真空冷凍干燥果膠-纖維素-小分子糖氣凝膠質構研究

李卓豪 畢金峰 易建勇,* 馮舒涵 郭玉霞

(1 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；2 河北科技師范學院食品科技學院，河北 秦皇島 066004)

真空冷凍干燥(freeze-drying, FD)果蔬具有形態外觀接近果蔬原料、營養健康等優勢，占據中國FD食品市場主導地位[1]。然而直接凍干的果蔬通常會因口味差以及質構綿軟的問題導致感官體驗不佳，因此生產上常通過滲糖預脫水改善產品的口味以及質構。但添加過多的蔗糖、麥芽糖等小分子糖會提高FD果蔬的熱量，影響消費者健康。近年來，低糖、低能量已經成為果蔬休閑食品的發展趨勢。

質構品質是FD果蔬的核心品質。前期研究表明，果膠等細胞壁多糖是連接和維持FD果蔬多孔剛性結構的重要物質基礎[2]。高糖FD果蔬中的小分子糖能夠填充并支撐由細胞壁多糖構成的多孔骨架結構，并極大地影響其質構特性[3]。小分子糖主要是指低分子量的糖，包括單糖、二糖以及低聚糖[4-5]。在果蔬中添加小分子糖，能夠起到調節滋味、質構，影響加工過程，改善香氣，增加重量，降低生產成本等作用。國內外學者研究發現，糖滲透處理能夠改善杏干[6]、FD草莓[7]、蘋果片[8]、胡蘿卜[9]等果蔬的質構特性。然而，不同果蔬的組織結構不同，且同種果蔬不同部位的組織結構具有特殊性，滲透過程存在不確定性和不均勻性，導致干燥后果蔬質構品質產生較大差異。因此，構建均勻、簡單的果蔬干模擬體系，用于研究小分子糖對FD果蔬干質構的影響具有重要意義。

氣凝膠是一種密度較低的固體，具有輕便、絕熱等特性，目前已被廣泛應用于醫藥、材料等領域[10]。與FD果蔬相同，氣凝膠具有多孔、高比表面積的特性[11]，因此氣凝膠能夠很好地模擬FD果蔬的基本結構。目前已有國外學者將纖維素[12]和果膠[13]作為物質基礎研究氣凝膠，Abitbol等[14]構建了在食品、生物等方面具有潛在應用價值的果膠-纖維素納米晶體多孔網絡水凝膠體系，為建立FD果蔬果膠-纖維素多糖氣凝膠體系提供了理論基礎。基于果膠-纖維素多糖氣凝膠體系研究小分子糖對FD果蔬質構的影響能夠有效地避免果蔬組織不均勻、果蔬自身含糖、果蔬細胞內化學組分復雜等問題。

目前國內外在可溶性小分子糖對FD果蔬干質構影響方面的研究尚不詳盡、全面；果蔬干生產中常使用蔗糖，導致產品糖含量較高，不符合健康飲食的理念；且部分產品的質構特性有待改進。因此為深入了解小分子糖對高糖FD果蔬制品質構的影響，本試驗以市面上常見的FD草莓為參考建立果膠/纖維素多糖氣凝膠體系，研究相同含量下11種商品化可溶性小分子糖對FD果蔬干品質的影響，以期尋找能夠代替蔗糖生產的其他小分子糖，為產業上FD果蔬干的加工提供理論基礎和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果糖、葡萄糖、蔗糖、海藻糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖、木糖醇、麥芽糖醇(≥90%)，上海源葉科技有限公司；山梨糖醇(≥90%)，北京萃鋒科技有限公司；水蘇糖(≥90%)，江蘇鴻達食品配料公司；麥芽糖(≥90%)，江蘇省奧谷生物科技有限公司；羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC，≥98%)，河南聚榮化工產品有限公司；果膠(77.1%)，鄭州弈博食品添加劑有限公司；氯化鈉(99%)，國藥集團化學試劑有限公司。以上小分子糖分子量如表1所示。

