马蹄脆片微波真空干燥工艺优化及其水分变化

谭德馨，唐小闲，张奕涛，李官丽，黎小椿，罗杨合*，伍淑婕*

（1.广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545006；2.贺州学院食品与生物工程学院，广西贺州 542899）

马蹄学名荸荠，俗称水栗、乌芋[1]，是我国特色果蔬，其产量占世界95%，广西马蹄产量占全国70%。马蹄不仅肉嫩脆甜、风味独特、营养丰富，而且富含槲皮素[2]、桦木酸[3]、圣草酚[3]等多种生物活性成分，其保健价值极高。自古有“地下雪梨”和“江南人参”的美誉，深受大众的喜欢，具有广阔的市场前景及研究价值。

马蹄主要以鲜食为主，但马蹄含水率较高，生命活动和呼吸代谢旺盛，很容易导致腐败变质，同时产地交通不便，产业链、供应链、价值链不健全，严重影响了马蹄产业的发展[4]。干燥技术的应用能延长马蹄的贮藏期，便于产品流通[5]。目前，马蹄干燥大多采用热风干燥[6]、真空干燥[7]和微波干燥[8]。热风干燥虽然操作简单，但是营养物质损失较多[9]。真空干燥虽然营养物质保存好，但其耗能较大、生产费用较高[10]。微波干燥虽然干燥速度快、操作简单，但风味物质损失较大，产品色差和形变程度较大，复水比较差，干燥过程最终水分含量难以控制，而且成本大[11]。因此，寻找一种干燥效率高、物理结构破坏小、营养物质损失少的马蹄干燥技术显得尤为重要。微波真空干燥的产品不仅能很好地保持鲜果原有的结构，而且风味品质好，干燥效率较高[12⁃13]。

本文以马蹄为主要原料，采用微波真空干燥法优化马蹄脆片干燥工艺，并对最佳工艺参数下制备的马蹄脆片进行水分变化分析，丰富马蹄加工产品种类，以期为马蹄脆片的制备和应用研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马蹄：市售；葡萄糖、苯酚：广东光华科技股份有限公司；浓硫酸、氢氧化钠：四川西陇科学有限公司；盐酸：昆山金城试剂有限公司。所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

微波真空动态干燥机（VP⁃018AV）：上海镧泰微波设备制造有限公司；物性测定仪（TA.XTPLUS）：英国stable micro systems 公司；色彩色差计（CR⁃400）：日本柯尼卡美能达公司；核磁共振成像分析仪（NMI20）：苏州纽迈电子科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

新鲜马蹄→清洗→去皮→切片→铺料→微波真空干燥→冷却→包装→成品。

挑选个体大小均匀、无腐烂、损伤的马蹄；将马蹄清洗去皮并切片，测其含水量为87.82%；称取马蹄片400 g，平铺于置料筐中，放入微波真空干燥设备的干燥室中，设置好仪器参数，样品干燥至含水率≤4%停止。

1.3.2 单因素试验

1.3.2.1 微波功率对马蹄脆片品质的影响

称取马蹄片400 g，在干燥温度为70 ℃、真空度为-95 kPa、切片厚度为2.5 mm 条件下，考察微波功率（1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 kW）对马蹄脆片总糖含量、色差值和脆度的影响。

1.3.2.2 干燥温度对马蹄脆片品质的影响

称取马蹄片400 g，在微波功率为2.0 kW、真空度为-95 kPa、切片厚度为2.5 mm 条件下，考察干燥温度（50、60、70、80、90 ℃）对马蹄脆片总糖含量、色差值和脆度的影响。

1.3.2.3 真空度对马蹄脆片品质的影响

称取马蹄片400 g，在微波功率为2.0 kW、干燥温度为70 ℃、切片厚度为2.5 mm 条件下，考察真空度（-55、-65、-75、-85、-95 kPa）对马蹄脆片总糖含量、色差值和脆度的影响。

1.3.2.4 切片厚度对马蹄脆片品质的影响

称取马蹄片400 g，在微波功率为2.0 kW、干燥温度为70 ℃、真空度为-95 kPa 条件下，考察切片厚度（2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm）对马蹄脆片总糖含量、色差值和脆度的影响。

