果膠對真空冷凍干燥重組蘋果塊質構和吸濕特性的影響

杜茜茜，易建勇，畢金峰，馬有川，趙圓圓

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

我國是世界蘋果種植、生產和消費大國，2018年產量達3 923.34萬 t，占世界蘋果總產量的45.55%[1]。干制加工可顯著降低原料的水分含量和微生物活性，減少貯藏過程中的物理化學變化，延長商品的貨架期，是蘋果的重要加工方式[2-3]。果蔬脆片因其口感酥脆、方便即食、營養健康、便于攜帶等特點深受消費者青睞，其占蘋果加工制品的市場份額逐年穩步提高。

目前，用于蘋果脆片生產的干制技術主要包括真空冷凍干燥[3]、微波真空干燥[4]、壓差閃蒸干燥[5]和真空低溫油浴等[6]。其中，真空冷凍干燥技術在真空低溫的條件下使濕物料中凍結的水分直接升華，干燥后形成疏松的多孔結構，較好地保持了物料原有的物理性狀，營養成分保留率高，貯藏時間較長[7-9]。因此，真空冷凍干燥制品更符合現代消費者對營養健康的消費需求，在休閑食品市場上占據相當高的比例，顯示出良好的市場前景和發展潛力[10]。

近年來出現了真空冷凍干燥重組果蔬食品，其工藝是將單一或多種果蔬打漿混合后凍干，形成果蔬干制品新的微觀結構[11-12]。相比于天然果蔬脆片，真空冷凍干燥重組果蔬食品有如下優勢：一是可將不同果蔬和食品原料按所需比例自由組合，可作為實現基于不同人群營養需求和個性化食品精準制造的有效手段[13-14]；二是將不同果蔬原料破壁和勻漿后形成均勻的果漿體系，可避免天然果蔬在凍干過程中因表皮蠟質、天然組織細胞屏障等造成的升華通道阻礙，干燥速率和干燥品質顯著提升[15]；三是通過對果蔬原料的配比和果漿中物質成分的設計，可實現對產品微觀結構和質構的精準調控[16-17]。然而，果漿狀態下冷凍干燥獲得的重組脆塊，完整的細胞結構被破壞，重構建立的組織連接薄弱，結構疏松，導致硬度偏低，酥脆口感不佳，產品更容易吸潮，同時產品在運輸過程中容易破損[10,16-17]。

果膠是自然界中結構最為復雜的多糖，主要存在于初生細胞壁中，對植物細胞組織的相互連接具有重要作用。研究表明，果膠是支撐干燥果蔬切片孔隙結構的重要物質，賦予干燥食品一定的剛度和水分吸附特性[18]，但果膠物質在重組果蔬食品質構形成和水分吸附行為中的作用機制尚不明確。因此，本研究以蘋果為對象，通過調高或調低蘋果物料中果膠含量，探討果膠對真空冷凍干燥重組蘋果塊質構和吸濕特性的影響，旨在為實現重組果蔬食品質構的精準調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富士蘋果（Malus domestica），購于幸福榮耀（北京）超市有限公司，選擇成熟度一致、大小均一、無機械損傷和病蟲害的蘋果為實驗原料。

果膠（蘋果源） 美國Sigma公司；果膠酶（食品級，100 000 U/g）、纖維素酶（食品級，50 000 U/g）北京索萊寶科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

CL50蔬菜水果處理機 法國Robot Couple公司；MCKZ-JD6電器兩用蒸飯柜 濱州市美廚廚業有限公司；HR1848飛利浦四合一榨汁機 飛利浦家庭電器有限公司；IKA RW20攪拌器 上海玖析科學儀器有限公司；ULT1386-3-V41超低溫冰箱（－80 ℃） 賽默飛科技有限公司；LG-1.0真空冷凍干燥機 沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司；TA.HD plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；P14F0114動態水分吸附儀 英國SMS公司；DSC 8000差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀 美國PE公司；SU8010電子掃描顯微鏡 日本日立公司；YC-80旋轉混勻儀 杭州米歐儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

