超聲波輔助冷凍干燥對胡蘿卜品質(zhì)的影響

周新麗，申炳陽，張三強，戴澄

(上海理工大學 食品科學與技術(shù)研究所，上海，200093)

凍干果蔬可以極大程度地保存食品的原有營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)，并且重量輕、易于運輸、能夠在室溫下長期保存，越來越受到消費者的歡迎。冷凍干燥包括預處理、凍結(jié)、一次干燥、二次干燥、封裝儲存等過程。傳統(tǒng)預處理通常以漂燙等熱處理的形式實現(xiàn)，然而長時間的高溫熱處理對于食品質(zhì)構(gòu)、風味、顏色、營養(yǎng)物質(zhì)含量等都會造成不同程度的破壞。此外，由于冷凍干燥工藝干燥速率低，干燥時間長，能源消耗高，限制了其在食品消費領(lǐng)域的普及。

近年來，人們在研究食品加工技術(shù)中發(fā)現(xiàn)，超聲波技術(shù)因其獨特的空化效應、熱效應和機械效應，在食品結(jié)晶與凍結(jié)、食品干燥等方面有著極其重要的作用[1-2]。國內(nèi)外一些研究者將超聲波技術(shù)與真空冷凍干燥技術(shù)結(jié)合起來，在食品冷凍干燥領(lǐng)域取得了較好的研究成果[3-6]。研究證明[7-10]超聲波結(jié)合傳統(tǒng)熱處理的方式能有效降低預處理溫度以及預處理時間。JANG等[11-12]發(fā)現(xiàn)超聲波與抗壞血酸對于蘋果中多酚氧化酶和過氧化物酶的抑制具有協(xié)同作用，而單獨作用超聲波或抗壞血酸對酶活的抑制效果均不理想。SEARLES等[13]在其研究中證實成核溫度是決定一次干燥速率的主要因素。另外在NAKAGAWA等[14]的試驗中進一步發(fā)現(xiàn)，成核溫度與一次干燥速率間有很強的相關(guān)性，即干燥速率隨著成核溫度的升高而增大。PASSOT等[15]比較了不同預凍方式對藥品保護劑升華干燥的影響發(fā)現(xiàn)，超聲波的應用不但能夠顯著提高一次干燥速率，而且能夠提高生產(chǎn)批次的均勻性以及試劑中酶活的存活率。

結(jié)合以上各方面的研究，本研究將超聲波應用于胡蘿卜預處理及冷凍干燥過程中，首先利用超聲波輔熱聯(lián)合抗壞血酸(ultrasound assist heat combined with ascorbic acid, UHA)的方式在冷凍干燥前對胡蘿卜進行滅酶護色預處理，隨后在胡蘿卜的冷凍干燥過程中，利用超聲波平板實現(xiàn)超聲波輔助胡蘿卜平板冷凍的過程。本文以產(chǎn)品體積、質(zhì)構(gòu)、蘿卜素含量、色澤、Vc含量、復水率等作為對胡蘿卜品質(zhì)考察的指標，比較了UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥、漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥以及漂燙預處理結(jié)合熱風干燥這3種干制方法對胡蘿卜品質(zhì)的影響，旨在提高凍干果蔬的生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)備

材料：新鮮胡蘿卜購于當?shù)毓呤袌?。試驗前將胡蘿卜切成5 mm厚度的切片，并用直徑為33 mm的空心圓柱體模具將胡蘿卜片壓成大小均一的切片，放入冰箱待用。

設(shè)備：超聲波細胞破碎儀(JY92-2DN，寧波新藝超聲設(shè)備公司)，超聲波發(fā)生器(THD-2010A,TAIHEDA)、IWX-CT(XTH 320LC X-ray System, NI-KON)、500 mL夾套燒杯，低溫恒溫槽(THD-2006，寧波天恒儀器廠)，超聲波平板，T型熱電偶(SCPSS-040U-6，Omage，美國，精度：±0.5 ℃)，溫度采集卡(Adventach)，冷凍干燥機(VirTis, SP Industries)，質(zhì)構(gòu)儀(島津EZTest-D90182)，全自動測色色差儀(WB-2000IXA，北京新恒能分析儀器有限公司)，電子天平，熱風干燥機，游標卡尺。

試劑：0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH 6.5)、愈創(chuàng)木酚、質(zhì)量分數(shù)30% H2O2、鄰苯二酚、抗壞血酸、草酸、2,6-二氯靛酚、石油醚。以上試劑皆分析純。

