莴苣是菊科莴苣属,一年生或二年生的常见草本植物,根据食用部位可分为莴苣叶和莴苣茎[1],其中茎是主要可食部分。莴苣生食脆嫩爽口,营养价值高,含有丰富的维生素(维生素A、维生素B1、维生素B2、维生素C、维生素E和维生素K)、叶绿素、膳食纤维和矿物质等[2],是大众消费的一种重要农产品。新鲜莴苣含水率高、组织脆嫩、容易在贮藏运输的过程中发生霉变和腐败,造成大量的经济损失。农产品干燥加工是一种将水分降低到安全含水量下,保证产品品质、延长贮藏期的有效方式。
目前,农产品常用的干燥方法为热风干燥(hot air drying,HAD),因操作简单、成本较低而被广泛应用。吴本刚等[3]研究HAD干燥莴苣发现相较于60 ℃,热风温度70 ℃有助于加快干燥速率,提高复水性,但会导致维生素C含量的降低。热泵干燥(heat pump drying,HPD)节能高效,对产品品质影响较小,特别对含有热敏成分的材料[4-5]。应林火[6]研究热泵-热风联合干燥莴笋发现联合干燥后莴笋的叶绿素含量更高,品质优于HAD,且能耗比单独HAD降低了32%。真空冷冻干燥(vacuum freeze drying,VFD)通过冷冻和升华在过程中有效地去除物料中的水分,最大限度地保留物料的营养成分和原有性质[7]。章虹等[8]研究发现莴苣在VFD技术下能最大限度地保留莴苣中的营养品质。但VFD技术存在设备成本高、时间长、能耗大等缺点[8-9]。为研究出保持农产品品质同时降低运行成本的干燥方式,国内外学者将红外辐射加热技术应用于食品和农产品干燥[10]。碳纤维远红外联合热泵干燥技术(carbon fiber far-infrared combined heat pump drying,CFFCHPD)是一种新型联合干燥方式,将碳纤维远红外干燥(carbon fiber far-infrared drying,CFFD)与HPD相结合,提高干燥室内温度分布均匀性、更大程度保留农产品本身营养物质[11]。目前,CFFCHPD已运用到花生[11]、羊肚菌[12]等农产品。但在果蔬干燥中的运用研究鲜有报道。
本研究针对以上不同干燥方式对莴苣片干燥时间、能耗、品质等影响尚未研究详尽。选用新鲜莴苣为试材,采用5种不同干燥技术(HAD、HPD、CFFD、CFFCHPD和VFD),探究其干燥时间、能耗、质构、复水比、色泽、叶绿素含量、维生素C含量和风味的变化,并对干燥后的莴苣片进行感官和综合评价,为适宜莴苣片的干燥技术提供一定的理论支撑。
新鲜莴苣,购于郑州当地蔬菜市场,初始湿基含水率为(96±1.5)%,选择大小、色泽、形态一致,无腐败变质的莴苣作为原料,干燥前于冰箱4 ℃贮藏备用。
试剂:偏磷酸(分析纯),天津市科密欧化学试剂有限公司;磷酸氢钠、碳酸钙(分析纯),天津市瑞近特化学品有限公司;无水乙醇(分析纯),烟台市双双化工有限公司。
碳纤维远红外联合热泵干燥机集热风加热、热泵加热、碳纤维远红外加热一体(本团队自主研制)[11];GJ-25E冷冻干燥机,四环福瑞科仪科技发展北京有限公司;CR-10PLUS台式色差仪,日本KONICA MINOLTA公司;TMS-Pro质构仪,美国FTC公司;DZKW-C恒温水浴锅,上海树立仪器仪表有限公司;SA402B电子舌,日本INSENT公司;Read Max1200光吸收型全波长酶标仪,上海闪谱生物科技有限公司。
1.3.1 干燥方法
参考莴苣干燥相关文献[3,8]及前期预实验所得结果,选择外观无明显损伤、大小相似的莴苣进行干燥,将莴苣去叶去皮切成厚度为(5±0.3) mm的薄片,称取(240±3) g均匀平铺一层在料盘上进行干燥。HAD、HPD干燥温度为60 ℃,风速为2 m/s;CFFD、CFFCHPD干燥温度为60 ℃,风速为2 m/s,红外功率为1 000 W;干燥过程中,每隔30 min记录1次物料质量,然后快速放回干燥室中继续干燥,直到物料湿基含水率低于8%时结束实验;VFD先在-50 ℃冰箱预冻12 h,后置于真空冷冻干燥机中,在冷阱-50 ℃、真空度1 Pa的条件下真空冷冻干燥至物料湿基含水率低于8%时结束实验。将干制品贮存于聚乙烯袋中密封保存。每组实验重复3次,取其平均值。
