蕨菜微波真空干燥特性和品质试验研究.pdf

第 24 卷 第 5 期农 业 工 程 学 报Vol.24No.5 2008 年5 月Transactions of the CSAEMay 2008253 蕨菜微波真空干燥特性和品质试验研究 邓 宇，郑先哲 （东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030） 摘要：为了快速干燥蕨菜这种营养价值高但难于鲜藏的特色山野菜，利用微波真空干燥技术，对蕨菜进行正交干燥试 验，研究蕨菜干燥特性；并与冷冻干燥、热风干燥方法相比较，分析不同干燥方法对蕨菜干品品质的影响。在蕨菜的微 波真空干燥过程中，微波功率对干燥速度的影响要高于真空度，并且提出了蕨菜含水率与微波功率、干燥时间和真空度 之间的回归模型；对 3 种方法干燥后的蕨菜在颜色、维生素 C 含量和复水性方面进行对比，结果表明：微波真空干燥的 蕨菜的复水性优于热风干燥和冷冻干燥；微波真空干燥后的蕨菜品质与冷冻干燥几乎相同，明显高于传统的热风干燥品 质。微波真空干燥技术是适合蕨菜脱水的有潜力的干燥技术。 关键词：蕨菜；微波真空干燥；热风干燥；颜色；维生素 C 中图分类号：TS255.3文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-5-0253-05 邓宇，郑先哲. 蕨菜微波真空干燥特性和品质试验研究J.农业工程学报，2008，24(5)：253257 Deng Yu, Zheng Xianzhe. Experiment and research on the techniques for microwave vacuum drying of Pteridium aquilinumJ. Transactions of the CSAE, 2008,24(5)：253257.(in Chinese with Enginlish abstract) 0 引言 蕨菜 （Pteridium aquilinum） 属凤尾蕨科 （Pteri- daceae） 植物，广泛分布于中国西北、华北、东北、西南及华中 各省区1。蕨菜中含有丰富的矿物质与多种维生素，口味 独特、药理效能广泛，市场需求量很大。但蕨菜的采集 时间性强，北方集中在每年的5月份中下旬，鲜蕨菜深绿 脆嫩，水分高，难于贮藏。脱水干制是蕨菜主要保藏方 式，常见的蕨菜脱水方式是日晒，但这种方法效率低， 受天气影响较大。还有采用热风、冷冻和真空干燥方 法2- 5，尽管提高了生产效率，但能耗偏高。尤其是热风 干燥后的蕨菜，品质显著下降。 微波系统与真空系统相结合的微波真空干燥技术综 合了微波和真空的优点，具有快速、低温、高效等特点， 能较好地保留食品原有的色、香、味和维生素等，热敏 性营养成份或具有生物活性功能成份的损失大为减少， 已应用到多种水果蔬菜脱水过程中7- 17，但未见微波真空 干燥技术在蕨菜脱水中应用。 本文要研究微波真空条件的蕨菜干燥特性；并对比 分析热风、微波真空和真空冷冻 3 种干燥条件对蕨菜主 要品质指标的影响规律。 1材料与方法 1.1试验材料及处理 鲜蕨菜：采自黑龙江省帽儿山区玉泉县境内，鲜嫩、 脆绿、叶片未展开呈拳状弯曲，长 1025 cm，直径 3 收稿日期：2007- 08- 07修订日期：2008- 03- 23 作者简介：邓宇（1982） ，男，哈尔滨人，主要从事农产品干燥贮藏方 面的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。 Email: felix_0209 通讯作者：郑先哲（1968） ，男，吉林德惠人，博士，教授，博士生导 师， 主要从事农产品干燥贮藏与品质控制方面的研究。 哈尔滨东北农业大 学工程学院，150030。Email: zhengxz2006 4 mm，鲜样平均含水率 92.0%（湿基） 。采后在冷藏、保 湿条件下储运。 干燥试验流程为：原料 拣选 清洗 整型 烫漂 （护色） 冷却 沥水 装盒 微波真空干燥 挑选 包装 成品贮存。 在干燥前进行漂烫杀青预处理（护绿） ，原料经去老 根和清洗后，选用浓度为 700 mg/kg 的醋酸锌溶液，在温 度为 98情况下，漂烫 35 min，漂烫后用冰水迅速冷 却至室温，沥干。 