水果和蔬菜干制技术的优化

水果和蔬菜干制技术的优化

新鲜水果，富含丰富的新鲜农产品，容易受到微生物和酶的影响，导致各种不利因素的物理、化学和生化变化。干制是延长果蔬保存期行之有效的方法之一。果蔬干制后质量减轻、体积显著缩小、便于运输,食用方便、产品营养丰富而又易于长期保藏。果蔬干制技术的研究旨在逐渐降低能耗,缩短干燥时间,最大限度的保存果蔬营养成分,获得最佳的感官品质。目前用于果蔬脱水干制的方法主要有热风干燥、微波干燥、远红外干燥、真空冷冻干燥、热泵干燥、气调干燥等。国内外学者的研究主要集中在不同干燥方法的技术参数优化、不同干制方法在不同果蔬干制时的动力学模型的建立、干制对果蔬感官品质、物化性能、营养成分以及风味成分的影响。1不同干系统技术的科学研究1.1干燥时间对物料酶活性的影响自然干燥是利用太阳辐射和空气流动进行的非机械干燥过程,干燥原理与热风干燥相同,但干燥时间长,物料中酶的活性不能很快被抑制,呼吸作用持续时间较长,有机物质消耗高。由于干燥过程温度一般比热风干燥要低,对部份热敏性物质保存效果较好。1.2物料表面的扩散热风干燥是传统的干燥方法,是依据热传导效应,将热量从干燥介质传递给物料,物料吸收热量后,产生两个扩散,即水分由物料表面到干燥介质中的外扩散,以及物料内部水分到物料表面的内扩散,两个扩散持续进行,直到物料中水分下降到一定程度而达到干燥的目的。热风干燥是在高温(55℃以上)和有氧条件下进行的,干燥过程中,发生许多化学变化,如酚类物质会在氧化酶的催化下发生氧化,维生素类在高温下易被破坏,氨基酸和糖高温下发生美拉德反应等。热风干燥的温度和时间是影响物料中营养成分变化的主要因素。1.3偶极子发生改变的机制微波是指波长在lmm~1m,频率在300MHz~300GHz之间的电磁波,它具有电磁波的共性,既具有粒子运动携带的机械能,同时也具有场能,包括电场能和磁场能。而且电磁场均以正弦曲线特征发生周期性极性改变。物料中的各种分子在场诱导效应下,会产生偶极矩,即分子产生正负两极,称为偶极子,并且偶极子的正负极与它所在场的极性方向始终保持相反。当电磁场的极性方向发生改变时,偶极子发生相应的反转。这样,当电磁场的极性方向发生高频率的交替变化,电磁场中的偶极子也发生极高速的反转、振荡和迁移,比如在2450MHz的微波频率下,偶极子的振荡可达到每秒68w次,偶极子之间相互碰撞、磨擦,产生机械损伤力和大量的热。水分子作为物料中最易极化的分子,在微波产生的电磁场中运动也最剧烈,产生的热量使水分子急速逸出物料表面,从而达到干燥的目的。由于微波能够深入到物料内部而不是依靠物料本身的热传导进行加热,加热速度大大高于常规干燥方法,只需一般方法的十分之一到百分之一的时间就能完成整个干燥过程。另外,微波加热是使物料表面和内部水分子同时受到场作用,因此加热均匀,既可避免传统加热干燥过程中由外向内形成的温度梯度导致表面硬化,也可防止局部过热产生焦化。另外,微波加热具有自平衡性,就是说,当物料中某个部位的水分子因蒸发而减少时,微波在该部位的作用也相应减弱,不会发生过热现象。1.4干燥温度对物料热敏性的影响真空干燥的机理是根据水和一般湿介质的热物理特性,在一定的介质分压力作用下,对应一定的饱和温度,真空度越大,湿物料所含的水或湿介质对应的饱和温度越低(沸点温度低),越易汽化逸出而使物料干燥。在真空干燥中,当真空度加大,达到对应的相对较低的饱和温度时,水或湿介质就激烈地汽化。水或湿介质沸点温度的降低,加大了湿物料内外的湿推动力,加速了水分或湿介质由湿物料内部向表面移动和由表面向周围空气散发的速度,从而加快了干燥过程。所以,真空干燥可以在低温条件下对物料进行干燥,且预热时间短,使整个干燥过程的时间大为缩短。因此,真空干燥有许多优点,如(1)以较低的干燥温度来干燥热敏性的物料;(2)适用于干燥过程中易被空气中氧气氧化的厌氧物料;(3)可以在较低的干燥温度下使物料脱湿干燥,热能利用率高;(4)适用于干燥含有溶剂或有毒气体的物料,对溶剂和有害气体的回收较容易;(5)可用于终含水率要求较低的物料的深度干燥。