凍融對胡蘿卜壓差膨化效果的影響

盧亞婷， 羅倉學(xué)， 史 超

(1.陜西科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院， 陜西 西安 710021； 3.軍空工程大學(xué), 陜西 西安 710051)

0 引言

果蔬變溫壓差膨化干燥是近幾年興起的一種新型果蔬干燥技術(shù),它是利用相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理,使被加工物料內(nèi)部的液體迅速升溫汽化、增壓膨脹,并依靠氣體的膨脹力帶動組織中高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化,從而使之成為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征且定型的多孔狀物質(zhì).壓差膨化技術(shù)結(jié)合了真空冷凍干燥產(chǎn)品品質(zhì)好的優(yōu)點，克服了真空低溫油炸膨化不耐貯藏的缺點，膨化后的產(chǎn)品具有較高的優(yōu)越性[1,2].隨著壓差膨化產(chǎn)品市場需求量的不斷增大，有關(guān)壓差膨化技術(shù)方面的研究也成為時下研究的熱點.國內(nèi)外學(xué)者畢金峰、何新益、Nath A等人在2006～2013年間先后針對不同的果蔬如蘋果、土豆、哈密瓜等開展了工藝優(yōu)化、關(guān)鍵因素探析、前處理對品質(zhì)結(jié)構(gòu)影響等研究[3-10]，在一定程度上推動了壓差膨化技術(shù)的進(jìn)步.目前的研究概括起來主要集中在工藝優(yōu)化、關(guān)鍵技術(shù)研究及前處理方法，而前處理中以漂燙、護(hù)色、預(yù)脫水、浸漬處理為主，其中漂燙和護(hù)色常用于鮮切褐變較為嚴(yán)重的物料，如蘋果、甘薯等[11,12]；預(yù)脫水處理常用于含水量較高的鮮果或漿果類.浸漬常用于組織結(jié)構(gòu)致密的胡蘿卜[13].盡管科研人員對壓差膨化技術(shù)的研究已取得了較大的進(jìn)展和豐富的成果，而有關(guān)凍融處理對胡蘿卜膨化效果影響的研究較少，因此，以胡蘿卜為對象，較為系統(tǒng)的探討凍融處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響，旨在改善胡蘿卜脆片的品質(zhì)，為壓差膨化果蔬脆片關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 胡蘿卜原料

市購，適合于加工的三紅品種.

1.1.2 主要儀器設(shè)備

TA-XT PLUS 21/50物性分析儀，英國Stable Micro System公司;壓差膨化設(shè)備，陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院自行研制；CM-5分光測色儀，日本柯尼卡美能達(dá)；BC/BD-428A海爾冷凍柜，海爾股份有限公司.

1.2 方法

試驗中，原料清洗去泥沙，橫向切片2～4 mm，按照試驗設(shè)計方案進(jìn)行試驗，壓差膨化工藝參數(shù)分別為:膨化溫度(98±2) ℃，膨化壓力(0.3±0.02)MPa，抽真空干燥溫度(75±2) ℃，抽真空干燥時間(70±5)min，原料量(5±0.1) kg /m2.

1.3 分析檢測方法

1.3.1 脆度的測定

T.P.A測定法.TA-XT PLUS 21/50型分析儀參數(shù)設(shè)置如下：測試速度為1 mm/s；測試下壓距離為3 mm；探頭為P/0.25 s.儀器自動測定應(yīng)力的變化，給出應(yīng)力時間變化曲線.脆度值：曲線上最大力的峰值與達(dá)到最大力所用時間的比值，單位為“N/s”，數(shù)值越大，脆性越好.

1.3.2 色澤的測定

CM-5分光測色儀進(jìn)行測定.L*a*b*值，L*值表示色澤的明亮度，L*值的范圍是從0～100，L*=0表示黑色，L*=100表示白色，L*值越大，表示亮度越高、褐變越輕，L*值越小，表示褐變越嚴(yán)重.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因子方差分析，Duncan式多重比較，各表中數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，以p<0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn).

2 試驗設(shè)計

2.1 冷凍溫度的選擇

水分在物料中存在有兩種方式：(1)游離水，即機(jī)械結(jié)合水和物化結(jié)合水，以吸附和滲透方式存在于物料表面的毛細(xì)管空隙中；(2)結(jié)構(gòu)水，以化學(xué)結(jié)合水形式存在于物料的組織中.而干燥主要是除去游離水，水在物料中的狀態(tài)影響著干燥速率和產(chǎn)品的品質(zhì)[14].純水可在0℃凍結(jié)為結(jié)晶，而各種物料中的液體因含有的溶質(zhì)不同而凍結(jié)溫度和共晶溫度各不相同.通常物料中的水開始凍結(jié)的溫度為凍結(jié)溫度，物料中的水完全凍結(jié)的溫度為共晶溫度，物料中水分凍結(jié)情況受控于溫度的選擇[15].因此，針對胡蘿卜在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上以室溫(23±2) ℃的樣品為對照，選擇冷凍溫度為-3 ℃、-18 ℃、-25 ℃，冷凍時間為480 min. 融凍一次，溫度為(80±2) ℃，時間為5 min.

