3 個水平，第四階段時間不變，進行試驗并測定復水率，從而確定出第三階段干燥時間的最佳水平。最后，將前3 個階段所得的最佳水平應用于前3 個階段，第四階段干燥時間選取8，10，12 h共3 個水平進行試驗，測定凍干草莓片的復水率，考查草莓冷凍干燥的效果。

3.3 正交試驗

為了確定這4 個階段對凍干草莓片的影響主次，確定最適合的生產條件，選取L9（34）正交表進行正交試驗。

4 試驗指標的測定

4.1 草莓共晶點的測定

草莓共晶點是指草莓中的水分全部凍結時的溫度。為保證草莓完全凍結，預凍溫度要比草莓的共晶點低5～10 ℃[5]，選用共晶點測試儀進行測定。

4.2 試驗成品的復水率

復水率是衡量凍干食品品質的一個重要指標，是凍干食品復水后增加的水的質量與凍干時失去的水的質量的比值。復水率越大，說明凍干食品復水后與原草莓的含水率越接近，凍干效果越好。測定方法為：取一定量的凍干食品浸沒在30 ℃的水中，靜置40 min，取出，瀝水，除去表面水分，測定此時的水分含量，然后計算出該時間下的復水率[6]。復水率（R） 計算公式如下：

式中：m1——凍干產品的質量，g；

m2——凍干產品復水后的質量，g。

5 結果與分析

5.1 草莓共晶點的測定

采用共晶點檢測儀進行測試，確定試驗隋珠草莓的共晶點為-15 ℃。

5.2 預凍條件的確定

5.2.1 預凍溫度對凍干草莓片品質的影響

預凍時間均為2 h 不變，在不同預凍溫度下得到凍干草莓片的復水率。

復水率隨預凍溫度變化曲線見圖1。

圖1 復水率隨預凍溫度變化曲線

由圖1 可以看出，隨著預凍溫度的升高，凍干草莓的復水率隨之降低。-50 ℃下凍干草莓片的復水率與-35 ℃下凍干草莓片的復水率變化較緩，預凍溫度提高到-20 ℃后，凍干草莓片的復水率急速下降。通過方差分析得到在這3 個溫度下進行預凍，對草莓凍干片的品質沒有顯著差異。

預凍溫度對草莓凍干片的品質影響方差分析見表1。

表1 預凍溫度對草莓凍干片的品質影響方差分析

預凍溫度要低于草莓的共晶點溫度，這樣才能保證草莓中的水分完全凍結。預凍溫度過高時草莓沒有凍實，在抽真空時未凍結的液態水分就會沸騰，會造成凍干品的表面凹凸不平而影響產品的外觀形狀；預凍溫度過低時，不僅浪費能源和時間，而且對產品的營養含量或活性都有影響。已有研究表明，草莓在-25 ℃以下獲得的復水效果較好，并且本著節約能源的考慮，故選擇-35 ℃為預凍溫度。

5.2.2 預凍時間對凍干草莓品質的影響

預凍溫度選擇-35 ℃不變，對預凍時間的單因素試驗測得的復水率。

復水率隨預凍時間變化曲線見圖2。

圖2 復水率隨預凍時間變化曲線

由圖2 可以看出，隨著預凍時間的增加，凍干草莓的復水率也有相應的提高。通過方差分析得到在這3 個時間下進行預凍，對草莓凍干片的品質沒有顯著差異。當預凍時間達到2 h 后，復水率的變化不再明顯，考慮到能耗，故預凍時間選擇2 h。

預凍時間對草莓凍干片的品質影響方差分析見表2。

表2 預凍時間對草莓凍干片的品質影響方差分析

通過以上試驗結果，確定在-35 ℃，2 h 下凍干草莓片的復水性良好，說明在此預凍條件下，草莓片能形成較多穩定的冰晶體。

5.3 冷凍干燥工藝條件的確定

第一階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖3，第二階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖4，第三階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖5，第四階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖6。

