超聲輔助糖液滲透處理對真空冷凍干燥桃脆片干制品品質及吸濕性的影響

陳臘梅，金 鑫，畢金峰，胡麗娜，邱 陽，呂 健

（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重點實驗室，北京 100193）

桃（L.Batsch）屬于薔薇科李屬桃亞屬，原產于中國，在北緯30°～45°和南緯30°～45°范圍內均有栽種，是世界性的大宗果品。其營養豐富、肉質細膩、香氣濃郁，深受消費者喜愛。但是由于桃果實肉質軟嫩，貯存不當極易導致腐爛變質，造成大量浪費。

果蔬干制是有效延長果蔬保質期和貨架期的方法之一，其主要通過降低果蔬內水分含量來抑制微生物的生長和其他生物化學作用的發生。果蔬干制的方式多種多樣，近年來真空冷凍干燥技術的研究和應用發展迅速，與其他干燥方式相比，真空冷凍干燥的低溫低壓條件能使物料的生化反應受到抑制，從而使物料的營養、色澤、結構等都具有高保留率。楊春等研究發現，與熱風干燥和變溫壓差膨化干燥相比，真空冷凍干燥后的棗片顏色、營養、質地最好。然而，真空冷凍干燥產品易吸濕，如Li Linlin等將微波真空干燥和真空冷凍干燥后的胡柚吸濕性進行對比，發現真空冷凍干燥后的胡柚具有較強的吸濕性，真空冷凍干燥產品的低水分含量和凍干過程中冰晶升華留下的大量海綿狀多孔隙結構使其與空氣中水分的接觸面積增大，導致產品更易吸濕。吸濕會影響真空冷凍干制品的硬脆度，進而影響產品口感。此外，在貯藏過程中吸濕也會導致微生物超標，從而影響產品的食用安全性。影響真空冷凍干燥產品貯藏穩定性的另一個因素是玻璃化轉變溫度（）。當貯藏溫度高于產品的玻璃化轉變溫度時，產品處于橡膠態，體系表現為分子遷移速率高、黏度下降、自由體積增大，因此受分子擴散運動控制的變化反應加快，在此溫度下貯藏的產品易吸濕和黏結造成產品品質劣變。為了改善真空冷凍干燥桃脆片的品質、減緩吸濕導致的品質劣變，可對桃片進行預處理。

滲透脫水是果蔬干燥前處理最常用的方式，具有改善產品的組織結構和抑制褐變的作用。單一的滲透脫水滲透效率較低，受原料組織特性、滲透液濃度、滲透液溫度等因素的影響。為了提高滲透效率，在研究中常采用超聲輔助滲透脫水。研究發現超聲輔助糖液滲透處理后樣品組織內部形成了微細孔道并引起細胞微觀結構的改變，與單一滲透脫水相比提高了樣品水分擴散速率和滲糖效率，同時對產品的硬脆度和顏色保留率均具有重要影響。但目前大多數研究是關于超聲輔助糖液滲透處理對其他果蔬干制品干燥速率、顏色、質地、營養等的影響，對于超聲輔助糖液滲透脫水聯合真空冷凍干燥對桃脆片干制品品質及吸濕性和玻璃化轉變溫度的影響鮮有報道。

本實驗主要選用4 種生產及研究中常用的糖（蔗糖、麥芽糖、葡萄糖、低聚異麥芽糖）對桃片進行超聲輔助滲透脫水處理，隨后再進行真空冷凍干燥，研究超聲輔助糖液滲透處理對凍干桃脆片干制品品質（水分損失率、固形物得率、色澤、微觀結構、質構）、吸濕性和玻璃化轉變溫度的影響，為高品質的凍干桃脆片生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘晚九號’白桃，采摘于北京市平谷桃產業基地，初始濕基水分質量分數為（86.87±0.50）%，可溶性固形物質量分數為（10.16±0.09）%，大小顏色均一、八成熟。