1.3.3 响应面优化试验设计

在单因素试验结果的基础上，根据Box⁃Behnken试验设计原理，选取A微波功率、B干燥温度、C切片厚度为自变量，以马蹄脆片Y1色差值、Y2总糖含量和Y3脆度作为试验设计的响应值，响应面试验设计的因素及水平如表1所示。

表1 响应面试验设计的因素水平Table 1 Factors and levels for response surface test design

1.3.4 含水率测定

含水率的测定参照文献[14]进行。

1.3.5 色差值测定

运用色彩色差仪对马蹄脆片的色泽进行检测[15]。ΔE计算公式如下。

式中：ΔE为干燥后马蹄脆片的色差值；L0*、a0*、b0*分别为新鲜马蹄片的亮度、红度和黄度值；L*、a*、b*分别为干燥后马蹄脆片的亮度、红度和黄度值。

1.3.6 总糖含量测定

采用苯酚硫酸法[16]测定马蹄脆片中总糖含量。

1.3.7 脆度测定

采用参考文献[17]的方法稍作修改：用物性测定仪对马蹄脆片进行脆度特性测定。测试采用直径50 mm的平底圆柱型探头P/35，测试前速度1.0 mm/s，测试速度2.0 mm/s，测试后速度2.0 mm/s，压缩程度为样品形变40%，两次压缩之间停留时间5.0 s，压缩力5.0 g。

1.3.8T2的采集及反演

使用低场核磁共振分析仪测马蹄脆片的横向弛豫时间T2，将马蹄脆片放于永磁场射频线圈的中心进行T2采集，每份样品重复采集3 次信号，结果取平均值。序列参数设置为主频18 MHz、偏移频率410 000.94 Hz、90°脉冲时间10 µs、180°脉冲时间18 µs、采样点数200 050、重复时间5 000 ms、累加次数4 次、回波时间400 ms、回波数16 000。对所得图谱进行反演，得到弛豫时间T2。

1.3.9 低场核磁共振成像

低场核磁共振成像方法参照文献[18]进行。

1.4 数据处理

采用Design⁃Expert 13 软件进行响应面设计和数据分析，使用Origin 2022 和SPSS 26.0 软件对数据进行绘图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 微波功率对马蹄脆片色差值、总糖和脆度的影响

色泽能直接反馈产品的感官特性，是衡量果蔬干制品质量的重要评价指标[19]，总色差值ΔE越小，说明干燥后马蹄脆片的色泽越接近鲜果。碳水化合物是马蹄果肉的重要营养成分[20]，总糖含量越高，说明干燥后马蹄脆片的碳水化合物损失越小。脆度是脆片品质重要的结构特性，是影响口感的重要因素。微波真空干燥功率对马蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影响如图1所示，对总糖含量和脆度的影响如图2所示。

图1 微波功率对马蹄脆片色差值的影响Fig.1 Influence of microwave power on color difference of water chestnut chips

由图1 和图2 可知，微波功率整体上对色差值、总糖含量和脆度影响显著（p＜0.05）。随着微波功率的增大，色差值呈先下降后上升的趋势，微波功率为2.0 kW时，达到最小值6.39；总糖含量呈先上升后下降的趋势，微波功率为2.0 kW 时，达到最大值56.68 mg/100 g；脆度呈上升的趋势，微波功率为2.0 kW 时，脆度适中，为253.35 g；微波功率为5.0 kW 时，达到最大值789.16 g。这是因为物料在干燥过程中发生的颜色变化与干燥时间、干燥速率有关，随着干燥时间的延长，物料暴露在热环境中的时间延长，会引起干燥物料的颜色变化[21]。微波功率为1.0 kW 时，微波辐射穿透力较弱，释放的能量密度较少，干燥时间较长，导致色差值较大，总糖也会因为干燥时间的延长而部分损失。微波功率为2.0 kW 时，色差值最小，总糖含量最高，说明此功率干燥的马蹄脆片最接近于鲜果，品质最好。微波功率越大，微波辐射穿透力越强，马蹄脆片吸收的能量密度越大，微波能量分布越不稳定，促使内部水分分布不均匀性骤减，局部过热导致马蹄脆片烧焦，色泽偏暗黄，稍许变红，L*值变小，b*值和a*值变大，色素降解愈发严重[22]，ΔE值变大。总糖分子因高能量断裂而降解，其中部分降解得到小分子的寡糖会吸收微波而融化[23]，总糖含量下降。随着微波功率增大，烧焦现象愈发明显，导致马蹄脆片硬度增大，进而引起致使样品破裂的力增大，脆度增大。

