籽瓜固形物微波真空干燥特性及其品質研究*

丁宏斌，吳亮，臧澤鵬，徐彥瑞，黃曉鵬，吳勁鋒

(1. 甘肅省農業機械化技術推廣總站,蘭州市,730046; 2. 甘肅農業大學機電工程學院,蘭州市,730070)

0 引言

籽瓜(籽用西瓜),又名打瓜,是西瓜的一種分支變種,屬葫蘆科一年生草本植物,具有喜溫、耐熱和耐旱的特性,廣泛種植于我國甘肅、新疆等地區。籽瓜富含維生素、蛋白質、纖維素和氨基酸等營養成分[1-2]。籽瓜的綜合加工利用要求盡可能將各組分高值化利用,最大限度地挖掘其潛在價值。但傳統“取籽棄瓤”的收獲方式未能將籽瓜中瓜皮、瓜瓤等固形物進行有效的利用,同時新鮮籽瓜在破碎取籽后剩余的固形物含水率高,易霉變腐敗,給后續加工利用造成很大的困難。為實現籽瓜固形物的有效利用,需通過干燥技術抑制微生物的生長和與酶有關的化學反應,以保持成分和延長貨架期[3-4]。

干燥作為一種液—固分離過程,是降低多孔材料水分活度和保持品質最常用的方法之一[5-6]。目前,對籽瓜固形物干燥過程的研究仍處于起步階段。曬干、熱風干燥等簡單干燥方法,成本低、適用性廣,但存在干燥產品耗時、質量差等缺點,導致營養價值降低[7-8]。冷凍干燥可以防止物料皺縮、較好的保留營養成分、提高生物利用度,但冷凍干燥成本高且干燥時間長[9]。周琦等[10]以微波功率、真空度、切片厚度進行單因素試驗,考察了其對復水比、色差、VC含量等指標的影響,對微波真空干燥檸檬片進行了干燥工藝優化。祿璐[11]采用了噴霧干燥、熱風干燥、冷凍干燥方法對籽瓜果肉進行試驗來制備籽瓜粉,試驗表明,噴霧干燥品質好,優于其他兩種干燥方式。因此,適宜的干燥方式對保留籽瓜營養價值起至關重要的作用。

微波真空干燥技術將微波干燥與真空干燥技術兩種干燥方式的優點相結合[12],它是由于電磁波直接穿透材料引起分子摩擦而產生(由內而外)的體積加熱,分子摩擦產生熱能,在真空環境中利用熱能去除水分,具有加熱速度快、能量消耗低等優點[13]。Zia等[14]研究表明,微波干燥后藍莓中花青素、維生素C和抗壞血酸含量最高。付輝戰等[15]對新鮮桑葚的微波真空干燥特性和動力學特性進行研究,并對其干燥過程中的活性成分的變化進行分析,結果表明微波真空干燥法處理桑葚的效果較好,并獲得了最佳的微波真空干燥工藝參數。

目前關于微波真空技術對籽瓜干燥品質影響的研究較少,基于此,本文應用微波真空干燥技術研究籽瓜固形物在不同干燥溫度、真空度和比功率下籽瓜固形物切片的干燥特性、理化性質及品質變化,旨在為籽瓜潛在價值的挖掘和產業化加工的發展提供理論。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮籽瓜購自中國甘肅省白銀市,品種為“籽瓜1號”。試驗選擇表皮良好,尺寸與色澤相當的新鮮籽瓜,經過破碎取籽機、瓜皮粉碎機、打漿機、過濾裝置和離心機,固液分離后去掉上層清液,將下層沉淀的固形物作為試驗材料。將籽瓜固形物放置于熱風干燥箱中干燥24 h,測得初始含水率M0為(88.75±0.5)%。以干燥溫度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃)、真空度(-0.060 MPa、-0.065 MPa、-0.070 MPa、-0.075 MPa)和比功率(12 W/g、15 W/g、20 W/g、30 W/g)為試驗因素進行籽瓜固形物切片的干燥試驗。微波真空干燥箱預熱30 min后,取(200±0.5)g單層平鋪于托盤上,利用自動稱重系統每隔2.5 min記錄一次,直至含水率降至10%以下時,停止干燥。所有試驗進行三次重復,取其平均值為試驗值。

