预处理对胡萝卜微波冷冻干燥特性及产品品质的影响

李琳琳,栾建美,张君慧,段 续,*

1.河南科技大学 食品与生物工程学院 (洛阳 471023) 2.无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035) 3.中粮营养健康研究院有限公司 (北京 102209) 4.营养健康与食品安全北京市重点实验室 (北京 102209)

胡萝卜是B族维生素(B1、B2、B6)、类胡萝卜素、聚乙炔和各种矿物质以及许多其他重要营养素的重要来源。在储存过程中,由于水分的流失、甜度和生物活性成分的降低、颜色的改变以及难闻的气味,其质量会逐渐下降。

微波冷冻干燥(Microwave Freeze-drying,MFD)以微波作为热源,大幅提升了干燥效率,产品品质良好[1,2]。然而,MFD多适用于高附加值果蔬食品干燥,若将其应用于胡萝卜加工,应设法提高干燥效率,降低经济成本。何新益等[3]研究了冻融预处理加快甘薯变温压差膨化的干燥速度。超声波技术已被广泛应用于荔枝、红枣和苹果等果蔬的干燥前预处理,有效缩短其干燥时间[4,5]。

本文研究了冻融次数和超声功率对胡萝卜MFD特性及产品品质(色泽、复水性、类胡萝卜素含量)的影响,为采用适宜预处理手段在提升胡萝卜MFD效率和产品品质上的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验选用的新鲜胡萝卜购自洛阳市大张超市,胡萝卜初始含水量为90.35%。

KQ-500DE型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;微波冷冻干燥机,自行研制;TA.XTC型物性分析仪,英国Stable Micro Systems公司;Color-imatch 型色差计,美国 X-rite 公司。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

根据前期文献调研及预实验,确定冻融预处理的次数为1、2和3次,超声预处理的功率为200 W、300 W和400 W 3个水平。对胡萝卜分别进行冻融和超声波预处理,后采用实验室自行研制的MFD设备对其进行干燥加工,微波功率密度设置为0.5 W/g,冷阱温度为-40 ℃,干燥腔压力为100 Pa,干燥进行至样品达到平衡含水率为止。

1.2.2胡萝卜预处理

1.2.2.1 新鲜样品

胡萝卜用清水清洗,除去表面泥垢,切除不可食用的部分,用果蔬切片机横向切成厚度5 mm(±1 mm)的片状。

1.2.2.2 冻融预处理样品

将胡萝卜片置于-18 ℃条件下冷冻12 h,之后于室温下(25 ℃)自然解冻4 h,使其完全解冻,此为1次冻融循环,重复此操作实现2次和3次冻融循环,以FT-1、FT-2和FT-3表示。

1.2.2.3 超声预处理样品

取新鲜切片的胡萝卜置于含蒸馏水的烧杯中,胡萝卜与蒸馏水的质量比为1∶5,分别以200 W、300 W、400 W功率在超声浴中(温度为25 ℃)处理15 min,以US-200、US-300和US-400表示。

1.2.3测定方法

1.2.3.1 水分含量的测定

水分含量的测定,参照GB 5009.3—2016。

1.2.3.2 色泽的测定

色泽的测定,参照Djekic[6]的方法。

1.2.3.3 类胡萝卜素含量的测定

类胡萝卜素含量的测定,参照Kuti[7]的方法。

1.2.3.4 复水率的测定

将干燥胡萝卜片放入200 mL 25 ℃的蒸馏水中浸泡5 min,取出后用滤纸擦拭表面水分并称量样品的质量。复水比按以下公式计算:

(1)

式中,Mf和M0分别是复水后和复水前样品的质量,g。

1.2.4干燥动力学分析

干燥动力学描述的是水分比(Moisture ratio,MR)与干燥时间的关系。其中,水分比由以下公式计算:

(2)

式中:Mt、M0、Me分别为物料在t时刻、初始阶段和最终平衡阶段的干基含水量。

1.2.5数据处理

所有测试至少重复3次,实验结果表示为平均值±标准差。通过SPSS 19.0的单因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s多重比较进行显著性分析,显著性水平p<0.05。

2 结果与讨论

2.1 预处理对胡萝卜MFD干燥特性的影响

经预处理胡萝卜的MFD干燥特性如图1所示。新鲜样品所需的干燥时间最长(6 h),冻融处理加速干燥过程,与对照组相比,经FT-1、FT-2和FT-3处理的胡萝卜片MFD所需干燥时间分别缩短了16.7%、25.0%和33.3%。这是因为冻融处理导致细胞损伤,细胞的通透性增加,从而有利于干燥过程中的水分传递。超声预处理可以显著缩短胡萝卜MFD的干燥周期,3个功率下所需的干燥时间均为4 h,与对照组相比缩短干燥时间33.3%;但不同超声功率对干燥时间的影响不大。超声通过机械效应和空化效应引起胡萝卜微观孔道的形成,为干燥过程内部水分向表面扩散提供通道,进而提高了干燥效率[8]。