表1 小分子糖的分子量Table 1 Molecular weight of small molecular sugars

1.2 儀器與設備

ULT1386-3-V41超低溫冰箱，美國Thermo Fisher Scientific公司；LGJ-10BP/BJ真空冷凍干燥機，北京八方中大科技發展有限公司；VSP3000045體積測定儀、TA.HD plus物性測試儀，英國Stable Micro System公司；DSC8000差示量熱掃描儀，美國PE公司；SU8010電子掃描顯微鏡，日本日立公司；低場核磁共振分析儀，蘇州紐邁分析儀器股份公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備 在蒸餾水中分別加入12%(w/w)的果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、海藻糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖、水蘇糖、麥芽糖醇、山梨糖醇以及木糖醇，并加入0.5%(w/w)的果膠和1%(w/w)的CMC，制備成含糖量為12%的樣品液，將0.5%(w/w)的果膠和1%(w/w)的CMC加入蒸餾水中制備成對照組樣品液。將樣品液于60℃水浴振蕩，混合至完全溶解且均勻后，冷卻至室溫，靜置消除氣泡。將樣品液倒入1.4 cm×2.5 cm×2.5 cm的硅膠模具中。

1.3.2 真空冷凍干燥 將注模的樣品置于-60℃超低溫冰箱中預凍4 h以上，之后凍干。凍干機預冷至 -56℃， 凍干過程中真空度維持在4±3 Pa，常溫凍干72 h以上。樣品凍干后于-40℃密封保存。

1.3.3 表觀密度與皺縮率的測定 為使試驗結果更加精準，將9 mL的樣品液注模后凍干。將測定質量后的樣品放于置物臺上，室溫下采用中速對樣品進行體積掃描。每組樣品平行測定3次。樣品表觀密度(ρ)計算公式如下：

(1)

式中，m為樣品質量，g；v為樣品體積，mL。

樣品皺縮率(w)計算公式如下：

(2)

式中，v為樣品體積，mL。

1.3.4 硬脆度的測定 參考Peng等[15]的方法并稍作修改。選用HDP/CFS球形探頭，將樣品放置于檢測臺面中央，在樣品中心位置進行穿刺。觸發力為5 g，穿透距離為15.0 mm。每組樣品平行測定6次。測定過程中最大力表示硬度，正峰個數表示脆度。

1.3.5 微觀結構的測定 參考Peng等[16]的方法。切取樣品斷面進行微觀結構分析，將樣品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，在50和150倍下拍照。

1.3.6 玻璃化轉變溫度的測定 參考中國農業科學院農產品加工研究所畢金峰團隊[17]前期研究方法進行測定。將玻璃化轉變中點作為樣品的玻璃化轉變溫度(glass transition temperature,Tg)。每組樣品平行測定2次。

1.3.7 水分分布測定 參考Qiu等[18]的方法測定。稱取1 g樣品粉末放入核磁管中，之后將核磁管放入低場核磁設備體腔中采集信息。

注：A：對照；B：果糖；C：葡萄糖；D：蔗糖；E：麥芽糖；F：海藻糖；G：低聚果糖；H：低聚異麥芽糖；I：水蘇糖；J：麥芽糖醇；K：山梨糖醇；L：木糖醇。Note: A: Control. B: Fructose. C: Glucose. D: Sucrosel. E: Maltosel. F: Trehalosel. G: Fructooligosaccharidel.H: Isomaltooligosaccharidel. I: Stachyosel. J: Maltitoll. K: Sorbitoll. L: Xylitol.圖1 氣凝膠樣品外觀圖Fig.1 Appearance of the aerogel samples

1.3.8 吸濕率的測定 室溫條件下(28±2℃)將樣品放置于潔凈的移去硅膠的干燥器中。預先在干燥器下層放飽和氯化鈉溶液，并且密封平衡濕度12 h以上，使其內部相對濕度達到75%左右[19]。間隔0.5、1、1.5、2、8、12、24、48、72、96 h取樣稱量。每組樣品平行測定3次。樣品吸濕率計算公式如下：

