預(yù)處理方式對真空冷凍干燥蘋果片品質(zhì)的影響

王海鷗 扶慶權(quán) 陳守江 張 偉 王蓉蓉

(南京曉莊學(xué)院食品科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

蘋果是一種營養(yǎng)豐富、酸甜可口的大眾化水果。中國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國、消費國和出口國[1-2]。但中國蘋果以鮮食為主，上市集中且貯藏和加工能力不足，產(chǎn)業(yè)效益低下[3]。近年來，品類豐富、形式各樣的果蔬脆片已在國際休閑食品市場悄然興起，深受消費者喜愛，應(yīng)用干燥技術(shù)或膨化技術(shù)制造果蔬脆片已是當(dāng)前果蔬深加工利用研究的熱點問題[4-6]。真空冷凍干燥是在低溫低壓下的傳熱傳質(zhì)過程，水分以固體狀態(tài)直接升華，不僅可以保持物料基本形態(tài)不變，而且可以最大程度地保留新鮮物料中的各種營養(yǎng)成分，是目前生產(chǎn)高品質(zhì)干燥制品的最佳方法[7-8]。為了推進食品冷凍干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用，在兼顧干燥產(chǎn)品品質(zhì)的同時，如何更大程度地縮短冷凍干燥工藝耗時、簡化工藝過程、降低生產(chǎn)成本是當(dāng)前該技術(shù)有待解決的問題[9]。

燙漂、護色等預(yù)處理是多數(shù)果蔬制品加工工藝中的必要工序，凍干果蔬也不例外。近年來果蔬干燥預(yù)處理技術(shù)倍受干燥領(lǐng)域研究人員關(guān)注，國內(nèi)外很多學(xué)者在此方面做了很多探索研究并取得較多創(chuàng)新成果。Garcia-Noguera等[10]、Sch?ssler等[11]、嚴(yán)小輝等[12]和周頔等[13]研究了超聲波預(yù)處理對草莓、甜椒、荔枝、蘋果等果蔬干燥時間和品質(zhì)的影響，試驗證實其對加速果蔬干燥速度、縮短干燥時間有幫助；王海鷗等[14]探討了熱燙、凍融預(yù)處理對蘋果真空凍結(jié)失水率等特性的影響；郭婷等[15]探討了凍融處理對甘薯膨化產(chǎn)品品質(zhì)的影響機理；吳亞麗等[16]探討了高壓脈沖電場預(yù)處理對馬鈴薯凍干特性的影響。但對蘋果物料的冷凍干燥而言，目前主要研究某一種預(yù)處理方法對其凍干品質(zhì)的影響，多采取單因素試驗、正交試驗等方法對該預(yù)處理參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得最佳預(yù)處理參數(shù)，受研究方法限制，所考察凍干品質(zhì)指標(biāo)相對有限。而綜合采用各種常用預(yù)處理方法對比分析凍干蘋果更多品質(zhì)指標(biāo)差異，更為全面地了解預(yù)處理方式對蘋果凍干品質(zhì)影響更具有現(xiàn)實意義，但相關(guān)研究較少。本研究以蘋果片為試驗對象，通過測定蘋果凍干耗時、產(chǎn)品復(fù)水比、硬度、色澤、VC、可溶性固形物、微觀組織等多種指標(biāo)，對比分析熱燙、護色液、超聲波3種預(yù)處理方式對冷凍干燥蘋果制品品質(zhì)的影響差異，以期對實際蘋果冷凍干燥加工生產(chǎn)實踐有一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果：水晶紅富士，產(chǎn)地山東煙臺，購于南京蘇果超市；

L-半胱氨酸、抗壞血酸、草酸、NaCl、2,6-二氯靛酚：國產(chǎn)分析純；

超聲波掃頻清洗機：SB-500DTY型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

冷凍干燥機：SCIENTZ-50F型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HHS型，上海博訊實業(yè)有限公司；

