不同冷凍技術對甜櫻桃保鮮效果的影響

薛明珂，梁 文

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100）

冷凍技術是現階段最常見的食品保鮮技術之一，它通過降低食物中微生物生活力和酶活性、減慢氧化和呼吸作用來降低食品變質的速度，以此來獲得更長的儲存壽命。但是，在大多數情況下，冷凍會導致新鮮細胞損傷，細胞損傷的程度取決于冷凍速度。低速冷凍時細胞內的水通過半透膜擴散到細胞外，以平衡細胞內部和外部之間的滲透差，最終導致細胞脫水，高速冷凍則會發生細胞內液體冷凍。在這兩種情況下，冷凍都會使細胞失去水分、溶質濃度增加，最終會導致細胞損傷［1］。果蔬組織中的細胞損傷造成不可逆的膨脹損失、硬度損失、保水能力損失和解凍過程中含水量損失，這些最終會導致解凍產品的物理性能不佳［2］，從而降低消費者對冷凍食品的認可度。這種現象在質地細膩的水果中尤為明顯，如櫻桃、覆盆子、藍莓和草莓。因此，一些專注于生產破壞性更小冰晶的新技術被研發出來，以降低能源成本并提高冷凍食品質量。

近年來，一種在低于冰點溫度下保存產品而不會產生任何冰損壞的新冷凍技術產生了，這種技術在冷凍過程中體積保持不變，也叫等容冷凍技術。這是一種無冰晶損傷的生物組織冷凍技術，采用等容環境下抑制冰晶生長的原理，在不添加抗凝劑的條件下即可實現食物保存在0℃下而不被冰晶損傷［3］。Nǎstase等［4］引入了一個數學模型來描述等容熱力學系統中的冷凍過程，并表示等容冷凍的使用可提高冷凍食品的質量并節省大量能源。此外，2017年Nǎstase等［5］將等容冷凍技術運用到羅非魚肌肉組織冷凍研究中，并觀察到等容系統中-5℃下冷凍的肌肉組織在形態上與新鮮組織相同，沒有脫水跡象。基于以上報道，本研究對等容冷凍在櫻桃保鮮質量方面的潛力進行評估。

甜櫻桃是世界上最受歡迎的水果之一，2020年全球產量約為268.7萬t，同比增長3.5%，富含有益健康的化合物，如抗壞血酸、花青素、β-胡蘿卜素和酚類化合物，這些化學物質具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗糖尿病和抗肥胖等功效［6］。但櫻桃生產季節短，且不易保存易腐爛，限制了市場上新鮮櫻桃的供應，因此研發新的保鮮技術來提高冷凍櫻桃的適銷性并減少腐敗成為亟待解決的問題。

本研究采用等容冷凍技術來處理雷尼爾櫻桃，并與等壓冷凍技術和目前使用較廣泛的快速冷凍技術（IQF）作對比，通過對這3種貯藏條件下甜櫻桃的理化性質和品質進行測量與比較，判斷等容冷凍的優劣和適宜甜櫻桃的貯藏保鮮技術，以期為甜櫻桃保鮮技術和等容冷凍技術研究發展作參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用甜櫻桃品種雷尼爾櫻桃（6～7 g∕個）作為試驗材料，在樣品采收之后置于5℃下儲存備用，并于2 d內進行試驗處理。

1.2 等容冷凍系統

等容冷凍設備由一小型壓力室組成，壓力腔內徑為2.5 cm，外徑為7.5 cm，內長為15 cm，恒容室通過組合O形環和單獨的金屬支撐環來完成腔室密封，支撐環能夠隨著內部腔室壓力的增加或減少而膨脹和收縮。將壓力室連接到電子壓力傳感器上，再與電腦進行連接顯示數據。

