草莓片真空冷凍干燥工藝研究

郭建業(yè)，張艷紅，張 嵐，潘張磊，常 青，劉曉明

（北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

草莓營養(yǎng)豐富，富含多種有效成分，尤其是所含維C，其含量比蘋果、葡萄高7～10 倍，而所含的胡蘿卜素、維A、鈣等也比蘋果、梨、葡萄高3～4 倍，并且水分充足、香甜可口，被人們譽為水果皇后[1]。

草莓從開花到采收一般要經(jīng)過35～40 d，雖然坐果期長，但成熟漿果的保鮮期只有1～2 d，容易酸敗，不耐貯藏，且果皮薄軟，在儲運過程中極易碰傷腐爛，不宜遠運銷售[2]。因此，在草莓集中上市期間，容易造成產(chǎn)大于銷的問題。

隨著真空冷凍干燥技術的發(fā)展，因其能最大限度地保持食品營養(yǎng)成分和原味，成為食品加工的一項高新技術[3]。因此，采用真空冷凍干燥技術制取凍干草莓片，既解決草莓的儲存和運輸問題，也可拓寬草莓制品市場，食用更加方便。然而，目前的研究多是對草莓粉、整粒草莓的凍干工藝研究，對更加迎合市場的草莓片凍干工藝研究報道較少。張莉會等人[4]對超聲結(jié)合超高壓預處理對凍干草莓片品質(zhì)的影響進行了研究。劉涌鋼等人[5]和遲春山[6]也分別對草莓片凍干工藝進行了研究，但都未將工藝條件與凍干草莓片的品質(zhì)結(jié)合起來。因此，采用不同凍干工藝參數(shù)對草莓切片進行了凍干，對不同工藝條件對凍干草莓品質(zhì)的影響進行研究，以期為草莓片凍干品的開發(fā)與利用提供數(shù)據(jù)基礎，促進草莓產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

1 材料與設備

1.1 試驗材料

草莓品種為隋珠，單果質(zhì)量10～25 g，甜度5～10 度，產(chǎn)于北京昌平區(qū)萬德莊園。

1.2 試驗儀器與設備

Pilot5-8M 型真空冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司產(chǎn)品；JCS-300 型精密電子天平，哈爾濱眾匯衡器有限公司產(chǎn)品；ACS-30-J 型電子天平，廣東香山衡業(yè)集團股份有限公司產(chǎn)品；HH-4 型恒溫水浴鍋，常州智博瑞儀器制造有限公司產(chǎn)品；MB25 型水分快速檢測儀，奧豪斯儀器（常州） 有限公司產(chǎn)品；V1 型真空包裝機，深圳瑞郎克斯科技有限公司產(chǎn)品；共晶點檢測儀，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司產(chǎn)品。

2 草莓片真空冷凍干燥工藝流程

選擇新鮮、顆粒飽滿、色澤鮮艷的成熟草莓進行清洗、去柄，然后瀝干水分，進行切片、裝盤，開始預凍，完全凍結(jié)后進行真空冷凍干燥，最后出倉、包裝，并抽取部分成品進行品質(zhì)檢驗。在整個過程中需要注意的有以下幾個方面。

（1） 切片。將新鮮成熟、品質(zhì)好的草莓除去柄及葉子，沖洗2～3 遍后瀝水，將每個草莓切成厚0.6～0.8 cm。

（2） 裝盤。將草莓片平放在凍干盤上，擺放一層。

（3） 預凍。開啟真空冷凍干燥機的壓縮機、預冷閥和循環(huán)泵，在板層溫度下降到設定溫度，當溫度-35 ℃時，將物料盤放進去，設定預凍時間進行預凍。

（4） 真空冷凍干燥。關閉真空冷凍干燥機的預凍閥，開啟冷阱閥，待冷凝器溫度下降到-80 ℃后，開啟真空泵，系統(tǒng)開始抽真空。待凍干室內(nèi)的真空度下降到20 Pa 以下時，開啟循環(huán)泵。進入操作窗對凍干程序進行設置，系統(tǒng)會自動按照設定的工藝參數(shù)進行凍干。凍干結(jié)束后，關閉加熱和真空泵，插上充氣閥，開啟箱門，取出凍干成品。其中，凍干程序可設置多個階段，每個階段對溫度和時間進行設定。將草莓片的凍干過程分為4 個階段，每個階段固定溫度為-25，-5，15，40 ℃，對干燥時間進行研究分析。

