在微波和对流干燥过程中含淀粉食物的质量和结构的改变

1、在微波和对流干燥过程中含淀粉食物的质量和结构的改变摘要本研究旨在评估在微波和对流干燥过程中含淀粉食物的质量和结构的改变。用一个经过改造、可以在微波和对流干燥两个模式下工作的微波炉烘干样品。在抗坏血酸（维生素C）存留的条件下研究脱水土豆样品的特性和其再水合能力，以及其在缩水方面的结构。抗坏血酸是质量的一个重要指示剂，选择它是由于它的热不稳定性。抗坏血酸的降低表明第一动力学行为，更多的发现是其受空气温度、微波功率、水分含量的影响。有实验发现微波干燥样品中维生素C的破坏程度降低。样品体积的皱缩与水分含量是线性关系。经过对流干燥，样品整体出现同样的皱缩，但是，观察到微波干燥分两个阶段。微波干燥样品有更

2、大的再水合能力。关键词：对流干燥 微波干燥 土豆柱体 再水合 皱缩 维生素C1引言在微波过程中，食品的质量是消费者关心的一个最重要指标。微波干燥食品增加了复杂的化学转换和反应的发生。这些反应能够引起维生素降解、油脂氧化以及褐变反应，这些机制受一些因素的影响，例如：浓度、温度和水分活度（aw）（Bruin & Luyben，1980）。这些研究报道已经表明在微波蒸煮过程中，维生素C的流失。Rosen（1972）讨论了微波对食品以及一些相关物质的影响。和其他类型的电磁辐射（X-和-射线）相比，报道的微波能量很低，而且有很多能量等级，不会由于分子和化合的相互作用而引发化学改变。Gerster

3、 （1989）用对热敏感的水溶性维生素C，B1和B2作为质量变化的营养指示剂。在对食物进行预煮，煮制和重新加热的过程中，人们发现用微波炉加热，其维生素的保留可与用其他常规加热方法旗鼓相当。人们发现随着aw的增加，抗坏血酸的破坏率增加，由于解吸作用体系中粘度的下降，破坏作用会更加加速（Labuza，McNally，Gallagher， & Hawkes，1972）。Kir，Dennison，Kokoczka，and Heldman （1977）研究了在脱水典型食品体系中，抗坏血酸的稳定性与水分活度、水分含量、氧气以及贮藏温度的函数关系。在研究中所选取的贮藏条件下，抗坏血酸的流失遵循第一动

4、力学函数。Lin，Durance，and Scaman （1998）报道用真空微波干燥的胡萝卜其维生素C含量较那些在空气中干燥的胡萝卜维生素C含量高。El-Din和Shouk （1999）也报道用微波干燥的秋葵，其抗坏血酸的破坏量减少。 原料内部消耗的电磁能量所造成的热不平衡状态与那些经典干燥过程相比，产生的作用不同。微波方法所获得的改良干燥速率能用微波方法产生压力梯度所解释。这些极大的加速了热转移机制，因而改变了产物的物理特性。多孔物质在干燥过程中的皱缩对于内部蒸发压力是很敏感的。这样的产物，其质量取决于皱缩过程。干燥过程中的皱缩取代了同时发生的水分扩散，因此影响了水分转移的比率。皱缩也影响

5、了物质的物理特性，例如，表面密度。因此，皱缩现象的研究对于更好的理解干燥过程非常重要，而且能够控制产物性状。干燥过程中的皱缩通常被假定为可忽略不计，以便能更好的解决热能和大量的迁移方程式，但是这些假定并不是在所有的水分范围内对所有的物质都适合（Madamba，Driscoll，& Buckle，1994）。已经有资料显示不管是以测定体积表示的皱缩（Lozano，Rotstein，& Urbicain，1983）还是以测量大小尺寸的皱缩（Rahman & Potluri，1990）都取决于水分含量。预实验表明在所选用的实验条件下土豆的皱缩是不能忽略不计的。因此，需要选用能

6、关联皱缩与水分含量的精确的方法。皱缩的理论依据应该包括机械规律，即考虑到物质在再水合过程中的的弹性和形变（Ratti，1994）。然而由于系统的多相性和多孔的特性，使得对于食品的分析是极其复杂的。从这一观点出发，为了能够制做食品皱缩的模型，需要知晓系统各相的结构、机械、弹性特性，而且还要了解水分含量和温度的变化。因此，对于研究食品皱缩的实践式探索是基于实验基础上的。目前的研究表明水合的程度取决于加工条件、样品准备、样品结构和干燥过程中所致的结构和化学断裂的程度（Okos，Narsimhan，Singh，& Weitnauer，1992）。研究评估干燥过程的持续时间和程度与再水合的比率和

