超高壓對鮮切胡蘿卜硬度的影響及機(jī)制研究

孫雅馨,康旭蕾,梁 棟,陳 芳,胡小松

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心, 農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,食品非熱加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

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超高壓對鮮切胡蘿卜硬度的影響及機(jī)制研究

孫雅馨,康旭蕾,梁 棟,陳 芳,胡小松*

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,國家果蔬加工工程技術(shù)研究中心, 農(nóng)業(yè)部果蔬加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,食品非熱加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

鮮切果蔬的品質(zhì)在加工后易受到破壞,超高壓技術(shù)(high pressure processing,HPP)在鮮切果蔬品質(zhì)保持方面具潛力。旨在探究鮮切果蔬的硬度隨壓力變化的規(guī)律及硬度變化的機(jī)制。本文以胡蘿卜為對象,研究了超高壓(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜硬度、細(xì)胞膜完整性、果膠甲酯酶(pectin methylesterase,PME)及細(xì)胞壁果膠組成的影響。100 MPa處理后胡蘿卜硬度無顯著變化,隨著壓力增加,胡蘿卜相對電導(dǎo)率顯著增加,硬度顯著下降,當(dāng)達(dá)到300 MPa后,盡管壓力繼續(xù)升高,相對電導(dǎo)率和硬度變化已不顯著;同時,高壓處理后堿溶性果膠(sodium carbonate soluble pectin,NSP)增加,水溶性果膠(water soluble pectin,WSP)下降,但高壓不能充分鈍化果膠甲酯酶。超高壓處理后細(xì)胞膜透性的改變和細(xì)胞壁果膠組分的變化共同影響了鮮切胡蘿卜的硬度。

超高壓,胡蘿卜,硬度,機(jī)制

胡蘿卜(DaucuscarotaL. var.sativaDC)又名黃蘿卜、丁香蘿卜,含有豐富的鈣、磷、鐵、抗壞血酸、胡蘿卜素等營養(yǎng)成分,尤其是β-胡蘿卜素的含量很高,享有“小人參”、“金筍”的美譽(yù)[1-2]。隨著生活水平的提高,消費(fèi)者越來越傾向選擇天然而方便的食品,順應(yīng)這種需求,食品非熱加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-5]。其中,超高壓技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和成熟[6-7]。該項(xiàng)技術(shù)通過將樣品在一定壓力(100～1000 MPa)處理一段時間后,實(shí)現(xiàn)食品的殺菌[8-10]、鈍酶[11-12]及品質(zhì)改善。Patterson等[8]研究發(fā)現(xiàn),胡蘿卜汁經(jīng)超高壓(500 MPa,1 min)處理后,菌落總數(shù)下降了4 log10CFU/mL,Keenan等[11]使用超高壓(600 MPa,10 min)處理混合果昔后其PPO酶活性下降了82.99%。與傳統(tǒng)的熱加工相比,高壓作用并不會引起共價鍵的破壞[13],從而能最大程度保留食品原有的營養(yǎng)和感官品質(zhì)。研究表明,高壓處理對食品質(zhì)構(gòu)的破壞遠(yuǎn)小于熱處理[14],趙君等研究發(fā)現(xiàn)超高壓處理后黃桃罐頭的硬度、咀嚼性、凝聚性都顯著高于熱處理[15]。因此,超高壓技術(shù)應(yīng)用到胡蘿卜上對其脆硬的口感保持具有極大潛力。目前的研究主要集中于超高壓處理后鮮切果蔬硬度的變化,而對硬度影響機(jī)制的研究較少。因此,本研究主要從細(xì)胞膜和細(xì)胞壁果膠變化兩方面探究高壓下鮮切胡蘿卜硬度變化的機(jī)制,為進(jìn)一步采取相應(yīng)的硬度保持措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胡蘿卜 品種 “孟德爾808”，產(chǎn)自山東青島;D-(+)半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)品、果膠(半乳糖醛酸(干基計(jì))≥74.0%) 阿拉丁試劑有限公司。