(a) 新鮮籽瓜

1.2 儀器與設備

HWZ-30型箱式微波真空干燥機由干燥腔體、控制系統、傳動系統、微波加熱系統和真空系統等組成。整機功率為3 kW,真空度調節范圍為-0.080～-0.060 MPa,轉速可調。干燥設備外部尺寸為1 190 mm×950 mm×1 580 mm。微波發生器位于干燥腔室頂部,腔內設有6個旋轉托架,其回轉直徑為500 mm。工作時,在驅動裝置的作用下,物料隨旋轉托架繞主軸勻速轉動并依次通過頂部微波源,從而在短時、間歇作用下,提高物料的干燥均勻性及其品質。

其他設備:Agilent 1100型高效液相色譜儀;CR-410型色差儀;JM-A3003型電子天平;TS-200 B型恒溫搖床;TGL20M型高速離心機;T2600S紫外分光光度計;HKSF-2型快速水分儀,水分解析度0.01%。

1.3 干燥參數的計算

1.3.1 干基含水率的計算

干基含水率的計算公式如式(1)所示[16]。

(1)

式中:Wt——籽瓜固形物切片t時刻的質量,g;

Wd——籽瓜固形物切片的干重,g。

1.3.2 水分比的計算

水分比的計算公式如式(2)所示[17]。

(2)

式中:Mc——t時刻籽瓜固形物干基含水率,g/g;

M0——籽瓜固形物的初始含水率,g/g;

Me——籽瓜固形物的平衡含水率,g/g。

1.3.3 干燥速率的計算

干燥速率的計算公式如式(3)所示[18]。

(3)

式中:Mt1、Mt2——分別為t1和t2時刻籽瓜固形物切片的干基含水率,g/g。

1.3.4 色澤的測定

采用CR-410型色差儀測定籽瓜固形物樣品的明亮度L*、紅綠值a*和藍黃值b*,色差值ΔE越小,說明籽瓜固形物干制品與鮮籽瓜固形物色澤越接近,其計算公式如式(4)所示[19]。

(4)

式中:L0、a0、b0——籽瓜固形物鮮樣的色澤值、紅綠值、黃藍值;

L*、a*、b*——干制品的色澤值。

1.4 品質指標測定

1.4.1 提取液的制備

取籽瓜固形物粉末0.5 g,浸于盛有20 mL 80%乙醇溶液的具塞錐形瓶中,在25 ℃、黑暗、180 r/min條件下旋轉振蕩48 h后,取出溶液后離心15 min(參數:4 ℃、6 000 r/min),取上清液,用80%乙醇定容至25 mL,于4 ℃保存,用于多糖的測定。

1.4.2 多糖含量的測定

多糖的測定采用硫酸-苯酚法[20]。其多糖含量以蔗糖為標準品標定,計算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Pc——樣品多糖含量,mg/g;

C1——蔗糖質量濃度,mg/mL;

Vt——吸取樣液體積,mL;

M——籽瓜固形物初始質量,g。

1.4.3 維生素C(VC)含量的測定

VC測定:取1.0 mL提取液于試管中,加入1.0 mL 50 g/L TCA溶液,然后按照制作標準曲線的方法加入其他成分,進行反應和測定。在534 nm波長下,重復測量3次吸光值。計算公式如式(6)所示[21]。

(6)

式中:m——由標準曲線求得的抗壞血酸的質量,μg;

Vs——滴定時所用樣品提取液的體積,mL;

