草莓片真空冷冻干燥工艺研究

郭建业，张艳红，张 岚，潘张磊，常 青，刘晓明

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

草莓营养丰富，富含多种有效成分，尤其是所含维C，其含量比苹果、葡萄高7～10 倍，而所含的胡萝卜素、维A、钙等也比苹果、梨、葡萄高3～4 倍，并且水分充足、香甜可口，被人们誉为水果皇后[1]。

草莓从开花到采收一般要经过35～40 d，虽然坐果期长，但成熟浆果的保鲜期只有1～2 d，容易酸败，不耐贮藏，且果皮薄软，在储运过程中极易碰伤腐烂，不宜远运销售[2]。因此，在草莓集中上市期间，容易造成产大于销的问题。

随着真空冷冻干燥技术的发展，因其能最大限度地保持食品营养成分和原味，成为食品加工的一项高新技术[3]。因此，采用真空冷冻干燥技术制取冻干草莓片，既解决草莓的储存和运输问题，也可拓宽草莓制品市场，食用更加方便。然而，目前的研究多是对草莓粉、整粒草莓的冻干工艺研究，对更加迎合市场的草莓片冻干工艺研究报道较少。张莉会等人[4]对超声结合超高压预处理对冻干草莓片品质的影响进行了研究。刘涌钢等人[5]和迟春山[6]也分别对草莓片冻干工艺进行了研究，但都未将工艺条件与冻干草莓片的品质结合起来。因此，采用不同冻干工艺参数对草莓切片进行了冻干，对不同工艺条件对冻干草莓品质的影响进行研究，以期为草莓片冻干品的开发与利用提供数据基础，促进草莓产业的绿色发展。

1 材料与设备

1.1 试验材料

草莓品种为隋珠，单果质量10～25 g，甜度5～10 度，产于北京昌平区万德庄园。

1.2 试验仪器与设备

Pilot5-8M 型真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司产品；JCS-300 型精密电子天平，哈尔滨众汇衡器有限公司产品；ACS-30-J 型电子天平，广东香山衡业集团股份有限公司产品；HH-4 型恒温水浴锅，常州智博瑞仪器制造有限公司产品；MB25 型水分快速检测仪，奥豪斯仪器（常州） 有限公司产品；V1 型真空包装机，深圳瑞郎克斯科技有限公司产品；共晶点检测仪，北京博医康实验仪器有限公司产品。

2 草莓片真空冷冻干燥工艺流程

选择新鲜、颗粒饱满、色泽鲜艳的成熟草莓进行清洗、去柄，然后沥干水分，进行切片、装盘，开始预冻，完全冻结后进行真空冷冻干燥，最后出仓、包装，并抽取部分成品进行品质检验。在整个过程中需要注意的有以下几个方面。

（1） 切片。将新鲜成熟、品质好的草莓除去柄及叶子，冲洗2～3 遍后沥水，将每个草莓切成厚0.6～0.8 cm。

（2） 装盘。将草莓片平放在冻干盘上，摆放一层。

（3） 预冻。开启真空冷冻干燥机的压缩机、预冷阀和循环泵，在板层温度下降到设定温度，当温度-35 ℃时，将物料盘放进去，设定预冻时间进行预冻。

（4） 真空冷冻干燥。关闭真空冷冻干燥机的预冻阀，开启冷阱阀，待冷凝器温度下降到-80 ℃后，开启真空泵，系统开始抽真空。待冻干室内的真空度下降到20 Pa 以下时，开启循环泵。进入操作窗对冻干程序进行设置，系统会自动按照设定的工艺参数进行冻干。冻干结束后，关闭加热和真空泵，插上充气阀，开启箱门，取出冻干成品。其中，冻干程序可设置多个阶段，每个阶段对温度和时间进行设定。将草莓片的冻干过程分为4 个阶段，每个阶段固定温度为-25，-5，15，40 ℃，对干燥时间进行研究分析。

3 草莓片真空冷冻干燥试验方案

3.1 预冻条件对冻干草莓片品质的影响

预冻是将草莓片中的自由水固化，这样不仅是为了保护草莓片的品质不变，而且要使冻结后的草莓片形成合理的结构，利于后期冻干过程中水分的升华。预冻时所形成的冰晶体大小在很大程度上影响着干燥后产品的复水性。预冻时形成的冰晶体数量越多、体积越小，冻干产品的复水性就越高，而冰晶体的形成与降温速率有很大关系[6]。降温速率慢，水降到冰点以下温度所需要的时间很长，水分子开始形成的晶核不稳定，容易就被其他的水分子的热运动所分散，结果形成了数量少、体积大的冰晶体。快速降温时，由于水被快速降到冰点以下的过冷温度，因此形成了较多的稳定晶核。由于降温的速度很快，水分子没有足够的时间位移，加之稳定晶核的数量多，水分子只能分散地结合到大量的晶核上。快速降温的结果是形成了数量多、体积小的冰晶体，因此每种物料都需要有一个最优的预冻速率，以得到最好的产品物理性状和复水性。因此，在冻干之前应确定2 个预冻参数，一是预冻温度，二是预冻时间。