HPP-700-7L型超高壓設(shè)備 工作壓力:0～600 MPa,有效容積:7 L,工作溫度:室溫,工作介質(zhì):水，包頭科發(fā)高壓科技有限責(zé)任公司;842 Titrando自動電位滴定儀 瑞士Metrohm公司;Unico V1800型可見分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;TA-XT2i質(zhì)地分析儀 英國SMS公司;FE30-Five Easy Plus 電導(dǎo)儀 瑞士METTLER TOLEDO公司;Fluko-F6/10 超細(xì)勻漿機(jī) 德國FLUKO公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 將胡蘿卜洗凈,去皮。選取莖稈中間長約10 cm的部位切成厚5 mm的薄片,混合均勻,隨機(jī)取8～10片裝入PE袋(10 cm×15 cm),真空包裝。

1.2.2 超高壓處理 將真空包裝后的胡蘿卜片,放入高壓設(shè)備處理室中,加入自來水作為傳壓介質(zhì),設(shè)定壓力及時間參數(shù),于室溫下加壓處理樣品。處理壓力為100、200、300、400、500、600 MPa,保壓時間5 min(經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選,同時也考慮到工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)成本的可行性)。以未經(jīng)高壓處理的真空包裝后的胡蘿卜片為空白對照。

1.2.3 熱處理 蔬菜的熱燙處理?xiàng)l件以鈍化過氧化物酶為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇的熱燙條件為100 ℃處理2 min。將真空包裝后的胡蘿卜片置于沸水浴中處理2 min,迅速取出置于自來水浴中冷卻至室溫。

1.2.4 指標(biāo)測定

1.2.4.1 硬度測定 參照Vervoort等[16]方法略作修改。用打孔器在每個胡蘿卜片的韌皮組織打3個直徑為8 mm,高5 mm的胡蘿卜圓柱體小丁。用R/36探頭,對樣品進(jìn)行兩次壓縮TPA測試。測試參數(shù)為:下壓速率為1 mm/s,上行速率為5 mm/s,壓縮程度為30%,停留間隔為2 s,數(shù)據(jù)采集速率為400 pps;觸發(fā)力值為5 kg。胡蘿卜的硬度定義為第一次壓縮形變30%的峰值力,每個處理測定10次。

圖1 胡蘿卜硬度測定取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling of carrot for hardness analysis

1.2.4.2 相對電導(dǎo)率測定 參照姚佳[17]的方法略作修改。將胡蘿卜片切成高5 mm,直徑8 mm的圓柱體小丁。稱取5 g樣品于小燒杯中,加入20 mL去離子水(電導(dǎo)率為5.2 μs/cm),于室溫下浸泡處理30 min后,用電導(dǎo)儀測定浸提液電導(dǎo)率(R1)。將燒杯置于沸水浴中加熱30 min,冷卻至室溫后搖勻,再次測定浸提液電導(dǎo)率(R2)。每個處理測定3次,按下列公式計(jì)算相對電導(dǎo)率:

式(1)

式中:R1:樣品沸水浴中加熱30 min前電導(dǎo)率;R2:樣品沸水浴中加熱30 min后電導(dǎo)率。

1.2.4.3 PME酶活測定 參照Ly-Nguyen等[18]的方法略作修改。稱取10 g胡蘿卜,打漿后加入20 mL 0.2 mol/L Tris-HCl緩沖溶液(含1 mol/L NaCl,pH7.5),勻漿1 min,4 ℃靜置12 h,用300目紗布過濾,濾液于10000 r/min 4 ℃離心20 min,上清液即為PME粗酶液。以10 mg/mL果膠溶液(含0.1 mol/L NaCl)為底物,采用自動電位滴定儀測定pH8.0,35 ℃條件下果膠甲酯酶活性。在30 min以NaOH溶液(0.02 mol/L)的消耗體積隨時間變化做出反應(yīng)曲線,取前段線性部分NaOH隨時間消耗的速率表征酶活大小。

1.2.4.4 細(xì)胞壁物質(zhì)提取及水溶性果膠(water soluble pectin,WSP)、螯合性果膠(chelator soluble pectin,CSP)和堿溶性果膠(sodium carbonate soluble pectin,NSP)的分離 參照Ramos-aguilar等[19]的方法略作修改,稱取胡蘿卜片10 g,加入30 mL 80%乙醇勻漿,放入100 ℃的水浴鍋中煮20 min,重復(fù)3次后,冷卻至室溫,過濾,殘?jiān)?0 mL 90%二甲基亞砜浸泡,在4 ℃過夜去除淀粉,不溶物用氯仿與甲醇混和液(2∶1,v/v)30 mL溶解10 min,用95%乙醇沖洗至均一、白色粉末狀固體,于35 ℃烘箱中烘干至恒重,即得細(xì)胞壁物質(zhì)。參照Njoroge等[20]的方法,稱取0.1 g細(xì)胞壁物質(zhì),加入45 mL沸水中,攪拌5 min,冷卻至室溫后過濾,濾液定容到50 mL,即為WSP;取水不溶性殘?jiān)?以45 mL 0.05 mol/L 乙二胺四乙酸(含0.1 mol/L KAc,pH6.5)溶液于28 ℃抽提6 h,濾液定容到50 mL,即為CSP;取不溶性殘?jiān)?以45 mL 0.05 mol/L Na2CO3加0.02 mol/L NaBH4于4 ℃抽提16 h,然后在28 ℃下重復(fù)抽提6 h,冷卻至室溫后過濾,濾液定容到50 mL,即為NSP。

