段柳柳，段 續(xù)*，任廣躍

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長和人民生活水平的逐步提高，消費(fèi)者對風(fēng)味獨(dú)特的高端休閑食品更為喜愛[1-2]，其中，果蔬脆片是一種深受消費(fèi)者喜愛的休閑食品。懷山藥作為我國特有的食品，不僅營養(yǎng)豐富，而且富含多種活性物質(zhì)，對人體健康十分有益[3]。但是懷山藥脆片作為一款風(fēng)味獨(dú)特的高端休閑食品，在市面上卻并不常見。當(dāng)前，懷山藥脆片的生產(chǎn)方式多是油炸、膨化，這樣的生產(chǎn)方式容易造成產(chǎn)品變形變色，且營養(yǎng)流失嚴(yán)重。以懷山藥為原料，利用微波真空冷凍干燥技術(shù)進(jìn)行干燥，能更好地防止懷山藥脆片變形變色，而且營養(yǎng)成分不易流失[4-5]。

干制品的脆性是非常重要的品質(zhì)指標(biāo)之一，其作為衡量口感的重要參數(shù)之一，直接影響消費(fèi)者的選購[6-7]。在國內(nèi)，儀器測試已廣泛應(yīng)用于食品質(zhì)構(gòu)的測定中，常見的方法包括質(zhì)地剖面分析（texture profile analysis，TPA）和穿刺測試，其中，穿刺測試是最能體現(xiàn)質(zhì)構(gòu)特性的測試方法之一[8-13]。在國外，穿刺測試常用來判定果實(shí)貯藏特性，以實(shí)現(xiàn)分級貯藏和銷售，但在國內(nèi)，大多數(shù)的質(zhì)構(gòu)測試仍是采用TPA，穿刺測試的應(yīng)用還相對較少[14-15]。

微波真空冷凍干燥集合了微波干燥和真空冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn)，既保留了物料原有的色、香、味，提高了干制品品質(zhì)，又加快了干燥速度[16-17]。鄭艷萍等[18]的研究表明，微波真空冷凍干燥能使物料保留更多的活性成分；沈靜等[19]在對鮮食棗脆片香氣品質(zhì)的研究中表明，微波真空冷凍干燥鮮食棗脆片的綜合得分最高；卜召輝等[20]的研究表明，真空微波與真空冷凍聯(lián)合干燥可以得到較好的產(chǎn)品品質(zhì)，并且極大地縮短了干燥時間、降低了加工成本，在節(jié)約能耗方面有一定意義。目前關(guān)于微波真空冷凍干燥的研究很多，但是關(guān)于微波真空冷凍干燥過程中品質(zhì)變化的研究非常少見。對于微波凍干懷山藥脆片而言，穿刺測試能有效地測定其脆性。因此，本研究采用微波真空冷凍干燥技術(shù)得到懷山藥干燥脆片，并采用5544型質(zhì)構(gòu)儀的穿刺測試模型來研究懷山藥脆片干燥過程中的品質(zhì)變化。通過對懷山藥干燥脆片進(jìn)行穿刺測試，得到力-位移曲線圖，整合數(shù)據(jù)得到懷山藥干燥過程中的質(zhì)地變化，并進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立與回歸分析，為客觀、準(zhǔn)確測定懷山藥脆片提供幫助，并為懷山藥脆片的貯藏、運(yùn)輸提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮鐵棍山藥產(chǎn)自河南焦作懷慶，于2017年6月在當(dāng)?shù)卮髲埑胁少?，選擇個體完整、無機(jī)械損傷的懷山藥作為原料。所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

微波真空冷凍干燥機(jī)由實(shí)驗(yàn)室自制[21]；A.2003N型電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司；102-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HH-S4型電熱恒溫水浴鍋 北京科偉永興儀器有限公司；S4800掃描電子顯微鏡 日本日立公司；5544型質(zhì)構(gòu)儀 美國英斯特朗公司；AutoPore IV 9500壓汞儀 美國麥克儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥實(shí)驗(yàn)