1.2 超聲波輔助裝置

1.2.1 UHA預處理裝置與試驗方法

UHA預處理裝置如圖1所示。該裝置主要由2個系統(tǒng)組成：一、由超聲波發(fā)生器、超聲探頭、熱電偶和隔音室組成的超聲系統(tǒng)。超聲波以超聲探頭的形式通過在預處理溶液中的傳播作用于胡蘿卜樣品，其中超聲波作用參數(shù)通過超聲波發(fā)生器來調(diào)節(jié)，預處理溶液的溫度通過熱電偶進行實時監(jiān)測；二、由夾套燒杯與恒溫槽組成的熱循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目的是為了控制UHA預處理溫度保持恒定。其中熱循環(huán)溫度由恒溫槽控制，循環(huán)介質(zhì)為水溶液。

圖1 UHA預處理試驗裝置Fig.1 Device for UHA pretreatment

試驗方法：將熱循環(huán)系統(tǒng)預熱至指定溫度，用0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH 6.5)配制一定濃度的抗壞血酸溶液作為UHA預處理溶液，將預處理溶液倒入夾套燒杯中并置入熱電偶監(jiān)測溫度，直至燒杯中預處理溶液的溫度與恒溫槽的溫度一致并保持穩(wěn)定，通過超聲波發(fā)生器設(shè)定超聲波作用功率與作用時間。從冰箱中取出胡蘿卜樣品，以1∶4(g∶mL)的料液比(胡蘿卜∶預處理溶液)將樣品放入夾套燒杯并開始施加超聲波，預處理完成后，取出胡蘿卜樣品將其放入塑封袋于4 ℃冰箱進行冷藏待用，完成一組UHA預處理過程。

1.2.2 超聲波輔助凍干裝置與試驗方法

超聲波設(shè)備：超聲波輔助成核由自制的超聲波平板(圖2)實現(xiàn)。設(shè)備由一個功率可調(diào)式超聲波發(fā)生器、4個超聲波振子以及一個不銹鋼平板(長寬20 mm，厚度2 mm)組成。超聲振子被均勻地固定在不銹鋼平板上。通過發(fā)生器可在0～240 W范圍內(nèi)調(diào)節(jié)超聲波平板的輸出功率。其余試驗設(shè)備：冷凍干燥機、溫度采集卡、T型熱電偶、計時器、筆記本電腦、工業(yè)X-CT、電子天平。

圖2 超聲波平板設(shè)備圖Fig.2 Experimental equipment for ultrasound-assisted freezing

試驗方法：試驗開始前，先將超聲波平板放置于冷凍干燥機內(nèi)的冷板上提前預凍2 h，預凍溫度為-40 ℃。預凍結(jié)束后，從冰箱取出3片胡蘿卜樣品，任取其中一片于樣品底部插入兩根T型熱電偶，用于溫度監(jiān)測。當樣品溫度降至-1 ℃時，開始向樣品施加指定參數(shù)的超聲波。施加完超聲波后，關(guān)閉發(fā)生器使胡蘿卜樣品繼續(xù)冷凍直至-40 ℃，完成一組超聲波作用的凍結(jié)過程。

1.3 三種干制方法

為了比較UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍對生產(chǎn)干制胡蘿卜的技術(shù)優(yōu)勢，我們利用該方法與商業(yè)常用果蔬干制方法加工胡蘿卜，并進行品質(zhì)比較。3種干制方法的操作參數(shù)如下：

(1)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥

根據(jù)前期優(yōu)化實驗的結(jié)果，選取參數(shù)如下。UHA預處理：預處理溶液為10 g/L抗壞血酸，溶液溫度60 ℃，超聲密度0.29 W/mL，作用時間3 min[16]。超聲輔助冷凍干燥：樣品溫度為-1 ℃時，施加178.7 W超聲波10 s，一次干燥溫度-20 ℃，干燥時間31.5 h，二次干燥溫度20 ℃，干燥時間2 h，真空度40 Pa[17]。

(2)漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥

漂燙預處理：漂燙溫度90 ℃，時間4 min。冷凍干燥：預凍溫度-40 ℃，一次干燥溫度-20 ℃，干燥時間31.5 h，二次干燥溫度20 ℃，干燥時間2 h，真空度40 Pa。

