黑加仑浆果微波真空膨化特性

孙井坤，郑先哲，刘秉欣，沈卉芳，刘成海，陶 岩，李秀伟，张芹芹

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

黑加仑浆果微波真空膨化特性

孙井坤，郑先哲*，刘秉欣，沈卉芳，刘成海，陶 岩，李秀伟，张芹芹

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为研究渗透脱水后黑加仑浆果的微波真空膨化特性及其工艺参数确定，文章通过单因素试验，研究微波功率、真空度、初始含水率及处理量对黑加仑浆果膨化特性的影响；通过二次回归正交试验，分析微波强度、真空度、初始含水率、膨化时间与黑加仑浆果膨化率的关系，优化工艺参数。在微波真空条件下，黑加仑整果的体积膨胀过程有迅速增长和缓慢增加两个阶段，符合Exponent rise to maximum函数规律，每个因素对整果膨胀系数和动力系数的综合作用，决定微波真空膨化黑加仑整果膨化率；各因素对膨化率影响的主次顺序为膨化时间、真空度、微波强度、初始含水率。研究结果可为微波真空膨化浆果的工业化生产提供技术依据。

微波真空；膨化；黑加仑；膨化特性；参数优化

黑加仑果实含有较多的热敏性营养物质如花青素和维生素C等[1]，鲜果含水率较高，受季节性限制，易腐烂变质不易贮藏，货架供应期缩短[2]，鲜果生食酸味较大，黑加仑浆果主要用于深加工生产[3]。目前市场上大多数黑加仑制品，如果汁、果酒、果酱等，其加工过程多是将黑加仑浆果进行打浆、破碎或高温处理，易造成营养物质破坏或流失，而微波真空技术集合微波干燥的快速、高效、节能和真空干燥的低温加热、保持品质、易于控制等优点，现已作为一种新型加工方式广泛应用于食品及农产品深加工。

在微波真空加工过程中，物料容易出现外观体积增大、内部结构疏松的膨化现象[4-7]，已经应用于果蔬脆片加工中[8-13]，如蔓越橘[14]、草莓[15-16]、树莓[17]、蓝莓[18]、蓝靛果[19]、黑加仑[20]等。应用微波真空干燥技术对浆果进行整果膨化，生产出一种新型浆果制品，膨化后的制品保持和浆果鲜果相近的形状、颜色和风味、营养[21]，有较高的市场潜力。

本文对渗透脱水后黑加仑整果的微波真空膨化特性进行研究，确定其工艺参数，为微波真空膨化浆果工业化生产提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料

对采摘的新鲜黑加仑浆果（由哈尔滨欣跃三莓果业专业合作社提供）进行去杂、洗净处理，选择大小均匀、成熟度一致的黑加仑鲜果，置于冰柜中，采用单体冷冻方式贮藏。

1.2 仪器设备

微波真空干燥机（QW-4HV，广州科威微波有限公司），内置旋转吊篮架，微波加工时，载料盒置放在吊篮架上，随之垂直旋转，可以降低微波对物料加热的不均匀性。电子精密天平（ARRW60，上海奥豪斯公司），电子分析天平（AB204-S，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司），质构仪（TA-XT plus，英国SMS公司）。

1.3 方法

1.3.1 单因素试验

取出冷冻的黑加仑浆果，在室温内融化备用。首先对融冻的黑加仑整果进行渗透脱水处理，条件是渗透液蔗糖浓度70±1°Brix，温度50℃，在水浴锅内进行，得到符合试验要求含水率的脱水黑加仑浆果，再进行微波真空膨化单因素试验。微波真空膨化的因素及取值：微波功率0.99、1.76*、2.53 kW（所用微波真空干燥机只有三个功率水平输出）；初始含水率为45%、50%、55%*、60%、65%；真空度为25%、40%、55%*、70%、85%；处理量为30、60、90*、120 g。其中带*的因素水平为实施某一因素试验时，其他因素的取值水平。以1 min间隔累加取样时间，取出样品，测其质量和体积，用于计算含水率和膨化率，再放入新样品，直至膨化至样品的含水率为10%对应的质量时，结束膨化试验。每组试验重复3次，取数据平均值作为最终指标。

1.3.2 组合试验

选取微波强度X1，初始含水率X2，真空度X3，膨化时间X4为因素，膨化率Y为目标函数，进行4因素5水平的正交旋转组合试验设计。

在因素选择时，考虑到减少试验次数，提高研究结果的适用性，引入“微波强度”概念表征微波功率与物料质量比率。依据单因素试验的结果，在所研究3个微波功率水平中，功率为1.76 kW时，可使黑加仑整果的膨化率达到最高水平，考虑实际生产需要，选择黑加仑整果处理量范围在44～220 g，计算得到对应微波强度。根据在单因素试验中观察到的黑加仑整果膨胀体积和硬度，在膨化时间4 min后体积均呈现向最高水平缓慢增长趋势，在8 min后膨化整果因表层硬度增加，口感变差，考虑膨胀体积和硬度选择膨化时间范围。组合试验中的初始含水率和真空度的选择与单因素的一致。因素及水平编码见表1。

