凍結速率對烤甘薯品質的影響

徐茂，向敏，王子涵，蔣和體

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

甘薯(Ipomoeabatatas)為旋花科植物，廣泛種植于北緯40°至南緯32°，海拔2 000 m(赤道地區可達2 800 m)的地區[1]，是僅次于水稻、小麥、馬鈴薯、玉米和木薯的重要經濟作物[2]。據報道甘薯不僅富含維生素、糖、膳食纖維等營養成分，又兼具抗癌、抗衰老、提高人體免疫力等保健功能[3-4]。甘薯產出集中，水分含量高，呼吸旺盛，組織脆嫩，在采收、運輸和貯藏過程中容易造成機械損傷，增加生理病害(如冷害、干濕害、缺氧傷害)發生和病菌(如黑斑病、軟腐病)侵染的機會，使得營養流失[5-6]。此外，甘薯品種間耐貯性的差異也較大，每年有10%～15%的甘薯因貯藏不當而造成浪費[7-8]，所以增加甘薯的采后加工利用尤為重要。在日本、美國等發達國家，甘薯的保健功能得到了廣泛的認可，與其相關的休閑食品、營養保健食品以及飲料、食品配料等多種多樣[9]。我國對甘薯的研究起步較晚，近年來研究人員對甘薯貯藏保鮮技術進行了廣泛而深入的研究，開發了控溫、控濕、氣調、化學等貯藏保鮮新技術，但在實際生產應用中仍因成本、設備及毒性殘留等問題無法廣泛推廣[5,10]；在綜合利用上，研究主要集中在甘薯淀粉的提取、淀粉的發酵與改性以及粗加工等方面。此外，還有以家庭作坊式生產的粉條、粉皮、糖果、蜜餞、飲料、糕點等，但存在產量少、經濟效益低等問題[7,11]。

甘薯烤制作為一種最普遍的加工方式，在我國有著悠久的歷史[12]。美拉德反應和焦糖化反應使甘薯產生了誘人的色澤和香氣，并且富含膳食纖維和多種礦物質，還有較高的抗氧化活性，可代替大部分糧食作為主食食用[13]。相對于其他甘薯制品，烤甘薯更受消費者喜愛，但由于鮮薯貯藏期短、貯藏條件苛刻，使得烤甘薯只能在冬季大量供應。將烤制后的甘薯在適當條件下進行預凍，而后凍藏，實現烤甘薯的全年供應，既增加了甘薯的加工利用途經，又符合人們對產品多樣化選擇的需求。

近年來，隨著速凍技術的不斷進步，速凍食品的需求日益增加，速凍調理食品作為其中重要的一類產品，發展尤為迅猛。我國速凍調理食品發展較晚，產品品種單一、質量參差不齊，市面上多為速凍水餃、湯圓、包子、饅頭等米面制品，近年針對回鍋肉[14]、紅燒肉[15-16]、佛跳墻[17]、獅子頭[18]等傳統中式菜肴冷凍工藝的研究也在漸漸興起。速凍作為調理食品加工過程中一項關鍵技術，在保障食品質量及安全方面發揮著重要作用，它對產品色澤、營養組成的影響較大，不同產品的冷凍條件有所不同。目前，國內外對速凍烤甘薯方面的研究較少。煙薯25是我國目前最廣泛種植的鮮食型甘薯品種之一，產量高、口感好，適用于烘、烤、蒸、煮簡單加工，但耐貯性較差[10,19]。本文以煙薯25為試材，在前期工藝優化的基礎上，探究不同速凍方式對烤甘薯營養指標、色澤、質構的影響，利用主成分分析和相關性分析量化重要品質特征并進行綜合評價，旨在選擇一種適宜烤甘薯的速凍方式，為速凍烤甘薯生產提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯品種：煙薯25，重慶市渝北區，選取品質好、無病蟲害的甘薯運回實驗室待用；β-胡蘿卜素標品，北京索萊寶科技有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

