固態滲透預處理對凍干芒果加工過程減排、資源消耗及產品品質的影響

張鳳娟，滕建文*，韋保耀，黃 麗，夏 寧

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004）

聯合國可持續發展目標9[1]、12[2]要求產業提高資源利用效率，更多采用清潔和環保技術開發農業食品潛能；采用可持續的消費和生產模式。消費者挑選產品時已將可持續消費視為一種道德要求[3]。為做好我國碳達峰、碳中和工作，食品加工產業需進一步實施節能減排，全面推進清潔生產[4]。基于此，食品加工產業必須采取行動，使2030年之前實現可持續發展目標成為可能。

芒果是深受消費者喜愛的熱帶水果[5]，除鮮食外，芒果加工產品的種類日益豐富。真空冷凍干燥芒果可以較好地保持色澤、風味和營養成分[6]，凍干芒果片能夠更好地保持芒果的原有特性（即高保真），攜帶方便、口感酥脆且保質期較長，廣受消費者喜愛[7]。然而，凍干工藝本身屬于高能耗的干燥加工方式[8]，為降低耗能，相關研究人員開發了組合脫水干燥新技術。Bozkir等[9]采用超聲-滲透脫水-對流干燥聯合處理柿子，該方法顯著縮短了干燥時間，提高了干燥效率并提升了復水率和總酚含量。Prosapio等[10]研究表明滲透-凍干組合處理有助于保持產品特性，如質地和微觀結構。

滲透脫水是將植物組織浸入高濃度滲透劑中，基于濃度差使植物組織水分滲出，達到脫水效果，滲透脫水無需加熱，所得產品品質穩定。目前，果蔬加工的滲透處理以液態滲透為主，即將待處理果蔬浸漬于滲透劑溶液中保持一段時間。該方式能夠穩定高效地脫去部分水分，但在實際應用中可能帶來一些環境問題：1）廢液排放量大[11]，且廢液中存在較多的有機污染物，化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）高，需經復雜處理后才能排放，環境治理成本高；2）滲透劑用量大，造成資源的浪費。此外，長期浸漬處理會導致原料組織疏松，活性物質損失，造成產品品質缺陷。

本課題組前期研究表明，相比液態滲透，固態滲透加工脫水效率更高，產生的廢液更少，更加節能環保[12]。但固態滲透在凍干預處理中的作用尚不清晰，故本研究以芒果塊為原料，設置液態滲透預處理為對照，研究固態滲透預處理過程的資源消耗、廢液產生狀況及聯合凍干加工過程的能源消耗、碳排放情況和產品品質，為可持續食品工業進一步發展提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘凱特芒’芒果 南寧海吉星批發市場。

蔗糖 南寧市東凱冠超市；L-半胱氨酸（優級純）北京索萊寶科技公司；十六烷基三甲基溴化銨（色譜純） 成都化夏化學試劑有限公司；甲醇（色譜純）天津市大茂化學試劑廠；L(＋)-抗壞血酸標準品（純度≥99%） 上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為國產分析級。

1.2 儀器與設備

WYA-2S數字阿貝折射儀 上海儀電物理光學儀器有限公司；e2695高效液相色譜儀（含紫外檢測器） 美國Waters公司；ZORBX SB-C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm） 美國Agilent公司；Infinite M200 PRO酶標儀 帝肯（上海）貿易有限公司；RE-52AA旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；CenLee18R高速冷凍離心機 湖南湘立科學儀器有限公司；TA-XT plus物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司；Pilot10-15M冷凍干燥機北京博醫康實驗儀器有限公司；F16502 掃描電子顯微鏡 荷蘭PHENOM公司；5B-3B(V8)型多參數水質測定儀 北京連華永興科技發展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 芒果預處理與滲透處理

挑選果皮完整、色澤均一、固形物質量分數在13.0%～15.9%之間的芒果，徹底清洗干凈后去皮。取兩片平行于果核的切片，然后切成20 mm×20 mm×5 mm的果塊，水分質量分數為（84.38±1.88）%。

固態滲透組：取切分好的芒果塊，分裝在250 mL透明塑料瓶中，每瓶加入100 g芒果塊，然后加入芒果質量30%、40%的蔗糖（分別記為S30、S40），室溫下用筷子輕輕攪拌蔗糖顆粒，同時抖動塑料瓶，使蔗糖與果塊混合均勻。液態滲透組：取100 g切分好的芒果塊浸沒在等質量的質量分數分別為60%、50%的蔗糖溶液中（分別記為L60、L50），室溫下用筷子攪拌均勻。