1.5真空冷冻干燥的机理真空冷冻干燥,又称为冷冻干燥,是真空与冷冻相结合的新技术。根据热力学中’相平衡原理,水的三相点温度为0.0098℃,三相点压力为609.3Pa。在水的相变过程中,当环境压力低于水的三相点压力时,固态冰可以直接转化为汽态,称为升华,真空冷冻干燥就是利用了这一原理。将物料首先进行深冻,物料中的水在低温下冻结成冰晶体,然后在高真空度条件下,由于物料内的水分压力处于正常三相点压力之下,所以冰晶体直接升华为水蒸汽逸出,使得物料得以干燥。利用真空冷冻干燥,物料的失水过程是在低温(-40℃~-55℃),高真空状态下进行的,因此对热敏性、易氧化成分的保存率较高。物料在深冻时,其内部的水形成冰晶,使得溶于水的成分析出而滞留在物料内部,当冰晶升华时,不会影响其状态,避免了一般干燥方法因物料内部水分向表面移动而将无机盐和其他可溶性物质携带到物料表面造成的营养损失。另外,真空冷冻干燥后的物料呈多孔、疏松结构,具有更好的复水性,便于后序加工处理。1.6共振的作用机制干燥原理是将电能转变为远红外辐射,从而被物料的分子吸收,产生共振,引起分子和原子的振动和转动,导致物体变热,经过热扩散、蒸发和化学变化,最终达到干燥的目的。远红外干燥具有干燥速度快、节约能源、产品质量较好、成本低、操作安全、容易实现自动化等特点。1.7空气加热炉内冷媒循环时工作原理热泵干燥机是利用逆卡诺原理,吸收空气的热量并将其转移到房内,实现烘干房的温度提高,配合相应的设备实现物料的干燥。热泵干燥机由压缩机、换热器(内机)、节流器、吸热器(外机)、压缩机等装置构成了一个循环系统。冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程(温度高达100℃),它进入内机释放出高温热量加热烘干房内空气,同时自己被冷却并转化为流液态,当它运行到外机后,液态迅速吸热蒸发再次转化为气态,同时温度下降至零下20℃~30℃,这时吸热器周边的空气就会源源不断地将热量传递给冷媒。冷媒不断地循环就实现将空气中的热量搬运到烘干房内加热房内空气温度。与常规干燥相比,热泵干燥具有下列特点:(1)热泵干燥装置的能量利用率高,运行费用低。(2)热泵干燥一般为低温干燥,因此不会产生氧化及化学分解等现象,特别适用于热敏性物料、生物制品以及食品等的干燥,色、香、味及外观好,产品质量高。(3)对干燥介质进行闭路循环的热泵干燥装置,不受外界气候条件的影响,一年四季均在同一条件下平稳运行,无环境污染问题。(4)热泵干燥一般在低温下运行,设备的使用寿命长。(5)就目前的热泵干燥技术水平来看,大多为低温干燥,因此,与高温干燥相比,干燥时间较长。1.8气体成分对蔬菜干制品质量的影响气调干燥是果蔬当中的活性成分在高温和氧气存在是容易发生氧化,故而采取的一种方式。通常将N2或CO2作为干燥介质,与果蔬接触,最大限度的保存如维生素C、多酚等成分。陆则坚(2004)采用自制的QTM试验装置对蔬菜进行气调干制试验。研究了不同温度条件下气体成分对苦瓜片、萝卜丝和香葱干制品质量的影响。结果表明:采用N2和CO2进行气体调节,降低干燥过程气体的O2含量,可明显提高蔬菜干制品叶绿素含量和降低干制过程维生素C质量分数的损失。1.9微波干制与热风干制联合(组合)干燥是将两种或多种干燥方式组合在一起对物料进行干燥的方式。通常取不同干燥方式的优点进行组合,采取分段式干燥,或者叠加式干燥方式。如将前期热风干燥,后期真空干燥。也可以将微波真空组合在同一个干燥室内,以加快干燥速率,降低干燥温度。Hu(2006)等使用热风和真空微波对菜豆进行干制对比研究。优化联合干制的技术参数,获得最佳的干制速率和产品性质。结果表明,与热风干制相比,真空微波干制显著缩短了干制的时间。AdamFigiel(2010)报道了用热风干制和真空微波干制结合干制甜菜根时的干制动力学和干制品品质的研究。结果表明与热风干制相比,微波干制明显减少了干制时间和制品的干缩性。2干制条件对全红玫瑰果干制品质的影响由于在干燥过程中物料的物理、化学变化会直接影响到产品品质,有关干燥产品品质特性的研究成为近年来的热点。