藍莓液氮式流態化速凍工藝研究

張慶鋼，陶樂仁，鄧 云，鄭志皋，蔡梅艷

（1.上海理工大學低溫與食品研究所，上海200093；2.哈爾濱商業大學制冷空調研究所，黑龍江哈爾濱150028；3.上海交通大學食品科學與工程系，上海200240）

藍莓（Vaccinium corymbosum L.），通常稱為越橘果，風味獨特，營養豐富[1]。可促進視網膜“桿細胞”生成，改善眼部肌肉疲勞[2]。能防止自由基的氧化作用，具有強力抗氧化和抗過敏功能，可保護腦神經不被氧化，穩定腦組織功能[3-4]。藍莓屬多水分漿果，果實成熟期在6～8月份的高溫多雨季節[5]。

易腐爛，不宜貯存。如何在采收后長期保存藍莓，成為了藍莓產業發展中一項關鍵技術。現在貯存藍莓的方法有高氧[6]、氣調[7]、紫外線照射[8]、臭氧[9]、殼聚糖涂膜[10]等方式。

流態化速凍以其凍結速度快，解凍后食品質量高的特點逐漸發展成為單體速凍食品產品的重要工業凍結方法之一[11]。當前，應用液氮式流化床速凍藍莓技術國內外報道較少。本項研究是利用液氮式流化床速凍的方式對藍莓進行加工，檢測不同實驗條件下藍莓的多項指標，確定液氮式流化床速凍藍莓適宜的工藝條件。并總結流態化速凍工藝參數對藍莓多項指標的影響規律，為進一步優化藍莓的流態化速凍工藝提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藍莓 采自于上海市青浦現代農業園，成熟度、生長條件一致，分揀工作在冷庫整理間中完成，挑選無病蟲害及機械損傷的藍莓，單顆藍莓的平均直徑為（12±2.5）mm；2，6—二氯靛酚、纖維素酶（活力大于10000U/g）、二甲苯、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、六氰合鐵酸鉀、DPPH（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）均為分析純。

NR-C25EM1型冰箱 日本松下；DS-1高速組織搗碎機 上海標本模型廠；101-1型烘箱 上海市實驗儀器總廠；TDL-5型離心機 上海安亭科學儀器廠；UV-2000型紫外可見分光光度計 上海尤尼柯儀器有限公司；ZWA-J型阿貝折光儀 上海光學儀器廠；DK-S22型電熱恒溫水浴鍋、FA1604型電子天平 上海精密科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置 實驗所用液氮流化床速凍機結構如圖1所示，裝置主要由液氮噴淋預凍與流態化速凍兩部分組成。其凍結流程如下：首先，食品經過輸送帶的輸送后進入液氮噴淋預凍段，在該段里液氮由液氮噴嘴5噴出；預凍后的食品進入流態化速凍階段；完成凍結后的凍品最終從出料口出料。高壓氮氣瓶1對液氮灌2加壓至0.2～0.3MPa，由噴嘴12噴出的霧狀液氮，在風道11內和送風迅速換熱蒸發，同時將風道11中的空氣冷卻。被冷卻后的空氣向上經過物料，使其在流態化狀態下迅速降溫凍結。

圖1 荔枝酒釀造工藝流程Fig.1 Brewing process of litchi wine

1.2.2 實驗設計 將藍莓清洗、晾干。將樣品分成十組，依據不同條件在液氮式流化床上速凍（具體條件見表1）。為較全面的考察因素的水平范圍，同時盡可能的降低實驗次數，選用均勻實驗方法安排實驗。考慮到回歸方程的可靠性，選擇U10（104）（偏差D＝0.1277），實驗次數10次，將五水平重復一次，按自由度分析（誤差自由度＝5），其誤差有足夠的自由度（≥5），回歸方程更可靠。優化的均勻實驗方案如表1所示。每次實驗用三個熱電偶感溫探頭分別測3個不同的藍莓中心溫度，通過溫度采集儀顯示溫度，當中心溫度達到-15℃，實驗結束。記錄時間和電子秤顯示的液氮罐減少質量，即測量出每組樣品凍結時間及液氮耗量。并對速凍完成的樣品進行指標檢測，根據實際生產要求采用主觀賦權法進行不同權重的設置，然后根據計算所得的綜合值進行回歸分析，以確定藍莓最佳的液氮流化床速凍工藝參數。主觀賦權法中指標觀測值的評分值與加權綜合指標值的具體算法如下：

計算各指標觀測值的評分值按公式y′ij=×100計算。設每個指標的最大值yjmax對應y′ij=100分，最小值yjmin對應y′ij=0分。

計算加權綜合指標值按公式yi*=∑wj·y′ij計算。對越小越好的指標前為“－”號，綜合指標越大越好。

其中：y′ij—各指標觀測值的評分值；yij—各指標觀測值；yjmax—每個指標的最大值；yjmin—每個指標的最小值；yi*—加權綜合指標值；wj—權重；i、j—下腳標，i表示實驗號1 ～10、j表示指標1 ～6。

