5 種蘋果微粉的理化品質與行為特征

薛玉潔，陳芹芹，畢金峰，周 沫，寧喜斌*，王淑珍

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193）

5 種蘋果微粉的理化品質與行為特征

薛玉潔1,2，陳芹芹2，畢金峰2，周 沫2，寧喜斌1,*，王淑珍1,2

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193）

為了制備高品質的蘋果純粉，給蘋果制粉加工和新產品開發提供理論支持，以國家蘋果種質資源圃中常見的5 個加工兼鮮食蘋果品種（長富2號、寒富、黃元帥、國光、秦冠）為原料，采用中短波紅外干燥聯合普通粉碎技術制備蘋果微粉，對蘋果微粉的理化指標及加工過程中的行為特征進行測定與分析，采用主成分分析法對蘋果微粉的品質評價指標進行簡化。結果顯示，在理化指標方面，色澤上寒富蘋果微粉的亮度顯著高于其他品種蘋果微粉，秦冠蘋果微粉的亮度最小；長富2號微粉的總酚含量最高；富士系蘋果微粉的總糖含量最高。在行為特征方面，長富2號和寒富在高應力條件下的黏結性較小且在輸送過程中表現較好。對測定的20 項指標依據主成分解釋總變量和碎石圖，從中提取了反映原來變量90.38%信息的3 個主成分，綜合各項指標得出富士系蘋果是制備高品質蘋果微粉的優選品種。

蘋果；品種；微粉；品質；流動性；主成分分析

我國是蘋果生產大國，據國家統計局統計，2014年我國蘋果產量達4 092.32萬 t[1]，約占世界總量的一半，居世界第一位。近年來，隨著城鄉居民收入的增長及飲食需求結構的變化，消費者對蘋果加工產品形式的需求越來越多樣化，對蘋果加工產品的質量要求也越來越高[2]。不同的蘋果品種適合加工的產品不同，同時不同品種的蘋果其加工特性也有區別[3]。

蘋果粉具有水分含量低、便于運輸、加工用途廣泛等優點，對新鮮果蔬進行干燥制粉，是近年來果蔬加工的新趨勢，成為行業內關注熱點之一[4]。許牡丹[5]、馬超[6]等研究蘋果純粉的制備加工工藝，張雨等[7]研究提高蘋果粉穩定性的適宜貯藏溫度和添加劑，Jakubczyk等[8]研究蘋果皮粉的水分吸附特性和玻璃化轉變溫度。國內外學者對蘋果粉的研究多集中在蘋果加工工藝、提高蘋果粉溶解性、貯藏穩定性等，而對不同品種的蘋果制備出的粉末品質，特別是加工過程中粉末的行為特征研究較少。

在果蔬粉加工過程中，果蔬粉的行為特征是實現高效率制粉的重要指標。粉末通常被認為是顆粒的簡單組合，事實上，粉末是以顆粒形式存在的固相、以顆粒間隙的空氣形式存在的氣相、以顆粒表面或者結構內部的水分形式存在的液相三相組成的復雜體。粉體的這種復雜結構表現出多種行為特征，其決定了粉末在加工過程以及最終應用中的表現。表征粉末行為特征的傳統方法有卡爾指數[9]、休止角[10]、振實松裝密度比較[11]、剪切盒分析等。這些方法的敏感性、區分性和數據重復性不理想，得到的參數并不系統。FT4多功能粉末測試儀是通過多種模塊測定粉體的壓縮百分比、剪切力和基本流動能等指標綜合評價粉末的行為特征，實現對粉末行為的系統表征。

本研究以長富2號、寒富、黃元帥、國光和秦冠5 個常見的加工兼鮮食蘋果品種為原料，通過測定粉體的理化指標和加工過程中的行為特征指標包括壓縮性、剪切性和流動性，利用主成分方法分析理化指標并聯系粉體的行為特征分析不同品種蘋果微粉的品質，明確適用于制粉的蘋果品種，旨在為蘋果制粉加工和新產品開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮的寒富、長富2號、黃元帥、國光、秦冠蘋果 遼寧興城中國果樹研究所。實驗前將物料貯存于（4.0±0.5） ℃的冷庫。