1.2试验设备 QW- 4HV 微波真空干燥机（广州科威微波能有限公 司） ；自制热风薄层干燥试验台；TD- 50 真空冷冻干燥机 （上海浦东冷冻干燥设备有限公司） ；DC- P3 全自动测色 色差计（北京市兴光测色仪器公司） ；DK- 98- IIA 数显恒 温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司） ；ARRW60 电子 精密天平（上海奥豪斯公司） ；DHG- 9053A 鼓风干燥箱 （上海益恒实验仪器有限公司） ； Testo435 热敏风速计 （德 国 Testo 公司） ； HS- 30W 秒表 （深圳依商信电子科贸有限 公司） ；DTS118 三相电能表（上海电表厂） 。 1.3微波真空干燥试验设计及方法 以微波真空干燥蕨菜试验的微波功率、真空度、微 波干燥时间为因素，采用 3 因素 4 水平的全因素正交试 验设计，因素、水平如表 1 所示。 表 1微波真空干燥蕨菜 L48(43)正交试验水平因素表 Table 1Factors and levels of L48(43) orthogonal experiment on microwave- vacuum drying of Pteridium aquilinum 因素 水平 微波功率 W/kW干燥时间 T/min真空度 P/kPa 11.34460 22.68870 34.021280 41690 254农业工程学报2008 年 蕨菜经漂烫处理后，放入微波真空干燥的物料盒中， 每盒中放入 （50 2） g 的蕨菜， 并均匀平铺于盒中为薄层， 蕨菜的初始含水率为 92.68%。每次干燥试验用 3 盒，每 个物料盒分别均匀摆放在 6 个相互对称的旋转托盘上。 启动干燥机，托盘顺时针匀速旋转。 1.4干燥方法对比的试验条件 分别采用 3 种不同干燥工艺将蕨菜干燥至安全水分 12%15%后，测定其复水率、色泽、维生素 C 和不同干 燥方式的时间与能耗。具体的试验条件如下： 微波真空干燥：微波功率 2.68 kW，真空度 70 kPa， 干燥时间 16 min。将预处理后的蕨菜 150 g，分成 3 份， 每份为 50 g，放入微波真空干燥机的物料盘中均匀铺为 薄层。 热风干燥：温度 50（与上述微波真空干燥条件下 的蕨菜最高温度相当） ，风速为 0.5 m/s。将预处理后的蕨 菜 150 g，平铺于干燥筛上为薄层，每隔 5 min，取下干 燥筛称重，计算含水率。 真空冷冻干燥：将预处理后的蕨菜 150 g 先置于 -35冰箱内冷冻 24 h，取出后再放入冷冻干燥机腔体内 的物料架上平铺为薄层，真空度 400 Pa（绝压） ，冷阱温 度-25-45，加热板温度 50，干燥 3 h。 1.5试验测定方法 干燥蕨菜复水比的测定具体方法参见文献4；干燥 速率计算具体方法参见文献5；干燥蕨菜色泽测定参见 文献6；蕨菜的维生素 C 测定参见文献4；干燥时间与 能耗测定：将电能表接到不同干燥设备上，将同质量的 蕨菜干至相同含水率（安全含水率） ，测定干燥时间和消 耗的电能。 1.6统计方法 应用统计软件 DPS（ver7.05）分析数据。 2结果与分析 2.1蕨菜微波真空干燥特性分析 在不同微波功率和不同真空度下，蕨菜的含水率变 化如图 1 所示。 图 1不同真空度下的干燥曲线 Fig.1Drying curves under different vacuum degrees 由图 1 可知，随着微波功率的增加，干燥曲线显著 变化，干燥速度明显加快，表明微波功率对蕨菜的干燥 速度有很大影响，经统计分析，相关系数为 r=-0.6284 （p=0.0001） 。在微波功率 4.02 kW、真空度 90 kPa 的情 况下干燥蕨菜，干燥速率为 6.7%/min（含水率由 92.68% 降到 12.27%，需要 12 min） 。分析图 1a、b、c 中 4 种真 空度下的含水率，真空度与干燥速度的相关系数 r=-0.0606（p=0.68260.05） ，即在本试验研究中，真空 度对蕨菜的干燥速率无显著影响，这可能是本试验中选 取的真空度区间（6090 kPa）过小，相对于微波功率的 强烈作用，真空度变化对蕨菜的干燥速度影响显得较小。 