3 草莓片真空冷凍干燥試驗方案

3.1 預凍條件對凍干草莓片品質(zhì)的影響

預凍是將草莓片中的自由水固化，這樣不僅是為了保護草莓片的品質(zhì)不變，而且要使凍結(jié)后的草莓片形成合理的結(jié)構，利于后期凍干過程中水分的升華。預凍時所形成的冰晶體大小在很大程度上影響著干燥后產(chǎn)品的復水性。預凍時形成的冰晶體數(shù)量越多、體積越小，凍干產(chǎn)品的復水性就越高，而冰晶體的形成與降溫速率有很大關系[6]。降溫速率慢，水降到冰點以下溫度所需要的時間很長，水分子開始形成的晶核不穩(wěn)定，容易就被其他的水分子的熱運動所分散，結(jié)果形成了數(shù)量少、體積大的冰晶體?？焖俳禍貢r，由于水被快速降到冰點以下的過冷溫度，因此形成了較多的穩(wěn)定晶核。由于降溫的速度很快，水分子沒有足夠的時間位移，加之穩(wěn)定晶核的數(shù)量多，水分子只能分散地結(jié)合到大量的晶核上。快速降溫的結(jié)果是形成了數(shù)量多、體積小的冰晶體，因此每種物料都需要有一個最優(yōu)的預凍速率，以得到最好的產(chǎn)品物理性狀和復水性。因此，在凍干之前應確定2 個預凍參數(shù)，一是預凍溫度，二是預凍時間。

開啟設備進行預冷，同時處理草莓進行切片裝盤。預凍溫度分別選擇-20，-35，-50 ℃，預凍時間定為2 h，采用復水率考查預凍溫度對凍干草莓片品質(zhì)的影響。預凍時間分別選擇1，2，3 h，預凍溫度定為-35 ℃，同樣采用復水率考查預凍時間對凍干草莓片品質(zhì)的影響。冷凍干燥的4 個階段分別設置為：第一階段-25 ℃，12 h；第二階段-5 ℃，10 h；第三階段15 ℃，11 h；第四階段40 ℃，10 h。至此，選擇出最佳預凍溫度和預凍時間。

3.2 單因素試驗

將第一階段干燥時間設為8，10，12 h 共3 個水平，而第二、三、四階段時間分別為10，11，10 h，進行冷凍干燥試驗，測定復水率，考查第一階段干燥時間對凍干草莓片品質(zhì)的影響，從而確定出第一階段干燥時間的最佳水平。接著第二階段則分別選取8，10，12 h 3 個凍干時間，第三、四階段時間不變，進行試驗并測定復水率，進而確定出第二階段干燥時間的最佳水平。第三階段干燥時間分別設為9，11，13 h 3 個水平，第四階段時間不變，進行試驗并測定復水率，從而確定出第三階段干燥時間的最佳水平。最后，將前3 個階段所得的最佳水平應用于前3 個階段，第四階段干燥時間選取8，10，12 h共3 個水平進行試驗，測定凍干草莓片的復水率，考查草莓冷凍干燥的效果。

