崔 莉 杜利平，2 閆慧嬌 劉 偉 耿巖玲 王 曉*

（1 山東省中藥質(zhì)量控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省分析測(cè)試中心 濟(jì)南250014 2 食品科學(xué)與工程學(xué)院 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰安271018）

皺皮木瓜 （Chaenomeles speciosa（Sweet.）Nakai）又名貼梗海棠，貼梗木瓜，屬薔薇科木瓜屬，是我國(guó)常用藥食兼用藥材品種，國(guó)外研究較少[1]。皺皮木瓜具有平肝舒筋，和胃化濕之功效，可治療濕痹拘攣、關(guān)節(jié)酸疼、吐瀉轉(zhuǎn)筋、腳氣水腫等癥[2]，其果實(shí)采收后，鮮果生命活動(dòng)仍非常旺盛，水分含量較高，不易貯藏，急需干燥加工，目前，皺皮木瓜的研究主要集中在功能活性成分及藥理作用等方面[3-8]，對(duì)其采后加工，特別是干燥等關(guān)鍵工藝的研究報(bào)道較少。

真空冷凍干燥是指將物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，在真空狀態(tài)下，通過升華除去物料中水分的一種干燥方法[9]。凍干樣品能夠較好地保留其活性成分，同時(shí)還具有脫水徹底、復(fù)水快、質(zhì)量輕、適合常溫長(zhǎng)期貯藏等優(yōu)點(diǎn)[10]。 本研究以皺皮木瓜片為對(duì)象， 通過響應(yīng)面法優(yōu)化真空冷凍干燥過程中木瓜片的厚度、 真空冷凍干燥機(jī)的隔板溫度以及真空度，以干燥成品的復(fù)水比和色差為指標(biāo)，優(yōu)化真空冷凍干燥皺皮木瓜片的工藝。

低場(chǎng)核磁共振 （Low Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）是一種無損、無侵入的快速測(cè)量技術(shù)， 從微觀的角度解釋樣品中水分分布及其狀態(tài)變化， 可直觀地顯示水的流動(dòng)性以及遷移過程，目前國(guó)外已將NMR 技術(shù)應(yīng)用于果蔬、肉類等各類食品加工、貯藏的諸多方面[11-14]。 近年來該技術(shù)用于分析干制品的復(fù)水過程顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[15]。 本文在優(yōu)化皺皮木瓜冷凍干燥工藝的基礎(chǔ)上， 對(duì)此條件下真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥的皺皮木瓜片的復(fù)水過程進(jìn)行低場(chǎng)核磁試驗(yàn)， 研究不同干燥條件下復(fù)水過程中的水分狀態(tài)變化， 進(jìn)而分析凍干木瓜片的復(fù)水性質(zhì)， 以期為更好地指導(dǎo)干燥加工生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持， 促進(jìn)皺皮木瓜資源的綜合開發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

新鮮皺皮木瓜于2015年10月份采自臨沂平邑。

Epsilon 1/2-4 真空冷凍干燥機(jī)， 北京五洲東方科技發(fā)展有限公司；萬分之一天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；NH310 色差儀，深圳市三恩時(shí)科技有限公司； MesoMR23-060H-I 核磁共振分析系統(tǒng)，上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 真空冷凍干燥工藝優(yōu)化 將大小均一的皺皮木瓜切成不同厚度的半圓形狀， 設(shè)置不同的隔板溫度和真空度參數(shù)進(jìn)行冷凍干燥， 記錄干燥初始和最終的樣品質(zhì)量。 用色差儀測(cè)定不同條件下的色差值，同時(shí)將干燥成品進(jìn)行復(fù)水試驗(yàn)，計(jì)算復(fù)水比， 將色差值和復(fù)水比作為皺皮木瓜冷凍干燥指標(biāo)。

1.2.1.1 單因素試驗(yàn) 根據(jù)本研究所用真空冷凍干燥機(jī)的性能及前期預(yù)試驗(yàn)， 選擇皺皮木瓜片厚度（2，4，6，8 和10 mm）、 隔板溫度（10，20，30，40和50 ℃）和真空度（1.6，2.4，3.2 和4.0 mbar）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察對(duì)色差值和復(fù)水比的影響。

