滲透液特性對滲透脫水黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響

王鳳昭，呂 健，畢金峰,*，謝 晉

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

滲透脫水是廣泛應用于果蔬加工的有效預處理方式之一，在生產(chǎn)中多與果蔬干燥、冷凍、殺菌、貯藏等組合使用[1]，既能夠保持果蔬加工后的產(chǎn)品品質(zhì)，也能夠降低加工能耗。具體來說，滲透脫水是指在一定溫度下，將果蔬原料浸入高滲透壓的溶液中（糖液或鹽溶液），由于生物組織細胞膜的半透性，水分從細胞組織中滲出轉(zhuǎn)移到溶液中；伴隨原料水分的滲出，高滲透壓溶液中的溶質(zhì)也會或多或少滲入到原料組織中，同時，原料組織中的部分可溶性物質(zhì)，如還原糖、有機酸、礦物質(zhì)、色素等，也會少量滲出至滲透液中[2-3]。與水分和滲透液溶質(zhì)的交換量相比，原料組織中滲出物質(zhì)的數(shù)量并不顯著，但對產(chǎn)品的感官特性和滲透介質(zhì)的組成卻有重要影響[4]。影響滲透脫水的因素有預處理/滲透方式、滲透溶質(zhì)的種類、滲透溶液的濃度、滲透脫水時間以及原料特性等[5-6]。真空預處理主要是利用真空與常壓循環(huán)操作，使物料的微觀孔道不斷被擠壓與擴張[7]，從而加速滲透脫水的傳質(zhì)速率。徐鑫等[8]利用響應面法探討了滲透溫度、蔗糖濃度、滲透時間之間的相互作用對櫻桃番茄滲透脫水效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真空處理時間過長會導致原料組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)容物大量流出；原料和滲透液之間較大的濃度差有利于物質(zhì)交換（傳質(zhì)）的進行，隨著滲透脫水時間的延長，傳質(zhì)進程放緩。超聲波技術(shù)通過空穴效應產(chǎn)生的機械剪切作用力有利于果蔬微通道的改變，能夠促進水分快速移除。宋悅等[9]對比分析了超聲波輔助不同糖液（低聚異麥芽糖、麥芽糖醇）處理對干燥黃桃脆片品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波能夠顯著增大桃脆片的孔隙度，且黃桃果肉細胞呈現(xiàn)一定的破裂現(xiàn)象，有利于水分擴散和溶質(zhì)滲入。Lü Jian等[10]認為，隨著滲透液中蔗糖質(zhì)量濃度的增加（0～500 g/L），桃果肉細胞原有的均一結(jié)構(gòu)被破壞，同時由于蔗糖分子的滲入，水分的滲出，造成細胞間隙縮小，桃片發(fā)生皺縮。固形物獲得量和水分散失量多用于從原料角度出發(fā)解析其滲透脫水特性。Singh等[11]分析了滲透溫度、滲透時間、滲透液濃度對胡蘿卜滲透特性的影響，結(jié)果表明滲透脫水過程中水分散失量呈非線性增加，滲透初期傳質(zhì)現(xiàn)象更為明顯；隨著滲透溫度的升高和滲透時間的延長，固形物獲得量和水分散失量均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，并隨著滲透時間的延長出現(xiàn)相對平衡狀態(tài)。綜合上述研究分析發(fā)現(xiàn)，滲透脫水是果蔬加工廣泛應用的一種預處理方式，且更多的研究是從原料特性改變的角度出發(fā)來解析滲透脫水對原料及其產(chǎn)品品質(zhì)的影響。而滲透液作為滲透脫水的重要組成元素，其特性（如滲透壓）在滲透脫水過程中的變化及其變化行為是如何影響原料品質(zhì)的相關(guān)研究卻很少。基于此，本實驗以‘金童8號’黃桃為原料，經(jīng)超聲預處理或真空預處理后，分別浸漬于蔗糖、低聚異麥芽糖、果糖和葡萄糖滲透液（30 °Brix）中，追蹤分析滲透脫水過程中，滲透液特性變化及黃桃質(zhì)構(gòu)改變，進一步明確二者之間的相關(guān)性，從而探究滲透液特性對滲透脫水黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘金童8號’黃桃（Amygdalus persica）采自北京平谷地區(qū)（2019年9月13日），選取顏色、大小相近，成熟度等基本一致，無明顯病蟲害和機械損傷的果實，當天運回實驗室貯藏于4 ℃冷庫備用。實驗開始前，將黃桃置于室溫下3 h，保證原料初始溫度相同。

