廉苗苗 段 续 黄略略 林惠燕

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2. 深圳职业技术学院，广东 深圳 518055)

由于新鲜猕猴桃片中水分含量高，极易腐败变质，将其加工成干制品可减少采后损失并增加附加值[1]。目前较为常见的猕猴桃干燥方法有热风干燥(Hot Air Drying，AD)[2]、真空微波干燥(Vacuum Microwave Drying，VMD)[3]和真空冷冻干燥(Freeze Drying，FD)[4]。热风干燥成本较低，但操作温度较高易导致产品品质降低[4]。微波干燥热效率高，但干燥过程很难控制，容易因过热导致产品质量下降，产品容易出现焦糊和表面硬化等现象[5-6]。真空冷冻干燥技术可最大限度地保留猕猴桃原有的营养成分和形状[7-8]，但干燥效率低，运行成本太高[9-10]。事实上，冷冻干燥的大部分水分会在升华阶段去除，解析段耗时虽长，只去掉少部分水分。因此在原料大部分水分经冻干去除后，半干产品的“骨架”已形成时，再采用真空微波方式去除剩余水分，则可利用快速高效的真空微波干燥段替代冗长的冻干解析干燥段，从而缩短干燥时间。相关报道[11-13]已证实，冻干—真空微波联合干燥(FD-VMD)可比常规的冻干工艺节约将近50%的时间，能耗也大幅度下降，且产品品质接近FD，明显优于真空微波干燥产品。

食品物料在干燥过程中会因水分的减少收缩变形，引起表面硬化和复水性变差等物理现象，从而影响干制品的外观品质，还会影响干燥过程的质热传递规律，增加干燥时间和能耗[14]。而果蔬干制品的外观品质是对其商品价值影响最大的品质指标，Jangam等[15]在提出的食品干燥品质评价理论中，将外观品质列为权重最高的指标。猕猴桃具有疏松的内部结构和较高的初始含水量，随着干燥过程中含水量的降低，常常伴随着明显的收缩变形现象。

已有学者研究了其他果蔬原料在干燥过程中的收缩特性。Aprajeeta等[16]研究了对流干燥过程中马铃薯片收缩率和孔隙率随模拟传热传质过程的变化规律和收缩率对传热传质性能的影响并建立了模型。Witrowarajchert等[17]采用对流干燥法、微波对流干燥法和红外对流干燥法对苹果切片进行干燥。微波和红外干燥后的苹果切片与单纯对流干燥相比，收缩率降低了11%～12%，体积降低了30%～34%，密度降低了18%～23%，孔隙率提高了25%～28%。Aral等[18]采用对流干燥机对山楂果实在50，60，70 ℃和0.5，0.9，1.3 m/s风速下的薄层干燥特性及理化特性进行了研究，发现随着温度增大，收缩率减小。在马铃薯[19]、石榴[20]的研究中也得到了类似的结果。在干燥过程中物料收缩与其热质传递机制密切相关[21]，由此可见，果蔬干燥过程中的收缩特性是干燥过程中需要控制的重要指标，引入收缩模型能更好地预测干燥结果。

探索猕猴桃片在冻干—真空微波联合干燥过程中的收缩变形情况，可以有针对性地对干燥过程进行优化和改进，得到高品质、低能耗的干制品。而对猕猴桃片在干燥过程中的收缩变形研究迄今尚未见诸于报道。研究拟将采用真空冷冻预干燥的猕猴桃片进行真空微波干燥，研究真空微波干燥阶段不同微波功率对猕猴桃片干燥特性的影响，并建立相应的收缩模型，以期为猕猴桃片的优质干燥技术提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