1.2 儀器與設備

中短波紅外干燥機 圣泰科紅外科技有限公司；CL 50蔬菜水果處理機 法國Robot Coupe公司；CPA-125電子天平 德國Sartorius公司；Series 4TE水分活度儀 美國AquaLab公司；S3500激光粒度儀 美國Microtrac公司；CM700D分光測色計 日本柯尼卡美能達公司；3K15離心機 德國Sigma公司；AUW220萬分之一天平、紫外-可見分光光度計 日本島津公司；FT4多功能粉質分析儀 英國Freeman Technology公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果干燥前處理

取無傷病的新鮮蘋果，用流動水清洗，去核器去核，切片機切成5 mm厚的蘋果片，置于1%食鹽水中浸泡5 min護色，瀝干待干燥。

1.3.2 蘋果微粉制備工藝

采用中短波紅外干燥技術對蘋果片進行干燥，功率1 350 W，溫度70 ℃，輻射距離80 mm，風速2.1 m/s。干燥210 min后，利用萬能粉碎機對樣品進行粉碎。粉碎3 次，每次粉碎20 s，間隔時間5 min，避免儀器過熱對物料產生影響，共粉碎60 s。

1.3.3 蘋果微粉理化指標的測定

蘋果微粉的水分含量參照直接干燥法[12]進行測定；水分活度使用水分活度儀測定，將蘋果微粉平鋪滿樣品盒，高度為容器的2/3，放進儀器內進行測定；粒徑利用激光粒度儀測定[13]；色澤采用分光測色計測定，記錄各樣品的明度指數（L值）、紅綠指數（a值）和黃藍指數（b值）。色差值ΔE通過公式（1）計算：

式中：L、a和b表示干燥后樣品的色澤值；L0、a0和b0表示鮮樣色澤值。

總酚含量采用沒食子酸比色法[14]測定；黃酮含量采用蘆丁比色法[15]測定；總糖含量采用苯酚-硫酸法[16]測定；礦物質元素含量采用消解法[17]測定。

1.3.4 蘋果微粉的行為特征測試

利用FT4多功能粉質分析儀測定蘋果微粉樣品的行為特征參數。FT4多功能粉質分析儀以固定的“螺旋角”和“線速度”沿螺旋軌跡將螺旋槳葉片“切入”粉末，通過測定葉片所承受的阻力來表征粉末的各項行為特征。所有的測試都采用48 mm葉片以及50 mm直徑容器。表征粉體行為特征的各項參數及定義見表1，所有參數均用轉矩或力表示。

表1 表征粉末行為特征的各項參數及定義Table 1 Def i nition of different parameters for powder behavior

1.4 數據分析

本實驗中采用SPSS 21.0軟件進行數據分析處理；實驗分析圖采用Origin 8.0及Excel 2010軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 蘋果微粉的理化指標

2.1.1 不同品種蘋果微粉水分含量、水分活度和粒徑分布水分含量、水分活度、粒徑D50是研究果蔬粉體的基本參數。不同品種蘋果微粉的水分含量、水分活度和粒徑D50見表2。

表2 不同品種蘋果微粉的水分含量、水分活度和粒徑D50對比Table 2 Water content, water activity and PSD of apple micropowder from different cultivars

不同品種蘋果微粉的水分含量范圍為7.0%～10.7%。在相同的干燥條件下，不同品種蘋果微粉的水分含量不同。隨著粉體中水分含量的增加，粉體顆粒之間的相互作用由于形成液橋而加強[18-19]。粉體中的液體容易包裹在顆粒表面，顆粒與顆粒之間形成液相橋接，降低顆粒的獨立性，阻礙顆粒彼此自由移動。但在帶靜電的粉體中，水可作為導電介質，釋放松裝粉體中的靜電，并讓顆粒順暢地流動。所以，必須確保松裝粉體中包含足夠的水，以最大程度降低靜電效應，但水分含量又不能太高，過高致使顆粒間形成液相橋接影響粉末流動性。水分活度可反映食品體系中可參與生物化學反應的自由水的含量[20]，是確定貯藏期限的一個重要因素。總的來說，水分活度越小的產品越穩定。當水分活度低于0.60時，絕大多數微生物無法生長，食品體系中大多數的酶類物質的活性大幅度降低，氧化水解作用降低。不同品種蘋果微粉的水分活度范圍為0.130～0.151，此水分活度在微生物學安全范圍內。不同品種蘋果微粉的水分活度與水分含量表現一致。

