地牯牛真空冷凍干燥工藝的研究

施樹，羅章，李舉憲

(1.重慶旅游職業(yè)學(xué)院，重慶 409000；2.西藏大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

地牯牛即甘露子(StachyssiebolidiiMiquel)，又稱地蠶、玉環(huán)、寶塔菜、螺螄菜，為唇形科水蘇屬多年生草本，呈念珠狀或螺螄形塊莖，色乳白[1]。

地牯牛在10月中旬至11月中上旬地上莖葉枯皺，地下塊莖成熟，可以收獲[2]。地牯牛富含水蘇糖等功能因子，通常在北方被加工成醬菜食用，在南方被做成泡菜。

為了便于儲運或加工，需要對地牯牛進行干燥處理。干燥的方式有很多種，常見的諸如熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥、真空油炸、真空冷凍干燥等，各有優(yōu)缺點[3,4]。

本文對地牯牛分別采用熱風(fēng)干燥、微波干燥和真空冷凍干燥，考察不同干燥方式對地牯牛干燥的影響，并采用真空冷凍干燥技術(shù)研究地牯牛的最佳干燥工藝。

真空冷凍干燥是將物料預(yù)先凍結(jié)，然后在一定的真空狀態(tài)、較低溫度下，物料中的水分升華從而干燥的方法。干燥后的產(chǎn)品收縮率小，能夠保持物料原有的組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)[5,6]，能夠保留原料中的活性成分，脫水徹底，質(zhì)量輕，復(fù)水率高等[7]。與其他食品干燥方法相比，真空冷凍干燥是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的最佳方法，但是它的成本相對較高[8]。在真空冷凍干燥中，冷凍過程對干燥過程有一定影響，過冷度的不均勻性導(dǎo)致不均勻的冰晶，進而導(dǎo)致不均勻的干燥行為。因此，控制過冷度可顯著改善冷凍干燥工藝[9]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮地牯牛：市購；檸檬酸、氯化鈉、氯化鈣：均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2204B電子天平 上海天美天平儀器有限公司；DHG-9000電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；G80F23CN2P-B5(R0)微波爐 廣東格蘭仕集團有限公司；Christ ALPHA 1-2 LD plus冷凍干燥機 德國Marin Christ 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料處理

挑選無機械損傷、無褐變、無病蟲害的新鮮地牯牛，清洗干凈表面泥土后，切成一定厚度的薄片，立即投入配制好的復(fù)合護色液中浸泡護色30 min，然后置于網(wǎng)篩上漂洗瀝干備用。根據(jù)前期研究結(jié)果，最佳復(fù)合護色液為0.4%的氯化鈣、0.5%的檸檬酸和1%的氯化鈉[10]。

1.3.2 水分測定

直接干燥法[11]。

1.3.3 熱風(fēng)干燥

將處理后的不同厚度的地牯牛置于網(wǎng)篩上，分別放入不同溫度的烘箱中進行干燥，每隔5 min取樣快速測定其重量，試驗3次取平均值。

1.3.4 微波干燥

將處理后的不同厚度的地牯牛置于平盤上，放入微波爐，設(shè)定不同的功率，每隔1 min取出快速稱重，試驗3次取平均值。

1.3.5 真空冷凍干燥

將處理好的不同厚度的地牯牛放入-18 ℃冰箱中預(yù)凍12 h。將真空冷凍干燥機預(yù)冷30 min，使冷阱溫度穩(wěn)定在-30 ℃，放入樣品。設(shè)置樣品溫度為4 ℃，分別設(shè)置不同干燥時間和不同真空度進行干燥，凍干結(jié)束后記錄凍干樣品的重量，每個單因素試驗重復(fù)1次。

1.3.6 真空冷凍干燥正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗，選取物料厚度、真空度、干燥時間作為正交試驗的3個因素，設(shè)置3個水平，設(shè)計L9(34)正交試驗，見表1。按照正交表所確定的試驗組合，依次進行真空冷凍干燥，樣品快速密封，包裝待測，每組試驗重復(fù)3次。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表

1.4 干燥效果評價方法

1.4.1 皺縮率

用量筒裝清洗干凈的烘干過100目篩子的細河沙10 mL，再將待干燥的鮮地牯牛沒入沙中記錄體積V1，然后將干燥后的該地牯牛沒入沙中測量體積V2。

1.4.2 凍干率

式中：M表示樣品鮮重，m表示干燥后樣品重量，n表示樣品平均含水率。

2 結(jié)果與分析

通過多次試驗得出新鮮地牯牛樣品平均含水率為86.11%。

2.1 不同干燥方式下的皺縮率

表2 不同干燥方式下的皺縮率

由表2可知，采用熱風(fēng)方式對地牯牛進行干燥時，產(chǎn)品的皺縮率非常大，為58.3%，皺縮超過一半，這是最終產(chǎn)品外觀要求所不期望的。采用真空冷凍方式對地牯牛進行干燥，皺縮率為8.3%，幾乎可以保持原有外形，這與真空冷凍干燥可以保持物料原有的形狀結(jié)論一致[12]。