V——樣品提取液總體積,mL;

m′——所加籽瓜固形物質量,g。

1.4.4 膳食纖維含量的測定

在燒杯中加入100 μL蛋白酶溶液,蓋上鋁箔后在60 ℃振搖反應30 min。攪拌并加入5 mL 0.561 mol/L的HCl, 保持在60 ℃,將溶液pH調至為4.0～4.7,酸性過大使用1 mol/L NaOH溶液,堿性過大則使用1 mol/L HCl溶液。pH值調至合適范圍后攪拌同時加100 μL淀粉葡糖苷酶溶,密封持續振蕩反應30 min。在每份樣品中加入預熱至60 ℃的95%乙醇225 mL, 乙醇與樣品的體積比為4∶1。室溫下沉淀1 h,過濾。分別用15 mL的78%乙醇、95%乙醇和丙酮沖洗殘渣各2次置于坩堝中,將坩堝在105 ℃烘箱中烘干后稱量,減去坩堝質量后即為殘余物質量G。計算公式如式(7)所示[22]。

(7)

式中:X——樣品中含粗纖維的含量,%;

G——殘余物的質量,g。

2 結果與討論

2.1 不同干燥條件對籽瓜固形物微波真空干燥特性分析

2.1.1 干燥溫度對籽瓜固形物干燥特性的影響

探究不同干燥溫度對籽瓜中固形物微波真空干燥特性的影響規律時,選擇真空度為-0.07 MPa、比功率為20 W/g,干燥曲線如圖2所示。

(a) 水分比

固形物微波真空干燥初期干燥速度隨干燥溫度的升高而增大,物料水分比下降,水分流失速度加快。原因在于干燥前期,物料中的水分含量較高,易于向表面遷移,從而使干燥速度發生明顯的變化。在55 ℃時,物料的含水量變化趨勢比較慢,干燥速度也比較慢,這主要是因為微波發生器能同時加熱物料內外,在干燥前期,物料的表面水分蒸發量和從內部流向表面的水分大致相同,而當后續含水量減少時,物料內部的水分很難再遷移,引起物料表面過熱,影響到物料內部的水分的流失。研究表明,在微波真空干燥條件下,籽瓜固形物的干燥溫度在45～50 ℃之間較為適宜。

2.1.2 真空度對籽瓜固形物干燥特性的影響

干燥溫度為50 ℃、比功率為20 W/g時,不同真空度對籽瓜固形物微波真空干燥特性的影響如圖3所示。

(a) 水分比

物料微波真空干燥速率隨真空度的增大呈現先升后降的趨勢,水分比變化速度由快到慢,這是因為在干燥前期,物料中有大量的自由水,很容易從內部向表面遷移,從而使材料的干燥速度更快;而在后期,由于自由水含量低,物料中的水分多以結合水的形式存在,而且不容易從物料內部除去,所以干燥速度很慢。同時還發現,在-0.070 MPa的真空狀態下,物料的水分比降低速度最快,干燥速率最高,表明該狀態下的物料在除濕過程中,被加熱的物料向表面轉移的水分最多,且能被及時排除,從而達到了最快的干燥速度。反之,如果真空度較低,則會增大干燥設備的濕度,從而提高物料的吸濕率。結果表明,微波真空干燥籽瓜固形物適宜的真空度為-0.070～-0.065 MPa。

2.1.3 比功率對籽瓜固形物干燥特性的影響

干燥溫度為50 ℃、真空度為-0.070 MPa時,不同真空度對籽瓜固形物微波真空干燥特性的影響見圖4。

(a) 水分比

比功率對固形物微波真空干燥特性的影響較小,由于微波真空干燥是一種輻射式的干燥技術,它的微波能穿透物料的表面,對物料的內部產生作用,使得物料在整個烘干過程中一直處于整體加熱的穩定狀態,從而達到更好的烘干效果。通過對水分比變化規律的觀察,發現在20 W/g的比功率下,物料的含水量降低速度更快,干燥效率更高,這是由于在此參數下,物料內部的水分可以最大限度地吸收微波的能量,而不會引起物料的過熱和吸收輻照不足。同等條件下,當比功率為12 W/g時,可能料盤中物料太多,出現了物料吸收輻照能不足的情況,從而導致物料水分比下降速率較慢,干燥速率較低。因此,籽瓜中固形物的微波真空干燥過程中較為適宜的比功率范圍為15～20 W/g。