蘋果微粉的粒徑分布用激光粒度儀測定。不同品種蘋果經過相同制粉工藝處理之后，蘋果微粉的粒徑范圍為42.74～61.74 μm，黃元帥蘋果微粉的粒徑最大，而寒富蘋果微粉的粒徑最小。粉體的粒徑大小會影響粉體的流動性。粉體粒徑太小導致粉末暴露太多的水合表面積，更容易吸濕，也可能由于表面的表達力，即范德華力、磁性和靜電等[21]導致粉末結塊，促使粉體的流動性變差。

2.1.2 不同品種蘋果微粉的色澤

干燥產品的色澤屬性直接影響產品被消費者接受的程度，是評估果蔬粉品質的重要指標。不同品種制得的蘋果微粉（L、a、b）和蘋果鮮樣（L0、a0、b0）的色澤參數見表3。與鮮樣進行對比可以發現，干燥后產品的L值均顯著增加，這與前人的實驗結果一致，即高溫會導致產品顏色的改變[22-23]。色差值（ΔE）表示蘋果粉體與鮮樣的色澤差異，色差值ΔE越小，說明樣品色澤與鮮樣的越接近[24]。結果表明，寒富、黃元帥蘋果微粉的ΔE值高于其余3 種，說明這兩種蘋果微粉的色澤與鮮樣差別較大。而寒富蘋果微粉的L值最大，秦冠蘋果微粉的L值最小，說明寒富蘋果微粉顏色最亮，而秦冠蘋果微粉的顏色最暗。

表3 不同品種蘋果微粉的色澤Table 3 Color parameters of apple micropowder from different cultivars

2.1.3 不同品種蘋果微粉的主要礦物質元素、總酚、黃酮和總糖含量

表4 不同品種蘋果微粉的礦物質、總酚、黃酮與總糖含量Table 4 Contents of mineral, phenols, fl avonoids and sugar in apple micropowder from different cultivars

如表4所示，表中列出了4 種常見的礦物質元素含量以及3 種常見的化學指標。蘋果微粉中K元素的含量顯著高于其他3 種，其中，寒富和秦冠蘋果微粉中的K元素含量最高，且這兩種蘋果微粉的礦物質元素含量總體上高于其他3 種蘋果微粉。不同品種蘋果微粉的總酚含量由高到低的順序為：長富2號＞國光＞寒富＞黃元帥＞秦冠，黃酮含量由高到低的順序為國光＞秦冠＞黃元帥、長富2號＞寒富。長富2號微粉和國光微粉的總酚含量相近，而國光微粉的黃酮含量較高，秦冠微粉的總酚含量與黃酮含量比較接近。總酚和黃酮含量均有抗氧化作用，含量高可以提高蘋果粉的整體品質，以該指標看，國光和富士系品種制備的蘋果粉有較高的產品品質。不同品種蘋果微粉的總糖含量由高到低的順序為：長富2號＞寒富＞秦冠＞國光＞黃元帥。富士系的含糖量很高。粉末的化學組成與加工方式影響其對外部因素的敏感度[25]。食品粉末顆粒間的相互吸引力（通常稱為內聚力）依賴于它們的化學和生化性質[26]。內聚力會導致形成團塊從而影響粉體流動性等行為特征。

2.2 蘋果微粉的行為特征

對于蘋果微粉的各種應用，與其加工性能關系最大的行為特征各不相同[27-28]。影響粉末行為特征的因素有很多，單一的參數無法全面地表征粉末，因此需要測量多個特征。本實驗采用壓縮性、剪切性和基本流動能系統評價粉末的行為特征。

圖1 不同正應力條件下樣品的堆積密度壓縮百分比Fig. 1 Compressibility for bulk density under different normal stresses

圖1 是不同正應力下粉末堆積密度壓縮百分比的變化曲線。粉末的壓縮性是粉末的一種整體性質，用于研究運輸、存儲、加工（直接壓片，碾壓）等因素引起的密度變化。壓縮性會對粉末的流動性質，尤其是在稍高的應力條件下的流動性質產生影響。壓縮性高的粉末通常意味著粉末的黏結性高，容易發生固結。較高正應力條件下，5 種粉末的壓縮性明顯不同，壓縮性從高到低的排列次序是秦冠＞黃元帥＞寒富＞國光＞長富2號，較高的粉末壓縮百分比對螺桿輸送是不利的。

圖2 不同正應力條件下樣品的剪切強度Fig. 2 Shear strength of apple micropowder under different normal stresses

