超聲波對不同孔隙率水果凍結(jié)特性的影響

曹雪慧，王甄妮，白 鴿，朱丹實，呂長鑫

（渤海大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121013）

冷凍技術(shù)在食品加工中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)冷凍技術(shù)由于損耗時間長、凍結(jié)效率低等問題，造成細胞機械損傷，導(dǎo)致食品品質(zhì)下降[1-4]。因此，將新型技術(shù)與傳統(tǒng)冷凍技術(shù)相結(jié)合，成為改善凍結(jié)食品品質(zhì)的一種重要途徑[5]。

超聲波處理作為一項新型的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品的保存和分析[6-8]。采用超聲波輔助結(jié)晶技術(shù)凍結(jié)食品，能促進固態(tài)晶核形成、抑制冰晶體積生長、控制晶體粒均勻分布、提高結(jié)晶質(zhì)量，對改善食品品質(zhì)有重要的意義[9-11]。目前以草莓、毛豆、馬鈴薯、蘿卜等為研究對象，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助冷凍技術(shù)應(yīng)用在不同的食品上有不同的冷凍效果[12-17]。根據(jù)不同的原料特點選擇適當頻率和功率的超聲波有助于提高凍結(jié)品質(zhì)，通常頻率范圍為10～20 MHz[18]。Gani等提出合適的超聲時間可以保護草莓的色澤，超聲時間過長則會破壞草莓中的抗氧化物質(zhì)[19]。關(guān)于超聲波輔助冷凍技術(shù)對不同孔隙率水果的凍結(jié)過程及凍融后品質(zhì)影響的研究較少。徐保國通過對紅心蘿卜的微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)“海綿效應(yīng)”，然而未涉及孔隙率對比研究[20]。陳竹兵等通過對蘿卜組織脫氣處理，得出脫氣能改善含氣物料超聲輔助浸漬冷凍效果的結(jié)論[21]。本實驗選用蘋果、梨、哈密瓜3 種孔隙率差異明顯的水果，采用不同超聲強度浸漬冷凍處理，研究3 種水果凍結(jié)過程中溫度變化受超聲強度和自身孔隙率的影響，同時比較凍融后各組樣品的滴水損失率、硬度、色差、水分分布及抗壞血酸含量變化，進一步了解果蔬的孔隙率、超聲波強度對凍結(jié)過程中溫度和冷凍后的品質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗所用蘋果（‘秋香富士’）、梨（‘錦豐’）、哈密瓜（‘東湖瓜’），均購買于遼寧省錦州市萬家樂水果生鮮超市。挑選果形圓潤、新鮮成熟，且無機械損傷和病蟲害的蘋果、梨、哈密瓜，購買后運回實驗室置于4 ℃冰箱中冷藏。

氯化鈣 天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；無水乙醇天津市北辰方正試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

RX9608D-HO-BA溫度記錄儀 杭州美控自動化技術(shù)有限公司；TA.XT Plus物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司；CHROMA METER CR-400色彩色差計日本Minolta公司；NMI20低場核磁共振儀 上海紐邁電子科技有限公司；BCD-206ZMZB冰箱 合肥美菱股份有限公司；JA503電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；JRA-20CQ智能型低溫超聲波萃取儀、DCW-2008低溫恒溫槽 無錫杰瑞安儀器設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗設(shè)計

將蘋果、梨、哈密瓜分別從4 ℃的冰箱中取出，清洗干凈后去皮，使用打孔模具，將樣品打成直徑1.5 cm、高2 cm的圓柱形果塊（在購買后的24 h內(nèi)處理完畢），處理后放置在保鮮袋中，于4 ℃的冰箱中存放，保證樣品在凍結(jié)時的初始溫度一致。將同一種水果分成3 組，分別在超聲波聲強為0、0.078、0.145 W/cm2條件下浸漬冷凍，浸漬冷凍液為質(zhì)量分數(shù)20%氯化鈣溶液，在浸漬冷凍過程中，將溫度記錄儀傳感器探頭插入樣品的幾何中心，中心溫度為-18 ℃時停止測量。采用間歇式超聲波處理，設(shè)置參數(shù)為開2 s關(guān)5 s，從果塊中心溫度為0 ℃開始超聲，到果塊中心溫度為-10 ℃停止超聲。超聲結(jié)束后，將凍結(jié)樣品在-18 ℃冰箱中冷藏12 h，移到4 ℃解凍后測定各項指標。蘋果、梨、哈密瓜直接浸漬冷凍用AIF、PIF、CIF表示，在0.078 W/cm2的超聲條件下浸漬冷凍分別用AUF1、PUF1、CUF1表示，在0.145 W/cm2的超聲條件下浸漬冷凍分別用AUF2、PUF2、CUF2表示。