T7-L384D型家用多功能烤箱，廣東美的電器股份有限公司；微波爐，格蘭仕微波爐電器有限公司；721s可見分光光度計，上海棱光技術有限公司；RC-4HC溫濕度計，江蘇精創電氣股份有限公司；UltraScan PRO全自動色差儀，美國Hunter Lab公司；Plus物性測定儀，英國Stable Micro System公司；PAL-1型手持式糖度計，ATAGO(愛拓)中國分公司；PHS-3C 型 pH 計，上海雷磁儀器廠；78-1型磁力加熱攪拌器，金壇市富華儀器有限公司

1.3 試驗方法

1.3.1 烤甘薯的制作

挑選單果質量250.0～270.0 g，直徑6.00～7.00 cm的甘薯，每組3個樣品，洗凈擦干，放入烤箱中，210 ℃烤制1.4 h。將烤甘薯放入-18、-25、-60 ℃冰箱和液氮中進行凍結，待烤薯中心溫度低于-18 ℃后放入-18 ℃冰箱中，冷凍1周。取出，微波中高火復熱4.00 min，進行指標測定，并以現烤甘薯作為對照。

1.3.2 凍結曲線的繪制

將溫度記錄儀的探頭插入烤甘薯中心位置，-18、-25、-60 ℃凍結條件下，設定每隔30 s自動記錄溫度。液氮浸漬凍結條件下，每隔10 s自動記錄溫度。待凍結結束后取出，讀取數據，繪制凍結曲線。

1.3.3 基本指標測定

水分：采用直接干燥法[20]測定；蛋白質：采用分光光度法[21]測定；脂肪：采用索式抽提法[22]測定；總糖、還原糖：采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法[23]測定；淀粉：采用酸水解法[24]測定；維生素C：采用2,6-二氯靛酚滴定法[25]測定；粗纖維：采用GB/T 5009.10—2003[26]測定；胡蘿卜素：參照李堅等[27]的方法。

1.3.4 汁液損失率的測定

采用焦慎江等[28]的方法。稱量烤甘薯解凍前質量(m1)，微波復熱后，冷卻至室溫，用吸水紙擦干表面水分，稱量質量(m2)，按公式(1)計算解凍汁液損失：

(1)

1.3.5 色差的測定

采用色差儀測定復熱后烤甘薯的L*、a*和b*值，以標準白板為對照，每個樣品隨機選取不同位置測定6次，取平均值。計算與現烤甘薯的色差值ΔE，按公式(2)計算：

(2)

式中:L0、a0、b0分別為現烤甘薯的亮度、紅綠值、黃藍值。

1.3.6 質構和剪切力的測定

取解凍前后烤甘薯的中心部分，切成20 mm×15 mm×15 mm的小塊用于測定。

質構測定條件：探頭型號P36R；測前速率1.00 mm/s；測試速率1.50 mm/s；測后速率1.50 mm/s；壓縮比50%，觸發力5.00 g，試樣壓縮2次間隔時間5.00 s。采用全質構分析(texture profile analysis, TPA)模式。

剪切力測定條件：探頭型號A/MORS；測前速率1.00 mm/s；測試速率2.00 mm/s；測后速率10.00 mm/s；觸發力10.00 g；測試距離6.00 mm。選擇垂直于纖維方向進行測定，共3組試樣，每組測定3次。

1.3.7 數據分析

2 結果與分析

2.1 不同凍結條件下烤甘薯的凍結曲線

食品的凍結過程主要包括冷卻、水分結晶和進一步降溫3個階段，而不同的凍結條件會影響冰晶的形成[29]。冰晶的大小和晶核數目的多少都與凍結速率有關，凍結速率越快，冰晶形成的時間越短，晶核越多，冰晶體積越小，對食品細胞的損傷和分子空間結構的破壞越小[29-30]。圖1顯示了在不同凍結條件下烤甘薯中心溫度下降隨時間的變化規律。由圖1可知，不同條件下的凍結速率變化曲線差異顯著，其中，液氮速凍的凍結速率最大，通過最大冰晶生成帶的時間最短，約為5 s，中心溫度達到-18 ℃所需時間為4 min，屬于速凍；-60 ℃冰箱凍結通過最大冰晶生成帶耗時需57 min；-25和-18 ℃冰箱凍結的通過時間最長，分別為159和192 min。此外，-18、-25和-60 ℃凍結符合一般食品的凍結曲線規律，即在凍結初期和后期溫度下降較快，中期通過最大冰晶生成帶時溫度下降較為緩慢。食物在凍結初期放出的是顯熱，散發的熱量較小，故降溫快，曲線較陡；中期放出的潛熱通常是顯熱的50～60倍，大部分的熱量在此過程中釋放，因此降溫慢；而凍結后期殘留的水分繼續結冰，部分顯熱和剩余潛熱的存在使得該階段的降溫速度變慢，因此曲線較緩[31]。