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

1.2 儀器與設備

CPA-12電子天平 德國Sartorius公司；FA-200型切片機 廣東省南海市德豐電熱設備廠；KQ-500Z超聲波發生器（工作頻率40 kHz、功率500 W） 昆山市超聲儀器有限公司；DK-S26電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司；LGJ-10E型真空冷凍干燥設備 北京四環科學儀器廠有限公司；MASTER-2α手持阿貝折光儀瑞士梅特勒-托利多公司；S-570型掃描電子顯微鏡日本日立公司；Q200差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀 美國TA儀器公司；Intrinsic型水分動態吸附（dynamic vapor sorption，DVS）儀、TA.XT 2i/50型質構儀 英國SMS公司。

1.3 方法

1.3.1 超聲輔助滲透脫水處理

原料去皮、核后，用模具制成直徑3 cm、厚度8 mm的圓形桃片，樣品質量為（3.50±0.17）g。糖液濃度和超聲參數采用宋悅等優化后的數據。用超純水配制的25 °Brix（阿貝折光儀校準）蔗糖、低聚異麥芽糖、葡萄糖、麥芽糖溶液作為滲透液。然后將圓形桃片放入灌有滲透液的自封袋內，桃片與滲透液料液比為1∶10（/）。超聲參數設置為200 W、40 kHz、溫度40 ℃，超聲輔助滲透時間設置為90 min。超聲輔助滲透過程結束后，將桃片立即取出并用清水沖洗表面糖液，用吸水紙吸除表面水分后稱質量。對照組樣品將糖滲透液替換為純水進行超聲處理，所有處理組設3 個平行。

1.3.2 真空冷凍干燥

每組取（100.0±3.0）g桃片，將對照組和經過4 種糖液預處理后的桃片置于-80 ℃冰箱內預凍12 h后放入真空冷凍干燥盤內，設置冷阱溫度為-49 ℃，真空度約為37 Pa，干燥過程中將真空冷凍隔板溫度控制在30 ℃以下，防止干燥過程桃片結構塌陷。桃脆片干燥至水分質量分數低于5%后停止干燥，并置于干燥器中均濕48 h后進行各項指標測定。

1.3.3 指標測定

1.3.3.1 水分損失率和固形物增加率

超聲輔助糖液滲透脫水處理后采用水分損失率和固形物增加率來評價預處理效率，分別按式（1）、（2）計算，實驗重復3 次，取平均值。

1.3.3.2 色澤

采用色彩色差儀依CIELAB表色系統測定樣品的亮度*值、紅綠度*值、黃藍度*值，其中*值越大，樣品表面亮度越高；*值為正值時表示偏紅色，為負值時表示偏綠色；*值為正值時表示偏黃色，為負值時表明偏綠色。按公式（3）計算總色差Δ，Δ越小說明處理組與對照組差異越小，每個處理3 次平行。

1.3.3.3 微觀結構觀察

參照Santagata等的方法處理并觀察干制品的微觀結構。

1.3.3.4 硬度和脆度

參照Zou Kejian等的方法并略作修改。用質構儀測定桃脆片硬度和脆度。采用P/0.25探頭，探頭模式為阻力測試，設置前期檢測速率2.0 mm/s，檢測速率1.0 m/s，后期檢測速率1.0 mm/s，觸發力和穿透距離分別為樣品厚度的75%左右。其中測試產生峰的最高值定義為硬度，單位為g，斷裂距離定義為脆度，單位為mm，每個處理至少做8 次平行，然后取平均值。

1.3.3.5 玻璃化轉變溫度

采用DSC儀測定玻璃化轉變溫度，具體參照趙云波等的方法并稍作改動，操作在25 ℃空調室進行（避免樣品吸濕）。稱取8.0～9.0 mg桃脆片放在鋁坩鍋中密封，以空坩鍋作參照。掃描程序設置為：以10 ℃/min從25 ℃冷卻到-80 ℃，然后在-80 ℃下平衡2 min，以同樣速率從-80 ℃升溫至100 ℃，并在100 ℃下平衡2 min。采用儀器自帶軟件分析得到玻璃化轉變溫度范圍內的中間點，并以此作為。

