水果和蔬菜干制技術的優化

新鮮水果，富含豐富的新鮮農產品，容易受到微生物和酶的影響，導致各種不利因素的物理、化學和生化變化。干制是延長果蔬保存期行之有效的方法之一。果蔬干制后質量減輕、體積顯著縮小、便于運輸,食用方便、產品營養豐富而又易于長期保藏。果蔬干制技術的研究旨在逐漸降低能耗,縮短干燥時間,最大限度的保存果蔬營養成分,獲得最佳的感官品質。目前用于果蔬脫水干制的方法主要有熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、氣調干燥等。國內外學者的研究主要集中在不同干燥方法的技術參數優化、不同干制方法在不同果蔬干制時的動力學模型的建立、干制對果蔬感官品質、物化性能、營養成分以及風味成分的影響。1不同干系統技術的科學研究1.1干燥時間對物料酶活性的影響自然干燥是利用太陽輻射和空氣流動進行的非機械干燥過程,干燥原理與熱風干燥相同,但干燥時間長,物料中酶的活性不能很快被抑制,呼吸作用持續時間較長,有機物質消耗高。由于干燥過程溫度一般比熱風干燥要低,對部份熱敏性物質保存效果較好。1.2物料表面的擴散熱風干燥是傳統的干燥方法,是依據熱傳導效應,將熱量從干燥介質傳遞給物料,物料吸收熱量后,產生兩個擴散,即水分由物料表面到干燥介質中的外擴散,以及物料內部水分到物料表面的內擴散,兩個擴散持續進行,直到物料中水分下降到一定程度而達到干燥的目的。熱風干燥是在高溫(55℃以上)和有氧條件下進行的,干燥過程中,發生許多化學變化,如酚類物質會在氧化酶的催化下發生氧化,維生素類在高溫下易被破壞,氨基酸和糖高溫下發生美拉德反應等。熱風干燥的溫度和時間是影響物料中營養成分變化的主要因素。1.3偶極子發生改變的機制微波是指波長在lmm~1m,頻率在300MHz~300GHz之間的電磁波,它具有電磁波的共性,既具有粒子運動攜帶的機械能,同時也具有場能,包括電場能和磁場能。而且電磁場均以正弦曲線特征發生周期性極性改變。物料中的各種分子在場誘導效應下,會產生偶極矩,即分子產生正負兩極,稱為偶極子,并且偶極子的正負極與它所在場的極性方向始終保持相反。當電磁場的極性方向發生改變時,偶極子發生相應的反轉。這樣,當電磁場的極性方向發生高頻率的交替變化,電磁場中的偶極子也發生極高速的反轉、振蕩和遷移,比如在2450MHz的微波頻率下,偶極子的振蕩可達到每秒68w次,偶極子之間相互碰撞、磨擦,產生機械損傷力和大量的熱。水分子作為物料中最易極化的分子,在微波產生的電磁場中運動也最劇烈,產生的熱量使水分子急速逸出物料表面,從而達到干燥的目的。由于微波能夠深入到物料內部而不是依靠物料本身的熱傳導進行加熱,加熱速度大大高于常規干燥方法,只需一般方法的十分之一到百分之一的時間就能完成整個干燥過程。另外,微波加熱是使物料表面和內部水分子同時受到場作用,因此加熱均勻,既可避免傳統加熱干燥過程中由外向內形成的溫度梯度導致表面硬化,也可防止局部過熱產生焦化。另外,微波加熱具有自平衡性,就是說,當物料中某個部位的水分子因蒸發而減少時,微波在該部位的作用也相應減弱,不會發生過熱現象。1.4干燥溫度對物料熱敏性的影響真空干燥的機理是根據水和一般濕介質的熱物理特性,在一定的介質分壓力作用下,對應一定的飽和溫度,真空度越大,濕物料所含的水或濕介質對應的飽和溫度越低(沸點溫度低),越易汽化逸出而使物料干燥。在真空干燥中,當真空度加大,達到對應的相對較低的飽和溫度時,水或濕介質就激烈地汽化。水或濕介質沸點溫度的降低,加大了濕物料內外的濕推動力,加速了水分或濕介質由濕物料內部向表面移動和由表面向周圍空氣散發的速度,從而加快了干燥過程。所以,真空干燥可以在低溫條件下對物料進行干燥,且預熱時間短,使整個干燥過程的時間大為縮短。因此,真空干燥有許多優點,如(1)以較低的干燥溫度來干燥熱敏性的物料;(2)適用于干燥過程中易被空氣中氧氣氧化的厭氧物料;(3)可以在較低的干燥溫度下使物料脫濕干燥,熱能利用率高;(4)適用于干燥含有溶劑或有毒氣體的物料,對溶劑和有害氣體的回收較容易;(5)可用于終含水率要求較低的物料的深度干燥。