蔗糖、葡萄糖（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；果糖、低聚異麥芽糖（均為分析純） 上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA-200切片機 廣東省南海市德豐電熱設(shè)備廠；WZB45數(shù)顯折光儀 上海精密科學儀器有限公司；AUW220型電子天平 日本島津公司；TA.XT 2i/50物性分析儀 英國Stable Micro Systems公司；SB 25-12DTN超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司；ZWH-KFY-BT4I/HG閉環(huán)除濕熱泵干燥機 東莞正旭新能源設(shè)備科技有限公司；VO200型真空干燥機 德國Memmert公司；OSMOMAT 3000型滲透壓儀 德國Gonotec GmbH公司；雷磁PHS-3C pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司；2100N濁度儀 美國HACH公司。

1.3 方法

1.3.1 黃桃預處理

將黃桃切成10 mm厚、形狀一致的扇形，分別進行以下兩種預處理：1）將黃桃片置于超聲波發(fā)生器中處理15 min，其他參數(shù)設(shè)定為溫度25 ℃、功率200 W、頻率40 kHz；2）將黃桃片置于真空干燥箱中（25 ℃），以壓力由大氣壓降到5×10-3MPa再立即恢復至大氣壓為一個循環(huán)，重復3 個循環(huán)。以不做任何前處理的黃桃片為對照組。

1.3.2 黃桃滲透脫水處理

將經(jīng)過不同預處理的桃片常壓條件下分別浸入糖度為30 °Brix（用數(shù)顯折光儀校準）的蔗糖、低聚異麥芽糖、果糖和葡萄糖溶液中，設(shè)定溫度為25 ℃，料液比1∶5。分別在滲透脫水0.5、1、2、3、4 h和5 h時對黃桃片和滲透液取樣。

1.3.3 滲透液理化品質(zhì)測定

滲透液的可溶性固形物（total solid soluble，TSS）含量用數(shù)顯折光儀測定，單位為°Brix；利用滲透壓儀經(jīng)校準后測定滲透液的滲透壓；pH值和濁度分別采用校正好的pH計和濁度儀測定；每個樣品測定3 個平行。

1.3.4 黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)測定

采用TA.XT2i/50物性分析儀測定黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)。探頭型號為P6，測定條件為前期測試速率為1 mm/s，檢測速率為1 mm/s，檢測后速率為1 mm/s，觸發(fā)力為5 g，壓縮距離為樣品高度的50%，每個樣品測定10 個平行。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用平均值±標準差表示。用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析（以P＜0.05表示差異顯著）以及相關(guān)性分析（Pearson法），用OriginPro 9.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 預處理方式對滲透液可溶性固形物含量的影響

黃桃經(jīng)不同方式處理后，滲透液的TSS含量變化如圖1所示。隨著滲透時間的延長，滲透液中TSS含量呈現(xiàn)降低趨勢。當滲透脫水至2～3 h時，TSS含量下降幅度減緩，擴散速率趨于平衡；滲透后期（4～5 h），TSS含量繼續(xù)緩慢降低。滲透初期，黃桃組織細胞內(nèi)部液相和外部滲透液之間呈現(xiàn)出水化學勢的差異會促進水和溶質(zhì)快速地相互擴散[12]；滲透后期，細胞內(nèi)外滲透壓力差降低，驅(qū)動力減小，因此TSS降低緩慢。

圖1 預處理方式對滲透液TSS含量的影響Fig.1 Effects of different pretreatments on the TSS content of osmotic solutions

相比較對照組，超聲波和真空預處理能夠有效改變黃桃果肉細胞膜的通透性，一方面更有利于滲透液中的溶質(zhì)滲入黃桃肉組織；另一方面促使黃桃果肉中的水分擴散進滲透液中，進而導致滲透液中TSS含量下降。值得關(guān)注的是，滲透液TSS含量降低幅度最大組均為真空預處理組。其中，葡萄糖組黃桃經(jīng)5 h真空處理后，滲透液TSS含量最低（（28.2±0.1）°Brix），其次為果糖組黃桃經(jīng)5 h真空處理，滲透液TSS含量為（28.4±0.1）°Brix。可能是因為超聲的空化作用破壞了黃桃組織，同時使其微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更多的微通道，減少了擴散邊界層，利于果肉與滲透液間的傳質(zhì)[13]。真空環(huán)境下，黃桃組織細胞間隙氣體因壓力差而被大量排出，當真空環(huán)境解除后，有利于滲透液溶質(zhì)填充原有的細胞間隙[14]，表現(xiàn)為滲透液TSS含量下降。相比較蔗糖、果糖、葡萄糖，低聚異麥芽糖的黏度較高，滲透性較弱，溶質(zhì)分子不易進入黃桃組織內(nèi)，因此低聚異麥芽糖組黃桃經(jīng)不同處理均表現(xiàn)出最低的TSS降低量。

