王兆凱,任廣躍,2*,段續(xù),2,徐一銘,楚倩倩,趙夢月

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,河南 洛陽,471000)2(糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州,450001)

枸杞為茄科枸杞屬小灌木類植物的成熟果實,廣泛種植于我國西北及華北地區(qū)[1]。隨著“超級食品”概念在世界范圍的興起,枸杞這一傳統(tǒng)的藥食兩用產(chǎn)品在歐洲和美國開始備受青睞[2],成為我國出口創(chuàng)匯的重要經(jīng)濟產(chǎn)物。枸杞含有豐富的生物活性成分,其中包括枸杞多糖、類黃酮、玉米黃質(zhì)等,具有顯著的藥用價值[3-4]。

近年來,隨著科研人員對枸杞中活性成分種類的精準(zhǔn)鑒定,使得市場對枸杞的興趣迅速增加。消費觀念的轉(zhuǎn)變,生產(chǎn)上追求枸杞產(chǎn)量的同時,品質(zhì)消費成為新的消費需求[5]。成熟的枸杞一般集中于高熱多雨的夏秋兩季,根據(jù)品種的不同,濕基含水率最高可達83%,鮮果在采摘、運輸和儲存過程中容易受到機械損傷和微生物污染迅速變質(zhì)[6]。因此,干燥成為枸杞加工的重要技術(shù)之一。同時,枸杞表皮被蠟質(zhì)所包裹,這種表皮蠟層會抑制干燥過程中水分從枸杞內(nèi)部向外部的遷移,增加了干燥時間及能源消耗。為了提高枸杞干燥速度、縮短干燥時間,干燥前通常會采用物理或化學(xué)處理方式除去蠟質(zhì)[7-8]。

干燥技術(shù)的不斷創(chuàng)新應(yīng)用向消費者展示了未來食品工業(yè)的巨大潛力,同時一些新的挑戰(zhàn)也出現(xiàn)在實際生產(chǎn)中,如高昂的設(shè)備投資、復(fù)雜的操作系統(tǒng)及較高的能源消耗等問題阻礙著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。顯然,當(dāng)前階段科研人員對枸杞物料的研究更多的集中于其所含生物活性成分對人體健康的益處,但干燥方式的選擇對枸杞產(chǎn)品的優(yōu)劣影響也尤為重要。因此,本文重點綜述了干燥前處理技術(shù)及干燥方式的選擇對枸杞干燥特性及品質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀,探究各種干燥方式的優(yōu)缺點,以期為未來枸杞干制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論參考。

1 干燥前處理對枸杞干燥特性及品質(zhì)的影響

目前枸杞果實中所含生物活性成分的研究已有很多報道,但關(guān)于枸杞果實的微觀形態(tài)、解剖和超微結(jié)構(gòu)等方面的研究卻很少。研究發(fā)現(xiàn),枸杞組織結(jié)構(gòu)的差異性對干燥過程及枸杞干果品質(zhì)的影響較為顯著[9]。成熟枸杞果實表皮被蠟質(zhì)所包裹,果皮的蠟質(zhì)屬于角質(zhì)層的一部分,是一層相對較薄的無定形蠟且成分復(fù)雜,主要由長鏈脂肪酸醛類和烴類組成[10]。枸杞類漿果表皮蠟層的厚度和類型對果實起著重要作用,蠟層的存在限制內(nèi)部水分蒸發(fā),并保護水果免受有害生物和非生物因素的影響。雖然蠟層的存在對枸杞漿果后期的貯藏有保護作用,但在實際生產(chǎn)中為加快干燥速率需要進行干燥前處理將蠟層去除[11]。

研磨處理、超聲處理及冷等離子體處理等7種不同預(yù)處理方法對枸杞干燥特性及品質(zhì)的影響如表1所示。不管是物理預(yù)處理還是化學(xué)預(yù)處理都是通過消除蠟質(zhì)層,降低干燥過程中水分遷移的阻力,增加果皮的滲透性來加快干燥效率,從而提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。研究人員采用研磨的方式去除蠟質(zhì)層,雖可大大縮短干燥時間但該技術(shù)可能會給產(chǎn)品帶來不良外觀[12];而超聲[13]及冷等離子體技術(shù)[14]的應(yīng)用則會增加經(jīng)濟成本。與物理預(yù)處理相比,化學(xué)預(yù)處理方式憑借便捷、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注[15-16]。然而,化學(xué)試劑殘留產(chǎn)生的潛在毒性可能會導(dǎo)致食品安全問題,廢水的后期處理同樣對環(huán)境也構(gòu)成挑戰(zhàn)。近期,有研究人員使用聯(lián)合預(yù)處理方式處理枸杞蠟質(zhì)層,尋求在食品安全及經(jīng)濟效益之間找到相應(yīng)平衡[17]。未來,枸杞干燥前處理方式的研究應(yīng)注重經(jīng)濟及安全等多方面的考量,可將重點放在聯(lián)合預(yù)處理方式的開發(fā)與應(yīng)用。