1.3 試驗方案

本試驗設置3種不同的方案來處理新鮮櫻桃：在-3℃和-6℃溫度下的等容冷凍系統、-3℃和-6℃溫度下的等壓冷凍系統和快速冷凍系統中各貯藏等量鮮櫻桃24 h。其中，等容冷凍處理前在等容腔室內充滿17.5%蔗糖溶液，然后密封，將腔室完全浸入在0℃的循環冷卻浴中，并以0.25℃∕min的速度將溫度冷卻至-3℃或-6℃，冷卻時將壓力控制在-3℃為30 MPa和-6℃為62 MPa。櫻桃在設定溫度下保持23 h后，將腔室以0.25℃∕min的速度加熱回0℃，并從浴槽中取出，在達到室溫后打開；等壓冷凍處理的過程與等容冷凍處理相似，不同的是將櫻桃放入塑料保鮮袋中浸入循環冷卻浴，不需要在-3℃和-6℃溫度處理下控制壓力，2個溫度壓力相同，冷凍后樣品需在室溫下解凍30 min。快速冷凍技術是在低溫冷凍機中使用液氮進行冷凍，首先將鮮櫻桃以25℃∕min的速度冷卻至-25℃，接著以1℃∕min的速度從-25℃冷卻至-40℃，然后以25℃∕min的速度將櫻桃冷卻至-90℃，最后收集冷凍櫻桃并直接在-20℃的常規冰箱中儲存24 h。

最終對3種不同處理樣品解凍后的重量、硬度、糖度、酸度、顏色、抗壞血酸、可溶性酚類物質含量、抗氧化活性等理化性質進行測定。

1.4 滴水損失分析

滴水損失指在不施加任何外力，僅受重力的作用下細胞內液體的損失量，滴水損失越大，則細胞的系水力越差。本試驗為快速獲得滴水損失采用離心設備進行測量，即將3種不同處理后的樣品，每個處理取3顆櫻桃切成兩半，在室溫下將每半顆櫻桃置于45 mL塑料離心管中，懸掛在多孔支架上，以4 000 r∕min離心10 min，櫻桃樣品的滴水損失測量為離心前櫻桃重量與離心后櫻桃重量之間的百分比差異，計算公式如下。

1.5 顏色分析

雷尼爾櫻桃表皮呈現黃色且帶有不同程度的紅色，在解凍30 min后，使用高分辨率數碼相機（Nikon-7000）在恒定光照下捕獲櫻桃果實的彩色圖像，并使用Photoshop軟件分析顏色，利用直方圖窗口查找5 625像素區域的平均亮度L、a和b值。對每個水果進行3次測量求平均值，再使用以下方程將這些值轉換為標準L*、a*、b*值。

其中，L*是亮度，a*代表綠-紅軸（紅度），b*是藍-黃軸（黃度）。最后使用公式（5）計算與新鮮櫻桃樣品的總色差（ΔE）。

1.6 理化性質分析

使用梅特勒-托利多ME精密天平測定樣品重量，托普云農GY-4硬度計測量樣品硬度，愛拓PAL-BX|ACID F5型水果糖酸度計測量樣品糖度和酸度；采用高效液相色譜法測定3種處理下櫻桃的抗壞血酸含量［7］，Folin酚法測定總可溶性酚類含量［8］，DPPH法測定抗氧化活性［9］。

1.7 數據處理

試驗數據使用Minitab 14.2版統計軟件通過單因子方差分析和Tukey多重比較，在95%置信水平下對數據進行檢驗和分析。

2 結果與分析

2.1 不同冷凍技術對甜櫻桃重量、糖度、pH和滴水損失的影響

采用不同冷凍技術處理后，甜櫻桃樣品的重量、糖度、pH和滴水損失變化如表1所示。在等壓條件下冷凍或快速冷凍不會導致甜櫻桃的重量發生顯著的變化，相比之下，由于甜櫻桃被外部蔗糖溶液浸漬，在等容條件下保存甜櫻桃的重量略有增加（＜3%）。此外，所有處理下的櫻桃樣品糖度和pH沒有因冷凍而發生顯著變化。