7、程度之间的关系，结果表明随着干燥时间的减短，再水合的速度会更快而且水合的更加完全。这表明更小程度的皱缩，某种定义上的细胞间空隙的存在，能够促进再水合的比率（Haas，Prescott，& Cante，1974）。Maskan（2001）报道微波干燥的猕猴桃薄片较热空气和微波辅助的热空气干燥相比，呈现出更低的再水合能力、更快的吸水速率。Durance和Wang（2002）测试了经过对流干燥、真空微波体系等的联合脱水处理的番茄的再水合能力。经过微波真空完全干燥的样品显示出疏松的结构，因此加速了其再水合进程。El-Din和Shouk（1999）也报道用微波干燥脱水的秋葵样品，再水合比率有所增

8、加。这项工作的目的是测试微波和对流干燥过程中维生素C的降解以及土豆柱体的皱缩和再水合特性。2. 材料和方法本次实验中选用的微波-对流干燥系统是一个改良过的可调节的对外输出微波炉装置（Brother，Hi-speed Cooker，Model No. MF 3200 d13），其额定功率是650W，2.45GHz。设备由两部部组成：一个热空气干燥设备和一个微波炉实验室（功能类似干燥室）。周围的空气被一个离心风扇经由导管组件、再通过一个电加热元件，聚合到缩板部分，再被送达到干燥室。圆柱状（半径13.5mm，长度和半径的比为4:1）土豆样品，其初始的水分含量大约为4.5kg kg-1（干基），置于实

9、验干燥器内干燥。体系在空气速率1.5m s-1、空气温度（30，40，和60）的对流模式下运行，微波模式是在90和650W的可调节输出功率水平上运行（相应的吸收功率在10.5-38W水平）。微波炉输出功率的测量由测定热量决定，热量是由在已知的一定时间段内改变所需温度失去的可测质量的水分所计算。基本方程是, (1是样品（）所吸收的能量；是样品的质量（g）；是物质的比热（kJ kg-1-1或kJ kg-1K-1）；是负载水升高的温度（）；是微波炉工作的时间（s）。方程（1）假定吸收的热量仅为微波能量，周围环境没有吸收热量也没有损失热量，并且水的不随温度的改变而改变。量取去离子水1000g并于低于室

10、温5的温度保持稳定，用微波炉的最大功率加热。加热一段时间直到剩余水的最终温度高于室温5。加热前后的水在用药匙完全混匀之后，用K式热电偶探针测量水温。样品在预设的所有时间间隔内彻底的完成了皱缩和维生素C含量的测量之后再移走。再水合测试需在样品干燥到最终水分含量为0.5kg kg-1（干基）再进行。每5g干燥过的土豆样品添加150ml蒸馏水。然后把烧杯放于热板上并用一个透明玻璃板盖上。水分大约在3min后达到沸点，沸腾持续一段特定的时间。在再水合时间完成之后，将样品转移至一个布氏漏斗中，滤纸选用4号华特门滤纸，并适当抽真空将多余的水去除。然后移出样品，稳重。将前面提到的过程重复，沸腾时间分别为10

11、，20，30和45min，后两个测试需要添加25ml的蒸馏水。再水合测试是按Prabhanjan，Ramaswamay，和 Raghavan （1995）年介绍的步骤进行。每个样品的水分含量是由105-110的对流室中干燥8-10h所决定的。样品的皱缩是基于体积的改变而评估的。体积的改变是用Lozano， Urbicain，和Rotstein （1980）提出的方法测定的。他们的方法基于浸于液体中物体的浮力。新鲜、干燥和部分干燥的土豆样品中维生素C含量是用McMinn和 Magee （1997）详细记录的高效液相色谱（HPLC）技术测得。选用的设备和实验步骤的更深层次信息是参照Khraishe

12、h （1996）的。3结果与讨论31 维生素C干燥期间营养的品质劣化用维生素C（抗坏血酸，AA）的含量评估的，选用维生素C是因为它对高温和水分都特别敏感。水分含量和干燥条件，所谓的空气温度和微波功率，对维生素C稳定性的影响用HPLC技术测定。抗坏血酸的破坏有一系列可能的途径，但是，不考虑现实的机械造成的影响，其损失可以用(Kirk et al., 1977描述的方法测量：抗坏血酸（AA）脱氢抗坏血酸（DHAA）生成物总抗坏血酸的含量是所测的抗坏血酸（AA）和脱氢抗坏血酸（DHAA）含量的加合。图1.和图2.分别代表的是对流和微波干燥过程中土豆样品的维生素C降解过程的预测和实验值。如图所示，在温