徐香猕猴桃：深圳市麦德龙超市；

真空冷冻干燥机：1-4型，德国Christ公司；

微波真空干燥机：YHW2S型，南京亚泰微波能技术研究所；

电热恒温热风干燥箱：DHG-9123A型，上海精宏实验设备有限公司；

精密分析电子天平：MS-204S型，瑞士Mettler Toledo公司；

色差计：400型，美国Datacolor公司；

扫描电子显微镜：S4800型，日本日立公司。

1.2 方法

1.2.1 原料预处理 将新鲜的猕猴桃清洗、去皮、再均匀切成厚度为5 mm、直径为4.6 cm的薄片。

1.2.2 试验设计

(1) 试验组：先进行联合干燥的第一阶段试验，将冻结的样品放入真空冷冻干燥机，设置加热板温度为40 ℃、干燥压力50 Pa、冷阱温度为-50 ℃，冻干阶段为8 h。将样品从FD干燥机中取出后，放入微波真空干燥机中。设置微波真空干燥机真空度为3 kPa，冷阱温度为-35 ℃，微波功率分别为0.25，0.30，0.39 W/g，干燥至湿基含水率为10%以下。每组试验重复3次。

(2) 对照组：将冻结的样品放入真空冷冻干燥机，设置加热板温度为40 ℃、干燥压力50 Pa、冷阱温度为-50 ℃，干燥至湿基含水率为10%以下。每组试验重复3次。

1.2.3 干基含水率和水分比的计算 干基含水率X按式(1)计算，水分比MR按式(2)计算。

(1)

(2)

式中：

X——猕猴桃片的干基含水率，g/g；

mt——t时刻猕猴桃片的质量，g；

m——猕猴桃片干燥至恒重时的质量，g；

MR——猕猴桃片的水分比；

X0——猕猴桃片的初始干基含水率，g/g；

Xt——猕猴桃片在t时刻的干基含水率，g/g；

Xg——猕猴桃片在平衡时刻的干基含水率，g/g。

1.2.4 感官评定 评分小组由10名成员组成，都具有感官评价经验，对猕猴桃片的外观、质地、色泽、气味进行评价(表1)。

1.2.5 色差的测定 采用色差计对猕猴桃样品进行色差的测定，每个样品重复5次。按式(3)计算颜色的总差[22]。

(3)

式中：

ΔE——总色差；

L、L0——分别为FD-MVD和FD样品的亮度/暗度；

a、a0——分别为FD-MVD和FD样品的红度/绿度；

b、b0——分别为FD-MVD和FD样品的黄度/蓝度。

1.2.6 复水比的测定 将样品浸泡在35 ℃蒸馏水中，每间隔5 min，将样品取出用滤纸吸干表面水分并称重，直到猕猴桃片吸收水分后的质量达到恒重时，结束复水操作，平行测量3次，按式(4)计算复水比。

表1 感官评分表

(4)

式中：

RR——猕猴桃片的复水比；

Wt——猕猴桃片复水沥干后的质量，g；

W0——猕猴桃片复水前的质量，g。

1.2.7 微观结构的测定及孔隙率分析 用刀片切取干燥后的猕猴桃样品，对样品进行喷金处理后，用扫描电子显微镜观察猕猴桃片横截面的孔隙状态，设置工作电压为4.0 kV，放大倍数100倍。用Image J软件将拍摄的图片进行处理，将其设置为8级灰度图[23]，并进行黑白二值化处理和孔隙率分析。

1.2.8 收缩比的计算 采用小米置换法[24]测体积。按式(5)计算体积相对收缩比。

(5)

式中：

SR——猕猴桃片收缩比；

Vt——猕猴桃片在任意t时刻的体积，m3；

V0——猕猴桃片的初始体积，m3。

1.3 数据处理

采用Origin 2017对试验结果进行数据处理、图形绘制、线性或非线性拟合，并分析其拟合度；利用DPS7.5对试验数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 微波功率对猕猴桃片感官品质的影响

由图1可知：微波功率对猕猴桃片感官评分影响很大，微波功率越大，猕猴桃片的感官评分越高，其中微波功率为0.30，0.39 W/g时，猕猴桃的感官评分差异不大，其中外观和气味评分一致，经0.30 W/g处理的猕猴桃片的质地和色泽评分均略低于经0.39 W/g处理的。