蘋果去皮后可食用部分用蔬菜水果處理機切成2 mm厚的薄片，蒸汽熱燙120 s防止褐變，用榨汁機打漿，打漿時間為30 s，間隔10 s，打漿3 次。果漿在進一步制備時分為7 個不同的處理組，5 組處理中分別加入質量分數0.1%、0.5%、1%、2%、4%的果膠，其余2 組果漿中分別加入纖維素酶和果膠酶，作為陰性對照處理組，在40 ℃恒溫水浴中酶解2 h。以純蘋果漿為對照，上述果漿用攪拌器混勻后，倒入長寬高為2.5 cm×2.5 cm×1.4 cm的硅膠模具中，－80 ℃冰箱預凍24 h。

1.3.2 真空冷凍干燥

冷肼溫度為－40 ℃，真空度為60 Pa，一次干燥隔板溫度為25 ℃，二次干燥隔板溫度為50 ℃。一次干燥樣品量為560 g，物料干燥至水分質量分數低于4%，并置于干燥器中均濕48 h后進行各項指標測定。

1.3.3 半乳糖醛酸含量測定

重組樣品中半乳糖醛酸含量參考Peng Jian等[18]的方法，采用分光光度法，以半乳糖醛酸作為標準物質，每個樣品重復測定3 次。

1.3.4 色澤

用LensEye-NET色彩分析系統測定重組蘋果塊的外觀顏色，獲得以下色澤參數：亮度值（L*）、紅度/綠度值（a*）、黃度/藍度值（b*）、色相角（hab*）和色度（Cab*）。每個樣品重復測定3 次。

1.3.5 硬度和脆度測定

參考Peng Jian等[18]的方法，采用物性測試儀測定樣品硬度和脆度。選擇切割探頭（HDP/BSK），設置測試條件：前期測試速率2.0 mm/s，測試中速率1.0 mm/s，后期測試速率2.0 mm/s，觸發力和穿透距離分別為10 g和45.0 mm。其中，果塊硬度采用測試過程中的最大力表示，單位為g。脆度采用測試過程中的拉斷距離表示，單位為mm。每個處理進行了12 次重復，去除最大值和最小值后取平均值。

1.3.6 相變溫度測定

采用DSC儀測定高水分含量樣品的結晶和熔融溫度，以及真空冷凍干燥后蘋果塊的玻璃化轉變溫度[19]。稱取8.0～9.0 mg凍干后的蘋果塊粉放入鋁坩鍋中，密封，一個空坩鍋被用作參照。儀器掃描程序：以10 ℃/min從30 ℃冷卻到－70 ℃，平衡5 min，同樣的速度加熱到100 ℃。采用儀器自帶軟件分析熱流密度曲線，得到初始點、中點及終點的轉變溫度，取中點處的溫度定義為玻璃化轉變溫度（Tg）。在高水分含量狀態下，以同樣的掃描程序測定果漿的共晶點和共熔點。每個樣品測定進行3 次重復。

1.3.7 微觀結構

參考Peng Jian等[20]的方法，并稍作修改。切取蘋果塊斷面進行微觀結構分析，取斷面粘在樣品臺的導電膠上，噴金處理，樣品的微觀結構圖像在低真空（100 Pa）和10 kV加速電壓下采集，采取3 次掃描，并在60 倍下拍照，分析。

使用Image-Pro Plus 6.0分析獲取的電鏡圖像，將相似的圖像用于定量樣品總孔隙率、平均孔徑、最小孔徑和最大孔徑，以確定材料中多孔結構的分布。

1.3.8 動態水分吸附

采用Kunz等[21]的方法，并稍作修改。稱量樣品（20～30 mg）置于動態水分吸附儀中，放置在溫度25 ℃、氮氣流速0.012 cm3/h、相對濕度0%的環境干燥至恒質量。然后環境相對濕度以10%增量從0%升至90%，設置每一階段的dm/dt值（m為樣品質量，t為時間）為0.000 05/min，此時質量幾乎不隨時間而變化，樣品達到吸濕平衡，設定自動記錄樣品質量時間間隔為1 min。