2 干燥方式對枸杞干燥特性及品質(zhì)的影響

2.1 太陽能干燥技術(shù)

自然晾曬是人類已知干燥水果和蔬菜的最古老方式之一,主要目標(biāo)是將樣品中水分含量降低到一個允許長時間安全儲存的水平[19]。此外,干燥還大大減少了重量和體積,最大限度地降低了包裝、儲存和運輸成本。通常,成熟的枸杞采摘后直接或預(yù)處理后均勻放置在陽光下進行干燥。太陽能因其可再生性、綠色、無污染及廉價等優(yōu)勢成為一種重要的替代能源[20]。然而,自然晾曬存在易受天氣影響、干燥時間長、產(chǎn)品污染和產(chǎn)品損失等諸多缺點[21]。由此,研究人員開發(fā)了多類型太陽能干燥系統(tǒng)(見表2)。

表2 太陽能技術(shù)在枸杞干燥中的應(yīng)用Table 2 Application of solar energy drying technology in goji drying

太陽能干燥系統(tǒng)的研究,一方面集中在集熱器中新型材料的開發(fā),新型材料的使用,增加了熱吸收率且延長了太陽能系統(tǒng)的使用壽命[22-23];另一方面,針對太陽能干燥機局限于天氣因素的影響,研究人員開發(fā)多種聯(lián)合干燥系統(tǒng),克服天氣變化造成的不利因素。在不同類型的太陽能干燥器中,多段式太陽能干燥器[24]在最終產(chǎn)品質(zhì)量方面表現(xiàn)更好,它可以提供所需的溫度,更好地控制干燥。然而,由于以下原因太陽能干燥技術(shù)沒有得到更廣泛的應(yīng)用。如:a.干燥溫度上限較低,僅憑太陽能蓄能無法達到較高溫度;b.加熱過程緩慢,無法精準(zhǔn)控制干燥過程;c.聯(lián)合其他熱干燥方式后污染及成本控制問題。因此,面對現(xiàn)代工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn),單一太陽能干燥技術(shù)已無法滿足,今后應(yīng)進一步研究聯(lián)合干燥系統(tǒng),以滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2 熱風(fēng)干燥技術(shù)

熱風(fēng)干燥是以熱空氣為傳熱介質(zhì),通過風(fēng)機等設(shè)備將熱空氣介質(zhì)引入烘干室內(nèi),促進物料表面的水分汽化,從而達到干燥物料的效果[28]。熱風(fēng)干燥是一種表面加熱過程,熱量從物料表皮向內(nèi)部呈現(xiàn)梯度擴散,由于干燥過程中傳熱傳質(zhì)的不同機制,這一過程背后的機理是一個復(fù)雜的問題[29-30]。枸杞熱風(fēng)干燥相關(guān)研究詳見表3。

表3 熱風(fēng)干燥技術(shù)在枸杞干燥中的應(yīng)用Table 3 Application of hot air drying technology in goji drying

胡云峰等[31]研究發(fā)現(xiàn),影響枸杞熱風(fēng)干燥的關(guān)鍵因素取決于溫度這一參數(shù),干燥溫度越高,到達安全水分所需時間越短,但較高溫度會對干果色澤及滋味、氣味造成負面影響。BATU等[32]研究發(fā)現(xiàn),隨著熱風(fēng)干燥溫度從50 ℃升高到70 ℃,干燥時間從24 h 縮短到9 h,但70 ℃時干果維生素C/B6及ΔE均表現(xiàn)最差的結(jié)果。同時,趙丹丹等[33]研究發(fā)現(xiàn),枸杞熱風(fēng)干燥過程水分降低為非恒速運動,干燥前期物料中自由水分占主導(dǎo)地位,呈快速干燥階段;中后期結(jié)合水和半結(jié)合水占主導(dǎo)地位,干燥速率迅速降低。