高品質(zhì)電腦色差儀：3nh型，深圳市三恩時科技有限公司；

數(shù)字阿貝折射儀：WAY-2S型，上海申光儀器儀表有限公司；

物性測試儀：TA.XT. Plus型，英國Stable Micro System公司；

掃描電子顯微鏡：EVO-LS10型，德國ZEISS公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 蘋果預(yù)處理方式 挑選顏色大小一致、均勻相近、無損傷的鮮果，將蘋果洗凈后進行人工削皮、去核，切成厚度為5 mm的30 mm×30 mm正方形蘋果片，分別進行如下3組預(yù)處理。

(1) 熱燙處理：將切好的蘋果片迅速置于熱水中進行水浴熱燙處理，水浴恒溫95 ℃，熱燙時間1 min，熱燙后用流動的自來水冷卻樣品，快速冷卻至室溫后待用[17-18]。

(2) 護色液處理：按照0.5%L-半胱氨酸、0.5% 抗壞血酸、0.2% 草酸、0.3% NaCl配置復(fù)合護色液，將切好蘋果片放入浸泡10 min后待用[19]。

(3) 超聲波處理：迅速將切好的蘋果片置于超聲波清洗槽內(nèi)進行超聲處理，超聲處理條件為：超聲波頻率40 Hz，超聲波功率400 W，水浴溫度35 ℃，處理時間10 min，每間隔2 min 翻片1次，處理后瀝干待用[13]。

1.2.2 真空冷凍干燥 提前開啟冷凍干燥機制冷機組，將凍干倉隔板溫度設(shè)定為-40 ℃，將經(jīng)過上述3組預(yù)處理的蘋果片樣品在凍干機料盤上平鋪一層，置于隔板上預(yù)凍3 h，當(dāng)物料凍結(jié)到-30 ℃以下后開啟真空機組，維持凍干倉壓強20 Pa 左右，啟動“溫度-時間”隔板升溫程序?qū)ξ锪线M行原位冷凍干燥：-20 ℃ 1 h、-10 ℃ 1 h、0 ℃ 1 h、10 ℃ 1 h、20 ℃ 1 h、30 ℃ 1 h、40 ℃ 1 h、50 ℃至干燥結(jié)束[20]，收集凍干蘋果片進行指標(biāo)測定。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 凍干耗時 通過前期試驗摸索采用物料干燥終溫法判定凍干終點，將凍干機溫度傳感器插入蘋果片中心位置，監(jiān)測蘋果片中心溫度變化，當(dāng)平均溫度達到(40±0.5) ℃時，實測凍干蘋果片含水率約為5%，此時結(jié)束干燥，記錄隔板溫升程序所維持的時間為凍干耗時。

1.3.2 復(fù)水比 用30 ℃蒸餾水水浴恒溫浸泡凍干蘋果片30 min，充分吸水后撈出瀝干表面的水分，按式(1)計算復(fù)水比[21]，每組樣品重復(fù)測定3次，取其平均值。

(1)

式中：

Re——凍干蘋果片復(fù)水比，g/g；

m1——復(fù)水前蘋果片質(zhì)量，g；

m2——復(fù)水后蘋果片質(zhì)量，g。

1.3.3 硬度和色差 參照文獻[20]。

1.3.4 VC含量 按GB 5009.86—2016的2,6-二氯靛酚滴定法執(zhí)行，結(jié)果以每100 g凍干蘋果片中含VC質(zhì)量(mg)表示，每組樣品重復(fù)測定3次。

1.3.5 可溶性固形物 按NY/T 2637—2014的折射儀法執(zhí)行。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu) 凍干蘋果片樣品用液氮速凍處理后立即掰斷，將自然形成橫斷面作為觀察樣本，利用離子濺射儀對樣本橫斷面噴金處理，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察微觀組織，選取代表性結(jié)構(gòu)進行拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗進行3次重復(fù)，所得數(shù)據(jù)采用SPSS 12.0統(tǒng)計分析軟件進行描述性統(tǒng)計、顯著性分析及方差分析等，顯著性水平為0.05，多重比較方法為Duncan’s法。