將無機(jī)械損傷的新鮮山藥洗凈、去皮，用切片機(jī)將其切成相同厚度（4 mm）后，放入冷凍室預(yù)凍后備用。進(jìn)行微波冷凍干燥之前，首先啟動微波真空冷凍設(shè)備中的鼓風(fēng)機(jī)和制冷機(jī)，待干燥室內(nèi)的制冷溫度降至-30 ℃后放入物料。打開真空泵，設(shè)置真空度為100 Pa。待物料溫度降至-15 ℃后開啟微波系統(tǒng)，可通過變化陽極電流來調(diào)整微波功率，陽極電流分別設(shè)置為10、20、30 mA，對應(yīng)的微波功率分別為1.5、2.7、4.4 W，微波功率密度分別為0.012 5、0.022 5、0.037 0 W/g。實(shí)驗(yàn)過程每30 min取一次樣品，直至干燥物料的含水量小于0.12 g/g后結(jié)束干燥。

1.3.2 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定

按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》中的方法測定懷山藥干燥過程中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在大氣壓（101.3 kPa）條件下，將處理的懷山藥切片放入105 ℃的恒溫干燥箱內(nèi)，至試樣質(zhì)量恒定時結(jié)束干燥，稱量干燥前后的質(zhì)量。每次實(shí)驗(yàn)做3 個平行，求得平均值，根據(jù)公式（1）計算水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：ωt為t時刻物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；mt為t時刻試樣的質(zhì)量/g；mg為試樣干燥后的質(zhì)量/g。

1.3.3 樣品微觀結(jié)構(gòu)觀察

為確定懷山藥微波冷凍干燥過程中孔結(jié)構(gòu)的變化，采用掃描電子顯微鏡對干燥懷山藥脆片的形貌進(jìn)行觀察。取干燥后的懷山藥，用刀片切取適宜的尺寸，對樣品噴金后用掃描電子顯微鏡觀察薄片斷面孔隙狀態(tài)，工作電壓為4.0 kV。為了更直觀地對懷山藥脆片的內(nèi)部微觀氣孔結(jié)構(gòu)分布情況進(jìn)行分析，采用AutoPore IV 9500壓汞儀進(jìn)行測試。為避免過高的壓力破壞干制品的結(jié)構(gòu)，測試時在低壓力下進(jìn)行壓汞，低壓壓力控制在4～345 kPa范圍[22]，高壓壓力控制在0.1～414.0 MPa范圍。測試前，將樣品放置在真空（4 kPa）環(huán)境下脫除吸附氣體，然后在真空下用汞填充物料中的孔隙；逐漸升高真空壓力，最終測試壓力為高壓414 MPa、低壓345 kPa，測試時間約15 min。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)分析

結(jié)合實(shí)際干燥過程可知，干燥過程中懷山藥物料內(nèi)部的干區(qū)與凍區(qū)非均勻存在，因此將干燥處理的懷山藥脆片切成統(tǒng)一大小，物料表面覆蓋塑料薄膜，放入冰箱內(nèi)12 h，待懷山藥內(nèi)部水分遷移擴(kuò)散均勻后再進(jìn)行測試。測試時采用直徑為2 mm的圓柱形探頭P/2，測前速率5 mm/s、測試速率1 mm/s、測后速率2 mm/s，最小感知力為0.05 N，穿刺深度為15 mm。每個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)最少測試5 次，剔除最大值和最小值之后求平均值，從穿刺曲線中可得到屈服力、屈服能和脆性。

目前，國內(nèi)外對于果蔬穿刺測試得到的曲線數(shù)據(jù)并無統(tǒng)一定義，對同一參數(shù)的表示方法也有許多種?；诖?，本研究整合了國內(nèi)外多篇報道對果蔬穿刺測試曲線的參數(shù)定義，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出懷山藥脆片穿刺測試的質(zhì)地參數(shù)及其含義[23-26]。