3.3 正交試驗

為了確定這4 個階段對凍干草莓片的影響主次，確定最適合的生產(chǎn)條件，選取L9（34）正交表進行正交試驗。

4 試驗指標的測定

4.1 草莓共晶點的測定

草莓共晶點是指草莓中的水分全部凍結(jié)時的溫度。為保證草莓完全凍結(jié)，預凍溫度要比草莓的共晶點低5～10 ℃[5]，選用共晶點測試儀進行測定。

4.2 試驗成品的復水率

復水率是衡量凍干食品品質(zhì)的一個重要指標，是凍干食品復水后增加的水的質(zhì)量與凍干時失去的水的質(zhì)量的比值。復水率越大，說明凍干食品復水后與原草莓的含水率越接近，凍干效果越好。測定方法為：取一定量的凍干食品浸沒在30 ℃的水中，靜置40 min，取出，瀝水，除去表面水分，測定此時的水分含量，然后計算出該時間下的復水率[6]。復水率（R） 計算公式如下：

式中：m1——凍干產(chǎn)品的質(zhì)量，g；

m2——凍干產(chǎn)品復水后的質(zhì)量，g。

5 結(jié)果與分析

5.1 草莓共晶點的測定

采用共晶點檢測儀進行測試，確定試驗隋珠草莓的共晶點為-15 ℃。

5.2 預凍條件的確定

5.2.1 預凍溫度對凍干草莓片品質(zhì)的影響

預凍時間均為2 h 不變，在不同預凍溫度下得到凍干草莓片的復水率。

復水率隨預凍溫度變化曲線見圖1。

圖1 復水率隨預凍溫度變化曲線

由圖1 可以看出，隨著預凍溫度的升高，凍干草莓的復水率隨之降低。-50 ℃下凍干草莓片的復水率與-35 ℃下凍干草莓片的復水率變化較緩，預凍溫度提高到-20 ℃后，凍干草莓片的復水率急速下降。通過方差分析得到在這3 個溫度下進行預凍，對草莓凍干片的品質(zhì)沒有顯著差異。

預凍溫度對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表1。

表1 預凍溫度對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

預凍溫度要低于草莓的共晶點溫度，這樣才能保證草莓中的水分完全凍結(jié)。預凍溫度過高時草莓沒有凍實，在抽真空時未凍結(jié)的液態(tài)水分就會沸騰，會造成凍干品的表面凹凸不平而影響產(chǎn)品的外觀形狀；預凍溫度過低時，不僅浪費能源和時間，而且對產(chǎn)品的營養(yǎng)含量或活性都有影響。已有研究表明，草莓在-25 ℃以下獲得的復水效果較好，并且本著節(jié)約能源的考慮，故選擇-35 ℃為預凍溫度。

5.2.2 預凍時間對凍干草莓品質(zhì)的影響

預凍溫度選擇-35 ℃不變，對預凍時間的單因素試驗測得的復水率。

復水率隨預凍時間變化曲線見圖2。

圖2 復水率隨預凍時間變化曲線

由圖2 可以看出，隨著預凍時間的增加，凍干草莓的復水率也有相應的提高。通過方差分析得到在這3 個時間下進行預凍，對草莓凍干片的品質(zhì)沒有顯著差異。當預凍時間達到2 h 后，復水率的變化不再明顯，考慮到能耗，故預凍時間選擇2 h。

預凍時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表2。

表2 預凍時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

通過以上試驗結(jié)果，確定在-35 ℃，2 h 下凍干草莓片的復水性良好，說明在此預凍條件下，草莓片能形成較多穩(wěn)定的冰晶體。

5.3 冷凍干燥工藝條件的確定

第一階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖3，第二階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖4，第三階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖5，第四階段復水率隨干燥時間變化曲線見圖6。

圖3 第一階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖4 第二階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖5 第三階段復水率隨干燥時間變化曲線

圖6 第四階段復水率隨干燥時間變化曲線

由圖3、圖4 可以看出，分別隨著2 個階段干燥時間的增加，凍干草莓片的復水率也相應有所提高。方差分析得到第一階段對冷凍干燥工藝影響極顯著，第二階段干燥時間對冷凍干燥工藝影響顯著。