在滲透開始時添加芒果果塊質量0.02%的山梨酸鉀抑制微生物生長。分別在滲透0.5、1、2、3、4 h取15 g芒果樣品，用蒸餾水快速沖洗樣品表面，并用吸水紙吸干表面水分備用。每組設3 個平行。

1.3.2 凍干芒果制備

取各種滲透方式滲透處理0.5 h后的芒果塊和未經滲透處理的鮮芒果塊（記為O）置于－40 ℃冰箱中預凍約36 h，然后進行凍干，凍干溫度35 ℃，冷凝器－80 ℃，氣壓5 Pa。當樣品溫度接近凍干溫度，在一定時間內溫度不再上升并保持平穩約3 h后結束凍干，記錄各組樣品的凍干時間并稱質量。此外，收集并記錄滲透0.5 h后產生的廢液質量和體積。

1.3.3 芒果水分質量分數的測定

取鮮芒果塊、不同滲透時間的芒果果塊和凍干后的芒果果塊樣品，參考GB 5009.3－2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[13]中的恒質量法測定不同滲透時間及凍干后樣品的水分質量分數。

1.3.4 芒果可溶性固形物質量分數的測定

取不同滲透時間的芒果果塊樣品，用4 層濾布擠壓過濾，將濾液滴于阿貝折射儀上測定可溶性固形物質量分數，每個樣品重復測量3 次。

1.3.5 芒果滲透過程中干基固增率、失水率計算

取不同滲透時間的芒果樣品，參考文獻[14]計算干基固增率（式（1））和失水率（式（2））。

式中：t為滲透時間/h；m0、mt分別為滲透初始、t時刻的樣品質量/g；Xs0、Xst分別為滲透初始、t時刻的樣品固形物質量分數/%；Xw0、Xwt為分別為滲透時間初始、t時刻的樣品水分質量分數/%。

1.3.6 凍干芒果能耗計算

參考式（3）計算處理100 g芒果塊原料時各組凍干芒果能耗比。

1.3.7 廢液化學需氧量的測定

廢液的COD值使用5B-3B(V8)型多參數水質測定儀進行測定。各滲透方式得到的滲透糖液經布氏漏斗抽濾，濾液于－20℃冰箱中貯藏12 h備用。測定前進行解凍，參考儀器操作指導書測定每升廢液的COD，按照式（4）計算處理100 g芒果塊原料產生廢液的COD，按照式（5）計算各組與L60組相比COD減少比例。

式中：COD0為每升廢液的COD/（g/L）；V為滲透處理100 g原料產生的廢液體積/mL。

1.3.8 碳排放量的計算

依據《食品、煙草及酒、飲料和精制茶 企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》[15]中的方法按式（6）～（8）計算碳排放量。

按照式（9）計算碳減排量。

1.3.9 不同加工階段芒果樣品VC保留率測定

采用高效液相色譜法[16]測定滲透0.5 h前后、凍干后芒果塊干基中VC含量，單位為mg/100 g干基。按式（10）計算與原料相比滲透0.5 h后及凍干后的芒果VC保留率，按式（11）計算凍干階段樣品的VC保留率。

1.3.10 不同加工階段芒果樣品總酚保留率的測定

參考王俊濤[12]的方法提取滲透0.5 h前后、凍干后芒果塊中的總酚得到總酚提取液，采用福林-酚法測定果塊總酚含量，以沒食子酸為標準品制作標準曲線。取400 μL總酚提取液于5 mL離心管中，再加2.000 mL體積分數10%福林-酚試劑，搖勻后3～8 min內加入1.600 mL質量分數7.5% Na2CO3溶液，于室溫下避光反應60 min，測定765 nm波長處吸光度，代入標準曲線方程計算總酚含量，單位為mg/100 g干基。按式（12）計算與原料相比滲透0.5 h后及凍干后的芒果總酚保留率，按式（13）計算凍干階段樣品的總酚保留率。

1.3.11 凍干芒果微觀結構觀察

參考文獻[17]的方法，取適量的凍干芒果樣品用導電膠固定，經噴金處理后，將樣品固定在工作臺上，使用掃描電子顯微鏡觀察樣品微觀結構，加速電壓10 kV，放大倍數200 倍。