1.2.1.2 響應(yīng)面優(yōu)化 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了獲得色差值最小，復(fù)水比最佳的工藝條件，利用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，以木瓜厚度、隔板溫度、真空度作為3 個(gè)考察因素，選取3 個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)因素的低、中、高水平分別記作-1、0、＋1，試驗(yàn)因素水平及編碼見表1。 運(yùn)用Design-Expert trial version 8.0.6.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定皺皮木瓜冷凍干燥的最佳工藝條件。

表1 Box-Behnken 設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Variables and levels in Box-Behnken design

1.2.2 色澤的測(cè)定 采用色差儀測(cè)定木瓜片的色澤，本試驗(yàn)用△E 值代表被測(cè)樣品的色澤（L、a、b）與鮮樣的（L*、a*、b*）的色差值[16]。色差值（△E）計(jì)算方法如下：

L、L*分別為鮮樣和干樣的明度值；a、a*分別是鮮樣和干樣的紅綠值；b 和b*分別是鮮樣和干樣的黃藍(lán)值；ΔE 分別為總色差值。

1.2.3 復(fù)水比的測(cè)定 將干燥后的木瓜片至于300 mL 的燒杯中，按照料液比1∶50 倒入蒸餾水，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)。前1 h 每隔5 min 測(cè)定一次樣品質(zhì)量，后1 h 每隔10 min 測(cè)定一次。測(cè)定前瀝干60 s，以去除表面水分。 物料在復(fù)水2 h 后停止試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值。 復(fù)水比（Rehydration ratio，RR）的計(jì)算公式如下[17]：

式中，Mt——復(fù)水到t 時(shí)刻物料的質(zhì)量，g；M0——復(fù)水前物料的質(zhì)量，g；T——復(fù)水所需時(shí)間，min；RR——復(fù)水比，g/g。

1.2.4 皺皮木瓜復(fù)水過程中水分分布的測(cè)定 將真空冷凍干燥（厚度為4 mm，隔板溫度為40 ℃，壓力為2.4 mbar）和熱風(fēng)干燥（厚度為4 mm，熱風(fēng)溫度為50 ℃）的木瓜片進(jìn)行復(fù)水試驗(yàn)，分別復(fù)水10，20，40，60 min，吸干表面的水分，置于核磁共振系統(tǒng)的磁場(chǎng)中心位置的射頻線圈中心檢測(cè)，用紐邁核磁共振分析軟件及CPMG （Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列測(cè)定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間T2 信號(hào)，得到對(duì)應(yīng)的T2 譜圖。核磁共振系統(tǒng)探頭直徑：60 mm， 共振頻率23.432 MHz，磁體溫度為（32±0.01）℃；主要參數(shù)設(shè)置為：P90（us）=13，P180（us）=27，SW（kHz）=200，TE（ms）=0.15，TR（ms）=1 500，RG1=20，DRG1=3，NS=8，RFD=0.002 ms，EchoCount=8 000。

2 結(jié)果與分析

2.1 皺皮木瓜冷凍干燥單因素試驗(yàn)

2.1.1 皺皮木瓜厚度對(duì)色差和復(fù)水比的影響 將大小均一的皺皮木瓜切成不同厚度的半圓狀，隔板溫度設(shè)置為30 ℃，真空度設(shè)置為1.6 mbar 進(jìn)行冷凍干燥。 由圖1 可知，隨著木瓜厚度的增大，木瓜片的色差值△E 先降低后增加， 在6 mm 左右△E 時(shí)出現(xiàn)最小值，物料厚度過大時(shí)，內(nèi)部水分?jǐn)U散至物料表面路徑長(zhǎng)，相對(duì)延長(zhǎng)了干燥時(shí)間，物料太薄，干燥過程中容易引起表層組織硬化，使得后期水分?jǐn)U散速度慢，干燥時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而都導(dǎo)致褐變程度高，色澤較差[18]。 隨著厚度的增大，復(fù)水比逐漸降低，木瓜片越薄，其干燥速度越快，同時(shí)越容易形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，因而其復(fù)水性越好。因此，綜合比較，選定皺皮木瓜片厚度為4，6，8 mm作為Box-Behnken 試驗(yàn)的3 個(gè)水平。

