福建客家“紅菌豆渣”微波真空干燥技術研究

2025-03-03 00:00:00黎英蔡源昊趙金花楊彩鳳林標聲陳小紅

中國調味品 2025年2期

摘要：為解決發(fā)酵后“紅菌豆渣”存在的菌絲塌陷、老化和水分含量高等問題，同時獲得品質較好的干制品，以“紅菌豆渣”為對象開展了微波真空干燥研究，通過測試不同微波功率密度、真空度、切片厚度條件下“紅菌豆渣”的平均干燥速率、色差值和復水率，并借助多元回歸數(shù)學模型對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結果表明，在50 ℃條件下，其最優(yōu)干燥條件為微波功率密度53 W/g、真空度－0.05 MPa、切片厚度9 mm，此時平均干燥速率為（3.27±0.29）%/min，“紅菌豆渣”的色澤與鮮樣的差異ΔE為2.61±0.31，復水比為5.19±0.23；掃描電鏡下其質構較好且內部空隙較均勻。該工藝既提高了“紅菌豆渣”的干燥效率和品質，又為“紅菌豆渣”的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。

關鍵詞：微波真空干燥；紅菌豆渣；工藝優(yōu)化；干燥特性；微觀結構

中圖分類號：TS214.2""""""文獻標志碼：A"""""文章編號：1000-9973（2025）02-0180-07

Study on Microwave Vacuum Drying Technology for “Red Fungus

Bean Dregs” of Fujian Hakka

LI Ying¹， CAI Yuan-hao²， ZHAO Jin-hua¹， YANG Cai-feng¹， LIN Biao-sheng¹， CHEN Xiao-hong¹

（1.College of Life Sciences， Longyan University， Longyan 364012， China; 2.School of

Mathematics and Statistics， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： In order to solve the problems of hypha collapse， aging and high moisture content of “red fungus bean dregs” after fermentation， and to obtain high-quality dry products， microwave vacuum drying research is conducted on “red fungus bean dregs”. The average drying rate， color difference value and rehydration rate of “red fungus bean dregs” are tested under different microwave power density， vacuum degree and slice thickness conditions. The process parameters are optimized by means of multiple regression mathematical model. The results show that under the condition of 50 ℃， the optimum drying conditions are microwave power density of 53 W/g， vacuum degree of -0.05 MPa and slice thickness of 9 mm. At this time， the average drying rate is （3.27±0.29）%/min， the color difference ΔE between “red fungus bean dregs” and fresh sample is 2.61±0.31 and the rehydration ratio is 5.19±0.23. Under scanning electron microscope， the texture is good and the internal voids are relatively uniform. This process not only improves the drying efficiency and quality of “red fungus bean dregs”， but also provides references for the industrialization production of “red fungus bean dregs”.

Key words： microwave vacuum drying; red fungus bean dregs; process optimization; drying characteristics;

microstructure

“紅菌豆渣”是我國福建省武平縣及周邊客家地區(qū)特有的傳統(tǒng)豆渣發(fā)酵制品，其色澤橙黃、軟硬適中、風味獨特，滋味甘、鮮、甜潤，是食物烹調、加工及饋贈親友的佳肴。“紅菌豆渣”作為一款純天然食品，其營養(yǎng)價值較高，除含有豐富的膳食纖維、蛋白質、多糖外，還含有鈣、鐵、鋅、V_B1、V_B2等多種人體所需的微量元素和礦物質。“紅菌豆渣”中含有蘋果酸、綠原酸和亞油酸等有機酸，具有預防貧血癥、尿毒癥、抗病毒、抗腫瘤、降“三高”、清除自由基等多種功效，其含有的4-羥基丁酸、番木鱉堿和角鯊烯等成分具有改善神經(jīng)機能、抗衰老、減肥、改善脂質代謝、鎮(zhèn)痛和提高體內超氧化物歧化酶活性等多種作用^[1-2]。此外，“紅菌豆渣”的低鹽、低糖、低脂和低熱量特點也符合老年、“三高”和減肥等人群的市場需求。近些年，“紅菌豆渣”以其天然和較高的營養(yǎng)價值吸引了很多消費者的關注，致使其市場需求量大增。但是目前對“紅菌豆渣”的相關研究僅停留在菌群組成、營養(yǎng)分析和發(fā)酵工藝優(yōu)化等方面^[3-7]，尚未見有關“紅菌豆渣”干燥的研究報道。

