肖 敏 易建勇 畢金峰 吳昕燁 周 沫

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室 北京100193）

我國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國和消費國，蘋果總產(chǎn)量在2015年已超過4 000 萬t，占世界總產(chǎn)量一半左右。蘋果中含有高達(dá)87%（濕基）的水分，代謝活性高，不易貯藏。干燥是一種可以降低水分含量，抑制微生物生長，延長貨架期的傳統(tǒng)加工方式[1]，被廣泛用于果蔬加工中。常見的果蔬脫水加工方式主要有熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、壓差閃蒸聯(lián)合干燥等。熱風(fēng)干燥加工的產(chǎn)品皺縮率大，營養(yǎng)保留率低；真空冷凍干燥加工的產(chǎn)品營養(yǎng)保留率高，具有較好的外觀結(jié)構(gòu)，口感綿軟，并且真空冷凍干燥是一個高能耗的加工過程[2]。蘋果脆片作為一種脫水果蔬產(chǎn)品，因其具有營養(yǎng)豐富、纖維素含量高[3]、口感酥脆等特點，是一種理想的健康休閑食品。熱風(fēng)-壓差閃蒸聯(lián)合干燥 （hot air coupled with instant controlled pressure drop drying，HA-ICPDD） 可用于生產(chǎn)高品質(zhì)蘋果脆片，該技術(shù)是一種非油炸干燥技術(shù)，物料先經(jīng)熱風(fēng)預(yù)干燥至水分含量30%左右，再利用氣體熱壓效應(yīng)和瞬間相變，物料內(nèi)部瞬間抽真空，引起水分閃蒸，組織瞬間膨化[4]，產(chǎn)生疏松多孔的結(jié)構(gòu)，形成酥脆口感。

果蔬原料在進(jìn)行壓差閃蒸聯(lián)合干燥過程中，往往需要利用熱風(fēng)干燥先脫除部分水分，以便物料在壓差閃蒸后水分降到較低水平，實現(xiàn)物料的定型，然而，蘋果等果蔬原料在熱風(fēng)干燥過程中易發(fā)生褐變，預(yù)干燥時間較長。滲透是一種干燥前常見的預(yù)處理方式，可保持脫水果蔬色澤，減少后續(xù)干燥時間[5]。滲透是將物料置于高滲溶液中，利用水分梯度和濃度差，使物料中水分滲出和溶液中溶質(zhì)滲入[6]。然而，常溫、常壓條件下滲透是一個耗時較長的過程[7]，通過控制滲透條件，可在提高滲透速率的同時，保持干燥產(chǎn)品品質(zhì)。滲透過程中的質(zhì)量傳遞與滲透液種類、濃度、溫度等因素有關(guān)，滲透液濃度增加，溫度提高，物質(zhì)傳遞效率增加[8]。在果蔬滲透研究中，常用的滲透液原料主要包括果糖、葡萄糖、蔗糖、海藻糖等，然而目前市場上對低糖產(chǎn)品的需求非常迫切。水蘇糖是一種天然四糖，甜度僅為蔗糖的22%，穩(wěn)定性高，是雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌的有效增殖因子，可改善人體消化道內(nèi)環(huán)境[9]。本文以蘋果為原料，探究水蘇糖滲透液溫度、滲透時間對蘋果片滲透特性、熱風(fēng)干燥特性和壓差閃蒸聯(lián)合干燥產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為蘋果片滲透條件優(yōu)化及開發(fā)功能性果蔬加工產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

蘋果（品種：紅富士；產(chǎn)地：陜西洛川）購于北京清河小營市場，含水量（6.55 ± 0.31）kg/kg（干基），經(jīng)去皮、核后，切成厚度10 mm、直徑20 mm的圓柱，備用。