1.3.3.6 吸濕性

使用配有Cahn微量天平的DVS儀測定樣品的水分吸濕性，將20～30 mg不同處理的凍干桃脆片放在DVS儀樣品盤中，放置在溫度25 ℃、氮氣流速200 sccm、相對濕度0的環境下平衡至恒質量。設定相對濕度以每次10%的增加量由0上升到90%，其中每一個固定的相對濕度階段以桃脆片質量變化率至少在60 min內低于0.002%認為達到平衡，進入下一個相對濕度階段。樣品在相對濕度為90%時，樣品質量變化率低于0.002%下維持6 h則認為樣品總體達到平衡。

1.3.3.7 復水比

根據于明海等的方法測定干制品復水比，復水比按公式（4）計算。

式中：為復水后的樣品質量/g；為復水前樣品質量/g。

1.3.3.8 可滴定酸含量

干制品可滴定酸含量采用GB 12456—2021《食品安全國家標準 食品中總酸的測定》測定。

1.4 數據統計與分析

實驗數據采用SPSS 19.0軟件進行分析，運用Duncan多重比較對數據進行差異顯著性分析，采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 超聲輔助滲透脫水處理對鮮桃水分損失率和固形物增加率的影響

如表1所示，對照組水分損失率和固形物增加率均呈現負值，可能是對照組經長時間的超聲處理，致使桃片細胞結構出現微細孔道和部分細胞破裂，進而導致部分自由水的截留和外界超純水的滲入；超聲處理伴隨著傳質的發生，桃片中的可溶性固形物發生了流失導致固形物含量下降。這與Wu Xiaofei等通過超聲處理甘薯后觀察到的現象一致。與對照組相比，超聲+葡萄糖、超聲+蔗糖、超聲+麥芽糖、超聲+低聚異麥芽糖處理組的水分損失率增加，分別為26.76%、22.11.%、17.40%、13.50%。其中超聲+葡萄糖處理組水分損失率最大，主要原因可能是葡萄糖的分子質量較小，當糖濃度相同時，分子質量小的糖溶液具有更高的滲透壓。滲透脫水過程中滲透壓差越大，水分損失率和固形物增加率也越高。所有糖滲透脫水處理鮮桃的水分損失率均遠大于固形物增加率，主要原因是糖分子比水分子大，所以水分子較糖分子運動得快。

表1 超聲輔助滲透脫水處理后白桃鮮樣的水分損失率和固形物增加率Table 1 Water loss rate and solid yield of peach slices after ultrasonicassisted osmotic dehydration

2.2 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片色澤的影響

由表2可知，與對照組相比，各處理組*值無明顯變化。原因可能是糖液滲透脫水處理隔絕了桃片與空氣，以及凍干過程中真空環境均抑制了褐變的發生。與對照組相比，超聲輔助不同糖液滲透處理組*值均呈增大的趨勢，*值整體上呈減小的趨勢，其中經蔗糖、低聚異麥芽糖、麥芽糖處理的樣品與對照組相比顏色偏藍，而葡萄糖處理組顏色則偏黃。Δ越小則表明干制桃脆片顏色與對照組顏色越接近。超聲輔助4 種糖液滲透處理的桃脆片顏色均與對照組顏色相近，且不同種類糖處理的桃脆片Δ無顯著性差異。

表2 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片色澤的影響Table 2 Effect of ultrasonic-assisted osmotic dehydration on the color of vacuum freeze-dried peach chips

2.3 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片微觀結構的影響

如圖1所示，鮮樣的微觀圖像呈現出較為疏松的多孔結構，且孔隙大小均一、細胞排列整齊無明顯塌陷。只經過超聲處理的對照組多孔結構被破壞的同時其細胞發生了破裂的現象。主要原因是超聲的空化效應作用于細胞致使細胞發生破裂和形成微細孔道。經過超聲輔助糖液滲透處理的桃脆片細胞發生收縮，進而形成致密的孔狀結構，且不同種類的糖處理的桃脆片形成的孔徑大小不均一。其中超聲輔助低聚異麥芽糖處理組孔結構致密，且大小孔交叉分布，超聲輔助葡萄糖處理組則呈現不規則的大孔結構，而超聲輔助蔗糖和麥芽糖處理組則可以觀察到明顯的細胞破裂和塌陷現象。

圖1 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片微觀結構的影響Fig. 1 Effect of ultrasonic-assisted osmotic dehydration on microstructure of vacuum freeze-dried peach chips

