鮮荸薺真空浸漬強(qiáng)化鈣工藝研究

李晗，江琳玲，范方宇，*，楊宗玲，戚建華，闞歡

（1.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南昆明650224；2.西南林業(yè)大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，云南昆明650224）

荸薺（water chestnut），又名馬蹄，莎草科多年生水 生草本植物，有“地下雪梨”之稱[1]。荸薺是一種藥食兼用的果蔬食品，富含黃酮、多酚、多糖等活性成分，具抑菌、抗氧化活性，還可用于抑制炎癥和治療呼吸道疾病等[2-3]。荸薺中含有一種“荸薺英”物質(zhì)，對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣桿菌及綠膿桿菌均有一定抑制作用，對(duì)降低血壓也有一定效果。此外，荸薺英還對(duì)癌腫有防治作用。因此，荸薺可作為一種促進(jìn)健康的功能性食品，用于發(fā)展強(qiáng)化食品[4]。其中每100 g 荸薺含碳水化合物 21.8 g，淀粉 4.2 g，鈣 5 mg，鐵 0.5 mg。鈣是人體最重要的礦物質(zhì)之一，對(duì)維持人體生理功能有重要調(diào)節(jié)作用，鈣含量不足會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，動(dòng)脈硬化等癥狀[5]。1980年以來鈣營(yíng)養(yǎng)不良一直是一個(gè)令人困擾的問題[6]。研究表明在食品中添加營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可滿足不同人群對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需要。鈣浸漬可提高加工水果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值（增加鈣濃度和生物利用度）[4]，且乳酸鈣因吸收效果好，安全性高等特點(diǎn)可用作食品強(qiáng)化劑和面包、糕點(diǎn)的制作等[7]。

真空浸漬（vacuum impregnation，VI）是一種控制食品結(jié)構(gòu)基質(zhì)組成的技術(shù)，利用水動(dòng)力學(xué)機(jī)制和變形松弛現(xiàn)象引起浸漬過程中內(nèi)部氣體和外部溶液的變化，增強(qiáng)浸漬液擴(kuò)散性和滲透性，將外部液體引入植物組織多孔結(jié)構(gòu)，很好地保持了產(chǎn)品特性等，并有效延長(zhǎng)貨架期[8-9]。通常分為兩個(gè)階段：第一階段，對(duì)容器進(jìn)行抽真空，并保持一定時(shí)間的真空狀態(tài)，確保水果或蔬菜中氣體可以從多孔固體內(nèi)部逸出；第二階段，容器恢復(fù)到大氣壓，外部溶液穿透多孔空間壓縮殘余氣體直至壓力平衡[10-11]。近幾年來真空浸漬廣泛用于強(qiáng)化食品研究。HIRONAKA 等[12]通過真空浸漬技術(shù)將整個(gè)馬鈴薯浸泡在10%抗壞血酸溶液中，大氣壓浸漬3 h后施加70 cm Hg 真空壓力25 min，結(jié)果表明真空浸漬處理可使馬鈴薯抗壞血酸含量提高10 倍。ERIHEMU等[13]探討了真空浸漬技術(shù)在馬鈴薯鋅含量富集中的應(yīng)用，整個(gè)馬鈴薯塊莖浸泡在9 g/100 g 鋅（葡萄糖酸鋅）溶液中，結(jié)果表明經(jīng)4 ℃環(huán)境貯藏30 d 后，真空浸漬馬鈴薯鋅含量比未處理馬鈴薯高40 倍。LIMA 等[4]使用真空浸漬技術(shù)研究菠蘿強(qiáng)化鈣小吃，結(jié)果表明真空浸漬菠蘿能達(dá)到日推薦鈣攝入量的100%，大氣壓浸漬菠蘿樣品接近日推薦鈣攝入量的53 %，而沒有經(jīng)過真空浸漬的干燥菠蘿樣品僅為鈣日推薦攝入量的8.9%。研究表明，真空浸漬是開發(fā)功能性食品的一種有效方法。

研究以乳酸鈣溶液為浸漬液，采用真空浸漬技術(shù)強(qiáng)化鮮荸薺鈣含量。分析了溫度、真空度、真空浸漬時(shí)間、乳酸鈣濃度對(duì)鮮荸薺性質(zhì)的影響，并結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件，強(qiáng)化鮮荸薺鈣含量。經(jīng)強(qiáng)化鈣的鮮荸薺可通過干燥制成荸薺粉和荸薺片等，作為功能性食品使用，為補(bǔ)充人體鈣含量提供了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺：廣西桂林；乳酸鈣（食品級(jí)）、檸檬酸（食品級(jí)）：青島九泰生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

