射频辅助热风干燥对红枣脆片质构特性和微观结构的影响

牛玉宝，姚雪东※，肖红伟，王冬冬，郑 霞，王 强，朱荣光，臧永镇，刘 欢

（1. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832000；2. 农业农村部西北农业装备重点实验室，石河子 832000；3. 中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引 言

酥脆枣片，因其口感酥脆、营养丰富被大众所喜爱。质构特性作为枣片的重要品质属性，极大地影响着消费者的口感以及对产品的接受度，如硬度、脆性和咀嚼性作为描述果蔬干制品质构品质的典型参数，反映了果蔬脆片的食用口感，较低的脆性和硬度表明在食用过程中可以被轻松的咀嚼；黏附性作为一种表面特性，主要取决于黏附力、内聚力以及黏度等综合作用；弹性用来衡量内部结构被初始压缩破坏的程度，反映了被压缩样品在去除载荷后恢复到其原始形状的能力；内聚性反映了组织细胞间结合力的大小，即在应力作用下保持结构完整性的能力；回复性表示了第一次压缩过程后样品回弹的能力，反映了果肉组织结构的完整性。

当前，在枣片的机械化干燥方法中，热风干燥因其操作简单，成本较低，且对场地、气候等要求不高，成为应用最广泛的干燥方法。但热风干燥后期枣片外部易形成硬壳，阻碍内部水分蒸发扩散，影响其干燥速率且导致枣片质构裂变、适口性变差。近年来，射频加热因其高效的传热效率以及选择性的加热特点在果蔬干燥中逐渐应用，尤其是与热风干燥联合使用以克服热风干燥热质传递速度低的弊端。张丽对比了单一热风与射频热风联合干燥下红枣的干燥速率，发现射频热风联合干燥所需时间仅为单一热风的1/3。刘家璇等对热风干燥杏果进行射频预处理，结果表明射频预处理后杏果有更快的干燥速率，且干燥后杏干黄酮、多酚和维生素C含量也略有增加。Gong等发现射频热风联合干燥胡萝卜块相比于单一热风干燥所需时间更少，且具有更高的维生素C保存率。上述文章主要研究了射频热处理对热风干燥速率及营养品质的影响，而对枣片质构特性影响和相关机理探索的研究报道较少。

物料的微观结构决定宏观功能特性，微观结构是解读质构变化内在机制的一把钥匙。彭健等研究龙眼的分段式远红外-热泵干燥发现样品内部孔隙的变化影响龙眼干的咀嚼性和韧性。周鸣谦等发现微观结构呈明显蜂窝状的莲子具有更低的硬度。由此可见，干燥产品质构特性的变化往往与其微观结构有关，微观结构变化可作为探索质构特性变化机理的一个重要研究方向。

鉴于此，本文将射频热处理应用于枣片的热风干燥过程中，研究射频热处理对热风干燥枣片质构特性和微观结构变化的影响规律，并通过微观结构的变化探索质构特性变化的产生机理，期望为后续射频与热风联合干燥枣片技术与工艺的研究以及干燥品质的过程调控提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜新疆和田冬枣，购于石河子农贸市场，选取大小均匀（纵径（29±2）mm、横径（25±2）mm）、枣皮红绿相间且无损伤的冬枣为试验材料。从冰箱内取出冬枣，清洗、擦拭之后，选取无核区果肉切成厚度（10±1） mm的枣片样本，储存于冰箱内（温度（4±1）℃、相对湿度96%±2%），匀湿24 h备用，测得鲜枣片初始干基含水率326%±48%。

1.2 试验设备

本试验枣片的干燥装置如图1所示的COMBI 6-S型射频加热系统（型号SO6B，Stray field International Limited，Wokingham，UK），功率为6 kW，频率为27.12 MHz，上下极板构成的射频加热场的面积为750 mm×550 mm，极板间距可调范围80～200 mm；所用热风系统温度可调范围25～100 ℃，风速可调范围0～1 m/s；干燥装置内所用物料盘由介电损耗因子较小的聚丙乙烯制成，尺寸为350 mm×250 mm×10 mm。