(3)

式中，φ為樣品的吸濕率，g·100 g-1；M為樣品的初始質量，g；Mt為t時刻樣品的質量，g。

1.4 統計分析

采用Origin 2021軟件作圖，采用SPSS 22.0軟件中的Duncan’s法對數據進行多重比較以及顯著性分析，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同種類糖對氣凝膠體系外觀及質構的影響

模擬體系樣品外觀如圖1所示。除木糖醇樣品外，其他樣品均具有較為規則、統一的外觀，這是由于整個真空冷凍干燥過程在較低的溫度下進行，且一次干燥階段和二次干燥階段的升溫速度均較低。對照具有完整的外觀形態，說明果膠和CMC能夠在FD產品中形成基本的骨架結構，為樣品提供一定的剛性支撐，因此推測果膠與纖維素對于維持FD果蔬干產品基本形態和結構具有重要作用。而木糖醇樣品未成形，喪失了長方體基本的形態和質構特性，難以從模具中取出，因此本研究不考慮木糖醇樣品的皺縮率、表觀密度、質構特性、微觀結構以及吸濕性。

與對照樣品(圖1-A) 結構松散呈海綿狀的剖面結構相比，添加可溶性小分子糖使得樣品內部結構更加致密，這是由于可溶性小分子糖可能附著在果膠-纖維素骨架上，并且填充在骨架孔隙中，使得樣品內部更加致密。模擬體系樣品中的孔隙結構是由于樣品中的水分被凍結進而升華留下的冰晶的形狀。與對照樣品明顯的針狀孔隙結構相比，添加小分子糖的樣品的剖面圖中，針狀孔隙結構更纖細，甚至在麥芽糖、低聚果糖以及低聚異麥芽糖樣品中針狀孔隙結構更小，說明添加不同小分子糖的樣品液的預凍過程不同。Voelker等[20]提出，體系黏度越高，分子遷移率越低，因此可能由于麥芽糖、低聚果糖以及低聚異麥芽糖溶液黏度較高導致凍結過程中阻礙了水分子的遷移，使得樣品中的孔隙較小。

樣品的皺縮率如圖2所示。與對照相比，除果糖外，添加其他小分子糖均能夠降低樣品的皺縮率，這是由于其他小分子糖的填充使得樣品的體積增大。添加果糖顯著提高了樣品的皺縮率(P<0.05)，說明果糖樣品的塌陷、皺縮現象比果糖對樣品的填充效果更顯著。低聚果糖樣品的皺縮率最低，說明低聚果糖的填充效果最好。圖3證實了圖1樣品剖面圖的結果，添加小分子糖能夠顯著提高樣品的表觀密度(P<0.05)，其中果糖樣品的表觀密度最大，達到了0.29 g·mL-1。表明添加12%的果糖能顯著影響FD果蔬干的外觀品質，給產品外觀帶來明顯的不良影響。皺縮率和表觀密度結果綜合表明，低聚果糖樣品的外觀品質最好。

注：不同字母表示不同樣品間存在顯著差異(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences at 0.05 level between different samples. The same as following.圖2 氣凝膠樣品的皺縮率Fig.2 Collapse rate of the aerogel samples

圖3 氣凝膠體系樣品的表觀密度Fig.3 Apparent density of the aerogel system samples

可溶性小分子糖對樣品質構的影響如圖4所示，與對照相比，添加可溶性小分子糖能夠顯著改變氣凝膠的質構特性(P<0.05)。由圖4-A可知，相同含量下不同的可溶性小分子糖對FD果蔬干的質構影響不同。添加可溶性小分子糖能夠顯著提高氣凝膠體系樣品的硬度(P<0.05)。在糖含量相同的條件下，果糖樣品的硬度顯著高于其他樣品(P<0.05)，海藻糖和低聚異麥芽糖樣品的硬度較低。低聚果糖以及山梨糖醇樣品硬度與葡萄糖、麥芽糖、蔗糖樣品無顯著差異(P>0.05)。由圖4-B可知，可溶性小分子糖的添加能夠顯著提高模擬體系樣品的脆度(P<0.05)。其中添加果糖的樣品脆度最高，水蘇糖和山梨糖醇對于樣品脆度的提高程度較低，而其他樣品之間的脆度無顯著差異(P>0.05)。

