藍(lán)莓液氮式流態(tài)化速凍工藝研究

張慶鋼，陶樂仁，鄧 云，鄭志皋，蔡梅艷

（1.上海理工大學(xué)低溫與食品研究所，上海200093；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)制冷空調(diào)研究所，黑龍江哈爾濱150028；3.上海交通大學(xué)食品科學(xué)與工程系，上海200240）

藍(lán)莓（Vaccinium corymbosum L.），通常稱為越橘果，風(fēng)味獨(dú)特，營養(yǎng)豐富[1]?？纱龠M(jìn)視網(wǎng)膜“桿細(xì)胞”生成，改善眼部肌肉疲勞[2]。能防止自由基的氧化作用，具有強(qiáng)力抗氧化和抗過敏功能，可保護(hù)腦神經(jīng)不被氧化，穩(wěn)定腦組織功能[3-4]。藍(lán)莓屬多水分漿果，果實(shí)成熟期在6～8月份的高溫多雨季節(jié)[5]。

易腐爛，不宜貯存。如何在采收后長期保存藍(lán)莓，成為了藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)在貯存藍(lán)莓的方法有高氧[6]、氣調(diào)[7]、紫外線照射[8]、臭氧[9]、殼聚糖涂膜[10]等方式。

流態(tài)化速凍以其凍結(jié)速度快，解凍后食品質(zhì)量高的特點(diǎn)逐漸發(fā)展成為單體速凍食品產(chǎn)品的重要工業(yè)凍結(jié)方法之一[11]。當(dāng)前，應(yīng)用液氮式流化床速凍藍(lán)莓技術(shù)國內(nèi)外報(bào)道較少。本項(xiàng)研究是利用液氮式流化床速凍的方式對藍(lán)莓進(jìn)行加工，檢測不同實(shí)驗(yàn)條件下藍(lán)莓的多項(xiàng)指標(biāo)，確定液氮式流化床速凍藍(lán)莓適宜的工藝條件。并總結(jié)流態(tài)化速凍工藝參數(shù)對藍(lán)莓多項(xiàng)指標(biāo)的影響規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化藍(lán)莓的流態(tài)化速凍工藝提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藍(lán)莓 采自于上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園，成熟度、生長條件一致，分揀工作在冷庫整理間中完成，挑選無病蟲害及機(jī)械損傷的藍(lán)莓，單顆藍(lán)莓的平均直徑為（12±2.5）mm；2，6—二氯靛酚、纖維素酶（活力大于10000U/g）、二甲苯、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、六氰合鐵酸鉀、DPPH（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）均為分析純。

NR-C25EM1型冰箱 日本松下；DS-1高速組織搗碎機(jī) 上海標(biāo)本模型廠；101-1型烘箱 上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠；TDL-5型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；UV-2000型紫外可見分光光度計(jì) 上海尤尼柯儀器有限公司；ZWA-J型阿貝折光儀 上海光學(xué)儀器廠；DK-S22型電熱恒溫水浴鍋、FA1604型電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)所用液氮流化床速凍機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置主要由液氮噴淋預(yù)凍與流態(tài)化速凍兩部分組成。其凍結(jié)流程如下：首先，食品經(jīng)過輸送帶的輸送后進(jìn)入液氮噴淋預(yù)凍段，在該段里液氮由液氮噴嘴5噴出；預(yù)凍后的食品進(jìn)入流態(tài)化速凍階段；完成凍結(jié)后的凍品最終從出料口出料。高壓氮?dú)馄?對液氮灌2加壓至0.2～0.3MPa，由噴嘴12噴出的霧狀液氮，在風(fēng)道11內(nèi)和送風(fēng)迅速換熱蒸發(fā)，同時(shí)將風(fēng)道11中的空氣冷卻。被冷卻后的空氣向上經(jīng)過物料，使其在流態(tài)化狀態(tài)下迅速降溫凍結(jié)。