1.3.2 聲強的測定

通過量熱法進行聲強測定，將溫度記錄儀與一支裝滿蒸餾水的2 mL離心管連接，測試在2 min內(nèi)超聲條件下蒸餾水溫度的變化，此實驗重復(fù)10 次。根據(jù)公式（1）計算消耗功率P[22]，并根據(jù)公式（2）計算聲強IA。

式中：P表示消耗的功率/W；m表示離心管內(nèi)蒸餾水的質(zhì)量/kg；Cp表示水的定壓摩爾比熱容（4.18×103J/（kg·K））；表示120 s內(nèi)溫度升高的速率/（℃/s）；A表示離心管的橫截面面積/cm2；IA表示聲強/（W/cm2）。

1.3.3 水果塊孔隙率的測定

孔隙率指水果塊中空氣體積占樣品體積的比例，根據(jù)阿基米德原理測定水果的體積孔隙率[22]。先測量圓柱形樣品的底面圓半徑r/cm和高度h/cm，根據(jù)圓柱體體積計算公式（V＝πr2h）得到體積V/cm3。然后將樣品浸沒在裝有水的容器中，通過電子天平稱量樣品在水中除氣前后的質(zhì)量，并得到其質(zhì)量差m/g，因為水密度是1 g/cm3，所以滲透的水質(zhì)量（m/g）的數(shù)值近似于空氣體積V1/cm3，根據(jù)公式（3）計算樣品的孔隙率。

本實驗中測定蘋果果塊、梨果塊、哈密瓜果塊的孔隙率分別為（11.39±0.71）%、（17.16±0.89）%、（50.74±1.01）%。

1.3.4 滴水損失率的測定

取出凍藏的果塊，立即稱質(zhì)量（m1/g），稱量后放到4 ℃冰箱中解凍12 h。解凍后將果塊表面的水用濾紙擦拭干凈，然后稱質(zhì)量（m2/g），按公式（4）計算果塊的滴水損失率[23]。

1.3.5 質(zhì)構(gòu)特性的測定

采用物性測試儀對凍融后果塊進行測試，測試條件為：探頭型號為P/2；壓縮量：30%；測前速率：3.00 mm/s；測試速率：1.00 mm/s；測后速率：5.00 mm/s；觸發(fā)力：5 g，樣品經(jīng)6 次重復(fù)測定。

1.3.6 色差的測定

采用色彩色差計對解凍后果塊的顏色進行測定。其中L*值表示亮度，L*值越大亮度越大；a*值表示果實的紅綠偏向，數(shù)值為負代表果實偏綠色，數(shù)值為正代表果實偏紅色；b*值表示果實的黃藍偏向，數(shù)值為負代表果實偏藍色，數(shù)值為正代表果實偏黃色；ΔE表示色差值，ΔE越大表示被測試果塊的色澤與標準板的顏色差別越大[24]。在每個處理組中取出6 個樣品，重復(fù)實驗3 次，測定其L*、a*、b*值和ΔE。

1.3.7 水分分布的測定

采用低場核磁共振儀對水分分布進行測定。主要參數(shù)設(shè)置：90°脈沖時間＝14.00 μs，180°脈沖時間＝28.00 μs，回波時間的一半τ＝200.00 μs，累加次數(shù)NS＝14，重復(fù)時間TR＝1 000 000 ms，采樣點數(shù)Td＝1 024，回波個數(shù)EchoCnt＝18 000，采樣頻率SW＝100 kHz，每個處理組6 個樣品，實驗在相同條件下，重復(fù)3 次。

1.3.8 抗壞血酸含量的測定

按照曹建康等[25]的2,6-二氯酚靛滴定法進行抗壞血酸含量測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值，結(jié)果以平均值±標準差表示。利用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用最小顯著性差異（least significance difference，LSD）法分析差異顯著性（P＜0.05），使用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 種水果塊凍結(jié)過程各階段的時間