1.2 儀器與設(shè)備

質(zhì)構(gòu)儀（TA-XT2i），英國Stable Micro System公司；掃描電鏡（S-570），日本日立公司；分光測色計（CM700D），日本柯尼卡美能達(dá)；手持阿貝折光儀 （MASTER-2α），日本日立公司；水分活度儀（Series 4TE），美國AquaLab 公司；蔬菜水果切片機(jī)（CL50），法國Robot Couple 公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9203），上海-恒科技有限公司；果蔬壓差閃蒸設(shè)備（QDPH10-1），天津勤德新材料科技有限公司；離心機(jī)（3K15），德國Sigma 公司。

1.3 方法

1.3.1 滲透脫水預(yù)處理 配制40°Brix 的水蘇糖溶液，將20 g 蘋果片置于裝有糖液的燒杯中，料液比1∶8。滲透結(jié)束后，將蘋果片置于漏勺中，放入裝有1.6 L 蒸餾水的燒杯中（漏勺中蘋果片離液面約10 cm）1 s 后拿起，用蒸餾水快速沖洗，重復(fù)上述步驟3 次，并用濾紙拭干表面水分。試驗因素設(shè)計：溫度40，60，80 ℃，時間5，10，15，30 min。

1.3.2 熱風(fēng)-壓差閃蒸干燥 取40 ℃（15，30 min）、60 ℃（10、30 min）、80 ℃（5、10 min） 條件下滲透后的蘋果片進(jìn)行熱風(fēng)干燥（干燥溫度70 ℃，風(fēng)速2.1 m/s） 至含水率為 （0.43 ± 0.03）kg/kg（干基）。將預(yù)干燥后的蘋果片置于自封袋中，4 ℃均濕18 h，壓差閃蒸干燥。壓差閃蒸干燥的條件：閃蒸溫度90 ℃，停滯時間10 min，抽真空溫度70℃，抽真空時間2 h。

1.3.3 水分損失率（Water loss，WL）、固形物增加率（Solids gain，SG）的計算

蘋果片滲透過程中WL、SG 計算公式：

式中：WL、SG——水分損失率（kg/kg）、固形物增加率（kg/kg）；Mo、Mt——樣品滲透初始時刻和t 時刻的質(zhì)量（kg）；Xwo、Xwt——滲透初始和t 時刻干基含水率（kg/kg）；Xso、Xst——滲透初始和t 時刻固形物含量（kg/kg）。

1.3.4 水分比和干燥速率 水分比（moisture ratio，MR）表示物料在一定條件下的剩余含水率。和物料含水率比較，平衡含水率Me很小，在MR 計算中可忽略不計，即Me≈0，計算公式：

式中：MR——水分比，kg/kg；M——任意時刻的干基含水率，kg/kg；Me——樣品平衡時干基含水率，kg/kg；Mo——樣品初始干基含水率，kg/kg。

干燥速率（drying rate，DR）計算公式：

式中：DR——干燥速率，kg/（kg·min）；Mt1和Mt2——分別為干燥到t1和t2時樣品的干基含水率，kg/kg；t1和t2——對應(yīng)的干燥時間，min。

1.3.5 模型分析和有效水分?jǐn)U散系數(shù) 數(shù)學(xué)模型有助于預(yù)測和模擬干燥特性，進(jìn)而幫助理解干燥機(jī)理。為了選出能更好地預(yù)測滲透后蘋果片熱風(fēng)干燥特性的數(shù)學(xué)模型，選用4 個模型型公式[10]，具體如下：

表1 熱風(fēng)干燥曲線分析數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematical models for hot drying curves

水分?jǐn)U散系數(shù)（moisture effective diffusivity，Deff）可以用來預(yù)測水分散失過程。干燥的降速階段，可用菲克第二定律描述其干燥特性。假設(shè)初始物料內(nèi)部水分分布均勻，水分移動的阻力可忽略不計，方程[11]如下：

只考慮一維擴(kuò)擴(kuò)散，上式可簡化為：

式中：MR——水分比；L——物料厚度的一半，m；t——干燥時間，s；Deff——水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