第一階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表3，第二階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表4。

表3 第一階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

表4 第二階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

第一、第二階段屬于真空冷凍干燥過程中升華干燥過程，這一過程是使草莓片中凍結(jié)的冰晶升華成水蒸氣逸出從而實現(xiàn)脫水干燥的過程。由于草莓片在升華干燥前先經(jīng)預凍凍結(jié)，凍結(jié)產(chǎn)生的固體冰晶支撐著草莓片形成穩(wěn)定的固體骨架，而在水分升華以后，固體骨架基本保持不變，所以草莓干燥后不會失去原有的固體結(jié)構，其骨架組成的多孔結(jié)構賦予凍干草莓片理想的復水性。

升華干燥時間越長，凍干草莓片的升華干燥越充分，形成的多孔結(jié)構越多，復水率相應越大。第一、第二階段的10 h 的復水率比8 h 的復水率有明顯提高，在10 h 后變化較緩。

從圖5、圖6 可以看出，凍干草莓片的復水率隨著2 個階段干燥時間的增加，呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。方差分析得到第三階段與第四階段對冷凍干燥工藝影響都極顯著。

第三階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表5，第四階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析見表6。

表5 第三階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

表6 第四階段干燥時間對草莓凍干片的品質(zhì)影響方差分析

第三、第四階段屬于真空冷凍干燥過程中解析干燥過程，該過程主要是為了除去細胞中極性基團吸附的水分，也就是不會被凍結(jié)的結(jié)合水。結(jié)合水的存在也會為微生物的生長繁殖和某些化學反應提供條件，因此需要將這部分水分干燥出去。因為物料內(nèi)不存在凍結(jié)水，可將溫度迅速上升到許可溫度（15～40 ℃），保持一段時間，使結(jié)合水從分子中充分解析出來，使草莓片均勻干燥。

如果解析干燥時間不足，物料里的結(jié)合水除去不充分，最后凍干草莓片復水率較低，且口感較黏；但解析時間太長，物料在充分干燥后會保持較高溫度（40 ℃），升華形成的固體骨架結(jié)構可能遭受破壞，并且物料的芳香成分與營養(yǎng)成分易流失，復水率也會受到影響。因此解析干燥過程的時間不是越長越好。通過試驗結(jié)果表明，第三、第四階段的時間分別為11 h 與10 h 出現(xiàn)拐點。

5.4 正交試驗

通過單因素試驗，確定了草莓片真空冷凍干燥的預凍工藝參數(shù)，但冷凍干燥過程的工藝參數(shù)還需進行一步確定。為了分辨試驗誤差和測定各因素水平變化對試驗結(jié)果有無真正影響及各因素對試驗指標影響的顯著性水平，進行了正交試驗。

5.4.1 正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗，選擇4 個階段的3 個水平，采用L9（34）正交表進行正交試驗。

正交試驗因素與水平設計見表7。

表7 正交試驗因素與水平設計t/h

5.4.2 正交試驗結(jié)果與分析

由極差分析結(jié)果可知，影響冷凍干燥草莓片復水率的主次因素順序為第四階段＞第一階段＞第三階段＞第二階段。

最佳冷凍干燥工藝條件為第一階段干燥時間10 h，第二階段干燥時間10 h，第三階段干燥時間11 h，第四階段干燥時間10 h。

6 結(jié)論

在最佳干燥工藝條件下（預凍條件-35 ℃，2 h；凍干條件-25 ℃，10 h；-5 ℃，10 h；15 ℃，11 h；40 ℃，10 h） 得到的草莓凍干片，水分含量為3.8%，滿足凍干品含水率5%以下的要求，復水率達264.5%，維C 含量為531 mg/100 g（新鮮草莓的維C 含量一般為47 mg/100 g）。凍干草莓片顏色飽滿，接近草莓天然顏色，有光澤，草莓味濃郁，結(jié)構無變化，口感松軟，但有一定硬度。