1.2.4.5 果膠含量測定 參照Blumenkrantz等[21]的方法,取不同組分的果膠溶液1 mL,加入6 mL 0.0125 mol/L濃硫酸-四硼酸鈉溶液后立刻放入冰水浴中。振蕩后于100 ℃水浴中加熱5 min,反應(yīng)后立刻放入冰水浴中冷卻至室溫。最后加入0.1 mL 1.5 mg/mL間苯基苯酚溶液,靜置15 min后測定520 nm處的吸光值?？瞻诪? mg/mL NaOH溶液。標(biāo)準(zhǔn)曲線采用0～400 μg/mL D-半乳糖醛酸繪制:y=0.0752x-0.0432,R2=0.9958。果膠含量以其生成的半乳糖醛酸含量表示。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次重復(fù)。采用Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。采用Turkey法檢驗(yàn)不同處理間差異顯著性,p>0.05表示差異不顯著,p<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 超高壓對鮮切胡蘿卜硬度的影響

不同處理下胡蘿卜硬度變化如圖2所示。100 MPa處理后胡蘿卜的硬度與對照無顯著差異(p>0.05),說明100 MPa并不足以對胡蘿卜的組織結(jié)構(gòu)造成顯著破壞。但隨著壓力增加,胡蘿卜的硬度顯著下降(p<0.05),但當(dāng)壓力大于300 MPa后,胡蘿卜的硬度不再繼續(xù)下降。Araya等認(rèn)為可能存在一定的壓力臨界值,當(dāng)壓力大于該值后,植物組織將不再被壓縮[22]。因此,本研究中300 MPa應(yīng)為壓力臨界值。熱燙處理后胡蘿卜硬度下降了55.99%,這可能是高溫下果膠發(fā)生β-消除,中膠層粘結(jié)作用減弱,細(xì)胞出現(xiàn)分離所致[23]。與熱處理相比,超高壓處理能顯著延緩硬度的下降。胡蘿卜硬度降低主要與高壓引起的細(xì)胞機(jī)械損傷[22]和細(xì)胞壁物質(zhì)發(fā)生的生化反應(yīng)相關(guān)[24]。因此,本研究進(jìn)一步測定相關(guān)指標(biāo)以分析其影響機(jī)制。

圖2 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜硬度的影響Fig.2 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the hardness of fresh-cut carrot 注:相同字母表示無顯著性差異,不同字母則表示存在顯著差異(p<0.05),圖3～圖7同。

2.2 超高壓對鮮切胡蘿卜相對電導(dǎo)率的影響

相對電導(dǎo)率能夠反映細(xì)胞通透性的改變。從圖3中可以看出,對照組的相對電導(dǎo)率為4.98%,100 MPa處理后與對照無顯著差異(p>0.05),說明100 MPa并未對細(xì)胞造成實(shí)質(zhì)性的損傷,可能也是100 MPa下胡蘿卜維持較高硬度的原因。當(dāng)壓力小于300 MPa時,相對電導(dǎo)率隨壓力增加而顯著增加(p<0.05),說明細(xì)胞所受的機(jī)械損傷程度加深;但當(dāng)壓力超過300 MPa后,相對電導(dǎo)率沒有顯著變化(p>0.05),這一結(jié)果與硬度的變化相符(圖2),研究表明很多果蔬如梨[25]、葡萄[26]、青椒[27]等相對電導(dǎo)率的升高,都與其細(xì)胞完整性遭到破壞有關(guān),致使其硬度下降。張紅敏[28]使用超高壓(100～600 MPa,5 min)處理鮮切胡蘿卜時也發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓力達(dá)到300 MPa時,相對電導(dǎo)率不再隨壓力升高而增大。姚佳[17]研究發(fā)現(xiàn)鮮切萵筍經(jīng)超高壓處理后細(xì)胞組織呈現(xiàn)“浸漬”狀態(tài),導(dǎo)致了相對電導(dǎo)率的升高。熱燙處理后相對電導(dǎo)率高達(dá)63.69%,說明熱處理會導(dǎo)致細(xì)胞膜的嚴(yán)重破損。