作ln（MR）與t 的對應(yīng)關(guān)系圖，得到斜率F，計算Deff：

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu) 參考丁媛媛[12]方法，取適量樣品粘貼在樣品臺上，噴金覆蓋，然后置于掃描電鏡觀測臺上，調(diào)節(jié)聚光焦距進(jìn)行拍照。

1.3.7 硬度和脆度 硬脆度采用質(zhì)構(gòu)儀測定。探頭型號采用HDP/BSW，測試條件：前期測試速度2.0 mm/s，檢測速度1.0 mm/s，后期檢測速度2.0 mm/s，觸發(fā)力度100 g。每個處理取8 次平行。硬度用峰的最大值表示；脆度用峰的個數(shù)表示，峰數(shù)越多，脆度越大[13]。

1.3.8 色澤 色澤采用色差儀測定，每個處理取8 次平行。依據(jù)CIELAB 表色系統(tǒng)測定蘋果片的明度值L、紅綠值a、黃藍(lán)值b，計算總色差ΔE 值，ΔE 值越小，與鮮樣顏色越接近，色澤越好。計算公式[14]：

式中，ΔL——不同滲透條件處理后壓差閃蒸蘋果脆片L 與鮮樣L 的差值；Δa——不同滲透條件處理后壓差閃蒸蘋果脆片a 與鮮樣a 的差值；Δb——不同滲透條件處理后壓差閃蒸蘋果脆片b與鮮樣b 的差值。

1.3.9 總酚含量 樣品提取參考Turk 等[15]方法。將樣品磨碎，取1.00 g 蘋果粉置于帶蓋離心管中，加入10 mL 80%甲醇，輕輕攪拌，超聲提取30 min，于4 ℃條件下避光提取16～24 h。在離心力9 839 g 條件下離心10 min，取上清測定，置4 ℃條件下，24 h 內(nèi)用。

標(biāo)準(zhǔn)曲線制作：用10 mL 80%甲醇溶液溶解0.5 g 沒食子酸，定容100 mL，得到5 mg/mL 標(biāo)準(zhǔn)液。移取1 mL 到100 mL 容量瓶中，用蒸餾水定容得到50 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)使用液。按照測定方法測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品測定參考Chan 等[16]方法。取0.1 mL 稀釋后的樣品，加蒸餾水至2 mL，加入1 mL 體積分?jǐn)?shù)10%的Folin-Ciocalteu 顯色劑，放置6 min，加入2 mL 7.5%碳酸鈉溶液，定容10 mL，75 ℃水浴10 min，于波長765 nm 處測定其吸光度。每個濃度做3 次平行，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透條件對蘋果片WL 和SG 的影響

水蘇糖滲透的溫度和時間對蘋果片WL、SG的影響如圖1所示。在相同條件下滲透，蘋果片的WL 遠(yuǎn)大于SG，這主要是由糖分和水分的分子大小差異引起的[8]，水分子的分子質(zhì)量小于水蘇糖，水分具有更高的運動速率[17]，且更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)行擴(kuò)散。物料在滲透過程中，WL 隨著溫度的升高和時間的延長而增加，40，60 ℃和80 ℃條件下滲透30 min，WL 值分別達(dá)到12.06×10-2，12.7×10-2和24.9×10-2kg/kg，這可能是因為溫度升高，分子熱運動速率加快，水分向滲透溶液中擴(kuò)散的速度增加。同WL 變化趨勢類似，SG 也隨溫度的升高和時間的延長逐漸增加。溫度升高在提高水分?jǐn)U散速度的同時，也提高了水蘇糖向蘋果組織細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散的速度；此外，隨著溫度的上升，滲透液黏度降低[18]，這是導(dǎo)致溶質(zhì)擴(kuò)散速率加快的重要原因。從圖1可看出，滲透5 min 的條件下，40，60 ℃和80 ℃處理組的SG 分別為0.55×10-2，0.79×10-2kg/kg 和0.14×10-2kg/kg，80 ℃處理組的SG 顯著低于40 ℃和60 ℃處理組，可能是80 ℃處理5 min，蘋果外層細(xì)胞被破壞，細(xì)胞膜失去半透膜特性，滲透時間短，水蘇糖只有少量或者并未進(jìn)入蘋果內(nèi)層具有活性的細(xì)胞，導(dǎo)致蒸餾水沖洗時，停留在外層死細(xì)胞周圍或內(nèi)部的水蘇糖隨蒸餾水被沖走。