图1 预处理对胡萝卜MFD干燥特性的影响

2.2 预处理对MFD胡萝卜品质特性的影响

2.2.1色泽

不同预处理对MFD胡萝卜色泽的影响如表1所示。与新鲜胡萝卜相比,经MFD后L*值、a*和b*值的均增大。冻融处理导致干制胡萝卜色泽的显著变化,与未处理的干制胡萝卜相比,ΔE均显著降低(p<0.05),但H0无显著差异(p≥0.05),表明经冻融预处理后的MFD胡萝卜总色差减小,但橘红色的程度无明显变化。FT-1处理组的干制胡萝卜褐变指数较对照组显著降低(p<0.05),其综合色泽最佳。虽然新鲜胡萝卜经冻融预处理后色泽发生劣变,但预处理后MFD干燥效率的提升使总体干燥时间缩短,减少了干燥热加工过程带来的色泽劣变影响。Li等研究表明,长时间的干燥不利于怀山药色泽的保持[9]。

表1 经不同预处理的胡萝卜微波冻干制品的色泽参数

经超声预处理的干制胡萝卜色泽与对照组的干制样品色泽相比,ΔE均显著降低(p<0.05),BI值和H0无显著差异(p≥0.05)。一方面原因是,超声预处理对胡萝卜的色泽影响本就较小;另一方面,超声预处理有效提高胡萝卜MFD干燥效率,避免长时间干燥引起的色泽劣变。此外,有研究报道,超声预处理有助于降低褐变相关酶的活性[10],这也有利于MFD加工过程胡萝卜色泽的保持。

2.2.2复水性

干燥产品的复水性反映了其在干燥过程中受加工条件、样品预处理等影响而发生的物理和化学变化,可用于评价干燥产品的品质。从图2可看出,经冻融预处理的MFD胡萝卜复水比较对照组复水比显著降低(p<0.05),且复水比随着冻融次数的增加呈下降趋势。冻融预处理过程中胡萝卜细胞结构受到冰晶生长的影响而造成损伤,冻融次数越多,损伤程度越大,甚至出现塌陷,其不利于复水过程中水分在内部孔隙中的截留。郭婷等[11]对冻融预处理对大果山楂热风干燥复水比的影响也发现了类似的结果。经超声预处理的MFD胡萝卜复水比较对照组复水比显著升高(p<0.05),且随超声功率的升高MFD胡萝卜复水比增大。靳力为等[12]研究也表明,超声预处理功率的升高有利于提高真空冻干杏的复水比。超声波的空化作用使物料内部产生更多的孔隙,MFD能够较好的保持样品的孔隙结构,使得样品在复水过程中因较多孔隙的存在而提高复水比。对比超声预处理和冻融处理对MFD胡萝卜复水比的影响发现,超声预处理效果更佳。

图2 不同预处理对MFD胡萝卜复水比的影响

2.2.3类胡萝卜素含量

类胡萝卜素作为胡萝卜中的重要营养物质和应用最广泛的天然抗氧化剂,干燥加工对其影响是关注重点。由图3结果可知,冻融处理导致胡萝卜中类胡萝卜素含量的显著降低(p<0.05),这与冻融处理导致的汁液流失有关;然而,冻融预处理有利于胡萝卜在MFD加工中类胡萝卜素的保留,其中FT-1和FT-2显著高于对照样品(p<0.05)。这与冻融处理导致MFD效率的提高有关,较短的干燥时间有利于类胡萝卜素的更高保留。

图3 预处理及MFD对胡萝卜中类胡萝卜素含量的影响

超声预处理对胡萝卜中类胡萝卜素含量无显著性影响(p≥0.05);经超声处理的MFD胡萝卜中的类胡萝卜素含量显著高于对照样(p<0.05),且微波功率对干燥胡萝卜中的类胡萝卜素含量无显著影响(p≥0.05)。经超声处理的干制胡萝卜中的高类胡萝卜素含量保留与预处理后样品中的高类胡萝卜素含量及缩短的MFD干燥时间有关。相较而言,超声预处理比冻融预处理在胡萝卜MFD加工中类胡萝卜素含量的保留上更具优势。

3 结论

冻融预处理因引起细胞壁或细胞膜损伤而使胡萝卜中部分水损失,细胞的通透性增加,从而有利于MFD过程中的水分传递,显著缩短干燥时间,最高达33.3%;超声预处理由于海绵效应和空化效应会在胡萝卜内部形成微孔道,为干燥过程内部水分向表面扩散提供通道,因而提高了干燥效率;就干制胡萝卜品质而言,冻融预处理改善了MFD胡萝卜的色泽,提高了类胡萝卜素含量,但复水比较对照组显著下降;超声预处理不仅有利于胡萝卜色泽的保持,还显著提升了MFD胡萝卜的类胡萝卜素含量和复水比。在提高干燥效率和提升产品品质方面,超声预处理均表现出更好的效果。但本文仅探讨了超声功率对胡萝卜MFD干燥特性和产品品质的影响,超声频率和作用时间等因素的影响值得进一步研究。