表1 不同冷凍處理對甜櫻桃重量變化、糖度、酸度和滴水損失的影響

等容冷凍與新鮮櫻桃相比，-3℃的櫻桃在滴水損失方面沒有顯著差異，-6℃時滴水損失增加，這可能是由于-6℃的靜水壓力更高，改變了植物組織中的細胞通透性，從而使水從細胞內移動到細胞外，如果壓力足夠高也可破壞細胞結構。

在等壓條件下，冷凍的櫻桃平均滴水損失明顯高于新鮮樣品的滴水損失，這是因為在等壓冷凍過程中發生了一些細胞損傷，致使冷凍過程中因水體積增加而排到細胞外的水在解凍后無法返回細胞而產生滴水損失。

快速冷凍櫻桃的滴水損失值最高，是因為快速冷凍能使果肉細胞內部產生更小、破壞性更小的冰晶。但是，由于小晶體比大晶體表面自由能高，加上儲存過程中溫度波動，更容易通過再結晶生長變大，因此這些樣品在處理過程中可能發生了再結晶生長，這些重新形成的大冰晶可以使細胞膜破裂［10］。在解凍過程中，大量大冰晶融化成水，從細胞基質中漏出，造成大量滴水損失。

2.2 顏色分析

外觀和顏色是決定鮮食產品是否能夠被消費者接受的重要屬性之一，也是最關鍵的質量屬性之一。圖1為新鮮樣品和不同冷凍處理后解凍樣品的L*-a*和a*-b*顏色分布。

由圖1可知，等容冷凍櫻桃的顏色比新鮮櫻桃的更深，a*（紅度）和b*（黃度）值略有增加，這可能是由于外部的蔗糖溶液填充進了櫻桃組織的多孔結構，導致櫻桃具有半透明的外觀。-3℃和-6℃下等容冷凍處理的樣品在顏色上沒有明顯差異，表明在試驗溫度范圍內等容條件下的靜水壓力不會影響β-胡蘿卜素（導致雷尼爾櫻桃呈黃色的主要化合物）或酚類化合物物質的降解。這一結果與Mcinerney等［11］的研究結果相同，高達600 MPa的靜水壓力對胡蘿卜和西蘭花中的β-胡蘿卜素含量幾乎沒有影響。此外，Khan等［12］的研究表明，高達600 MPa的靜水壓力不會影響水果中的酚類含量。

圖1 新鮮櫻桃和不同冷凍處理后解凍櫻桃的L*-a*（a）和a*-b*（b）顏色分布

等壓冷凍和快速冷凍樣品與新鮮樣品相比，大部分處理亮度（L*）和黃度（b*）明顯降低，但紅度（a*）增加，且這種現象在較低的冷凍溫度下更為明顯。這是由于β-胡蘿卜素的降解與脂氧合酶等天然酶引起的酶促氧化反應有關，這2種冷凍技術造成的細胞膜損傷有助于解凍后酶與底物相互作用發生反應，促進多酚氧化酶和過氧化物酶等酶和β-胡蘿卜素降解，最終使櫻桃顏色發生變化［10］。

此外，色差值（ΔE）也展示了不同冷凍處理后櫻桃顏色的差異。與新鮮櫻桃相比，在-3℃和-6℃下等容冷凍保存引起的色差最小（12%），快速冷凍技術引起的色差最大（32%）。等壓冷凍系統在-3℃和-6℃下處理后的樣品與新鮮櫻桃色差分別為17%和30%。

2.3 質地

消費者第一次購買食品通常是基于外觀，但重復購買則是由質地、味道等質量因素驅動的。因此，冷凍櫻桃應該具有與新鮮櫻桃相當的質地，以確保更大的客戶吸引力。由圖2可以看出，等容條件下保存的櫻桃比其他冷凍條件保存的櫻桃具有更好的物理性能。與新鮮櫻桃相比，在-3℃等容條件下保存櫻桃的硬度和彈性模量稍低，但2個指標沒有顯著差異。將溫度從-3℃降低到-6℃時會導致樣品硬度和彈性模量略有下降，這是因為高靜水壓力會破壞細胞結構并導致細胞膜通透性下降［13］。

