熱燙凍融組合處理對蘋果片真空凍結特性的影響

王海鷗，陳守江，扶慶權，張李陽，張偉，王蓉蓉

(南京曉莊學院 食品科學學院，江蘇 南京，211171)

冷凍是速凍食品、凍干食品加工的重要工序，通常采用流化床空氣凍結、低溫平板凍結等方法，均在常壓環境條件下完成[1-2]。真空制冷是將物料置于密閉的真空容器中，使物料中的自由水蒸發，從而使自身溫度得到迅速降低的過程，它是迄今最快的一種制冷方法[3-4]。利用真空制冷技術可以實現物料的快速凍結，目前已引起部分學者的關注，并有相關研究報道。張海峰等[5]以鮮羊肉為原料進行了真空凍結試驗，分析凍結過程水分汽化和凍結特點、物料組織結構狀態、質量損失等。彭潤玲等[6]針對液態、漿態和固態3種不同類型物料，試驗研究了不同工藝條件對抽真空自凍結降溫速率和對凍結最終溫度的影響規律。王海鷗等[7]實驗對比分析了熱燙、超聲波等不同前處理措施對蘋果真空凍結失水率及組織微觀結構的影響。張世偉[9]、趙瑞[10]、趙凱璇等[8]開展了液體真空蒸發凍結過程的熱質傳遞動力學分析及計算模擬。

熱燙是生鮮原料保護色澤、滅菌滅蟲的常用手段，在生鮮食品加工中獲得廣泛應用[11-13]。凍融處理通常作為一種改變物料組織結構狀態的前處理措施，先將物料凍結，然后再解凍的操作，在果蔬干燥、膨化等加工中已有相關研究報道[14]。食品的真空凍結特性與物料自身組織結構狀態密切相關，而不同熱燙凍融組合處理方法對食品真空凍結特性的影響還未見有相關報道。本研究以蘋果片為原料，探討凍前熱燙處理、常壓平板凍結、真空凍結、20 ℃慢速解凍、50 ℃快速解凍等不同的熱燙凍融組合處理對蘋果片凍融后再真空凍結過程中的失水率、汁液流失、總質量損失、樣品相對電導率、色澤等特性的影響，以探索熱燙凍融預處理在果蔬等食品物料真空凍結加工中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料

山東煙臺產新鮮紅富士蘋果，南京蘇果超市購置，挑選果實大小適中、形態相對一致、無機械損傷的蘋果，實驗前置于4 ℃冰箱低溫貯藏。蘋果初始含水率采用105 ℃烘干法進行測定，平均濕基含水率為84.15%。

1.2 儀器與設備

SCIENTZ-50F冷凍干燥機，寧波新芝生物科技股份有限公司；FA2204B電子天平，上海越平科學儀器有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋，上海市博迅實業有限公司；YNK/TH-50恒溫箱，蘇州優尼克環境試驗設備有限公司；3nh高品質電腦色差儀，深圳市三恩時科技有限公司；FE38-S型電導率測定儀，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蘋果片切分處理

將蘋果洗凈去皮、去核、切片，切片的尺寸大小均勻相近(30 mm×30 mm×5 mm)，每片質量4 g左右，分成若干處理組進行實驗，每實驗處理組取5個蘋果片，分別記為1～5號。

1.3.2 燙漂處理

將蘋果片放入(95±2) ℃的熱水中進行燙漂，漂燙時間為1 min，然后立即撈出，用自來水冷卻至室溫瀝干。同時以不燙漂處理的蘋果片作為對照實驗。

1.3.3 凍融處理方法

1.3.3.1 凍結方法

(1)常壓平板凍結：提前開啟冷凍干燥機的制冷機組對真空倉內隔板進行供冷，將隔板溫度設定為-30 ℃，將熱燙處理/未熱燙處理的蘋果片樣品在料盤內平鋪一層，然后將料盤置于隔板上，密閉真空倉(不開啟真空泵機組)，在-30 ℃的常壓環境下進行冷凍3 h。