2XZ-1 旋片式真空泵：上海雙鵝制冷設(shè)備有限公司；DK-98-Ⅱ電子恒溫水浴鍋：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；SHB-III S 循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；DHG-9240A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；SC-80 輕便色彩色差計(jì)：北京康光有限公司；SD-080 手持式折射儀測(cè)糖儀：福州森特爾光電技術(shù)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 荸薺真空浸漬強(qiáng)化鈣的制備工藝

荸薺去皮→清洗→瀝干→切片→漂燙→真空浸漬→常壓浸漬→瀝干→干燥→成品→包裝

具體步驟：選取切面均勻、無損傷的荸薺片[約（5±0.5）mm]；在70 ℃、0.3%檸檬酸溶液中漂燙90 s 后于冷水中快速冷卻；按料液比1∶25（g/mL）浸于一定濃度的乳酸鈣溶液，并保持液面沒過荸薺片，進(jìn)行抽真空并保持一定時(shí)間真空期；恢復(fù)大氣壓浸漬30 min；將浸漬樣品置于鼓風(fēng)干燥箱中，60 ℃環(huán)境下干燥至含水量低于5%，得產(chǎn)品。

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）不同真空度對(duì)浸漬量的影響：溫度50 ℃，乳酸鈣質(zhì)量體積濃度5.0%，真空浸漬20 min，設(shè)置5 個(gè)真空度梯度分別為 39、44、49、54、59 kPa。

2）不同溫度對(duì)浸漬量的影響：設(shè)定真空度44 kPa，乳酸鈣質(zhì)量體積濃度5.0 %，真空浸漬20 min，設(shè)置4 個(gè)溫度梯度分別為 30、40、50、60 ℃。

3）不同真空浸漬時(shí)間對(duì)浸漬量的影響：設(shè)定真空度44 kPa，溫度50 ℃，乳酸鈣質(zhì)量體積濃度5.0%，設(shè)置5 個(gè)真空浸漬時(shí)間梯度分別為 10、15、20、25、30 min。

4）不同乳酸鈣質(zhì)量體積濃度對(duì)浸漬量的影響：設(shè)定真空度44 kPa，溫度50 ℃，真空浸漬20 min，設(shè)置5個(gè)乳酸鈣濃度梯度分別為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%。

通過以上條件分別測(cè)定真空浸漬后樣品鈣含量、淀粉含量、可溶性固形物和亮度L*值，探討各因素對(duì)鮮荸薺真空浸漬強(qiáng)化鈣的影響。

1.3.3 正交試驗(yàn)

通過對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以鈣含量、淀粉含量、可溶性固形物、亮度L*值為指標(biāo)，選取具有代表性的水平組合進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)工藝條件。

1.3.4 干燥

荸薺于真空浸漬最優(yōu)工藝條件下浸漬處理后，進(jìn)行干燥，以提高產(chǎn)品貯藏性。

1.3.5 測(cè)定指標(biāo)

對(duì)真空浸漬完成后的浸漬荸薺樣品立即進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定指標(biāo)如下：

1）鈣含量：樣品消解后參照GB 5009.92-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鈣的測(cè)定》中乙二胺四乙酸二鈉（ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt，EDTA）法進(jìn)行測(cè)定。

樣品處理：稱取4.0 g 搗碎的樣品于廣口錐形瓶?jī)?nèi)，加入 24mL混合酸（硝酸∶高氯酸=5∶1，體積比），加蓋浸泡過夜。于電熱板上加熱消解至瓶中冒白煙，消化液逐漸變?yōu)闊o色，且消化液剩余2 mL～3mL時(shí)消解完成。待錐形瓶冷卻至室溫后，將消化液移至25 mL容量瓶中，加水定容、搖勻、待測(cè)。其余同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2）淀粉含量：參照GB 5009.9-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中淀粉的測(cè)定》中酶水解法進(jìn)行測(cè)定。

3）可溶性固形物：參照NY/T 2637-2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測(cè)定》中的折射儀法測(cè)定。

4）色度：采用SC-80 輕便色彩色差計(jì)測(cè)定亮度L*值（L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 真空度對(duì)荸薺性質(zhì)的影響