物料的凍結(jié)過程一般由3 個階段組成，即：預(yù)冷階段、相變階段、低溫冷卻階段[26]。凍結(jié)速率過慢時，生成的冰晶體積大且分布不均勻，會導(dǎo)致內(nèi)部組織被破壞，細胞受到機械損傷，品質(zhì)下降[27]。其中，相變階段有大量冰晶產(chǎn)生，是凍結(jié)過程中關(guān)鍵的階段。

由表1可知，4～0 ℃為預(yù)冷階段，超聲波輔助冷凍對3 種水果的預(yù)冷階段時間均無顯著性影響（P＞0.05）。相變階段一般發(fā)生在0～-5 ℃過程中，又被稱為最大冰晶生成帶，與直接浸漬冷凍處理相比，經(jīng)過超聲浸漬冷凍處理后的蘋果、梨、哈密瓜果塊通過相變階段的時間均存在顯著性差異（P＜0.05），超聲強度越大，所需要的時間越短。其中哈密瓜在0.078、0.145 W/cm2的超聲條件下，通過相變階段的時間比直接浸漬冷凍組分別縮短了45.33%、60.93%，可見，超聲輔助冷凍處理可以顯著縮短哈密瓜通過最大冰晶帶的時間（P＜0.05），從而保護哈密瓜的組織結(jié)構(gòu)[24]。在低溫冷卻階段，超聲波對3 種水果的影響不同，超聲強度對蘋果和哈密瓜具有顯著影響（P＜0.05），而對梨沒有顯著影響（P＞0.05）。從凍結(jié)總時間可以看出，0.078 W/cm2的超聲條件下，蘋果凍結(jié)時間與直接浸漬冷凍組無顯著差異，梨、哈密瓜分別縮短了23.15%、12.92%；在0.145 W/cm2的超聲條件下，蘋果、梨、哈密瓜的相變階段時間分別為21.67、21.33、16.67 s，凍結(jié)時間分別縮短了21.72%、29.15%、44.39%。這與Zhang Peizhi等[28]研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助冷凍可以提高冷凍效率的結(jié)果一致。

表1 3 種水果凍結(jié)過程各階段時間分布Table 1 Time distribution of each stage of the freezing process for three fruits

超聲波在傳輸介質(zhì)中產(chǎn)生空化氣泡，這些氣泡的坍塌導(dǎo)致局部區(qū)域形成極高的壓力[12]，從而促進冰晶的生成。實驗結(jié)果表明，水果孔隙率越大，內(nèi)部空氣含量越高，凍結(jié)速率越慢。故孔隙率小的蘋果總凍結(jié)時間比孔隙率相對大的梨短。且相同實驗條件下，超聲波強度越小，凍結(jié)速率越慢。值得注意的是，雖然水果孔隙率和超聲強度是影響水果凍結(jié)速率的重要因素，但是水果中可溶性固形物含量和含水量等特性對水果的凍結(jié)速率也有重要影響。例如，哈密瓜孔隙率大于蘋果和梨，凍結(jié)總時間卻較二者短，可能因為哈密瓜成熟過程中缺水，果肉自我調(diào)節(jié)造成水分含量減少并導(dǎo)致孔隙率增大；因此哈密瓜雖然孔隙率大但含水量少，故其凍結(jié)速率快。一般來說，超聲輔助浸漬冷凍有助于提高低孔隙率水果的凍結(jié)速率。

2.2 超聲輔助冷凍對水果滴水損失率的影響

滴水損失會受冰晶的形成、細胞含水量和持水性等多種因素影響[24]。由圖1可知，孔隙率不同的水果，超聲輔助冷凍處理后的滴水損失情況存在顯著差異（P＜0.05）。這可能是因為，超聲輔助冷凍后，物料組織結(jié)構(gòu)不同造成凍結(jié)過程中形成的冰晶體大小不同，進而對組織造成不同程度的損傷，同時也受物料自身特性如含水量影響，所以解凍后滴水損失率不同。與直接浸漬冷凍處理組相比，超聲輔助浸漬冷凍處理后蘋果滴水損失率顯著下降（P＜0.05），梨和哈密瓜在0.078 W/cm2超聲強度下滴水損失率變化不顯著（P＞0.05），但是在0.145 W/cm2的超聲強度下滴水損失率顯著下降（P＜0.05）。超聲強度對梨滴水損失率有顯著影響（P＜0.05），而對蘋果和哈密瓜的滴水損失率影響不顯著（P＞0.05）。綜合來看，因為蘋果孔隙率低，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對越致密，所以與直接浸漬冷凍處理相比，超聲處理后蘋果的汁液流失現(xiàn)象得到改善最明顯。