(3)漂燙預處理結(jié)合熱風干燥

漂燙預處理：漂燙溫度90 ℃，時間4 min。熱風干燥：熱風溫度70 ℃。

1.4 品質(zhì)評價

評價干制胡蘿卜的品質(zhì)指標分別為體積、質(zhì)構(gòu)、胡蘿卜素含量、色澤、Vc含量以及復水率。

1.4.1 體積

利用游標卡尺測量干制樣品的直徑與厚度，利用圓柱體體積公式來計算樣品的體積。

1.4.2 質(zhì)構(gòu)

利用質(zhì)構(gòu)儀中的穿刺力測試來檢測凍干胡蘿卜的疏松程度，取穿刺曲線最大值作為每個測試點的穿刺力值(gf)。當我們觀察胡蘿卜橫切面時，可以明顯的看出由芯部和外部皮質(zhì)組織兩部分組成，因此在穿刺測試中，這兩部分疏松度同時被檢測。

1.4.3 胡蘿卜素含量

用石油醚浸提0.3 g用粉碎機粉碎后的干制胡蘿卜樣品數(shù)次，隨后將浸提液合并用石油醚定容至100 mL。用公式(1)計算各組樣品中胡蘿卜素的含量。

(1)

式中：E,浸提液在451 nm處的吸光值;E1,胡蘿卜素451 nm處平均吸收系數(shù),2 500;V,石油醚浸提液定容體積,mL;W,被浸提的樣品質(zhì)量,g。

1.4.4 色澤

利用全自動色差儀分別測試樣品的L*值、a*值以及b*值。其中L*值表示物質(zhì)的亮度；a*值表示有色物質(zhì)的紅綠偏差，正值越大越偏向紅色，負值越大越偏向綠色；b*值表示有色物質(zhì)的黃藍偏差，正值越大越偏向黃色，負值越大越偏向藍色。果蔬儲藏過程中的變色程度用色差TCD表示，利用公式TCD=(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2計算。

1.4.5 Vc含量

利用2,6-二氯靛酚法測定Vc含量。稱取一定質(zhì)量的胡蘿卜樣品，加等量質(zhì)量分數(shù)2%草酸溶液，于食物攪拌機中打成勻漿。用質(zhì)量分數(shù)1%草酸將勻漿定容并用白陶土進行脫色。取1～5 mL脫色后的溶液于錐形瓶中，用2,6-二氯靛酚進行滴定，滴定終點為溶液呈粉紅色且15 s內(nèi)不消失。同時做空白溶液。利用公式(2)計算Vc含量。

(2)

式中：V0,滴定空白溶液所消耗的染料的體積,mL;V1,滴定樣品所消耗的染料的體積,mL;V2,樣品勻漿定容后的體積,mL;V3,脫色后樣品溶液消耗的體積,mL;T,1 mL染料溶液相當于抗壞血酸標準溶液的,mg/mL;m,所取樣品的質(zhì)量,g。

1.4.6 復水率

取凍干樣品在40 ℃水浴下進行復水率試驗。每隔10、20、30、40、50、60、120 min取出樣品，拭干表面水分后分別稱重，取平均值計算每組單個樣品的復水率，計算方法見公式(3)。

(3)

式中：M0,凍干樣品初始重量,g;Mx,復水后樣品的重量,g。

1.5 數(shù)據(jù)分析

在本研究中，每個試驗重復3次，每次試驗取4片胡蘿卜樣品進行測試，每片胡蘿卜樣品的指標測量3次，使用Design Expert 8.0進行統(tǒng)計學顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 對產(chǎn)品體積的影響

圖3顯示了經(jīng)不同干燥方法后干制胡蘿卜的體積及復水后的體積。干燥后胡蘿卜的體積都由于失水發(fā)生了明顯的縮減(p<0.05)。

圖3 經(jīng)不同干燥方法后干制胡蘿卜的體積及復水后的體積Fig.3 Volume of dried carrot and volume after rehydration by different drying methods注：1-新鮮組；2-UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組；3-漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組；4-漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組，圖4、圖6、圖7同。大寫字母表示不同干燥組間的差異，小寫字母表示不同復水組間的差異，不同字母表示差異性顯著p<0.05，圖6同。