开启设备进行预冷，同时处理草莓进行切片装盘。预冻温度分别选择-20，-35，-50 ℃，预冻时间定为2 h，采用复水率考查预冻温度对冻干草莓片品质的影响。预冻时间分别选择1，2，3 h，预冻温度定为-35 ℃，同样采用复水率考查预冻时间对冻干草莓片品质的影响。冷冻干燥的4 个阶段分别设置为：第一阶段-25 ℃，12 h；第二阶段-5 ℃，10 h；第三阶段15 ℃，11 h；第四阶段40 ℃，10 h。至此，选择出最佳预冻温度和预冻时间。

3.2 单因素试验

将第一阶段干燥时间设为8，10，12 h 共3 个水平，而第二、三、四阶段时间分别为10，11，10 h，进行冷冻干燥试验，测定复水率，考查第一阶段干燥时间对冻干草莓片品质的影响，从而确定出第一阶段干燥时间的最佳水平。接着第二阶段则分别选取8，10，12 h 3 个冻干时间，第三、四阶段时间不变，进行试验并测定复水率，进而确定出第二阶段干燥时间的最佳水平。第三阶段干燥时间分别设为9，11，13 h 3 个水平，第四阶段时间不变，进行试验并测定复水率，从而确定出第三阶段干燥时间的最佳水平。最后，将前3 个阶段所得的最佳水平应用于前3 个阶段，第四阶段干燥时间选取8，10，12 h共3 个水平进行试验，测定冻干草莓片的复水率，考查草莓冷冻干燥的效果。

3.3 正交试验

为了确定这4 个阶段对冻干草莓片的影响主次，确定最适合的生产条件，选取L9（34）正交表进行正交试验。

4 试验指标的测定

4.1 草莓共晶点的测定

草莓共晶点是指草莓中的水分全部冻结时的温度。为保证草莓完全冻结，预冻温度要比草莓的共晶点低5～10 ℃[5]，选用共晶点测试仪进行测定。

4.2 试验成品的复水率

复水率是衡量冻干食品品质的一个重要指标，是冻干食品复水后增加的水的质量与冻干时失去的水的质量的比值。复水率越大，说明冻干食品复水后与原草莓的含水率越接近，冻干效果越好。测定方法为：取一定量的冻干食品浸没在30 ℃的水中，静置40 min，取出，沥水，除去表面水分，测定此时的水分含量，然后计算出该时间下的复水率[6]。复水率（R） 计算公式如下：

式中：m1——冻干产品的质量，g；

m2——冻干产品复水后的质量，g。

5 结果与分析

5.1 草莓共晶点的测定

采用共晶点检测仪进行测试，确定试验隋珠草莓的共晶点为-15 ℃。

5.2 预冻条件的确定

5.2.1 预冻温度对冻干草莓片品质的影响

预冻时间均为2 h 不变，在不同预冻温度下得到冻干草莓片的复水率。

复水率随预冻温度变化曲线见图1。

图1 复水率随预冻温度变化曲线

由图1 可以看出，随着预冻温度的升高，冻干草莓的复水率随之降低。-50 ℃下冻干草莓片的复水率与-35 ℃下冻干草莓片的复水率变化较缓，预冻温度提高到-20 ℃后，冻干草莓片的复水率急速下降。通过方差分析得到在这3 个温度下进行预冻，对草莓冻干片的品质没有显著差异。

预冻温度对草莓冻干片的品质影响方差分析见表1。

表1 预冻温度对草莓冻干片的品质影响方差分析

预冻温度要低于草莓的共晶点温度，这样才能保证草莓中的水分完全冻结。预冻温度过高时草莓没有冻实，在抽真空时未冻结的液态水分就会沸腾，会造成冻干品的表面凹凸不平而影响产品的外观形状；预冻温度过低时，不仅浪费能源和时间，而且对产品的营养含量或活性都有影响。已有研究表明，草莓在-25 ℃以下获得的复水效果较好，并且本着节约能源的考虑，故选择-35 ℃为预冻温度。

5.2.2 预冻时间对冻干草莓品质的影响

预冻温度选择-35 ℃不变，对预冻时间的单因素试验测得的复水率。

复水率随预冻时间变化曲线见图2。

图2 复水率随预冻时间变化曲线

由图2 可以看出，随着预冻时间的增加，冻干草莓的复水率也有相应的提高。通过方差分析得到在这3 个时间下进行预冻，对草莓冻干片的品质没有显著差异。当预冻时间达到2 h 后，复水率的变化不再明显，考虑到能耗，故预冻时间选择2 h。