2.2 不同條件下的熱風(fēng)干燥曲線

圖1 不同熱風(fēng)干燥條件下含水率變化曲線

由圖1a可知，在熱風(fēng)干燥過程中，隨著干燥時間的延長，水分不斷下降，地牯牛切片越薄，達到干燥終點所用的時間越短，即地牯牛切片越薄，水分被蒸發(fā)得越快。由圖1b可知，在熱風(fēng)干燥過程中，隨著干燥時間的延長，水分不斷下降，干燥溫度越高，達到干燥終點所用的時間越短，即干燥溫度越高，地牯牛干燥的速度越快。

2.3 不同條件下的微波干燥曲線

圖2 不同微波干燥條件下含水率變化曲線

由圖2a可知，隨著干燥時間的延長，地牯牛水分逐漸降低。厚度為2 mm的地牯牛切片最先達到干燥終點，干燥5 min后含水率為1.92%。厚度為10 mm的地牯牛切片干燥所用的時間最長，這是因為地牯牛越厚，水分越難從內(nèi)部向表面遷移[13]，從而干燥時間延長。由圖2b可知，隨著微波功率的增大，干燥的時間在縮短。當微波功率為480 W時，干燥12 min含水率為5.61%；微波功率為640 W時，干燥11 min后含水率為4.61%。說明當微波功率超過480 W時，隨著微波功率的增大，干燥的速率增大不明顯。這是因為微波功率過大, 物料內(nèi)部快速吸收微波能快速蒸發(fā)，而表面水汽蒸發(fā)遷移速度相對小于內(nèi)部，導(dǎo)致干燥速度增加緩慢[14]。 在采用微波干燥地牯牛過程中還發(fā)現(xiàn)，微波干燥的地牯牛成品會出現(xiàn)焦糊斑點，這是由于微波加熱的不均勻性造成的[15]。

2.4 不同真空冷凍干燥條件對凍干率的影響

真空度、厚度和干燥時間對地牯牛真空冷凍干燥率的影響見圖3。由圖3變化趨勢可知，真空度對地牯牛真空冷凍干燥的影響幅度比較小，隨著真空度的增大，干燥率逐步增大，當真空度超過60 Pa時，干燥率反而呈下降趨勢。這是因為隨著真空度不斷增大，水蒸氣傳質(zhì)速度逐步加快，但當真空度繼續(xù)增大時，升華溫度降低，冰晶升華的速度減慢，從而降低了凍干速率[16,17]。

圖3 真空度、厚度和干燥時間對凍干率的影響

地牯牛的厚度對干燥影響較大，由圖3可知，隨著地牯牛厚度的減小，凍干率逐漸增大。這是因為較薄的物料厚度減小了傳熱阻力，熱量很容易達到升華層而使冰晶升華，并且較小的厚度減小了傳質(zhì)阻力，便于水蒸氣的逸出。但是厚度不易過薄，過薄會導(dǎo)致成品皺縮嚴重，色澤變暗。

隨著干燥時間的延長，地牯牛的凍干率在增加，但是當超過8 h以后，干燥率趨于平穩(wěn)，再延長干燥時間會使能效降低。

2.5 正交試驗結(jié)果及分析

依據(jù)單因素試驗，選擇真空度、干燥時間和物料厚度為因素，設(shè)計L9(34)正交試驗研究地牯牛凍干工藝，見表3。

表3 L9(34)正交試驗結(jié)果與極差分析

由表3可知，各因素極差均大于空白試驗的極差，說明各因素對地牯牛凍干影響顯著。RB>RC>RA，其中干燥時間和物料厚度對地牯牛的凍干影響最為顯著，其次是真空度。

表4 正交試驗方差分析表

由表4可知，試驗所涉及的3個因素中干燥時間和物料厚度均極顯著，真空度較顯著。3個因素的主次關(guān)系是：干燥時間>物料厚度>真空度，這與極差分析結(jié)果一致。

圖4 試驗因素與凍干率關(guān)系圖

由圖4可知，選擇3個因素中的最佳水平，得到最佳組合為A2B3C3，即真空度30 Pa，干燥時間10 h，地牯牛厚度3 mm。通過驗證試驗得到地牯牛真空冷凍干燥率為95.36%。考慮到真空度為次要因素，對干燥率影響變化幅度不大，加上在實際生產(chǎn)中考慮經(jīng)濟性，降低能耗，故選擇A1B3C3為最佳凍干工藝參數(shù)，即真空度20 Pa，干燥時間10 h，地牯牛厚度3 mm，該條件下地牯牛的凍干率為94.62%。

3 結(jié)論

本試驗采用冷凍干燥方法研究了鮮地牯牛的干燥工藝。通過正交試驗，優(yōu)化出地牯牛的最佳凍干工藝參數(shù)，即真空度20 Pa，干燥時間10 h，地牯牛厚度3 mm，該條件下地牯牛的凍干率為94.62%。