注：A：添加不同糖的模擬體系樣品的硬度；B：添加不同糖的模擬體系樣品的脆度。Note: A: Hardness of simulated system samples with different sugars. B: Crispness of simulated system samples with different sugars. 圖4 模擬體系樣品質構特性Fig.4 Texture properties of the simulation system samples

2.2 不同種類糖對氣凝膠體系微觀結構的影響

電鏡圖所示樣品的微觀結構進一步揭示了樣品間質構特性產生差異的原因。樣品微觀結構圖中呈現許多孔隙結構以及清晰的網絡骨架(圖5)，這是由水分子在預凍過程中凍結后升華形成的[21]。由圖5可知，對照組的微觀結構較為疏松，呈現出較強的有序性，進一步說明可能是由于對照組中不存在或存在微量的小分子糖，樣品溶液黏度較低，在預凍過程中水分更易凍結，形成大的規則的冰晶。與對照組相比，小分子糖的添加明顯提高了樣品孔隙結構的壁厚。由于小分子糖的粘黏和填充效果，樣品微觀結構的連續性得到增強，呈現出大面積的連續的平面結構。與其他樣品組相比，果糖、葡萄糖和蔗糖樣品組的微觀結構孔隙壁邊緣更加平滑。研究表明，由于冷凍濃縮效應，在預凍過程中隨著溫度進一步降低，組分會由橡膠態逐漸向玻璃態轉變[22]，因此在非晶狀態下果糖、葡萄糖和蔗糖的黏性可能比其他二糖、低聚糖以及糖醇更高。果糖樣品微觀結構圖(圖5-B)顯示樣品的孔隙結構更小，并形成了堅硬且連續的孔隙壁，這可能是造成果糖樣品硬度顯著高于其他樣品的原因。水蘇糖樣品微觀結構圖(圖5-I)呈現出明顯的無定形態，這可能是水蘇糖樣品脆度較低的主要原因。另外，除水蘇糖樣品外，其他樣品孔隙壁表面均呈現明顯的連成片的白色斑點，而放大150倍的對照組樣品電鏡圖中無明顯的白色斑點，可能是由于在預凍過程中冷凍濃縮效應使得可溶性小分子糖集中于冰晶表面，干燥之后而留下的痕跡。

2.3 不同種類糖對氣凝膠體系水分分布以及Tg的影響

添加不同種類可溶性小分子糖的氣凝膠體系樣品的Tg如表2所示。相同含量下，除山梨糖醇外，添加其他小分子糖的氣凝膠體系Tg與對照相比差異顯著(P<0.05)。與對照相比，添加12%的果糖、葡萄糖、水蘇糖、麥芽糖醇、山梨糖醇以及木糖醇使得模擬體系的Tg降低了2.14～65.90℃，其中木糖醇樣品的Tg最低，為-23.56℃；添加12%的蔗糖、麥芽糖、海藻糖、低聚果糖以及低聚異麥芽糖能夠顯著提高模擬體系的Tg(P<0.05)，其中以海藻糖最為顯著，提高了49.23℃。食品體系的Tg與食品內部組分的分子量以及結構有關，如糖醇Tg比相應的單糖的Tg低，這是由于多元醇含有更多的羥基，更容易與水分子結合。有研究表明雙糖具有較高的玻璃化轉變溫度，能夠在較高的溫度下固定分子，使得體系保持穩定[23]，因此蔗糖、麥芽糖以及海藻糖樣品具有較高的Tg。