2.1.4 微波真空干燥對有效水分擴散系數的影響

有效水分擴散系數Deff可以用來評估籽瓜固形物中水分的擴散和遷移能力。由表1可知,不同干燥條件下,籽瓜固形物Deff值的范圍在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之間。干燥溫度和真空度對物料有效水分擴散系數影響較大,且隨著干燥溫度和比功率的增加而增大,說明隨著干燥溫度和比功率的增加,物料中的水分散失的越來越快,而真空度對有效水分擴散系數的影響不明顯。

表1 不同干燥條件對籽瓜固形物色澤、有效水分擴散率和復水比的影響Tab. 1 Influence of different drying conditions on the color, effective water diffusion rate and rehydration ratio

2.2 不同干燥條件對籽瓜固形物色澤品質的影響

色澤是衡量中食品營養成分保留程度的外在指標,通常將色差ΔE作為評價物料色澤變化的綜合指標之一,ΔE越小說明所得干制品的褐變程度越低,品質越好,從某種意義上也反映了干燥工藝的優劣。籽瓜固形物鮮樣的L*、a*、b*分別為55.49、-10.35、23.63。由表1可知,不同干燥條件對籽瓜固形物色澤影響的顯著程度依次為:干燥溫度>比功率>真空度。干燥溫度在40～55 ℃范圍內,籽瓜固形物的色澤品質保持得較好。其中干燥溫度為40 ℃時總色差ΔE為23.00,變化最小,說明此在干燥溫度下干燥后的籽瓜固形物品質最佳。且隨溫度的增加,總色差ΔE逐漸增大,這是因為溫度的升高加快了物料的氧化,從而導致物料顏色變深,黃藍值明顯增加。而隨著比功率的減小,物料總色差ΔE也呈現增大的趨勢。這是由于同功率下,隨著料層厚度的增加,水分由物料內部遷移至表面的難度增加,導致物料表面出現局部焦化的概率增大,因此物料色澤變化明顯。與干燥溫度和比功率相比,真空度對色澤的影響較小,真空度為-0.070 MPa時,總色差ΔE最小,為23.02,說明在此真空度條件下籽瓜固形物色澤最接近鮮樣,表觀品質最好。

2.3 不同干燥條件對籽瓜固形物復水比的影響

復水性能是指新鮮果蔬產品干制后吸水恢復原來至新鮮程度的能力,它是衡量干制品品質好壞的重要指標。不同干制條件下物料的復水比見表1。從表1中可以看出,不同干燥溫度條件下,隨著溫度的增加,籽瓜干制品的復水比整體呈現出增加的趨勢,并且在50 ℃時達到最大,干燥品質最佳。真空度對干制品復水比影響較小,在-0.070 MPa時復水比最高,品質最佳。在不同比功率條件下,20 W/g和12 W/g復水比一致,干燥品質均達到最佳。

2.4 不同干燥條件對多糖含量的影響

從圖5可以直觀地看出,隨著干燥溫度的上升,固形物中的多糖含量先增加后減少,并且在50 ℃的干燥溫度下,多糖含量最高(105.44 mg/g)。

圖5 不同干燥條件對籽瓜固形物多糖含量的影響

這可能是由于溫度越低,干燥耗時越長,增加了美拉德反應和焦糖化反應的時間,因此多糖損失嚴重。而在干燥溫度為55 ℃時,由于干燥溫度過高,籽瓜固形物中的多糖發生局部過熱和焦糖化現象,促使多糖降解速度加快,含量降低。因此50 ℃的干燥溫度能最大程度保留籽瓜固形物當中的多糖成分。真空度為-0.060 MPa時,固形物中多糖含量為65.34 mg/g,且隨著真空度的增加,固形物當中多糖含量也明顯增加。相較于干燥溫度和真空度,比功率對干制品多糖含量影響最小,隨著比功率的增加,干制品種多糖含量逐漸減少,這可能是因為高的比功率條件下,糖類物質發生熱降解,導致多糖類物質含量下降。