(2)真空凍結：提前開啟冷凍干燥機的制冷機組對冷阱倉內制冷盤管進行供冷，使制冷盤管溫度降至-50 ℃以下，將熱燙處理/未熱燙處理的蘋果片樣品在料盤內平鋪一層，將料盤置于干隔板上，密閉真空倉后開啟真空泵機組，真空倉壓強持續下降，真空凍結過程維持30 min，干燥倉壓強最終維持在20～30 Pa，真空凍結終溫維持在-26 ℃左右。

1.3.3.2 解凍方法

(1)20 ℃慢速解凍：將經過上述凍結處理的蘋果片樣品用保鮮膜包裹，避免與解凍空氣直接接觸，然后置于恒溫箱中在20℃的環境中解凍1 h，使蘋果片達到完全解凍狀態。

(2)50 ℃溫速解凍：將經過上述凍結處理的蘋果片樣品用保鮮膜包裹，避免與解凍空氣直接接觸，然后置于恒溫箱中在50 ℃的環境中解凍10 min，使蘋果片達到完全解凍狀態。

綜上所述，本實驗中凍融處理方法共有4組，分別簡稱為：平板凍結-20 ℃解凍、平板凍結-50 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍。

1.3.3 真空凍結處理

將經過上述凍融處理的各組蘋果片樣品再次放入真空倉內完成真空凍結處理，操作方法同1.3.3.1中的真空凍結法，平板凍結-20 ℃解凍、平板凍結-50 ℃解凍的2組蘋果片真空凍結過程維持15 min，真空凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍的兩組蘋果片真空凍結過程維持15 min，真空凍結終溫維持在-20 ℃左右。

1.4 指標測定

1.4.1 凍融和真空凍結過程中質量損失測定

在凍融處理之前，對每組中做好標記的5個蘋果片分別單獨稱初始質量，記為m0；第一次凍結處理結束后，分別稱取蘋果片質量，記為m1；凍結蘋果片經過解凍處理后，用衛生紙擦吸蘋果片表面殘留汁液，再分別稱取蘋果片質量，記為m2；解凍蘋果片再次經過真空凍結后，分別稱取蘋果片質量，記為m3。然后計算一次凍結失水率L1、解凍汁液流失率L2、二次凍結失水率L3、總質量損失La，以5片的平均值為計算結果。計算公式分別如下：

(1)

式中：L1為一次凍結失水率，%；m0為蘋果片凍融前初始質量，g；m1為蘋果片第一次凍結后質量，g。

(2)

式中：L2為解凍汁液流失率，%；m0為蘋果片凍融前初始質量，g；m1為蘋果片第一次凍結后質量，g；m2為蘋果片解凍后質量，g。

(3)

式中：L3為二次凍結失水率，%；m0為蘋果片凍融前初始質量，g；m2為蘋果片解凍后質量，g；m3為蘋果片再次經過真空凍結后質量，g。

(4)

式中：L1為一次凍結失水率，%；m0為蘋果片凍融前初始質量，g；m3為蘋果片再次經過真空凍結后質量，g。

1.4.2 蘋果片相對電導率測定

對上述經過二次凍結后蘋果片進行20 ℃慢速解凍(方法同1.3.3.2)，然后測定二次解凍后蘋果片相對電導率Re。具體方法為：用直徑10 mm的打孔器在二次解凍后的蘋果片上打孔取10個圓片樣品，用蒸餾水洗凈，放入100 mL三角瓶中，加100 mL蒸餾水，用電導率儀測定初始電導率E0，稱得原始質量，封口，在室溫下密封靜置1 h后用電導率儀測定電導率E1，再將燒瓶置于電爐上加熱煮沸15 min，冷卻后再稱重并加蒸餾水至原始質量，測定煮沸后的電導率E2。以煮沸前后的相對電導率Re表示蘋果片細胞組織的通透性[15]，實驗重復3次，以平均值為計算結果。計算公式如下：

(5)

式中:Re為蘋果片相對電導率，%；E0為蘋果片剛加入后的初始電導率，μS/cm；E1為蘋果片靜置1 h后的電導率，μS/cm；E2為蘋果片煮沸后電導率，μS/cm。