1.3.9 振蕩破損率

使用旋轉混勻儀分析樣品的振蕩破損率。選取5 塊結構完整的重組蘋果塊，將其置于高143 mm、口徑67 mm的直筒瓶內，直筒瓶固定在旋轉面板上，儀器旋轉時帶動樣品做反復顛倒運動。旋轉混勻儀的角度設定范圍為0°，轉速為15 r/min，旋轉時間為60 min。實驗重復進行3 次，振蕩結束后按下式計算樣品的振蕩破損率[22]：

式中：P為碎屑百分比/%；m為初始蘋果塊的質量/g；mt為t時刻碎屑的質量/g。

1.4 統計分析

2 結果與分析

2.1 重組蘋果塊的果膠含量測定

半乳糖醛酸作為果膠的主要組成單元，用其含量衡量重組樣品中果膠占據的比例。如表1所示，對照組中半乳糖醛酸含量為52.40 mg/g，顯著高于曹風等[23]的測定結果，這可能是由于冷凍干燥過程沒有造成果膠較多的熱降解。此外，隨著商用果膠添加量的增加，樣品中半乳糖醛酸含量隨之線性增加（線性擬合方程為y=3.406 83x＋3.563 55，R2=0.800 89）。纖維素酶和果膠酶處理均增加了樣品中半乳糖醛酸的含量，這可能是由于酶促水解導致細胞壁多糖組分的降解，并釋放出了部分被“固定”的果膠組分[24]。

表1 重組蘋果塊中半乳糖醛酸含量Table 1 Galacturonic acid contents in the reconstituted apple cubes

2.2 添加果膠對重組蘋果塊硬度和脆度的影響

由圖1可知，所有樣品均呈現出果蔬脆片多孔結構特有的鋸齒狀力學曲線特征，并且在不同樣品之間呈現不規則的振動幅度，這取決于探頭下壓過程中對不同孔隙結構的破壞，由此可反映樣品內部的空隙結構特征和硬度和脆度[25]。由表2可知，與未添加果膠樣品的硬度（3 526.52 g）和脆度（32.21 mm）相比，隨著果膠添加量從0.5%增加至4%，樣品的硬度升高到2.01～5.41 倍，脆度增加到1.17～1.27 倍。果膠添加量為4%時樣品具有最高的硬度和脆度，表現為硬度提高到5.41 倍和脆度增加到1.27 倍。一方面，果膠良好的膠黏性有利于基質交聯網絡結構的形成，其支鏈的阿拉伯糖和半乳糖與半纖維素、纖維素等剛性組分相互作用，形成的纏結在受到剪切力時不易被破壞，對維系細胞壁交聯和抵抗機械壓力至關重要[26]。另一方面，果膠與其他組分（蛋白質、淀粉、酚類等）的相互作用也貢獻了基質抵抗外界機械壓力的能力[27]。經果膠酶處理的樣品硬度降低34.03%，脆度增加到1.13 倍，這是由于凍干果蔬產品的酥脆性很大程度上取決于體系的物質組成（細胞壁物質、初始含水量）和微觀結構（孔隙率、孔徑大小和壁厚）等[28]，而添加的果膠酶和纖維素酶改變了體系中果膠和纖維素的組成結構及作用方式，降低組分對質構的貢獻程度。

圖1 重組蘋果塊的壓縮力與距離曲線Fig.1 Compression force and distance curves of reconstituted apple cubes

表2 重組蘋果塊的質構特性和相變溫度Table 2 Texture and thermodynamic properties of reconstituted apple cubes