图1 射频-热风联合干燥装置及物料盘放置 Fig.1 Schematic diagram of radio frequency and hot air combined dryer and placement diagram of material tray

其他试验设备有TA. XT plus质构仪（英国Stable Micro System公司），BSM220.4电子天平（上海卓精电子科技有限公司），HCP-2型临界点干燥仪（日本日立公司），SU8010电子扫描显微镜（日本日立公司），SU3500电子扫描显微镜（日本日立公司）。

1.3 试验方法

打开热风干燥装置，设定热风温度，预热1 h，以保证腔内温度稳定且均匀，开启射频装置，设定试验参数，将料盘放入上下极板之间，启动射频加热（依据前期预试验射频处理时间选择干燥过程中的前2 h）。每隔30 min从干燥装置内取出用于质构和含水率测量的枣片样本，至干基含水率降至5%以下时，结束试验。为描述方便，将单一热风干燥简写为HAD（Hot Air Drying）；射频辅助热风干燥简写为RF+HAD（Radio Frequency assisted Hot Air Drying）。

参考射频加热技术的相关报道以及前期预试验，结合射频-热风联合干燥装置特点确定如表1所示的试验设计方案。

表1 试验设计 Table 1 Design for the experiments

采用GB5009.3—2016《食品中水分含量的测定》中的直接干燥法测定枣片含水率，含水率的变化以水分比（Moisture Ratio，MR）表示，如公式（1）所示。

式中M为干燥至时刻样品的含水率，%；M为干燥平衡时样品的含水率，%；为样品的初始含水率，%。

其中M的值相对M和可以忽略不计，因此将式（1）简化为式（2）。

使用质构仪对不同干燥条件下枣片进行质地多面剖析（Texture Profile Analysis，TPA）。测试参数设置如下：使用P/50探头，测前速度1 mm/s，测试速度0.5 mm/s，测后上行速度1 mm/s，枣片受压变形为50%，两次压缩停顿时间为5 s，每组样品测量10次，结果取其平均值。典型的TPA测试特征曲线如图2所示。

图2 枣片TPA测试质构特征曲线 Fig.2 Test curve of texture properties analysis of jujube slices

通过获得的TPA曲线进一步分析可以获得枣片样品的7个质构特性指标，分别为脆性（Crispness）硬度（Hardness）、弹性（Springiness）、内聚性（Cohesiveness）、咀嚼性（Chewiness）、回复性（Resilience）和黏附性（Adhesiveness），其测试指标具体定义如表2所示。

表2 枣片的质构特性指标定义 Table 2 Definition of the texture properties parameters of jujube slices

用刀片将不同条件下干燥结束后的枣片处理成合适大小，用双面胶将其固定在样品台上，喷金镀膜后，置于扫描电子显微镜（型号SU8010，日本日立公司）下，在350倍下观察和采集微观图像。

不同干燥时间的枣片样品放于2.5%浓度的戊二醛固定液，过夜后倒掉固定液，使用磷酸缓冲液（pH值7.0）漂洗3次后，用1%的锇酸溶液固定样品2 h，再次使用磷酸缓冲液（pH值7.0）漂洗3次。使用不同浓度的乙醇溶液（30%、50%、70%、80%、90%、95%和100%）对枣片样品依次脱水20 min。脱水样品放于临界点干燥仪进行干燥。干燥完成的样品置于扫描电子显微镜观察和采集微观图像。

本试验中应用Excel和Origin8.0 Pro软件对数据进行分析处理与绘图；应用IBM SPSS Statistics 25软件下的最小显著性差异（Least Significant Difference，LSD）进行显著性分析，<0.05时表明存在显著性差异。