2.2 預處理方式對滲透液滲透壓的影響

細胞內(nèi)外滲透壓的差異是滲透脫水傳質(zhì)過程的主要驅(qū)動力[15-16]。如圖2所示，隨著滲透脫水過程的進行，滲透溶液的滲透壓呈現(xiàn)出明顯降低趨勢，且滲透初期下降速率較快，1 h后滲透壓下降緩慢。滲透初期，滲透液的高滲透壓誘導黃桃果肉細胞中的水分子快速滲出，滲透液被稀釋，滲透壓降低；隨著滲透中傳質(zhì)過程的進行，滲透液中溶質(zhì)成分發(fā)生改變，物質(zhì)交換趨于平衡[17]，滲透壓緩慢下降。

圖2 預處理方式對滲透液滲透壓的影響Fig.2 Effects of different pretreatments on the osmotic pressure of osmotic solutions

與對照組相比，真空和超聲預處理均能加快滲透壓的降低，可能是因為細胞結(jié)構(gòu)在超聲或真空預處理的過程中被破壞，細胞膜通透性增加，傳質(zhì)速率提升[18-19]；其中滲透壓降低幅度最大組均出現(xiàn)于真空預處理組，可能是由于3 次真空處理對組織細胞的破壞力大于超聲處理。葡萄糖組黃桃經(jīng)真空處理5 h后，滲透液滲透壓降低幅度最大（降低237 mOsm/L）；其次為果糖組，滲透液滲透壓降低了271 mOsm/L；低聚異麥芽糖組表現(xiàn)出最小的滲透壓降低量，為169 mOsm/L。相同糖度的滲透液中，溶質(zhì)的分子質(zhì)量越小，粒子數(shù)越多，滲透壓越大[20]，低聚異麥芽糖作為一種聚合糖，分子質(zhì)量大，配制為滲透液后其中粒子數(shù)較少，滲透壓較低且滲透性較差，這與滲透脫水過程中低聚異麥芽糖溶液TSS減少量低的結(jié)果相印證。

2.3 預處理方式對滲透液pH值的影響

滲透脫水過程中滲透液的pH值變化情況如表1所示。隨著滲透脫水時間的延長，各滲透液組pH值總體呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢。滲透前0.5 h，pH值迅速下降；而后期pH值趨于穩(wěn)定，且pH值與新鮮黃桃果肉pH值（4.30±0.32）接近。滲透初始階段，黃桃果肉組織內(nèi)的部分有機酸成分溶出，滲透液pH值下降顯著；黃桃果肉中的主要有機酸成分為奎寧酸、蘋果酸、檸檬酸等弱酸[21]，并不能顯著影響滲透脫水后期滲透液pH值的改變，這與Fernández等[22]的研究結(jié)果一致。綜上可知，滲透脫水過程并不能顯著改變滲透液最終pH值。

表1 滲透脫水過程中滲透液pH值的變化Table 1 Changes in pH of osmotic solutions during osmotic dehydration

2.4 預處理方式對滲透液濁度的影響

滲透脫水過程中滲透液濁度的變化如圖3所示。隨著滲透脫水時間的延長，滲透液的濁度呈現(xiàn)非線性升高的趨勢，且滲透初始階段（0～0.5 h），滲透液濁度變化較為明顯，0.5 h后滲透液濁度緩慢增加，滲透液與樣品之間的物質(zhì)交換處于相對平衡狀態(tài)。滲透初始階段，黃桃果肉與滲透液之間的高滲透壓力差促使二者之間存在較高的傳質(zhì)效率，果肉中的酸、VC和礦物質(zhì)等內(nèi)容物流入滲透液中[23]，使?jié)B透液濁度迅速增加。

圖3 預處理方式對滲透液濁度的影響Fig.3 Effects of different pretreatments on the turbidity of osmotic solutions

黃桃經(jīng)不同方式預處理后，濁度變化存在明顯差異。相比較對照組，超聲和真空預處理組滲透液濁度增加更為明顯，其中真空處理組的最為明顯。蔗糖組黃桃經(jīng)真空處理5 h后濁度變化最大（1.24～9.90 NTU），其次為低聚麥芽糖組（1.48～9.78 NTU），果糖組滲透液濁度變化幅度最小，僅增加了2.18 NTU。超聲和真空預處理能夠破壞黃桃果肉細胞間的黏結(jié)性，并誘使部分細胞壁物質(zhì)降解，細胞間隙增加、細胞膜通透性增強[24-26]，更利于果肉內(nèi)溶物進入滲透液，使其濁度增加。