圖3 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜相對電導(dǎo)率的影響 Fig.3 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the relative electrolytic leakage of fresh-cut carrot

2.3 超高壓對鮮切胡蘿卜PME酶活的影響

PME酶是一種耐壓性的酶,可以使果膠去甲酯化形成果膠酸,當(dāng)存在二價陽離子,如鈣離子時,低甲酯化的果膠能形成交聯(lián),減小硬度下降甚至使硬度出現(xiàn)回升。此外,低甲酯化度的果膠不易發(fā)生β-消除反應(yīng),減小了果膠物質(zhì)的非酶降解,有利于硬度保持[29-32]。不同處理對胡蘿卜PME酶活的影響如圖4所示。熱燙處理使PME酶活降至空白對照的17.31%,而高壓處理后PME酶活與對照無顯著性差異(p>0.05),表明胡蘿卜PME酶具有很好的耐壓性,不易被高壓鈍化。Houben等[33]研究發(fā)現(xiàn)高壓(100～700 MPa,10 min)的處理?xiàng)l件對胡蘿卜醬的PME酶活無顯著影響,Ratchada等[34]研究發(fā)現(xiàn)圣女果的PME在高壓(500 MPa,20 min)后依舊保持較高的活性。PME酶保持較高活性的原因可能是超高壓使得酶的活性中心暴露出來,更容易與底物接觸;另一方面,超高壓可能破壞了組織的區(qū)室化,在完整的組織中,酶與底物常常被細(xì)胞區(qū)室隔離開,高壓破壞細(xì)胞膜后,酶和底物能夠更好地接觸。

圖4 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜PME酶活的影響Fig.4 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the relative PME activity of fresh-cut carrot

2.4 超高壓對鮮切胡蘿卜果膠組分的影響

圖5 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜WSP的影響Fig.5 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the WSP of fresh-cut carrot

根據(jù)果膠在不同的溶劑里溶解性不同,利用水、乙二胺四乙酸、碳酸鈉可從細(xì)胞壁物質(zhì)中提取出三種果膠成分:水溶性果膠(WSP)、螯合性果膠(CSP)和堿溶性果膠(NSP)。WSP是與細(xì)胞壁通過非離子鍵或非共價鍵交聯(lián)的果膠,CSP是果膠上未酯化的羧基通過離子鍵與細(xì)胞壁上鈣離子結(jié)合的果膠,NSP是通過共價鍵與細(xì)胞壁多糖結(jié)合的果膠[35]。本研究分析了高壓處理對胡蘿卜細(xì)胞壁中的WSP、CSP和NSP含量的影響。未處理的胡蘿卜果膠組成為WSP(42.61%),CSP(43.11%),NSP(14.28%)。從圖5～圖7可以看出,與對照相比,高壓處理后胡蘿卜NSP含量增加,WSP含量下降。當(dāng)壓力小于300 MPa時,隨著壓力增加,CSP含量增加,WSP含量下降;當(dāng)壓力大于300 MPa時,隨著壓力增加,WSP含量增加,CSP含量下降。果膠組分發(fā)生變化的原因可能是高壓作用下一方面使果膠形成了特殊的可以與碳酸鹽結(jié)合的酯鍵[14],NSP含量增加;另一方面隨著壓力的增大,細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,PME更易與果膠接觸,酯化度下降,使果膠更易于與組織中的金屬離子形成螯合性果膠,即以非共價鍵鍵合的WSP與金屬離子形成離子鍵后轉(zhuǎn)變?yōu)镃SP。WSP含量下降、NSP含量增加可能是胡蘿卜質(zhì)構(gòu)保持較好的原因。而300 MPa以上CSP含量減少,WSP含量增加的原因還有待進(jìn)一步探索。Roeck等[14]研究發(fā)現(xiàn)熱處理(100 ℃,20 min)會導(dǎo)致胡蘿卜的WSP增加,NSP下降,而高壓結(jié)合高溫(600 MPa,80 ℃,20 min)處理后WSP降低,CSP和NSP增加,從而表現(xiàn)出對胡蘿卜質(zhì)構(gòu)較好的保護(hù)作用。姚佳[17]對萵筍三種組分果膠在高壓下變化的研究結(jié)果表明,100 MPa處理后WSP含量顯著下降,NSP含量顯著增大,在300、500 MPa處理后CSP含量顯著下降,而NSP含量顯著增大,說明NSP含量也是影響萵筍硬度的關(guān)鍵組分。Zhang等[36]研究超高壓對鮮切黃桃硬度的影響時發(fā)現(xiàn),與熱處理(90 ℃,20 min)相比,超高壓(600 MPa,5 min)處理可以有效保持黃桃的硬度,可能與高壓處理后NSP含量顯著增加相關(guān)。熱處理對果膠不同組分的含量并未表現(xiàn)出顯著的影響作用(p>0.05),說明熱處理導(dǎo)致的硬度下降主要來自于細(xì)胞的機(jī)械損傷。

