地牯牛真空冷冻干燥工艺的研究

施树，罗章，李举宪

(1.重庆旅游职业学院，重庆 409000；2.西藏大学 农牧学院，西藏 林芝 860000)

地牯牛即甘露子(StachyssiebolidiiMiquel)，又称地蚕、玉环、宝塔菜、螺蛳菜，为唇形科水苏属多年生草本，呈念珠状或螺蛳形块茎，色乳白[1]。

地牯牛在10月中旬至11月中上旬地上茎叶枯皱，地下块茎成熟，可以收获[2]。地牯牛富含水苏糖等功能因子，通常在北方被加工成酱菜食用，在南方被做成泡菜。

为了便于储运或加工，需要对地牯牛进行干燥处理。干燥的方式有很多种，常见的诸如热风干燥、真空干燥、微波干燥、真空油炸、真空冷冻干燥等，各有优缺点[3,4]。

本文对地牯牛分别采用热风干燥、微波干燥和真空冷冻干燥，考察不同干燥方式对地牯牛干燥的影响，并采用真空冷冻干燥技术研究地牯牛的最佳干燥工艺。

真空冷冻干燥是将物料预先冻结，然后在一定的真空状态、较低温度下，物料中的水分升华从而干燥的方法。干燥后的产品收缩率小，能够保持物料原有的组织结构和外观形态[5,6]，能够保留原料中的活性成分，脱水彻底，质量轻，复水率高等[7]。与其他食品干燥方法相比，真空冷冻干燥是获得高质量产品的最佳方法，但是它的成本相对较高[8]。在真空冷冻干燥中，冷冻过程对干燥过程有一定影响，过冷度的不均匀性导致不均匀的冰晶，进而导致不均匀的干燥行为。因此，控制过冷度可显著改善冷冻干燥工艺[9]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜地牯牛：市购；柠檬酸、氯化钠、氯化钙：均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FA2204B电子天平 上海天美天平仪器有限公司；DHG-9000电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；G80F23CN2P-B5(R0)微波炉 广东格兰仕集团有限公司；Christ ALPHA 1-2 LD plus冷冻干燥机 德国Marin Christ 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料处理

挑选无机械损伤、无褐变、无病虫害的新鲜地牯牛，清洗干净表面泥土后，切成一定厚度的薄片，立即投入配制好的复合护色液中浸泡护色30 min，然后置于网筛上漂洗沥干备用。根据前期研究结果，最佳复合护色液为0.4%的氯化钙、0.5%的柠檬酸和1%的氯化钠[10]。

1.3.2 水分测定

直接干燥法[11]。

1.3.3 热风干燥

将处理后的不同厚度的地牯牛置于网筛上，分别放入不同温度的烘箱中进行干燥，每隔5 min取样快速测定其重量，试验3次取平均值。

1.3.4 微波干燥

将处理后的不同厚度的地牯牛置于平盘上，放入微波炉，设定不同的功率，每隔1 min取出快速称重，试验3次取平均值。

1.3.5 真空冷冻干燥

将处理好的不同厚度的地牯牛放入-18 ℃冰箱中预冻12 h。将真空冷冻干燥机预冷30 min，使冷阱温度稳定在-30 ℃，放入样品。设置样品温度为4 ℃，分别设置不同干燥时间和不同真空度进行干燥，冻干结束后记录冻干样品的重量，每个单因素试验重复1次。

1.3.6 真空冷冻干燥正交试验设计

根据单因素试验，选取物料厚度、真空度、干燥时间作为正交试验的3个因素，设置3个水平，设计L9(34)正交试验，见表1。按照正交表所确定的试验组合，依次进行真空冷冻干燥，样品快速密封，包装待测，每组试验重复3次。

表1 L9(34)正交试验因素水平表

1.4 干燥效果评价方法

1.4.1 皱缩率

用量筒装清洗干净的烘干过100目筛子的细河沙10 mL，再将待干燥的鲜地牯牛没入沙中记录体积V1，然后将干燥后的该地牯牛没入沙中测量体积V2。

1.4.2 冻干率

式中：M表示样品鲜重，m表示干燥后样品重量，n表示样品平均含水率。

2 结果与分析

通过多次试验得出新鲜地牯牛样品平均含水率为86.11%。

2.1 不同干燥方式下的皱缩率

表2 不同干燥方式下的皱缩率

由表2可知，采用热风方式对地牯牛进行干燥时，产品的皱缩率非常大，为58.3%，皱缩超过一半，这是最终产品外观要求所不期望的。采用真空冷冻方式对地牯牛进行干燥，皱缩率为8.3%，几乎可以保持原有外形，这与真空冷冻干燥可以保持物料原有的形状结论一致[12]。