综合考虑，选择微波功率在1.0、2.0、3.0 kW 进行响应面优化试验为宜。

2.1.2 干燥温度对马蹄脆片色差值、总糖和脆度的影响

微波真空干燥温度对马蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影响如图3所示，对总糖含量和脆度的影响如图4所示。

图3 干燥温度对马蹄脆片色差值的影响Fig.3 Influence of drying temperature on color difference of water chestnut chips

图4 干燥温度对马蹄脆片总糖含量和脆度的影响Fig.4 Influence of drying temperature on total sugar content and crispness of water chestnut chips

由图3 和图4 可知，干燥温度整体上对色差值、总糖含量和脆度影响显著（p＜0.05）。随着干燥温度的升高，色差值和脆度整体呈先下降后上升的趋势，在70 ℃时色差值达到最小值6.41，脆度适中为253.77 g；总糖含量呈先上升后下降的趋势，在70 ℃时达到最大值56.08 mg/100 g。这是因为干燥温度低于70 ℃时，热效应较弱，原料内部温度过低，不利于总糖的溶出和扩散[24]，随着干燥温度的升高，热效应逐渐加强，干燥时间减少，色差值逐渐降低，总糖含量逐渐升高。在70 ℃时色差值最小，总糖含量最高，说明此干燥温度下的马蹄脆片最接近于鲜果，品质最好。当干燥温度高于70 ℃时，高温产生的能量较大，马蹄脆片不能及时消耗掉热量，过热导致马蹄脆片伴随色泽反应，色泽偏暗黄，少许变红，L*值变小，a*值和b*值变大，色素降解愈发严重，ΔE值变大，原料内部温度过大，使总糖分子链降解[24]，从而使总糖含量下降。在温度低于90 ℃时，随着干燥温度升高，传热和水分蒸发速率加快，物料水分脱除速度过快会导致孔结构遭到破坏，马蹄脆片外层的保护膜受损[25]，进而使得脆度下降。在90 ℃时脆度上升，是因为温度过大，产生“热失控”现象[26]，马蹄脆片烧焦，引起脆度变大。综合考虑，选择干燥温度60、70、80 ℃进行响应面优化试验为宜。

2.1.3 真空度对马蹄脆片色差值、总糖和脆度的影响

微波真空干燥真空度对马蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影响如图5所示，对总糖含量和脆度的影响如图6所示。

图5 真空度对马蹄脆片色差值的影响Fig.5 Influence of vacuum degree on color difference of water chestnut chips

图6 真空度对马蹄脆片总糖含量和脆度的影响Fig.6 Influence of vacuum degree on total sugar content and crispness of water chestnut chips

由图5 和图6 可知，真空度对色差值、总糖含量和脆度影响显著（p＜0.05）。随着真空度的增大，色差值和脆度呈下降的趋势，总糖含量呈上升的趋势。真空度为-95 kPa 时，色差值和脆度均达到最小值，分别为6.31 和257.96 g，总糖含量达到最大值55.97 mg/100 g。这是因为真空度越高，物料水分蒸发得越迅速，使得微波通过水的产能作用不能在马蹄脆片表面高度集中[27]，避免出现焦点，使干燥后的马蹄脆片具有良好的色泽，ΔE值较小，L*值、a*值和b*值更接近于鲜果。真空度越低，水的沸点越高，干燥时间越长，总糖热降解时间越长，总糖含量越低。真空度越低，越容易使马蹄脆片产生焦化，形成一层硬的保护膜，导致脆度变大。综合考虑，选择真空度-95 kPa 作为试验的最佳真空度，不进行响应面优化试验。

2.1.4 切片厚度对马蹄脆片色差值、总糖和脆度的影响

微波真空干燥切片厚度对马蹄脆片L*值、a*值、b*值和ΔE值的影响如图7所示，对总糖含量和脆度的影响如图8所示。

图7 切片厚度对马蹄脆片色差值的影响Fig.7 Influence of slice thickness on color difference of water chestnut chips

图8 切片厚度对马蹄脆片总糖含量和脆度的影响Fig.8 Influence of slice thickness on total sugar content and crisp⁃ness of water chestnut chips