添加不同種類可溶性小分子糖的模擬體系樣品的弛豫時間如圖6所示。0.01～10 ms所示的峰為樣品結合水的弛豫峰[24-25]，由于掃描樣品均為凍干樣品，因此樣品中的水分以結合水的狀態體現，10 ms以后響應值過低的峰可能是由于設備噪聲等因素的干擾而出現的雜峰。圖6顯示不同樣品結合水的弛豫峰的峰面積大小并不像樣品的Tg呈現同樣的規律性，說明樣品中的結合水與樣品的Tg可能不存在關聯性。由于結合水的含量主要受樣品中組分與水分子結合能力的影響，因此樣品中結合水的含量對于樣品的穩定性影響并不大，但可能會在預凍過程中影響分子的遷移速率。

2.4 不同種類糖對模擬體系吸濕性的影響

吸濕性是評判果蔬干制品貯藏品質的重要指標。圖7-A為添加不同糖模擬體系樣品在相對濕度為75%時的吸濕率。添加等量不同的糖對樣品吸濕率的影響不同。所有樣品的吸濕速度均在8 h之后開始降低。果糖組樣品吸濕率持續明顯高于其他組，而山梨糖醇組樣品吸濕率在48 h之后出現躍變，可能是由于山梨糖醇組樣品在48 h后吸收了一定量的水分后，由非晶態變為橡膠態甚至是游離態，從而突然加劇了樣品的吸濕速度。蔗糖、海藻糖、葡萄糖以及水蘇糖組樣品的吸濕率分別在48、72 h之后出現下降趨勢。由圖7-B可知，蔗糖、葡萄糖、海藻糖和水蘇糖4組樣品在48 h之后出現明顯的皺縮，逐漸喪失孔隙結構，喪失脆度且硬度得到極大提高。這是由于產品的貯藏穩定性，特別是產品的脆度易受到環境濕度的影響，提高水分活度(water activity, AW)值可以提高糖的結晶度[26]。因此，相對濕度為75%條件下，樣品中的蔗糖、海藻糖、葡萄糖以及水蘇糖與水分子結合，經歷了一個由無定形態到結晶態的轉變過程，從而使樣品從疏松多孔的結構變為致密的結構，同時多孔結構的喪失以及糖結晶態的轉變使得樣品的脆度喪失，硬度變大。另外這4組樣品吸濕性在48、72以及96 h處標準誤差較大，可能是由于樣品吸濕48 h后發生明顯塌陷皺縮，樣品中小分子糖開始出現大量的結晶，樣品呈現出高度不規則和不均勻的狀態，使得各個平行之間出現較大的偏差。

注：A：對照；B：果糖；C：葡萄糖；D：蔗糖；E：麥芽糖；F：海藻糖；G：低聚果糖；H：低聚異麥芽糖；I：水蘇糖；J：麥芽糖醇；K：山梨糖醇。Note: A: Control. B: Fructose. C: Glucose. D: Sucrose. E: Maltose. F: Trehalose. G: Fructooligosaccharide. H: Isomaltooligosaccharide. I: Stachyose. J: Maltitol. K: Sorbitol.圖5 氣凝膠樣品的微觀結構Fig.5 Microstructure of the aerogel samples

表2 添加不同小分子糖樣品的TgTable 2 Tg of the simulation system samples

圖6 氣凝膠樣品的水分分布狀態Fig.6 Water distribution of the aerogel samples

注：a：蔗糖；b：葡萄糖；c：海藻糖；d：水蘇糖。Note: a: Sucrose. b: Glucose. c: Trehalose. d: Stachyose.圖7 氣凝膠樣品吸濕率及其吸濕48 h后外觀形態Fig.7 Hygroscopicity of the aerogel samples and their appearance after 48 h moisture absorption