表1 U10（104）混合均勻實驗方案Table 1 U10（104）uniform experimental design

1.2.3 指標檢測 VC含量的測定，采用2，6-二氯靛酚滴定法[12]。水分損失率的測定，采用稱重法。可溶性固形物的測定，采用GB12295-90[13]方法測定，用相對含量表示。花青素含量的測定，參考文獻[14]和[8]配制緩沖溶液，通過示差法[15]測定。2，2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH）自由基清除率，參考[16-17]方法，在517nm處測定該溶液的吸光值AA及DPPH乙醇溶液的吸光值AB。樣品清除自由基的能力用清除率表示：清除率（%）=[（AB-AA）/AB]×100。還原力的測定，依據[18]檢測方法，在700nm處測定其吸光值，吸光值越大表示還原力越強（以上清液做空白）。所有檢測均重復三次，取其平均值。

1.3 統計分析

用Matlab 7.0軟件對數據進行回歸處理。

2 結果與分析

2.1 不同條件藍莓速凍時間與液氮耗量的研究

表2為10組不同工藝條件下，藍莓液氮式流態化速凍的凍結時間和液氮消耗量的實驗測量結果。

從表2可知，凍結溫度在-30～-50℃之間時，隨著溫度的降低，藍莓速凍時間縮短。液氮耗量受床層高度的影響顯著，即受藍莓質量多少的影響顯著。雖然不能直接得出液氮耗量與凍結溫度的影響關系，但隨著凍結溫度的降低，單位時間的液氮耗量基本為增加的趨勢。第九組反常現象可能為實驗誤差因素引起。

表2 藍莓流態化速凍時間及液氮耗量Table 2 Quick-frozen time and liquid nitrogen consumption for quick-freezing blueberries in LN2-spraying fluidized freezer

表3 藍莓液氮流化床速凍實驗結果Table 3 Experimental test results of blueberries’quick frozen in liquid nitrogen fluidized bed

2.2 藍莓速凍工藝研究

表3為藍莓液氮流化床速凍實驗指標檢測結果。可以看出，在藍莓所有的10組實驗中，失水率均低于3%，但在0.41%～2.71%范圍差別較大；還原力幾乎都在2左右，受不同凍結條件的影響不大；而花青素在-30～-50℃的低溫下穩定性較好，差別亦不大。每項指標的標準差可以反映數值相對于平均值的離散程度，將標準差與平均值相比，其數值大小可以反映不同凍結條件對該指標的影響程度。從而便可比較不同凍結條件對不同指標影響程度：失水率（0.562）＞VC（0.164）＞可溶性固形物（0.143）＞花青素（0.115）≈還原力（0.118）≈DPPH·清除率（0.112）。

采用Matlab對以上實驗數據進行回歸擬合，結果表明：以凍結溫度、風機風速和床層高度因素分別為X1、X2、X3進行線性擬合，所得結果與實際經驗不吻合。因此，直接對VC含量等6項指標進行二次回歸模擬擬合。其通式為：

分別以VC含量等6項指標為Y值，凍結溫度、風機風速和床層高度因素分別為X1、X2、X3。利用逐步回歸技術，求得6個回歸方程如下：

a.VC含量（mg/100g）：

b.花青素（mg/100g）：

c.還原力：

d.可溶性固形物（%）：

e.失水率（%）：

f.DPPH·清除率（%）：

實際生產中6個實驗指標的重要程度不一樣。對于大多數經冷凍冷藏的藍莓，作為普通加工原料，保證VC、可溶性固形物、失水率等指標較優，已基本可保證藍莓質量。原料如有特殊要求，也可關注其他指標。

對U10（104）均勻實驗的VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率評分。然后依據不同凍結條件對不同指標影響程度，對上述6項指標進行分值權重，VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率分別按2.5、1、1、2、2.5、1進行加權（把失水率與VC認為同等重要），加權后可得綜合值，見表4。

回歸結果：Y=-35.6182+1.7206X1+6.6531X2+46.8967X3-6.4885-5.9925-0.8064X1X2+0.338X1X3+4.073X2X3。

復相關系數R=0.9992，F=731.3467顯著水平p=0.0286＜0.05，因此回歸方程顯著。由回歸結果發現，Y與無關；在顯著性影響的因素中，凍結溫度（X1）和床層高度（X3）對液氮流化床速凍產品的以上6項指標影響顯著，而風機風速（X2）的影響不顯著。在交互項中，X1X2、X2X3、X1X3對產品指標有顯著性影響。經過軟件計算，當X1=-40，X2=4.5，X3=3.6時，Y取得最大值。與10組實驗中的第三組條件吻合。最大值為Y=47.733，與實測評分值相差0.83%。從而得到凍結溫度為-40℃，風機風速4.5m/s，床層高度3.6cm為最佳參數組合。

