預處理對胡蘿卜微波冷凍干燥特性及產品品質的影響

李琳琳,欒建美,張君慧,段 續,*

1.河南科技大學 食品與生物工程學院 (洛陽 471023) 2.無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035) 3.中糧營養健康研究院有限公司 (北京 102209) 4.營養健康與食品安全北京市重點實驗室 (北京 102209)

胡蘿卜是B族維生素(B1、B2、B6)、類胡蘿卜素、聚乙炔和各種礦物質以及許多其他重要營養素的重要來源。在儲存過程中,由于水分的流失、甜度和生物活性成分的降低、顏色的改變以及難聞的氣味,其質量會逐漸下降。

微波冷凍干燥(Microwave Freeze-drying,MFD)以微波作為熱源,大幅提升了干燥效率,產品品質良好[1,2]。然而,MFD多適用于高附加值果蔬食品干燥,若將其應用于胡蘿卜加工,應設法提高干燥效率,降低經濟成本。何新益等[3]研究了凍融預處理加快甘薯變溫壓差膨化的干燥速度。超聲波技術已被廣泛應用于荔枝、紅棗和蘋果等果蔬的干燥前預處理,有效縮短其干燥時間[4,5]。

本文研究了凍融次數和超聲功率對胡蘿卜MFD特性及產品品質(色澤、復水性、類胡蘿卜素含量)的影響,為采用適宜預處理手段在提升胡蘿卜MFD效率和產品品質上的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗選用的新鮮胡蘿卜購自洛陽市大張超市,胡蘿卜初始含水量為90.35%。

KQ-500DE型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;微波冷凍干燥機,自行研制;TA.XTC型物性分析儀,英國Stable Micro Systems公司;Color-imatch 型色差計,美國 X-rite 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計

根據前期文獻調研及預實驗,確定凍融預處理的次數為1、2和3次,超聲預處理的功率為200 W、300 W和400 W 3個水平。對胡蘿卜分別進行凍融和超聲波預處理,后采用實驗室自行研制的MFD設備對其進行干燥加工,微波功率密度設置為0.5 W/g,冷阱溫度為-40 ℃,干燥腔壓力為100 Pa,干燥進行至樣品達到平衡含水率為止。

1.2.2胡蘿卜預處理

1.2.2.1 新鮮樣品

胡蘿卜用清水清洗,除去表面泥垢,切除不可食用的部分,用果蔬切片機橫向切成厚度5 mm(±1 mm)的片狀。

1.2.2.2 凍融預處理樣品

將胡蘿卜片置于-18 ℃條件下冷凍12 h,之后于室溫下(25 ℃)自然解凍4 h,使其完全解凍,此為1次凍融循環,重復此操作實現2次和3次凍融循環,以FT-1、FT-2和FT-3表示。

1.2.2.3 超聲預處理樣品

取新鮮切片的胡蘿卜置于含蒸餾水的燒杯中,胡蘿卜與蒸餾水的質量比為1∶5,分別以200 W、300 W、400 W功率在超聲浴中(溫度為25 ℃)處理15 min,以US-200、US-300和US-400表示。

1.2.3測定方法

1.2.3.1 水分含量的測定

水分含量的測定,參照GB 5009.3—2016。

1.2.3.2 色澤的測定

色澤的測定,參照Djekic[6]的方法。

1.2.3.3 類胡蘿卜素含量的測定

類胡蘿卜素含量的測定,參照Kuti[7]的方法。

1.2.3.4 復水率的測定

將干燥胡蘿卜片放入200 mL 25 ℃的蒸餾水中浸泡5 min,取出后用濾紙擦拭表面水分并稱量樣品的質量。復水比按以下公式計算:

(1)

式中,Mf和M0分別是復水后和復水前樣品的質量,g。

1.2.4干燥動力學分析

干燥動力學描述的是水分比(Moisture ratio,MR)與干燥時間的關系。其中,水分比由以下公式計算:

(2)

式中:Mt、M0、Me分別為物料在t時刻、初始階段和最終平衡階段的干基含水量。

1.2.5數據處理

所有測試至少重復3次,實驗結果表示為平均值±標準差。通過SPSS 19.0的單因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s多重比較進行顯著性分析,顯著性水平p<0.05。

2 結果與討論

2.1 預處理對胡蘿卜MFD干燥特性的影響

經預處理胡蘿卜的MFD干燥特性如圖1所示。新鮮樣品所需的干燥時間最長(6 h),凍融處理加速干燥過程,與對照組相比,經FT-1、FT-2和FT-3處理的胡蘿卜片MFD所需干燥時間分別縮短了16.7%、25.0%和33.3%。這是因為凍融處理導致細胞損傷,細胞的通透性增加,從而有利于干燥過程中的水分傳遞。超聲預處理可以顯著縮短胡蘿卜MFD的干燥周期,3個功率下所需的干燥時間均為4 h,與對照組相比縮短干燥時間33.3%;但不同超聲功率對干燥時間的影響不大。超聲通過機械效應和空化效應引起胡蘿卜微觀孔道的形成,為干燥過程內部水分向表面擴散提供通道,進而提高了干燥效率[8]。