相比于新鮮胡蘿卜片平均4.5 cm3的樣品體積，經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥后的胡蘿卜樣品的體積平均縮減了約17.78%，分別為3.73 cm3和3.67 cm3，而經(jīng)漂燙預處理結(jié)合熱風干燥后的樣品的體積則皺縮至了新鮮樣品的10%，為0.45 cm3。雖然經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥的樣品，在復水后的體積進一步縮小，但經(jīng)這2種干燥方法復水后胡蘿卜的體積遠高于漂燙預處理結(jié)合熱風干燥樣品復水后的體積。

2.2 對質(zhì)構(gòu)的影響

圖4-a顯示了經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜干制樣品的穿刺力。比較UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥，發(fā)現(xiàn)兩2組樣品之間的穿刺力值沒有顯著差異(p>0.05)。經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥后，同一組樣品外部和芯部的穿刺力值沒有顯著差異(p>0.05)。但是，與新鮮組相比，凍干后樣品的穿刺力顯著降低，熱風干燥樣品的穿刺力值比新鮮樣品提高了4倍，這是由于冷凍干燥過程中樣品水分的升華，凍干樣品的內(nèi)部會形成海綿一樣的疏松結(jié)構(gòu)，而熱風干燥樣品體積發(fā)生嚴重皺縮形成了致密結(jié)構(gòu)。

圖4-b顯示了各組干制樣品復水后的穿刺力。不論是何種干制方法，復水后的胡蘿卜樣品的穿刺力都遠遠低于新鮮樣品，不同干制方法下復水樣品間的穿刺力有顯著差異(p<0.05)，同為冷凍干燥樣品，經(jīng)過了UHA預處理的復水樣品的穿刺力顯著高于經(jīng)過漂燙的復水樣品，這是由于UHA預處理能最大程度地維持細胞的原有結(jié)構(gòu)，而漂燙處理會致使部分細胞破裂以及細胞液流出，從而導致了漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥復水后的質(zhì)構(gòu)比UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥樣品的更加松軟。而經(jīng)過熱風干燥復水后樣品的穿刺力比經(jīng)冷凍干燥的更高，這是由于該組樣品復水后的體積顯著小于冷凍干燥樣品，即組織結(jié)構(gòu)相對更緊密。

a-干制樣品；b-復水后的樣品圖4 經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜芯部與外部的穿刺力Fig.4 The puncture force of carrot core and outside after different drying methods注：大寫字母表示不同處理后胡蘿卜外部的差異，小寫字母表示不同處理后胡蘿卜芯部的差異，不同字母表示差異性顯著p<0.05。

2.3 對胡蘿卜素含量的影響

圖5顯示了經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜中的胡蘿卜素含量。為了使新鮮樣品和干制樣品的胡蘿卜素含量具有可比性，在測試之前將新鮮胡蘿卜樣品也進行冷凍干燥，因為冷凍干燥能極大程度地保護胡蘿卜素不被破壞。如圖5所示，新鮮凍干胡蘿卜的胡蘿卜素含量為(68±1.33) mg/100g，而經(jīng)漂燙預處理結(jié)合熱風干燥后樣品的胡蘿卜素含量相比于新鮮凍干樣品的下降了33.40%，為(45.29±0.98) mg/100g，對胡蘿卜素破壞的程度最大。經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥后樣品的胡蘿卜素含量與新鮮樣品的沒有顯著差異(p>0.05)，為(69.51±0.20) mg/100g。經(jīng)漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥后樣品的胡蘿卜素含量有顯著降低(p<0.05)，為(65.04±0.62) mg/100g，這是由于相比于UHA預處理，高溫漂燙更易造成胡蘿卜細胞的破裂而導致色素的流失。

1-新鮮凍干組；2-UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組； 3-漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組；4-漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組圖5 經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜中的胡蘿卜素含量Fig.5 Carotene content in carrot after different drying methods注：大寫字母表示不同干燥組間的差異，不同字母表示差異性顯著p<0.05，圖7同。