屈服力：探頭在最小觸發(fā)力作用下與懷山藥干燥脆片表面接觸，隨后感知力迅速上升，在力的作用下物料發(fā)生形變但沒有發(fā)生破裂。當(dāng)探頭突然刺穿物料表面并向深部刺入，感知力驟然下降，其中發(fā)生轉(zhuǎn)折的點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)所對應(yīng)的瞬時的力的大小定義為屈服力，單位為N。

屈服能：從探頭接觸物料表面到突然刺穿組織的過程中所吸收的能量，即探頭所做的功稱為屈服能，單位為N·mm。

脆性：從探頭接觸物料表面到突然刺穿組織時探頭下壓的位移可用來表示脆性的大小，位移距離越長，脆性越小。為了便于直觀闡述，用d表示位移，用l/d表示脆性，單位為mm-1。

1.3.5 數(shù)學(xué)模型的擬合

通過對國內(nèi)外干燥曲線的研究，選擇6 種干燥數(shù)學(xué)模型對微波真空冷凍干燥懷山藥脆片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，如表1所示。數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配程度可以用決定系數(shù)（R2）和殘差平方和（residual sum of squares，RSS）來衡量。R2越大、RSS越小，數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好。從匹配程度較好的模型中挑選較為簡便適用的模型作為懷山藥微波冷凍干燥的數(shù)學(xué)模型。

表1 常用干燥數(shù)學(xué)模型及其表達(dá)式Table1 Common drying models and their expressions

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖像采用Origin 2017軟件繪制，利用DPS7.5軟件對懷山藥脆片的指標(biāo)平均值進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)系數(shù)法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率密度對微波凍干懷山藥脆片干燥特性的影響

圖1 不同微波功率密度下懷山藥脆片的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）與干燥速率（B）的變化Fig.1 Changes in moisture content (A) and drying rate (B) of Chinese yam chips under different microwave power densities

由圖1可知，隨著干燥時間的延長，物料的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。微波凍干懷山藥脆片的干燥特性受微波功率密度影響較大，微波功率密度越大，干燥曲線越陡，達(dá)到相同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時間越短。在切片厚度為4 mm、真空度為100 Pa的條件下，不同微波功率密度懷山藥脆片的干燥速率曲線分為升速和降速兩個階段；相較于傳統(tǒng)干燥速率曲線的變化規(guī)律，懷山藥脆片干燥速率曲線中的恒速階段并不明顯。這可能是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)干燥過程中，恒速階段的作用是去除物料內(nèi)的非結(jié)合水[27]，而在微波真空冷凍干燥過程中，物料中的大部分非結(jié)合水在升速階段就被直接升華除去，因此微波凍干懷山藥脆片的干燥速率曲線沒有明顯的恒速階段；且微波功率密度越大，曲線的升速階段時間越短，恒速階段也愈不明顯。隨著微波功率密度的增大，懷山藥脆片的干燥速率也隨之加快，微波功率密度為0.037 0 W/g的條件下曲線的斜率最大，即脫水速率最大，干燥速率最大可達(dá)到1.12%/min；微波功率密度為0.012 5 W/g的條件下干燥速率最小，最大可達(dá)0.86%/min。

在其他條件固定不變的情況下，微波功率密度較大時，微波輻射能的穿透作用越強(qiáng)，物料中的水分升華的越快，干燥速率也越大。需要注意的是，微波功率越大，物料加熱越迅速，即物料內(nèi)的束縛水升華越迅速，同時也越容易造成物料的歪曲、崩裂、焦化現(xiàn)象，因此在實(shí)際干燥過程中，應(yīng)選擇合適的微波功率密度進(jìn)行干燥。