2.1.2 隔板溫度對(duì)色差和復(fù)水比的影響 將皺皮木瓜切成6 mm 的半圓狀， 設(shè)置不同的隔板溫度，真空度為1.6 mbar 進(jìn)行冷凍干燥。 凍干過程包括預(yù)冷凍階段、升華干燥階段和解析干燥階段，解析干燥階段是在真空條件下對(duì)物料升溫加熱， 進(jìn)一步去除自由水和部分結(jié)合水至安全水分， 因而隔板溫度會(huì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)造成影響[19]，由圖2 可知，隨著冷凍干燥中隔板溫度的增加， 木瓜片的色差值△E 呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)， 說明隔板溫度越高木瓜片褐變?cè)絿?yán)重，所以隔板溫度不宜過高，同時(shí)，隨著隔板溫度的增大， 復(fù)水比先增大后降低，20，30，40 ℃時(shí)復(fù)水性較好， 推測(cè)隔板溫度過低時(shí)，木瓜內(nèi)部冰晶體積增大，對(duì)木瓜組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，隔板溫度過高，會(huì)導(dǎo)致木瓜內(nèi)部的冰晶融化，其干燥所形成的多孔性構(gòu)架剛度下降， 導(dǎo)致樣品塌陷[19]，均會(huì)造成復(fù)水性較差。 因此，選擇隔板溫度為20，30，40 ℃作為Box-Behnken 試驗(yàn)的3 個(gè)水平。

圖1 木瓜片厚度對(duì)ΔE 和復(fù)水比的影響Fig.1 Effect of the thickness on ΔE and rehydration ratio

圖2 隔板溫度對(duì)ΔE 和復(fù)水比的影響Fig.2 Effect of the board temperature on ΔE and rehydration ratio

2.1.3 真空度對(duì)色差和復(fù)水比的影響 將皺皮木瓜切成6 mm 的半圓狀，隔板溫度設(shè)置為30 ℃，分別設(shè)置不同真空度進(jìn)行冷凍干燥， 結(jié)果如圖3 所示， 可以看出真空度對(duì)色差值△E 的影響是先增大后減小，真空度增大，木瓜片表面水分蒸發(fā)速度加快，從而提高了內(nèi)部水分的擴(kuò)散速度，同時(shí)，真空度高使物料內(nèi)外部蒸汽壓差增大， 增加了物料內(nèi)部水分向外擴(kuò)散的動(dòng)力[18]，推測(cè)隨著真空度的增大， 木瓜片表面濕度環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致了不同程度的褐變發(fā)生，具體原因有待進(jìn)一步研究。隨著真空度的增大，復(fù)水比呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，綜合考慮選擇0.8，1.6，2.4 mbar 作為Box-Behnken 試驗(yàn)的3 個(gè)水平。

圖3 真空度對(duì)ΔE 和復(fù)水比的影響Fig.3 Effect of the vacuum degree on ΔE and rehydration ratio

2.2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)木瓜冷凍干燥的優(yōu)化

2.2.1 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果 Box-Behnken響應(yīng)面法是通過回歸方程和響應(yīng)曲面分析得到最佳工藝條件的方法， 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品的工藝優(yōu)化中[20-21]。通過單因素考察，選擇木瓜厚度，隔板溫度以及真空度為主要因素，以色差（Y1）、復(fù)水比（Y2）為評(píng)價(jià)指標(biāo)即效應(yīng)值， 根據(jù)表1 的Box-Behnken 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken 設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experimental results and values of responses for Box-Behnken design

2.2.2 考察因素對(duì)色差△E 的影響 應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.0 對(duì)表2 中的結(jié)果進(jìn)行分析。考察因素對(duì)響應(yīng)值1（色差值）的影響，結(jié)果見表3。預(yù)測(cè)模型的P 值為0.0004，小于0.05，說明模型顯著。 因素A、C、AB、BC、A2、B2、C2對(duì)木瓜片的色差值和復(fù)水比的影響極顯著 （P＜0.01）， 因素B、AC對(duì)其影響顯著（0.01＜P＜0.05），因此各因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系， 所選因素之間存在顯著的交互作用。 失擬項(xiàng)用來表示所用模型與試驗(yàn)二者差異的程度， 本例P 值為0.1304＞0.05，說明模型對(duì)真實(shí)情況的模擬是準(zhǔn)確的， 綜合來看該預(yù)測(cè)模型可以用于木瓜冷凍干燥的優(yōu)化。