相比于自然晾曬,熱風(fēng)干燥被視為一種更安全、快速的干燥方式,在防止微生物污染、保護生物活性成分和縮短干燥時間等方面熱風(fēng)干燥具有更多的優(yōu)勢[36]。然而,由于熱風(fēng)干燥過程中物料在高溫及有氧環(huán)境中長時間的暴露,會導(dǎo)致枸杞干果的質(zhì)量較鮮果明顯下降,還有可能導(dǎo)致物料嚴(yán)重的收縮、體積密度及復(fù)水能力的降低[37-38]。干燥技術(shù)的不斷發(fā)展,使人們對聯(lián)合干燥技術(shù)產(chǎn)生了極大的興趣,主要是通過減少加工時間和能源消耗,并保持物料的重要質(zhì)量屬性,來提高整體加工效率。因此,未來可將新型干燥技術(shù)與熱風(fēng)干燥相結(jié)合創(chuàng)造出更優(yōu)的枸杞干燥方式。

2.3 熱泵干燥技術(shù)

熱泵干燥是通過特制的干燥系統(tǒng)從低溫?zé)嵩次諢崃?通過封閉的循環(huán)系統(tǒng)傳遞到干燥室內(nèi),除去濕空氣、調(diào)節(jié)溫度從而干燥物料的干燥方式[39]。熱泵干燥過程中,系統(tǒng)可以從排氣中回收潛熱再次利用,從而提高熱效能,并有效控制干燥器進口氣體條件[40]。與熱風(fēng)干燥相比,熱泵干燥可降低物料干燥過程中的氧化褐變,更適用于高附加值產(chǎn)品。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低干燥成本,探究溫度、濕度和風(fēng)速等條件對干燥過程的影響。枸杞熱泵干燥相關(guān)研究詳見表4。

表4 熱泵干燥技術(shù)在枸杞干燥中的應(yīng)用Table 4 Application of heat pump drying technology in goji drying

目前研究中,傳統(tǒng)熱泵干燥技術(shù)直接應(yīng)用于枸杞干燥報道較少。根據(jù)生產(chǎn)實際,研究人員開發(fā)了多種熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)。胡燈運等[41]設(shè)計了一種新型太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由太陽能集熱器和空氣源熱泵機組組成,通過實驗發(fā)現(xiàn):干燥50 kg鮮枸杞,使用太陽能-熱泵聯(lián)合干燥可較單一熱泵干燥節(jié)省2.9 kW·h電能,且枸杞干制品具有較優(yōu)的品質(zhì)。ZHAO等[42]根據(jù)枸杞熱風(fēng)干燥的失水規(guī)律設(shè)計了一種新型熱泵干燥系統(tǒng),通過實驗驗證:該系統(tǒng)與同批次燃煤干燥室產(chǎn)品對比,干燥后產(chǎn)品總黃酮、枸杞總酚、總胡蘿卜素以及DPPH自由基清除率整體高于燃煤干燥枸杞的品質(zhì),且本批次熱泵干燥相對于燃煤干燥成本降低19%。

綜上所述,枸杞熱泵干燥器的開發(fā)多與太陽能集熱器相聯(lián)合,該系統(tǒng)的開發(fā)通過減少對化石燃料產(chǎn)生的電力依賴來減少能源消耗。此外,相比熱風(fēng)干燥,熱泵干燥系統(tǒng)可以更好地控制干燥條件,更有利于枸杞類易褐變漿果的干燥加工,可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量[18]。未來,為了增加熱泵干燥技術(shù)在枸杞加工業(yè)的潛在應(yīng)用,應(yīng)進一步降低干燥系統(tǒng)的運行成本,設(shè)計和建造適用于多環(huán)境條件下具有成本競爭力的熱泵干燥機器。

2.4 微波干燥技術(shù)

近十年,微波干燥技術(shù)在食品加工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,具有干燥速度快、干燥產(chǎn)品質(zhì)量較高和易于操作等優(yōu)勢[44]。在微波干燥的過程中,從物料中心到表面發(fā)生快速傳質(zhì),水分由內(nèi)向外傳輸,內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽,形成壓力梯度。因此,微波干燥可以防止物料在干燥過程中產(chǎn)生收縮[45]。研究人員已將微波干燥技術(shù)應(yīng)用于含熱敏成分的蔬菜及高含糖量水果的干燥中,在所有情況下干燥時間均顯著縮短,且與常規(guī)干燥方式相比,微波干燥產(chǎn)品的質(zhì)量得到改善或保持不變[46-47]。枸杞微波干燥相關(guān)研究詳見表5。