表1 组合试验因素水平Table 1 Factors and levels of combination experiment

1.3.3 指标测定

物料含水率按GB 5009.3-2010标准测定。

膨化前后物料的体积用石英砂体积置换法测定。体积V用下式计算：

式中，V1-初始石英砂的体积（mL）；V2-黑加仑整果与石英砂的总体积（mL）。

黑加仑整果膨化率P按下式计算：

式中，V0-黑加仑整果的原始体积（mL）；Vt-膨化t时刻黑加仑整果的体积（mL）。

1.4 数据处理

应用SAS软件（9.1.3，SAS公司，Cary，美国）对试验数据进行统计分析；应用Sigmaplot软件（12.0，Systat公司，Chicago，美国）对单因素数据进行拟合方程；应用Design Expert软件（Ver7.0，Stat-Ease公司，美国）进行组合试验设计及参数优化。

2 结果与分析

2.1 单因素结果与分析

为定量分析微波真空条件对黑加仑整果膨化特性的影响，建立每一微波真空膨化条件下的整果膨化率模型，对比分析同一类型模型的参数变化，解释各因素对黑加仑整果膨化率影响规律。图1～4中各微波真空膨化因素对膨化率的影响曲线的变化趋势，依据高决定系数（R2）和低标准偏差（SEE），选择Exponent rise to maximum函数表征膨化率变化，一般形式见式（3）：

根据函数（3）中各值的数学意义，在微波真空膨化过程中式（3）中各项含义为：y表示黑加仑整果膨化率（%）；a表示膨化率可达到的最高水平，定义为膨胀系数；b表示膨化动力，定义为动力系数；x表示膨化时间。

2.1.1 微波功率对膨化率的影响

图1为不同微波功率对膨化率的影响曲线，微波功率对膨化率的影响极显著（P＜0.01）。当微波功率为1.76 kW时，膨化率最大，其次为2.53 kW，膨化率最小为0.99 kW，黑加仑整果膨化率分别为143%、156%、144%。

图1 微波功率对膨化率的影响Fig.1 Effect of microwave power on the expansion ratio

在三种微波功率下，黑加仑整果膨化率的回归系数见表2，膨胀系数a随微波功率的增加而增大，而动力系数b随微波功率的增加而增大，1.76 kW时达到最大，后又降低。表明微波功率与整果体积膨胀的趋势正相关，但是在低微波功率时，物料内水分吸收微波能少，形成蒸汽压力低，不足以使物料膨胀；在高微波功率时，整果吸收大量微波能，表层迅速脱水定型，硬度变大，不利于物料体积膨胀。

2.1.2 处理量对膨化率的影响

图2为不同处理量对膨化率的影响曲线，随着处理量增加，膨化率逐渐升高，当处理量为90 g时达到最大，后又降低。不同处理量下黑加仑整果膨化率模型系数见表3，膨胀系数a随处理量逐渐增加，90 g时达到最大，后又减少，由于本研究中处理量从30 g增加到90 g，更多的微波能被利用（否则会在微波腔壁上经多次反射被消耗），浆果体积膨胀趋势增加，在处理量为120 g时微波强度下降，膨胀潜力下降；动力系数b随处理量先减少后增加，取决于浆果内部的产生水蒸汽量、表层去水量和硬度，在内部产生的蒸汽量多，表层硬度低时，动力系数b较大。处理量为90 g时，膨化率为1.99，膨化率达到最高水平。

表2 不同微波功率下黑加仑整果膨化率模型系数Table 2 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different microwave power

图2 处理量对膨化率的影响Fig.2 Effect of sample mass on the expansion ratio

表3 不同处理量下黑加仑整果膨化率的模型系数Table 3 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different sample mass

初始含水率对膨化率的影响曲线见图3，随初始含水率增加，膨化率呈降低趋势。不同初始含水率下黑加仑整果膨化率模型系数见表4，膨胀系数a随初始含水率的增加逐渐减少，膨化动力系数b变化不显著。当初始含水率为45%时，膨化率最高，膨胀系数a最大，可能是因为在此含水率下，黑加仑内部的水分吸收足量微波能，产生大量水蒸汽，而表层去水使物料保持合适硬度：既可支撑体积膨胀，又使膨胀阻碍变小。但随着初始含水率增加，在相同微波功率下，微波干燥去水能力相同，初始含水率高的物料经过干燥后，表层含水率增加，硬度低，支撑体积能力差，体积膨胀率下降。

