滲透溫度對壓差閃蒸干燥胡蘿卜脆條質(zhì)構(gòu)調(diào)控作用研究

張競競，彭健，易建勇，畢金峰*，呂健，候春輝，劉嘉寧

1(中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京， 100120)2(廣東省農(nóng)業(yè)科學院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，廣東 廣州， 510610) 3(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京， 100193)

胡蘿卜，2年生雙子葉綱傘形科蘿卜屬，為世界十大蔬菜作物之一，因富含胡蘿卜素、膳食纖維及其他益于人體健康的生物活性物質(zhì)而享有“金筍”、“小人參”等美譽[1]。研究表明長期食用胡蘿卜可提高人體的防癌和抗癌能力，具有抗氧化，延緩衰老的功效[2]。此外，胡蘿卜可有效提高機體抵御疾病的能力，可作為維生素A進行安全補充劑[3]。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，通過攝入具有保健功能的食品，來改善人們健康水平和提高生活品質(zhì)，受到越來越多的關注。目前，胡蘿卜的加工產(chǎn)品多為半成品(如冷凍胡蘿卜、干燥胡蘿卜丁/片、胡蘿卜粉等)，即食性胡蘿卜產(chǎn)品相對缺乏。

壓差閃蒸干燥(instant controlled pressure drop drying，DIC)，是一種新型非油炸即食果蔬脆片制備技術[4]，該技術生產(chǎn)的果蔬脆片，具有酥脆可口、食用方便、綠色天然、營養(yǎng)豐富、便于保藏的特點[5]。在壓差閃蒸干燥過程中對溫度、壓力和時間進行精準調(diào)控，以瞬間泄壓的形式觸發(fā)溫度和壓力由高到低的瞬間變化，引起物料水分瞬間汽化、擴散，使被干物料膨脹形成多孔疏松結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)物料的快速干燥[6]。在采用壓差閃蒸技術制備果蔬脆片的過程中，蘋果等組織結(jié)構(gòu)相對疏松的果蔬可經(jīng)預干燥后直接進行壓差閃蒸干燥，獲得口感酥脆、膨化度高的脆片或脆丁[7]；而胡蘿卜等硬質(zhì)果蔬的膨化度則較低，往往需要進行一定的預處理。前期研究表明，冷凍過程冰晶的生長可以刺破果蔬物料的細胞，有利于胡蘿卜閃蒸后形成多孔質(zhì)構(gòu)[8-9]；滲透過程固形物的增加，一方面可以改善果蔬干制品口感[10]，一方面也是脆條內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的形成前提[11-13]。目前，雖有關于滲透對壓差閃蒸果蔬脆片品質(zhì)的研究，但多以工藝優(yōu)化為主，關于滲透溫度對脆條內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的影響則尚未見報道。

本試驗以胡蘿卜為原料，經(jīng)不同滲透溫度預處理后，制備壓差閃蒸胡蘿卜脆條。采用X-ray計算機斷層掃描成像技術研究脆條內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)合感官分析對脆條品質(zhì)進行評價。旨在探究滲透溫度對壓差閃蒸胡蘿卜脆條內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)形成的作用效果，明確其對胡蘿卜脆條感官品質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市售新鮮胡蘿卜(品種黑田五寸，產(chǎn)地山東)，購于北京市海淀區(qū)小清河農(nóng)貿(mào)市場，4 ℃條件下儲存?zhèn)溆?；食品級麥芽糖?75 °Brix)，山東綠健生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

DQPH-1120型壓差閃蒸干燥設備,天津勤德新材料科技有限公司；DHG-9030型電熱鼓風干燥箱、BK-B26型恒溫水浴鍋,上海晶宏實驗設備有限公司；TA.XT2i/50型質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro System公司；Skyscan 1272型計算機斷層掃描儀(μCT),比利時Bruker公司；BCD-252KSF型海爾冰箱,海爾股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 胡蘿卜脆條的制備方法

胡蘿卜經(jīng)清洗去皮后切成10 mm×10 mm×40 mm的胡蘿卜條，將樣品均分成3份，置于-18 ℃的冰箱中冷凍12 h。冷凍結(jié)束后，樣品取出分別浸入溫度為(25±2)、(50±2)和(100±2)℃，60 °Brix的麥芽糖醇溶液中進行滲透，固液比1∶3(g∶mL)。當溶液溫度達到設定溫度后開始計時，繪制滲透時間與固形物增量(solute gain，SG)曲線，每組試驗重復3次。固形物增量的計算參考OZEN等[14]的方法，如公式(1)所示：

(1)