2.4 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片硬度和脆度的影響

硬度和脆度是評價果蔬脆片產品品質的重要感官指標。由表3可知，超聲輔助糖液滲透處理的凍干桃脆片與對照組（2 224.08 g）相比具有更高的硬度（＜0.05），可能是因為一方面滲糖脫水過程伴隨著傳質的發生，桃片細胞組織結構中的羥基與糖液相互作用，從而使桃脆片組織結構連接更加緊密，硬度增大；另一方面，隨著滲透過程的進行，樣品中的水分不斷流失，糖液發生結晶析出并吸附在桃片組織內部或者遷移到樣品表面形成硬殼。超聲輔助不同糖滲透處理組之間硬度也具有顯著性差異，超聲輔助葡萄糖處理組的硬度最大（4 336.84 g），原因可能是葡萄糖滲透處理的桃片具有較高的固形物增加率，更高含量的固形物對細胞結構起到支撐作用。超聲輔助糖滲透處理組與對照組相比脆度差異不顯著。

表3 超聲輔助滲透處理對真空冷凍干燥桃脆片硬度、脆度的影響Table 3 Effect of ultrasonic-assisted osmotic treatment on hardness and crispness of vacuum freeze-dried peach chips

2.5 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片吸濕性的影響

由圖2A可知，隨著時間的延長和相對濕度的增加，桃脆片樣品質量不斷增加并最終達到平衡。相對濕度在0～90%范圍內梯度增加時，對照組質量變化率為0～61.43%、超聲輔助蔗糖處理組為0～59.63%、超聲輔助低聚異麥芽糖處理組為0～61.17%、超聲輔助麥芽糖處理組為0～55.16%、超聲輔助葡萄糖處理組為0～55.79%。其中超聲輔助麥芽糖和葡萄糖桃脆片吸濕量較小。圖2B為桃脆片樣品在不同相對濕度（20%、40%、60%、80%）階段時相同時間內的質量變化率，在各相對濕度階段內，超聲輔助糖液滲透處理桃脆片的質量變化率明顯低于對照組，這表明超聲輔助不同糖滲透處理均能抑制桃脆片的吸濕作用，且超聲輔助葡萄糖和麥芽糖處理效果要優于超聲輔助蔗糖和低聚異麥芽糖處理組。超聲輔助滲糖處理使桃脆片吸濕性下降的原因是滲糖處理過程中糖液的滲入使桃脆片中的可溶性固形物含量增加，糖中的羥基與桃脆片組織中的親水基團相結合形成氫鍵，進而加大了結合親水基團的比例，因此減少了真空冷凍干燥桃脆片對外界環境中水分的吸附。這與Agnieszka等研究葡萄糖、蔗糖滲透脫水凍干草莓的水分吸附特性結果相似，糖液處理阻礙了真空冷凍干燥草莓對水蒸氣的吸收。

圖2 超聲輔助糖液滲透處理對真空冷凍干燥桃脆片吸濕性的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic-assisted osmotic treatment on hygroscopicity of vacuum freeze-dried peach chips

2.6 超聲輔助滲透脫水對真空冷凍干燥桃脆片復水性的影響

復水性是反映新鮮果蔬食品干制后吸水恢復原來新鮮程度能力的指標。如表4所示，經過超聲輔助糖液滲透處理的桃脆片復水比均低于對照組，但是不同糖液滲透處理組間的復水比無顯著性差異。對照組高復水比可能是經過超聲處理后樣品內部形成了一定的孔隙和真空冷凍干燥過程中冰晶升華留下的大量孔隙致使樣品大量吸水。而經過超聲輔助滲糖處理組復水比下降，一方面是滲透脫水干燥后桃脆片表面殘留一定的糖液，表面的糖液溶解后水分才能進入組織內部，但超聲輔助滲糖處理組樣品硬度較高，進而增加了水分進入的阻力；另一方面，糖液的滲入以及超聲產生的空化作用使桃片細胞空間結構發生變化，如細胞塌陷、較小孔隙的出現均對水分的進入起到一定的阻礙作用。

表4 超聲輔助滲透脫水處理對真空冷凍干燥桃脆片的復水性、可滴定酸含量及玻璃化轉變溫度的影響Table 4 Effects of ultrasonic-assisted osmotic treatment on rehydration ratio, titratable acid content and glass transition temperature of vacuum freeze-dried peach chips