真空環(huán)境使食品細(xì)胞內(nèi)液體汽化蒸發(fā)，物料內(nèi)部形成泡孔結(jié)構(gòu)，在壓力差和毛細(xì)管效應(yīng)共同作用下，增大了浸漬液滲入物料內(nèi)部的速率。同時(shí)，真空浸漬樣品內(nèi)部氣體發(fā)生膨脹，增大細(xì)胞間距，提高了浸漬效率[14-15]。不同真空度條件的樣品理化指標(biāo)見表1。

表1 不同真空度條件的樣品理化指標(biāo)Table 1 Physicochemical properties of samples in different vacuum degree conditions

表1 中，經(jīng)真空浸漬的樣品鈣含量隨真空度增加呈上升趨勢(shì)，44 kPa 時(shí)荸薺強(qiáng)化鈣含量為46.66 mg/100 g，增大了9.60 倍。這可能是因?yàn)檎婵斩仍黾訉?dǎo)致樣品內(nèi)部殘余氣體急劇減少，但植物組織由于其黏彈性需要一段時(shí)間才能收縮，浸漬液隨后流入多孔毛細(xì)管，從而增加樣品鈣含量[16]。荸薺有效空隙已被浸漬液充滿，處于飽和狀態(tài)，內(nèi)外壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，浸漬液停止?jié)B入樣品組織[17]，使鈣含量變化趨于平穩(wěn)，不再隨真空度增大而增大。浸漬樣品淀粉含量隨真空度增大而略微下降，真空度59 kPa 時(shí)，每100 g 樣品含淀粉2.75 g，損失了30.83%。真空作用促進(jìn)樣品內(nèi)氣體和自由水流出，淀粉隨自由水排出到外部環(huán)境[18]，造成淀粉損失。在生物材料中，壓力梯度會(huì)導(dǎo)致氣體/液體的流動(dòng)和固體基質(zhì)變形[9]。因此，可溶性固形物含量呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。亮度L*值隨真空度變化總體呈上升趨勢(shì)，是因真空度增加減少了真空體系中的氧氣，且乳酸鈣溶液可作為護(hù)色劑使用，乳酸鈣浸入量越多，對(duì)樣品護(hù)色效果越好，有效防止了樣品褐變。綜合考慮不同真空度對(duì)各指標(biāo)的影響，選取39、44、49 kPa 3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.2 溫度對(duì)荸薺性質(zhì)的影響

真空浸漬是食品加工中的一種方法，利用外部溶液代替從食物多孔空間移除的大部分空氣和部分或全部自然溶液[9]。不同溫度條件的樣品理化指標(biāo)見表2。

表2 不同溫度條件的樣品理化指標(biāo)Table 2 Physicochemical properties of samples in different temperatures

表2 中，荸薺鈣含量隨溫度升高逐漸增大，40 ℃時(shí)鈣含量最高，為48.21 mg/100 g，提高了9.96 倍。是因?yàn)楣邼B透脫水過程中物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而增大，失水程度增大，溶液黏度降低，流動(dòng)性增加，有利于浸漬液滲入果蔬組織間隙，提高浸漬效率[19-20]。同時(shí)，溫度升高對(duì)植物組織細(xì)胞膜和細(xì)胞壁造成一定損壞，減小了阻力，使Ca2+通過原生質(zhì)膜、胞間連絲和細(xì)胞壁通道進(jìn)入細(xì)胞，達(dá)到增加荸薺鈣含量的目的[21]。溫度高于40 ℃時(shí)，鈣含量不再增加，高溫使果實(shí)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生過度變形，導(dǎo)致細(xì)胞膜和細(xì)胞壁損壞加劇，阻止了真空注入過程的進(jìn)行，影響荸薺鈣含量的增加[21]。這與MORENO 等[22]的研究結(jié)果類似，梨浸漬后水含量隨溫度升高總體呈下降趨勢(shì)，但溫度超過40 ℃后，失水率趨于平衡，變化不大。表明溫度升高至一定范圍會(huì)增大細(xì)胞滲透率，促進(jìn)氣體和天然液體與外界溶液交換。浸漬樣品淀粉含量隨溫度升高而下降，60 ℃時(shí)損失了32.24%?？赡苁且蜉┧j淀粉糊化焓較小，溫度升高使部分淀粉顆粒糊化[23]，同時(shí)部分淀粉顆粒吸水膨脹破裂，真空浸漬處理使淀粉隨自由水流出組織，從而引起淀粉含量下降，樣品汁液的流失同時(shí)也引起了可溶性固形物含量顯著下降。亮度L*值變化不大，但有下降趨勢(shì)，表明溫度過高會(huì)引起荸薺酶促褐變，風(fēng)味物質(zhì)受到影響，影響果蔬感官品質(zhì)。綜上，溫度過高會(huì)對(duì)Ca2+滲入植物組織造成影響，并對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成破壞，因此可將溫度恒定為40 ℃。