圖1 荔枝酒釀造工藝流程Fig.1 Brewing process of litchi wine

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 將藍(lán)莓清洗、晾干。將樣品分成十組，依據(jù)不同條件在液氮式流化床上速凍（具體條件見表1）。為較全面的考察因素的水平范圍，同時(shí)盡可能的降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，選用均勻?qū)嶒?yàn)方法安排實(shí)驗(yàn)?？紤]到回歸方程的可靠性，選擇U10（104）（偏差D＝0.1277），實(shí)驗(yàn)次數(shù)10次，將五水平重復(fù)一次，按自由度分析（誤差自由度＝5），其誤差有足夠的自由度（≥5），回歸方程更可靠。優(yōu)化的均勻?qū)嶒?yàn)方案如表1所示。每次實(shí)驗(yàn)用三個(gè)熱電偶感溫探頭分別測3個(gè)不同的藍(lán)莓中心溫度，通過溫度采集儀顯示溫度，當(dāng)中心溫度達(dá)到-15℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。記錄時(shí)間和電子秤顯示的液氮罐減少質(zhì)量，即測量出每組樣品凍結(jié)時(shí)間及液氮耗量。并對速凍完成的樣品進(jìn)行指標(biāo)檢測，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求采用主觀賦權(quán)法進(jìn)行不同權(quán)重的設(shè)置，然后根據(jù)計(jì)算所得的綜合值進(jìn)行回歸分析，以確定藍(lán)莓最佳的液氮流化床速凍工藝參數(shù)。主觀賦權(quán)法中指標(biāo)觀測值的評分值與加權(quán)綜合指標(biāo)值的具體算法如下：

計(jì)算各指標(biāo)觀測值的評分值按公式y(tǒng)′ij=×100計(jì)算。設(shè)每個(gè)指標(biāo)的最大值yjmax對應(yīng)y′ij=100分，最小值yjmin對應(yīng)y′ij=0分。

計(jì)算加權(quán)綜合指標(biāo)值按公式y(tǒng)i*=∑wj·y′ij計(jì)算。對越小越好的指標(biāo)前為“－”號，綜合指標(biāo)越大越好。

其中：y′ij—各指標(biāo)觀測值的評分值；yij—各指標(biāo)觀測值；yjmax—每個(gè)指標(biāo)的最大值；yjmin—每個(gè)指標(biāo)的最小值；yi*—加權(quán)綜合指標(biāo)值；wj—權(quán)重；i、j—下腳標(biāo)，i表示實(shí)驗(yàn)號1 ～10、j表示指標(biāo)1 ～6。

表1 U10（104）混合均勻?qū)嶒?yàn)方案Table 1 U10（104）uniform experimental design

1.2.3 指標(biāo)檢測 VC含量的測定，采用2，6-二氯靛酚滴定法[12]。水分損失率的測定，采用稱重法?？扇苄怨绦挝锏臏y定，采用GB12295-90[13]方法測定，用相對含量表示?；ㄇ嗨睾康臏y定，參考文獻(xiàn)[14]和[8]配制緩沖溶液，通過示差法[15]測定。2，2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH）自由基清除率，參考[16-17]方法，在517nm處測定該溶液的吸光值A(chǔ)A及DPPH乙醇溶液的吸光值A(chǔ)B。樣品清除自由基的能力用清除率表示：清除率（%）=[（AB-AA）/AB]×100。還原力的測定，依據(jù)[18]檢測方法，在700nm處測定其吸光值，吸光值越大表示還原力越強(qiáng)（以上清液做空白）。所有檢測均重復(fù)三次，取其平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

用Matlab 7.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同條件藍(lán)莓速凍時(shí)間與液氮耗量的研究

表2為10組不同工藝條件下，藍(lán)莓液氮式流態(tài)化速凍的凍結(jié)時(shí)間和液氮消耗量的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。

從表2可知，凍結(jié)溫度在-30～-50℃之間時(shí)，隨著溫度的降低，藍(lán)莓速凍時(shí)間縮短。液氮耗量受床層高度的影響顯著，即受藍(lán)莓質(zhì)量多少的影響顯著。雖然不能直接得出液氮耗量與凍結(jié)溫度的影響關(guān)系，但隨著凍結(jié)溫度的降低，單位時(shí)間的液氮耗量基本為增加的趨勢。第九組反?，F(xiàn)象可能為實(shí)驗(yàn)誤差因素引起。

表2 藍(lán)莓流態(tài)化速凍時(shí)間及液氮耗量Table 2 Quick-frozen time and liquid nitrogen consumption for quick-freezing blueberries in LN2-spraying fluidized freezer

表3 藍(lán)莓液氮流化床速凍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental test results of blueberries’quick frozen in liquid nitrogen fluidized bed

2.2 藍(lán)莓速凍工藝研究

表3為藍(lán)莓液氮流化床速凍實(shí)驗(yàn)指標(biāo)檢測結(jié)果?？梢钥闯?，在藍(lán)莓所有的10組實(shí)驗(yàn)中，失水率均低于3%，但在0.41%～2.71%范圍差別較大；還原力幾乎都在2左右，受不同凍結(jié)條件的影響不大；而花青素在-30～-50℃的低溫下穩(wěn)定性較好，差別亦不大。每項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)值相對于平均值的離散程度，將標(biāo)準(zhǔn)差與平均值相比，其數(shù)值大小可以反映不同凍結(jié)條件對該指標(biāo)的影響程度。從而便可比較不同凍結(jié)條件對不同指標(biāo)影響程度：失水率（0.562）＞VC（0.164）＞可溶性固形物（0.143）＞花青素（0.115）≈還原力（0.118）≈DPPH·清除率（0.112）。