相比之下，等壓冷凍和快速冷凍產生的櫻桃質地特性變化較大（圖2）。由于冷凍過程削弱了果肉細胞膜和細胞壁的完整性，這些樣品的硬度值明顯低于新鮮櫻桃。此外，彈性模量值也顯著降低。樣品在壓縮試驗期間沒有破裂，因為櫻桃的水分含量不足，硬度不高，未達到破裂程度。等壓冷凍或快速冷凍的樣品硬度和彈性模量值沒有顯示出統計學差異，這表明緩慢和快速的冷凍都會致使細胞結構裂解，造成細胞液和細胞成分泄漏，從而導致樣品軟化。前人的研究得到了類似的結果，Kong等［14］觀察到，在-20℃下儲存31 d的櫻桃在解凍后質地變為糊狀，完全失去了觸感。Alonso等［15］研究發現速凍櫻桃的硬度和彈性模量值有所下降，后期研究發現櫻桃冷凍后細胞內果膠流失導致鈣橋受損和細胞組織松動，從而導致硬度下降［16］。

圖2 不同冷凍處理對甜櫻桃最大壓強和彈性模量的影響

由以上數據可以看出，只有等容冷凍的保鮮質地與新鮮雷尼爾櫻桃的質地相當，因此等容冷凍的保鮮效果優于快速冷凍和等壓冷凍。

2.4 抗壞血酸含量

經測定，新鮮雷尼爾櫻桃的總抗壞血酸含量為5.3±0.8 mg∕100 g，在等容條件下保存的櫻桃抗壞血酸含量與新鮮櫻桃差異較小（圖3）。此外，等容冷凍的壓力從30 MPa（-3℃）增加到62 MPa（-6℃）對樣品的抗壞血酸含量沒有顯著影響。先前的研究表明，靜水壓力不會影響低分子質量食品化合物，例如維生素類，因為壓力不會影響其分子共價鍵。Patras等［17］也通過試驗證明，高達600 MPa的壓力不會導致草莓和黑莓的抗壞血酸含量發生顯著變化。

相比之下，等壓冷凍和快速冷凍導致抗壞血酸顯著損失。由圖3可以看出，等壓冷凍下-3℃導致損失63%，等壓冷凍下-6℃導致損失51%，快速冷凍后導致損失72%。早先的研究也曾發現冷凍會導致櫻桃果肉抗壞血酸含量下降，Poiana等［18］的試驗結果表明，由于氧氣的存在使果肉細胞發生了酶促氧化反應（抗壞血酸氧化酶氧化），所以在-18℃環境下冷凍櫻桃后，其抗壞血酸含量立即下降了12%。一般來說，在冷凍產品中酶促反應較慢，但并不意味著停止，酶促反應仍會在非冷凍水下發生。與等容冷凍不同的是，等壓冷凍和快速冷凍破壞了櫻桃果肉細胞膜，增加了酶與底物相互作用，加速了酶促反應，最終導致抗壞血酸大量減少。

圖3 不同冷凍處理對甜櫻桃抗壞血酸含量的影響

2.5 總可溶性酚類含量（TSP）

本研究中新鮮櫻桃的TSP為（0.52±0.03）mg GAE∕g，低于Chaovanalikit等［19］研究的甜櫻桃果肉［（0.65±0.05）mg GAE∕g］和 果 皮［（1.42±0.05）mg GAE∕g］的TSP。由圖4可以得出，在等容條件下保存櫻桃的TSP明顯增加，-3℃下的樣品TSP增加了19%，-6℃下的樣品增加了27%。在較低溫度（較高壓力）下酚類化合物的增加可能是由于壓力更大，受損細胞中酚類化合物的提取更容易導致的。在較高溫度（較低壓力）下，細胞保持的較為完整，酚類化合物提取相對高壓較困難，但TSP相比新鮮櫻桃也發生增加現象。