2 结果与分析

2.1 HA与RF+HA对枣片质构特性的影响

脆性作为消费者选择枣片的一个重要指标，以探头第一次下压过程中的第一个明显压力峰值进行表示，峰值越小样品越脆。由于干燥前中期枣片软化，测试过程中脆性峰值出现较少，因此本文只研究了干燥后期枣片脆性峰值出现后其脆性变化趋势。由图3可知，枣片出现的第一个脆性值较大，可能是干燥后期枣片硬化结壳，内部水分难以去除，变形破裂需要更大的力，而随着干燥时间的延长，内部水分扩散蒸发，脆性值逐渐降低；而在更高的干燥温度下，枣片有着更低的脆性值，其破裂所需的力更小，这与现有研究相似，干燥温度的升高和含水率的下降都会导致枣片脆性的降低。而施加射频热处理后，枣片内部呈现多孔性结构，有利于内部水分的迁移扩散以及微观形态的保持，使枣片在更早的时间出现脆性，且脆性值低于单一热风干燥。这与Jiang等对秋葵的微波干燥结果相似。

图3 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片水分比及脆性随时间变化曲线 Fig.3 Curves of moisture ratio and crispness of jujube slices with time under different drying temperatures

如图4所示，热风干燥过程中硬度变化主要表现为两个阶段。干燥初期，由于表面水分迅速蒸发，枣片硬度逐渐降低，这一时期枣片硬度主要由细胞膨压决定，之后由于内部水分的迁移扩散，枣片硬度下降速度减缓，这一时期与Alex等热风干燥苹果片的软化阶段相类似。当水分比下降到0.10±0.02后，枣片进入硬化阶段，硬度迅速增加。这是由于后期枣片内部水分难以及时转移至表面，导致枣片表面水分的缺失，进而形成干硬膜。不同干燥温度下的枣片硬度在干燥前中期的变化范围基本相似，在干燥后期越高的干燥温度有着更低的硬度值。而射频热处理过程中枣片纤维素和果胶的降解以及水分的流失导致细胞壁和细胞膨压被破坏，硬度迅速下降，之后由于细胞膜渗透率改变，细胞通透性增加，内部水分扩散加快，延缓了表面硬壳的形成，枣片在更低的水分比（0.06±0.02）进入硬化阶段。

图4 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片硬度随时间变化曲线 Fig.4 Curves of hardness of jujube slices with time under different drying temperatures

由图5可以看出，干燥过程中枣片咀嚼性变化趋势与硬度相似。热风干燥条件下，当枣片水分比处于0.10±0.02时，枣片咀嚼性保持在较低水平（0～1 0），之后水分比降低，枣片表皮硬化、咀嚼性迅速增大，耐咀嚼程度大幅上升，不同干燥温度下的枣片咀嚼性在干燥过程中的变化范围基本相似。而施加射频热处理后，枣片在更低的水分比（0.06±0.02）和更短的干燥时间，咀嚼性开始增大。

图5 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片咀嚼性随时间变化曲线 Fig.5 Curves of chewiness of jujube slices with time under different drying temperatures

如图6所示，不同干燥条件下枣片的黏附性均随时间的增加不断增加趋向于0。干燥初始由于鲜枣片本身的高水分和高糖分，枣片呈现较高的黏附性（-59 g/s）。而随着干燥过程的进行，枣片水分比不断下降，且还原糖与氨基酸的结合导致还原糖及总糖的损失，都会造成枣片黏附性的不断下降。在干燥后期，由于表面水分的缺失以及干硬膜的形成，枣片黏附性逐渐消失。干燥过程中射频热处理的施加以及干燥温度的升高都会提高枣片的干燥速率，加快枣片水分的蒸发，促使黏附性在更短的时间内趋于0。

图6 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片黏附性随时间变化曲线 Fig.6 Curves of adhesiveness of jujube slices with time under different drying temperatures

干燥过程中，枣片的弹性变化如图7所示。热风干燥过程中弹性的变化趋势主要分为两个阶段：当枣片水分比从1降至0.10±0.02时，枣片收缩明显，整体结构更加致密，表现为弹性持续上升，到达最高值（0.92±0.05）之后，枣片内部结构变形、塌陷，弹性开始下降直至干燥结束，这与Nachiiket等热风干燥蘑菇过程中弹性的变化规律相似。随着干燥温度的升高，枣片弹性变化范围逐渐缩小；经过射频热处理后枣片细胞骨架被破坏，干燥过程中其弹性值整体低于单一热风干燥。

图7 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片弹性随时间变化曲线 Fig.7 Curves of springiness of jujube slices with time under different drying temperatures