2.3 添加果膠對物料共晶點、共融點和Tg的影響

共晶點反映物料凍結過程中從液態到固態轉化的相變溫度[29]。由表2和圖2可知，添加0.1%～4%果膠造成樣品熱流曲線左移，但數值上不構成果膠對果漿樣品共晶點的顯著影響，表明添加少量果膠幾乎不會改變物料的結晶特性，而纖維素酶和果膠酶酶解的樣品，其共晶點相對于對照分別下降了2.99 ℃和2.92 ℃，這可能是由于酶解后產生單糖和低聚糖提高了樣品中小分子糖的含量，進而降低了體系的結晶溫度[30]。共熔點反映物料升溫過程中的融化溫度，添加不同量果膠或酶解處理的樣品共融點與對照無顯著差異。

Tg涉及到食品在“玻璃態”與“橡膠態”之間的轉變，當Tg低于環境溫度則不利于食品的貯藏，容易導致食品質量下降，例如氧化變質、營養物質降解、結構塌陷等[31]。由表2可知，添加果膠可顯著提高樣品的Tg，添加0.1%～4%的果膠可將蘋果塊的Tg提高4.7～20.25 ℃，在DSC熱分析圖（圖2c）中觀察到玻璃化轉變臺階明顯右移趨勢，這與果膠作為生物大分子有關，其加入降低了基質中分子的遷移率而增加混合物的總Tg。此外，果膠還可能與食品中細胞壁多糖和酚類組分之間產生鍵合作用，限制其在體系中的自由移動，也會導致Tg的增加。添加果膠酶或纖維素酶后整體的Tg降低，這與Yi Jianyong等[32]在膨化干燥的火龍果片中觀察到的現象一致，可能是由于細胞壁結構多糖發生解聚導致的體系流動性增加。

圖2 果漿凍結溫度（a）、融化溫度（b）及干燥后重組蘋果塊Tg（c）的典型DSC熱分析圖Fig.2 Typical DSC thermograms showing the freezing temperature (a) and melting temperature (b) of apple puree and the glass transition temperature (c) of dry reconstituted apple cubes

2.4 微觀結構及孔徑分布

如圖3所示，對照組樣品顯示出高密度、無序、不規則的組織結構（圖3a方框所示），這是由于重組材料在破壁和勻漿等加工過程中完整的細胞壁被破壞，類似于消化過程對食糜顆粒的破壞和尺寸的減小[33]。在添加0.5%～4%果膠樣品的掃描電子顯微照片中可以觀察到，重組體系形成多孔結構，孔道的方向與樹狀冰晶的形成方向一致。添加0.5%果膠時形成的孔隙結構大小不均一，呈隨機分布。隨著添加量的增加，蜂窩狀多孔結構進一步完善，添加量增加至4%，體系中半乳糖醛酸含量達到173.97 mg/g時，重組食品形成均勻的蜂窩狀多孔結構（圖3f箭頭所示）。經過纖維素酶和果膠酶處理后樣品表面光滑，無明顯的孔邊界，這可能是由于完整的細胞壁結構被酶解聚，并產生較多的小分子糖[34-35]。

圖3 重組蘋果塊的掃描電子顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron micrographs of reconstituted apple cubes

為進一步表征重組蘋果塊的孔隙結構，利用圖像分析軟件得到樣品的孔隙率及孔徑分布如表3所示。對照組樣品在未添加外源果膠時具有最大的孔隙率，添加果膠后孔隙率呈降低的趨勢。與對照樣品的平均孔徑（3.00 μm）和最小孔徑（1.52 μm）相比，添加果膠和酶處理均增加了樣品的平均孔徑和最小孔徑，并且添加果膠酶的樣品形成了急劇增加的最大孔徑。

表3 重組蘋果塊的孔隙率和孔徑分布Table 3 Porosity and pore size distribution of reconstituted apple cubes

2.5 動態水分吸附

由圖4a可知，特定相對濕度下，果膠添加量為0.1%時，吸附時間內樣品的質量變化高于對照樣品，這可能與果膠鏈中存在的親水基團（未甲酯化羧基和氫鍵）對水的高親和力有關[21]。增加果膠的添加量在0.5%以上，樣品中半乳糖醛酸含量達到70.65 mg/g，同樣吸附時間內樣品質量變化減小，這可能是由于樣品孔隙率（表3）降低，限制了毛細作用和蒸汽在孔隙中的擴散速率，尤其是在高的相對濕度下[36]。