2 結(jié)果與分析

2.1 對蘋果片凍干耗時與復(fù)水比的影響

凍干耗時是衡量凍干食品加工經(jīng)濟性的主要指標(biāo)之一。3種預(yù)處理組凍干蘋果片凍干耗時如圖1所示，3組之間均有顯著差異(P<0.05)，由高到低分別是護色液處理組12.5 h、熱燙預(yù)處理組11 h、超聲波預(yù)處理組10 h，超聲波預(yù)處理組和熱燙預(yù)處理組可分別比護色液預(yù)處理組縮短凍干耗時20%，12%。復(fù)水比反映了干燥產(chǎn)品恢復(fù)到新鮮狀態(tài)的程度，復(fù)水比越高凍干品質(zhì)就越好。熱燙、超聲波、護色液預(yù)處理組凍干樣品復(fù)水比分別為4.97，4.79，4.40 g/g，其中熱燙、超聲波預(yù)處理組未見顯著差異，而兩組復(fù)水比均顯著高于護色液預(yù)處理組(P<0.05)。

冷凍干燥過程中干燥速度及復(fù)水性能與物料預(yù)凍、凍干工藝參數(shù)及細胞結(jié)構(gòu)形態(tài)和細胞通透性等有密切關(guān)系，而3種預(yù)處理組均采用相同的預(yù)凍和凍干工藝條件，因此不同預(yù)處理會對物料組織結(jié)構(gòu)及水分狀態(tài)產(chǎn)生不同影響，進而導(dǎo)致凍干耗時、復(fù)水比的不同。復(fù)水是水分重新進入并保留在物料組織中的過程，通常認為是干燥的部分可逆過程，圖1試驗結(jié)果表明，凍干耗時越短(干燥速度越快)復(fù)水比越高。

已有研究[22-23]認為，超聲波預(yù)處理對果蔬物料的作用以物理作用為主，其通過超聲波在水介質(zhì)傳播產(chǎn)生空化作用、機械效應(yīng)、熱效應(yīng)等使物料表面活化、內(nèi)部組織更加疏松而形成微孔道，增強細胞膜的滲透性，降低水分轉(zhuǎn)移阻力，有利于升華干燥、解吸干燥過程中所產(chǎn)生水蒸氣從物料細胞組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中快速逸出。本試驗中，蘋果片經(jīng)過適當(dāng)時間的超聲波處理后，其冷凍干燥速度最快，凍干耗時最短，可能也與上述超聲波物理作用對被干燥物料微觀組織的影響密切相關(guān)。而干制品復(fù)水時，水分更容易進入組織內(nèi)部，復(fù)水性能顯著提高。熱燙處理是一種時間相對較短的高溫作用，使蘋果片細胞變形、分離，增大了細膜胞通透性，細胞膜破裂，細胞壁收縮，組織軟化，降低水分轉(zhuǎn)移阻力，有利于縮短干燥時間；也有利于提高凍干后的復(fù)水性能。其他學(xué)者[22-24]在香菇、馬鈴薯等物料干燥方面也獲得了超聲波、熱燙處理可以顯著提高果蔬干燥速率及干制品復(fù)水比的類似試驗研究結(jié)果。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

Figure 1 Effects of different pretreatments on drying time and rehydration ratio of apple slices

2.2 對凍干蘋果片硬度的影響

硬度是描述果蔬干制品質(zhì)地品質(zhì)的典型參數(shù)，反映了果蔬脆片食用口感，3組凍干蘋果片硬度測試結(jié)果如圖2所示。護色液預(yù)處理組凍干蘋果片硬度最高(7.17 N)，顯著高于超聲波預(yù)處理組(3.35 N)和熱燙預(yù)處理組(3.50 N)，而熱燙、超聲波預(yù)處理組凍干蘋果片硬度差異不顯著(P<0.05)。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

Figure 2 Effects of different pretreatments on hardness of vacuum freeze-dried apple slices