由图7 和图8 可知，切片厚度整体上对色差值、总糖含量和脆度影响显著（p＜0.05）。随着切片厚度的增加，色差值呈先下降后上升的趋势，切片厚度为3.0 mm时，色差值达到最小值3.56；总糖含量呈下降的趋势，切片厚度为4.5 mm 时，达到最小值35.55 mg/100 g；脆度呈上升的趋势，切片厚度为4.5 mm 时，达到最大值870.51 g。这是因为切片过薄，热传导阻力小，马蹄脆片内部升温快，易出现焦点，导致色差较大。切片厚度为3.0 mm 时，色差值最小，说明此切片厚度干燥的马蹄脆片最接近于鲜果，随着厚度的增加，热传导阻力增大，内部水分迁移的路径越长，局部温度过高产生焦化或局部升温过慢[28]，马蹄脆片色泽不均匀，ΔE值变大，整体颜色变暗黄，部分地方出现红褐色斑点，L*值变小，a*值和b*值变大，由于干燥时间较长，马蹄脆片总糖含量损失也较大。随着切片厚度增加，马蹄脆片干制品的内部结合力增大[29]，脆度增大。综合考虑，选择切片厚度在2.5、3.0、3.5 mm 进行响应面优化试验为宜。

2.2 响应面法试验结果与分析

2.2.1 回归模型的建立

根据Box⁃Behnken 原理设计出三因素三水平的17 个试验组进行响应面优化分析试验，响应面试验设计与结果见表2。

表2 响应曲面试验设计与结果Table 2 Test design and results of response surface

利用Design⁃Expert 13 软件对试验数据表2 进行多元线性回归拟合，得到Y1色差值、Y2总糖含量、Y3脆度对A微波功率、B干燥温度、C切片厚度的二次多项回归方程如下。

Y1=3.55+1.56A-0.338 7B-0.133 8C-1.34AB+0.64AC-0.637 5BC+4.90A2+0.835 2B2+4.08C2。

Y2=50.75-1.64A-0.26B-3.31C-0.452 5AB-0.33AC+1.26BC-3.26A2-4.15B2-0.438C2。

Y3=463.86-8.70A+16.32B+116.29C+3.13AB-29.87AC+18.78BC-73.01A2-54.94B2-45.51C2。

对回归方程方差分析后得到的各响应值的方差分析结果如表3所示。

表3 回归方程模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation model

由表3 可知，3 个指标模型的p值均达到极显著水平（p＜0.01），失拟项的p值分别为0.067 2、0.283 7、0.993 6 均不显著（p＞0.05）。色差值模型中的A、AB、A2、C2影响极显著（p＜0.01），B2对色差值影响显著（p＜0.05），B、C、AC、BC对色差值影响不显著（p＞0.05）。总糖含量模型中A、C、BC、A2、B2对总糖含量影响极显著（p＜0.01），B、AB、AC、C2影响不显著（p＞0.05）。脆度模型中B、C、AC、BC、A2、B2、C2影响极显著（p＜0.01），A和AB对总糖含量影响不显著（p＞0.05）。3 个指标模型的R2值分别为0.990 0、0.992 7、0.995 2，说明3 个模型相关性较好。变异系数分别为6.89%、1.08%、2.79%，表明试验有较高的可信度和精确度。由表3 可知，A微波功率、B干燥温度、C切片厚度对Y1色差值、Y2总糖含量、Y3脆度的影响主次关系顺序分别为A＞B＞C、C＞A＞B、C＞B＞A。

2.2.2 响应曲面分析

图9～图11 为干燥条件对马蹄脆片的交互响应曲面。

图9 各因素对色差值交互影响的响应曲面Fig.9 Response surface of interaction effects among various fac⁃tors on color difference

由图9～图11 可知，图9 的AB、图10 的BC、图11的AC和BC的响应面曲线陡峭，且等高线密集偏椭圆形，说明微波功率和干燥温度的交互作用对色差值的影响显著，干燥温度和切片厚度的交互作用对总糖含量和脆度影响显著，微波功率和切片厚度的交互作用对脆度的影响显著。

图10 各因素对总糖含量交互影响的响应曲面Fig.10 Response surface of interaction effects among various fac⁃tors on total sugar content

图11 各因素对脆度交互影响的响应曲面Fig.11 Response surface of interaction effects among various fac⁃tors on brittleness

