微波真空冷冻干燥蜂蛹工艺的研究

平丽娟，方 晟，毛建卫，蔡成岗，陈文斌

(1.浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江杭州310023;2.浙江省农产品化学与生物加工技术重点实验室，浙江杭州310023)

蜂蛹含有丰富的营养物质，干物质中含蛋白质44.01%、碳水化合物20.34%、总糖0.73%、几丁质4.37%，还含有丰富的矿物质、维生素、几丁质、黄酮类化合物、酶类和激素类等其他活性物质，这些物质除能增强人体的各项生理机能，促进人体的新陈代谢外，还对抗衰老、养颜美容有特效［1］。目前蜂蛹加工多采用真空冷冻干燥，干燥过程中采用热传导方式加热，由于热量传递和水分扩散方向相反，因此热质传递的驱动力低，十分缓慢，干燥效率低。干燥是一种高能耗的操作工艺，据报道，法国、英国、瑞典等发达国家，高达12%的工业能耗用于干燥，其中用于农产品、食品的干燥能耗仅次于造纸工业，位居第2位［2］，我国干燥操作的能耗约占总能耗的 10%［3］。微波真空冷冻干燥是将冻结成固态的含水物质，在真空及共晶温度以下进行升华、干燥，并通过微波发生器对待干燥物料提供热量。微波具有穿透力，微波真空冷冻干燥食品物料也不存在大的温度梯度，冷冻干燥时间短，同时，在微波加热过程中无需对热介质、设备等作预加热处理，因此能量利用率高，节能效果好。当采用较低的微波干燥强度时，对蛋白质等成分影响也很小，因而采用微波真空冻干干燥方法可以用于蜂蛹等热敏性食品的干燥，并可保持蜂蛹的形、色、香、味及最大程度保存生物活性物含量。微波的电场(E)、磁场(H)不但是时间的函数而且还是空间位置的函数，物料组成成分的不一致性等因素，尽管比常规冷冻干燥传热性能更好，但是物料各部位也会出现温度不均匀现象［4］，因而蜂蛹微波冻干过程需严格控制温度、微波功率等，本研究采用光纤/红外集成技术，分别对物料内部、表面温度进行控制，获得优化工艺参数。应用微波真空冷冻干燥技术有助于延长食品的保质期，保持食品原有的风味和营养成分以及食品原料的生理活性，增强保健食品的功能性［5］，因生物体作为极性介质吸收微波能量后产生两种效应:热效应和非热效应(也称生物效应)，会具有杀灭细菌、真菌，杀虫和虫卵，钝化或激活酶活［4］等特征，本研究考察蜂蛹微波冻干过程中活性物的变化，如蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性物保留量、细菌等生物体的变化等。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

蜂蛹 浙江天源堂蜂业有限公司;超氧化物歧化酶(T-SOD测试盒) 南京建成研究所;G250考马斯亮蓝 国药集团化学试剂有限公司;标准牛血清蛋白 上海伯奥生物科技有限公司;牛肉浸粉 青岛高科技园海博生物技术有限公司;琼脂 福建泉州市泉港化工厂;蛋白胨 杭州微生物试剂有限公司;无水乙醇、冰乙酸、浓磷酸、盐酸、氯化钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、氯化钾等均为分析纯。

YHZ4S-02型微波真空冷冻干燥设备 南京亚泰微波能技术研究所;红外/光纤测温 深圳欧普申光电科技有限公司，测温范围-40～250℃;共晶点测试仪 日本，(电阻0～300MΩ);扫描电子显微镜日本，S-3400;TG16台式高速离心机 长沙英泰仪器有限公司;721G可见分光光度仪、YP502N电子天平 上海精密科学仪器有限公司;JM-B电子天平余姚市纪铭称重校验设备有限公司;数显恒温水浴锅 常州澳华仪器有限公司;其他培养皿，烧杯，移液枪，容量瓶，移液管，玻璃棒，胶头滴管等玻璃耗材 华东医药器材化剂公司。

1.2 实验方法

1.2.1 蜂蛹真空冷冻干燥工艺实验

1.2.1.1 微波真空冷冻干燥中试装置 主要由真空泵、压缩机、冷阱、干燥仓、红外/光纤测温控制系统、PLC操作系统、凉水塔等设备组成，如图1所示。蜂蛹真空冷冻干燥工艺流程:原料→共晶点测定→预冷冻→恒温干燥(升华干燥过程)→降速干燥(解析干燥过程)→回软→包装。

图1 微波真空冷冻干燥中试装置图Fig.1 Diagram of microwave vacuum freeze-drying for pilot scale experiment