2.2 滲透條件對蘋果片熱風(fēng)干燥特性的影響

圖1 不同溫度和時間條件下水蘇糖滲透對蘋果片WL（a）和SG（b）的影響Fig.1 WL（a） and SG（b） of apple slices immersed in stachyose solutions at different temperature and time

圖2是不同溫度和時間條件下水蘇糖滲透后，蘋果片在熱風(fēng)70 ℃條件下的干燥特性曲線和干燥速率曲線。隨著時間的延長，蘋果片含水率降低；未經(jīng)滲透的蘋果片，水分含量隨時間的延長下降最快，干燥曲線最陡。對于未滲透處理組、40 ℃處理組、60 ℃/10 min 處理組的蘋果片，在干燥初始階段（t＜30 min），干燥速率增加，隨后隨著時間的增加而下降，以降速干燥為主。可能的原因是40 ℃處理組和60 ℃/10 min 處理組的蘋果片在干燥前的初始干基含水率范圍為5.74～7.38 kg/kg（干基），這使得干燥初始階段自由水含量較高，水分移出所受阻礙較少，因此水分蒸發(fā)速度加快[19]。對于60 ℃/30 min 和80 ℃處理組，蘋果片干燥前的初始干基含水率較低，范圍5.33～5.50 kg/kg（干基），使得自由水含量低，整個干燥過程均屬于降速干燥。

圖2 不同條件滲透對蘋果片熱風(fēng)干燥水分比及干燥速率的影響Fig.2 Effect of different osmotic conditions on the moisture ratio and drying rate of apple slices under hot air drying

2.3 蘋果熱風(fēng)干燥過程模型擬合及水分?jǐn)U散系數(shù)

表2為不同條件滲透后，Page 模型擬合干燥過程的各參數(shù)以及有效水分?jǐn)U散系數(shù)。決定系數(shù)R2越高、卡方χ2和均方根標(biāo)準(zhǔn)差RMSE 越小，說明模型擬合效果越好。與Newton、Henderson and pabis 和Verma 等模型（R2均值分別為0.998，0.997，0.997） 擬合相比，Page 模型可更準(zhǔn)確地擬合滲透后蘋果片的熱風(fēng)干燥過程，其R2均值為0.999。由表1可知，與未滲透的樣品相比，除80 ℃/5 min 條件滲透后熱風(fēng)干燥的干燥速率常數(shù)k 無顯著變化外，其它處理組滲透后均顯著下降，說明滲透后蘋果片干燥速率下降，k 值代表物料水分?jǐn)U速率[20]。一方面是因為初始水分含量低，后續(xù)干燥脫水更加困難；另一方面是因為滲透的糖在物料蘋果表面結(jié)晶，水分移動困難。

除40 ℃/15 min 處理組滲透后干基含水率較低外，其它滲透處理組無顯著區(qū)別，可能是因為溫度較低，時間較短的條件下，水分移出的速率較慢，移出的水分量少。Deff由菲克第二定律通過干燥過程中水分比計算得出，未滲透和滲透后蘋果片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為13.5103×10-9m2/s，8.24128～12.6321 m2/s。不同條件滲透處理組中，Deff的變化趨勢與k 值相同，40 ℃和60 ℃處理組的Deff值均較低，80 ℃處理組的k 值和Deff較高，可能的原因是80 ℃/5 min 和80 ℃/10 min 可溶性固形物增加少，干燥過程水分移動所受阻礙較少，也有可能是80 ℃處理導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)破壞，水分更易蒸發(fā)。