2.5 不同預處理對黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響

由表2可知，隨著滲透脫水時間的延長，黃桃硬度和咀嚼性呈現(xiàn)顯著降低趨勢，并在后期趨于穩(wěn)定狀態(tài)。滲透脫水過程中黃桃果肉回復性、凝聚性和彈性總體未出現(xiàn)顯著性變化。滲透初期，滲透液與黃桃組織內(nèi)滲透壓力差較大，溶質(zhì)擴散快，但是水分子較糖分子小，流動速率更快，所以初始階段黃桃組織內(nèi)水分損失量大于固形物獲得量，進而使硬度和咀嚼性快速下降。隨著固形物獲得量逐漸增加，為細胞組織提供了支撐力[27]，所以滲透脫水后期硬度和咀嚼性下降逐漸緩慢，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 滲透脫水過程中黃桃質(zhì)構(gòu)的變化Table 2 Changes in the texture of yellow peach slices during osmotic dehydration

黃桃經(jīng)過不同處理后，質(zhì)構(gòu)品質(zhì)變化存在顯著差異。與對照組相比，蔗糖組黃桃經(jīng)超聲處理后，果肉硬度、回復性和凝聚性總體升高，彈性和咀嚼性總體下降，可能是因為超聲處理形成的微通道有利于糖液的滲入，更好地支撐了細胞結(jié)構(gòu)[28-29]；經(jīng)真空處理后，黃桃片硬度、咀嚼性和彈性顯著下降，可能是真空預處理過程中壓力的短時變化誘使黃桃果肉細胞發(fā)生破裂甚至組織結(jié)構(gòu)坍塌，導致其彈性和硬度下降[30]，且失去耐咀嚼性。與對照組相比，低聚異麥芽糖組黃桃片經(jīng)超聲處理后，硬度和回復性總體顯著升高，凝聚性總體顯著下降；經(jīng)真空處理，黃桃片硬度、回復性和咀嚼性總體顯著升高，凝聚性總體顯著下降，彈性與對照組無顯著差別。與對照組相比，果糖處理組經(jīng)超聲處理后黃桃片硬度和咀嚼性總體顯著降低，彈性和回復性總體顯著升高；經(jīng)真空處理，黃桃片回復性、凝聚性和咀嚼性總體顯著升高，彈性與對照組無顯著差別。葡萄糖組黃桃片經(jīng)超聲和真空處理后均表現(xiàn)出硬度顯著下降，回復性、凝聚性、彈性和咀嚼性并無顯著性變化。原因可能是滲透液自身的性質(zhì)差異使其滲入黃桃組織后存在的狀態(tài)以及對細胞的支撐作用不同，表明滲透液特性對果肉組織存在顯著性影響。

2.6 黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)與滲透液特性間的相關(guān)性分析結(jié)果

對照組黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)與滲透液特性間相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示。滲透脫水過程黃桃果肉的硬度、彈性、咀嚼性與滲透液的滲透壓、pH值和TSS含量呈極顯著正相關(guān)，與濁度呈極顯著負相關(guān)；回復性與滲透液的pH值和TSS含量呈顯著正相關(guān)，與濁度呈顯著負相關(guān)。不同預處理方式（超聲預處理和真空預處理）是誘導黃桃果肉細胞通透性及結(jié)構(gòu)改變的重要因素；滲透脫水過程中，不同滲透液與黃桃細胞組織間形成的高滲透壓力差是促進滲透液溶質(zhì)與細胞內(nèi)容物間傳質(zhì)的主要驅(qū)動力[31]，一方面使?jié)B透液特性發(fā)生顯著變化；另一方面使黃桃質(zhì)構(gòu)品質(zhì)發(fā)生明顯改變。

圖4 滲透液特性與黃桃片質(zhì)構(gòu)品質(zhì)間的相關(guān)性Fig.4 Correlation analysis between the texture of yellow peach slices and characteristics of osmotic solutions

3 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明，滲透初期滲透液pH值、TSS含量、滲透壓均呈現(xiàn)快速降低趨勢，隨著滲透脫水時間的延長，上述指標下降趨勢趨于平緩；而滲透液濁度在滲透初期呈現(xiàn)快速升高趨勢，滲透后期升高緩慢。黃桃果肉質(zhì)構(gòu)品質(zhì)分析結(jié)果表明，隨著滲透脫水時間的延長，黃桃片質(zhì)構(gòu)評價指標呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其中硬度和咀嚼性下降最為顯著。相關(guān)性分析結(jié)果表明，滲透液特性與黃桃片質(zhì)構(gòu)品質(zhì)呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，可以推斷滲透液特性是影響黃桃片質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的重要因素。此外，黃桃片經(jīng)超聲波預處理和真空預處理，其質(zhì)構(gòu)特性和滲透液特性相比較對照組變化均更顯著。因此可以通過調(diào)控預處理方式和作用強度以及滲透液的濃度、溶質(zhì)種類等實現(xiàn)滲透脫水黃桃片質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的改善。