圖1 不同凍結條件下速凍烤甘薯中心溫度的凍結曲線

研究表明，快速凍結時，細胞內外同時達到結晶條件，大量均勻細小的冰晶平衡了細胞內外的壓力，減少了細胞損傷，冰晶的分布與凍前食品液態水的分布相似,使復熱后水分仍處于原來的位置，汁液流出較少，能夠較好地保持食品的原有成分。而緩慢凍結時，冰晶在細胞間隙中先形成晶核，細胞內的水分在滲透壓的作用下向外遷移，使得冰晶持續長大[32-33]，導致細胞破裂、汁液外流，果蔬軟化，風味消失[30]。胡新等[34]的研究顯示低溫使豬肉較快通過冰晶生成帶，形成的冰晶對細胞結構破壞較小，從而豬肉的汁液損失率較小。張艷[35]研究了凍結速率對雞湯品質的影響，發現3種凍結速率處理后，雞湯揮發性風味物質的種類和含量均降低，-80 ℃凍結雞湯風味物質的損失最少。

2.2 不同凍結速率對速凍烤甘薯理化指標的影響

由表1可知，不同凍結溫度處理的烤甘薯的理化指標具有顯著性差異(P<0.05)。凍結溫度對烤甘薯汁液損失率的影響極顯著(P<0.01)，-25 ℃凍結的汁液損失率(2.91%)最大，-18 ℃(2.17%)和-60 ℃凍結(1.89%)次之，液氮凍結(1.14%)最小。水分是維持烤甘薯風味和口感的必要條件，液氮凍結的水分含量與對照組相差不大，原因可能是液氮凍結過程中形成的冰晶較小，對烤甘薯組織結構的破壞較小，從而造成的汁液損失和機械損傷較小。烤甘薯中蛋白質和脂肪的含量較低，范圍分別在0.004 4～0.009 3 g/100 g，0.02%～0.29%。

表1 凍結速率對速凍烤甘薯理化指標的影響

烤甘薯的總糖主要由果糖、蔗糖、麥芽糖和葡萄糖組成[36]，凍結方式對總糖含量的影響較小，差異不顯著(P>0.05)，質量分數在21.91%～24.53%。甘薯中含有α-淀粉酶和β-淀粉酶，前者能水解淀粉粒，后者只能水解糊化淀粉。在高溫烘烤過程中，淀粉邊糊化邊糖化使得可溶性糖含量大幅度增加，而淀粉含量降低。4種凍結處理的烤甘薯的淀粉含量均較低，范圍在1.84～2.53 g/100 g，除-25 ℃凍結外，均與對照組無顯著性差異(P>0.05)。烤甘薯的還原糖主要由麥芽糖的組成[37]，它的增加主要來自β-淀粉酶在熱加工過程中對可溶性多糖的進一步糖化，因熱量由外層向內逐層傳遞使淀粉酶的活性發揮較為充分，從而提高了甘薯的糖化程度，甜度增大[38]。4種凍結方式處理的烤甘薯的還原糖質量分數在12.25%～14.60%，液氮凍結的質量分數最低為12.25%，與對照組無顯著差異，-60 ℃凍結的質量分數最高為14.60%，顯著高于對照組。烤甘薯在烘烤后期的少量糖外溢，凍藏期間部分可溶性多糖的降解以及微波加熱二次熟化過程中產生的影響會相應地增加或減少烤甘薯的含糖量，從而引起不同凍結溫度間還原糖含量的差異。