1.2.1.2 共晶点测定 共晶点的测定是研究蜂蛹微波真空冷冻干燥的重要环节，是确定升华温度的依据，测定共晶点的方法有多种，其中常用的为电阻检测法。蜂蛹的细胞组织液是由多种物质组成的复杂溶液，在冻结过程开始有一些成分结晶渐渐析出，溶液的浓度随之发生变化，当电阻增大到某一值不再变化时，此时的温度就是共晶点。

1.2.1.3 预冷冻 称取新鲜蜂蛹10kg，装盘厚度控制在5mm，且厚度均匀，预冻温度约共晶点以下10℃，冻结应快速，达到预冻温度保持2h，蜂蛹才能冻透。

1.2.1.4 升华干燥 预冻结束后，进入升华阶段，在真空及共晶温度以下进行恒速干燥，控制升华温度约共晶点以下10～15℃，冷阱温度-50℃，干燥仓压力控制在50Pa。由微波发生器向处于冷冻蜂蛹提供升华潜热，以除去蜂蛹中易除去的非结合水分。在升华阶段，微波强度的大小会影响蜂蛹的形状、结构和干燥时间，强度过大，物料呈玻璃化，冻干后的蜂蛹会出现干瘪。分别以最大微波强度0.20、0.24、0.28、0.32W/g提供升华热，通过控温自动调节功率。

1.2.1.5 解析干燥 解析干燥阶段因剩余水分吸附在蜂蛹细胞内的空隙中、小的毛细管中及以化学键与其它物质相结合的水分，在升华阶段不能去除，只能通过提高温度的方法来破坏其结合能，使之从蜂蛹中脱附出来，但这一过程的温升也不易过快过高，如过高则会使蜂蛹品质下降。通过控温自动调节功率，分别控制最高微波强度为 0.20、0.24、0.28、0.32W/g，设置最高温度为30℃。

1.2.2 微波冻干过程蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的变化 新鲜蜂蛹在适宜微波强度作用下干燥，干燥过程最终产品水分控制在3%以下，测定解析干燥过程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性。采用邻苯三酚自氧化法测定SOD活性，并根据考马斯亮蓝法测定蛋白浓度。具体步骤如下:称取蜂蛹样品，将样品研磨成粉末，分别溶于50mL去离子水中，摇匀后静置;待溶液静置4h后，将其放于45℃水中进行热水浴15min;将溶液在8400r/min，4℃下离心2次，取上清液冷藏备用;将上清液稀释100倍后，取1mL样液通过考马斯亮蓝法测定其吸光值OD，根据吸光值计算上清液中蛋白浓度;按照SOD试剂盒说明书中的步骤添加各种试剂并用可见分光光度仪测定SOD活性，得出吸光值OD;计算每克蜂蛹的SOD活性。

式中:总SOD活性:以25℃时抑制邻苯三酚自氧化速率50%时所需的SOD量为一个活力单位U/mg prot;反应液总体积、取样液体积:mL;组织液蛋白含量:mg prot/mL。

1.2.3 微波冻干蜂蛹产品菌落数测定 微生物检测指标为菌落总数，采用平板计数法，参照GB 4789.2-2010食品安全国家标准方法测定菌落总数，实验结果取3次实验平均值。取一定量的真空冷冻干燥与微波真空冷冻干燥后样品进行分析。

1.2.4 复水率测定 称取干燥蜂蛹1g，精确称量，分别在20℃的水中测定复水率，间隔10s测定一次，小心取出蜂蛹，用纸吸干表面水分，察看复水情况，确定测定次数。

F=(mt-m1)/mt

Ft=(mt-m1)/t

其中，F:复水率(g/g);Ft:复水速率(g/s);mt:在时间t时，样品复水后的质量(g);m1:样品复水前的质量(g);t:复水时间(s)。

2 结果与分析

2.1 共晶点测定

当蜂蛹的温度降到水分全部冻结，电阻不再变化，此时的温度为蜂蛹的共晶点，由实验结果可知，该温度为-8.5℃。

图2 共晶点测定曲线Fig.2 Curve of eutectic point

2.2 干燥曲线

由实验结果可知，当微波强度分别设定在0.20、0.24、0.28、0.32W/g时，设定最高温度 30℃，升华温度-22℃，确定蜂蛹微波真空冻干时间的影响。由实验结果可知，四组微波强度的冻干时间分别为650、540、420、330min，结果如图3 所示。

图3 微波强度对蜂蛹微波真空冻干时间的影响Fig.3 Influence of microwave intensities on Honeybee Pupae drying time

不同的微波强度冻干后所得产品的感官检测结果如表1所示。

表1 微波冻干蜂蛹感官评价表Table 1 Table of sensory evaluation of dried Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