2.2 不同条件下的热风干燥曲线

图1 不同热风干燥条件下含水率变化曲线

由图1a可知，在热风干燥过程中，随着干燥时间的延长，水分不断下降，地牯牛切片越薄，达到干燥终点所用的时间越短，即地牯牛切片越薄，水分被蒸发得越快。由图1b可知，在热风干燥过程中，随着干燥时间的延长，水分不断下降，干燥温度越高，达到干燥终点所用的时间越短，即干燥温度越高，地牯牛干燥的速度越快。

2.3 不同条件下的微波干燥曲线

图2 不同微波干燥条件下含水率变化曲线

由图2a可知，随着干燥时间的延长，地牯牛水分逐渐降低。厚度为2 mm的地牯牛切片最先达到干燥终点，干燥5 min后含水率为1.92%。厚度为10 mm的地牯牛切片干燥所用的时间最长，这是因为地牯牛越厚，水分越难从内部向表面迁移[13]，从而干燥时间延长。由图2b可知，随着微波功率的增大，干燥的时间在缩短。当微波功率为480 W时，干燥12 min含水率为5.61%；微波功率为640 W时，干燥11 min后含水率为4.61%。说明当微波功率超过480 W时，随着微波功率的增大，干燥的速率增大不明显。这是因为微波功率过大, 物料内部快速吸收微波能快速蒸发，而表面水汽蒸发迁移速度相对小于内部，导致干燥速度增加缓慢[14]。 在采用微波干燥地牯牛过程中还发现，微波干燥的地牯牛成品会出现焦糊斑点，这是由于微波加热的不均匀性造成的[15]。

2.4 不同真空冷冻干燥条件对冻干率的影响

真空度、厚度和干燥时间对地牯牛真空冷冻干燥率的影响见图3。由图3变化趋势可知，真空度对地牯牛真空冷冻干燥的影响幅度比较小，随着真空度的增大，干燥率逐步增大，当真空度超过60 Pa时，干燥率反而呈下降趋势。这是因为随着真空度不断增大，水蒸气传质速度逐步加快，但当真空度继续增大时，升华温度降低，冰晶升华的速度减慢，从而降低了冻干速率[16,17]。

图3 真空度、厚度和干燥时间对冻干率的影响

地牯牛的厚度对干燥影响较大，由图3可知，随着地牯牛厚度的减小，冻干率逐渐增大。这是因为较薄的物料厚度减小了传热阻力，热量很容易达到升华层而使冰晶升华，并且较小的厚度减小了传质阻力，便于水蒸气的逸出。但是厚度不易过薄，过薄会导致成品皱缩严重，色泽变暗。

随着干燥时间的延长，地牯牛的冻干率在增加，但是当超过8 h以后，干燥率趋于平稳，再延长干燥时间会使能效降低。

2.5 正交试验结果及分析

依据单因素试验，选择真空度、干燥时间和物料厚度为因素，设计L9(34)正交试验研究地牯牛冻干工艺，见表3。

表3 L9(34)正交试验结果与极差分析

由表3可知，各因素极差均大于空白试验的极差，说明各因素对地牯牛冻干影响显著。RB>RC>RA，其中干燥时间和物料厚度对地牯牛的冻干影响最为显著，其次是真空度。

表4 正交试验方差分析表

由表4可知，试验所涉及的3个因素中干燥时间和物料厚度均极显著，真空度较显著。3个因素的主次关系是：干燥时间>物料厚度>真空度，这与极差分析结果一致。

图4 试验因素与冻干率关系图

由图4可知，选择3个因素中的最佳水平，得到最佳组合为A2B3C3，即真空度30 Pa，干燥时间10 h，地牯牛厚度3 mm。通过验证试验得到地牯牛真空冷冻干燥率为95.36%。考虑到真空度为次要因素，对干燥率影响变化幅度不大，加上在实际生产中考虑经济性，降低能耗，故选择A1B3C3为最佳冻干工艺参数，即真空度20 Pa，干燥时间10 h，地牯牛厚度3 mm，该条件下地牯牛的冻干率为94.62%。

3 结论

本试验采用冷冻干燥方法研究了鲜地牯牛的干燥工艺。通过正交试验，优化出地牯牛的最佳冻干工艺参数，即真空度20 Pa，干燥时间10 h，地牯牛厚度3 mm，该条件下地牯牛的冻干率为94.62%。