粗纖維化學穩定性較好，常規溫度加工不易造成損失[39]。凍結溫度對粗纖維的含量影響極顯著(P<0.01)，其中-25 ℃凍結對粗纖維的保存最好(3.05%)，液氮凍結的含量最低(1.53%)。Vc是衡量甘薯營養品質的重要指標之一，鮮薯中Vc的含量很高，是蘋果、葡萄、梨的10～30倍[40]，然而Vc的化學穩定性較差，受熱、見光易分解，貯藏條件、品種和加工方法的不同均對Vc含量有較大影響[41]。本試驗中測定的烤甘薯Vc含量偏低，-25、-60 ℃和液氮凍結的Vc含量無顯著性差異，均在1.82 mg/100 g左右，與HOU等[12]、CUNEYT等[42]報道的相差較大。除了烘烤工藝和品種因素外，甘薯個體間差異[38]與低溫下烤甘薯中大分子物質的降解，以及由烘烤后形狀、大小和質地的變化引起的微波復熱后烤甘薯內部溫度的不同[43]，這些原因可能都最終影響了Vc含量的高低。胡蘿卜素中的β-胡蘿卜素具有VA源活性，可根據人體需要全部或部分轉化成VA，預防干眼病[3,44]。高溫使胡蘿卜素-蛋白質復合物之間的鍵斷裂，增加了胡蘿卜素的溶出率[45]。4種凍結溫度處理的胡蘿卜素差異顯著(P<0.05)，含量由高到低依次為：-25 ℃冰箱凍結>-60 ℃冰箱凍結>液氮速凍>-18 ℃冰箱凍結，但都低于對照組。綜合比較，-60 ℃凍結的汁液損失率較小，水分含量最高，蛋白質、還原糖、Vc和胡蘿卜素含量較高，對烤甘薯理化品質的保存效果最好。

由表2可知，烤甘薯的水分與還原糖呈極顯著正相關(r=0.647)；蛋白質與粗纖維呈極顯著負相關(r=-0.798)；還原糖與淀粉呈顯著負相關(r=-0.625)；粗纖維與淀粉呈極顯著負相關(r=-0.690)，與Vc呈顯著正相關(r=0.542)；Vc與胡蘿卜素呈極顯著負相關(r=-0.826)。相關性分析結果表明，烤甘薯各營養品質間彼此聯系。

表2 速凍烤甘薯理化指標間的相關性分析

2.3 不同凍結速率對速凍烤甘薯色澤的影響

烤甘薯色澤的變化會影響消費者的接受程度，烤甘薯的色澤越鮮亮，消費者的接受度越高。不同凍結溫度下烤甘薯的顏色變化如圖2所示。

圖2 凍結速率對速凍烤甘薯色澤的影響

可以看出，不同凍結溫度處理的烤甘薯，其L*、a*、b*值差異顯著(P<0.05)。亮度L*值越大，則色澤越亮，L*值越小，則烤甘薯的色澤越暗，可接受程度越差。與對照組相比，除-18 ℃凍結外，其余凍結方式的L*值略微增大。其中液氮凍結和-60 ℃凍結的L*值較大，亮度較高，能夠較好地保持烤甘薯的光澤。這可能是因為在冷凍貯藏過程中，冰晶的長大與融化使烤薯的水分含量有所增加，而水分的存在影響了射光的反射，從而對亮度值產生影響。紅綠值a*>0時，a*值越大，表明色度朝紅色過渡，烤甘薯色澤越紅。-25 ℃凍結的a*值最大，-18 ℃凍結與對照組無顯著差異。隨凍結溫度的降低，在黃藍值b*>0時，b*值越小，黃色越淺。-18、-25 ℃凍結的b*值顯著高于對照組，-60 ℃凍結與對照組則無顯著性差異(P>0.05)。色差值ΔE表示速凍烤甘薯與現烤甘薯間的色度差異，是烤甘薯色澤變化的指標之一。4種凍結方式的ΔE值差異顯著，其中-60 ℃凍結的色差值最小，與現烤甘薯的色澤最接近。綜合比較，-60 ℃凍結對烤甘薯的護色效果最佳。