1.3.12 凍干芒果質構特性分析

取適量的凍干樣品采用TA-XT plus物性測定儀進行質構分析。儀器參數：P/0.5S球形探頭；100 N感應元；測試速率120 mm/min；起始力0.05 N；形變30%。最高峰值力和第1個峰值力分別定義為硬度和脆度。每種樣品重復測定10 次。

1.4 數據處理與分析

實驗設置3 個平行，結果以平均值±標準差表示。采用統計SPSS 22.0軟件進行數據統計、Perason相關性分析和單因素方差分析，采用Waller-Duncan檢驗進行顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。采用Origin 2021b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同滲透方式對芒果塊脫水、固增效果研究

相比液態滲透，固態滲透過程利用樣品組織內部脫出的水分作為溶劑溶解固態蔗糖，因此滲透過程中糖液黏度呈驟增緩降趨勢。這與常用的滲透動力學模型擬合的穩態滲透傳質動力學曲線存在本質區別，不能滿足穩態滲透的前提：滲透溶液穩定[18]，故本實驗采用樣品失水率和干基固增率表征滲透過程。

由圖1A可知，相同滲透時間，固態滲透芒果塊失水率均高于液態滲透組。這是由于滲透脫水速率受滲透壓影響，而滲透壓與溶液中溶質濃度成正比。固態滲透初期芒果表面的滲透類似于飽和蔗糖溶液中的液態滲透，故初始滲透壓明顯高于液態滲透組，因此脫水效率更高。隨著滲透的進行，芒果逐漸脫水，芒果表面附著的固態蔗糖逐漸溶解，并隨著脫水量增大，蔗糖濃度逐漸下降。此外，固態蔗糖與芒果的質量比越大，溶解和稀釋蔗糖需要的水分就越多，即芒果表面的蔗糖濃度下降速率越慢，芒果脫水速率越快。本研究表明相較于傳統液態滲透，固態滲透處理的脫水效率明顯提高。

圖1 不同滲透方式下芒果失水率（A）、干基固增率（B）與滲透時間的關系Fig.1 Relationship between water loss rate (A) and dry base solid growth rate (B) and osmosis time of mango fruit under different osmotic dehydration treatments

此外，滲透脫水過程中還存在部分滲透溶質附著在組織表面或者內部的情況[19]。因此在滲透過程中，芒果果塊本身水分的減少及部分糖溶質附著的雙重作用，促使芒果果塊的可溶性固形物含量增加。由圖1B可知，滲透2 h后固態滲透組樣品的干基固增率逐漸超過液態滲透L50組。這可能是由于固態滲透初期，滲透劑流動性低、黏度過高阻礙溶質滲入組織內部[20-21]。隨著芒果脫水，滲透2 h后固態糖基本溶解完全，局部糖液濃度甚至高于L50、L60樣品組；并且此時L50、L60樣品組因芒果內部水分流出使得糖液濃度較初始時有所下降。因此不同滲透方式的樣品干基固增率的變化速率隨時間延長出現轉折點，滲透2 h之后固態滲透組的干基固增率增加速率超過液態滲透組。滲透過程中失水率高于干基固增率，這是由于水分子比蔗糖分子運動速率更快[22]。滲透0.5 h時，不同滲透方式的最高干基固增率約10%，而失水率則達到了25%以上，可在品質保真與實現預脫水效果兩方面達到了較好平衡，故本研究以滲透0.5 h后的芒果樣品為凍干實驗對象。如圖1所示，滲透0.5 h，固態滲透樣品失水率高于液態滲透，而干基固增率低于液態滲透。固態滲透具有高脫水、低固增的特點，這恰好符合真空冷凍干燥通過前處理保持產品原料品質的目的，對于需要更好保持原料自然特性的工藝有一定的借鑒價值。

2.2 不同滲透方式對凍干芒果節能及減排的影響

真空冷凍干燥能夠保持產品原料的原有真實特性，但通常能耗較高。凍干前預滲透在降低耗能的同時，還可能引起凍干產品的品質變化。表1中顯示，各滲透方式每處理100 g芒果塊需要消耗的蔗糖原料質量依次為S30＜S40＜L50＜L60。其中液態滲透消耗的蔗糖量顯著高于固態滲透，但滲透相同時間，芒果失水率反而低于固態滲透，即單位失水率下，液態滲透比固態滲透需要更多的蔗糖，這對于蔗糖原料的利用效率明顯不利。

表1 不同滲透方式下滲透芒果塊的蔗糖消耗、廢液產生狀況和加工過程節能、減排狀況比較Table 1 Comparison of sucrose consumption,waste liquid production,energy saving and emission reduction of mango fruit under different osmotic dehydration treatments

