燕窩真空冷凍干燥工藝參數研究

謝加鳳

廈門市燕之屋絲濃食品有限公司，燕之屋燕窩研究院（廈門 361100）

食用金絲燕或燕窩是一種極具營養價值的傳統中藥材[1]。它是由雨燕科動物金絲燕及多種同屬燕類，在繁殖過程中唾液腺分泌物與羽毛或雜草混合而成的[2]。金絲雀的生長和繁殖需要具備充足的食物來源，以及約90%濕度及28～30 ℃溫度的適宜環境條件[3]。燕窩通常采自野生洞穴或人工建燕屋供燕子產窩，燕窩加工過程大致為采摘、分級及修剪、清潔、消毒、挑毛、定型、干燕窩或即食燕窩、出廠。燕窩中化學成分主要有蛋白質、唾液酸、碳水化合物、氨基酸、礦物質、水分、少量脂肪、細胞分裂素和類表皮生長因子。因此，燕窩具有提高嬰兒智力和記憶力[4]、抗病毒[5]、抗氧化[6-7]、提高人體免疫力[8-9]、增強骨骼[10]、美白保濕[11]等功能。市場上常見燕窩種類為干燕窩、碗裝燕窩和瓶裝燕窩。不管是在干燕窩還是即食燕窩生產過程中都必須經過干燥工序，燕窩干燥工藝對產品品質起到關鍵性作用。隨著燕窩市場需求不斷增加，越來越多的燕窩企業、高校和科研單位不斷探索挖掘燕窩干燥技術。

干燥技術是燕窩加工工藝過程不可避免的重點環節之一。熱風干燥技術是燕窩企業最常使用的，隨著科學技術的飛速發展，真空冷凍干燥技術、噴霧干燥、微波干燥、超臨界二氧化碳干燥、紅外干燥、流化床干燥等技術也逐漸發展起來。真空冷凍干燥技術被認為是比較先進的干燥技術之一，其被廣泛應用于食品、農副產品、水產品、化工類、醫藥類等領域[12-23]。真空冷凍干燥技術將物料中水分凍結成固體，在低溫真空狀態下，利用升華原理，使物料低溫脫水而達到干燥目的。真空冷凍干燥產品水分少，攜帶便捷，產品安全系數高且保質期長，生產過程無任何化學添加，綠色健康，但其存在設備昂貴、耗時、能耗高問題[24-25]，不適合于大規模生產。關于將真空冷凍干燥技術應用于燕窩的干燥研究較少，因此，試驗以燕窩為材料，研究燕窩泡發時間、蒸煮時間、預凍溫度、真空壓力、隔板初始溫度和升溫速率條件對燕窩產品干燥速率和復水比的影響，探索最佳工藝參數，為后續燕窩干燥技術的選擇提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

燕窩（廈門市燕之屋絲濃食品有限公司）；冰糖（漳州市白玉蘭精糖有限公司）。

1.2 儀器與設備

Alpha 2-4 LSC plus凍干機（德國Christ）；EC-26MHP恒溫恒濕機（東莞市賜金電子科技有限公司）；BSA224S電子天平（Sartorius）；E-1045 SEM（HITACHI）。

1.3 試驗方法

1.3.1 燕窩真空冷凍干燥工藝流程

原料制備→預凍→升華干燥→解析干燥→后處理工藝

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 原料制備

稱取燕窩，加入純化水泡發，甩干2 min，稱重，加入預先配制好的冰糖溶液，經汽蒸柜汽蒸，轉移至容器中，稱重灌裝。

1.3.2.2 預凍

將灌裝燉煮好的燕窩放入恒溫恒濕機中，低溫預凍，確保燕窩物料與糖液中的水分完全均勻凍結。

1.3.2.3 干燥

當真空冷凍干燥機中冷阱干燥低至-80 ℃時，放入預凍好的燕窩，真空泵開啟進行真空作業。絕對壓力降低至10～30 Pa甚至更低時就開始升華干燥。

1.3.3 單因素試驗

以燕窩泡發時間（2，5，10，20和30 h）、蒸煮時間（10，15，20，25和30 min）、預凍溫度（-40，-30，-20和-10 ℃）、真空壓力（0.5，1.5，2.5，3.5和4.5 mbar）、隔板初始溫度（0，10，20，30和40 ℃）和升溫速率（0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h/10 ℃）6個因素進行單因素試驗，研究各因素對燕窩真空冷凍干燥效果的影響。