尽管真空度 P 对蕨菜的干燥速度影响不显著，但经进一 步统计分析表明，真空度 P 与干燥时间 T 的通径系数为 -0.7177，表明这两个量之间有交互作用，随着干燥时间 的累积，真空度对蕨菜的干燥过程表现出一定的影响。 采用二次多项式逐步回归方法，得到了微波真空干 燥过程中， 蕨菜 （初始含水率为 92.68%） 的含水率 M （小 数，湿基）与微波功率（W/kW） 、干燥时间(T/min)和真 空度(P/kPa)之间的回归模型（p=0.00010.01，极显著） ： 22 001. 0022. 0002. 005. 0278. 054. 1TWPTWM TPWPWT00008. 00004. 0002. 0（1） 式（1）定量反映了微波真空干燥过程中，微波功率 与真空度对蕨菜含水率的影响，选取微波功率 2.68 kW、 真空度 60 kPa 进行模型验证试验，预测值与试验值的曲 线如图 2 所示。 注：W=2.68 kW；P=60 kPa 图 2蕨菜微波真空干燥试验值与预测值比较 Fig.2Comparison between experimental and predicted data of microwave- vacuum dring of Pteridium aquilinum 第 5 期邓宇等：蕨菜微波真空干燥特性和品质试验研究255 由图 2 可知，试验曲线预测曲线基本重合。对相关 数据进行分析和检验可知，试验值与预测值的相关系数 为 0.99，显著性水平 p0.01。因此该模型与实际情况符 合较好，可用于控制干燥过程中水分的变化情况和优化 工艺参数。 2.2热风干燥分析 热风干燥蕨菜曲线如图 3 所示。 图 3热风干燥蕨菜的干燥曲线 Fig.3Drying curve of Pteridium aquilinum dryed with hot air drying method 由图 3 中可以看出，在本试验条件下，要使蕨菜的 含水率由 92.68%降到 13.42%，需要 135 min，干燥速率 为 0.587%/min，不及蕨菜在相同的微波真空条件下干燥 速率的 9%。热风干燥蕨菜为深褐色，组织结构紧密，外 表状态为干缩细丝状，无鲜蕨菜形态，风味香气较淡。 在本研究的蕨菜冷冻干燥过程中，由于冻干设备配 置限制，无法在冻干进行期间取样，只在冻干结束后， 取出冻干蕨菜分析品质。 2.3复水比 不同干燥方式的复水曲线如图 4 所示。 由于冷冻干燥后的蕨菜形态成多孔状，水分很快能 够渗透到蕨菜中，干燥后的蕨菜吸水能力极强。因此， 冷冻干燥的蕨菜达到最大复水比只需 5 min，见图 4b。由 图 4a、b 的复水曲线可以看出，在水温 50时，热风干 燥、微波真空干燥和冷冻干燥蕨菜的最大复水比分别为 6.27、8.35 和 8.84；微波真空干燥蕨菜的复水比与冷冻干 燥的非常接近，是热风干燥蕨菜的 1.33 倍。微波真空干 燥、冷冻干燥和热风干燥的蕨菜复水后含水率分别可达 到 89.5%、90%和 86.18%。虽然微波真空干燥蕨菜复水 速度低于冷冻干燥，但是微波真空干燥蕨菜的最大复水 比非常接近于冷冻干燥，而与热风干燥蕨菜相比具有复 水快、复水率高的优点。 观察复水蕨菜可发现：热风干燥的蕨菜外观显著收 缩，颜色为褐色，又韧又硬，质地较粗糙，具有少量蕨 菜风味；微波真空干燥的蕨菜外表状态接近于鲜蕨菜的 形态，色泽与鲜蕨菜基本一致，复水后蕨菜形状饱满， 质地脆嫩，蕨菜风味浓郁。冷冻干燥的蕨菜外观形状不 饱满，颜色比鲜蕨菜的颜色浅，且复水后蕨菜内部成黏 稠状，质地柔软易破损。可见，微波真空干燥的蕨菜复 水后外观、颜色、质地都明显优于冷冻干燥和热风干燥。 图 4不同干燥方式的蕨菜复水曲线 Fig.4 Rehydration curves of Pteridium aquilinum with different drying methods 2.4色泽 根据 CIE（国际发光照明委员会）均匀色空间理论， 确定样品的明度和色差（与标准样品相比较） 。本研究以 冻干蕨菜为标准样品，测定不同干燥方式干燥后蕨菜的 色泽，结果如表 2 所示。 