凍干制品硬度與樣品微觀組織結(jié)構(gòu)和微觀力學(xué)特性有密切關(guān)系。根據(jù)本試驗中凍干蘋果片的硬度測試結(jié)果，在超聲波預(yù)處理組中，推測認為超聲波強烈的物理作用可能使得蘋果片細胞組織原有結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，呈松散微孔形態(tài)，避免表面硬化，細胞壁強度下降，降低了凍干蘋果片的宏觀硬度，針對荔枝、蘋果等物料的類似研究結(jié)論已有相關(guān)報道[12-13]；在熱燙預(yù)處理組中，推測認為蘋果片經(jīng)過強烈的熱燙作用后產(chǎn)品內(nèi)部組織軟化、通透性增強，細胞壁及細胞間的膠質(zhì)大分子在熱燙過程中遭到不同程度的破壞，使細胞間的結(jié)合力降低，并且凍干脫水后疏松多孔，從而降低干燥產(chǎn)品硬度，針對馬鈴薯、西蘭花等物料的類似研究結(jié)論已有相關(guān)報道[24-25]；在護色液預(yù)處理組中，結(jié)合已有相關(guān)研究報道[19]，推測可能是護色液滲透進入細胞組織內(nèi)部，對組織結(jié)構(gòu)改變相對較小，且L-半胱氨酸護色劑、抗壞血酸、草酸、NaCl護色劑組分進入細胞后與細胞組織中糖、蛋白等大分子物質(zhì)結(jié)合，在凍干過程中被固化而形成了支撐物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的骨架，凍干后形態(tài)飽滿，凍干樣品更加堅固，表現(xiàn)出相對較高的硬度。

2.3 對凍干蘋果片色澤的影響

3組預(yù)處理凍干蘋果片色澤測定結(jié)果如表1所示。在明暗度指數(shù)L*值方面，3組凍干蘋果片之間具有顯著差異，超聲波預(yù)處理組與新鮮物料差異不顯著，而熱燙預(yù)處理和護色液預(yù)處理組均顯著高于新鮮物料，表明該兩組蘋果片預(yù)處理凍干后顏色更為亮白(P<0.05)。3組凍干蘋果片紅綠度指數(shù)a*值未見顯著差異，但均顯著低于新鮮物料(P<0.05)。在藍黃度指數(shù)b*值方面，護色液預(yù)處理凍干蘋果片與新鮮物料差異不顯著，且兩者均顯著高于熱燙預(yù)處理組和超聲波預(yù)處理組(P<0.05)。在綜合指標(biāo)ΔE方面，3組凍干蘋果片之間呈現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，ΔE值由大到小分別是護色液預(yù)處理組、熱燙預(yù)處理組、超聲波預(yù)處理組，ΔE差異性主要是由L*值貢獻，因此與L*值差異性一致，實際觀察也發(fā)現(xiàn)護色液預(yù)處理和熱燙預(yù)處理兩組凍干蘋果片顏色更亮白。

2.4 對凍干蘋果片VC含量的影響

VC是加工過程中極易損失的水溶性維生素。經(jīng)熱燙、護色液、超聲波預(yù)處理的凍干蘋果片VC含量如圖3所示，超聲波預(yù)處理組最高，熱燙預(yù)處理組最小，3組間均有顯著性差異(P<0.05)。超聲波預(yù)處理凍干蘋果片具有相對較高的VC含量，比熱燙預(yù)處理凍干蘋果片提高了45.30%，原因可能是超聲波處理為一種物理作用，未經(jīng)過熱燙處理的高溫?zé)嵝?yīng)，在預(yù)處理階段對VC破壞少，同時其又能改善干燥速度、縮短凍干耗時，凍干樣品受到更短的“溫時”作用，有利于減少VC的流失。

表1 預(yù)處理對凍干蘋果片色澤的影響?

? 同列字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

Figure 3 Effects of different pretreatments on Vitamin C content of freeze-dried apple slices

2.5 對凍干蘋果片可溶性固形物含量的影響

3組凍干蘋果片復(fù)水后可溶性固形物含量如圖4所示，3組之間均存在顯著性差異(P<0.05)，由高到低分別是熱燙預(yù)處理、護色液預(yù)處理、超聲波預(yù)處理，其中熱燙預(yù)處理組比護色液、超聲波預(yù)處理組分別提高了17.24%和27.60%。

