平麗娟，方 晟，毛建衛(wèi)，蔡成崗，陳文斌

(1.浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023)

蜂蛹含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，干物質(zhì)中含蛋白質(zhì)44.01%、碳水化合物20.34%、總糖0.73%、幾丁質(zhì)4.37%，還含有豐富的礦物質(zhì)、維生素、幾丁質(zhì)、黃酮類化合物、酶類和激素類等其他活性物質(zhì)，這些物質(zhì)除能增強(qiáng)人體的各項(xiàng)生理機(jī)能，促進(jìn)人體的新陳代謝外，還對(duì)抗衰老、養(yǎng)顏美容有特效［1］。目前蜂蛹加工多采用真空冷凍干燥，干燥過(guò)程中采用熱傳導(dǎo)方式加熱，由于熱量傳遞和水分?jǐn)U散方向相反，因此熱質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力低，十分緩慢，干燥效率低。干燥是一種高能耗的操作工藝，據(jù)報(bào)道，法國(guó)、英國(guó)、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó)家，高達(dá)12%的工業(yè)能耗用于干燥，其中用于農(nóng)產(chǎn)品、食品的干燥能耗僅次于造紙工業(yè)，位居第2位［2］，我國(guó)干燥操作的能耗約占總能耗的 10%［3］。微波真空冷凍干燥是將凍結(jié)成固態(tài)的含水物質(zhì)，在真空及共晶溫度以下進(jìn)行升華、干燥，并通過(guò)微波發(fā)生器對(duì)待干燥物料提供熱量。微波具有穿透力，微波真空冷凍干燥食品物料也不存在大的溫度梯度，冷凍干燥時(shí)間短，同時(shí)，在微波加熱過(guò)程中無(wú)需對(duì)熱介質(zhì)、設(shè)備等作預(yù)加熱處理，因此能量利用率高，節(jié)能效果好。當(dāng)采用較低的微波干燥強(qiáng)度時(shí)，對(duì)蛋白質(zhì)等成分影響也很小，因而采用微波真空凍干干燥方法可以用于蜂蛹等熱敏性食品的干燥，并可保持蜂蛹的形、色、香、味及最大程度保存生物活性物含量。微波的電場(chǎng)(E)、磁場(chǎng)(H)不但是時(shí)間的函數(shù)而且還是空間位置的函數(shù)，物料組成成分的不一致性等因素，盡管比常規(guī)冷凍干燥傳熱性能更好，但是物料各部位也會(huì)出現(xiàn)溫度不均勻現(xiàn)象［4］，因而蜂蛹微波凍干過(guò)程需嚴(yán)格控制溫度、微波功率等，本研究采用光纖/紅外集成技術(shù)，分別對(duì)物料內(nèi)部、表面溫度進(jìn)行控制，獲得優(yōu)化工藝參數(shù)。應(yīng)用微波真空冷凍干燥技術(shù)有助于延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，保持食品原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分以及食品原料的生理活性，增強(qiáng)保健食品的功能性［5］，因生物體作為極性介質(zhì)吸收微波能量后產(chǎn)生兩種效應(yīng):熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)(也稱生物效應(yīng))，會(huì)具有殺滅細(xì)菌、真菌，殺蟲和蟲卵，鈍化或激活酶活［4］等特征，本研究考察蜂蛹微波凍干過(guò)程中活性物的變化，如蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性物保留量、細(xì)菌等生物體的變化等。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

蜂蛹 浙江天源堂蜂業(yè)有限公司;超氧化物歧化酶(T-SOD測(cè)試盒) 南京建成研究所;G250考馬斯亮藍(lán) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;標(biāo)準(zhǔn)牛血清蛋白 上海伯奧生物科技有限公司;牛肉浸粉 青島高科技園海博生物技術(shù)有限公司;瓊脂 福建泉州市泉港化工廠;蛋白胨 杭州微生物試劑有限公司;無(wú)水乙醇、冰乙酸、濃磷酸、鹽酸、氯化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、氯化鉀等均為分析純。

