抗凍劑對速凍南瓜泥品質影響及其機理探究

楊丹璐 施 依 吳金鴻 葛 宇 李向紅 汪少蕓

(1. 上海交通大學農業與生物學院食品科學與工程專業，上海 200240；2. 上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233；3. 長沙理工大學化學與食品工程學院，湖南 長沙 410114；4. 福州大學生物科學與工程學院，福建 福州 350108)

南瓜是一種葫蘆科植物，被認為是類胡蘿卜素、抗壞血酸的極好來源，其分別是維生素A和維生素C的前體物質。同時南瓜還是維生素E、鉀離子、鈣離子、膳食纖維、氨基酸和酚類化合物的良好來源[1]，并具有低鈉、低脂、低卡路里的特點[2-3]。國內外已有許多研究[4-6]表明南瓜具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗腫瘤、降血糖、降血脂等作用，能夠有效減少糖尿病、癌癥、心血管疾病等高危疾病的患病風險，是一種極具開發價值的植物。但是目前主要的消費形式仍是作為新鮮蔬菜食用，存在易腐爛、難運輸、季節性等問題，而開發南瓜深加工產品可以很好地解決這些問題。

在中國，常見的南瓜深加工產品及研究主要集中在南瓜粉、南瓜餅、南瓜脯、南瓜汁及南瓜飲料等[7]，而對南瓜泥的研究相對較為少見。國外已有研究[8]顯示南瓜泥可以保留大部分南瓜原有的風味和營養價值，并且除直接食用外，還能夠作為中間產物進一步生產其他產品，極具開發前景。由于含水量高、酸度低，南瓜泥在貯藏過程中極易受到微生物影響而發生變質，采用熱處理、超高壓等方式進行滅菌處理可以減少其變質，但會造成較大的營養損失[9-10]。凍藏是保存南瓜泥營養品質較好的一種加工方式，已有關于南瓜辣椒復配果醬[11]、鱷梨泥[12]等冷凍貯藏的研究，但未見關于冷凍過程南瓜泥品質調控的研究報道。

南瓜泥是一種不均一的兩相體系，穩定性較差，因此在凍融及凍藏儲存過程中容易出現固體收縮、水分析出現象，造成固相與液相分層，形成析水，降低南瓜泥的食用品質。研究[13]表明，新添加抗凍劑可減弱這種不利影響。果膠、膠原肽與海藻糖已被證實具有冷凍保護作用[14-16]，在前期預試驗中以析水率為指標已篩選得到一種由果膠、膠原肽、海藻糖組成的新型復配抗凍劑配方。試驗擬向速凍南瓜泥中添加復配抗凍劑，研究其對速凍南瓜泥的品質和結構影響，并探究抗凍劑的冷凍保護作用機理，以期延長南瓜泥貨架期并提高其冷凍穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

南瓜：艾瑞吉小南瓜，上海艾妮維農產品專業合作社；

果膠：食品級，浙江博丹衡食品配料有限公司；

膠原肽：食品級，嘉利達(遼源)明膠有限公司；

海藻糖：食品級，日本林源株式會社；

試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備

料理一體機：UM 130型，德國Stephan公司；

納米粒度zeta電位儀：NanoBrook Omni型，美國布魯克海文儀器公司；

質構儀：Universal TA型，上海騰拔儀器科技有限公司；

色差儀：Labscan XE型，美國HunterLab公司；

掃描電子顯微鏡：Sirion 200型，美國FEI公司；

激光共聚焦顯微鏡：TCS SP8 STED 3X型，德國徠卡公司。

1.2 方法

1.2.1 速凍南瓜泥制備 挑選無霉變、無機械損傷、完全成熟的南瓜作為原料，洗凈，去皮，去瓤，切塊。南瓜塊投入料理一體機中，開啟鋸齒刀斬拌并加熱至95 ℃，保溫5 min 使之熟化呈泥狀，投入復配抗凍劑(果膠0.1%+膠原肽0.2%+海藻糖2%)，加壓升溫至120 ℃保持10 min殺菌，冷卻出料。將南瓜泥分為120 g/包，真空密封，于(-36±2) ℃速凍柜速凍2 h，(-20±2) ℃冰箱凍藏0～4周后，于室溫解凍2 h，進行后續試驗。添加抗凍劑的速凍南瓜泥記為試驗組；以不添加抗凍劑的速凍南瓜泥作為空白對照，記為空白組。

1.2.2 速凍南瓜泥穩定性測定

(1) 析水率(water separation proportion，WSP)：根據文獻[13]修改如下：取10 g解凍的南瓜泥樣品裝入離心管中(離心管質量為m1)，稱得總重為m2，6 000 r/min離心30 min，除去上清液，離心管與沉淀物稱重為m3，結果取3次平行試驗的平均值。按式(1)計算析水率：

(1)