結(jié)合已有類似研究[24-27]結(jié)果，推測認為具有強烈熱力作用的熱燙處理可使細胞膜破裂、細胞壁分離，細胞膜更為通透，細胞間的結(jié)合力降低，組織質(zhì)地軟化，因此凍干蘋果片復(fù)水后組織內(nèi)部可溶性物質(zhì)更容易透過細胞膜和細胞壁，獲得相對較高的可溶性固形物含量。另一方面，熱燙處理僅作用1 min，時間相對較短，可溶性固形物流失較少，而護色液和超聲波處理在水中浸泡作用時間均為10 min，該兩組在預(yù)處理階段可能流失了更多的可溶性固形物成分，導(dǎo)致了凍干蘋果片可溶性固形物含量的差異。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

Figure 4 Effects of different pretreatments on the content of soluble solids of vacuum freeze-dried apple slices

2.6 對凍干蘋果片微觀結(jié)構(gòu)的影響

3組預(yù)處理凍干蘋果片微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。熱燙凍干蘋果片構(gòu)成孔室的細胞壁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的軟塌、皺縮現(xiàn)象，細胞形態(tài)破壞較為明顯，這可能有助于加快冷凍干燥速度、降低凍干耗時，導(dǎo)致凍干蘋果片獲得較低的硬度、較高的復(fù)水比；超聲波處理凍干蘋果片細胞組織壁薄而疏松多孔，結(jié)構(gòu)松散，有利于水分的逸出，使得其凍干速度最快、凍干耗時最短，有助于凍干蘋果片獲得較佳的復(fù)水性，獲得較高的復(fù)水比；護色液處理凍干蘋果片細胞壁網(wǎng)絡(luò)骨架緊固，細胞壁孔室形態(tài)飽滿、完整，不利于冷凍干燥過程中水分遷移，凍干時間最長，其凍干蘋果片硬度最高、復(fù)水比最低。3組凍干片組織微觀結(jié)構(gòu)與前述冷凍干燥速度、復(fù)水比、硬度等測試數(shù)據(jù)分析基本吻合。

圖5 不同預(yù)處理凍干蘋果片微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片(×100倍)

Figure 5 Scanning electron microscopy photos of the microstructure of freeze-dried apple slices with different pretreatments (×100 times)

3 結(jié)論

本研究以凍干耗時、產(chǎn)品復(fù)水比、硬度、色澤、VC、可溶性固形物、微觀組織等為考察指標(biāo)，全面分析了熱燙、護色液、超聲波3組預(yù)處理對蘋果冷凍干燥品質(zhì)影響，結(jié)論如下：① 熱燙預(yù)處理組凍干樣品多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的細胞壁形態(tài)破壞較為明顯，呈現(xiàn)出一定的軟塌、皺縮現(xiàn)象，VC含量最低，復(fù)水比最高，復(fù)水后可溶性固形物含量最高，凍干蘋果片顏色較為亮白(P<0.05)；② 護色液預(yù)處理組凍干蘋果片細胞壁網(wǎng)絡(luò)骨架緊固，細胞壁孔室形態(tài)飽滿、完整，硬度最高，護色液預(yù)處理凍干蘋果片綜合色差指標(biāo)ΔE最高，顏色更為亮白(P<0.05)；③ 超聲波預(yù)處理組凍干樣品網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中細胞壁薄而疏松多孔，結(jié)構(gòu)松散，有利于水分的逸出，其凍干耗時10 h 最低，凍干樣品VC含量最高，復(fù)水后可溶性固形物含量最低(P<0.05)。

綜合而言，在冷凍干燥前對蘋果片樣品進行3種不同預(yù)處理措施，會對物料組織產(chǎn)生不同程度的物理或化學(xué)綜合作用，引起組織細胞微觀結(jié)構(gòu)、組分等不同變化，進而造成了凍干蘋果片品質(zhì)影響的差異。而超聲波處理在縮短凍干耗時方面優(yōu)勢顯著，節(jié)能降耗效果明顯，更有利于推廣應(yīng)用。超聲波、熱燙預(yù)處理對馬鈴薯、胡蘿卜等其他果蔬干燥品質(zhì)影響機理已有較多研究，盡管本試驗中所用預(yù)處理對凍干蘋果片復(fù)水比、硬度等指標(biāo)影響也具有與其他物料類似的試驗現(xiàn)象，但就蘋果物料而言其作用機理還有待進一步深入探索。