1.5真空冷凍干燥的機理真空冷凍干燥,又稱為冷凍干燥,是真空與冷凍相結合的新技術。根據熱力學中’相平衡原理,水的三相點溫度為0.0098℃,三相點壓力為609.3Pa。在水的相變過程中,當環境壓力低于水的三相點壓力時,固態冰可以直接轉化為汽態,稱為升華,真空冷凍干燥就是利用了這一原理。將物料首先進行深凍,物料中的水在低溫下凍結成冰晶體,然后在高真空度條件下,由于物料內的水分壓力處于正常三相點壓力之下,所以冰晶體直接升華為水蒸汽逸出,使得物料得以干燥。利用真空冷凍干燥,物料的失水過程是在低溫(-40℃~-55℃),高真空狀態下進行的,因此對熱敏性、易氧化成分的保存率較高。物料在深凍時,其內部的水形成冰晶,使得溶于水的成分析出而滯留在物料內部,當冰晶升華時,不會影響其狀態,避免了一般干燥方法因物料內部水分向表面移動而將無機鹽和其他可溶性物質攜帶到物料表面造成的營養損失。另外,真空冷凍干燥后的物料呈多孔、疏松結構,具有更好的復水性,便于后序加工處理。1.6共振的作用機制干燥原理是將電能轉變為遠紅外輻射,從而被物料的分子吸收,產生共振,引起分子和原子的振動和轉動,導致物體變熱,經過熱擴散、蒸發和化學變化,最終達到干燥的目的。遠紅外干燥具有干燥速度快、節約能源、產品質量較好、成本低、操作安全、容易實現自動化等特點。1.7空氣加熱爐內冷媒循環時工作原理熱泵干燥機是利用逆卡諾原理,吸收空氣的熱量并將其轉移到房內,實現烘干房的溫度提高,配合相應的設備實現物料的干燥。熱泵干燥機由壓縮機、換熱器(內機)、節流器、吸熱器(外機)、壓縮機等裝置構成了一個循環系統。冷媒在壓縮機的作用下在系統內循環流動。它在壓縮機內完成氣態的升壓升溫過程(溫度高達100℃),它進入內機釋放出高溫熱量加熱烘干房內空氣,同時自己被冷卻并轉化為流液態,當它運行到外機后,液態迅速吸熱蒸發再次轉化為氣態,同時溫度下降至零下20℃~30℃,這時吸熱器周邊的空氣就會源源不斷地將熱量傳遞給冷媒。冷媒不斷地循環就實現將空氣中的熱量搬運到烘干房內加熱房內空氣溫度。與常規干燥相比,熱泵干燥具有下列特點:(1)熱泵干燥裝置的能量利用率高,運行費用低。(2)熱泵干燥一般為低溫干燥,因此不會產生氧化及化學分解等現象,特別適用于熱敏性物料、生物制品以及食品等的干燥,色、香、味及外觀好,產品質量高。(3)對干燥介質進行閉路循環的熱泵干燥裝置,不受外界氣候條件的影響,一年四季均在同一條件下平穩運行,無環境污染問題。(4)熱泵干燥一般在低溫下運行,設備的使用壽命長。(5)就目前的熱泵干燥技術水平來看,大多為低溫干燥,因此,與高溫干燥相比,干燥時間較長。1.8氣體成分對蔬菜干制品質量的影響氣調干燥是果蔬當中的活性成分在高溫和氧氣存在是容易發生氧化,故而采取的一種方式。通常將N2或CO2作為干燥介質,與果蔬接觸,最大限度的保存如維生素C、多酚等成分。陸則堅(2004)采用自制的QTM試驗裝置對蔬菜進行氣調干制試驗。研究了不同溫度條件下氣體成分對苦瓜片、蘿卜絲和香蔥干制品質量的影響。結果表明:采用N2和CO2進行氣體調節,降低干燥過程氣體的O2含量,可明顯提高蔬菜干制品葉綠素含量和降低干制過程維生素C質量分數的損失。1.9微波干制與熱風干制聯合(組合)干燥是將兩種或多種干燥方式組合在一起對物料進行干燥的方式。通常取不同干燥方式的優點進行組合,采取分段式干燥,或者疊加式干燥方式。如將前期熱風干燥,后期真空干燥。也可以將微波真空組合在同一個干燥室內,以加快干燥速率,降低干燥溫度。Hu(2006)等使用熱風和真空微波對菜豆進行干制對比研究。優化聯合干制的技術參數,獲得最佳的干制速率和產品性質。結果表明,與熱風干制相比,真空微波干制顯著縮短了干制的時間。AdamFigiel(2010)報道了用熱風干制和真空微波干制結合干制甜菜根時的干制動力學和干制品品質的研究。結果表明與熱風干制相比,微波干制明顯減少了干制時間和制品的干縮性。2干制條件對全紅玫瑰果干制品質的影響由于在干燥過程中物料的物理、化學變化會直接影響到產品品質,有關干燥產品品質特性的研究成為近年來的熱點。