表5 不同干燥技術(shù)在枸杞干燥中應(yīng)用Table 5 Application of different drying techniques in goji drying

由表5可知,微波干燥技術(shù)作為一種高效、便捷的加工方式在枸杞干燥中較其他傳統(tǒng)干燥技術(shù)應(yīng)用范圍更廣、干燥效率更高。馬林強等[48]使用自行設(shè)計改造的微波干燥裝置干燥枸杞,結(jié)果表明,與自然晾曬相比,在適當(dāng)?shù)臈l件下,微波干燥可以顯著縮短干燥時間,獲得了質(zhì)量較優(yōu)的枸杞干制品。劉軍等[49]通過真空微波干燥枸杞響應(yīng)面實驗發(fā)現(xiàn),微波功率、裝載量和真空度均會對枸杞干果品質(zhì)造成影響,通過多元回歸模型優(yōu)化,得出最優(yōu)干燥工藝為:功率質(zhì)量比為1∶1,真空度70 kPa,裝載量300 g。

目前研究表明,微波干燥過程中由于其特殊的傳熱傳質(zhì)特性,可以縮短干燥時間,提高干燥品質(zhì),在枸杞干燥中具有很大的潛力[50]。但同時,也有一些缺點限制著微波干燥技術(shù)在工業(yè)中的實際應(yīng)用:一方面,微波干燥腔內(nèi)電磁場的不均勻性,可能會造成物料某處因溫度過高導(dǎo)致品質(zhì)劣變;另一方面,較大的微波功率可能會導(dǎo)致物料干燥過程中急速膨脹,從而導(dǎo)致物料質(zhì)地發(fā)生不良變化。隨著干燥技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者將微波干燥與其他干燥技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)聯(lián)合干燥技術(shù)[49];以及以脈沖的方式應(yīng)用微波能量,最大限度的提高干燥效率[51]。因此,在今后的研究中可將其他先進干燥方式與微波干燥相結(jié)合,開發(fā)出更適用于枸杞類漿果干燥的新技術(shù)。

2.5 冷凍干燥技術(shù)

冷凍干燥技術(shù)是一種高效的脫水方法,在21世紀(jì)得到了快速發(fā)展。物料在冷凍干燥前,首先在低溫下進行預(yù)凍將水分凍結(jié),然后在冷凍干燥機中直接將固態(tài)水升華為氣體除去[59]。在食品工業(yè)中,冷凍干燥比其他脫水方法具有顯著優(yōu)勢:a.它最大限度地保留了原始新鮮食品的色澤、風(fēng)味和外觀,保護了生物活性成分,避免了營養(yǎng)成分的損失,特別適用于熱敏產(chǎn)品的干燥加工[60];b.冷凍干燥后的食品可以很容易進行再水化,再水化速度較快[61];c.冷凍干燥的產(chǎn)品可以保持較低的水分含量,便于保存及運輸[62]。目前,冷凍干燥技術(shù)已被應(yīng)用于洋蔥[63]、菠蘿[64]、海參[65]和蘋果[66]等各種農(nóng)產(chǎn)品的脫水。枸杞冷凍干燥相關(guān)研究詳見表5。

冷凍干燥屬于非熱干燥,較熱干燥(自然晾曬、熱風(fēng)干燥和熱泵干燥)技術(shù)可以更好地保留其生物活性成分及外觀形態(tài)。李強等[53]對比了熱風(fēng)干燥和冷凍干燥2種方式加工的枸杞干果發(fā)現(xiàn),經(jīng)真空冷凍獲得的枸杞干果顏色與新鮮樣品更為接近,表面光滑且物料收縮率較小,枸杞多糖和維生素C含量較熱風(fēng)干燥均表現(xiàn)較優(yōu)的結(jié)果。因冷凍干燥特性,凍干枸杞變得酥脆,具有良好的再水化及清脆的口感,最大化保留了新鮮枸杞的色澤、口味及營養(yǎng)成分;凍干后的枸杞干果浸泡在水中,可以快速吸水,恢復(fù)到鮮果的狀態(tài),整果漂浮在水上[55]。

綜上所述,冷凍干燥的枸杞較其他干燥方式擁有更好的外觀,可以保留更多的營養(yǎng)成分及擁有酥脆的口感,這可能會讓枸杞工業(yè)的發(fā)展迎來新的機遇。然而,冷凍干燥枸杞干果的酥脆性也為其產(chǎn)品的貯藏和運輸造成新的難題,可能會增加額外的費用及損耗。此外,冷凍干燥技術(shù)的高耗能和高成本問題同樣阻礙著該技術(shù)在枸杞加工業(yè)的發(fā)展。未來,開發(fā)更廉價的冷凍干燥設(shè)備,可將該技術(shù)的潛在優(yōu)勢更好地應(yīng)用于枸杞加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.6 其他干燥方式