新鮮的“紅菌豆渣”水分含量較高，食用期較短，僅限在當?shù)亓魍ㄊ圪u。脫水干燥是穩(wěn)定“紅菌豆渣”食用品質、延長“紅菌豆渣”食用期、批量生產(chǎn)“紅菌豆渣”的有效方法，也有利于開發(fā)“紅菌豆渣”新型產(chǎn)品、延伸區(qū)域供應和提升豆渣的附加值。目前大多數(shù)農(nóng)副產(chǎn)品采用熱風、真空、微波、真空冷凍、噴霧等干燥技術，其中熱風干燥相對經(jīng)濟，但會嚴重破壞物料的組織結構，且產(chǎn)品易變色；真空、真空冷凍、噴霧等干燥方法得到的產(chǎn)品品質好，但物料需前期預處理，干燥效率低，整個周期耗時耗能，設備運轉和維護費用高，應用受限；微波干燥利用電磁場使物料中極性分子摩擦碰撞，使物料內外部同時受熱升溫，節(jié)能高效，但易造成局部升溫過高產(chǎn)生硬化、焦化或糊化等現(xiàn)象^[8-11]。此外，考慮到“紅菌豆渣”產(chǎn)品營養(yǎng)成分、品質與保存及干燥過程中生產(chǎn)設備運行和維護費用，再結合目前國內外學者的研究與理論，本文選取微波真空干燥技術對“紅菌豆渣”進行干制，因為微波真空干燥技術不僅可以利用其真空低壓條件和微波快速加熱特性，使物料中水的沸點降低并迅速排出，而且具有耗時短、溫度低、能耗低、營養(yǎng)成分保留好等優(yōu)點^[12-13]；同時其提供的低溫低氧的真空壞境能迅速抑制菌絲生長，完成發(fā)酵，可最大限度保持產(chǎn)品品質。

本試驗應用微波真空干燥技術研究“紅菌豆渣”在不同真空度、微波功率密度和切片厚度下平均干燥速率、色差值、復水率、微觀結構的變化，建立“紅菌豆渣”微波真空干燥回歸模型，并進行顯著性和響應面分析，使“紅菌豆渣”微波真空干燥工藝得到合理優(yōu)化，旨在獲得高品質“紅菌豆渣”干品的同時，有效延長其儲藏時間，提升經(jīng)濟價值，為企業(yè)今后生產(chǎn)“紅菌豆渣”干制品提供一定的理論與技術參考。

1"材料與方法

1.1"材料

1.1.1"材料與試劑

紅菌豆渣：Neurospora crassa LY03菌株發(fā)酵自制；采用紅外水分測定儀與標準干燥法（105 ℃干燥至恒重）共同測定，得平均濕基含水量為71.06%。

1.1.2"設備與儀器

HWS-600恒溫恒濕培養(yǎng)箱"上海喬躍電子有限公司；AR224CN電子分析天平"奧豪斯儀器（常州）有限公司；ORW2S-3Z微波真空干燥箱"南京澳潤微波科技有限公司；HE53紅外水分測定儀"梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；DKM610C單門烘干箱"重慶雅馬拓科技有限公司；NH310全自動色差儀"深圳市三恩時科技有限公司；85-2型恒溫磁力加熱攪拌器"常州市億能實驗儀器廠；S-3400N掃描電子顯微鏡"日本Hitachi公司。

1.2"方法

1.2.1"“紅菌豆渣”色澤的測定

在室溫下用NH310全自動色差儀（選取光源D₆₅，直徑Φ4 mm）對“紅菌豆渣”進行L^*值、ａ^*值、ｂ^*值分析，其中L^*為明度指數(shù)，L^*值為0表示黑色，L^*值越大顏色越白；+ａ^*方向表明樣品顏色接近紅色，而-ａ^*方向表明樣品顏色接近綠色；+ｂ^*方向表明樣品顏色接近黃色，而-ｂ^*方向表明樣品顏色接近藍色；ΔE是兩點之間的變化值^[14]。以未干燥鮮樣組為標準進行校準，每個處理組取3個平行，且每個樣品測定5次，去掉其中的最小值和最大值，取平均值。