2.4 不同凍結速率對速凍烤甘薯質構的影響

質構是反映速凍烤甘薯食用品質的重要指標。研究表明，冷凍食品質地的好壞與速凍過程中形成的冰晶大小有關，大的冰晶會對組織產生機械損傷，從而影響烤甘薯的質地和口感。由表3可知，不同凍結溫度處理后烤甘薯硬度差異顯著(P<0.05)，其中液氮處理的烤甘薯硬度最大，與對照組最接近，-60 ℃凍結次之，-18 ℃和-25 ℃凍結無顯著性差異(P>0.05)。烤甘薯復熱后若質地較軟，則與現烤甘薯相差較大，影響口感。彈性反映的是外力作用使物體變形及去掉外力后的恢復程度[46]，-60 ℃凍結的彈性最大，-18 ℃與-25 ℃凍結后的烤薯彈性相同。咀嚼性反映出烤甘薯在持續咀嚼過程中的抵抗性，是硬度、內聚性、彈性三者的乘積[47]，咀嚼時較低的抵抗力和易吞咽使得烤薯的口感較為“濕潤”[48]。液氮凍結的膠著性、咀嚼性和最大剪切力與對照組無顯著性差異(P>0.05)，較之分別減少了7.1%、2.8%、6.2%，其余凍結溫度與對照組差異較大。綜上，液氮凍結能較好地保持烤甘薯的硬度與咀嚼性，從而保持烤甘薯較好的口感，與現烤甘薯最接近。

表3 凍結速率對速凍烤甘薯質構特性的影響

烤甘薯質構測定參數之間的相關性見表4，烤甘薯的硬度與黏著性呈極顯著負相關(r=-0.702)，與膠著性、咀嚼性呈極顯著正相關(r=0.653，r=0.897)；黏著性與彈性呈顯著正相關(r=0.638)，與內聚性呈極顯著正相關(r=0.848)；彈性與內聚性呈顯著正相關(r=0.719)，與最大剪切力呈顯著負相關(r=-0.525)；膠著性與咀嚼性呈顯著正相關(r=0.606)。

表4 速凍烤甘薯質構測定參數間的相關性分析

2.5 速凍烤甘薯主要品質變量的相關性分析

蛋白質、還原糖、粗纖維、Vc、胡蘿卜素等組分的變化，可能與結構的軟硬度、咀嚼性等存在密切關系，因此對烤甘薯理化指標、色澤、質構進行研究，探討各指標間的相互關系。采用Pearson相關系數分析速凍烤甘薯主要品質參數間的相關性，結果見表5。

表5 速凍烤甘薯主要品質指標的相關性分析

由表5可知，烤甘薯的蛋白質與a*值呈極顯著負相關(P<0.01)，與咀嚼性呈極顯著正相關(P<0.01)，表明蛋白質含量的增加會提高烤甘薯持續咀嚼時的抵抗力并且加深烤甘薯的顏色，粗纖維則恰好與之相反，這與前文蛋白質與粗纖維呈顯著負相關的結論一致；還原糖與硬度呈極顯著負相關(P<0.01),與咀嚼性呈顯著負相關(P<0.05)；Vc與硬度咀嚼性呈極顯著負相關(P<0.01)，表明還原糖和Vc含量的增加會降低烤甘薯的硬度和咀嚼性；胡蘿卜素與咀嚼性呈顯著正相關(P<0.05)，表明胡蘿卜素含量的變化會影響烤甘薯咀嚼時的口感。

2.6 速凍烤甘薯主要品質指標的主成分分析和綜合評價

如表6所示，將速凍烤甘薯的11個指標轉化為3個主成分，第1主成分的特征值為5.353，方差貢獻率為48.66%，解釋了速凍烤甘薯品質特性的48.66%，是最主要的主成分；第2主成分的特征值為2.851，方差貢獻率為25.92%，累積方差貢獻率為 74.58%；第3主成分的特征值為2.129，方差貢獻率為19.35%，累積方差貢獻率為93.939%。3個主成分累積方差貢獻率達93.939%，即涵蓋了烤甘薯主要品質指標的絕大部分信息，能綜合反映不同凍結方式下速凍烤甘薯的品質特性，可作為速凍烤甘薯凍結方式選擇、測評的綜合指標。