表2 蘋果熱風(fēng)干燥過程page 模型擬合結(jié)果及水分?jǐn)U散系數(shù)Table 2 Page’s equation parameters and Deff for hot drying process of apple slices

2.4 不同滲透條件對蘋果脆片微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可知，經(jīng)過不同溫度和時間的水蘇糖滲透前處理后，HA-ICPPD 蘋果脆片的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯差異。未滲透和40 ℃/15 min 處理組樣品內(nèi)部呈現(xiàn)均勻多孔狀結(jié)構(gòu)，40/15 min 樣品孔隙之間連接的壁更厚，可能是因為滲入的水蘇糖與纖維素、果膠等細(xì)胞壁多糖成分結(jié)合所致[21]。80 ℃/5 min 處理組樣品，組織細(xì)胞破壞，產(chǎn)生少量不規(guī)則的小孔洞。與未滲透組相比，60 ℃/10 min 和80 ℃/10 min 處理組HA-ICPPD 蘋果脆片呈現(xiàn)不規(guī)則、更大的孔隙結(jié)構(gòu)?？赡艿脑蚴沁@兩個處理組在滲透過程中，長時間的高溫液體環(huán)境，導(dǎo)致液體與細(xì)胞壁中間層接觸，果膠的溶解性增加[22]，引起組織支撐作用下降，物料黏彈性和可塑性增加，閃蒸瞬間，水分散失速度較快，易形成多孔結(jié)構(gòu)。而40℃/30 min 和60 ℃/30 min 處理組條件下，過多水蘇糖滲入，使更大比例的孔隙被填滿，SEM 圖表現(xiàn)出更少的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3 不同滲透條件對HA-ICPPD 蘋果脆片微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of osmotic conditions on SEM of HA-ICPPD apple chips

2.5 滲透條件對蘋果脆片質(zhì)構(gòu)的影響

脫水果蔬的硬度和脆度是影響消費者選擇的重要指標(biāo)之一，其受物料細(xì)胞基質(zhì)、組織中化學(xué)成分及其與水分的相互作用等因素的影響。表3顯示不同條件滲透對蘋果片質(zhì)構(gòu)及含水率的影響。不同滲透處理后蘋果脆片的水分含量范圍（2.63～3.39）×10-2kg/kg（干基），與未滲透前處理組相比，60 ℃/30 min 處理組硬度顯著增加，80 ℃/10 min處理組硬度顯著降低，其它組無顯著差異。滲透處理后，HA-ICPPD 蘋果脆片的脆度顯著增加，干基含水率顯著下降。60 ℃/30 min 處理組樣品硬度顯著增加，是因為相比于其它處理組，60 ℃/30 min條件下滲進(jìn)的水蘇糖最多，水蘇糖隨著干燥的進(jìn)行部分遷移到物料表面，加熱后在表面結(jié)晶形成硬殼，而且內(nèi)部的水蘇糖與蘋果片的組分結(jié)合，形成對蘋果片組織的支撐作用，因此60 ℃/30 min 處理后得到的HA-ICPPD 蘋果脆片硬度最大。所有經(jīng)滲透條件處理后，HA-ICPPD 蘋果片的脆度均顯著增加，且不同處理組間無顯著差異，可能是因為滲透后蘋果片的皺縮率增加，產(chǎn)生更大內(nèi)部應(yīng)力，閃蒸瞬間更易失去水分，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的干基含水率比對照組低，表現(xiàn)為脆度較高。

表3 不同滲透條件對壓差閃蒸聯(lián)合干燥蘋果脆片的硬度、脆度及含水率的影響Table 3 Effects of osmotic conditions on hardness，crispness and water content of apple chips by HA-ICPPD