圖6 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜CSP的影響Fig.6 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the CSP of fresh-cut carrot

圖7 超高壓處理(100～600 MPa,5 min)對鮮切胡蘿卜NSP的影響Fig.7 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the NSP of fresh-cut carrot

3 結(jié)論

超高壓處理(100 MPa,5 min)后胡蘿卜硬度無顯著變化,隨著壓力的增加,胡蘿卜硬度顯著下降(p<0.05),當(dāng)達(dá)到300 MPa后,硬度不再變化。細(xì)胞膜透性方面,100 MPa處理對細(xì)胞無實(shí)質(zhì)性損傷,壓力升高到300 MPa過程中,相對電導(dǎo)率顯著增加,表明細(xì)胞所受的機(jī)械損傷增加,但壓力高于300 MPa后,相對電導(dǎo)率不再顯著變化。細(xì)胞壁果膠方面,高壓處理后胡蘿卜PME酶活仍保持在較高水平,WSP含量下降,NSP含量增加,這可能是質(zhì)構(gòu)保持較好的原因。綜上所述,超高壓處理從細(xì)胞膜透性的改變和細(xì)胞壁果膠組分變化方面共同影響了鮮切胡蘿卜的硬度,本文為超高壓技術(shù)在保持鮮切果蔬質(zhì)構(gòu)上的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ),但未對超高壓對細(xì)胞膜損傷的影響進(jìn)行深入研究,未來可對超高壓下細(xì)胞膜的氧化損傷以及細(xì)胞形態(tài)的改變等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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Study on effect and mechanism of high pressure processing on hardness of fresh-cut carrot

SUN Ya-xin,KANG Xu-lei,LIANG Dong,CHEN Fang,HU Xiao-song*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University;National Engineering Research Center of Fruit and Vegetable Processing;Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing,Ministry of Agriculture, Beijing Key Laboratory for Food Non-thermal Processing,Beijing 100083,China)

Processing methods always cause damage to fresh-cut fruits and vegetables. High pressure processing(HPP)is promising a technology for protecting the quality of fresh-cut fruits and vegetables. In order to explore the hardness change of fresh-cut fruits and vegetables with the increased pressure and the corresponding internal mechanisms. This study was designed to evaluate the effect of high pressure processing(100～600 MPa,5 min)on the changes in hardness,cell membrane,pectin methylesterase(PME)and cell wall pectin fraction of fresh-cut carrot. The results showed that there was no significant change in carrot hardness after 100 MPa treatment,and the relative conductivity and the hardness of carrots increased significantly with the increase of pressure. When the pressure reached 300 MPa,the relative conductivity and hardness no longer alter significantly even if increased pressure.Meanwhile,increase in sodium carbonate soluble pectin(NSP)and decrease in water soluble pectin(WSP)fraction at all pressure levels were observed. However,complete inactivation of pectin methylesterase activities could not be fulfilled by HPP. Hardness change of fresh-cut carrot processed by HPP was attributed to changes of cell membrane permeability and cell wall pectin components profile.

high pressure processing;carrot;hardness;mechanism

2016-12-06

孫雅馨(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：果蔬加工，E-mail:melodysun0923@163.com。

*通訊作者:胡小松(1961-)，男，碩士，教授，研究方向：果蔬加工，E-mail:huxiaos@263.net。

國家自然科學(xué)基金(31371811)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)11-0200-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.029