圖1 預處理對胡蘿卜MFD干燥特性的影響

2.2 預處理對MFD胡蘿卜品質特性的影響

2.2.1色澤

不同預處理對MFD胡蘿卜色澤的影響如表1所示。與新鮮胡蘿卜相比,經MFD后L*值、a*和b*值的均增大。凍融處理導致干制胡蘿卜色澤的顯著變化,與未處理的干制胡蘿卜相比,ΔE均顯著降低(p<0.05),但H0無顯著差異(p≥0.05),表明經凍融預處理后的MFD胡蘿卜總色差減小,但橘紅色的程度無明顯變化。FT-1處理組的干制胡蘿卜褐變指數較對照組顯著降低(p<0.05),其綜合色澤最佳。雖然新鮮胡蘿卜經凍融預處理后色澤發生劣變,但預處理后MFD干燥效率的提升使總體干燥時間縮短,減少了干燥熱加工過程帶來的色澤劣變影響。Li等研究表明,長時間的干燥不利于懷山藥色澤的保持[9]。

表1 經不同預處理的胡蘿卜微波凍干制品的色澤參數

經超聲預處理的干制胡蘿卜色澤與對照組的干制樣品色澤相比,ΔE均顯著降低(p<0.05),BI值和H0無顯著差異(p≥0.05)。一方面原因是,超聲預處理對胡蘿卜的色澤影響本就較小;另一方面,超聲預處理有效提高胡蘿卜MFD干燥效率,避免長時間干燥引起的色澤劣變。此外,有研究報道,超聲預處理有助于降低褐變相關酶的活性[10],這也有利于MFD加工過程胡蘿卜色澤的保持。

2.2.2復水性

干燥產品的復水性反映了其在干燥過程中受加工條件、樣品預處理等影響而發生的物理和化學變化,可用于評價干燥產品的品質。從圖2可看出,經凍融預處理的MFD胡蘿卜復水比較對照組復水比顯著降低(p<0.05),且復水比隨著凍融次數的增加呈下降趨勢。凍融預處理過程中胡蘿卜細胞結構受到冰晶生長的影響而造成損傷,凍融次數越多,損傷程度越大,甚至出現塌陷,其不利于復水過程中水分在內部孔隙中的截留。郭婷等[11]對凍融預處理對大果山楂熱風干燥復水比的影響也發現了類似的結果。經超聲預處理的MFD胡蘿卜復水比較對照組復水比顯著升高(p<0.05),且隨超聲功率的升高MFD胡蘿卜復水比增大。靳力為等[12]研究也表明,超聲預處理功率的升高有利于提高真空凍干杏的復水比。超聲波的空化作用使物料內部產生更多的孔隙,MFD能夠較好的保持樣品的孔隙結構,使得樣品在復水過程中因較多孔隙的存在而提高復水比。對比超聲預處理和凍融處理對MFD胡蘿卜復水比的影響發現,超聲預處理效果更佳。

圖2 不同預處理對MFD胡蘿卜復水比的影響

2.2.3類胡蘿卜素含量

類胡蘿卜素作為胡蘿卜中的重要營養物質和應用最廣泛的天然抗氧化劑,干燥加工對其影響是關注重點。由圖3結果可知,凍融處理導致胡蘿卜中類胡蘿卜素含量的顯著降低(p<0.05),這與凍融處理導致的汁液流失有關;然而,凍融預處理有利于胡蘿卜在MFD加工中類胡蘿卜素的保留,其中FT-1和FT-2顯著高于對照樣品(p<0.05)。這與凍融處理導致MFD效率的提高有關,較短的干燥時間有利于類胡蘿卜素的更高保留。

圖3 預處理及MFD對胡蘿卜中類胡蘿卜素含量的影響

超聲預處理對胡蘿卜中類胡蘿卜素含量無顯著性影響(p≥0.05);經超聲處理的MFD胡蘿卜中的類胡蘿卜素含量顯著高于對照樣(p<0.05),且微波功率對干燥胡蘿卜中的類胡蘿卜素含量無顯著影響(p≥0.05)。經超聲處理的干制胡蘿卜中的高類胡蘿卜素含量保留與預處理后樣品中的高類胡蘿卜素含量及縮短的MFD干燥時間有關。相較而言,超聲預處理比凍融預處理在胡蘿卜MFD加工中類胡蘿卜素含量的保留上更具優勢。

3 結論

凍融預處理因引起細胞壁或細胞膜損傷而使胡蘿卜中部分水損失,細胞的通透性增加,從而有利于MFD過程中的水分傳遞,顯著縮短干燥時間,最高達33.3%;超聲預處理由于海綿效應和空化效應會在胡蘿卜內部形成微孔道,為干燥過程內部水分向表面擴散提供通道,因而提高了干燥效率;就干制胡蘿卜品質而言,凍融預處理改善了MFD胡蘿卜的色澤,提高了類胡蘿卜素含量,但復水比較對照組顯著下降;超聲預處理不僅有利于胡蘿卜色澤的保持,還顯著提升了MFD胡蘿卜的類胡蘿卜素含量和復水比。在提高干燥效率和提升產品品質方面,超聲預處理均表現出更好的效果。但本文僅探討了超聲功率對胡蘿卜MFD干燥特性和產品品質的影響,超聲頻率和作用時間等因素的影響值得進一步研究。