3 討論

在冷凍干燥的預凍過程中，物料有從橡膠態轉變到固態，然后到非晶態，再到玻璃態的變化過程，始終在玻璃態下干燥，物料最終能夠以穩定的玻璃態形式存在[22]。因此推測，相同干燥條件下，木糖醇樣品一次干燥的升溫速度過快，使得樣品不能始終保持在玻璃態下進行干燥，導致樣品傾向于呈現不穩定的橡膠態或者是介于玻璃態與橡膠態之間的固態非晶態，從而產生塌陷皺縮，甚至不成形。因此，添加大量的木糖醇會增加干燥難度，FD果蔬生產中不適合添加大量的木糖醇。本研究發現添加等量不同小分子糖的FD果蔬樣品質構特性存在顯著差異(P<0.05)，這與張鵬飛[27]的研究結果一致，即不同糖的滲透對高壓差膨化干燥桃片的質構影響不同。同時本研究發現，添加等量果糖樣品的硬度顯著高于其他樣品，這可能與FD果蔬樣品中小分子糖的存在形式以及分子內和分子間的化學鍵有關。由于蔗糖、葡萄糖以及麥芽糖[28-29]被廣泛應用于果蔬加工中以改善產品的風味以及質構，因此，生產中可參考添加蔗糖、葡萄糖以及麥芽糖產品的品質添加小分子糖，使消費者更易接受。此外，由于低聚果糖樣品的質構特性與蔗糖、葡萄糖以及麥芽糖樣品無顯著差異(P>0.05)，同時存在一定的益生功效，如調節腸道菌群[30]，因此低聚果糖在生產上具有較好的應用前景。

不同小分子糖會對樣品的Tg產生一定的影響。本研究發現，添加雙糖或分子量較高的碳水化合物能夠提高樣品的Tg，使得體系能夠保持在較為穩定的狀態，同樣的結果被國內的一些學者證實，如饒小勇等[31]研究發現隨著麥芽糊精含量的增加，噴霧干燥五味子粉的Tg會逐漸提高。另外，本研究發現樣品吸濕會發生結晶變硬的現象，Fauster等[32]同樣發現了這一現象。為保障高糖產品的商品價值，可以通過在產品中添加干擾因子來防止小分子糖結晶[33]。

綜上所述，通過比較添加等量不同小分子糖FD果蔬樣品的氣凝膠質構等特性，可在FD果蔬樣品果蔬生產中根據所需產品的質構以及結晶特性，選擇小分子糖的添加種類以及貯藏條件，從而保障產品質量。后續可以通過對比研究不同單糖對FD果蔬樣品氣凝膠質構特性的影響，揭示果糖樣品硬度大的內在機理。同時，可以細化小分子糖的添加比例，了解添加小分子糖與FD果蔬樣品質構特性的量效關系，為確定FD果蔬生產中小分子糖的添加量提供數據支持及理論依據。本研究僅選用了11種較為常見的小分子糖進行研究，涉及到的糖種類仍然有限，今后的研究仍可聚焦探究其他不同的小分子糖對FD果蔬質構等特性的影響，以篩選出更多能用于生產的可替代蔗糖的小分子糖。

4 結論

本研究結果表明，添加11種可溶性小分子糖能顯著影響FD氣凝膠模擬體系樣品的質構、Tg等特性，其中添加木糖醇的樣品不能成形，使樣品喪失了硬度和脆度，表明在實際生產中FD果蔬制品添加大量木糖醇是不可行的。添加果糖的樣品硬度顯著大于添加其他糖的樣品；添加低聚果糖的樣品在質構方面與添加葡萄糖、蔗糖和麥芽糖的樣品非常接近，且Tg較高，貯藏時不易吸濕結晶，發生硬化，在貯藏方面具有較大優勢。考慮到消費者的接受度以及低聚糖的益生功效，低聚果糖可以較好地替代葡萄糖、蔗糖和麥芽糖應用于實際生產中。與添加蔗糖的樣品相比，添加單一種類糖會造成FD果蔬樣品的硬度過高或過低，單一種類糖對FD果蔬產品質構的調節存在一定的局限性。