由图8可知，热风干燥过程中，枣片内聚性变化主要分为两个阶段。随着水分比的下降，枣片内聚性呈现先上升后下降的变化趋势。而不同温度下枣片内聚性变化趋势基本相似，65 ℃的热风干燥枣片有着最大的内聚性变化范围，其在水分比0.025±0.013时内聚性达到最高值（0.547±0.028）。施加射频热处理的后枣片内聚性在水分比0.017±0.009～0.023±0.011范围内达到最高值，但其最高值略低于相同条件下单一热风干燥枣片。

图8 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片内聚性随时间变化曲线 Fig.8 Curves of cohesiveness of jujube slices with time under different drying temperatures

由图9可知，相比于鲜枣片，不同干燥条件后枣片回复性明显升高。热风干燥初始阶段随着水分比的下降，枣片回复性均呈现缓慢上升，相比于其他温度，55 ℃下的枣片在5 h时有着最大的回复性值（0.236±0.019），之后回复性开始下降。施加射频热处理后枣片回复性的变化范围大于热风干燥，尤其是在65 ℃和75 ℃条件下。

图9 不同温度下HAD与RF+HAD干燥枣片回复性随时间变化曲线 Fig.9 Curves of resilience of jujube slices with time under different drying temperatures

2.2 HAD与RF+HAD枣片质构特性差异显著性分析

HAD与RF+HAD干燥结束后的枣片质构特性如表3所示，随着干燥温度的升高，枣片的硬度和脆性降低，这与穆金屏等热风干燥苹果片的研究结果相似，较高的干燥温度会导致较低的干制品脆性和硬度；而施加射频热处理的枣片硬度降低了12.6%～18.7%，脆性降低了13.8%～20.4%，明显低于单一热风干燥（<0.05），较低的硬度和脆性值表明射频热处理后枣片有着更酥脆的口感。热风干燥后弹性和内聚性虽然随温度的升高而降低，但内聚性差异并不显著；相比单一热风干燥，施加射频热处理后枣片弹性增加了12.2%～25.3%，内聚性增加了5.9%～13.2%，射频热处理对弹性影响显著（<0.05）。而当干燥温度为65 ℃和75 ℃，射频热处理后枣片的咀嚼性和回复性与单一热风干燥相比并无明显差异。

表3 射频热处理对热风干燥枣片质构特性的影响 Table 3 Effects of RF heat treatment on the texture of hot-air dried jujube slices

2.3 不同干燥条件枣片质构特性主成分分析

对不同条件干燥后枣片质构指标进行皮尔森双尾检验，结果如图10所示，不同干燥条件下枣片的咀嚼性、脆性分别与硬度在统计学上存在显著正相关（<0.05），弹性与内聚性呈极显著正相关（<0.01）。枣片质构评价指标较多，且彼此间存在一定的相关性，无法对枣片的质构品质进行准确分析。因此对干燥后枣片样品进行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），将多个质构指标转换为较少的新指标，且这些新的指标既互不相关，又能综合反映原指标，从而对不同干燥条件下的枣片品质进行评价。

图10 不同干燥条件下枣片质构指标相关系数热图 Fig.10 Heat map of correlation coefficient of texture of jujube slices by different drying methods

干燥后枣片质构指标主成分分析结果如图11所示，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）累积方差贡献率达到90.816%，能够反映样品绝大多数的原始数据信息，因而选择PC1和PC2进行分析。

图11 不同干燥条件枣片质构指标载荷图 Fig.11 Loading plot of the texture index of jujube slices under different drying method

基于主成分的特征值和表4的主成分载荷，可以得到2个主成分的函数表达式为

表4 各主成分的载荷矩阵和特征向量 Table 4 Load matrix and eigenvector of each principal component