预冻时间对草莓冻干片的品质影响方差分析见表2。

表2 预冻时间对草莓冻干片的品质影响方差分析

通过以上试验结果，确定在-35 ℃，2 h 下冻干草莓片的复水性良好，说明在此预冻条件下，草莓片能形成较多稳定的冰晶体。

5.3 冷冻干燥工艺条件的确定

第一阶段复水率随干燥时间变化曲线见图3，第二阶段复水率随干燥时间变化曲线见图4，第三阶段复水率随干燥时间变化曲线见图5，第四阶段复水率随干燥时间变化曲线见图6。

图3 第一阶段复水率随干燥时间变化曲线

图4 第二阶段复水率随干燥时间变化曲线

图5 第三阶段复水率随干燥时间变化曲线

图6 第四阶段复水率随干燥时间变化曲线

由图3、图4 可以看出，分别随着2 个阶段干燥时间的增加，冻干草莓片的复水率也相应有所提高。方差分析得到第一阶段对冷冻干燥工艺影响极显著，第二阶段干燥时间对冷冻干燥工艺影响显著。

第一阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析见表3，第二阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析见表4。

表3 第一阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析

表4 第二阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析

第一、第二阶段属于真空冷冻干燥过程中升华干燥过程，这一过程是使草莓片中冻结的冰晶升华成水蒸气逸出从而实现脱水干燥的过程。由于草莓片在升华干燥前先经预冻冻结，冻结产生的固体冰晶支撑着草莓片形成稳定的固体骨架，而在水分升华以后，固体骨架基本保持不变，所以草莓干燥后不会失去原有的固体结构，其骨架组成的多孔结构赋予冻干草莓片理想的复水性。

升华干燥时间越长，冻干草莓片的升华干燥越充分，形成的多孔结构越多，复水率相应越大。第一、第二阶段的10 h 的复水率比8 h 的复水率有明显提高，在10 h 后变化较缓。

从图5、图6 可以看出，冻干草莓片的复水率随着2 个阶段干燥时间的增加，呈现先提高后降低的趋势。方差分析得到第三阶段与第四阶段对冷冻干燥工艺影响都极显著。

第三阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析见表5，第四阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析见表6。

表5 第三阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析

表6 第四阶段干燥时间对草莓冻干片的品质影响方差分析

第三、第四阶段属于真空冷冻干燥过程中解析干燥过程，该过程主要是为了除去细胞中极性基团吸附的水分，也就是不会被冻结的结合水。结合水的存在也会为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供条件，因此需要将这部分水分干燥出去。因为物料内不存在冻结水，可将温度迅速上升到许可温度（15～40 ℃），保持一段时间，使结合水从分子中充分解析出来，使草莓片均匀干燥。

如果解析干燥时间不足，物料里的结合水除去不充分，最后冻干草莓片复水率较低，且口感较黏；但解析时间太长，物料在充分干燥后会保持较高温度（40 ℃），升华形成的固体骨架结构可能遭受破坏，并且物料的芳香成分与营养成分易流失，复水率也会受到影响。因此解析干燥过程的时间不是越长越好。通过试验结果表明，第三、第四阶段的时间分别为11 h 与10 h 出现拐点。

5.4 正交试验

通过单因素试验，确定了草莓片真空冷冻干燥的预冻工艺参数，但冷冻干燥过程的工艺参数还需进行一步确定。为了分辨试验误差和测定各因素水平变化对试验结果有无真正影响及各因素对试验指标影响的显著性水平，进行了正交试验。

5.4.1 正交试验设计

根据单因素试验，选择4 个阶段的3 个水平，采用L9（34）正交表进行正交试验。

正交试验因素与水平设计见表7。

表7 正交试验因素与水平设计t/h

5.4.2 正交试验结果与分析

由极差分析结果可知，影响冷冻干燥草莓片复水率的主次因素顺序为第四阶段＞第一阶段＞第三阶段＞第二阶段。

最佳冷冻干燥工艺条件为第一阶段干燥时间10 h，第二阶段干燥时间10 h，第三阶段干燥时间11 h，第四阶段干燥时间10 h。

6 结论

在最佳干燥工艺条件下（预冻条件-35 ℃，2 h；冻干条件-25 ℃，10 h；-5 ℃，10 h；15 ℃，11 h；40 ℃，10 h） 得到的草莓冻干片，水分含量为3.8%，满足冻干品含水率5%以下的要求，复水率达264.5%，维C 含量为531 mg/100 g（新鲜草莓的维C 含量一般为47 mg/100 g）。冻干草莓片颜色饱满，接近草莓天然颜色，有光泽，草莓味浓郁，结构无变化，口感松软，但有一定硬度。