表4 U10（104）均勻實驗綜合評價結果Table 4 The evaluation values of experimental results

2.3 藍莓速凍工藝參數對指標的影響

通過對回歸方程降維，可進行參數對指標的影響規律分析。在回歸方程中，令X2=4.5，X3=3.6，通過對X1離散化，就可以得到X1對Y的影響規律曲線。同理，分別可以得到X2和X3對Y的影響規律曲線。

2.3.1 工藝參數對失水率的影響 由失水率的回歸方程（p＜0.05）可以看出，失水率與無關。通過降維分析，可以得出溫度、風速和層高等工藝條件對失水率的影響。具體影響如圖2所示。

圖2中反映了失水率隨著溫度的升高、風速的增大和層高的增大而降低。說明在低溫情況下，隨著溫度的降低，加大了凍結溫差。溫差的增大，加大了藍莓失水動力，使失水量增大。正常情況下，風速提高，果蔬失水應該增加。但在當前流態化條件下，風速在一定范圍內的適當提高，使藍莓流態化效果增強，凍結時間縮短，使失水率降低。層高的加大，使藍莓的密集程度加大，與空氣的接觸面積相對（層高較低時）減少；同時，流態化效果增強，凍結時間縮短，使失水率降低。

2.3.2 工藝參數對VC的影響 VC具有較強的還原性，一般作為保存食品營養價值多少的一個衡量指標。經測定本實驗所用藍莓在新鮮狀態下VC含量為（13.56±0.15）mg/100g。經不同條件的流態化速凍后，對VC有不同的影響。由VC的回歸方程（p＜0.05）可以看出，VC含量與X1X2無關，即溫度和風速對VC含量沒有交互作用。通過降維分析，可以得出溫度、風速和層高等工藝條件對VC含量的影響。具體影響如圖3所示。由圖3看出，溫度對VC含量影響不大。說明了雖然VC是熱敏感性物質，其分解速度受溫度影響，但在低溫條件下，VC穩定性較好，有利于VC的保存。而風速和層高對VC含量影響較大，且均有影響最小點（即VC含量有極大值點），層高對VC含量影響最大。

圖2 流態化速凍工藝參數對失水率的影響Fig.2 Influence on the water loss rate of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.3 工藝參數對花青素的影響 花青素是迄今為止所發現的最有效的天然水溶性自由基清除劑[19]，在（5±1）℃貯藏過程中的穩定性良好[20]。由花青素含量的回歸方程（p＜0.05）可以看出，花青素含量與X32和X2X3無關。通過降維分析，可以得出溫度、風速和層高等工藝條件對花青素含量的影響。具體影響如圖4所示。由圖4看出，花青素含量幾乎不受層高的影響。雖然隨著溫度的升高穩定性下降，含量減少，但在-30 ～50℃的低溫下變化也不大。每升高一度，變化不到0.1%。說明花青素在-30～-55℃的低溫下穩定性也較好。受風速變化的影響相對明顯：先是隨著風速的提高，花青素含量降低；風速超過4.75m/s后，花青素含量又升高。

圖3 流態化速凍工藝參數對VC的影響Fig.3 Influence on the Vitamin C of fluidization quick-freezing process parameters

圖4 流態化速凍工藝參數對花青素的影響Fig.4 Influence on the anthocyanins of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.4 工藝參數對DPPH·清除率的影響 DPPH在有機溶劑中是一種穩定的自由基，其孤對電子在517nm附近有強吸收。當有機清除劑存在時，孤對電子被配對，吸收消失或減弱，通過測定吸收減弱的程度，可評價自由基清除劑的活性[21]。藍莓提取物對DPPH自由基的清除能力反映了藍莓的抗氧化能力[2]。通過降維分析，可以得出溫度、風速和層高等工藝條件對DPPH·清除率的影響。具體影響如圖5所示。由圖5看出，溫度低于-35℃時，溫度越低DPPH·清除率越高，高于-35℃時，DPPH·清除率同樣有升高趨勢；風速對DPPH·清除率的影響呈線性，風速越大，DPPH·清除率越高；而層高升高，DPPH·清除率基本是下降趨勢。

3 結論

凍結溫度、出風速度和床層高度三個因素對液氮式流態化速凍藍莓不同指標影響程度是不同的。以藍莓為對象，實驗研究了凍結溫度、出風速度和床層高度對其VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率等主要指標的影響。逐步回歸分析表明，在顯著性影響的因素中，凍結溫度（X1）和床層高度（X3）對液氮流化床速凍產品的以上6項指標影響顯著，而風機風速（X2）的影響不顯著。在交互項中，X1X2、X2X3、X1X3對產品指標有顯著性影響。均勻實驗綜合評價結果顯示：凍結溫度為-40℃，風機風速4.5m/s，床層高度3.6cm為藍莓最適宜的液氮流態化速凍工藝條件。

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圖5 流態化速凍工藝參數對DPPH·清除率的影響Fig.5 Influence on the DPPH radical scavenging of fluidization quick-freezing process parameters

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