1.3.2 干燥指标
1.3.2.1 干燥时间
干燥过程中对样品进行称重,湿基含水率低于8%时,停止干燥,记录所需时间。每组实验重复3次,取其平均值。
1.3.2.2 干燥能耗
参考谢永康等[11]的方法,脱除单位质量的水所需的能耗(U)按公式(1)计算:
(1)
式中,U为单位能耗,kW·h/kg;Q1、Q2分别为干燥前后的电表数值,kW·h;m1、m2分为干燥前后物料的质量,kg。
1.3.3 色泽
将干燥后的莴苣粉碎,过筛(筛网孔径:80目),经色差仪测定干莴苣粉的L*(明亮度)、a*(红绿值)与b*值(黄蓝值),每组样品平行测定3次,取平均值。
1.3.4 复水比
准确称取干莴苣0.50 g,置于40 mL 50 ℃去离子水中,复水30 min,擦干其表面的水分后称重,复水比计算如公式(2)所示:
(2)
式中:RR为复水比,%;m2为复水30 min后除去表面水分莴苣片的质量,g;m1为复水前莴苣片质量,g。
1.3.5 质构
参照ZHANG[13]的方法,稍做修改。分别取3个大小、形状相对接近的莴苣片样品,经质构仪P/2探头进行压缩实验。采用直径75 mm圆形探头,测试参数:触发力30 N;测试速度0.15 mm/s;距离15 mm,压缩程度50%,每个处理组进行5次重复测定。
1.3.6 营养品质
1.3.6.1 维生素C含量
参照GB 5009.86—2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》,采用2,6-二氯靛酚滴定法测定莴苣中维生素C含量,并根据公式(3)计算:
(3)
式中:Rc为干燥样品维生素C含量,mg/100 g;V1为干莴苣消耗2,6-二氯靛酚溶液的体积,mL;V0为空白消耗2,6-二氯靛酚溶液的体积,mL;T为2,6-二氯靛酚溶液的滴定度,mg/mL;m为干莴苣质量,g;A为稀释倍数;100为换算单位,mg/g换算成mg/100 g;
1.3.6.2 叶绿素含量
参考胡秉芬等[14]的方法,稍做修改。莴苣片加液氮研磨后,准确称取0.5 g于三角瓶中,加5.00 mL乙醇浸提剂,封口膜密封,室温避光下静置提取5 h,过滤。在645、663 nm下测定滤液的吸光度值。每组样品重复3次,取平均值作为该样品的测定值计算出叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总含量。
1.3.7 风味
参照杨银等[15]的方法,并略有修改。取30 g样品于破壁机中,加150 mL纯净水,打碎混匀90 s,将混匀后的样品转到离心管中,3 000 r/min离心5 min,取上清液做待测样液。采用电子舌对样液进行测定,检测条件:室温下,味觉传感器和陶瓷参比电极共清洗222 s,平衡30 s,样品测量30 s,回味测量30 s。每个样品重复3次。
1.3.8 感官评价
邀请10位身体健康,无感官方面缺陷的食品专业研究生组成感官评定小组,并进行感官评价专业培训,对莴苣片色泽、气味、形状和口感进行标准评定。样品随机提供给各感官员,评定结果分为3个等级,分别是优(100~80分),中(80~60分),差(60分以下),感官评价标准见表1[16]。
表1 感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standards
评分色泽气味形状口感优(100~80)黄绿色、色泽均匀、鲜亮有莴苣的清香,无异味表面平整,无变形脆爽,不黏牙中(80~60)黄绿色、色泽较均匀、有一定光泽莴苣香味较淡,无异味表面较规整,有少量变形较脆爽,微黏牙差(60以下)其他颜色、色泽不均匀、暗淡无莴苣香味,有异味表面不规整,变形严重较硬,不脆爽,黏牙
1.3.9 综合评价
为了更准确地反映各种干燥方法对莴苣片品质的影响。参考邓玉等[17]的方法,采用隶属度综合评分优化法,分别计算干燥时间、能耗、感官评价、叶绿素含量、维生素C含量5项指标的隶属度。干莴苣的综合评分和参评指标间的关系如公式(4)所示:
综合评分
(4)
式中:ai为莴苣片相应指标的权重;bi为相应指标的得分;n=5。评分标准分为10~2分,每个等级间相差2分,根据显著性分析结果进行打分,相同水平间使用同一分数。利用AHP软件进行数据分析得到干燥时间、能耗、感官评价、叶绿素含量和维生素C含量结果的权重系数分别为0.15、0.15、0.3、0.2、0.2。
利用SPSS 22.0进行显著性分析,显著性水平P<0.05。每组进行3次平行实验,使用“平均值±标准差”表示各组实验结果。采用Origin 2022绘图分析软件进行数据处理与绘图。
由图1-a可知,CFFCHPD的莴苣片干燥时间最短、能耗最低,分别为1 h、1.09 kW·h/kg。HAD干燥时间与能耗都显著高于CFFCHPD组,分别是2.0倍和1.9倍。HPD的干燥时间与能耗稍高于HAD,但无显著性差异(P>0.05)。HPD干燥时间与能耗较高于HAD的原因可能是电加热升温速率快,热泵压缩机升温速率较慢。干燥过程中排风机全程开启,未回收热量,热泵的节能效果未能呈现。这与林萍等[18]对大果沙棘进行不同干制方式发现HAD比HPD干燥时间短一致。CFFCHPD干燥时间最短,是因为CFFCHPD相比于单一的干燥技术,利用红外辐射作为辅助热源可加速物料内部水分扩散,有效解决单一热源干燥后期水分脱除缓慢的问题[19]。这与宋小勇[20]研究铁棍山药进行不同干燥处理发现远红外辅助热泵干燥可有效提高干燥速率,降低能耗研究结果相似。而VFD组的干燥时间最长,能耗最高,是由于整个冻干过程需要大量能量以保持低温、高真空度,且VFD下莴苣片内部形成疏松多孔结构会降低传热效率[21],延长干燥时间。由图1-b可知,随着干燥时间延长,莴苣片物料温度上升均呈先快后缓的趋势。CFFCHPD与CFFD的物料温度上升更快,干燥速率更快。综上,CFFCHPD较其他干燥方式可以有效缩短莴苣片干燥时间,降低能耗。
a-干燥时间与能耗;b-物料温度曲线
图1 不同干燥方式下莴苣片的干燥时间、能耗与物料温度曲线
Fig.1 Curves of drying time, energy consumption and material temperature of lettuce slices under different drying methods
注:同一指标不同字母表示有显著差异(P<0.05)(下同)。
色泽是消费者选择产品最直观的指标之一,不同干燥方式下莴苣片的色泽如表2所示。L*值表示明亮度,与鲜样相比不同干燥方式下L*值都有不同程度显著的增长。VFD组干燥后L*值最大为81.00,显著高于其他组(P<0.05),其次是CFFD、HPD、HAD和CFFCHPD组,分别为74.90、73.40、72.73和70.33,表明VFD干燥后的莴苣片更有光泽。a*值为红绿值,值越低表示越绿;b*值随着莴苣片绿色值颜色加深而升高。HPD的a*值最低为-8.43,VFD的a*值最高为-5.93;b*值则正好相反,HPD的最高为35.73,VFD的最低为28.33。说明HPD下的莴苣片色泽偏黄,产生这种现象的原因:一方面,叶绿素遇高温会发生降解,生成脱镁叶绿素等衍生物,使得色泽变成褐色[22-23];另一方面,莴苣切片与空气充分接触还会发生褐变[24]。VFD组a*、b*值与鲜样最接近。综上,VFD组干燥过程处于真空低温低氧条件下,相比于其他热干燥技术能更好地保留莴苣片的本色。
表2 不同干燥方法下莴苣片的色泽
Table 2 Color and luster of lettuce slices under different drying methods
干燥方式明亮度L*红绿值a*黄蓝值b*鲜样49.25±0.79f-4.93±0.27a8.57±0.86fHAD72.73±0.06d-6.60±0.00c31.00±0.10cHPD73.40±0.35c-8.43±0.12e35.73±0.21aCFFCHPD70.33±0.12e-6.70±0.17cd30.40±0.00dCFFD74.90±0.17b-6.87±0.06d31.60±0.10bVFD81.00±0.20a-5.93±0.06b28.33±0.29e