3 個(gè)因素對(duì)色差△E 影響的主次順序?yàn)锳＞C＞B：厚度＞真空度＞隔板溫度。 擬合得到二次回歸方程為：Y1=35.54648-3.94533A+0.723825B-3.22164C+0.999444AB-0.73322AC-1.30568BC+1.155691A2+822.76B2+1.03055C2， 其相關(guān)系數(shù)r2=0.995517，說明預(yù)測(cè)模型可靠，能夠?qū)Α鱁 變化的真實(shí)情況進(jìn)行很好地描述。 模型信號(hào)噪聲比為25.5818＞4，是可取的[22]，說明該模型有足夠的分辨力，能真實(shí)反映試驗(yàn)結(jié)果。

表3 響應(yīng)面回歸分析結(jié)果（△E）Table 3 Statistical analysis of variance for experimental results （△E）

各因素間的交互作用結(jié)果如圖4 所示， 其中圖4（a）顯示了木瓜片厚度與隔板溫度交互作用，響應(yīng)面坡度陡峭，等高線為橢圓形，說明這兩個(gè)因素交互作用較強(qiáng)， 對(duì)木瓜片冷凍干燥時(shí)色差的影響顯著。 圖4（b、c）分別顯示了厚度與真空度，隔板溫度與真空度的交互作用， 兩張圖響應(yīng)面坡度平緩，等高線近似圓形，說明厚度與真空度，隔板溫度與真空度的交互作用較弱， 對(duì)木瓜片冷凍干燥時(shí)色差的影響較小。 根據(jù)Design-Expert 8.0.6.0 軟件分析計(jì)算， 木瓜片冷凍干燥時(shí)最有利于顏色保持的組合為：木瓜片厚度為7.45 mm，隔板溫度為28.37 ℃， 真空度為2.02 mbar。

圖4 色差△E 與A、B、C 的效應(yīng)面與等高線圖Fig.4 Responsive surfaces and contours of △E and A， B， C

2.2.3 考察因素對(duì)復(fù)水比的影響 各因素對(duì)效應(yīng)值2（復(fù)水比）的影響結(jié)果見表4。 預(yù)測(cè)模型的P值為0.00039＜0.05，說明模型顯著。失擬項(xiàng)的P 值為0.1208＞0.05，說明模型對(duì)真實(shí)情況的模擬是準(zhǔn)確的， 綜合來看該預(yù)測(cè)模型可以用于木瓜冷凍干燥的優(yōu)化。 3 個(gè)因素對(duì)復(fù)水比的影響主次順序?yàn)锽＞A＞C：隔板溫度＞厚度＞真空度。擬合得到二次回歸方程為：Y2=0.472259-0.23568A-0.07326B-0.02524C-0.04464AB-0.03947AC-0.01315BC+0.09356A2+0.26551B2+0.09332C2，相關(guān)系數(shù)r2=0.922401，說明預(yù)測(cè)模型可靠，能夠?qū)φ鎸?shí)情況進(jìn)行很好地描述。模型信號(hào)噪聲比為9.200983＞4，是可取的[3]，說明該模型有足夠的分辨力，能真實(shí)反映試驗(yàn)結(jié)果。

表4 響應(yīng)面回歸分析結(jié)果（復(fù)水比）Table 4 Statistical analysis of variance for experimental results （rehydration rate）

圖5（a，b）分別顯示了木瓜片厚度與隔板溫度，厚度與真空度的交互作用，兩圖中響應(yīng)面坡度陡峭，其等高線為橢圓形，說明其交互作用較強(qiáng)，對(duì)木瓜片冷凍干燥成品的復(fù)水比影響顯著。 圖5（c）顯示了隔板溫度與真空度的交互作用， 其響應(yīng)面坡度平緩，等高線近似圓形，說明厚度與真空度，隔板溫度與真空度的交互作用較弱，對(duì)木瓜片冷凍干燥時(shí)復(fù)水比的影響較小。 木瓜片冷凍干燥時(shí)復(fù)水比最優(yōu)的組合為： 木瓜片厚度為4 mm，隔板溫度為40 ℃，真空度為2.4 mbar。

圖5 復(fù)水比與A、B、C 的效應(yīng)面與等高線圖Fig.5 Responsive surfaces and contours of rehydration rate and A， B， C