第一主成分：

第二主成分：

第一主成分的特征值为3.463，方差贡献率为57.725%，主要反映硬度、咀嚼性和脆性；第二主成分的特征值为1.986，方差贡献率为33.092%，主要反映了弹性和内聚性。较高的硬度、脆性和咀嚼性表明枣片酥脆性差，不易咀嚼，因此将的权重因子赋予负值，赋予正值。将2个主成分的方差贡献率作为权重，得到枣片质构综合评价函数：=-0.58+0.33，综合得分越高，其质构品质越佳。结果见如表5所示，射频热处理后枣片有着更好的酥脆性，其综合得分均高于同一温度热风干燥枣片；随着干燥温度的降低，枣片硬度、脆性增加，其综合得分逐渐降低。因此，75 ℃下射频热处理热风干燥后枣片有着较好的质构品质。王存堂等发现枣片在50 ～90 ℃的热风干燥温度下，随着温度的升高其硬度呈现降低的趋势。而在前期研究中发现，热风干燥过程中射频介入的适宜条件为温度55 ～75 ℃，因此并未对更高温度下干燥枣片的质构品质进行研究。

表5 枣片质构综合得分和排名 Table 5 Composites scores and rankings of jujube slices texture

2.4 射频热处理对热风干燥枣片微观结构影响

枣片热风干燥的微观结构如图12所示。干燥温度作为影响微观结构变化的重要参数，干燥过程中水分比的降低、质构的变化与其密不可分。55 ℃干燥的枣片有着较小的孔径和紧密的细胞结构，导致枣片干燥时间的延长；而规则致密的内部结构是枣片具有更高硬度和弹性的主要原因。随着干燥温度的升高（65 ℃），枣片细胞孔径变大，内部结构排列逐渐不规则，甚至有裂纹产生，这使枣片有着更高的有效水分扩散率，在质构方面则表现为硬度和脆性的降低。75 ℃干燥的枣片，产生了更大的孔隙和孔径，而细胞内水的去除导致枣片内部结构出现严重变形，部分组织出现坍塌，表现为更高的干燥速率和更低的硬度和脆性。

图12 射频热处理对枣片微观结构的影响（放大350倍） Fig.12 Effect of RF heat treatment on the microstructure of jujube slices (× 350 times）

对比单一热风干燥，施加射频热处理后枣片的内部组织排列规则，呈明显的蜂窝状结构；而干燥过程中纤维素和果胶的降解则会使细胞壁变薄和断裂，以及在部分区域出现细微通道和孔洞的变形、扩张，这与Roknul等对莴苣的干燥结果类似。射频热处理的施加有利于干燥过程中枣片内部水分的迁移扩散，较好的保持其微观组织形态，而疏松多孔的内部结构是射频热处理后热风干燥枣片硬度较低、酥脆性较好的主要原因。综上所述，热风干燥后枣片内部结构收缩程度大，整体结构更加致密，导致其硬度和脆性较高；而施加射频热处理后的枣片，其规则排列的微观结构使干燥后的枣片具有更高的弹性和内聚性。

为详细研究干燥过程中枣片微观结构变化，本文选择55 ℃干燥过程中枣片的微观结构进行研究。枣片是多孔和高水分的食物，其微观结构主要受细胞变形和细胞间隙的影响。从图13中可以看出，鲜枣片的微观结构由紧密相连的细胞规则排列，细胞大小相似，且细胞边缘清晰显示。

图13 干燥温度为55 ℃下HAD与RF+HAD枣片微观结构变化（放大100倍） Fig.13 Microstructure changes of HAD and RF+HAD jujube slices at 55 ℃ drying temperature ( ×100 times)

在干燥过程中，枣片的细胞结构随着时间的推移发生变形，这主要是由于细胞液中的水分去除，膨压丧失造成的。干燥过程中的细胞变形主要分为两个阶段。首先，随着膨胀力的降低，细胞壁收缩，细胞出现皱缩变形。在第二阶段，随着干燥的进一步继续，由于细胞液中的水分被进一步去除，膨压达到最小值。枣片细胞壁发生更高程度的翘曲和起皱，以适应较小的细胞液体积。这种收缩变形是广泛且不规则的。与鲜枣片密集的细胞结构相比，由于干燥过程中这些区域的水分与空气的去除和蒸汽的膨胀，枣片的细胞间隙会膨胀并形成新的细胞结构。