式中：

PWS——析水率，%；

m1——離心管質量，g；

m2——離心管與南瓜泥總質量，g；

m3——離心管與沉淀物總質量，g。

(2) 粒徑：參照文獻[17]34。

(3) Zeta電位值：參照文獻[17]26。

1.2.3 速凍南瓜泥品質測定

(1) 質構：參照文獻[18]。

(2) 色度：參照文獻[19]。

(3) 可溶性固形物含量：用手持糖度儀測定。

1.2.4 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 取少量南瓜泥樣品進行冷凍干燥，切取干燥的樣品5×5×5 mm3，噴鉑后使其具有導電性，處理后的樣品在200～800倍的放大范圍內進行觀察、記錄和拍照。

1.2.5 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察 使用羅丹明(濃度為1 mg/100 g)和異硫氰酸熒光素(濃度為10 mg/100 g)混合液作為染色劑。取50 μL南瓜泥滴加在載玻片上，再滴加5 μL染色劑，靜置10 min使其反應，處理后的樣品在熒光模式下進行觀察、記錄和拍照。

1.3 數據處理

應用SPSS 21.0對試驗數據進行統計學分析，用ANOVA分析各組結果間的差異顯著性，P<0.05表示有顯著差異，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 抗凍劑對速凍南瓜泥析水率、粒徑、Zeta電位值的影響

由表1可知，隨著凍藏時間的增加，南瓜泥析水率增加，表明固液相分離趨勢增大，穩定性與品質下降。對比發現，凍藏相同時間的試驗組南瓜泥析水率顯著低于空白組，與Rodriguez-Marin等[13]觀察結果一致，凍藏過程中果泥的析水率升高，而添加冷凍保護劑將會抑制這種趨勢。凍藏過程中冰晶的重結晶會導致結構損傷。果膠能夠在速凍南瓜泥中形成凝膠網絡固定水分子，而膠原肽與海藻糖含有大量羥基等親水基團，可以結合體系中的水與大分子，減少體系中的游離水含量，降低凍藏過程中的冰晶重結晶，改善析水現象，有效提高速凍南瓜泥穩定性。

表1 抗凍劑對速凍南瓜泥析水率、粒徑、Zeta電位的影響?Table 1 Influence of antifreezes on WSP, particle size and zeta potential value of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

泥醬類體系中顆粒粒徑越小，顆粒的沉降速度越慢，則該體系穩定性越高。隨著凍藏時間的增加，南瓜泥平均粒徑有所增加，表明體系穩定性降低，原因可能是部分顆粒發生聚集沉降現象。凍藏4周的試驗組平均粒徑顯著小于空白組，表明抗凍劑的添加有助于提高體系穩定性，可能是由于抗凍劑的添加提高了體系的空間位阻，使得顆粒分布更均勻，阻止顆粒聚集沉降。

表1顯示南瓜泥體系中的Zeta電位為負值，說明南瓜泥顆粒帶負電荷。隨著凍藏時間的增加，南瓜泥Zeta電位絕對值下降，表示體系中顆粒間的相互排斥力減小，穩定性降低，顆粒傾向于聚集，與粒徑觀測結果一致。凍藏相同時間，試驗組Zeta電位絕對值顯著高于空白組，表示抗凍劑的添加能夠提高體系穩定性，防止顆粒聚集。由于空間位阻、氫鍵與電荷是決定Zeta電位值大小的重要因素[17]30-31，抗凍劑中的果膠為陰離子多糖，帶負電荷，可以與南瓜泥中的大分子結合提供負表面電荷，同時果膠碳鏈較長，且能夠形成凝膠結構，有助于提高顆粒間的空間位阻，在顆粒間提供更高的能壘，從而增大體系中顆粒間靜電排斥力，進而提高速凍南瓜泥穩定性。

2.2 抗凍劑對速凍南瓜泥色度的影響

由表2可知，隨著凍藏時間的增加，空白組南瓜泥L*值略微下降(亮度變暗)，與Gliemmo等[19]觀察到的結果一致，主要是由于凍藏期間發生了非酶促褐變反應以及β-胡蘿卜素的氧化和異構化，而試驗組南瓜泥在4周時間內未觀察到顯著性變化。空白組和試驗組的a*值均有顯著性下降，而b*值有不顯著的略微下降，表明南瓜泥在凍藏過程中出現紅色和黃色的損失，且紅色損失高于黃色，Gliemmo等[20]也觀察到類似結果，分析這主要是由于β-胡蘿卜素具有高度不飽和結構而不穩定，發生氧化反應導致降解，進而失去顏色。同時，由表2還可以發現試驗組的L*值低于空白組，a*值、b*值高于空白組，可能是由于添加的果膠為黃褐色粉末，同時添加海藻糖與膠原肽增加了體系中可溶性糖含量和氨基酸含量，可能會在凍藏期間加劇褐變，導致亮度更暗、顏色偏紅黃。

表2 抗凍劑對速凍南瓜泥色度的影響?Table 2 Influence of antifreezes on color of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

L*值、a*值、b*值的下降導致速凍南瓜泥的△E值隨著凍藏時間的增加而升高，但是有研究[21]指出在許多產品的視覺感知中，△E值>2才能產生顯著差異，因此試驗中的速凍南瓜泥凍藏4周期間不會產生肉眼可觀察到的顏色變化。凍藏相同時間的試驗組△E小于空白組，表明抗凍劑能抑制速凍南瓜泥在凍藏過程中的顏色降解程度，提高產品品質，具有冷凍保護作用。