2.4 對色澤的影響

圖6顯示了經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜的色澤，包括亮度L*、紅綠偏差a*、黃藍偏差b*以及與新鮮樣品之間的色差TCD。經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥后的樣品的L*值都顯著高于新鮮組和漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組樣品，這與RAWSON等[6]以及LIN等[18]的研究結(jié)果一致。同為冷凍干燥樣品，經(jīng)漂燙預處理的樣品的L*值、b*值和TCD值都顯著高于UHA預處理組(p<0.05)。在RAWSON等[6]的研究中發(fā)現(xiàn)，干制胡蘿卜的L*、a*、b*和TCD值與產(chǎn)品最終的胡蘿卜素含量顯著相關(guān)。經(jīng)漂燙預處理的樣品的胡蘿卜素含量顯著低于UHA預處理樣品，胡蘿卜素(橘紅色素)的流失導致顏色變淺，也就解釋了漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組對比于UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組有較高的L*值、b*值和TCD色差值，較低的a*值。熱風干燥樣品由于體積發(fā)生嚴重皺縮導致顏色更深，即更紅，因此相比于冷凍干燥樣品有較低的L*值和b*值，較高的a*值，色度差異TCD值也最小?？偟膩碚f，漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組樣品在色澤上表現(xiàn)最好，UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組次之，漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組最差。

a-亮度;b-紅綠偏差;c-黃藍偏差;d-色差圖6 經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜的色澤Fig.6 The color and luster of carrot after different drying methods

2.5 對Vc含量的影響

如圖7所示，經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜樣品的Vc含量。比較UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥、漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥和漂燙預處理結(jié)合熱風干燥，發(fā)現(xiàn)漂燙預處理以及熱風干燥都對胡蘿卜中的Vc含量造成了很嚴重的損失。周新麗等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過漂燙預處理后胡蘿卜中的Vc含量從新鮮樣品的(13.22±0.29) mg/100g下降到了(6.26±0.24) mg/100g，而將其冷凍干燥后Vc含量進一步下降為(3.12±0.08) mg/100g。同時經(jīng)過漂燙和熱風干燥熱處理的樣品Vc含量最低，為(1.82±0.22) mg/100g。而經(jīng)UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥后的樣品由于在預處理過程中人為添加了外源抗壞血酸，因此能夠顯著提升胡蘿卜凍干樣品中的Vc含量，為(48.02±0.62) mg/100g。

圖7 經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜樣品的Vc含量Fig.7 Vc content of carrot samples after different drying methods

2.6 對復水率的影響

如圖8所示，冷凍干燥樣品的復水率以及復水速度都遠高于熱風干燥樣品。在60～120 min時間段，3組凍干樣品的復水曲線都趨于平緩，復水率無明顯變化，冷凍干燥樣品只需60 min即可復水完全；而熱風干燥樣品在該時間段的復水率仍有明顯上升，說明熱風干燥樣品的復水效率遠低于冷凍干燥。另外，不同預處理的冷凍干燥樣品之間復水率也存在顯著差異，復水率從大到小排列為：UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組(復水率為6.93)>漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組(復水率為6.11)>新鮮凍干組(復水率為5.33)>漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組(復水率為4.76)。VODA等[19]研究發(fā)現(xiàn)，漂燙預處理能使樣品在之后的冷凍過程中產(chǎn)生更均勻的冰晶，顯著減小冰晶對細胞膜的破壞程度，從而造成漂燙凍干樣品的復水率高于新鮮凍干樣品。另外，在JAMBRAK等[20]的研究中發(fā)現(xiàn)，超聲波預處理能夠在細胞間產(chǎn)生微通道，從而減小擴散邊界層，提高傳質(zhì)效率，提升凍干樣品的孔隙尺寸，極大地提升凍干樣品的復水速度。

1-新鮮凍干組；2-UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥組；3-漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥組；4-漂燙預處理結(jié)合熱風干燥組圖8 經(jīng)不同干制方法后胡蘿卜樣品的復水率曲線Fig.8 Rehydration rate curves of carrot samples after different drying methods

3 結(jié)論

本文比較了UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥、漂燙預處理結(jié)合冷凍干燥以及漂燙預處理結(jié)合熱風干燥這3種干制方法對胡蘿卜品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥樣品總體的品質(zhì)表現(xiàn)要優(yōu)于熱風干燥樣品；其次，不同預處理的冷凍干燥樣品之間Vc含量和復水率也存在顯著差異，UHA預處理的效果優(yōu)于漂燙預處理；最后，UHA預處理結(jié)合超聲波輔助冷凍干燥樣品在產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)、胡蘿卜素含量、Vc含量、復水率等指標方面都要優(yōu)于其他組。綜上所述，相較于傳統(tǒng)果蔬干制方法，超聲波在預處理以及在平板冷凍過程中的應用不僅能極大提升冷凍干燥果蔬的生產(chǎn)效率，還能顯著改善凍干終品的品質(zhì)，超聲波技術(shù)在果蔬冷凍干燥生產(chǎn)中的應用前景良好。