圖1 不同超聲強度處理對3 種水果滴水損失率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic intensity on drip loss during thawing of three fruits

2.3 超聲輔助冷凍對水果硬度的影響

圖2 不同超聲強度處理對3 種水果硬度的影響Fig.2 Effect of ultrasonic intensity on the hardness of three fruits

質(zhì)構(gòu)是衡量口感和品質(zhì)的重要指標，通過測量解凍后樣品的硬度評估超聲輔助浸漬冷凍對不同孔隙水果品質(zhì)的影響。如圖2所示，超聲輔助冷凍組蘋果的硬度較直接浸漬冷凍處理組顯著提高（P＜0.05）。與直接浸漬冷凍處理組相比，梨和哈密瓜在0.145 W/cm2超聲強度下冷凍處理的硬度顯著提高，在0.078 W/cm2超聲強度下冷凍處理后無顯著變化（P＞0.05）。從總體趨勢來看，超聲輔助浸漬冷凍能提高解凍后水果的硬度，保護水果的質(zhì)地結(jié)構(gòu)，可能是因為空化效應(yīng)促進細小且均勻冰核的形成，減小了凍結(jié)過程中對組織細胞的機械損傷，從而保證了冷凍樣品的品質(zhì)。在凍結(jié)過程中水果片由于孔隙率不同，受超聲波空化效應(yīng)的影響程度不同，進而生成的冰晶大小不同，最終造成樣品解凍后的硬度存在差異。其中，蘋果因為孔隙率比梨和哈密瓜小，超聲處理后硬度較未超聲處理組均顯著提高，可能因為孔隙率小、易凍結(jié)，能較好保護蘋果的品質(zhì)，使蘋果組織中果膠和纖維素等物質(zhì)變化很小，且兩種強度超聲下蘋果塊硬度變化不顯著。

2.4 超聲輔助冷凍對水果色澤的影響

表2 不同超聲強度處理對3 種水果色澤的影響Table 2 Effect of ultrasonic intensity on the color of three fruits

如表2所示，同種水果在0.078 W/cm2超聲強度處理后與直接浸漬冷凍相比，L*值增加，a*值減小，b*值增加，ΔE增加，說明色澤變亮，且偏綠、偏黃，且與標準比色板的色澤相比差別增大，與直接浸漬冷凍處理組相比色澤變亮，可能是因為超聲波的機械效應(yīng)，超聲傳播時對周圍產(chǎn)生剪切力，破壞了容易引起褐變的酶結(jié)構(gòu)，因此抑制了酶活性。但是在0.145 W/cm2超聲強度處理后的物料與其他兩組相比，L*值顯著下降，a*值顯著降低，說明色澤變暗，色彩偏黃，可能是超聲強度大，形成空化云，阻礙了超聲波的傳播，但改變了酶與底物的分布狀況，故導(dǎo)致達不到抑制過氧化物酶、多酚氧化酶及其他引起褐變酶活性的作用，還促進了酶與底物反應(yīng)，因此色澤變暗[29-31]。適合的超聲波強度有利于保護水果色澤，但超聲波強度過高后，對不同孔隙率水果色澤的保護作用并未提高，反而下降。

2.5 超聲輔助冷凍對水果組織中水分分布的影響

核磁共振技術(shù)測定水分分布的原理是通過固定磁距的原子核，在恒定磁場與交變磁場的作用下，與交變磁場發(fā)生能量交換[32]。橫向弛豫時間（T2）表示水分的流動性。T2值越大，表明水分與組織結(jié)合越疏松，水分的流動性越大，反之T2值越小，表示水分與組織結(jié)合的越緊密，水分的流動性越小[33]。

圖3 不同聲強處理對3 種水果中水分橫向弛豫時間T2的影響Fig.3 Effect of ultrasonic intensity on transverse relaxation time T2 of water protons in three fruits