1.3.4 評價指標

1.3.4.1 燕窩共晶點測定

電阻測定法是根據S.A.Arrhenius電離學說原理：水中含有雜質時，部分雜質就分解成電離子，這時水是導電的，當溫度下降時溶液電阻會逐漸增大，當溶液全部凝固成固體時，溶液中離子就完全失去自由活動能力，電阻會突然增大，此時溫度即為共晶點。完全凍結的物料在升溫過程中，其電阻突然減小時的溫度即為共熔點。因此，在物料降溫或升溫過程中記錄其溫度、電阻的變化數據，并對所記錄數據進行分析，可獲得物料的共晶點或共熔點[26]。使用真空冷凍干燥機共晶點探頭進行測定，燕窩共晶點為-1 ℃，推薦的真空壓力為3.5 mbar。根據該結果進行預凍溫度和真空壓力的單因素試驗水平設置。

1.3.4.2 干燥速率

參考郭樹國[27]的方法，干燥速率為冷凍干燥過程中單位質量凍干燕窩的失水速率，以避免由于燕窩初始水分不同及其干燥時間、試樣取量不同所帶來影響。因此以質量干燥速率表征干燥過程，按式（1）計算。

式中：M前為凍干前物料質量，g；M后為凍干后物料質量，g；t為凍干時間，h。

1.3.4.3 復水比

復水比是指干燥品復水后恢復圓孔新鮮狀態的程度，是衡量干燥品品質的重要指標參數之一。復水的水溫和浸泡時間是影響物料復水比的因素。試驗選擇95 ℃的純水溫度浸泡5 min，用2.8 mm孔徑（7目）篩網傾斜過濾2 min后，對試樣樣品進行稱重測定固形物含量。復水容器選擇燒杯，電子天平在每次測量前均用濾紙擦干。復水比按式（2）計算。

式中：m前為復水前物料質量，g；m后為復水后物料質量，g。

1.3.5 數據處理

每個樣品至少重復3次試驗，結果取平均值，以“平均值±標準差”表示，數據處理采用Microsoft Excel 2007軟件繪圖。顯著性界值以P＞0.05為不顯著，P＜0.05為顯著，P＜0.01為極顯著。

2 結果與分析

2.1 泡發時間對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

由圖1可知，隨泡發時間的延長，燕窩的干燥速率呈先上升后下降趨勢。泡發時間2～20 h范圍內，干燥速率隨泡發時間的延長而極顯著（P＜0.01）提高；泡發時間在20～30 h范圍內，干燥速率隨泡發時間的延長而下降，但無顯著差異（P＞0.05）。由圖2可知：泡發時間在2～5 h范圍內，燕窩復水比無顯著差異（P＞0.05）；泡發時間在5～20 h范圍內，燕窩復水比隨泡發時間延長而顯著（P＜0.05）提高，在20 h時達最大值33.44；泡發時間＞20 h后，燕窩復水比隨泡發時間延長而下降，但無顯著差異（P＞0.05）。綜上，20 h為燕窩的適宜泡發時間。

圖1 泡發時間對燕窩干燥速率影響

圖2 泡發時間對燕窩復水比影響

2.2 蒸煮時間對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

燕窩特征蛋清香氣隨蒸煮時長的延長而略有增強，但差異不顯著。各因素間外觀飽滿度差異不顯著。由圖3和圖4可知，干燥速率和復水分散性隨蒸煮時間延長而減弱，但攪拌后均可分散。30 min蒸煮后仍未完全復水。隨蒸煮時長的延長，口感變軟，但各因素水平樣品口感均爽滑可接受。因此，蒸煮時間為10 min時，干燥速率和復水比分別為0.263 g/h和33.204。

圖3 蒸煮時間對燕窩干燥速率影響

圖4 蒸煮時間對燕窩復水比影響

2.3 預凍溫度對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

預凍是指在干燥步驟前需將物料進行在低溫下凍結，使物料固定，為升華干燥做準備。由于各種有機物或無機物構成的液態制品在預凍后通常形成一種共晶狀態，因此對于每一種需進行冷凍干燥處理的制品，都應找出其相應的共晶點溫度，即制品中結構水凍結時的溫度，而預凍溫度也要求低于共晶點溫度，從而使制品保持在凍結狀態，否則就不能得到性狀良好的產品。若預凍溫度不夠低，則制品可能沒有完全凍結，在抽真空升華時會膨脹起泡；若預凍溫度太低，則會增加不必要的能量消耗 。一般而言，選擇制品共晶點以下10～20 ℃作為預凍溫度[28]。試驗選擇-40～-20 ℃進行4 h預凍，對比不同預凍溫度下對燕窩干燥速率和復水比的影響。由圖5和圖6可知，各預凍溫度水平間均有顯著差異（P＜0.05），-40 ℃預凍時的復水率顯著高于其他預凍溫度，而-35～-20 ℃預凍時其復水比并無顯著差異（P＞0.05）。-40 ℃預凍時，燕窩的干燥速率最低但復水比最高，且其外觀飽滿度及平整度相對更佳，故綜合考慮香氣、復水狀態及復水后滋味無顯著差異，確認-40 ℃預凍樣品飽滿度最佳。