从图中可以看出，两种干燥方式产生的微观结构相似。然而，经过射频处理后，观察到细胞壁出现褶皱，而随着时间的增加，细胞壁破坏严重，细胞壁变粗糙，少量细胞碎片沉积到细胞腔体中。而射频加热使果胶降解，细胞间的黏着力降低，导致细胞分离和细胞间层扩大。细胞壁的塌陷往往会影响枣片的口感和质地，如硬度降低。

2.5 讨论

本文研究了射频热处理对热风干燥枣片质构特性和微观结构的影响，并从微观角度揭示了质构特性变化的机理。结果表明，干燥结束后射频热处理对枣片质构特 性影响显著，具体表现为硬度与脆性的下降和弹性与内聚性的增加（<0.05）；而在微观结构方面，相比单一热风干燥枣片内部结构的收缩、变形，施加射频热处理后枣片样本组织排列规则，部分区域出现细微通道以及孔洞的变形与扩张，这与射频加热后，苹果片微观结构的变化导致硬度降低的研究相似。

枣片干燥过程实质为传热传质过程，单一热风干燥过程中枣片传热与传质方向相反，当其表层水分蒸发速率高于内部水分迁移速率时，组织结构极易出现收缩变形；而射频与微波同属介电加热，射频波能够穿透枣片表面进入内部引起带电粒子的高频振荡，从而实现整体加热的效果，加热效率高且传热与传质方向相同，有利于干燥过程中枣片疏松多孔形态的保持与形成，这与微波干燥使蒿草茎秆内部孔隙增加的作用机理类似；枣片内部微观结构的变化不仅直接影响着水分去除的难易，同时也对枣片硬度、脆性和弹性等质构特性有着极大的影响，因此可从施加射频热处理改变微观结构与组织形态的角度对枣片质构方面的热风干燥品质进行宏观调控的深入研究。

射频热处理后枣片微观结构的变化直接影响着其质构特性，而微观结构的改变则由其超微结构所决定，细胞组织的损伤、果胶的降解都会降低细胞的膨压，对超微结构的研究可深层次揭示质构特性变化的机理；射频热处理的施加不仅影响着热风干燥枣片的物理特性，其营养成分也发生了改变，其中部分成分，如细胞内可溶性固形物、蛋白质、淀粉和酚类等物质的含量影响着枣片的组织强度和结构密度，后续研究可从物质成分以及超微结构变化的角度对枣片质构特性变化规律及产生机理作更深入的探索。

3 结 论

本文研究了射频热处理对热风干燥枣片质构特性与微观结构的影响，揭示了质构特性变化的产生机理，主要结论如下：

1）单一热风干燥（Hot Air Drying，HAD）与射频辅助热风干燥（Radio Frequency assisted Hot Air Drying，RF+HAD）下枣片质构特性变化趋势相似，随着水分比的下降，枣片脆性降低，而黏附性逐渐增加，硬度与咀嚼性呈现先下降后上升的变化趋势，而弹性、内聚性和回复性的变化趋势则为先上升后下降。

2）干燥终点施加射频热处理热风干燥枣片硬度降低12.6%～18.7%，脆性降低13.8%～20.4%，弹性增加12.2%～25.3%，内聚性增加5.9%～13.2%；而射频热处理对枣片咀嚼性和回复性并无显著影响（>0.05）；主成分分析表明，射频热处理的75 ℃热风干燥枣片有着较好的质构品质。

3）微观图像分析表明，单一热风干燥的枣片微观组织结构会发生较大的收缩变形；施加射频热处理后，枣片内部组织排列趋向规则，呈明显的蜂窝状结构，且在部分区域出现细微通道以及孔洞的变形、扩张；疏松多孔的组织结构有利于内部水分的迁移扩散，进而改变热风干燥后枣片的质构特性，微观结构变化能够解释枣片质构特性变化的产生机理。

4）55 ℃下HAD与RF+HAD枣片的微观变化基本相似，随着细胞液中的水分去除，膨压的降低，细胞壁收缩；当膨压达到最小值时，枣片细胞壁发生更高程度的翘曲和起皱来适应更小的细胞液体积。经过射频处理后，细胞壁破坏严重，细胞间的黏着力降低，导致细胞分离和细胞间层扩大。