YHZ4S-02型微波真空冷凍干燥設(shè)備 南京亞泰微波能技術(shù)研究所;紅外/光纖測(cè)溫 深圳歐普申光電科技有限公司，測(cè)溫范圍-40～250℃;共晶點(diǎn)測(cè)試儀 日本，(電阻0～300MΩ);掃描電子顯微鏡日本，S-3400;TG16臺(tái)式高速離心機(jī) 長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司;721G可見分光光度儀、YP502N電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;JM-B電子天平余姚市紀(jì)銘稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;其他培養(yǎng)皿，燒杯，移液槍，容量瓶，移液管，玻璃棒，膠頭滴管等玻璃耗材 華東醫(yī)藥器材化劑公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蜂蛹真空冷凍干燥工藝實(shí)驗(yàn)

1.2.1.1 微波真空冷凍干燥中試裝置 主要由真空泵、壓縮機(jī)、冷阱、干燥倉(cāng)、紅外/光纖測(cè)溫控制系統(tǒng)、PLC操作系統(tǒng)、涼水塔等設(shè)備組成，如圖1所示。蜂蛹真空冷凍干燥工藝流程:原料→共晶點(diǎn)測(cè)定→預(yù)冷凍→恒溫干燥(升華干燥過(guò)程)→降速干燥(解析干燥過(guò)程)→回軟→包裝。

圖1 微波真空冷凍干燥中試裝置圖Fig.1 Diagram of microwave vacuum freeze-drying for pilot scale experiment

1.2.1.2 共晶點(diǎn)測(cè)定 共晶點(diǎn)的測(cè)定是研究蜂蛹微波真空冷凍干燥的重要環(huán)節(jié)，是確定升華溫度的依據(jù)，測(cè)定共晶點(diǎn)的方法有多種，其中常用的為電阻檢測(cè)法。蜂蛹的細(xì)胞組織液是由多種物質(zhì)組成的復(fù)雜溶液，在凍結(jié)過(guò)程開始有一些成分結(jié)晶漸漸析出，溶液的濃度隨之發(fā)生變化，當(dāng)電阻增大到某一值不再變化時(shí)，此時(shí)的溫度就是共晶點(diǎn)。

1.2.1.3 預(yù)冷凍 稱取新鮮蜂蛹10kg，裝盤厚度控制在5mm，且厚度均勻，預(yù)凍溫度約共晶點(diǎn)以下10℃，凍結(jié)應(yīng)快速，達(dá)到預(yù)凍溫度保持2h，蜂蛹才能凍透。

1.2.1.4 升華干燥 預(yù)凍結(jié)束后，進(jìn)入升華階段，在真空及共晶溫度以下進(jìn)行恒速干燥，控制升華溫度約共晶點(diǎn)以下10～15℃，冷阱溫度-50℃，干燥倉(cāng)壓力控制在50Pa。由微波發(fā)生器向處于冷凍蜂蛹提供升華潛熱，以除去蜂蛹中易除去的非結(jié)合水分。在升華階段，微波強(qiáng)度的大小會(huì)影響蜂蛹的形狀、結(jié)構(gòu)和干燥時(shí)間，強(qiáng)度過(guò)大，物料呈玻璃化，凍干后的蜂蛹會(huì)出現(xiàn)干癟。分別以最大微波強(qiáng)度0.20、0.24、0.28、0.32W/g提供升華熱，通過(guò)控溫自動(dòng)調(diào)節(jié)功率。

1.2.1.5 解析干燥 解析干燥階段因剩余水分吸附在蜂蛹細(xì)胞內(nèi)的空隙中、小的毛細(xì)管中及以化學(xué)鍵與其它物質(zhì)相結(jié)合的水分，在升華階段不能去除，只能通過(guò)提高溫度的方法來(lái)破壞其結(jié)合能，使之從蜂蛹中脫附出來(lái)，但這一過(guò)程的溫升也不易過(guò)快過(guò)高，如過(guò)高則會(huì)使蜂蛹品質(zhì)下降。通過(guò)控溫自動(dòng)調(diào)節(jié)功率，分別控制最高微波強(qiáng)度為 0.20、0.24、0.28、0.32W/g，設(shè)置最高溫度為30℃。

1.2.2 微波凍干過(guò)程蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的變化 新鮮蜂蛹在適宜微波強(qiáng)度作用下干燥，干燥過(guò)程最終產(chǎn)品水分控制在3%以下，測(cè)定解析干燥過(guò)程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活性。采用鄰苯三酚自氧化法測(cè)定SOD活性，并根據(jù)考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白濃度。具體步驟如下:稱取蜂蛹樣品，將樣品研磨成粉末，分別溶于50mL去離子水中，搖勻后靜置;待溶液靜置4h后，將其放于45℃水中進(jìn)行熱水浴15min;將溶液在8400r/min，4℃下離心2次，取上清液冷藏備用;將上清液稀釋100倍后，取1mL樣液通過(guò)考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定其吸光值OD，根據(jù)吸光值計(jì)算上清液中蛋白濃度;按照SOD試劑盒說(shuō)明書中的步驟添加各種試劑并用可見分光光度儀測(cè)定SOD活性，得出吸光值OD;計(jì)算每克蜂蛹的SOD活性。