采用Matlab對以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果表明：以凍結(jié)溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速和床層高度因素分別為X1、X2、X3進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不吻合。因此，直接對VC含量等6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行二次回歸模擬擬合。其通式為：

分別以VC含量等6項(xiàng)指標(biāo)為Y值，凍結(jié)溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速和床層高度因素分別為X1、X2、X3。利用逐步回歸技術(shù)，求得6個(gè)回歸方程如下：

a.VC含量（mg/100g）：

b.花青素（mg/100g）：

c.還原力：

d.可溶性固形物（%）：

e.失水率（%）：

f.DPPH·清除率（%）：

實(shí)際生產(chǎn)中6個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的重要程度不一樣。對于大多數(shù)經(jīng)冷凍冷藏的藍(lán)莓，作為普通加工原料，保證VC、可溶性固形物、失水率等指標(biāo)較優(yōu)，已基本可保證藍(lán)莓質(zhì)量。原料如有特殊要求，也可關(guān)注其他指標(biāo)。

對U10（104）均勻?qū)嶒?yàn)的VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率評分。然后依據(jù)不同凍結(jié)條件對不同指標(biāo)影響程度，對上述6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分值權(quán)重，VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率分別按2.5、1、1、2、2.5、1進(jìn)行加權(quán)（把失水率與VC認(rèn)為同等重要），加權(quán)后可得綜合值，見表4。

回歸結(jié)果：Y=-35.6182+1.7206X1+6.6531X2+46.8967X3-6.4885-5.9925-0.8064X1X2+0.338X1X3+4.073X2X3。

復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9992，F(xiàn)=731.3467顯著水平p=0.0286＜0.05，因此回歸方程顯著。由回歸結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Y與無關(guān)；在顯著性影響的因素中，凍結(jié)溫度（X1）和床層高度（X3）對液氮流化床速凍產(chǎn)品的以上6項(xiàng)指標(biāo)影響顯著，而風(fēng)機(jī)風(fēng)速（X2）的影響不顯著。在交互項(xiàng)中，X1X2、X2X3、X1X3對產(chǎn)品指標(biāo)有顯著性影響。經(jīng)過軟件計(jì)算，當(dāng)X1=-40，X2=4.5，X3=3.6時(shí)，Y取得最大值。與10組實(shí)驗(yàn)中的第三組條件吻合。最大值為Y=47.733，與實(shí)測評分值相差0.83%。從而得到凍結(jié)溫度為-40℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.5m/s，床層高度3.6cm為最佳參數(shù)組合。

表4 U10（104）均勻?qū)嶒?yàn)綜合評價(jià)結(jié)果Table 4 The evaluation values of experimental results

2.3 藍(lán)莓速凍工藝參數(shù)對指標(biāo)的影響

通過對回歸方程降維，可進(jìn)行參數(shù)對指標(biāo)的影響規(guī)律分析。在回歸方程中，令X2=4.5，X3=3.6，通過對X1離散化，就可以得到X1對Y的影響規(guī)律曲線。同理，分別可以得到X2和X3對Y的影響規(guī)律曲線。

2.3.1 工藝參數(shù)對失水率的影響 由失水率的回歸方程（p＜0.05）可以看出，失水率與無關(guān)。通過降維分析，可以得出溫度、風(fēng)速和層高等工藝條件對失水率的影響。具體影響如圖2所示。

圖2中反映了失水率隨著溫度的升高、風(fēng)速的增大和層高的增大而降低。說明在低溫情況下，隨著溫度的降低，加大了凍結(jié)溫差。溫差的增大，加大了藍(lán)莓失水動(dòng)力，使失水量增大。正常情況下，風(fēng)速提高，果蔬失水應(yīng)該增加。但在當(dāng)前流態(tài)化條件下，風(fēng)速在一定范圍內(nèi)的適當(dāng)提高，使藍(lán)莓流態(tài)化效果增強(qiáng)，凍結(jié)時(shí)間縮短，使失水率降低。層高的加大，使藍(lán)莓的密集程度加大，與空氣的接觸面積相對（層高較低時(shí)）減少；同時(shí)，流態(tài)化效果增強(qiáng)，凍結(jié)時(shí)間縮短，使失水率降低。