2.2 微波功率密度對微波凍干懷山藥脆片微觀孔道結(jié)構(gòu)的影響

孔隙是決定多孔材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)，懷山藥脆片內(nèi)部的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也影響著其品質(zhì)的變化。為確定懷山藥脆片在微波冷凍干燥過程中不同微波功率密度對孔隙孔道結(jié)構(gòu)的影響，使用掃描電子顯微鏡對干燥處理的懷山藥脆片進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。在干燥前期存在兩種類型的閉孔孔隙，即小孔徑孔隙和較大孔徑孔隙。微波功率密度較小時，首先生成小孔徑孔隙，再由小孔徑孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榇罂讖娇紫?；微波功率密度較大時，微波輻射穿透能力較強(qiáng)，可以直接迅速地生成大孔徑孔隙，圖2中能夠明顯地觀察到微波功率密度較大時的孔隙密度更大，即微波功率密度越大，物料孔隙的形成越迅速，孔隙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密；微波功率密度相同時，干燥時間越長，物料孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密。結(jié)合圖1、2可知，懷山藥脆片的內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化與水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化有關(guān)，即微波功率密度越大、干燥時間越長，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，物料的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密。

圖2 不同微波條件下懷山藥脆片的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscopic images of Chinese yam chips produced under different microwave conditions

圖3 在4 mm、2.7 W干燥條件下不同干燥時間的懷山藥脆片壓汞測試結(jié)果Fig.3 Mercury intrusion test of Chinese yam chips obtained at different drying times under 4 mm and 2.7 W drying conditions

為進(jìn)一步確定懷山藥脆片在干燥過程中的孔隙變化情況，挑選相同批次的樣品，使用壓汞法測試孔道結(jié)構(gòu)變化特征，其結(jié)果如圖3所示。隨著干燥時間的延長，中值孔徑從5×103nm減小至2×103nm，且大孔徑孔隙與小孔徑孔隙的數(shù)量都逐漸增加，即隨著干燥時間的延長，懷山藥脆片內(nèi)部的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越緊密，這與掃描電子顯微鏡圖分析結(jié)果相同。懷山藥脆片的壓汞、退汞曲線（圖中未顯示）重合性不大，退汞曲線有明顯的滯后現(xiàn)象且沒有回歸到零點(diǎn)位置，這說明懷山藥脆片中可能存在大量的“瓶頸孔”，即開孔孔隙[28]。開孔孔隙的大量交聯(lián)使得懷山藥內(nèi)部形成類似網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，即孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙數(shù)量越多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密，對物料品質(zhì)的影響也越大。

2.3 微波凍干懷山藥脆片穿刺特性分析

為探究懷山藥脆片的脆性品質(zhì)變化，對懷山藥脆片進(jìn)行穿刺測試，從力-位移曲線中得到屈服力、屈服能和脆性值。為確定屈服力、屈服能及脆性是否可以成為衡量懷山藥脆片在微波冷凍干燥過程中感官品質(zhì)的客觀評價指標(biāo)，對穿刺實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。利用DPS7.5軟件對穿刺實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)進(jìn)行分析計算，得到脆性與屈服力、屈服能的相關(guān)性系數(shù)分別為0.746 658、0.558 928，屈服能與屈服力的相關(guān)性系數(shù)為0.102 053?？梢钥闯觯εc脆性之間存在較為顯著的相關(guān)性，且指標(biāo)之間均呈現(xiàn)正相關(guān)，因此可以選擇屈服力、脆性作為衡量微波凍干懷山藥脆片品質(zhì)的分析指標(biāo)。

圖4 懷山藥脆片穿刺實(shí)驗(yàn)脆性（A）和屈服力（B）隨干燥時間的變化趨勢Fig.4 Changes in crispness (A) and yield strength (B) of Chinese yam chips as a function of drying time

采用穿刺模式對微波凍干懷山藥脆片進(jìn)行穿刺測試，得到懷山藥脆片的質(zhì)地曲線如圖4所示。在懷山藥干燥過程中，隨著干燥時間的延長，其內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。懷山藥的屈服力隨著干燥時間的延長而增大，說明使懷山藥脆片屈服或破裂需要的力在干燥過程中逐步增大；微波功率密度越大，需要的力越大，懷山藥脆片的抗損傷能力越強(qiáng)；脆性同樣隨干燥時間的延長而逐漸增大，微波功率密度越大，懷山藥脆片越脆。這說明在微波冷凍干燥過程中，懷山藥抵抗外載荷損傷的能力在增加，其品質(zhì)也在提高。在微波功率密度較大的條件下，懷山藥脆片的抗損傷能力、脆性也較大；微波功率密度較小時，懷山藥脆片的抗損傷能力、脆性也較小。對于干燥制品而言，脆性是非常重要的品質(zhì)參數(shù)，過脆、過硬都會對口感造成影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中要注意選擇合適的微波功率密度。