13、度和吸收微波能量恒定的条件下，总抗坏血酸含量的降低随着实验时间而逐渐增加。如预期一样，在特定的时间内，由于抗坏血酸的热倾向性，维生素C的损失随着空气温度而增加。在微波干燥条件下，吸收能量的增加导致温度的增加，结果造成更多的维生素C的损失。实验表明维生素C的动力学降解可以用动力学第一方程描述：， （2）式中，是抗坏血酸的浓度（mg l-1）；是时间（min），是级数常量（min-1）。与实验相关的第一速率函数中，以和分别为横、纵坐标画出的直线中斜率表示的是常量。图1.对流干燥土豆样品中维生素C的剩存量图2. 微波干燥土豆样品中维生素C的剩存量降解过程也可以用下式表示， （3）式中是抗坏血酸的初始

14、浓度（mg l-1）。方程3符合本实验数据。图1和图2中显示了预测的特征。表1则详细记录了实验本身。维生素C的稳定和存留不仅取决于干燥条件，还取决于样品中的水分含量。图3显示了在所选对流和微波处理条件下，干燥样品基于水分含量的抗坏血酸函数。关于水分含量此方面的描述有利于在不同干燥模式下对照。如图显示，在同一水分含量条件下，微波条件下干燥的样品与空气干燥样品相比抗坏血酸的含量维持在更高的水平上。例如，为了使水分含量接近0.3（干基）（因商业上土豆片的水分含量为5.5%（湿基）而对应选择）（Wang，Kozempel，Hicks， & Sieb，1992）选用在10.5W下微波干燥，样品的

15、维生素C含量接近初始值的75%。与之相比，空气干燥条件（30）下土豆干燥样品存留量少于30%。即使在更大功率的微波处理条件下（吸收功率38W）维生素C的存留量也超过45%。这表明了用微波能量干燥处理样品具有的优势之一。表1.抗坏血酸的降解性状表3.维生素C关于水分含量的函数在经典的空气干燥过程中，维生素C的显著降解并不是不常见。Wang et al.（1992）报道在将初始土豆加工成脱水土豆薄片过程中损失了30%100%的维生素C，但是用商业设备损失则接近50%。如图3所示，在相对较高的水分含量条件下，维生素C的损失率初期较低，经过一段时间，随着水分含量的下降，降解率变得迅速。干燥处理初期，损

16、失率较低可能是由于物质的物理结构：土豆组织膜的完整性大都未受，因此保护细胞免受有害组成破坏。另外，内源性抗氧化成分可能也有助于造成这种较慢的反应速率（Mishkin， Saguy，& Karel，1983）。显然，水分含量对于维生素C的减少有很重要作用，但是，水分控制反应的机制是非常复杂的（Lee & Labuza，1975）。水分含量能够影响抗坏血酸的稀释度；随着水分含量的增加抗坏血酸的浓度降低，这又使得降解速率相对减慢。但是，增加水分含量可能使得反应变得容易了，这是因为如果水相变的不再粘稠，存在的水分也会影响物质对氧的吸收，继而导致维生素C的破坏。基于以上考虑，水分可以降低

17、反应速率的可能性似乎与反应物在水相中的稀释度有关。当水分含量下降，稀释度降低，因此反应速率增加致使维生素C的存留量变少。在干燥的下一个阶段，样品中心的温度也提高了，与初始阶段相比较，因体基质溶胀可能会暴露出新的催化位点，以上两点都可能抗坏血酸的含量下降。在微波处理过程中，由于水分含量能够达到更广范的水平，所以这样的现象会更明显。对于最大的部分，降解特性能够与Mishkin，Saguy，and Karel (1984 and Villota and Karel (1980得出的成就相比。但是，对于样品结构方面的复杂度，我们还测得了各种前处理历史和基于反应本身体系的动力学函数的轻微改变。32 皱缩

18、食物样品对于水分损失会导致体积上的改变，例如：皱缩。这些皱缩影响物理性质和固体的运动特性。干燥期间的体积改变不是简单可预言的函数。经历干燥过程的真实实验显示皱缩不是完全同一性质的。干燥初期，榈保持最初的几何性状，例如：细胞结构的完整性。但是，随着干燥加工，皱缩伴导致了部分变形。皱缩的质量评估基于体积皱缩系数（Sb），例如：经过时间t样品体积与初始体积的比率（V/V0）。图4显示了Sb关于不同空气温度条件下土豆柱形干燥样品与无因次的水分含量（湿基，X/X0）函数。实验数据显示了体积皱缩系数和水分含量的线性关系，它表明皱缩主要是由于水分的移除。适于实验数据的体积皱缩系数和水分含量的线性关系为：，