式中:總SOD活性:以25℃時(shí)抑制鄰苯三酚自氧化速率50%時(shí)所需的SOD量為一個(gè)活力單位U/mg prot;反應(yīng)液總體積、取樣液體積:mL;組織液蛋白含量:mg prot/mL。

1.2.3 微波凍干蜂蛹產(chǎn)品菌落數(shù)測(cè)定 微生物檢測(cè)指標(biāo)為菌落總數(shù)，采用平板計(jì)數(shù)法，參照GB 4789.2-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定菌落總數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)平均值。取一定量的真空冷凍干燥與微波真空冷凍干燥后樣品進(jìn)行分析。

1.2.4 復(fù)水率測(cè)定 稱取干燥蜂蛹1g，精確稱量，分別在20℃的水中測(cè)定復(fù)水率，間隔10s測(cè)定一次，小心取出蜂蛹，用紙吸干表面水分，察看復(fù)水情況，確定測(cè)定次數(shù)。

F=(mt-m1)/mt

Ft=(mt-m1)/t

其中，F(xiàn):復(fù)水率(g/g);Ft:復(fù)水速率(g/s);mt:在時(shí)間t時(shí)，樣品復(fù)水后的質(zhì)量(g);m1:樣品復(fù)水前的質(zhì)量(g);t:復(fù)水時(shí)間(s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 共晶點(diǎn)測(cè)定

當(dāng)蜂蛹的溫度降到水分全部?jī)鼋Y(jié)，電阻不再變化，此時(shí)的溫度為蜂蛹的共晶點(diǎn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該溫度為-8.5℃。

圖2 共晶點(diǎn)測(cè)定曲線Fig.2 Curve of eutectic point

2.2 干燥曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)微波強(qiáng)度分別設(shè)定在0.20、0.24、0.28、0.32W/g時(shí)，設(shè)定最高溫度 30℃，升華溫度-22℃，確定蜂蛹微波真空凍干時(shí)間的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，四組微波強(qiáng)度的凍干時(shí)間分別為650、540、420、330min，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 微波強(qiáng)度對(duì)蜂蛹微波真空凍干時(shí)間的影響Fig.3 Influence of microwave intensities on Honeybee Pupae drying time

不同的微波強(qiáng)度凍干后所得產(chǎn)品的感官檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 微波凍干蜂蛹感官評(píng)價(jià)表Table 1 Table of sensory evaluation of dried Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

綜合各因素，優(yōu)化微波強(qiáng)度為0.28W/g，效率高，同時(shí)產(chǎn)品保持原物料的外觀形狀等性能優(yōu)異，因?yàn)槲锪显谏A脫水前已經(jīng)經(jīng)過(guò)凍結(jié)處理，形成了穩(wěn)定的固體骨架，所以水分升華后，固體骨架基本保持不變，蜂蛹的形狀和干燥前一致，無(wú)干癟變形，將其切開后，呈海綿多孔狀，并保持原有奶白的色澤，口感鮮美，有香味，掃描電子顯微鏡表征如圖4所示。

圖4 微波凍干蜂蛹橫切面的電鏡微觀結(jié)構(gòu)(×250)Fig.4 Diagram of the cross section microstructure of the dried Honeybee Pupae(×250)