為了滿足節(jié)約能耗和獲取優(yōu)質(zhì)脫水食品的要求,研究人員將更多的新型干燥技術(shù)應(yīng)用于枸杞干燥。如脈沖真空干燥,干燥過程中物料處于真空低壓環(huán)境中,水分在較低沸點蒸發(fā),可有效抑制物料發(fā)生氧化褐變,從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。XIE等[56]研究干燥溫度及脈沖真空比對枸杞脈沖真空干燥特性影響,結(jié)果表明脈沖真空干燥顯著縮短了干燥時間,干果多糖含量、色澤和復(fù)水率均表現(xiàn)較優(yōu)結(jié)果。此外,紅外干燥因其干燥速度快、易控制和無污染等優(yōu)勢而受到歡迎。趙麗娟等[57]對比真空遠紅外干燥與熱風(fēng)干燥枸杞品質(zhì)發(fā)現(xiàn),真空遠紅外干燥憑借高傳熱系數(shù)可大幅縮短時間,且物料在真空環(huán)境中干燥,所需干燥溫度相對較低,干果質(zhì)量優(yōu)于熱風(fēng)干燥。近期,電流體動力干燥作為一種新型非熱干燥技術(shù)應(yīng)用于枸杞干燥中,具有干燥速度快、對物料中活性成分破壞小以及節(jié)能等優(yōu)勢[58]。新型干燥技術(shù)的應(yīng)用,促使枸杞產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展,這可能為枸杞加工帶來新的商機。

2.7 枸杞不同干燥方式的綜合分析

研究表明,枸杞干果的質(zhì)量很大程度上取決于干燥方式。目前,我國枸杞干燥方式主要有太陽能干燥、熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、微波干燥及冷凍干燥等技術(shù)。干燥品質(zhì)及能源消耗是評估干燥技術(shù)優(yōu)劣的重要因素,不同干燥方式在枸杞干果加工中的優(yōu)缺點及對能耗的影響如表6所示。傳統(tǒng)熱干燥方式能耗相對較低,但干燥溫度對于枸杞干果品質(zhì)的影響較大。高溫的使用,雖縮短了干燥時間和能源的消耗,但也常伴隨著枸杞干果品質(zhì)的下降。隨著非熱干燥(冷凍干燥)技術(shù)的快速發(fā)展,更優(yōu)品質(zhì)的枸杞干果被生產(chǎn)制造。通過該工藝制造生產(chǎn)的枸杞干果表現(xiàn)出更接近于鮮果的顏色、氣味和營養(yǎng)含量。此外,將紅外干燥和脈沖干燥與其它干燥方式相結(jié)合的聯(lián)合干燥方式,同樣可以提高干燥效率,且有助于枸杞干果色澤和營養(yǎng)物質(zhì)的保留,聯(lián)合干燥方式正逐漸成為枸杞干燥研究的熱點。

表6 枸杞不同干燥方式的對比Table 6 Comparison of goji different drying methods

3 結(jié)論

新鮮枸杞作為一種典型的特殊食品,表皮覆蓋蠟質(zhì)層,使直接干燥成為一個緩慢且高能耗的過程。因此,本文綜述了各種枸杞干燥前處理技術(shù)以幫助提高干燥效率。同時,研究發(fā)現(xiàn),鮮枸杞含糖量高、鮮果貯藏期很短,容易發(fā)霉和腐爛,必須采摘后迅速干燥才能長期儲存。傳統(tǒng)的自然晾曬技術(shù)由于受天氣因素制約,干燥時間長,質(zhì)量不易控制;熱風(fēng)、熱泵干燥成本較低且易于操作,在現(xiàn)行枸杞加工業(yè)中應(yīng)用較廣。隨著枸杞產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,更多新型干燥技術(shù),如微波干燥、冷凍干燥、紅外干燥及新型多級組合優(yōu)質(zhì)高效干燥技術(shù)在枸杞加工中顯示出巨大的市場潛力。同時,設(shè)計操作更安全、環(huán)境影響更小、能效更高和成本更低的智能化干燥設(shè)備的開發(fā),也是農(nóng)產(chǎn)品干燥加工未來發(fā)展的方向之一。