本實驗通過測量剪切應力表征粉末與粉末之間的摩擦。在相同的正應力條件下，剪切應力越大，粉末之間的摩擦力越大。由圖2可知，較高正應力條件下，5 種粉末樣品的剪切強度排列次序為：國光＞黃元帥＞秦冠＞長富2號＞寒富，粉末顆粒的內聚強度和UYS排序與剪切強度完全一致，表示國光粉末的黏度最高，而寒富粉末的最低。高的剪切強度值和高的粉末顆粒黏結性對料斗流動以及螺桿輸送都是不利的。

圖3 不同測試次數樣品的基本流動能Fig. 3 Basic fl ow energy of apple micropowder at different fl ow rates

表5 測試行為特征時不同品種蘋果微粉的主要實驗數據Table 5 Major experimental data for apple micropowder from different cultivars obtained in powder behavior test

前8次測試的流動速率為均100 mm/s，第9、10、11次的流動速率分別為70、40、10 mm/s。某些粉末在加工過程中流動良好，而有些則會產生橋接，出現阻塞或者間歇性流動等問題。由圖3可知，不同品種蘋果微粉的基本流動能均隨著測試時的流動速率的降低而升高。由表5可知，5 種粉末的BFE值存在顯著差異，黃元帥的BFE值最低，說明在一般情況下，黃元帥粉末易發生流動。寒富、黃元帥、國光和秦冠4 種樣品粉末可視為相對穩定（0.9＜SI＜1.1），長富2號粉末則穩定性略差。FRI表示粉末的流動能隨流動速率發生的變化。與多數粉末一樣，這5 種樣品粉末的流動能都會隨流動速率降低而增加。SE用來描述粉末處于松散堆積狀態下的流動性質，比如低應力條件下粉末之間的摩擦或者顆粒機械咬合。SE數值越高，意味著顆粒間的機械咬合越強，5 種蘋果微粉的SE值由高到低的順序為黃元帥＞寒富＞秦冠＞長富2號＞國光。

測試結果表明5 種蘋果粉末樣品的流動性質在不同環境和應力條件下都存在顯著區別。多參數分析粉末的行為特征，粉末的一種性能表現良好，不意味著其他性能表現良好。長富2號壓縮比低，有良好的存儲、加工等性能，但它的基本流動能是最高的，不利于它的料斗流動。說明具有這些性質是彼此獨立，互不相關的。

其中，秦冠、黃元帥具有較高的壓縮性，所以該樣品在高應力條件下的黏結性是最高的。黏性粉末在較低流速下流動時需要更大的流動能量，因為被粉末攜入的空氣能夠逃走，并形成一個抗流動性的硬殼。但黃元帥有較低的基本流動能，說明在低應力條件下黃元帥蘋果微粉的流動性最好，這與黃元帥具有最低的含糖量，不容易吸濕結塊有關。其他3 個品種的蘋果微粉的壓縮性差別不大，而寒富蘋果微粉樣品的剪切強度、內聚強度和UYS是4 個品種中明顯最低的，說明寒富蘋果微粉在輸送過程中表現是較好的。

2.3 主成分分析

在解決實際問題和研究中，經常會對研究對象盡可能收集更多的信息，以期對問題有一個全面綜合的認識，但大量信息反而成了分析和解決問題的障礙，為解決這一問題應采用主成分分析[29]。由于蘋果微粉的品質與多種理化指標有關，因此，采用主成分分析法對蘋果微粉品質進行評價。

對20 項指標的測定數值進行主成分分析。本實驗根據碎石圖并以特征值大于1，且綜合考慮方差貢獻率確定最優的主成分數[30]。前3個主成分的特征值大于1且累計方差貢獻率達90.38%，綜合了20 項參數的大部分信息。主成分1、主成分2和主成分3的方差貢獻率分別達41.48%、30.63%和18.28%，而主成分4僅占9.62%（表6），這說明蘋果品種的不同可以用主成分1、主成分2和主成分3解釋。

表6 主成分分析解釋總變量Table 6 Total variance explained for PCA (principal component analysis)

圖4 主成分分析載荷圖（a）和得分圖（b）Fig. 4 PCA scores of PC1 and PC2 for 5 apple varieties

表7 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣Table 7 Rotated principal component matrix