1.4.3 二次凍結后蘋果片樣品色澤測定

用3nh高品質電腦色差儀分別對鮮切蘋果片以及經過二次凍結蘋果片進行色澤測定，根據CIELAB表色系統，讀取L*、a*、b*，并按公式計算色差值ΔE，每組樣品平行測定5次，取其平均值。

(6)

式中:L*為凍干樣品明暗度指數;a*為凍干樣品紅綠度指數;b*為凍干樣品黃藍度指數;L0*、a0*、b0*為鮮切蘋果片色澤值。

1.5 數據處理

采用SPSS軟件對試驗數據進行方差分析，若方差分析差異顯著，則用Duncan’s 法進行多重比較，顯著性水平p<0.05。

2 結果與分析

2.1 熱燙凍融組合處理方法對一次凍結失水率的影響

本試驗中的凍融處理采用了常壓平板凍結和真空凍結2種完全不同的冷凍方式，物料凍結過程中均無法避免水分損失。由于一次凍結失水率與后面的解凍方式沒有任何關系，所以圖1中無論是熱燙處理組蘋果片還是未熱燙處理組蘋果片，平板凍結-20 ℃解凍、平板凍結-50 ℃解凍2組的一次凍結失水率均反映了常壓平板凍結過程中的失水特性，未見顯著差異，而真空凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍2組的一次凍結失水率均反映了真空凍結過程中失水特性，也未見顯著差異。但真空凍結方式中的一次凍結失水率遠高于平板凍結，這主要是由于其2種完全不同的凍結原理而引起，前者為4%左右，是在常壓空氣環境中冷凍干耗現象，后者為40%左右，是真空條件下的水分自我蒸發損失[16-17]。在平板凍結方式中，凍結前進行熱燙處理對該過程中的蘋果片凍結失水率未產生顯著影響；但在真空凍結方式中由于采用熱燙前處理，使得真空凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍2組的一次凍結失水率均增加13%左右。其主要原因可能是短時間熱燙處理可以增加細胞組織透性、降低細胞內外親水性能，真空凍結過程中物料組織中的水分蒸發阻力小、蒸發速度快，導致更高的失水率[18-19]。

圖1 不同熱燙凍融組合處理方法對一次凍結失水率的影響Fig.1 Effect of different combined treatments of heat-blanching and freeze-thawing on the water loss rate during the first freezing注：圖1中字母標記不同表示有顯著性差異(p<0.05)。圖2～圖5同。

2.2 熱燙凍融組合處理方法對解凍汁液流失率的影響

解凍汁液流失率反映了蘋果片解凍過程中質量損失現象，也是細胞組織完整程度的重要體現，與采用的凍結和解凍方式密切相關，其測試結果如圖2所示。熱燙處理和未熱燙處理蘋果片經4種不同凍融方法處理后的解凍汁液流失率呈現出相同的差異，由高到低依次為平板凍結-50 ℃解凍、平板凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍，總體表現為：平板凍結2組的解凍汁液流失率遠高于真空凍結組，50 ℃解凍組解凍汁液流失率顯著高于20 ℃解凍組(p<0.05)。分析認為引起這種差異的主要原因是：主要由于平板凍結在常壓條件下凍結3 h完成，凍結速度較為緩慢，蘋果片組織內形成的冰晶體顆粒大、數量少，細胞組織容易因冰晶體生長膨脹而造成損傷破裂，解凍期間汁液流失嚴重[20-21]；而蘋果片真空凍結期間在幾分鐘內快速達到過冷狀態并實現急速凍結，凍結速度非常快，細胞內外形成的冰晶體顆粒數目多、細小而均勻，所以真空凍結對細胞組織結構的直接破壞相對較小，解凍汁液流失率低；解凍是凍結的逆過程，若解凍速度過快，細胞間隙中的冰晶體快速融化后沒有充足的時間重新“流回”細胞內，導致更多的汁液流失[22-23]，因此本試驗中50 ℃解凍組的蘋果片解凍汁液流失率均顯著高于20 ℃解凍組。