表 23 种干燥方式的蕨菜颜色差对比值 Table 2Contrast values of chromatic aberration of Pteridium aquilinum with three drying methods 项目冷冻干燥微波真空干燥热风干燥 明度55.99 0.354.1 0.5346.37 0.41 色差05.96 0.4213.98 0.49 分析表 2 中数据，可知在明度值和色差值两项指标 中，微波真空干燥与冷冻干燥的蕨菜无显著差异，而与 热风干燥蕨菜的明度值差异显著（p0.05） 。干燥时蔬菜 中的颜色变化与其中酶的褐变反应有关，在热风干燥中 由于氧气的存在和较多的水分，褐变反应容易发生；而 冷冻干燥和微波真空干燥中氧气较少，褐变较轻16。因 此，微波真空干燥的蕨菜与冷冻干燥蕨菜的颜色非常接 近，而热风干燥蕨菜的颜色则与冷冻干燥蕨菜相差很大。 2.5维生素 C 测得新鲜蕨菜的维生素 C 含量是 32.3 mg/（100 g） ； 3 种干燥方法干燥后的蕨菜维生素 C 含量如表 3 所示。 统计分析表 3 中的数据，结果表明微波真空干燥的 蕨菜与冷冻干燥的蕨菜维生素 C 含量没有显著差异 256农业工程学报2008 年 （p0.05） ，是热风干燥蕨菜的 4.5 倍。据推断，这是因 为在热风干燥过程中，蕨菜完全长时间暴露在高温空气 中，这致使维生素 C 大量氧化损失；而在微波真空干燥 时，蕨菜处于密闭的空间内，微波能直接作用于蕨菜内 部水分子，这样就加速了蕨菜内水分向其表面扩散，在 低温（相对于热风干燥而言）短时间内完成干燥过程， 且干燥室又处于负压缺氧状态，使得蕨菜中维生素 C 的 氧化损失减少。 表 33 种干燥方式干燥蕨菜的维生素 C 含量 Table 3Vitamin C contents of Pteridium aquilinum with three drying methods/mg(100 g)- 1 项目微波真空干燥热风干燥冷冻干燥 维生素 C 含量18.16 0.214.00 0.1118.33 0.15 2.6时间和能耗 蕨菜的品质优劣还与干燥时间有很大关系，干燥时 间越长，蕨菜的色泽及营养成分的褐变越严重，收缩量 也会加大。选取处理后的鲜蕨菜 150 g，采用不同干燥方 式分别将蕨菜干燥至安全含水率 12%15%， 不同干燥方 式的干燥时间及干燥能耗如表 4 所示。 表 4不同干燥方式的时间与能耗 Table 4Drying time and energy consumption of different drying methods 干燥方式干燥时间/min干燥能耗/kWh 微波真空干燥161.51 冷冻干燥1802.17 热风干燥1353.3 表 4 可知，干燥同样质量的蕨菜，微波真空干燥的 干燥时间是热风干燥的 9.6%，是冷冻干燥的 8.8%。冷冻 干燥用时虽然比热风干燥的时间长 45 min，但因在较低 温度下操作，对营养物的破坏很小，故可保证产品的品 质。微波真空干燥的能耗明显低于冷冻干燥和热风干燥。 冷冻干燥因有较长时间的制冷、抽真空和加热，所以能 耗很高，操作成本最大。显然，采用微波真空干燥不仅 干燥时间明显缩短，而且能耗较小，这不仅在很大程度 地降低了微波真空干燥的成本，而且极大地缩短了果蔬 的受热时间，从而减少对果蔬色泽、维生素 C 等营养物 质的破坏，对提高产品品质有很大帮助。 3结论 1）本研究中，蕨菜在微波真空干燥条件下的干燥速 率高于热风干燥和冷冻干燥；微波真空干燥时，微波功 率对蕨菜的干燥速率影响明显高于真空度。因此，通过 调整微波功率可以有效地控制蕨菜的干燥速率，优化干 燥过程。 2）考虑干蕨菜的外观、复水比、维生素 C 含量、色 泽 4 种品质指标和不同干燥方式的干燥时间与能耗，可 知微波真空干燥后蕨菜整体品质与冷冻干燥产品的非常 接近，明显优于热风干燥后的品质，而微波真空干燥在 生产成本、干燥时间方面要比冷冻干燥低得多。因此， 微波真空干燥技术是适合蕨菜脱水的有潜力的技术。 