注:同列不同字母表示组间存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
复水比反映了干燥后的果蔬制品复水恢复到新鲜状态的程度,是检验干制品品质的重要指标[25]。通常情况下,干制品复水比高,产品品质好[26],复水能力高低与物料孔隙有关[27]。由图2可知,VFD组复水比最高,为11.11,其次为CFFCHPD、CFFD、HPD组,且这3组无显著差异(P>0.05)。HAD复水比最低,为9.69。VFD下莴苣片复水性最好,因为莴苣片在冻结至共晶点温度下的过程中,冰晶随着冻结时间使莴苣片内部形成较疏松的多孔结构,复水过程中水分快速填充莴苣空腔[28]。而在传统加热干燥的方式下,容易因受热不均导致物料局部温度过高,使得莴苣片表面形成硬壳、组织结构严重坍塌,该现象在HAD中最为明显[25]。这与章虹等[8]研究微波喷动干燥莴苣的优势中发现VFD复水能力最高结果相似。
图2 不同干燥方式下莴苣片复水比
Fig.2 Rehydration ratio of lettuce slices under different drying methods
由表3可知,与鲜样相比,不同干燥方式下的莴苣片在质构特性上存在显著性差异(P<0.05)。内聚性高的莴苣片,整体结构更加紧密。鲜样、HAD和HPD的内聚性相对于其他组较高。硬度是物质抵抗受力变形的能力,更直接反映莴苣片品质和口感[29]。与鲜样对比,莴苣片在HPD干燥后硬度最大,为3.58。VFD的硬度最低,为0.57,可能因为VFD的干燥过程是将物料中的水分在固态下直接升华,减少可溶性物质迁移至物料表面,从而避免物料表面硬化结壳现象[21]。CFFD的莴苣片硬度高于VFD,为1.79。适中的硬度,口感更好,更受消费者喜爱[29]。莴苣片在HAD和HPD干燥下的弹性、胶黏性高于其他干燥组,说明其回弹力较好,且2组之间无显著性差异(P>0.05)。咀嚼性是固体食物咀嚼时消耗的能量[30]。干燥后咀嚼性下降,CFFCHPD与VFD干燥下莴苣片的内聚性、胶黏性和咀嚼性相比其他组较低,说明这2组所得的莴苣片易吞咽[13]。对莴苣片的质构进行相关性分析如图3所示。不同干燥方式下莴苣片咀嚼性和硬度、弹性间的相关性系数分别为0.98、0.91,莴苣片的咀嚼性与硬度和弹性呈显著正相关(P<0.05)。
图3 外观、质构、味觉与营养品质含量间相关性系数矩阵
Fig.3 Correlation coefficient matrix between appearance, taste, and nutritional quality content
注:图中图形颜色和大小表示相关性强度,颜色越浅(如接近白色/无色)、图形越小代表相关性越弱。
表3 不同干燥方法下莴苣片的质构
Table 3 Texture of lettuce slices under different drying methods
干燥方式内聚性/ratio硬度/g弹性/mm胶黏性/N咀嚼性/mJ鲜样0.50±0.00a6.10±0.23a1.22±0.07a4.28±0.22a4.09±0.08aHAD0.50±0.00a3.57±0.07b0.70±0.02b1.87±0.03b1.27±0.06bHPD0.50±0.00a3.58±0.06b0.67±0.03b1.83±0.06b1.30±0.00bCFFCHPD0.40±0.00b0.60±0.03d0.50±0.03c0.25±0.02d0.10±0.00dCFFD0.40±0.00b1.79±0.03c0.42±0.02d0.62±0.06c0.30±0.00cVFD0.40±0.00b0.57±0.02d0.32±0.01e0.21±0.02d0.10±0.00d
