食品工程中果蔬冻干技术的工艺参数优化与品质保持效果研究

一、引言

果蔬富含营养，对健康重要，但新鲜果蔬易腐烂，采后损失率高。传统干燥技术能延长保质期，但会导致营养流失等问题。冻干技术通过先冻结再真空升华除水，能避免传统技术弊端，已广泛应用。然而，冻干工艺参数影响效率与品质，科学优化参数以保证干燥效率和果蔬品质是食品工程领域关键问题。

二、果蔬冻干技术的基本原理与关键工艺参数

2.1 基本原理

果蔬冻干技术经历冻结、升华干燥和解析干燥三阶段。冻结阶段，将果蔬置于低温形成冰晶，需控制速率与温度以形成均匀细小冰晶。升华干燥阶段在真空下加热使冰晶升华，通过捕水器除水，主要去除自由水。解析干燥阶段针对结合水，提高温度使其脱离物料，降低含水量。

2.2 关键工艺参数

冻结温度影响冰晶形态，过低增加能耗，过高破坏细胞结构。升华干燥温度需在物料共晶点与共融点之间，过低降低效率，过高导致物料收缩硬化。解析干燥温度高于升华干燥温度，但过高会破坏热敏性营养成分。真空度保障冻干过程，过高增加能耗与成本。干燥时间需根据果蔬情况合理设定，过短易霉变，过长影响质构风味。

三、果蔬冻干工艺参数的优化方法

3.1 正交试验法

正交试验法是一种高效的多因素优化方法，通过合理安排试验方案，以较少的试验次数获取各因素对试验指标的影响规律。在果蔬冻干参数优化中，可选取冻结温度、升华干燥温度、真空度、干燥时间等为试验因素，每个因素设定多个水平，以产品含水量、维生素 C 保留率、复水性等为评价指标，通过正交试验确定各因素的最优水平组合。例如，在草莓冻干工艺优化中，选取冻结温度（ -30^∘C 、 ∠40^∘C 、- ⋅50^∘C ）、升华干燥温度（ 30^∘C. 、40^∘C 、 50^∘C ）、真空度（ 10Pa 、 20Pa. 、 30Pa ）为因素，通过正交试验发现，当冻结温度为 - 40^∘C 、升华干燥温度为 40^∘C 、真空度为 20Pa 时，草莓冻干产品的维生素 C 保留率最高，复水性最佳。该方法操作简便、成本较低，适用于初步的工艺参数优化。

3.2 响应面法

响应面法在正交试验基础上，通过建立二次回归模型，对因素与响应值之间的关系进行拟合，可更精准地确定最优工艺参数组合。以芒果冻干为例，以冻结时间、升华干燥温度、解析干燥温度为影响因素，以芒果冻干产品的色差、硬度及总酚含量为响应值，采用 Box-Behnken 试验设计构建响应面模型。结果表明，冻结时间 12h、升华干燥温度 35^∘C. 、解析干燥温度 55^∘C 时，模型预测值与实际值拟合度较高，此时芒果冻干产品色泽接近新鲜芒果，硬度适中，总酚含量保留率达 85% 以上。响应面法能直观反映各因素交互作用对产品品质的影响，优化结果更为可靠，广泛应用于果蔬冻干工艺的精细优化。

3.3 智能化优化方法

随着人工智能技术的发展，神经网络、遗传算法等智能化方法逐渐应用于果蔬冻干工艺参数优化。利用神经网络对冻干过程中的多组工艺参数与产品品质数据进行训练，建立预测模型，可快速预测不同工艺参数组合下的产品品质；结合遗传算法的全局寻优能力，能高效搜索到最优工艺参数。例如，在西兰花冻干优化中，通过 BP 神经网络建立工艺参数与维生素 C 含量、叶绿素含量的预测模型，再利用遗传算法对模型进行寻优，最终确定的最优工艺参数使西兰花冻干产品的维生素 C 和叶绿素保留率较传统优化方法提高 5‰ 。智能化优化方法适应复杂的冻干系统，具有高效、精准的优势，为果蔬冻干工艺优化提供了新方向。

四、优化工艺参数对果蔬品质的保持效果

4.1 营养成分保留

优化后的冻干工艺参数能有效减少果蔬中热敏性营养成分的损失。以菠菜为例，采用传统冻干工艺时，维生素 C 保留率仅为 60% 左右，β - 胡萝卜素保留率约为 70% ；通过正交试验优化冻结温度、升华干燥温度及真空度后，维生素 C 保留率提升至 82% ，β - 胡萝卜素保留率达 90‰ 。这是因为合理的冻结温度形成细小冰晶，避免细胞结构破坏导致的营养流失，适宜的升华与解析温度则减少了热敏性成分的热降解。此外，优化工艺还能较好保留果蔬中的膳食纤维、矿物质等非热敏性营养成分，使冻干产品营养更全面。

4.2 色泽维持

果蔬的色泽是影响产品感官品质的重要指标，冻干过程中的温度、氧气接触等易导致色泽变化。优化工艺参数可有效抑制色泽劣变。例如，在苹果冻干中，通过降低冻结温度至 - 45^∘C ，缩短冻结时间，同时控制升华干燥温度在 30^∘C 以下，并采用真空包装隔绝氧气，苹果冻干产品的 L 值（亮度值）较传统工艺提高 10% ，a 值（红绿色差）更接近新鲜苹果，有效抑制了酶促褐变与非酶褐变。对于叶绿素含量较高的果蔬如芹菜，优化解析干燥温度，避免温度过高导致叶绿素分解，可使冻干产品保持鲜绿色。

4.3 质构与复水性

优化工艺参数能改善果蔬冻干产品的质构与复水性。合理的冻结与干燥参数可使产品形成疏松多孔的结构，质地酥脆，避免出现坚硬、收缩等问题。在猕猴桃冻干中，优化后的工艺参数使产品孔隙率达 65% 以上，硬度较传统工艺降低 30% ，口感更佳。同时，疏松的结构增大了产品与水的接触面积，提高复水性。经优化工艺处理的草莓冻干产品，复水时间缩短至 3min 以内，复水后质地柔软，接近新鲜草莓的口感，而传统工艺生产的产品复水时间需 5⋅8min ，复水后易出现软烂、变形等情况。

五、结论

果蔬冻干技术的工艺参数优化对提升产品品质具有关键作用。通过正交试验、响应面法及智能化方法等优化手段，合理调控冻结温度、升华干燥温度、真空度等关键参数，可有效保留果蔬的营养成分、维持色泽、改善质构与复水性。然而，目前果蔬冻干工艺参数优化多针对单一品种，缺乏普适性的优化体系，且部分优化方法存在成本较高、操作复杂等问题。

参考文献

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