ΔE=（L₀^*-L^*）²+ （a₀^*-a^*）²+ （b₀^*-b^*）²。

式中：L₀^*、ａ₀^*、ｂ₀^*為干燥前“紅菌豆渣”的測定值；L^*、ａ^*、ｂ^*為干燥后“紅菌豆渣”的測定值。

1.2.2"“紅菌豆渣”水分含量的測定

濕基的水分含量采用HE53紅外水分測定儀（105 ℃干燥至恒重）測定，按下式計算。

MC=M_t-M_gM_t×100%。

式中：MC為濕基水分含量（%）；M_t"為“紅菌豆渣”初始質量（g）；M_g為“紅菌豆渣”干至恒重時的質量（g）。

1.2.3"“紅菌豆渣”平均干燥速率的測定

參考鄧立青^[15]和Ilknur等^[16]的方法測定，按下式計算。

ΔV=ΔWCΔt。

式中：ΔV為“紅菌豆渣”平均干燥速率（%/min）；ΔWC為“紅菌豆渣”干燥Δt時間內的失水量（%）；Δt為干燥間隔時間（min）。

1.2.4"“紅菌豆渣”復水比的測定

參考劉青梅等^[17]的方法并略作修改，稱取干燥的“紅菌豆渣”片（W₀），按1∶100加入30 ℃蒸餾水，30 min后取出吸水紙吸干其表面水分，稱量（W_r），按下式計算。

R=W_rW₀。

式中：R為復水比；W₀為復水前“紅菌豆渣”片的質量（g）；W_r為復水后“紅菌豆渣”片的質量（g）。

1.2.5"“紅菌豆渣”微觀結構的測定

參考黎英等^[18]的測定方法。將熱風干燥、真空冷凍干燥、真空干燥和微波真空干燥后的“紅菌豆渣”采用導電雙面膠固定，采用離子濺射儀進行真空鍍金處理，利用SEM進行微觀結構觀察和分析。

1.2.6"“紅菌豆渣”干燥工藝參數(shù)優(yōu)化

1.2.6.1"“單因素試驗

“紅菌豆渣”發(fā)酵結束后切片，結合預試驗和設備的技術參數(shù)，將溫度固定為50 ℃，預設工藝參數(shù)中微波功率密度50 W/g、真空度-0.080 MPa、切片厚度8 mm為常規(guī)量。單因素參數(shù)范圍分別為微波功率密度（20，30，40，50，60，70 W/g）、真空度（-0.040，-0.050，-0.060，-0.070，-0.080，-0.090 MPa）、切片厚度（4，6，8，10，12，14 mm），以3個單因素變量替換預設工藝中相應的常規(guī)量進行干燥脫水試驗，每隔5.0 min 稱量一次，記錄，至濕基含水率為10%左右，結束干燥，取出置于留樣盒中，測定相關指標。

1.2.6.2"響應面試驗設計

綜合上述單因素試驗結果，以平均干燥速率（Y₁）、色差值（Y₂）和復水比（Y₃）為響應值，微波功率密度（A）、真空度（B）、切片厚度（C）為自變量，采用Design-Expert V8.0.6.1軟件中Box-Behnken程序進行設計，見表1。

1.2.7"數(shù)據(jù)處理分析

采用SAS 8.1、Design-Expert V8.0.6.1和SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)測試均重復3次并以“平均值±標準差”表示。

2"結果與分析

2.1"單因素試驗結果與分析

2.1.1"微波功率密度對“紅菌豆渣”干燥特性的影響

在真空度、切片厚度不變的條件下，由圖1可知，微波功率密度對“紅菌豆渣”干燥特性的影響較大。平均干燥速率呈現(xiàn)先迅速遞增后平緩的趨勢，當微波功率密度為40，50，60 W/g時，“紅菌豆渣”的平均干燥速率增速平緩，無顯著性差異（Pgt;0.05），這是因為在微波真空干燥的初始階段，物料水分吸收的微波能主要用于升溫，中間階段物料吸收的微波能完全用于其內部水分的蒸發(fā)，因此平均干燥速率升高較快并達到最大；而后由于前期蒸發(fā)，物料內部的水分含量降到最大干燥速度所需蒸發(fā)水分含量時，物料溫度上升減緩，導致平均干燥速率的增加變緩^[19]。