圖4 不同冷凍處理對甜櫻桃總可溶性酚類物質含量的影響

甜櫻桃經過等壓冷凍和快速冷凍處理后，TSP含量顯著降低。對于等壓冷凍，TSP在-3℃時下降了29%，在-6℃時下降了18%。快速冷凍后TSP下降了10%。冰晶的形成可能對細胞脆弱的細胞器和細胞膜結構造成損害，并使酶系統發生紊亂，尤其是較為活躍的多酚氧化酶系統，這會影響細胞中總可溶性酚類含量。這一結果與先前的一些研究結果相同，Chaovanalikit等［19］報道了在液氮下冷凍后，再在-23℃下儲存3個月的賓瑩櫻桃的總可溶性酚類物質含量降低25%；Poiana等［18］發現，在-18℃下冷凍后，櫻桃的可溶性酚類物質含量立即下降了7%；Kong等［14］研究表明，櫻桃在-20℃下儲存1個月后，可溶性酚類物質降解50%。

2.6 抗氧化活性

研究表明，抗氧化化合物由于能夠清除自由基從而抑制退行性疾病發生氧化病變，因此，對人類健康能夠產生積極影響。櫻桃是一種具有高抗氧化活性物質的水果，主要與花青素、類黃酮和總酚的存在有關。本試驗中新鮮甜櫻桃的抗氧化活性測定值為（1.9±0.1）mg TE∕g，低于前人研究報道中甜櫻桃果肉（3.3±0.1）mg TE∕g和果皮（6.8±0.4）mg TE∕g［19］，這有可能是因為品種不同。

由圖5可以得出，等容條件下-3℃冷凍沒有導致甜櫻桃的抗氧化活性發生顯著變化，但在-6℃等容冷凍的櫻桃表現出明顯的抗氧化活性增強，這可能與之前討論的總可溶性酚類物質含量增加有關（圖4）。

相比之下，在等壓條件下冷凍的櫻桃抗氧化活性略有降低（圖5），但降低的幅度沒有抗壞血酸和總酚類物質那么大，這可能是由于抗氧化活性與生物活性化合物的濃度相關，一些多酚降解產物也能保留部分抗氧化活性。先前的一些研究結果與本研究結果相同，Chaovanalikit等［19］研究發現，在液氮下快速冷凍后，在-23℃下儲存3個月的櫻桃抗氧化活性略有降低（0.5%）；Poiana等［18］研究表明，在-18℃下儲存的甜櫻桃抗氧化活性出現相對較小幅度的下降。

圖5 不同冷凍處理對甜櫻桃抗氧化活性的影響

3 小結

在等容冷凍系統中，-3℃的雷尼爾櫻桃與新鮮櫻桃具有相似的品質和營養特性，不僅保留了櫻桃的質地，且最大限度地減少了滴水損失。3種冷凍方式均能導致櫻桃呈半透明外觀，但等容冷凍后的櫻桃顏色與新鮮櫻桃最相似。此外，在-3℃下等容冷凍保留了新鮮櫻桃中的抗壞血酸含量、總酚類化合物和抗氧化活性。當等容系統中的溫度從-3℃降低到-6℃時，櫻桃的硬度和持水能力下降，即便如此，與等壓冷凍或快速冷凍相比，等容冷凍仍然保留了更好的櫻桃質量和營養特性。

由此可以得出，等容冷凍對新鮮甜櫻桃的保鮮效果優于快速冷凍和等壓冷凍，可以為市場提供質量更高的保鮮產品，減少浪費，節約資源。在日后的研究中，可將等容冷凍應用于其他保鮮產品試驗，以便于探究等容冷凍的發展潛力，為發展園藝產品保鮮技術提供更多的技術支持和選擇。