由圖4和表7可知，第1主成分主要綜合了L值、Na含量、水分含量、水分活度、BD、BFE、SE、CBD2（基本流動能測試中所得）的信息，這些指標主要涵蓋了蘋果粉的初始穩定性指標，其中L值、Na含量、SE在第1主成分上呈負向分布，水分含量、水分活度、BD、BFE、CBD2呈正向分布，即在PC1坐標正向，PC1越大，水分含量、水分活度、BD、BFE、CBD2越大，L值、Na含量和SE則越小。第2主成分主要綜合了CBD1（壓縮性測試中所得）、CPS的信息，主要涵蓋了加工輸送過程中的指標，Ca含量和CPS在第2主成分呈負向分布。第3主成分主要綜合了黃酮含量、總糖含量、K含量、MPS等理化指標，總糖含量、K含量在第3主成分呈負向分布。獲得的結果表明，蘋果粉的品質被初始粉末穩定性指標、輸送性指標和理化指標3 項有效區分。由圖4a、b能夠直觀地看出各蘋果品種與PC1和PC2的關系。國光和長富2號落在第一區間，其總酚、黃酮、總糖等含量豐富；寒富落在第二區間，與L值聯系密切，且L值較大。通過主成分分析，綜合其他分析結果得出，富士系蘋果品種在色澤、營養成分等理化指標方面表現良好，是制備蘋果微粉的適宜品種。

3 結 論

本實驗對比分析了5 種蘋果微粉的理化品質與行為特征指標，結果表明：在相同的加工方式下，對比蘋果微粉的理化品質，5 個品種蘋果微粉的物理性質如色澤、粒徑水平等有很大差別。長富2號的總酚和總糖含量最高。不同的行為特征主導著不同的實際應用。對于各種應用以及工藝步驟，各項粉末屬性的相關性不盡相同，且不存在普遍實用的單一粉末屬性。長富2號和寒富在高應力條件下的黏結性較小且在輸送過程中表現較好，黃元帥蘋果微粉在低應力條件下流動性最好。綜合各項指標分析及主成分分析，結果表明長富2號和寒富兩個富士系品種蘋果微粉的綜合品質最佳，加工過程中流動輸送表現良好，因此，確定寒富、長富2號富士系蘋果是制備高品質蘋果粉的適宜品種。

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Quality and Behavior Characteristics of Apple Micropowder Processed from Five Cultivars

XUE Yujie1,2, CHEN Qinqin2, BI Jinfeng2, ZHOU Mo2, NING Xibin1,*, WANG Shuzhen1,2
(1. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

To select the appropriate cultivar for processing pure apple micropowder, physicochemical and behavior characteristics of different pure apple micropowder processed from fi ve apple cultivars including Changfu No. 2, Hanfu, Golden Delicious, Guoguang and Qinguan were evaluated. Apple micropowder was prepared by using short- and mediumwave infrared radiation drying combined with coarse grinding technology. All above parameters were further analyzed by principal component analysis (PCA). Among these cultivars, the lightness L value of Hanfu apple micropowder was the highest, whereas Qinguan apple micropowder presented the lowest L value. The contents of total phenol and total sugar in Fuji apple micropowder were the highest. The cohesiveness of Changfu No. 2 apple micropowder and Hanfu apple micropowder was lower than that of other cultivars under the condition of high stress. Furthermore, three principal factors were selected through PCA, which could account for 90.38% of the total variability. In summary, Fuji apple is the most appropriate cultivar for processing apple micropowder.

apple; cultivar; micropowder; quality; fl owability; principal component analysis

10.7506/spkx1002-6630-201707018

TS255.4

A

1002-6630（2017）07-0109-06

薛玉潔, 陳芹芹, 畢金峰, 等. 5 種蘋果微粉的理化品質與行為特征[J]. 食品科學, 2017, 38(7): 109-114. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201707018. http://www.spkx.net.cn

XUE Yujie, CHEN Qinqin, BI Jinfeng, et al. Quality and behavior characteristics of apple micropowder processed from five cultivars[J]. Food Science, 2017, 38(7): 109-114. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201707018. http://www.spkx.net.cn

2016-06-22

“十三五”國家重點研發計劃重點專項（2016YFD0400704）

薛玉潔（1990—），女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：yujiemisu@163.com

*通信作者：寧喜斌（1964—），男，教授，博士，研究方向為食品安全、微生物學。E-mail：xbning@shou.edu.cn