圖2 不同熱燙凍融組合處理方法對解凍汁液流失率的影響Fig.2 Effect of different combined treatments of heat-blanching and freeze-thawing on the thawing juice loss rate

2.3 熱燙凍融組合處理方法對二次凍結失水率的影響

完成上述不同凍融處理后，各組物料均已失去了不同程度的汁液和水分，其中平板凍結組汁液流失率遠高于真空凍結組，而凍結失水率則遠低于真空凍結組，二次凍結前蘋果片總質量損失由高到低分別是，真空凍結-50 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍、平板凍結-20 ℃解凍、平板凍結-50 ℃解凍，而第二次真空凍結處理過程中的凍結失水率與物料在此前的凍融處理中的總質量損失密切相關，二次凍結失水率測試結果如圖3所示。

圖3 不同熱燙凍融組合處理方法對二次凍結失水率的影響Fig.3 Effect of different combined treatments of heat- blanching and freeze-thawing on the water loss rate during the secondary freezing

二次凍結前質量損失越大，二次凍結失水率越低，平板凍結組的二次凍結失水率為20%左右，未見顯著差異，而真空凍結組二次凍結失水率為11%左右，也未見顯著差異。分析認為，果蔬物料真空冷卻效果與物料初始含水率密切相關，凍融處理后物料中留存水分越少，在真空條件下的殘留水分蒸發和凍結作用較弱，真空凍結期間水分蒸發量也越少，即凍結損失越低[24-25]。

2.4 熱燙凍融組合處理方法對蘋果片總質量損失的影響

總質量損失反映蘋果片經過凍融處理和再次真空凍結后而形成的凍結態物料總質量變化情況，結果如圖4所示。在采用熱燙預處理的蘋果片中，真空凍結-50 ℃解凍組總質量損失最高，達76.10%，平板凍結-20 ℃解凍組總質量損失最低，為61.99%，而在未進行熱燙處理的蘋果片中，總質量損失也同樣表現出類似的差異性，但顯著低于熱燙處理蘋果片的對應凍融處理組(p<0.05)。本凍結實驗中的總質量損失對不同用途的凍結產品有著不同的影響，若為速凍產品，質量損失越多對其產品品質和產量造成不利影響，期望總質量損失越少越好；若為冷凍干燥之前的預凍產品，則質量損失越多越有利于減少后續冷凍干燥脫水負荷，節省干燥時間和能耗，但從營養品質方面考慮，質量損失中解凍汁液流失率越小、凍結失水率越高，對樣品的品質保存越有利，因此采用真空凍結的凍融處理方式比平板凍結方式更為有利。

圖4 不同熱燙凍融組合處理方法對蘋果片總質量損失的影響Fig.4 Effect of different combined treatments of heat- blanching and freeze-thawing on the total mass loss rate in apple slices

2.5 熱燙凍融組合處理方法對二次凍結蘋果片相對電導率的影響

相對電導率是反映細胞膜透性、完整性的重要指標，相對電導率越高表明細胞損傷程度越大，相對電導率測試結果如圖5所示。在熱燙處理和未熱燙處理蘋果片中，4種凍融處理再真空凍結后樣品相對電導率由高到低分別是，平板凍結-50 ℃解凍、平板凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍，且4種凍融處理組相對電導率差異顯著(p<0.05)；對于同一種凍融處理方法而言，熱燙處理可顯著增加二次凍結蘋果片相對電導率。圖5所顯示的二次凍結蘋果片相對電導率差異與圖2中的解凍汁液流失率差異一致，表明本工藝方法中凍前熱燙處理、平板慢速凍結、高溫快速解凍對二次真空凍結蘋果片微觀組織損傷要高于未熱燙處理、真空快速凍結、低溫慢速解凍，因此導致了更高的相對電導率。

圖5 不同熱燙凍融組合處理方法對二次凍結蘋果片相對電導率的影響Fig.5 Effect of different combined treatments of heat-blanching and freeze-thawing on the relative conductivity of the secondary frozen apple slices