2.5 不同干燥條件對VC的影響

如圖6所示,不同干燥條件對籽瓜固形物中VC含量的影響顯著程度依次為:干燥溫度>真空度>比功率。從圖4中可知,干燥溫度在40～55 ℃范圍內,隨著溫度的增加,干制品中VC含量逐漸增加,且當干燥溫度為50 ℃時,干制品中VC的含量最高(1.21 mg/g)。但當干燥溫度上升至55 ℃時,VC含量明顯減少,這可能是因為干燥溫度過高導致VC降解。由圖6還可知,隨著真空度的增加,固形物干制品中VC含量也逐漸增加,這可能是因為隨真空度的增加,干燥箱腔體內部氧氣含量逐漸減少,降低了VC被氧化的概率。且當真空度為-0.070 MPa時,固形物干制品中VC含量為1.14 mg/g。比功率條件對固形物干制品中VC含量的影響最小,且隨比功率的減小,固形物干制品中VC含量也逐漸減少,但是變化不明顯,可能是因為隨著比功率減小,單位體積內的物料所受的微波輻射能的降低,從而使干燥時間變長,從而造成細胞壁的氧化損傷,因此干制品中VC含量減少。

圖6 不同干燥條件對籽瓜固形物VC含量的影響

2.6 不同干燥條件對膳食纖維的影響

膳食纖維是籽瓜固形物的重要組成成分,膳食纖維的含量可以直觀地反映籽瓜固形物的品質。圖6反映了不同干燥條件對籽瓜固形物中膳食纖維含量的影響。不同干燥條件對籽瓜固形物干制品中膳食纖維含量影響表現為:干燥溫度>比功率>真空度。干燥溫度為50 ℃時,籽瓜固形物中膳食纖維含量最高(80.69%)。隨著干燥溫度的增加,固形物干制品中膳食纖維含量也明顯增加,但當干燥溫度到達55 ℃時,膳食纖維含量明顯減少,這可能是因為溫度過高,干燥過程中物料表面發生局部焦化的現象,導致膳食纖維含量減少。不同比功率條件下,隨著比功率的增大,物料中膳食纖維含量先增大后減少,這可能是因為隨著作用在物料單位體積上微波能的增加,干燥時間縮短,膳食纖維中的營養成分降解量增加,籽瓜固形物干制品中的膳食纖維含量也整體上呈下降趨勢。真空度對籽瓜固形物干制品中的膳食纖維含量影響較小。

3 結論

本研究以籽瓜綜合加工生產線的副產品籽瓜固形物為試驗材料,采用微波真空設備進行干燥,對其干燥特性、表觀品質和營養成分進行分析。

1) 隨著干燥溫度與真空度增大,比功率的減少,籽瓜固形物干燥時間縮短,干燥速率增大,這表明微波真空干燥可以有效地增強熱質傳遞效率。且不同干燥條件下,籽瓜固形物Deff值的范圍在0.700 74×10-9～4.565 79×10-9m2/s之間,符合農產品Deff范圍。

2) 比較各因素條件下樣品的理化品質發現,干燥溫度、真空度和比功率對籽瓜固形物色澤、復水比和基本營養物質均有顯著影響,且干燥溫度50 ℃、真空度-0.070 MPa、比功率20 W/g時,籽瓜固形物中多糖含量(105.44 mg/g)、VC的含量(1.21 mg/g)、膳食纖維含量最高(80.69%),在此條件下干制品品質最佳。

綜上所述,微波真空干燥的應用不僅有利于提高籽瓜固形物的干燥速率,而且對改善其理化性質具有促進作用,因此微波真空干燥是一種具有較高前景的新型干燥技術。本研究為籽瓜干燥加工共性技術的形成提供了有益的探索和實踐。