2.2 冷凍時間的選擇

物料中水分凍結(jié)情況受控的另外一個因素就是冷凍時間，因為物料中水分隨著自身溫度的降低而開始出現(xiàn)凍結(jié)，物料內(nèi)部溶質(zhì)隨著凍結(jié)的加深不斷的維持著動態(tài)平衡，逐漸達(dá)到完全凍結(jié).通常情況下該凍結(jié)過程可分為三部分：(1)晶核形成階段;(2)大冰晶成長階段;(3)共晶階段[14,16,17].因此結(jié)合胡蘿卜特點，查閱文獻(xiàn)，在冷凍溫度為-25 ℃下，選擇冷凍時間為50 min、80 min、120 min、240 min.融凍溫度為(80±2) ℃，時間為5 min.

2.3 融凍條件的選擇

融凍溫度選擇受控于物料凍結(jié)的程度以及物料的類型，通常情況下，對已凍結(jié)的食品及原材料選用冷藏溫度進(jìn)行融凍(解凍)對食品的損傷較小，結(jié)合胡蘿卜的結(jié)構(gòu)特點，以在-25 ℃條件下冷凍480 min原料在融凍溫度為-3 ℃、0 ℃、25 ℃ (80±2) ℃，融凍1次；融凍2次：融凍1次后的原料在-25 ℃條件下再次凍結(jié)480 min之后，在融凍溫度為-3 ℃、0 ℃、25 ℃、(80±2) ℃時，融凍結(jié)束,以原料完全解凍為準(zhǔn).

3 結(jié)果與討論

3.1 冷凍溫度對膨化效果的影響

冷凍過程本質(zhì)上是冰界面與細(xì)胞之間的耦合傳熱傳質(zhì)過程，因為物料在凍結(jié)過程中，隨著水分的凍結(jié)和遷移，物料內(nèi)部溶質(zhì)濃度發(fā)生變化，從而引起物料內(nèi)部組分在細(xì)胞間的擴(kuò)散，導(dǎo)致細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化[18].冷凍溫度直接影響著冷凍速率，因此試驗中研究了不同冷凍溫度處理后產(chǎn)品的膨化效果.由表1可以看出，當(dāng)冷凍溫度在-3 ℃～-18 ℃時，產(chǎn)品的脆度隨溫度的降低顯著增大，而色差值逐漸降低.其原因在于胡蘿卜的共晶溫度為-18 ℃[16,19,20]，當(dāng)冷凍溫度處于其預(yù)凍溫度范圍內(nèi)時，胡蘿卜片內(nèi)部開始出現(xiàn)水分的凍結(jié)形成晶核，直至全部凍結(jié).凍結(jié)過程中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在胡蘿卜組織內(nèi)部出現(xiàn)因晶體膨脹而體積增大，融凍膨化后的胡蘿卜片，水分迅速逸出，留下了較多的空隙，糖類和纖維類物質(zhì)維持著凍結(jié)時骨架，因此脆度增大.凍結(jié)過程中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，體積的增大破壞了原料內(nèi)部的結(jié)合力，結(jié)晶體的存在破壞了物料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和酶系[21]，當(dāng)膨化升溫時加速了物料的褐變，因此色差值逐漸降低.而當(dāng)冷凍溫度在胡蘿卜預(yù)凍溫度范圍之外時，一方面因為溫度沒有達(dá)到開始凍結(jié)的溫度點，物料體積和狀態(tài)均無顯著變化，另一方面，當(dāng)物料已經(jīng)處于完全凍結(jié)狀態(tài)，即在共晶點附近，物料不會隨著溫度的持續(xù)降低而體積有明顯的變化，因此溫度高于-3 ℃和低于-18 ℃時，脆度變化幅度較小.結(jié)合以上分析，選擇冷凍溫度為-18 ℃為宜.

表1 不同冷凍溫度對膨化效果的影響

注：表中每行不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(p<0.05).

3.2 冷凍時間對膨化效果的影響

冷凍的耦合傳熱傳質(zhì)過程是建立在時間體系上的二維過程[18]，因此冷凍時間的影響不容忽視.

表2 不同冷凍時間對膨化效果的影響

注：表中每行不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(p<0.05).