圖3 第一階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖4 第二階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖5 第三階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖6 第四階段復水率隨干燥時間變化曲線

由圖3、圖4 可以看出，分別隨著2 個階段干燥時間的增加，凍干草莓片的復水率也相應有所提高。方差分析得到第一階段對冷凍干燥工藝影響極顯著，第二階段干燥時間對冷凍干燥工藝影響顯著。

第一階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析見表3，第二階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析見表4。

表3 第一階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析

表4 第二階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析

第一、第二階段屬于真空冷凍干燥過程中升華干燥過程，這一過程是使草莓片中凍結的冰晶升華成水蒸氣逸出從而實現脫水干燥的過程。由于草莓片在升華干燥前先經預凍凍結，凍結產生的固體冰晶支撐著草莓片形成穩定的固體骨架，而在水分升華以后，固體骨架基本保持不變，所以草莓干燥后不會失去原有的固體結構，其骨架組成的多孔結構賦予凍干草莓片理想的復水性。

升華干燥時間越長，凍干草莓片的升華干燥越充分，形成的多孔結構越多，復水率相應越大。第一、第二階段的10 h 的復水率比8 h 的復水率有明顯提高，在10 h 后變化較緩。

從圖5、圖6 可以看出，凍干草莓片的復水率隨著2 個階段干燥時間的增加，呈現先提高后降低的趨勢。方差分析得到第三階段與第四階段對冷凍干燥工藝影響都極顯著。

第三階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析見表5，第四階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析見表6。

表5 第三階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析

表6 第四階段干燥時間對草莓凍干片的品質影響方差分析

第三、第四階段屬于真空冷凍干燥過程中解析干燥過程，該過程主要是為了除去細胞中極性基團吸附的水分，也就是不會被凍結的結合水。結合水的存在也會為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供條件，因此需要將這部分水分干燥出去。因為物料內不存在凍結水，可將溫度迅速上升到許可溫度（15～40 ℃），保持一段時間，使結合水從分子中充分解析出來，使草莓片均勻干燥。

如果解析干燥時間不足，物料里的結合水除去不充分，最后凍干草莓片復水率較低，且口感較黏；但解析時間太長，物料在充分干燥后會保持較高溫度（40 ℃），升華形成的固體骨架結構可能遭受破壞，并且物料的芳香成分與營養成分易流失，復水率也會受到影響。因此解析干燥過程的時間不是越長越好。通過試驗結果表明，第三、第四階段的時間分別為11 h 與10 h 出現拐點。

5.4 正交試驗

通過單因素試驗，確定了草莓片真空冷凍干燥的預凍工藝參數，但冷凍干燥過程的工藝參數還需進行一步確定。為了分辨試驗誤差和測定各因素水平變化對試驗結果有無真正影響及各因素對試驗指標影響的顯著性水平，進行了正交試驗。

5.4.1 正交試驗設計

根據單因素試驗，選擇4 個階段的3 個水平，采用L9（34）正交表進行正交試驗。

正交試驗因素與水平設計見表7。

表7 正交試驗因素與水平設計t/h

5.4.2 正交試驗結果與分析

由極差分析結果可知，影響冷凍干燥草莓片復水率的主次因素順序為第四階段＞第一階段＞第三階段＞第二階段。

最佳冷凍干燥工藝條件為第一階段干燥時間10 h，第二階段干燥時間10 h，第三階段干燥時間11 h，第四階段干燥時間10 h。

6 結論

在最佳干燥工藝條件下（預凍條件-35 ℃，2 h；凍干條件-25 ℃，10 h；-5 ℃，10 h；15 ℃，11 h；40 ℃，10 h） 得到的草莓凍干片，水分含量為3.8%，滿足凍干品含水率5%以下的要求，復水率達264.5%，維C 含量為531 mg/100 g（新鮮草莓的維C 含量一般為47 mg/100 g）。凍干草莓片顏色飽滿，接近草莓天然顏色，有光澤，草莓味濃郁，結構無變化，口感松軟，但有一定硬度。