表6 主成分特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率

通過因子分析，將所提取的主成分因子進行旋轉處理，以期更好地解釋各品質指標與主成分因子之間的關系，載荷值大小反映了各變量在主成分中的重要程度，結果如表7所示。蛋白質、咀嚼性、彈性、還原糖和胡蘿卜素對烤甘薯品質綜合評價的貢獻率較高，可作為評價速凍烤甘薯品質特性的特征指標。

表7 烤甘薯品質變量因子載荷

將相應的因子得分乘以相應方差的算術平方根得到各主成分的得分。3個主成分的表達式(F1、F2、F3代表3個公因子，X1～X11分別代表原始變量)如下：

F1=0.174X1+0.146X2-0.084X3+0.075X4+0.096X5-0.023X6-0.255X7-0.082X8+0.300X9+0.066X10-0.234X11

F2=0.071X1+0.041X2-0.042X3-0.188X4-0.314X5+0.357X6+0.097X7+0.146X8-0.109X9+0.140X10-0.143X11

F3=0.067X1-0.338X2-0.186X3+0.323X4+0.041X5-0.166X6-0.052X7+0.189X8-0.068X9+0.046X10+0.172X11

以各主成分的貢獻率對主成分得分進行加權平均，表達式為F=0.486 6F1+0.259 2F2+0.193 5F3，不同凍結方式下速凍烤甘薯品質的綜合得分及排序如表8所示。

表8 不同凍結速率下速凍烤甘薯的主成分得分及排名

由此得到，不同凍結方式下烤甘薯綜合品質由高到低為-60 ℃冰箱凍結>液氮速凍>-25 ℃冰箱凍結>-18 ℃冰箱凍結。

3 結論與討論

本研究測定了不同凍結速率下烤甘薯的凍結曲線以及理化指標、色澤、質構特性的變化，通過相關性分析和主成分分析對烤甘薯的主要品質特性進行綜合評價。結果顯示，液氮速凍通過最大冰晶生成帶的時間最快，凍結時間最短，對烤甘薯質構品質特性的保留最好；-60 ℃凍結最有利于烤甘薯理化品質和色澤的保存。相關性分析發現，烤甘薯中蛋白質、還原糖、Vc、胡蘿卜素等營養指標的變化與其色澤、硬度、咀嚼性等品質的變化密切相關，其中，咀嚼性的改變對烤甘薯的食用品質具有重要影響。主成分分析表明，11個品質指標可綜合為3個主成分，解釋了速凍烤甘薯93.94%的原始數據信息量。共挑選出5項對綜合評價貢獻率較高的指標，分別是蛋白質、咀嚼性、彈性、還原糖和胡蘿卜素，可作為評價速凍烤甘薯品質特性的特征指標。綜合品質排名由高到低為-60 ℃冰箱凍結>液氮凍結>-25 ℃冰箱凍結>-18 ℃冰箱凍結，在現有的條件下，-60 ℃冰箱凍結能更好地保持烤甘薯的品質。

本研究為速凍烤甘薯的研發提供了思路，試驗通過綜合評分確定-60 ℃冰箱凍結作為烤甘薯的凍結方式。然而超低溫處理的成本相對較高，結合我國企業目前實際生產條件，液氮凍結的綜合評分雖然略低于-60 ℃冰箱凍結，但通過最大冰晶生成帶的時間短，且液氮價格低廉，對環境友好，因此也可以很好地保持烤甘薯的冷凍品質。此外試驗中設定的貯藏時間較短，并未探討不同凍結速率隨貯藏時間的延長對烤甘薯的品質所產生的影響，不同品種間的品質特征也會有較大差異，這些因素都可能會改變指標間的相關性和最終評定結果。另外凍藏期間烤甘薯的品質變化與貨架期的長短也有所關聯，對速凍烤甘薯貨架期的預測與凍藏期間品質的穩定性研究也有待深入探討。因此，在接下來的研究中擬增加不同品種和貯藏期間品質指標間的相關研究，為速凍烤甘薯的品質鑒定提供更加可靠的數據支撐。