图1 微波功率对猕猴桃片感官的影响

Figure 1 Sensory effects of different microwave power on kiwifruit slices

2.2 微波功率对猕猴桃片色差的影响

由表2可知：不同的微波功率对猕猴桃片的色差影响显著(P>0.05)，不同微波功率下FD前处理后真空微波猕猴桃片的亮度低于冻干猕猴桃片的亮度，而经0.30，0.39 W/g处理的猕猴桃片的绿度较接近纯FD猕猴桃片的，3种微波功率下的猕猴桃片的黄蓝度值均大于纯FD猕猴桃的黄蓝度。Cui等[25]研究表明，当水分含量非常低时，随着微波干燥时间的延长和干燥材料温度的升高，表面形成的硬壳会逐渐变色。颜色的变化可能是因为猕猴桃片中的糖分被高温焦糖化。

2.3 微波功率对猕猴桃片复水特性的影响

由图2可知：微波功率越高，物料的复水比越大，其中经0.39 W/g处理的猕猴桃片的复水比显著高于经0.25 W/g处理的(P<0.05)。冻干阶段结束后，猕猴桃片内部形成了大量孔隙，猕猴桃片的复水特性受其孔隙结构影响较大，孔隙率数值越大，猕猴桃片的复水比就越大[26]。

表2 微波功率对猕猴桃片色差的影响†

† 同列小写字母不同表示有显著差异(P<0.05)。

字母不同表示在P<0.05区间存在显著性差异

Figure 2 Influence of different power on rehydration characteristics of kiwi fruit slices

真空微波阶段，微波功率越低，水分蒸发越慢，冻干阶段的猕猴桃骨架经过水分再分布后发生变形，导致了孔隙率降低，复水比变小。

2.4 微波功率对猕猴桃片干燥收缩特性的影响

如图3所示，微波功率越大，猕猴桃片的收缩比越大。当微波功率为0.25，0.30，0.39 W/g时，猕猴桃片干燥至平衡时刻的收缩比分别为0.302，0.323，0.361。微波功率提高0.05 W/g，收缩比提高0.021，微波功率提高0.014 W/g，收缩比提高0.059。这可能是因为经冻干处理后形成了良好的细胞骨架，微波功率越高，水分蒸发速率越快，保存了相对较好的细胞结构；而在微波功率较低时，水分蒸发速率较慢，水分蒸发过程中，物料经历了水分再分布的过程，使得原本坚硬的细胞骨架坍塌，发生严重形变，物料表面可能形成了一层坚硬的外壳[27]，阻挡了水分的迁移，因此收缩速率减小。

2.5 微波功率对猕猴桃片微观结构的影响

图4为不同功率条件下猕猴桃片的SEM图像经Image J软件转化为8级灰度图再经黑白二值化处理后所得的图像。表3为采用Image J软件对猕猴桃片的微观结构图片进行黑白二值化处理得到的结果。由图4、表3可知：微波功率越大，物料的孔隙率越大。当干基含水率为1 g/g，微波功率为0.39 W/g时物料的孔隙率比0.25 W/g时物料的多10.01%；当到达干燥终点时，即干基含水率为0.06 g/g，微波功率为0.39 W/g时物料的孔隙率比0.25 W/g时的多32.11%。在FD过程中，干燥水果内部的冰晶被升华，原本含有升华冰的空间结构被保留下来，形成了一个高度多孔结构[27]，在物料进行真空微波干燥时，这些结构持续存在。当微波温度较低时，达到真空微波干燥终点时，物料的孔隙率有所降低，可能是由于当微波功率较小时，水分汽化慢，气体体积膨胀也慢，膨胀速度超过扩散速率不多，对孔洞网络的支撑力略小，孔洞体积变化不大。微波功率高，水蒸气被快速汽化，空间结构内的水分受到阻碍，无法及时扩散，水分变为蒸汽，体积迅速膨胀，膨胀速度大大超过扩散速率，将不稳定的空间网络向四周撑开，孔洞变大，孔隙率变大，但干燥后期，物料水分含量较低，物料结构骨架变硬定形，同时汽化水减少，体积膨胀不大，对物料孔洞结构的支撑力也变小，因此干燥后期孔隙变化不大。但当微波功率较大时，物料内部的细胞结构吸收微波能过多，细胞结构发生断裂，形成了较大的空气带[28]，在电镜下观察到断裂的细胞壁，而在软件处理后则直观地显示为较大的孔隙。因此，当微波功率为0.39 W/g时，干燥后期孔隙率的增大，可能是由于微波功率过大，使得内部结构发生断裂引起的。