圖5 預凍溫度對燕窩干燥速率影響

圖6 預凍溫度對燕窩復水比影響

2.4 真空壓力對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

真空冷凍干燥過程，增大干燥室壓強有利于傳熱但不利于傳質，降低壓力有利于傳質但不利于傳熱。由圖7和圖8可知：隨著真空壓力升高，干燥速率逐漸降低，在0.5～1.5 mbar之間無顯著差異（P＞0.05），1.5～4.5 mbar之間有顯著性差異（P＜0.05）；復水比隨著真空壓力升高而先升后降，1.5 mbar時復水比最高，真空壓力升超過3.5 mbar時樣品嚴重萎縮，其壓力不足于維護燕窩在凍干前期外形，提前融化，導致樣品萎縮，燕窩條狀明顯，且凍干燕窩質地過硬。因此，根據干燥速率和復水比，選擇1.5 mbar作為真空壓力，此時干燥速率和復水比分別為2.634 g/h和30.724。

圖7 真空壓力對燕窩干燥速率影響

圖8 真空壓力對燕窩復水比影響

2.5 隔板初始溫度對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

由圖9和圖10可知，燕窩干燥速率隨著隔板初始溫度先下降后上升，燕窩復水比隨著隔板初始溫度呈現先上升后下降趨勢。20 ℃時燕窩復水比略優于20℃時，差異不顯著（P＞0.05），但0 ℃時燕窩樣品飽滿度略優于20 ℃；高于30 ℃時燕窩出現輕微萎縮現象，因隔板初始溫度過高，樣品提前融化導致。綜合能耗及感官飽滿度的考慮，隔板初始溫度為0 ℃。

圖9 隔板初溫對燕窩干燥速率影響

圖10 隔板初溫對燕窩復水比影響

2.6 升溫速率對燕窩真空冷凍干燥效果的影響

由圖11和圖12可知，隨著升溫速率升高，干燥速率先下降后上升，復水比隨著升溫速率的升高呈現上升趨勢。2.5 h/10 ℃時干燥速率和復水比均最高，且復水后燕窩口感爽滑感最佳，燕窩飽滿度隨升溫速率的降低而提高，即2.5 h/10 ℃作為最佳升溫速率，此時干燥速率和復水比分別為0.264 g/h和30.724。

圖11 升溫速率對燕窩干燥速率影響

圖12 升溫速率對燕窩復水比影響

2.7 微觀結構分析

利用掃描電鏡測試真空冷凍干燥的燕窩與未經真空冷凍干燥處理的燕窩表面細胞結構，結果顯示（圖13和圖14），未經真空冷凍干燥的燕窩表面密實、緊致，無孔洞。經泡發時間20 h、蒸煮時間10 min、預凍溫度-40 ℃、真空壓力1.5 mbar、隔板初始溫度0 ℃和升溫速率2.5 h/10 ℃的真空冷凍干燥，燕窩表面孔洞明顯，孔洞均勻密布在燕窩表面。表面孔洞的多少影響到燕窩的直接復水率，電鏡掃描結果進一步證實真空冷凍干燥燕窩復水率優于無真空冷凍干燥燕窩。

圖13 真空冷凍干燥燕窩40 nm Helios電鏡掃描圖

圖14 未經真空冷凍干燥燕窩40 nm Helios電鏡掃描圖

3 結論

試驗通過電阻法測得燕窩共晶點為-1 ℃，在燕窩泡發時間20 h、蒸煮時間10 min、預凍溫度-40 ℃、真空壓力1.5 mbar、隔板初始溫度0 ℃和升溫速率2.5 h/10 ℃時燕窩干燥速率和復水比較佳。研究發現，經真空冷凍干燥后的燕窩，表面存在均勻、密集的不規則孔洞，在復水過程相較未經真空冷凍干燥的燕窩具有更強的吸水性，進一步證實經真空冷凍干燥后的燕窩復水率相對較高，為高復水率的真空冷凍干燥燕窩產品及工業化生產提供理論依據及技術支持。