2.2.3 微波真空干燥马蹄脆片的工艺优化

通过Design⁃Expert 13 软件对试验数据进行分析，试验优化目标为选出马蹄脆片微波真空干燥的最优工艺，在真空度-95 kPa 时得出以下结论：微波功率1.83 kW、干燥温度70.54 ℃、切片厚度3.06 mm，该方案模型预测的马蹄脆片的色差值、总糖含量、脆度分别为3.45、50.54 mg/100 g、477.16 g。根据实际情况进行修正后为微波功率2.0 kW、干燥温度71 ℃、切片厚度3.1 mm，在此条件下进行验证试验得马蹄脆片的色差值、总糖含量、脆度分别为3.42、50.51 mg/100 g、464.96 g，与预测的色差值、总糖含量、脆度值相差分别为0.87%、0.06%、2.56%。由此表明，采用响应面优化分析法得到的马蹄脆片微波真空工艺的参数具有可行性。

2.3 利用低场核磁共振探究马蹄脆片微波真空干燥过程中水分的变化规律

2.3.1 马蹄脆片最佳工艺条件下T2反演谱随干燥时间的变化

马蹄脆片T2反演谱随干燥时间的变化如图12所示。

图12 在最佳工艺条件下T2 反演谱随干燥时间的变化Fig.12 Changes of T2 inversion spectrum with drying time under optimal process conditions

由低场核磁共振原理可知，弛豫时间T2越短，表明水与物质结合越紧密，说明质子自由度越低，越难排出；弛豫时间T2越长说明质子自由度越高，越容易排出，因此弛豫时间T2可以间接反映水分的相态特征。弛豫时间T2的变化能够反映水分子的流动性，因此可以了解马蹄脆片微波真空干燥过程中水分的迁移规律[30⁃31]。由图12 可知，马蹄脆片在干燥过程中产生了2～3 个峰，根据峰出现的时间先后分别命名为T21峰、T22峰、T23峰，其中T21峰（0.10～20.00 ms）为结合水峰，T22峰（20.00～152.00 ms）为不易流动水峰，T23峰（＞152.00 ms）为自由水峰，其中对应波峰（T23）面积在反演图谱中最大，说明马蹄片自由水的占比较高，而结合水和不易流动水的比例相对较低。随着干燥的进行T2图谱整体向左移动，峰幅值逐渐减小，这是因为随着干燥时间的延长，自由水含量急剧降低，首先大部分转化为不易流动水，随后不易流动水转化为结合水[32]。15 min 和20 min 时结合水出现两个峰，这可能是因为干燥程度的加深，马蹄片内部结构发生变化，一部分结合水发生迁移，使得结合峰个数为两个。25 min 时部分水分占比变化不明显，信号幅度也很小，并发生了峰融合现象，即由最初的3 个峰融合为2 个峰，说明到达干燥终点，自由水完全除去，只剩下少量的不易流动水以及结合水。

2.3.2 马蹄脆片最佳工艺条件下的各个干燥时期的低场核磁共振成像

马蹄脆片低场核磁共振成像如图13所示。

图13 在最佳工艺条件下马蹄脆片随干燥时间变化的氢质子成像图Fig.13 Hydrogen proton imaging of water chestnut chips with drying time under optimal process conditions

蓝度图像氢质子密度越大，信号越强，马蹄脆片的水分含量越多，在图13 中呈高亮状态；相反，水分含量越少，图像接近背景色。由图13 可知，随着干燥时间的延长，马蹄脆片水分含量逐渐减少，25 min 成像模糊，氢质子完全消失，说明到达干燥终点。

3 结论

本试验采用微波真空干燥技术来干燥马蹄脆片，在单因素试验的基础上，通过响应面优化得到了微波真空干燥马蹄脆片的最佳工艺为微波功率2.0 kW、干燥温度71 ℃、真空度-95 kPa、切片厚度3.1 mm。此工艺下得到的马蹄脆片的色差值、总糖含量、脆度分别为3.42、50.51 mg/100 g、464.96 g，与模型预测值接近，表明该数学模型具有较高的可靠性，可为马蹄脆片的加工提供参考。通过低场核磁共振技术研究马蹄脆片微波真空干燥过程中水分的变化情况可知：马蹄片内部主要存在自由水、不易流动水及结合水3 种状态水，其中自由水的占比较高，而结合水和不易流动水的比例相对较低，到达干燥终点时，自由水完全除去，只剩下少量的不易流动水以及结合水。