有學者指出滲透后的溶液最多可以重復利用5 次[23]，且經過處理之后才可排放，以免廢液中有機物、無機物等對水環境治理增加負擔。COD可以表征水體受還原性物質（有機物、硫化物和鹽類等）污染的程度。COD越大，水體受有機物的污染越嚴重。與L60相比，S30的COD減少了60.13%。本實驗結果表明相比液態滲透方式，固態滲透方式可極大地減少廢液量和COD。

由表1可知，產品加工的能源消耗量依次為固態滲透組合干燥＜液態滲透組合干燥＜未滲透干燥。本研究滲透凍干組合工藝的碳減排量在7.03%～12.21%。另有研究根據生命周期評估法計算得出滲透預處理凍干草莓過程比單一凍干過程可減少25%的CO2排放量[24]。該研究中滲透處理后草莓的水分質量分數（18.8%）遠低于本研究中滲透處理后芒果塊（69.22%～79.74%），這種差別的存在可能導致本研究中碳減排量少于該研究中的結果。

綜上，相比于液態滲透L60，固態滲透S30、S40可分別減少50.01%、33.24%的蔗糖消耗，廢液產生量分別減少了61.00%、51.71%，廢液COD分別減少了60.13%、41.83%。此外，相比于未經滲透處理直接凍干的樣品，滲透凍干組干燥加工過程的碳排放量顯著減少（P＜0.05），且固態滲透碳排放量顯著低于液態滲透（P＜0.05）。相比于未滲透樣品，固態滲透S30、S40和液態滲透L50、L60樣品生產過程的碳排放量分別減少了10.59%、12.21%和7.03%、8.80%。由此可知，固態滲透比液態滲透在資源消耗、節能、環保方面具有顯著的優勢，固態滲透預處理更加符合當前亟須建立的可持續生產模式，順應目前的可持續發展趨勢。

2.3 不同滲透方式下滲透對凍干芒果品質的影響

2.3.1 凍干芒果的總酚保留率和VC保留率

本研究選取總酚和VC兩種活性物質，分析二者在滲透0.5 h后、凍干后及凍干階段的保留率（圖2）。在滲透過程中，果蔬中酚類物質損失的因素主要有：酚類物質隨果蔬內水分流失到外部滲透劑中；與酚酶及氧氣接觸被氧化為醌類物質[25]。固態滲透的芒果總酚保留率低于液態滲透（圖2A），可能的原因為：1）固態滲透比液態滲透失水率更高，滲透期間芒果失水更多的同時總酚流失更多，滲透0.5 h后果塊總酚保留率和失水率呈極顯著負相關（P＜0.01）（表2）；2）固態滲透期間果塊與氧氣接觸機率比液態滲透果塊更大，酚類物質氧化損失更多。然而該結果與Sette等[26]研究結果并不一致，該研究采用蔗糖添加量78.7%的固態滲透與質量分數61%蔗糖溶液的液態滲透（固液質量比1.00∶2.78，而本研究中固液質量比為1∶1）對覆盆子進行10 d滲透預處理直至滲透達到平衡，滲透10 d后覆盆子總酚保留率受到滲透平衡過程中覆盆子內外酚類物質濃度差的影響。其中的差異可能是由于滲透時間、固液質量比不同。固態滲透果塊中的酚類物質在滲透初期被氧化并隨水分流失至滲透糖液中，而固態滲透糖液量少，酚類物質的少量溶出即可使滲透液呈現出較高濃度酚類狀態，果內外酚類物質濃度差較小易達到滲透平衡[12]。液態滲透過程中，由于果塊被浸沒導致接觸氧機率更少，氧化損失更少，一部分酚類物質隨水分流失至滲透糖液中，由于滲透糖液質量大，果內外酚類濃度差較大，達到平衡需要的酚類物質更多，進而導致液態滲透果中酚類物質損失更多[26]。經固態滲透預處理的芒果塊凍干階段的總酚保留率高于液態滲透芒果塊，證明固態滲透相對于液態滲透能夠在凍干階段更好地保留活性物質，減少凍干損失。這可能是由于固態滲透樣品的水分質量分數小，且凍干時間更短。

表2 滲透后果塊失水率與活性物質保留率的相關性分析結果Table 2 Correlation analysis between water loss rate and nutrient retention rate of osmosed mango fruit