由圖4b可知，樣品存在解吸滯后現象。將體系中孔結構視為互連網絡的模型，這些模型將遲滯歸因于孔阻塞，導致水分子逃逸速度較慢[37]。此外，在吸附-解吸的一個循環結束時，質量的變化不會回到起始點，樣品在解吸過程中存在一些“被截留”的水分，這說明水分吸附是不完全可逆的[38]，尤其是具有多孔性的固體介質，毛細管凝結可能是食品截留住水分的重要原因[36]。酶解樣品具有相反的吸附和解吸效果，這可能是由于其特殊結構的大孔性和弱連接作用（圖3g、h），降低了水分的移動阻力。

圖4 重組蘋果塊的動態水分吸附（a）和吸附-解吸等溫線（b）Fig.4 Dynamic moisture adsorption (a) and adsorption-desorption isotherms (b) of reconstituted apple cubes

2.6 振蕩破損率

通過制造持續均勻的振蕩模擬產品運輸過程造成的物理崩解，發現樣品的破損率隨著果膠添加量的升高而降低。由圖5可知，振蕩持續作用60 min的情況下，對照樣品與4%果膠添加量樣品的破損率分別為60.94%和26.95%，破損率降低55.78%，產品完整性顯著提高。經果膠酶處理的樣品破損率增加到1.24 倍，這與重組蘋果塊在硬度上的降低一致（表2）。由圖6可知，添加果膠有效提高了重組蘋果塊的完整性，產品形狀與原始蘋果塊最為相似，振蕩產生的碎屑量更少，經果膠酶處理的樣品破損最嚴重。

圖5 重組蘋果塊的振蕩破損率Fig.5 Breaking rates during oscillation of reconstituted apple cubes

圖6 樣品破損圖Fig.6 Pictures of broken reconstituted apple cubes

2.7 色澤

如圖7所示，由于果膠的引入，導致樣品L*值（亮度）的降低以及a*值和b*值的增加，樣品的色相角（hab*）和色度值（Cab*）增加，這與Holzwarth等[39]觀察到添加果膠后果醬色澤的變化一致。這種顏色變化與果膠本身的顏色以及果漿顏色的稀釋有關，商用果膠的黃褐色增加樣品的b*值，使樣品色澤變黃。果膠酶和纖維素酶處理降低了樣品的L*值、a*值和b*值，可能是由于細胞壁酶解后降低了產品內部的細胞密度，從而減少了入射光子遇到的細胞-空氣和空氣-細胞界面的數量（通過有效地增加孔表面密度），影響了重組樣品中光的散射[40]。

圖7 重組蘋果塊的亮度值、紅度/綠度值、黃度/藍度值、色度和色相角Fig.7 CIE L*, a* and b* color co-ordinates, chroma and hue angles of reconstituted apple cubes

3 結 論

重組果蔬塊的微觀多孔結構及孔隙壁的化學組成是決定多孔介質質構特征的物質基礎，并影響其在環境相對濕度下的水分吸附行為。果膠含量顯著影響重組蘋果塊質構特征，當果膠添加量為4%時，重組蘋果塊的硬度提高到5.41 倍，脆度增加到1.27 倍，振蕩破損率降低了55.78%。結合微觀結構分析，對于重組蘋果塊內部無序的組織結構來說，果膠添加量為0.5%及以上時出現了典型的蜂窩狀多孔結構，表明果膠含量顯著影響重組果蔬孔隙形態。此外，果膠添加量超過0.5%時，重組脆片易碎性改善，同時還表現出相對較低的吸濕性，有利于產品的貯存和運輸。綜合來看，通過改變果蔬漿中果膠含量是實現對重組果蔬質構和吸濕性精準調控的有效手段。然而，重組果蔬是復雜的食品體系，果蔬組織中果膠與其他內源組分是否存在協同作用，以及該協同作用對質構和吸濕性的影響機理還有待進一步探討。