品质特性是指干燥后产品的质量定性或测定,主要包括:热特性(产品状态:玻璃态、结晶态和橡胶态),结构特性(容积密度、孔隙率、孔隙尺寸、真密度),视觉特性(颜色、表观),感官特性(风味、滋味、香气),营养特性(维生素、蛋白质,生物活性物质等),复水特性(复水速率、复水能力)。在结构特性方面,不同干燥工艺对收缩率、孔隙率、容积密度等的影响程度随物料的不同而不同。KrokidaMK(1997)研究了不同干燥工艺对物料(香蕉、苹果、胡萝卜和马铃薯)真密度、容积密度及孔隙率的影响,结果表明:4种物料的真密度均随着水分含量的减少而增加,干燥方法不影响真密度;微波干燥或真空干燥的容积密度因物料品种不同而不同,冷冻干燥物料的容积密度最低;4种物料的孔隙率总是随含水率的减少而增加,当含水量一定时,冷冻干燥物料孔隙率最高,对流干燥孔隙率最低,微波、真空干燥孔隙率介于二者之间。在视觉特性方面,干燥方法对产品的颜色有着不同程度的影响。JindapornJamradloedluk(2007)报道了干制介质和温度对榴莲切片干制品质的影响,结果表明过热蒸气干制时间比热风干制的颜色要好。KrokidaMK(1999)研究了不同干燥工艺对物料颜色变化影响,结果显示:干燥方法对产品L值(亮度)的影响不显著;冷冻干燥对4种物料a值(红色)的影响最小,而微波干燥的苹果、香蕉、胡萝卜a值较真空干燥的a值要低,微波干燥的马铃薯a值较真空干燥的a值要高;所有干燥方法均会导致b值(黄色)的增加,其中冷冻干燥的影响最小,热风干燥影响最大,微波、真空干燥对不同物料b值有着不同的影响。MargaritaMiranda(2009)报道了红辣椒干制过程种温度对其色泽变化的影响,结果表明温度影响色泽参数(L*,a*,b*,C*andHo),非酶褐变物质以及可溶性色素,这些参数都表明辣椒在干制过程中褪色。在营养特性方面,冷冻干燥和微波干燥均能较好地保留物料原有的营养成分及功效成分,但冷冻干燥略优于微波干燥,而其它干燥方法均对产品损伤较大。SalihaErenturk(2005)等对全红玫瑰果进行热风干制表明,其维生素C含量受干制温度、干制时间和湿含量的影响,并且切片干制可很大限度的保留维生素C。华平等(2004)采用4种不同干燥工艺对百合进行干燥,发现真空冷冻干燥的百合中灰分、可溶性糖、VC含量最高,水分和脂肪含量最低,即4种干燥处理中以真空冷冻干燥对百合营养成分影响最小,其次是微波干燥和普通热风干燥,远红外线干燥影响最大。叶兴乾等(2001)的试验研究表明:热风干燥处理与自然干燥处理的栗粉化学成分相似,微波干燥的栗粉淀粉含量较高,而高温蒸后热风干燥的栗粉淀粉含量最低,可溶性糖含量最高,表明高温可能加速了淀粉转化为可溶性糖。C.L.Mota(2010)研究了对流干制时不同温度对洋葱营养成分的影响,结果表明:干制对灰分、脂肪、蛋白质、膳食纤维含量没有影响,而对总糖、总酸和维生素C含量影响显著。MargaritaMiranda(2009)报道了红辣椒干制过程种温度对其抗氧化性能以及多酚含量的影响,结果表明随温度降低,VC和多酚含量随温度下降而减少。从清除自由基的能力看,高温(80℃,90℃)干制后的产品抗氧化性能要高于低温(60℃,70℃)。在复水特性方面,产品的复水性能与加工条件、样品的准备、样品组成以及干燥导致的组织结构与化学组成的变化有关。一般可认同的观点是复水性能主要取决于细胞和结构的破坏程度。冷冻干燥的产品具有较好的复水性能,微波干燥、热风干燥、真空干燥等方法干燥的产品复水性能相对较差,具体表现为物料品种的不同而不同。高能量的微波干燥对某些物料具有破坏细胞壁的作用,可以增加产品复水初期的复水速率,但会降低产品的复水能力。DasGupta(2008)等发现在干燥过程中不可逆转的细胞破坏和位错会导致细胞完整性的丧失、毛细管的极大收缩和塌陷的稠密组织结构减少了亲水性能,因而不能完全吸收足够的水分。AdamFigiel(2010)报道了与热风干燥相比