圖2 不同滲透方式下果塊的總酚（A）和VC（B）保留率Fig.2 Retention rates of total phenol (A) and VC (B) in mango fruit under different osmotic dehydration treatments

如圖2 B 所示，滲透后芒果塊VC 保留率依次為L50＞L60＞S30＞S40。固態滲透S40與液態滲透相比VC含量明顯減少，可能是固態滲透S40失水量最大導致的。VC在滲透失水過程中不斷流失，且如表2所示，VC保留率與芒果滲透失水率呈極顯著負相關性（P＜0.01）。前人研究證明了所用滲透劑的濃度是影響VC保留率的主要因素[27-28]。凍干后芒果塊VC保留率依次為L50＞S30＞S40＞L60。此外，凍干階段固態滲透芒果塊總酚和VC保留率均高于液態滲透芒果塊。這可能是由于經固態滲透處理的芒果塊結構表面更加致密，組織內的氧氣含量更少導致活性物質的氧化損失更少[29-30]，且固態滲透處理芒果塊含水量更少、凍干時間更短，減少了凍干過程中樣品的活性物質損失，更多地保留樣品活性物質，具體的原因還需要進一步研究。

2.3.2 凍干芒果的微觀形貌和外觀

如圖3A所示，鮮芒果凍干后結構均勻，孔隙較大，部分結構脫落；經滲透脫水處理的樣品凍干后孔隙變小，收縮緊實，結構致密，細胞壁厚度變厚。劉佳新[31]也發現類似的結果，這可能是由于蔗糖作為介質進入芒果組織內，填補細胞間的孔隙，減緩了細胞壁松散。并且使用滲透劑濃度越高，結構越致密；這可能是由于滲透劑進入果塊組織，凍干后填充了原有孔隙的位置，從而使孔隙變小。如圖3B、C所示，固態滲透的樣品比液態滲透樣品收縮更加明顯。固態滲透凍干芒果塊的結構均勻、致密，而經液態滲透凍干芒果塊的組織不規則，且孔隙大、局部坍塌、結構相對松散。這可能是由于液態滲透時芒果塊全程處于被完全浸沒狀態，而固態滲透則是在30 min時固體果塊才出現被完全浸沒狀態，導致液態滲透果塊組織更疏松[12]，組織細胞壁中間層溶解較多[32]。

2.3.3 凍干芒果的質構特性

質構特性是衡量果蔬及其干制品品質的一項重要指標，而品質好壞直接影響到消費者對產品的喜愛程度。如表3所示，滲透后凍干芒果塊硬度、脆度均顯著高于未滲透樣品（P＜0.05），其中凍干果塊硬度依次為S40＞S30＞L60＞L50＞O，這與芒果微觀結構孔隙尺寸（圖3A）相互印證。凍干果塊微觀結構越致密，結構越緊實，硬度越大。由于蔗糖中的羥基與芒果組織的羥基形成氫鍵，使組織更堅固從而提高凍干果塊硬度[22]。滲透預處理樣品的脆度顯著高于未處理樣品，可能是收縮致密的小孔[33]以及滲入的糖結晶加強孔隙的剛性[34]，導致樣品破裂需要更大的力。

圖3 不同滲透方式芒果塊凍干后的微觀形貌（200×）（A）、樣品俯視圖（B）和側視圖（C）Fig.3 Microscopic morphology (200×) (A),top view (B) and side view (C) of mango slices with different osmotic dehydration treatments after freeze-drying process

表3 不同滲透方式加工后凍干芒果的水分質量分數和質構特性Table 3 Comparison of moisture mass fraction and textural properties of lyophilized mango fruit processed by different osmotic dehydration treatments

3 結論

采用固態滲透處理代替傳統液態滲透方式作為真空冷凍干燥的前處理方式，能夠進一步實現節能、降耗和減排，應進一步在可持續發展工業領域開展理論分析和應用研究。固態滲透在初期表現高脫水、低固增特點，有利于實現凍干果蔬等產品的高保真加工。固態滲透處理使果塊微觀結構緊致收縮，且增加了果片硬脆度，這為滿足不同消費需求的個性化加工提供了一種參考。滲透過程中果塊VC保留率及總酚保留率與失水率呈極顯著負相關（P＜0.01），而在凍干階段固態滲透組合工藝則比液態滲透組合工藝總酚和VC保留率更高，這豐富了果蔬加工過程中營養損失的理論，可進一步優化工藝設計，以期開發出生產過程符合可持續發展要求又高保真的個性化產品。