2.3.2 工藝參數(shù)對VC的影響 VC具有較強(qiáng)的還原性，一般作為保存食品營養(yǎng)價(jià)值多少的一個(gè)衡量指標(biāo)。經(jīng)測定本實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)莓在新鮮狀態(tài)下VC含量為（13.56±0.15）mg/100g。經(jīng)不同條件的流態(tài)化速凍后，對VC有不同的影響。由VC的回歸方程（p＜0.05）可以看出，VC含量與X1X2無關(guān)，即溫度和風(fēng)速對VC含量沒有交互作用。通過降維分析，可以得出溫度、風(fēng)速和層高等工藝條件對VC含量的影響。具體影響如圖3所示。由圖3看出，溫度對VC含量影響不大。說明了雖然VC是熱敏感性物質(zhì)，其分解速度受溫度影響，但在低溫條件下，VC穩(wěn)定性較好，有利于VC的保存。而風(fēng)速和層高對VC含量影響較大，且均有影響最小點(diǎn)（即VC含量有極大值點(diǎn)），層高對VC含量影響最大。

圖2 流態(tài)化速凍工藝參數(shù)對失水率的影響Fig.2 Influence on the water loss rate of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.3 工藝參數(shù)對花青素的影響 花青素是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最有效的天然水溶性自由基清除劑[19]，在（5±1）℃貯藏過程中的穩(wěn)定性良好[20]。由花青素含量的回歸方程（p＜0.05）可以看出，花青素含量與X32和X2X3無關(guān)。通過降維分析，可以得出溫度、風(fēng)速和層高等工藝條件對花青素含量的影響。具體影響如圖4所示。由圖4看出，花青素含量幾乎不受層高的影響。雖然隨著溫度的升高穩(wěn)定性下降，含量減少，但在-30 ～50℃的低溫下變化也不大。每升高一度，變化不到0.1%。說明花青素在-30～-55℃的低溫下穩(wěn)定性也較好。受風(fēng)速變化的影響相對明顯：先是隨著風(fēng)速的提高，花青素含量降低；風(fēng)速超過4.75m/s后，花青素含量又升高。

圖3 流態(tài)化速凍工藝參數(shù)對VC的影響Fig.3 Influence on the Vitamin C of fluidization quick-freezing process parameters

圖4 流態(tài)化速凍工藝參數(shù)對花青素的影響Fig.4 Influence on the anthocyanins of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.4 工藝參數(shù)對DPPH·清除率的影響 DPPH在有機(jī)溶劑中是一種穩(wěn)定的自由基，其孤對電子在517nm附近有強(qiáng)吸收。當(dāng)有機(jī)清除劑存在時(shí)，孤對電子被配對，吸收消失或減弱，通過測定吸收減弱的程度，可評價(jià)自由基清除劑的活性[21]。藍(lán)莓提取物對DPPH自由基的清除能力反映了藍(lán)莓的抗氧化能力[2]。通過降維分析，可以得出溫度、風(fēng)速和層高等工藝條件對DPPH·清除率的影響。具體影響如圖5所示。由圖5看出，溫度低于-35℃時(shí)，溫度越低DPPH·清除率越高，高于-35℃時(shí)，DPPH·清除率同樣有升高趨勢；風(fēng)速對DPPH·清除率的影響呈線性，風(fēng)速越大，DPPH·清除率越高；而層高升高，DPPH·清除率基本是下降趨勢。

3 結(jié)論

凍結(jié)溫度、出風(fēng)速度和床層高度三個(gè)因素對液氮式流態(tài)化速凍藍(lán)莓不同指標(biāo)影響程度是不同的。以藍(lán)莓為對象，實(shí)驗(yàn)研究了凍結(jié)溫度、出風(fēng)速度和床層高度對其VC、花青素、還原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率等主要指標(biāo)的影響。逐步回歸分析表明，在顯著性影響的因素中，凍結(jié)溫度（X1）和床層高度（X3）對液氮流化床速凍產(chǎn)品的以上6項(xiàng)指標(biāo)影響顯著，而風(fēng)機(jī)風(fēng)速（X2）的影響不顯著。在交互項(xiàng)中，X1X2、X2X3、X1X3對產(chǎn)品指標(biāo)有顯著性影響。均勻?qū)嶒?yàn)綜合評價(jià)結(jié)果顯示：凍結(jié)溫度為-40℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)速4.5m/s，床層高度3.6cm為藍(lán)莓最適宜的液氮流態(tài)化速凍工藝條件。

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圖5 流態(tài)化速凍工藝參數(shù)對DPPH·清除率的影響Fig.5 Influence on the DPPH radical scavenging of fluidization quick-freezing process parameters

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