2.1.3 真空浸漬時(shí)間對(duì)荸薺性質(zhì)的影響

不同真空浸漬時(shí)間的樣品理化指標(biāo)見表3。

表3 不同真空浸漬時(shí)間的樣品理化指標(biāo)Table 3 Physicochemical properties of samples in different vacuum impregnation time

表3 中，荸薺鈣含量隨真空浸漬時(shí)間延長(zhǎng)呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，表明一定浸漬時(shí)間有利于食品鈣強(qiáng)化。真空浸漬時(shí)間20 min 時(shí)，每100 g 荸薺中含鈣46.66 mg，比未浸漬樣品提高了9.60 倍。真空浸漬第一階段是在真空期保持一定時(shí)間的真空壓力，將孔隙中樣品氣體和原有汁液充分排出；第二階段恢復(fù)大氣壓時(shí)將浸漬液趁勢(shì)吸入樣品組織并充分占據(jù)其多孔間隙[24]，從而增大樣品鈣含量。而真空時(shí)間過長(zhǎng)，組織細(xì)胞受到壓縮變小，不能為Ca2+滲入繼續(xù)提供有效孔隙[18]，鈣含量已達(dá)到最大值；且大氣壓浸漬時(shí)真空時(shí)間過長(zhǎng)，部分組織細(xì)胞受到損傷未能恢復(fù)原來狀態(tài)，不能繼續(xù)包裹溶液，鈣含量不再增加。因此，浸漬時(shí)間20 min 后，鈣含量略有下降，這與 ERIHEMU 等[13]的研究結(jié)果相似，其在土豆片真空浸漬富集鋅的過程中發(fā)現(xiàn)，隨真空浸漬時(shí)間增加，鋅含量呈先增加后略微減少的趨勢(shì)。淀粉含量隨真空浸漬時(shí)間延長(zhǎng)而下降，30 min 時(shí)損失了40.81%。是因?yàn)槌檎婵諘r(shí)，浸漬液進(jìn)入到打開的樣品孔隙稀釋了原組織液濃度[4]和原組織液部分流失，這同時(shí)也導(dǎo)致了可溶性固形物含量略微降低。真空狀態(tài)下，樣品周圍空氣被浸漬液取代，限制了細(xì)胞呼吸能力，以及乳酸鈣溶液對(duì)樣品具有護(hù)色作用，所以亮度L*值隨浸漬時(shí)間延長(zhǎng)呈緩慢上升趨勢(shì)。綜合考慮不同真空浸漬時(shí)間對(duì)各指標(biāo)的影響，選取15、20、25 min 3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.4 乳酸鈣濃度對(duì)荸薺性質(zhì)的影響

不同乳酸鈣濃度條件的樣品理化指標(biāo)見表4。

表4 不同乳酸鈣濃度條件的樣品理化指標(biāo)Table 4 Physicochemical properties of samples in different calcium lactate concentration

表4 中，樣品鈣含量隨乳酸鈣溶液濃度增加而增加。這是因?yàn)檎婵諣顟B(tài)使荸薺樣品產(chǎn)生一定膨脹，增大細(xì)胞間距，促進(jìn)浸漬液滲入到樣品間隙中；浸漬液通過毛細(xì)滲透和擴(kuò)散作用進(jìn)入樣品內(nèi)部組織，浸漬液滲入量相同時(shí)，溶液濃度越高，鈣含量越高[18]。但浸漬液濃度過高易導(dǎo)致小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因滲透作用流失，還可能對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)造成破壞。因此，浸漬液濃度不宜過高。浸漬樣品淀粉含量和可溶性固形物含量隨乳酸鈣濃度增加而降低，可能是因?yàn)闃悠窢I(yíng)養(yǎng)成分隨汁液流失以及浸漬液稀釋了荸薺液體組分[4]。亮度L*值隨乳酸鈣濃度增加呈上升趨勢(shì)，乳酸鈣是一種護(hù)色劑，其濃度越高，護(hù)色效果越好，阻礙了樣品的褐變。綜合考慮不同乳酸鈣濃度對(duì)各指標(biāo)的影響，選取4.0 %、5.0%、6.0%3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 正交試驗(yàn)因素水平