色差值呈先下降后上升的趨勢，當微波功率密度為50 W/g時，色差值達到最小值3.52，接近于鮮樣，這主要是因為前期微波功率密度較小時，溫度較低，所需干燥時間較長，在水、酶和菌絲老化作用條件下，“紅菌豆渣”色澤變化較大。后期微波功率密度越大，單位時間內物料吸收的微波能越多，溫度驟升，發(fā)生酶促和非酶褐變反應、美拉德反應的概率越大，造成褐色色素沉積甚至焦化，色差值增大。

復水比呈先上升后下降的趨勢，可能是由于初期微波功率密度較小，其物料內部水分汽化遷移，產(chǎn)生的蒸汽壓力較小，使“紅菌豆渣”體積膨化小；隨著微波功率密度增大，單位時間內微波能增大，“紅菌豆渣”內部壓強增大，其體積膨脹增強，從而使“紅菌豆渣”質地疏松，形成微孔結構，有利于復水。當微波功率密度過大時，不但容易造成“紅菌豆渣”內外部產(chǎn)生的壓力差過大，使物料中的部分水分迅速移出，而且會導致物料短時吸收大量微波能，升溫過快，表面硬化，這些都會減弱物料體積的膨化，使其復水能力削弱^[20]。

綜合考慮“紅菌豆渣”微波功率密度對其平均干燥速率、復水比和色差值的影響，選擇微波功率密度在40～60 W/g之間較適宜。

2.1.2"真空度對“紅菌豆渣”干燥特性的影響

由圖2可知，隨著真空度的升高，平均干燥速率增幅較大，而后速率明顯趨緩，這可能是因為真空度越高，水的沸點越低，物料中水分汽化越快，干燥時間相應縮短，故平均干燥速率相應升高。而達到最大汽化速度所需真空度后，汽化動力差減緩，導致平均干燥速率的增加變緩。

色差值隨著真空度的增大呈下降趨勢，這是因為初期真空度較低，物料內部水分蒸發(fā)速度較慢，物料含水量較大，使“紅菌豆渣”在干燥過程中易結塊；同時真空度越小，干燥時間越長，菌絲老化，故造成色差值較大。真空度升高，不但使沸點降低，干燥速率加快，還會抑制部分酶促和非酶促褐變反應，故“紅菌豆渣”的色澤變化小，更接近于鮮樣。

復水比隨著真空度的增大呈先上升后下降的趨勢，可能是由于“紅菌豆渣”在初始階段的干燥過程中，其內、外部水分同時受熱汽化而脫除，在物料中形成均勻孔隙，這種多孔的疏松結構有利于干制品的復水。后期由于真空度高，水分蒸發(fā)過快，導致“紅菌豆渣”體積收縮，氣孔空隙變小，復水比減小^[21-22]。

考慮到真空度的增加會帶來能耗和成本的增加，且真空度超過-0.07 MPa后平均干燥速率增幅趨緩，復水比開始下降，所以選擇真空度在-0.07～-0.05 MPa更合適。

2.1.3"切片厚度對“紅菌豆渣”干燥特性的影響

由圖3可知，切片厚度整體上對平均干燥速率、色差值和復水比的影響顯著。“紅菌豆渣”的平均干燥速率隨著切片厚度的增加呈下降趨勢，這可能是因為切片厚度的增加不但會使單位面積的“紅菌豆渣”制品吸收微波能減少，而且會使物料內部水分遷移的路徑變長，導致干燥速率下降。

隨著切片厚度的增加，色差值呈先下降后上升的趨勢，這可能是因為物料厚度與熱傳導阻力成正比，物料厚度小時熱傳導快，單位質量“紅菌豆渣”制品吸收微波能多，易使“紅菌豆渣”內部升溫過高，出現(xiàn)褐變，導致色差較大。當切片厚度為10 mm時，色差值最小，說明此厚度干燥的“紅菌豆渣”片接近鮮樣。隨著切片厚度的繼續(xù)增加，熱傳導阻力增大，“紅菌豆渣”內部水分遷移速度下降，較高的水分含量使其在干燥過程中易結塊，導致“紅菌豆渣”片局部升溫過慢或過快，整體色澤不均勻、變暗，色差值變大。