2.4 微波凍干懷山藥脆片數(shù)學(xué)模型的建立

2.4.1 懷山藥脆性模型的建立

對于干燥制品而言，產(chǎn)品的松脆程度是一個十分重要的質(zhì)地評價指標(biāo)。目前，大多數(shù)的脆性評價都是采用感官評價，然而感官評價主觀性太強(qiáng)，同樣的產(chǎn)品評價標(biāo)準(zhǔn)不一致，產(chǎn)生的鑒定結(jié)果也不同，而采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測試得到的數(shù)據(jù)更為客觀、準(zhǔn)確。有研究表明，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化是影響脆性程度的主要因素[29-30]。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，物料的脆性也在降低，因此可近似地認(rèn)為懷山藥在干燥過程中水分的散失是導(dǎo)致懷山藥脆性發(fā)生變化的主要因素。

表2 不同微波條件下6 種脆性模型的分析結(jié)果Table2 Analysis of six models describing Chinese yam chip crispness under different microwave intensities

在不同微波功率密度條件下，選用6 種數(shù)學(xué)模型對懷山藥脆片穿刺實(shí)驗(yàn)脆性指標(biāo)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。各種數(shù)學(xué)模型的常數(shù)隨微波功率密度的變化而變化，不同的數(shù)學(xué)模型擬合的結(jié)果也各不相同。以RSS和R2作為模型擬合度的評價指標(biāo)，除Slogistic1模型以外，6 種模型的R2均在0.99以上，RSS均小于0.01。R2越大、RSS越小，說明數(shù)學(xué)模型的匹配程度越好。從簡便性和實(shí)用性考慮，DoseResp模型表達(dá)式相對簡單，擬合結(jié)果較優(yōu)，所以選擇DoseResp模型作為懷山藥干燥的最佳脆性模型。

2.4.2 懷山藥脆性模型的驗(yàn)證

圖6 不同微波功率密度下的懷山藥脆片脆性的預(yù)測值和實(shí)際值Fig.6 Predicted and experimental values of Chinese yam chip crispness under different microwave intensities

為了驗(yàn)證所選擇模型擬合的準(zhǔn)確性，在切片厚度4 mm、真空度100 Pa的條件下，分別對不同微波功率密度下的微波凍干懷山藥脆片脆性的實(shí)際值與模型預(yù)測值進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖6所示。在不同條件下，各干燥階段的懷山藥脆性與模型預(yù)測值基本吻合，由此可知該模型的擬合準(zhǔn)確性很高，該模型能夠較好地描述出微波真空冷凍干燥懷山藥在不同微波功率密度下的脆性變化。

3 結(jié) 論

懷山藥微波冷凍干燥速率曲線分為升速階段和降速階段，沒有明顯的恒速階段，微波功率密度越大，恒速階段越不明顯。當(dāng)真空度和切片厚度一定時，微波功率密度越大，物料的干燥速率越大，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密；在干燥過程中，懷山藥的屈服力和脆性隨干燥時間的延長而增大；微波功率密度較大時，懷山藥的抗損傷能力和脆性也較大；微波功率密度較小時，懷山藥的抗損傷能力、脆性也較小。

建立脆性模型時，所選的6 個數(shù)學(xué)模型R2均在0.99以上，RSS均小于0.01。從簡便性和實(shí)用性考慮，擬合效果較好的模型為DoseResp模型，模型表達(dá)式為：y＝A1+（A2-A1）/（1+10（（lgx0-x）p）），變量x為水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，變量y為脆性，A、x0、p為系數(shù)常數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)際值與預(yù)測值吻合情況較好，說明該模型可較好地預(yù)測懷山藥微波真空冷凍干燥過程中的脆性變化規(guī)律。