如圖3A～C所示，蘋果、梨、哈密瓜中的水主要分為3 種：細胞壁水、細胞間和細胞質(zhì)水、液泡水。凍結(jié)過程中，果塊組織內(nèi)部生成冰晶，對組織細胞造成機械損傷，導(dǎo)致液泡膜破裂，液泡水向外流失，形成水分遷移的現(xiàn)象。因此，凍融后3 種果塊中水分分布均發(fā)生變化。其中，哈密瓜經(jīng)超聲輔助浸漬冷凍后與直接浸漬冷凍相比，水分分布變化最明顯，這可能與哈密瓜的自身特性有關(guān)，因為哈密瓜與蘋果和梨相比，其孔隙率較大，組織結(jié)構(gòu)更疏松，在超聲輔助浸漬冷凍處理后，細胞內(nèi)生成晶核相對較大。解凍后內(nèi)部水分與組織結(jié)合疏松，因此不同部位水分流動性也更明顯。

2.6 超聲輔助冷凍對水果中抗壞血酸含量的影響

抗壞血酸含量是衡量果蔬的營養(yǎng)指標之一，通過測定凍融后果塊的抗壞血酸含量，可以判斷直接浸漬冷凍和超聲輔助浸漬冷凍處理對果塊營養(yǎng)品質(zhì)的影響。由圖4可知，與鮮樣相比，3 種水果在冷凍處理后抗壞血酸含量均顯著下降（P＜0.05）。不同孔隙率的水果，經(jīng)過相同處理后抗壞血酸含量有差異，但實驗中因為受3 種水果自身特性影響，不能得出不同水果在相同超聲處理后孔隙率與抗壞血酸含量的變化規(guī)律。直接浸漬冷凍與0.078 W/cm2超聲強度處理相比，蘋果、梨和哈密瓜抗壞血酸含量顯著下降（P＜0.05）。以0.145 W/cm2超聲強度處理較直接浸漬冷凍相比，蘋果抗壞血酸含量無顯著變化（P＞0.05），梨和哈密瓜中抗壞血酸含量顯著下降（P＜0.05）。3 種水果在不同超聲波強度浸漬冷凍處理下，0.145 W/cm2超聲波強度處理后的樣品抗壞血酸含量比0.078 W/cm2超聲強度處理后的抗壞血酸含量高，這與余德洋等[34]的研究結(jié)果一致，可能是因為0.145 W/cm2超聲強度能縮短冷凍時間，減小對細胞內(nèi)部造成的機械損傷程度，緩解營養(yǎng)流失現(xiàn)象，對抗壞血含量有較好的保護作用。

圖4 不同聲強處理對3 種水果中抗壞血酸含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic intensity on the contents of ascorbic acid in three fruits

2.7 相關(guān)性分析結(jié)果

表3 不同孔隙率物料凍融特性、品質(zhì)與超聲波強度的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between freezing-thawing and quality parameters and ultrasonic intensity

由表3可知，物料冷凍的相變時間、凍結(jié)總時間以及凍融后的滴水損失率與超聲波強度均呈現(xiàn)負相關(guān)性。其中，3 種不同孔隙率水果塊凍結(jié)總時間（除蘋果）、相變時間與超聲強度整體上均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）。凍融處理后，蘋果、哈密瓜滴水損失率與超聲強度呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），梨的滴水損失率與超聲強度呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），而3 種水果中的抗壞血酸含量均與超聲強度無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。結(jié)合以上分析發(fā)現(xiàn)，水果在超聲輔助浸漬冷凍處理后的品質(zhì)受超聲波強度和物料自身孔隙率的影響，同時還可能與物料本身的組成成分有關(guān)?？偟貋碚f，采用超聲輔助浸漬冷凍技術(shù)時，選用孔隙率小的物料，并適當提高超聲強度，有助于得到高品質(zhì)的冷凍樣品。

3 結(jié) 論

超聲輔助浸漬冷凍水果實驗中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲波（0.078、0.145 W/cm2）輔助處理可以顯著縮短相變階段的冷凍時間，且超聲輔助浸漬冷凍處理后，3 種水果的滴水損失率降低，硬度增加，抗壞血酸含量雖然有所降低，但能較好地保留，其中0.078 W/cm2超聲處理后較直接浸漬冷凍處理和0.145 W/cm2超聲處理的兩組色澤變亮。結(jié)合3 種水果冷凍指標與超聲強度的相關(guān)性分析，并考慮到超聲處理后的蘋果與梨和哈密瓜比汁液流失較直接浸漬冷凍改善最明顯，在合理超聲強度條件下，孔隙率小的水果，凍后品質(zhì)整體保留情況較好。綜上所述，超聲輔助浸漬冷凍可以提高冷凍速率，改善物料凍藏后的品質(zhì)特性，并且更適用于孔隙率低的物料。