综合各因素，优化微波强度为0.28W/g，效率高，同时产品保持原物料的外观形状等性能优异，因为物料在升华脱水前已经经过冻结处理，形成了稳定的固体骨架，所以水分升华后，固体骨架基本保持不变，蜂蛹的形状和干燥前一致，无干瘪变形，将其切开后，呈海绵多孔状，并保持原有奶白的色泽，口感鲜美，有香味，扫描电子显微镜表征如图4所示。

图4 微波冻干蜂蛹横切面的电镜微观结构(×250)Fig.4 Diagram of the cross section microstructure of the dried Honeybee Pupae(×250)

2.3 微波冻干过程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力变化

陈蕾等［6］的研究表明，SOD酶活力最大时对应的温度数值约在40℃，在适宜的温度下酶的活力出现最大值，未达到该温度前其活力随温度升高而加大，当超过该温度时酶就很快失活。王绍林［4］研究表明，当微波能量比较小，还不足以使其产生钝化，当水分活度减少到一定的值，也会导致食品中酶会失去活性。在设定微波强度为0.28W/g时，微波辐射蜂蛹入物料内部产生热效应和其他非热生物效应，酶活力与微波辐射时间、温度、水分有关。微波真空冷冻干燥过程中蜂蛹SOD活性酶随时间、温度、水分的变化如图5，当含水量小于4%时，SOD酶活力急剧下降，水分的变化趋缓。当干燥时间在420min时，蜂蛹水分含量为2.84%，SOD酶活力为36.9U/mg prot。蜂蛹水分含量在3%以下，能保存时间较长，蜂蛹在此条件下的SOD酶活力保留比较高，可以确定此时为干燥终点。

图5 微波冻干过程中蜂蛹水分含量和SOD酶活力变化Fig.5 Water content and change of SOD activity of Honeybee Pupae during drying process

2.4 菌落总数

微波真空冷冻干燥过程同时具有杀菌功效。杀菌是微波的热效应和生物效应的共同结果，这就使微波冷冻干燥技术可将干燥和杀菌结合起来。由实验结果可知，干燥前微生物活菌数为3.8×104个，微波真空冻干后残留的微生物活菌数为2800个左右，而真空冻干蜂蛹产品中微生物活菌数超过3.3×104个，如图6所示，微波真空冻干工艺杀菌效果明显。

图6 不同干燥方法的蜂蛹菌落总数Fig.6 Total Honeybee Pupae colony forming units of different drying methods

2.5 复水性

微波冷冻干燥蜂蛹复水性测定结果为复水后的蜂蛹质量约为复水前的3倍，比真空冷冻干燥好，具有优良的复水性和复原性，食用时能迅速吸水，实验结果如图7所示，冻干蜂蛹的复水率在1s时为1.9倍，随着时间延长而有一定的增加，复水速率呈现降低趋势。

图7 微波真空冻干蜂蛹复水率、复水速率曲线Fig.7 Curves of rehydration and rehydration rate of Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

3 结论

3.1 真空冷冻干燥的能量消耗主要在制冷、真空、加热系统，其中制冷、真空系统能耗约占80%，采用微波冷冻干燥蜂蛹工艺，具有干燥时间短的优势，与常规冻干相比干燥时间可缩短约65%。

3.2 经微波真空冷冻干燥，能很好地保持原物料的外观形状，无干瘪变形，保持原有色泽;复水性测定结果表明:微波冷冻干燥蜂蛹在20℃，1s复水率可达1.9，复水速率快，1s复水可达2.9g/s，具有优良的复水性。

3.3 微波冷冻干燥过程能够良好保留生物活性物质活性，解析干燥过程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力呈现先略有增加后有所降低的趋势，蜂蛹冻干至水分含量为2.84%时，SOD活性为36.9U/mg prot。微波真空冻干过程是一个真空低温脱水过程，抑制了氧化变质和细菌繁殖，同时具有杀菌功效等优点，使蜂蛹产品存活微生物菌落数显著降低，这就使微波冷冻干燥过程将干燥和杀菌一体化。

［1］张海生，陈锦屏，武巧莉，等.蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的提取及理化性质研究［J］.食品科学，2007，28(10):192-195.

［2］Mujumdar A S.Handbook of industrial drying［M］.New York:Marcel Dekke，USA，1966.

［3］潘永康.现代干燥技术［M］.北京:化学工业出版社，1998.

［4］王绍林.微波加热技术在食品加工中应用［J］.食品科学，2000，21(2):6-9.

［5］徐振方，吴才章，郭顺生.微波真空冷冻干燥中关键技术研究［J］.农业机械，2011，6(17):126-128.

［6］陈蕾，罗志刚，何小维，等.蜂蛹SOD 理化性质研究［J］.食品与发酵工业，2007，3(6):65-68.