復水比呈先上升后下降的趨勢，這是由于隨著切片厚度的增大，水分遷移導致的應力收縮相應加大，對“紅菌豆渣”氣孔的損傷增強；同時切片厚度增加會使“紅菌豆渣”內部易結塊，表面易硬化，使其結構被破壞，組織產(chǎn)生的氣孔褶皺縮小，這些都導致“紅菌豆渣”干制品的復水比降低。故適當?shù)那衅穸饶苁刮锪显瓉淼慕Y構得到更好的保持，提高復水比。

綜合考慮“紅菌豆渣”切片厚度對其平均干燥速率、復水比和色差值的影響，選擇切片厚度在8～12 mm之間較適宜。

2.2"響應面試驗結果與回歸模型分析

利用Design-Expert V8.0.6.1軟件對“紅菌豆渣”微波真空干燥試驗方案進行設計，結果見表2。

對表2中各因素和指標進行回歸擬合，可分別得到各因素與微波真空干燥“紅菌豆渣”的平均干燥速率（Y₁）、色差值（Y₂）、復水比（Y₃）間的二次回歸模型：

Y₁=+3.40-0.64A+0.52B-0.026C-0.74AB-0.060AC-0.082BC -0.41A²-0.82B²+0.64C²。

Y₂=+2.28+0.73A-1.46B+0.32C-0.59AB+0.050AC-0.64BC+3.32A²+0.17B²+3.25C²。

Y₃=+4.76+0.63A+0.73B-0.24C+0.055AB-0.18AC-0.58BC -0.79A²-0.67B²-0.36C²。

2.3"“紅菌豆渣”微波真空干燥的回歸模型方差分析結果

為了進一步闡明各因素對微波真空干燥“紅菌豆渣”的平均干燥速率、色差值和復水比的影響程度和二次回歸模型的有效性，對上述二次回歸模型進行方差分析，結果見表3。

由表3可知，回歸模型的P值均小于0.01（呈極顯著水平），失擬項的P值均大于0.05（呈顯著水平），各模型的R²gt;0.97，R_Adj²gt;0.93，C.V.lt;7.90%，表明建立的Y₁（平均干燥速率）、Y₂（色差值）和Y₃（復水比）的回歸方程能對微波真空干燥“紅菌豆渣”的各考察指標進行分析和預測。各因素對平均干燥速率影響的主次順序為A（微波功率密度）gt;B（真空度）gt;C（切片厚度），其中交互項AB和二次項A²、B²、C²對平均干燥速率的影響極顯著；各因素對色差值影響的主次順序為B（真空度）gt;A（微波功率密度）gt;C（切片厚度），其中二次項A²和C²對色差值的影響極顯著，交互項AB、BC的影響顯著；各因素對復水比影響的主次順序為B（真空度）gt;A（微波功率密度）gt;C（切片厚度），其中交互項BC和二次項A²、B²對復水比的影響極顯著，C²的影響顯著。

2.4"“紅菌豆渣”微波真空干燥的回歸模型交互項分析

選取各因素間交互作用顯著的3D響應面圖進行分析，結果見圖4～圖6。

由圖4中AB、圖5中AB和BC、圖6中BC交互作用對“紅菌豆渣”微波真空干燥工藝的影響呈現(xiàn)的響應面彎曲程度可以看出，真空度與微波功率密度的交互作用對平均干燥速率的影響極顯著，真空度與微波功率密度及切片厚度與真空度的交互作用對色差值的影響顯著，真空度和切片厚度的交互作用對復水比的影響極顯著，這可能是因為微波產(chǎn)生的電磁能和真空度的耦合作用較強^[19]，從而對“紅菌豆渣”的平均干燥速率和色差值的影響顯著；真空度和切片厚度可通過對物料熱傳導、水分遷移速度及路徑的影響決定物料整體色澤和結構完整度，從而對“紅菌豆渣”的色差值和復水比的影響顯著。