图3 不同功率下猕猴桃片的收缩曲线

Figure 3 Contraction curve of kiwifruit slices under different powers

图4 不同功率下的猕猴桃片SEM原始图像经二值化处理后的图像

2.6 冻干—真空微波干燥猕猴桃片体积收缩模型的建立

2.6.1 猕猴桃片收缩模型的建立 基于卢映洁等[29]对带壳鲜花生热风干燥收缩模型研究，在不同的微波功率下，选用了4种常用的收缩模型对猕猴桃冻干—真空微波干燥下的体积收缩比进行拟合，以R2(相关系数)和RSS(残差平方和)为评价模型拟合度的指标，R2(相关系数)数值越大，R2(相关系数)数值越小，说明模型拟合结果越好。结果如表4所示，不同的收缩模型，拟合的结果大不相同，相同的收缩模型，不同微波功率下的拟合结果也有差异。除了Exponential模型以外，其他收缩模型的R2结果均在0.90以上，RSS值均在0.001以下，R2越大，RSS值越小，数据拟合结果越好。其中Quadratic模型在不同微波下的R2结果均在0.99以上，RSS也相对较小，且表达式较为简单，从简便性和实用性上考虑，选择Quadratic模型为冻干—真空微波猕猴桃片的最优收缩模型。

表3 不同功率下猕猴桃片的孔隙率分析†

† 同列小写字母不同表示有显著差异(P<0.05)。

表4 不同微波功率下4种收缩模型的分析结果†

†k1～k5分别表示拟合方程的校正系数。

2.6.2 猕猴桃片收缩模型的验证 为了验证所选收缩模型的准确性，选取了不同微波功率下的猕猴桃片收缩的试验值与模型预测值进行比较。如图5所示，在0.25，0.30，0.39 W/g微波功率下，猕猴桃片的收缩试验值与预测值基本吻合，结果表明，Quadratic模型能够很好地预测猕猴桃在冻干—真空微波干燥过程中的水分比与收缩比的变化规律。

图5 不同微波功率下猕猴桃片收缩的试验值与预测值

Figure 5 Experimental and predicted values of kiwifruit slice shrinkage under different microwave powers

3 结论

在冻干—真空微波干燥过程中，微波功率(0.25，0.30，0.39 W/g)对猕猴桃片的干燥特性有很大影响，3种不同微波功率下，猕猴桃片的干燥特性有很大差异，微波功率越大猕猴桃片的感官评分越高，色差越小，复水比越大，收缩比也越大，即达到干燥终点的体积越大，且猕猴桃片的孔隙率也越大。随着干燥的进行，猕猴桃片的水分含量越低，收缩比越小，可能猕猴桃片的体积收缩与物料在干燥过程中的传热传质有关，后期将进一步研究。

选取4种常见的收缩模型的数据分析结果表明，Quadratic模型在不同微波下的R2结果均在0.99以上，RSS也相对较小，且表达式较为简单，能够很好地预测猕猴桃在冻干—真空微波干燥过程中的水分比与收缩比的变化规律。因此选择Quadratic模型为冻干—真空微波猕猴桃片的最优收缩模型。