参考文献 1朱正良，樊建，高雪松蕨菜真空干燥工艺研究J西 南农业大学学报，2001，(232)：7375 2车刚， 李成华， 汪春 蕨菜真空干燥的试验研究J 农 业工程学报，2006，22(5)：165168 3张俊艳，谢春阳，都凤华，等真空冷冻干燥蕨菜的理化 特性分析J吉林农业大学学报，2004， 26(6)：687689 4朱正良，樊建，高雪松微波干燥等对蕨菜干制的研究 J云南农业大学学报，2002，17(3)：264268 5车刚，姜忠宇，张燕梁蕨菜人工脱水工艺对比试验研 究J黑龙江八一农垦大学学报，2002，14(4)：3537 6梁静 莲子微波干燥特性及干燥工艺的研究D 福建农 林大学，2004，4，3839 7曾绍校，梁静，郑宝东，等不同干燥工艺对莲子品质 的影响J农业工程学报，2007，23(5)：227231 8崔政伟，杨以清微波真空干燥大蒜片的研究J农产品 加工，2004，(9)：3839 9张国琛，毛志怀，牟晨晓，等微波真空与热风组合干燥 扇贝柱的研究J农业工程学报，2005， 21(6)：144147 10 常虹，李远志，刘清化，等微波真空干燥技术及其在 农产品加工中的应用J农产品加工，2007，(7)：5254， 59 11 韩清华，李树君，马季威等微波真空干燥膨化苹果脆片 的研究J农业机械学报，2006，37：156158 12 李远志，王娟，陈人人，等微波真空干燥速溶香蕉粉 的工艺研究J食品科学，2005，26：3134 13 Mc Loughlin C M, McMinn W A M, Magee T R A. Microwaves- vacuum drying ofpharmaceutical powdersJ. Drying Technology，2003，21(9)：17191733 14 Xu Yanyang, Zhang Min, Mujumdar AS, et al. Studies on hot air and microwave vacuum drying of wild cabbageJ. Drying Technology，2004，22(9)：22012209 15 Clary C D, Mejia- Meza, Wang S, et al. Improving grape quality using microwave vacuum drying associated with temperature controlJ. Journal of Food Science， 2007， 72(1)： 2328 16 Fathima A, Begum K, Rajalakshimi D. Microwave drying of selected greens and their sensory characteristicsJ.Plant fields for human nutrition,2001,56:303311 17 Mujumdar AS. Handbook of industrial dryingM. New York: CRC Press，2006：622623 第 5 期邓宇等：蕨菜微波真空干燥特性和品质试验研究257 Experiment and research on the techniques for microwave vacuum drying of Pteridium aquilinum Deng Yu, Zheng Xianzhe (Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China) Abstract: Pteridium aquilinum is a wild vegetable with special favor, which is characterized of very short shelf life and high nutrition value. Microwave Vacuum Drying (MVD) method was used to dry the Pteridium aquilinum quickly based on an orthogonal experimental design to determine the drying properties. Contrasting the microwave vacuum drying method with freeze dryin