為確定真空浸漬強(qiáng)化鈣最佳條件，基于單因素試驗(yàn)結(jié)果，控制溫度40 ℃，選取真空度（A）、真空浸漬時(shí)間（B）、乳酸鈣濃度（C）進(jìn)行三因素三水平L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，見表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平Table 5 Coded levels and corresponding actual levels of factors used for orthogonal array design

以鈣含量、淀粉量、可溶性固形物和亮度L*值為指標(biāo)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果通過極差分析各因素影響程度高低，得最佳水平。

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析見表6。

由表6 可知，對(duì)不同的指標(biāo)而言，不同因素影響程度是不一樣的。但對(duì)4 個(gè)指標(biāo)來說，都是以A3，B2，C3為最佳水平。因此，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，優(yōu)化得到真空浸漬強(qiáng)化荸薺鈣含量的最佳條件為A3B2C3，即真空度49 kPa，真空浸漬時(shí)間20 min，乳酸鈣濃度6.0%。方差分析結(jié)果見表7。

表6 真空浸漬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Orthogonal array design with experimental results for optimization of vacuum impregnation parameters

由表7 方差分析結(jié)果可知，因素A、B、C 對(duì)鈣含量、淀粉含量和可溶性固形物含量均有顯著影響，因素A 對(duì)亮度L*值無顯著影響。各因素對(duì)鈣含量和可溶性固形物含量影響主次順序?yàn)槿樗徕}濃度＞真空浸漬時(shí)間＞真空度；對(duì)淀粉含量影響主次順序?yàn)槿樗徕}濃度＞真空度＞真空浸漬時(shí)間；對(duì)亮度L*值影響主次順序?yàn)檎婵战n時(shí)間＞乳酸鈣濃度＞真空度。這與表6 中極差分析的大小順序是一樣的。

表7 真空浸漬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析Table 7 Analysis of variance of the orthogonal array design for optimization of vacuum impregnation parameters

2.2.3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，按優(yōu)方案A3B2C3進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，可得到真空浸漬鮮荸薺強(qiáng)化鈣含量平均為64.41mg/100 g，提高了 13.64 倍；淀粉含量為 3.35 g/100 g，減少了15.61%；可溶性固形物含量為9.7°Brix，損失了8.7%；亮度L*值為87.97，與未浸漬樣品相比顏色變化較??；驗(yàn)證了所選取工藝條件的合理性。因此，最佳浸漬工藝條件為溫度40 ℃，真空度49 kPa，真空浸漬時(shí)間20 min，乳酸鈣濃度6.0%。

3 結(jié)論

1）正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)鈣含量影響主次順序?yàn)槿樗徕}濃度＞真空浸漬時(shí)間＞真空度；真空浸漬強(qiáng)化鮮荸薺鈣含量的最佳工藝為：溫度40 ℃，真空度49 kPa，乳酸鈣濃度6.0%，真空浸漬20 min。

2）最佳工藝條件下浸漬鮮荸薺的品質(zhì)最好，鈣含量為64.41 mg/100 g，提高了13.64 倍；淀粉含量為3.35 g/100 g，減少了15.61%；可溶性固形物含量為9.7 °Brix，損失了 8.7%；亮度 L*值為 87.97，與未浸漬樣品相比顏色變化較小。

3）采用優(yōu)化后的工藝制備強(qiáng)化鈣荸薺產(chǎn)品，雖然對(duì)淀粉含量造成了一定損失，但有效提高了鮮荸薺鈣含量；以100 g 荸薺計(jì)，未強(qiáng)化的鮮荸薺鈣含量為日推薦鈣攝入量的4%，經(jīng)強(qiáng)化的鮮荸薺鈣含量可達(dá)日推薦鈣攝入量的64%，總體上增加了鮮荸薺的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

4）研究通過真空浸漬技術(shù)強(qiáng)化了鮮荸薺鈣含量，以此為依據(jù)可制備強(qiáng)化活性物質(zhì)的產(chǎn)品，提高食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，滿足不同人群的營(yíng)養(yǎng)需求。