2.6 滲透條件對蘋果脆片色澤的影響

不同條件水蘇糖滲透處理后，HA-ICPPD 蘋果脆片的L 值、a 值、b 值和ΔE 值如表4所示。滲透處理后的干燥樣品L 值（64.29～70.02）顯著高于未滲透組（61.47），表明滲透處理后的HA-ICPPD脆片亮度增加，而80 ℃/10 min 處理組的HAICPPD 蘋果脆片與鮮樣的L 值分別為70.02 和71.67，兩者之間無顯著差異，表明80 ℃滲透10 min 的處理能較好地保持蘋果片原有亮度。與未處理組相比，滲透處理后得到的HA-ICPPD 蘋果脆片a 值顯著降低，說明未滲透處理得到的樣品顏色更偏紅。水蘇糖在所選條件下滲透均可減少蘋果片的褐變。不同條件下水蘇糖滲透處理后的HA-ICPPD 蘋果脆片總色差值ΔE 均明顯小于對照組，表明滲透可以較好地保持蘋果片原有色澤，其中40 ℃/15 min、40 ℃/30 min、60 ℃/30 min 和80℃/10 min 處理組的色澤和鮮樣較為相近，這些工藝制得的產(chǎn)品相互之間無顯著性差異。

表4 不同條件滲透對壓差閃蒸聯(lián)合干燥蘋果脆片色澤的影響Table 4 Effect of osmotic conditions on color of apple chips by HA-ICPPD

2.7 滲透條件對蘋果脆片總酚含量的影響

不同溫度和時間滲透后HA-ICPPD 蘋果脆片總酚含量如圖4所示。40 ℃條件下滲透30 min 的HA-ICPPD 蘋果脆片總酚含量高于滲透15 min 處理組，總酚含量分別為967.29，1 185.31 mg/100 g。未滲透處理組的HA-ICPPD 蘋果脆片總酚含量為1 062 mg/100 g，40 ℃處理組的總酚含量與未滲透組無顯著下降。60 ℃和80 ℃條件的所有處理組，總酚含量均降低，且隨著時間的延長，總酚含量降低?？赡艿脑蚴?0 ℃和80 ℃條件下，蘋果多酚發(fā)生了多酚氧化[23]，或者蘋果的多酚結(jié)構(gòu)被破壞，或者被轉(zhuǎn)化成了非氧化形式[24]。40 ℃滲透處理30 min，可以避免因溫度導(dǎo)致的HA-ICPPD 蘋果片總酚含量下降，還有提高HA-ICPPD 蘋果脆片總酚含量的趨勢，而60 ℃和80 ℃滲透處理會降低HA-ICPPD 蘋果脆片的總酚含量。

圖4 不同滲透條件對蘋果脆片總酚含量的影響Fig.4 Influence of different treatments on total phenols of apple chips in HA-ICPPD

3 結(jié)論與討論

隨著水蘇糖滲透液溫度的升高和時間的增加，WL 和SG 總體呈增加趨勢，主要是因為溫度提高了物質(zhì)傳遞速率，降低了溶液的黏度。基于此，本研究選擇40 ℃/15 min、40 ℃/30 min、60 ℃/10 min、60 ℃/30 min、80 ℃/5min 和80 ℃/10 min 作為滲透條件，探討壓差閃蒸對滲透后蘋果脆片品質(zhì)的影響。在質(zhì)構(gòu)方面，40 ℃滲透處理30 min 能顯著提高HA-ICPPD 蘋果片脆度；在色澤方面，40℃滲透處理30 min 后的HA-ICPPD 蘋果片與鮮樣較為接近；在營養(yǎng)保留方面，40 ℃滲透處理30 min 可以避免HA-ICPPD 蘋果片總酚含量下降。綜合考慮色澤、質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)等指標(biāo)，將蘋果片40 ℃條件下水蘇糖滲透處理30 min 后再進(jìn)行壓差閃蒸干燥，可以提高蘋果脆片的品質(zhì)。