2.5.1 不同干燥方式对莴苣片叶绿素含量的影响
叶绿素是一种卟啉衍生物,植物的叶绿素中主要由叶绿素a和叶绿素b组成,是果蔬中最常见的天然色素[31]。不同干燥方式下莴苣片叶绿素含量如图4所示,与鲜样相比,HAD组干燥下莴苣片的叶绿素a含量最低,为0.04 mg/g;VFD组的显著高于其他组,为0.06 mg/g(P<0.05)。不同干燥方式处理下叶绿素b含量和叶绿素总含量结果与叶绿素a含量相似。鲜样的总叶绿素含量最高,为0.44 mg/g,分别为HAD、HPD、CFFCHPD、CFFD、VFD组的9.92、5.81、8.06、5.06、2.77倍。说明VFD组能更好的保留莴苣片中叶绿素含量,这与色泽的结果相一致,这是因为冻干过程中保持低温和低压无氧的条件,可减少因温度造成的莴苣片中叶绿素降解,从而保持莴苣片更好的色泽[31]。由图3可得,叶绿素b含量与叶绿素总含量与L*呈显著正相关(P<0.05),说明可以通过色泽结果间接判断叶绿素b含量和叶绿素总含量的高低。
图4 不同干燥方式下莴苣片叶绿素含量
Fig.4 Chlorophyll content of lettuce slices under different drying methods
2.5.2 不同干燥方式对莴苣片维生素C含量的影响
由图5可知,与鲜样相比,不同干燥方式对莴苣片维生素C含量有显著性影响(P<0.05),HPD组莴苣片维生素C含量最低,为3.23 mg/100 g。因为维生素C性质不稳定,极易被高温、光及氧气接触发生降解[32]。在热加工干燥方式下,干燥温度高低和氧气会导致维生素C发生分解[33]。VFD组维生素C含量最高,为6.31 mg/100 g,是HPD组的1.95倍。主要原因是VFD组在隔绝氧气且低温的环境下进行干燥,不易发生酶促氧化反应,使维生素C能较好地保存下来[34]。HPD组维生素C含量最低,可能是干燥时间长,物料长时间受到高温烘烤。由图3可得,莴苣片的维生素C含量与b*值呈显著性负相关(P<0.05),说明莴苣片b*值越低,维生素C含量越高,可以通过色泽间接判断莴苣片维生素C含量。
图5 不同干燥方式下莴苣片维生素C含量
Fig.5 Vitamin C content of lettuce slices under different drying methods
电子舌能够通过电子传感器检测味觉特征[35]。如表4所示,VFD与CFFCHPD组的咸味值显著高于其他组(P<0.05),其次是HPD、HAD组,CFFD组的咸味值最低。对比不同干燥方式的滋味轮廓,VFD的丰富度显著高于其他组(P<0.05),其次为HPD、CFFCHPD组,并显著高于HAD、CFFD(P<0.05)。由图3可知,丰富度与咸味和鲜味的相关性系数分别为0.88和0.93,说明莴苣片的咸味和鲜味响应值越高,丰富度的响应值越高。而叶绿素a与鲜味、丰富度、咸味与甜味的相关性系数分别为0.91、0.96、0.88和-0.91,说明还可以通过电子舌测量结果间接判断叶绿素a含量的高低。
表4 不同干燥方法下莴苣片的风味
Table 4 Flavor of sliced lettuce under different drying methods
干燥方式鲜味丰富度咸味甜味苦味HAD14.32±0.00e9.74±0.00c23.61±0.00d5.60±0.00b-0.29±0.00bHPD14.92±0.02c13.30±0.21b23.89±0.02c5.44±0.02c-0.27±0.05bCFFCHPD15.09±0.03b13.17±1.02b24.78±0.04b5.16±0.03d-0.55±0.03cCFFD14.53±0.05d9.12±0.15c23.32±0.07e5.70±0.03a-0.16±0.02aVFD15.14±0.02a14.75±0.14a24.94±0.01a5.08±0.02e-0.59±0.09c