2.6 熱燙凍融組合處理方法對二次凍結蘋果片色澤的影響

蘋果片采用不同凍融處理后再次進行真空凍結的樣品色澤測定結果見表1。在熱燙處理蘋果片中，平板凍結-20 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍2組二次凍結樣品明暗度指標L*顯著高于對應的高溫解凍2組(p<0.05)，表示相對更明亮；平板凍結-20 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍2組二次凍結樣品綜合色差指標ΔE值顯著低于對應的高溫解凍兩組(p<0.05)，色澤改變相對較小。在未經熱燙處理的蘋果片中，4組二次凍結樣品的明暗度指標L*由小到大依次為，平板凍結-50 ℃解凍、平板凍結-20 ℃解凍、真空凍結-50 ℃解凍、真空凍結-20 ℃解凍，呈現色澤由暗到明，各組之間差異顯著(p<0.05)；綜合色差指標ΔE值大小排序與L*正好相反，各組差異顯著(p<0.05)，相對于新鮮物料而言，色澤改變最大的是平板凍結-50 ℃解凍組，真空凍結-20 ℃解凍組色澤改變最小。總體而言，未熱燙處理物料經凍融和再次凍結后顏色褐變嚴重，其綜合色差指標ΔE值明顯高于熱燙處理物料。凍結蘋果片的色澤變化與物料組織狀態、作用溫度、作用時間等加工處理條件密切相關，很多研究資料表明，物料凍結之前的高溫短時熱燙處理可有效鈍化物料中的氧化酶系統，防止凍融和再次凍結期間因酶促氧化作用而產生褐變，造成品質下降[26-27]；未經熱燙處理的物料在本實驗中產生色澤改變程度與凍融處理方法也密切相關，凍結速度慢、解凍速度快的平板凍結-50 ℃解凍法對蘋果片組織破壞作用最大、解凍溫度高，凍融期間酶活性高，酶促褐變最嚴重，所以色澤變化最大；凍結速度快、解凍速度慢的真空凍結-20 ℃解凍組對物料微觀組織破壞作用最小、解凍溫度低，凍融期間酶促褐變作用相對較小，色澤變化最小[28-29]。

表1 不同熱燙凍融組合處理方法對二次凍結蘋果片色澤的影響Table 1 Effect of different combined treatments of heat-blanching and freeze-thawing on the color of the secondary frozen apple slices

注：同列相同處理中的肩標字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

3 結論

不同熱燙凍融組合處理方法下蘋果片真空凍結特性對比實驗表明，熱燙處理可顯著提高凍融處理中真空凍結組蘋果片的一次凍結失水率，顯著提高平板凍結組、真空凍結組蘋果片的解凍汁液流失率，但對再次真空凍結蘋果片的二次凍結失水率影響不顯著，顯著提高了二次凍結蘋果片的相對電導率，并可顯著減少二次凍結蘋果片色澤變化；蘋果片凍融處理中，平板凍結干耗失水為4%左右，而真空凍結失水率為40%左右，平板凍結組的解凍汁液流失率遠高于真空凍結組，凍結速度慢、解凍速度快的平板凍結-50 ℃解凍組的解凍汁液流失率最高，凍結速度快、解凍速度慢的真空凍結-20 ℃解凍組的解凍汁液流失率最低；蘋果片再次真空凍結中，平板凍結組的二次凍結失水率遠大于真空凍結組。在蘋果片總質量損失指標方面，熱燙處理物料在真空凍結-50 ℃解凍組的總質量損失最高，達76.10%。若二次凍結樣品作為冷凍干燥的預凍制品，采用真空凍結的凍融處理方式比平板凍結方式更為有利，綜合分析認為，相對于其他熱燙凍融組合處理而言，熱燙處理-真空凍結-20 ℃解凍-二次真空凍結的工藝方法可以使得物料在速凍過程中獲得較高的凍結失水率、較低的解凍汁液流失率、較小的色澤變化。