2.5"“紅菌豆渣”微波真空干燥響應面優(yōu)化結果與驗證試驗

運用軟件Design-Expert V8.0.6.1的優(yōu)化功能，使平均干燥速率和復水比取最大值，色差取最小值，通過對2.2中回歸模型方程Y₁、Y₂和Y₃進行優(yōu)化計算，得出最佳微波真空干燥“紅菌豆渣”工藝條件為微波功率密度52.66 W/g、真空度-0.05 MPa、切片厚度9.04 mm，求得平均干燥速率最大理論值為3.33%/min，色差值最大理論值為2.59，復水比最大理論值為5.27。考慮到實際生產(chǎn)操作，將微波真空干燥“紅菌豆渣”工藝參數(shù)修正為微波功率密度53 W/g、真空度-0.05 MPa、切片厚度9 mm，按此條件進行3次平行試驗，測定實際值與預測的最大理論值相對標準偏差（RSD）和相對誤差都小于5%（見表4），且經(jīng)T檢驗Pgt;0.05（差異不顯著），表明此條件下該回歸模型方程優(yōu)化得到微波真空干燥“紅菌豆渣”工藝條件的參數(shù)組合有效可靠、誤差小、準確度高。

2.6"不同干燥方式下“紅菌豆渣”干制品微觀結構的比較

在50 ℃條件下，不同干燥方式制得的“紅菌豆渣”干制品的切面掃描電鏡圖見圖7。總體看，發(fā)酵后豆渣不聚團，分布較松散，可能是因為發(fā)酵過程中Neurospora crassa LY03菌株生長或酶的代謝產(chǎn)生了小分子物質，使其變得疏松^[6]。其中熱風烘干的“紅菌豆渣”干制品因干燥時間較長、水分蒸發(fā)慢、氧化嚴重而結塊發(fā)黑，其組織結構有一定程度的收縮、塌陷，內部孔隙較少且大小不均（見圖7中a）；真空冷凍干燥因可以顯著降低水的沸點，將冰升華為氣體，縮短干燥時間，故較好地保持了“紅菌豆渣”原有的外觀形狀，其內部孔隙致密，分布比較均勻，孔徑相對均勻（見圖7中b）；真空干燥后的“紅菌豆渣”組織較緊湊，孔隙較大（見圖7中c）；微波真空干燥方式得到的“紅菌豆渣”結構疏松，孔隙比較均勻，形狀基本相同（見圖7中d）。

3"結論

本試驗將微波真空干燥技術應用于“紅菌豆渣”的脫水干燥，通過對“紅菌豆渣”微波真空干燥工藝的回歸模型進行分析可知，平均干燥速率、色差值和復水比的P值均極顯著（Plt;0.01），可較好地預測“紅菌豆渣”的干燥過程。獲得了最佳工藝條件為微波功率密度53 W/g、真空度-0.05 MPa、切片厚度9 mm，在此條件下，“紅菌豆渣”干制品的平均干燥速率為（3.27±0.29）%/min，色差值為2.61±0.31，復水比為5.19±0.23。

利用回歸模型交互作用分析可知，“紅菌豆渣”干制品的色差值在不同真空度和微波功率密度及不同切片厚度和真空度的交互作用下均存在顯著性差異（Plt;0.05），微波功率密度和真空度對平均干燥速率有極顯著影響（Plt;0.01），真空度和切片厚度對復水比的影響極顯著（Plt;0.01）。影響平均干燥速率的因素順序為A（微波功率密度）gt;B（真空度）gt;C（切片厚度），影響色差值的因素順序為B（真空度）gt;A（微波功率密度）gt;C（切片厚度），影響復水比的因素順序為B（真空度）gt;A（微波功率密度）gt;C（切片厚度）。

電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，采用微波真空干燥方式生產(chǎn)的“紅菌豆渣”干制品品質明顯優(yōu)于熱風干燥和真空干燥，還避免了傳統(tǒng)真空干燥和熱風干燥單純依靠熱傳遞加熱帶來的耗時、物料硬化等問題。微波真空干燥的干制品雖不及真空冷凍干燥的干制品，但可以避免“紅菌豆渣”再次經(jīng)過降溫過程，極大地降低了能耗，且其內部孔隙較均勻，品質和結構較好。故本試驗采用的微波真空干燥在生產(chǎn)中優(yōu)勢明顯，可為“紅菌豆渣”干制品產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供技術指導。

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