2.3 抗凍劑對速凍南瓜泥質構、可溶性固形物含量的影響

由表3可知，隨凍藏時間的增加，速凍南瓜泥硬度下降，可能是由于南瓜泥出現析水現象，進行相同程度的壓縮所需的力更小。同時可以觀察到內聚性隨著凍藏時間的延長而下降，表明南瓜泥內部凝聚性下降，與硬度觀測結果一致，呈現體系品質下降的趨勢。對比發現，試驗組南瓜泥硬度下降程度為7.57%，小于空白組的(12.92%)，凍藏相同時間的試驗組內聚性顯著高于空白組，表明抗凍劑的添加有利于提高南瓜泥品質穩定性。

由表3還可知，可溶性固形物含量隨凍藏時間的增

表3 抗凍劑對速凍南瓜泥質構特性、可溶性固形物含量的影響?Table 3 Influence of antifreezes on texture parameters and total soluble solid of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

加逐漸下降，可能是由于凍藏過程中發生褐變反應而消耗部分糖，導致總糖含量下降[22]。凍藏相同時間的試驗組可溶性固形物含量高于空白組，同時凍藏4周后試驗組下降幅度為6.83%，小于空白組的(15.07%)，可能是因為加入海藻糖使試驗組可溶性固形物含量提升，而且抗凍劑具有冷凍保護作用，減緩凍藏過程中品質下降。

2.4 SEM觀察

南瓜泥主要由細胞碎片與糖、淀粉、可溶性果膠和纖維混合在一起，懸浮于連續相中，與番茄醬類似，有研究[23]表明番茄醬體系能形成比較松散的果膠網狀物，但顆粒間作用很弱，難以從SEM圖像上觀察到明顯的網狀結構。如圖1所示，南瓜泥也呈片層狀交聯結構，但難以觀察到明顯的網狀結構，其中的空洞是由冰晶升華后造成的，在凍藏過程中游離水會發生結晶、重結晶而產生大的冰晶顆粒，并由此給南瓜泥結構帶來不可逆的損壞，導致解凍后水分析出。空白組南瓜泥表面較粗糙，重疊在一起，不規則分布，沒有連續性；凍藏4周后表面更為粗糙，且出現更多空洞，以及明顯的斷裂絲狀結構，表明在凍藏過程中南瓜泥體系中產生了大冰晶，對結構造成了較大損傷。試驗組南瓜泥表面相對平整光滑，體系分布較為連續；凍藏4周后表面變得粗糙，但是未發現明顯斷裂結構，空洞較空白組少，表明凍藏對結構的損害作用較小。這可能是由于抗凍劑有親水性基團的存在，能夠加強分子與南瓜泥樣品之間的結合能力，增強樣品整體的穩定性。

圖1 速凍南瓜泥SEM觀察圖像Figure 1 Observation of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage

2.5 CLSM觀察

由圖2可知，大分子呈顆粒狀分散在整個南瓜泥體系中，凍藏0周時顆粒較為分散，分布均勻。凍藏4周后，空白組南瓜泥中顆粒出現一定程度的聚集，其中出現大面積無顆粒填充的黑色空洞，可能是凍藏過程中形成的大冰晶解凍后形成，與SEM觀察結果一致，大冰晶融化形成的空洞將對南瓜泥結構造成一定損傷。凍藏過程中由于體系中顆粒出現聚集，將導致平均粒徑的增大以及沉降趨勢的增大，對體系穩定性帶來不利影響。試驗組也觀察到類似現象，凍藏4周出現少量聚集現象，但明顯優于空白組，大分子分布仍較為均勻，表明加入抗凍劑能改善凍藏過程中的南瓜泥結構損傷，提高體系穩定性，對南瓜泥存在冷凍保護作用。

圖2 速凍南瓜泥CLSM觀察圖像Figure 2 Observation of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage

3 結論

通過在速凍南瓜泥中加入復配抗凍劑(果膠0.1%+膠原肽0.2%+海藻糖2%)，可顯著提升速凍南瓜泥在凍藏過程中的穩定性并減緩品質劣化趨勢，主要體現在減緩析水率、平均粒徑的升高趨勢以及L*值、a*值、b*值、硬度、內聚性、可溶性固形物含量、Zeta電位絕對值的降低趨勢，并且能夠有效保護速凍南瓜泥的超微結構，提高大分子分布的均勻性。綜上所述，抗凍劑的添加對速凍南瓜泥的品質具有較大影響，其機理可能是通過抗凍劑的親水基團與游離水結合，減少凍藏過程中的大冰晶對整體結構及大分子構象的破壞作用，同時通過分子間作用力與空間位阻作用提高體系內的靜電排斥力，阻止顆粒聚集，提高體系穩定性，增強速凍南瓜泥品質。后續可加強有關速凍南瓜泥加工工藝以及微生物指標變化的研究。