图3 初始含水率对膨化率的影响Fig.3 Effect of initial moisture content on the expansion ratio

表4 不同初始含水率下黑加仑整果膨化率的模型系数Table 4 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different initial moisture content

2.1.4 真空度对膨化率的影响

图4所示为不同真空度下膨化率的变化曲线，真空度低于55%时，膨化率随真空度升高而增加；当真空度升高至70%时，膨化率最大；当真空度继续增加至85%时，膨化率反而降低。

不同真空度下黑加仑整果膨化率的模型见表5，随着真空度增加，膨胀系数a逐渐升高，到真空度为70%时呈下降趋势，动力系数b系数呈增大趋势。随着真空度增加，黑加仑整果内部的水分愈发容易蒸发生成水蒸汽，且物料内部的水蒸汽压力与外部压力增大，此状态促进整果体积膨胀。当膨化室内真空度过高（如本研究中在85%），会使整果表层的水蒸汽压力与周围环境的水蒸汽水分压力差值增大，加剧物料表层水分蒸发速度，出现表层硬化现象，增加内部水蒸汽推动体积膨胀的阻力，体积膨胀率下降。

图4 真空度对膨化率的影响Fig.4 Effect of vacuum degree on the expansion ratio

通过单因素试验确定Exponent rise to maximum函数适合于描述微波真空膨化每项因素对黑加仑整果的影响，膨胀系数a和动力系数b的综合作用，决定微波真空膨化黑加仑整果膨化率。两两因素的交互作用对整果膨化率的影响，依据组合试验结果分析。

2.2 组合试验结果分析

2.2.1 组合试验结果

应用中心组合设计方法，设计和实施4因素5水平响应面试验，结果见表6，用以分析微波强度、初始含水率、真空度、膨化时间4个因素对黑加仑整果膨化率的交互影响并确定合理加工参数。

表5 不同真空度下黑加仑整果膨化率模型系数Table 5 Regression coefficient of describing expansion ratio of dried blackcurrant under different vacuum pressure

表6 二次回归正交试验结果Table 6 Results of quadratic regression orthogonal experiments

续表

2.2.2 回归模型及方差分析

分析试验数据，得到各因素对膨化率的回归模型：

对回归模型进行方差分析见表7。由表7可知，模型（4）在回归显著水平（P＜0.01），X3、X4、X22对响应值影响显著，X42对响应值影响极显著。比较各因素的F值可知，对膨化率影响主次顺序为：膨化时间＞真空度＞微波强度＞初始含水率。

表7 膨化率的方差分析Table 7 Analysis of variance of expansion ratio

2.2.3 各因素对膨化率的交互影响分析

各因素对黑加仑整果膨化的体积膨胀率的交互影响见图5（a～f）。在微波真空膨化黑加仑整果如图5（a）条件下，随着微波强度增加，黑加仑整果的初始含水率升高引起其膨化率先增加后下降，原因是整果初始含水率低时，在其内部产生的蒸汽膨胀动力低；而含水率高时，表层硬度低，无法定型；在整果初始含水率55%时，整果表层硬度足以支撑起内部蒸汽引起的较大体积膨胀，达到最高值145%。当初始含水率处于试验参数水平时，微波强度对膨化率的影响在统计上不显著（p=0.8555＞0.05）。

图5 各工艺参数对膨化率影响的响应曲面图Fig.5 Response surface an contour plots of various process parameters’effects on expansion ratio

在微波真空膨化黑加仑整果如图5（b）条件下，微波强度低时，真空度对膨化率的影响不显著，微波强度较高时，膨化率随真空度的增加迅速增大；当真空度处于低水平时，膨化率随微波强度的增大有下降趋势，在真空度高水平时，膨化率随微波强度而增大。这是由于真空度和微波强度较大时，水分可在较低的温度下迅速蒸发，在黑加仑整果内部形成较高的蒸汽压，引起体积膨胀；在真空度和微波强度较低时，水分蒸发产生蒸汽量少，不足以支撑体积膨胀，随着表层水分下降，体积有一定程度的收缩。

在微波真空膨化黑加仑整果如图5（c）条件下，微波强度一定时，膨化率随膨化时间先升高，直到6 min，然后降低。膨化时间长，物料吸收微波能多，水分过分去除，表层硬化，内部局部焦糊，不利于体积的膨胀和多孔性结构的形成。