由表可以看出，當(dāng)冷凍時間在80～120 min時，物料的脆度隨著時間的延長顯著增強(qiáng)，色差值顯著降低，當(dāng)冷凍時間大于120 min時，物料的脆度隨著時間的延長增幅減小，色差值降低幅度減小.其原因在于-25 ℃是低于胡蘿卜共晶溫度以下7 ℃[22]，因此，物料能夠在較短的時間內(nèi)完全凍結(jié)，物料中的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，隨著冷凍程度的推進(jìn)，細(xì)胞內(nèi)的水分逐漸向外遷移，細(xì)胞經(jīng)歷著膨脹和高的滲透壓，因此膨化后的脆度顯著增大，因體積增大損傷細(xì)胞導(dǎo)致的色差劣變也達(dá)到最大.而當(dāng)物料全部凍結(jié)之后，物料中的水已經(jīng)是固態(tài)的，不會隨著凍結(jié)時間的延長而有顯著變化.因此脆度增幅較小，色差值降低幅度減小.結(jié)合以上分析，考慮到能耗，選擇冷凍時間為120 min為宜.

3.3 融凍溫度和次數(shù)對膨化效果的協(xié)同影響

融凍是原料解除冷凍狀態(tài)的一個復(fù)雜過程，融凍速率的快慢，取決于凍結(jié)時的狀態(tài)、融凍外部條件和原料的特性.由表3比較物料經(jīng)過一次融凍后的脆度和二次融凍后的脆度可以看出，在-3 ℃～0 ℃融凍范圍內(nèi)，二次比一次的脆度略有增大，在0 ℃～(80±2) ℃范圍內(nèi)，一次融凍后的脆度顯著大于二次融凍脆度.原因在于，-3 ℃～0 ℃是物料解凍的最適溫度[21]，對物料的損傷如汁液的滲漏，組織的坍塌等最小，因此經(jīng)過二次融凍后，脆度略有增大.0 ℃～(80±2) ℃遠(yuǎn)離物料的共晶溫度，盡管能夠在最快的時間內(nèi)解凍，但是短時間內(nèi)的細(xì)胞驟縮帶來的損傷較大，細(xì)胞內(nèi)的液體也不能在短時間內(nèi)達(dá)到動態(tài)平衡，導(dǎo)致汁液外漏，而膨化中，水分是膨化過程的內(nèi)部動力，因此二次融凍后的物料因為組織坍塌，水分滲漏而導(dǎo)致脆度顯著小于一次融凍.

表3 融凍溫度和次數(shù)對脆度的協(xié)同作用

注：表中每行不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(p<0.05)

采用重復(fù)數(shù)相等情況下的T法多重比，分析表4中的數(shù)據(jù).可計算得到臨界值c=4.24，融凍一次與融凍兩次色差L值的均值絕對值4.02，小于4.24，因此，在α=0.05水平上，融凍一次與融凍二次有顯著性差異，且二次融凍的色差值低于一次融凍的色差值.其中，隨著融凍溫度的升高，一次融凍后的色差值逐漸降低，達(dá)到42.69±0.21時，之后出現(xiàn)增大的趨勢，但低于-3 ℃時的色差值；二次融凍的色差值隨著融凍溫度的增大逐漸劣變.原因在于，二次融凍過程中，未凍結(jié)時細(xì)胞外水分通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，凍結(jié)到一定程度后，細(xì)胞內(nèi)水分又往外遷移，解凍過程中，細(xì)胞內(nèi)水分也向外遷移，細(xì)胞既經(jīng)歷膨脹又經(jīng)歷濃縮，對細(xì)胞損傷更大[18].細(xì)胞的損傷促使了褐變的形成，因此二次融凍色差值劣變.一次融凍中在溫度為(80±2) ℃時色差值有增大趨勢的原因可能在于，物料所需要的解凍時間小于水分遷移時間，使得水分還停留在物料內(nèi)部，冷凍所導(dǎo)致體積膨脹的那一部分還被水分充斥著，無法接觸到氧氣，因此色差值略有增大.該推測還需進(jìn)一步試驗驗證.結(jié)合以上分析，選擇融凍一次，溫度(80±2)℃為宜.

表4 融凍溫度和次數(shù)對色差值的協(xié)同作用

注：表中每行不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(p<0.05).

3.4 凍融條件下其他因素的影響

除了試驗中考察的以上因素之外，影響水分凍結(jié)效果的還有切片形狀，切片形狀不同決定著物料比表面積，比表面積的大小影響著顯熱散失的快慢，決定著物料冷凍的速率，體現(xiàn)在物料凍結(jié)晶核的大小上，間接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量[17].因此，試驗中冷凍物料均以冷凍室單位面積冷凍量(12～15)kg/m2為準(zhǔn).

4 結(jié)論

以胡蘿卜為研究對象，針對凍融處理對膨化效果的影響進(jìn)行了研究，試驗中優(yōu)選的胡蘿卜凍融處理參數(shù)為：冷凍溫度為-18 ℃，時間為120 min；融凍溫度為(80±2) ℃時，融凍一次.

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