品質特性是指干燥后產品的質量定性或測定,主要包括:熱特性(產品狀態:玻璃態、結晶態和橡膠態),結構特性(容積密度、孔隙率、孔隙尺寸、真密度),視覺特性(顏色、表觀),感官特性(風味、滋味、香氣),營養特性(維生素、蛋白質,生物活性物質等),復水特性(復水速率、復水能力)。在結構特性方面,不同干燥工藝對收縮率、孔隙率、容積密度等的影響程度隨物料的不同而不同。KrokidaMK(1997)研究了不同干燥工藝對物料(香蕉、蘋果、胡蘿卜和馬鈴薯)真密度、容積密度及孔隙率的影響,結果表明:4種物料的真密度均隨著水分含量的減少而增加,干燥方法不影響真密度;微波干燥或真空干燥的容積密度因物料品種不同而不同,冷凍干燥物料的容積密度最低;4種物料的孔隙率總是隨含水率的減少而增加,當含水量一定時,冷凍干燥物料孔隙率最高,對流干燥孔隙率最低,微波、真空干燥孔隙率介于二者之間。在視覺特性方面,干燥方法對產品的顏色有著不同程度的影響。JindapornJamradloedluk(2007)報道了干制介質和溫度對榴蓮切片干制品質的影響,結果表明過熱蒸氣干制時間比熱風干制的顏色要好。KrokidaMK(1999)研究了不同干燥工藝對物料顏色變化影響,結果顯示:干燥方法對產品L值(亮度)的影響不顯著;冷凍干燥對4種物料a值(紅色)的影響最小,而微波干燥的蘋果、香蕉、胡蘿卜a值較真空干燥的a值要低,微波干燥的馬鈴薯a值較真空干燥的a值要高;所有干燥方法均會導致b值(黃色)的增加,其中冷凍干燥的影響最小,熱風干燥影響最大,微波、真空干燥對不同物料b值有著不同的影響。MargaritaMiranda(2009)報道了紅辣椒干制過程種溫度對其色澤變化的影響,結果表明溫度影響色澤參數(L*,a*,b*,C*andHo),非酶褐變物質以及可溶性色素,這些參數都表明辣椒在干制過程中褪色。在營養特性方面,冷凍干燥和微波干燥均能較好地保留物料原有的營養成分及功效成分,但冷凍干燥略優于微波干燥,而其它干燥方法均對產品損傷較大。SalihaErenturk(2005)等對全紅玫瑰果進行熱風干制表明,其維生素C含量受干制溫度、干制時間和濕含量的影響,并且切片干制可很大限度的保留維生素C。華平等(2004)采用4種不同干燥工藝對百合進行干燥,發現真空冷凍干燥的百合中灰分、可溶性糖、VC含量最高,水分和脂肪含量最低,即4種干燥處理中以真空冷凍干燥對百合營養成分影響最小,其次是微波干燥和普通熱風干燥,遠紅外線干燥影響最大。葉興乾等(2001)的試驗研究表明:熱風干燥處理與自然干燥處理的栗粉化學成分相似,微波干燥的栗粉淀粉含量較高,而高溫蒸后熱風干燥的栗粉淀粉含量最低,可溶性糖含量最高,表明高溫可能加速了淀粉轉化為可溶性糖。C.L.Mota(2010)研究了對流干制時不同溫度對洋蔥營養成分的影響,結果表明:干制對灰分、脂肪、蛋白質、膳食纖維含量沒有影響,而對總糖、總酸和維生素C含量影響顯著。MargaritaMiranda(2009)報道了紅辣椒干制過程種溫度對其抗氧化性能以及多酚含量的影響,結果表明隨溫度降低,VC和多酚含量隨溫度下降而減少。從清除自由基的能力看,高溫(80℃,90℃)干制后的產品抗氧化性能要高于低溫(60℃,70℃)。在復水特性方面,產品的復水性能與加工條件、樣品的準備、樣品組成以及干燥導致的組織結構與化學組成的變化有關。一般可認同的觀點是復水性能主要取決于細胞和結構的破壞程度。冷凍干燥的產品具有較好的復水性能,微波干燥、熱風干燥、真空干燥等方法干燥的產品復水性能相對較差,具體表現為物料品種的不同而不同。高能量的微波干燥對某些物料具有破壞細胞壁的作用,可以增加產品復水初期的復水速率,但會降低產品的復水能力。DasGupta(2008)等發現在干燥過程中不可逆轉的細胞破壞和位錯會導致細胞完整性的喪失、毛細管的極大收縮和塌陷的稠密組織結構減少了親水性能,因而不能完全吸收足夠的水分。AdamFigiel(2010)報道了與熱風干燥相比