在微波真空膨化黑加仑整果如图5（d）条件下，真空度低时，膨化率随初始含水率先缓慢增大后迅速减少；高真空度时，膨化率随初始含水率先迅速增加后缓慢降低。低初始含水率时，真空度对膨化率的影响不明显，初始含水率高于60%时，真空度与膨化率呈明显正相关。初始含水率为55%～60%，真空度70%～85%时，膨化率最大。合适的真空度和物料的初始含水率，可使黑加仑整果内产生足量水蒸气推动体积膨化，而整果表层水分蒸发，使得含量下降硬度增加，能够支撑起膨胀的体积，达到最佳膨化效果。

在微波真空膨化黑加仑整果如图5（e）条件下，整果的膨化率随初始含水率和膨化时间增加先增大后减小，这是由于整果初始含水率和膨化时间从较低水平开始增加时，内部水蒸气生成量呈增加趋势，有利于多孔结构的形成和体积的膨胀，在初始含水率55%和膨化时间6 min时，膨化率达到最高水平。当两因素进一步增高时，在同一微波强度下，物料去水量相同，表层含水率处于偏高水平，硬度下降，不能支撑膨胀的体积，整果膨胀率下降。

在微波真空膨化黑加仑整果如图5（f）条件，真空度和膨化时间对膨化率有显著影响。真空度一定时，整果膨化率随膨化呈增加趋势至较高水平；膨化率随真空度在25%～70%范围内的增加而增大，这是由于真空度增加使浆果内部容易发生汽化，产生较多的蒸汽，引起膨化率增大。但过高的真空度可能导致整果表层去水过多，硬度增加，不利于体积膨胀。

3 结论

a.本研究发现微波功率、真空度、初始含水率、处理量对黑加仑整果的膨化特性有显著影响，体积膨胀过程有迅速增长和缓慢增加两个阶段，符合Exponent rise to maximum函数规律；每项因素对整果膨胀系数和动力系数的综合作用，决定微波真空膨化黑加仑整果膨化率。

b.通过膨化特性分析和工艺参数优化，确认微波真空技术适合于经渗透脱水预处理的黑加仑浆果膨化加工，生产出新型浆果制品，为其他浆果的相近加工提供技术参考。

c.微波真空加工产品存在膨化均匀性差问题，制约此技术的工业化应用。为此在工艺上可采用优化工艺参数和模式；在设备结构上，可采用吊篮式或转盘式载料装置，使物料在微波加工时有等同几率经历微波各种传播模式；在物料选择时，可通过筛分和色选等分级方式，使同一加工批次的整果有相同的规格和成熟度。

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Microwave-vacuum puffing characteristics and process parameters optimization of blackcurrant berry

SUN Jingkun,ZHENG Xianzhe,LIU Bingxin, SHEN Huifang,LIU Chenghai,TAO Yan,LI Xiuwei,ZHANG Qinqin(School of Engineering, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Microwave power,initial moisture content,vacuum degree and sample mass were selected to investigate the microwave puffing characteristics by means of the single factor experiments. The quadratic regression orthogonal rotary method was used to analyze the effect of microwave intensity,initial moisture content,vacuum degree and puffing time on the expansion ratio.The models of expansion ratio of whole blackcurrant berry were established as the function of the influencing factors in terms of microwave intensity,vacuum degree,initial moisture content and puffing time.The optimum processing parameters of microwave vacuum puffing were obtained.The results showed puffing time had the most significant effect on expanding ratio(P＜0.05),followed by the vacuum degree,microwave intensity and initial moisture content.The volume expansion process of puffed whole blackcurrant berry involved in rapidly and slowly increasing stages,which obeyed Exponent rise to maximum equation.The research may provide the valuable theoretical basis for industrialized production of microwave vacuum puffing berry.

microwave vacuum;puffing;blackcurrant;puffing characteristics;parameters optimization

S767.5；X172

A

1005-9369（2014）12-0096-09

时间2014-12-29 9∶05∶00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0905.012.html

孙井坤,郑先哲,刘秉欣,等.黑加仑浆果微波真空膨化特性[J].东北农业大学学报,2014,45(12):96-104.

Sun Jingkun,Zheng Xianzhe,Liu Bingxin,et al.Microwave-vacuum puffing characteristics and process parameters optimization of blackcurrant berry[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):96-104.(in Chinese with English abstract)

2014-10-22

国家自然科学基金（31071579）；黑龙江省自然科学基金重点项目（ZD201013）

孙井坤（1978-），男，博士，研究方向为农产品干燥贮藏与品质控制。E-mail∶jksun@neau.edu.cn

*通讯作者：郑先哲，教授，博士生导师，研究方向为农产品加工。E-mail∶zhengxz2013@163.com