19、（4）式中表示水分含量的初始值（kg kg-1，干基）。表2中列出了对于不同干燥条件下的常量a和b的值。Kilpatrick，Lowe，and Van Arsdel (1955提出的线性关系如下：， （5）上式也同样适用于本实验数据。这个式子对于数据（图4）做了很好的描述。食物材料的线性皱缩现象之间被很多研究人员包括Wang and Brennan（1995），Lozano et al.（1983）and Sjoholm and Gekas（1995）报道过。图4. 对流干燥土豆样品过程中不同的体积皱缩系数表2方程3的不同特征参数虽然空气干燥过程中总的体积改变量相对较小，但是常量a（方程（4）

20、，表2）表明在低温加工过程中体积变化是稍稍增加的。温度对于皱缩的影响可能归因于弹性和机械性对于温度的依赖性。在低温加工过程中，样品间存在着更一致的水分分布，在中心和表面间与预期的有点不同。这可能导致了中心压力以及样品的继续皱缩直至干燥的下一阶段，即物质定形。相反，在相对较高的温度下，可能会发生表面的实际硬化以及在初期样品的体积就固定，我们观察到的皱缩程度相应减小。我们也做了关于暴露于微波环境下的样品体积改变的实验。在干燥过程中，提供微波能量加速水分通过产物移至表面。空气既而会加速水分转移到周围的介质中去。但是干燥过程不仅包括水分从物体转移到环境中，还包括在微波能量下产物间复杂的反应。因此，微波

21、能量的应用可能导致产物发生与那些在经典空气干燥过程中所观察到的不同的物理变化。出于这项研究的目的，认为样品之间没有差别，但是，事实上存在着一些不同一性。一些不同一性可能会由于产物中不同灵敏度的电磁受体而导致不一致的能量吸收。这种有选择的加热其结果是可能形成局部的温度梯度，导致不均衡的受热；不像传统的干燥方式，能够基于总体的均衡受热。；因此，它可能产生微波处理所致的特殊的品质问题。由于微波能量的应用，温度梯度的存在既而导致压力梯度的形成，物质会以皱缩的形式解除压力梯度造成的不同的压力。我们也对实验所得的微波干燥过程的皱缩数据进行了体积皱缩系数方面的分析。图5显示了体积改变关于水分含量的函数。如图

22、所示，样品皱缩再次显示出与水分含量的线性关系。但是并不是在全部水分含量范围内都存在同样的皱缩，而是有两个阶段与传统标准的0.45的水分含量相一致。Ratti（1994）也描述了不同线性皱缩的两个阶段。方程（3）的每一个部分都符合实验数据，分析的结果如表3所示。常量a的数值表明皱缩的程度大于初始阶段。在较低的水分含量范围内（X/X0<0.45）体积变化的程度减小是因为形成了一些充满空气的孔隙，例如：形成与皱缩相反的蓬松现象；另外由于水分的损失发生了一些皱缩。Smith（1976）报道在用微波干燥时，生面团会发生蓬松，当水分含量接近20%时，蓬松程度达到最大。图5.微波干燥土豆样品过程中不同

23、的体积皱缩系数表3方程（3）的不同特征参数关于微波功率对于皱缩影响的实验表明在10.5W下干燥样品的皱缩度与在38W条件下干燥样品的皱缩度类似，但是在15W条件下，则会发生更大的皱缩程度（图5和表3）。这种现象可能原因是压力梯度产生了内部力和弹性。这种弹性的结合作用导致体积改变取决于内部弹性的再吸收程度。可以总结为在水分被移除后，结构有朝向稳定状态变化的趋势，在低或高的干燥比率下能够达到这样的状态。在低微波功率下，即低的干燥比率，产生的力较小不足以破坏结构，因此皱缩受到了限制。对于相对较高的干燥比率（38W），摩擦力迅速增大，在完全收缩之前强化了结构，因此只能产生轻微的皱缩，如前面的例子一样。相反，中等的干燥比率（15W）能够使得结构被破坏，而且样品的内部弹性由于皱缩而减小，相应产生更大程度的皱缩。33 再水合再水合涉及干燥过程中发生的一些生理化学改变的逆转。大体而言，水分吸收的比率以及干燥产品回复的程度受干燥程度的影响，例如细胞完整