2.7 超聲輔助滲透脫水對真空冷凍干燥桃脆片可滴定酸含量的影響

可滴定酸度含量是衡量植物源產品品質的主要指標之一，是影響風味品質的重要因素。由表4可知，與鮮樣相比對照組和不同糖液滲透處理組可滴定酸含量顯著降低（＜0.05）。一方面是因為滲透脫水過程也伴隨著傳質，脫水過程使樣品中的一些天然游離酸流失；另一方面，超聲引起的空化作用會使細胞結構損傷，進而導致一些可溶性的低分子質量酸被脫除。本研究結果與Deng Yun、Gabaldon-Leyva等研究超聲輔助滲透處理甜椒可滴定酸含量變化的結果相似。

2.8 超聲輔助滲透脫水對真空冷凍干燥桃脆片玻璃化轉變溫度的影響

超聲輔助滲透脫水過程使得滲透液中的溶質（糖）進入到桃片內部，糖改變了固體基質內成分的含量，所以會對產品玻璃化轉變溫度造成一定影響。葡萄糖、麥芽糖、蔗糖的玻璃化轉變溫度分別為29、87、56.5 ℃左右。由表4可知，與對照組相比，不同種類糖滲透處理對桃脆片玻璃化轉變溫度影響顯著，其中超聲輔助麥芽糖滲透脫水處理的桃脆片玻璃化轉變溫度升高了11.9 ℃，而其他糖滲透處理組的玻璃化轉變溫度降低，可能是麥芽糖的分子質量較其他糖大，分子質量大的糖分子結構較為堅固，不易變形，進而使桃脆片的玻璃化轉變溫度升高。經過超聲輔助葡萄糖滲透處理的樣品玻璃化轉變溫度最低，與對照組相比降低了16.04 ℃，是因為葡萄糖屬于小分子糖且具有最低的玻璃化轉變溫度，在滲透過程中大量滲入桃片。總體來說，任何混合物的玻璃化轉變溫度都受到每個組分的玻璃化轉變溫度和混合物中每種組分比例的高度影響。桃脆片體系中各種糖類占比對玻璃化轉變溫度的具體影響還需要進一步研究。

3 結 論

本實驗探究了超聲輔助糖液滲透處理對真空冷凍干燥桃脆片干制品品質（水分損失率、固形物得率、色澤、質構、微觀結構）及吸濕性的影響，發現超聲和糖液滲透二者協同影響桃脆片的品質，細胞破裂和微細孔道的形成以及細胞內外滲透壓差的存在加快了鮮樣的水分損失和固形物含量增加，糖液滲入桃片組織細胞內并吸附于細胞壁對其細胞組織結構起到支撐作用，從而增加了產品的硬度。凍干桃脆片疏松多孔的結構易吸濕，經過超聲輔助糖液滲透處理后，致密的孔隙結構和細胞結構的坍塌以及糖液附著在桃片的組織細胞與羥基相互作用，減少了桃脆片游離親水基團的數量，阻礙了外界水分的進入，進而降低了凍干產品的吸濕性，復水性實驗結果也驗證了這一結論。超聲輔助滲透脫水過程中不同種類的糖進入體系內部，使體系內物質成分發生變化，進而改變了體系的玻璃化轉變溫度，而提高玻璃化轉變溫度有利于貯藏，抑制干制品吸濕，防止品質劣變。

本實驗所得具體結論如下：超聲輔助4 種糖液滲透脫水均可顯著提高桃片的水分損失率和固形物增加率；且處理組與對照組*、*、*值無明顯差異，顏色保留率高；細胞結構塌陷和糖液吸附作用能顯著增加凍干桃脆片硬度；經過超聲輔助不同糖液滲透處理的凍干桃脆片吸濕性和復水比均下降；超聲輔助糖液滲透處理中糖液種類的選擇對樣品體系玻璃化轉變溫度的影響也不同，其中麥芽糖處理顯著提高了凍干桃脆片的玻璃化轉變溫度，葡萄糖處理則顯著降低了玻璃化轉變溫度。