2.3 凍干與熱風(fēng)干燥木瓜片復(fù)水過程的比較

NMR 是通過處在恒定磁場(chǎng)中的氫質(zhì)子在射頻脈沖下的橫向弛豫時(shí)間T2來反映水分子的結(jié)合力和水分遷移等相關(guān)信息的試驗(yàn)方法[23-24]。結(jié)合水、 不易流動(dòng)水、 自由水組成的變化可以通過NMR 技術(shù)來分析。T2弛豫時(shí)間與氫質(zhì)子所受的束縛力及其自由度有關(guān)， 氫質(zhì)子受束縛越大或自由度越小，T2弛豫時(shí)間越短，所以結(jié)合水的峰位置在T2譜的最左邊，中間峰為不易流動(dòng)水，自由水的T2弛豫時(shí)間最長(zhǎng)， 所以其峰位置在T2譜的最右邊，他們分別對(duì)應(yīng)T21（0.1～1ms）、T22（1～100 ms）、T23（100～1 000 ms），因而本研究將凍干的木瓜片與普通熱風(fēng)干燥的木瓜片進(jìn)行比較， 探索通過水分狀態(tài)及其分布的變化規(guī)律來分析解釋復(fù)水性能的差異，如圖6 所示，曲線中與橫坐標(biāo)的峰積分面積分別表征3 種狀態(tài)的水的含量[25-26]，結(jié)果如表6 所示。

圖6（a）為木瓜片在最優(yōu)冷凍干燥組合（厚度為4 mm， 隔板溫度為40 ℃， 真空度為2.4 mbar）的條件下，干燥成品復(fù)水過程中T2i對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度的變化情況。從圖中可以看出隨著復(fù)水的進(jìn)行，木瓜片中的不易流動(dòng)水（T22）的信號(hào)幅度不斷增加， 說明復(fù)水過程中進(jìn)入木瓜片中的水很快轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水，結(jié)合水（T21）和自由水（T23）變化不大。同時(shí)，從圖中可以看出不易流動(dòng)水的峰不斷向右移動(dòng)， 說明復(fù)水過程中隨著水分的進(jìn)入束縛力逐漸降低，自由度逐漸增大。 圖6（b）為50 ℃熱風(fēng)干燥木瓜片（4 mm）復(fù)水過程中T2i對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度的變化情況。 變化趨勢(shì)與木瓜冷凍干燥的趨勢(shì)基本相同，其不易流動(dòng)水的峰向右移動(dòng)幅度更大，說明熱風(fēng)干燥復(fù)水過程中束縛水的能力較低。

圖6 凍干木瓜（a）和烘干木瓜（b）復(fù)水過程T2 譜圖變化Fig.6 T2 spectra of freeze-drying papaya（a）and hot-air drying papaya（b）at different rehydration times

由表5 可以得出，木瓜復(fù)水過程中，2 種干燥方法對(duì)應(yīng)的木瓜片中不易流動(dòng)水峰積分面積A22均呈增加趨勢(shì)，結(jié)合水峰積分面積A21和自由水峰積分面積A23變化不顯著，真空冷凍干燥的木瓜片在復(fù)水過程中不易流動(dòng)水增加較快，含水量更多，這是由于真空冷凍干燥的木瓜片形狀保存完好，沒有發(fā)生皺縮現(xiàn)象，孔隙較為均勻，所以復(fù)水時(shí)速度較快，且對(duì)水分的束縛力相對(duì)較高。

表5 不同干燥方式木瓜片復(fù)水時(shí)3 種狀態(tài)水的峰積分面積變化Table 5 Changes of peak integral areas for three kinds of water during different drying methods on pawpaw

3 結(jié)論

1）木瓜片冷凍干燥時(shí)，分別以木瓜片復(fù)水最大值和色差變化最小為指標(biāo)， 復(fù)水比最優(yōu)的組合為：木瓜片厚度為4 mm，隔板溫度為40 ℃， 真空度為2.4 mbar。 色差值最優(yōu)的組合為：木瓜片厚度為7.45 mm，隔板溫度為28.37 ℃， 真空度為2.02 mbar。

2）NMR 試驗(yàn)表明， 復(fù)水過程中進(jìn)入木瓜片中的水很快轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水， 結(jié)合水和自由水變化不大， 真空冷凍干燥的木瓜片在復(fù)水過程中不易流動(dòng)水增加比熱風(fēng)干燥的木瓜片更快， 其復(fù)水特性更好， 低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)皺皮木瓜復(fù)水過程中水分狀態(tài)的變化可進(jìn)行較好的表征。