莴苣片在不同干燥方法下的感官评价如表5所示。VFD组的感官评价得分最高为88.74分。其次是CFFCHPD、HPD、HAD、CFFD。VFD下的莴苣片色泽明亮青绿,香味浓,形状完整,口感更佳。特别在色泽方面,VFD干燥下的莴苣片更接近新鲜莴苣片。
表5 不同干燥方法下莴苣片的感官评分
Table 5 Sensory scores of lettuce slices under different drying methods
干燥方式色泽气味形状口感总分HAD21.18±0.73b21.36±0.50bc21.32±0.66b21.14±0.40b85.00±1.42cHPD21.32±0.66b21.89±0.43ab21.29±0.62b21.18±0.51b85.71±1.19bcCFFCHPD21.07±0.57b22.11±0.65a21.86±0.48ab22.36±0.35a87.40±1.50bCFFD21.25±0.68b21.00±0.32c21.50±0.56b20.29±1.14c84.04±1.16dVFD22.32±0.62a22.21±0.54a22.43±0.31a21.79±0.68ab88.74±1.63a
本实验采用隶属度综合评分优化法对不同干燥方式后莴苣片品质探究,结果如表6所示,VFD组的得分最高为6.6分,其次是CFFCHPD组评分为5.8分,HAD、HPD组的得分最低仅为4.0分。VFD可以维持原料的结构基础和提高生物利用率[32],并且最大程度地保留莴苣片的营养品质(维生素C、叶绿素含量等),保持良好的色泽与滋味。VFD是一种适宜莴苣片的干燥方式。CFFCHPD干燥时间短、能耗和设备成本相对较低,并且可以较好的保证莴苣片的品质,可作为VFD的一种替代干燥方式。HAD、HPD组得分最低,因为受干燥温度、湿度等因素的影响较大,且后期干燥速率较低,产品的感官品质下降,营养成分损失[9,25]。
表6 莴苣片的综合评分
Table 6 Composite score for lettuce slices
干燥方式综合评分结果排名HAD4.04HPD4.04CFFCHPD5.82CFFD5.23VFD6.61
本文采用5种不同的干燥方法对莴苣片进行干燥,分析其干燥时间、能耗、色泽、复水比、质构、营养品质和风味的影响并进行感官和综合评价,主要结论如下:
不同干燥方式对莴苣片的干燥时间、能耗和品质存在显著差异。CFFCHPD的莴苣片干燥时间最短、能耗最低,分别为1 h与1.09 kW·h/kg。VFD组干燥时间最长、能耗最高,分别为12 h与10.50 kW·h/kg。从色泽和质构方面,不同干燥方式下莴苣片的L*值与鲜样相比发生显著增长(P<0.05),VFD组L*值增长最大,且a*、b*值与鲜样最接近。VFD组硬度、胶黏性、咀嚼性最小易吞咽且复水性最好。从营养品质方面,VFD组的叶绿素含量、维生素C含量显著高于其他4组(P<0.05)。从风味方面,VFD组的咸味及丰富度均显著高于其他4组(P<0.05)。相关性矩阵表明,莴苣片的维生素C含量与叶绿素含量分别与b*值、L*值显著相关(P<0.05),且叶绿素a含量与鲜味、丰富度、咸味与甜味的相关性系数分别为0.91、0.96、0.88和-0.91,说明可以通过色泽和电子舌测量结果间接判断维生素C含量、叶绿素含量。在感官评价和综合评价下,VFD组得分最高,说明VFD是一种有待发展适合用于莴苣片的干燥技术。虽然干燥时间长,但可以更有效保留莴苣片营养品质。
综上,VFD处理下的莴苣片,在保护原有色泽和组织形态基础上,提高了莴苣片叶绿素含量、维生素C含量,其次口感更佳。因此,VFD是适合莴苣片的干燥方式。干燥方式的研究为提高莴苣片营养品质及深入研究奠定基础,但具体的VFD干燥指标还需后续实验研究。CFFCHPD设备成本相对较低,干燥时间短、耗能较低,并且可以较好地保证莴苣片的品质,可作为VFD的一种替代干燥方式。后期还可以探索适用于莴苣片品质的联合VFD技术,解决过程中成本、能耗高和时间长的问题。
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