2.3 微波凍干過(guò)程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力變化

陳蕾等［6］的研究表明，SOD酶活力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值約在40℃，在適宜的溫度下酶的活力出現(xiàn)最大值，未達(dá)到該溫度前其活力隨溫度升高而加大，當(dāng)超過(guò)該溫度時(shí)酶就很快失活。王紹林［4］研究表明，當(dāng)微波能量比較小，還不足以使其產(chǎn)生鈍化，當(dāng)水分活度減少到一定的值，也會(huì)導(dǎo)致食品中酶會(huì)失去活性。在設(shè)定微波強(qiáng)度為0.28W/g時(shí)，微波輻射蜂蛹入物料內(nèi)部產(chǎn)生熱效應(yīng)和其他非熱生物效應(yīng)，酶活力與微波輻射時(shí)間、溫度、水分有關(guān)。微波真空冷凍干燥過(guò)程中蜂蛹SOD活性酶隨時(shí)間、溫度、水分的變化如圖5，當(dāng)含水量小于4%時(shí)，SOD酶活力急劇下降，水分的變化趨緩。當(dāng)干燥時(shí)間在420min時(shí)，蜂蛹水分含量為2.84%，SOD酶活力為36.9U/mg prot。蜂蛹水分含量在3%以下，能保存時(shí)間較長(zhǎng)，蜂蛹在此條件下的SOD酶活力保留比較高，可以確定此時(shí)為干燥終點(diǎn)。

圖5 微波凍干過(guò)程中蜂蛹水分含量和SOD酶活力變化Fig.5 Water content and change of SOD activity of Honeybee Pupae during drying process

2.4 菌落總數(shù)

微波真空冷凍干燥過(guò)程同時(shí)具有殺菌功效。殺菌是微波的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同結(jié)果，這就使微波冷凍干燥技術(shù)可將干燥和殺菌結(jié)合起來(lái)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，干燥前微生物活菌數(shù)為3.8×104個(gè)，微波真空凍干后殘留的微生物活菌數(shù)為2800個(gè)左右，而真空凍干蜂蛹產(chǎn)品中微生物活菌數(shù)超過(guò)3.3×104個(gè)，如圖6所示，微波真空凍干工藝殺菌效果明顯。

圖6 不同干燥方法的蜂蛹菌落總數(shù)Fig.6 Total Honeybee Pupae colony forming units of different drying methods

2.5 復(fù)水性

微波冷凍干燥蜂蛹復(fù)水性測(cè)定結(jié)果為復(fù)水后的蜂蛹質(zhì)量約為復(fù)水前的3倍，比真空冷凍干燥好，具有優(yōu)良的復(fù)水性和復(fù)原性，食用時(shí)能迅速吸水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，凍干蜂蛹的復(fù)水率在1s時(shí)為1.9倍，隨著時(shí)間延長(zhǎng)而有一定的增加，復(fù)水速率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖7 微波真空凍干蜂蛹復(fù)水率、復(fù)水速率曲線Fig.7 Curves of rehydration and rehydration rate of Honeybee Pupae by microwave vacuum freeze-drying

3 結(jié)論

3.1 真空冷凍干燥的能量消耗主要在制冷、真空、加熱系統(tǒng)，其中制冷、真空系統(tǒng)能耗約占80%，采用微波冷凍干燥蜂蛹工藝，具有干燥時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，與常規(guī)凍干相比干燥時(shí)間可縮短約65%。

3.2 經(jīng)微波真空冷凍干燥，能很好地保持原物料的外觀形狀，無(wú)干癟變形，保持原有色澤;復(fù)水性測(cè)定結(jié)果表明:微波冷凍干燥蜂蛹在20℃，1s復(fù)水率可達(dá)1.9，復(fù)水速率快，1s復(fù)水可達(dá)2.9g/s，具有優(yōu)良的復(fù)水性。

3.3 微波冷凍干燥過(guò)程能夠良好保留生物活性物質(zhì)活性，解析干燥過(guò)程中蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)活力呈現(xiàn)先略有增加后有所降低的趨勢(shì)，蜂蛹凍干至水分含量為2.84%時(shí)，SOD活性為36.9U/mg prot。微波真空凍干過(guò)程是一個(gè)真空低溫脫水過(guò)程，抑制了氧化變質(zhì)和細(xì)菌繁殖，同時(shí)具有殺菌功效等優(yōu)點(diǎn)，使蜂蛹產(chǎn)品存活微生物菌落數(shù)顯著降低，這就使微波冷凍干燥過(guò)程將干燥和殺菌一體化。

［1］張海生，陳錦屏，武巧莉，等.蜂蛹超氧化物歧化酶(SOD)的提取及理化性質(zhì)研究［J］.食品科學(xué)，2007，28(10):192-195.

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［4］王紹林.微波加熱技術(shù)在食品加工中應(yīng)用［J］.食品科學(xué)，2000，21(2):6-9.

［5］徐振方，吳才章，郭順生.微波真空冷凍干燥中關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011，6(17):126-128.

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