式中：St表示滲透后胡蘿卜樣品干基質(zhì)量，g；S0表示未滲透的胡蘿卜干基質(zhì)量，g；W0表示胡蘿卜鮮樣質(zhì)量，g。

不同滲透時間樣品取出后，用雙蒸水沖洗除去表面糖液，用吸水紙拭除表面水分后置于電熱鼓風干燥箱(溫度70 ℃，風速2.1 m/s)，預干燥3 h至干基含水量0.5 g/g。預干燥胡蘿卜樣品裝入自封袋中，于4 ℃均濕10 h后進行壓差閃蒸干燥(設備如圖1所示)。干燥過程中，提前將樣品處理倉加熱到100 ℃，將物料置于倉內(nèi)保溫15 min，隨后開啟真空閥，樣品處理倉內(nèi)瞬間泄壓至接近真空(5 kPa)，調(diào)節(jié)物料倉內(nèi)溫度至65 ℃，并在此真空度和溫度下干至物料干基含水量≤0.05 g/g[15]。

圖1 壓差閃蒸設備圖Fig.1 Schematic diagram of the instant controlled pressure drop (DIC) apparatus

1.3.2 體積比的測定

采用體積置換法測定脆條的體積16]，選取小米為填充材料，每組樣品選取10根脆條，重復測定3次，脆條體積為總體積減去填料體積。體積比計算如公式(2)所示：

(2)

式中：VR，體積比；Vt表示不同滲透溫度滲透后制備的胡蘿卜脆條的體積，cm3；V0，胡蘿條鮮樣的體積，cm3。

1.3.3 質(zhì)構(gòu)的測定

胡蘿卜脆條質(zhì)構(gòu)采用TA-XT2i/50型物性儀測定[17]。選取HDP/BSK型測試探頭，設置探頭測試前、測試中和測試后的速度分別為2.0、1.0和1.0 mm/s，記錄測試過程中的時間-應力曲線，以最大峰值表示硬度，以探頭接觸樣品至樣品斷裂的距離表示脆度。每組試樣重復測定12次，去除最大值和最小值后求平均值及標準偏差。

1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)的測定

1.3.4.1 微觀圖片掃描

胡蘿卜脆條微觀結(jié)構(gòu)采用X-射線計算機斷層掃描成像技術(μCT)進行掃描、測定和分析。μCT作為一種無損檢測技術，常用于金屬探傷、地質(zhì)勘探以及醫(yī)學檢測等領域。近年來，其在固體食品微觀檢測領域的應用同樣受到越來越多國內(nèi)外學者的關注[18-19]。其工作原理如下：利用X射線穿透性對固體物料進行逐層掃描，測定和記錄透過物體后的射線強度，通過計算機處理將信號強度值轉(zhuǎn)換成該掃描層送計算機處 “切片”投影圖像，經(jīng)可視化處理后得可視化投影圖像，將上述可視化圖像進行堆疊后形成3D圖像，即可展現(xiàn)測試樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)[20]。試驗過程中設置儀器掃描參數(shù)：電壓50 kV、電流200 μA，掃描角度180°、掃描步長0.4°，拍攝圖片像素1 344×1 344，每一像素點邊長為9.00 μm。

1.3.4.2 微觀孔隙分析

采用CTAn軟件(版本：1.16.4.1)對構(gòu)建的可視化脆條3D內(nèi)部孔隙進行分析，定義孔隙度為脆條孔隙所占體積與該脆條表觀體積之比，計算如公式(3)所示：

(3)

式中：ρ，脆條的孔隙度，%；VP表示脆條中孔的總體積，μm3；VT，掃描脆條樣品的表觀體積，μm3。

定義孔間壁厚和孔當量直徑為孔壁或孔內(nèi)切球的直徑，計算如公式(4)所示：

(4)

式中：D，樣品孔間壁厚或內(nèi)部孔隙當量直徑，μm；V，經(jīng)μCT圖像分析所得某一范圍內(nèi)壁厚或孔隙體積，μm3；π為常數(shù)取值3.14。

1.3.5 感官分析

參考TEFERR等[21]的方法，邀請15名經(jīng)過培訓的感官評價員對三位數(shù)隨機編號的胡蘿卜脆條產(chǎn)品進行感官評分。采取5分制，5分表示對產(chǎn)品感官指標極滿意，1分表示對產(chǎn)品感官指標極不滿意。完成感官評價后，收集評分表，進行統(tǒng)計分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，選取t檢驗比較不同處理組間的顯著性差異(P<0.05)，數(shù)據(jù)采用平均數(shù)±標準偏差來表示。采用Origin 8.0和Excel 2007繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透溫度對胡蘿卜固形物增量的影響

不同溫度條件下胡蘿卜滲透過程SG隨時間的變化曲線如圖2所示，所有3組滲透溫度條件下胡蘿卜樣品固形物增量隨時間均顯著增加，其達到滲透平衡后固形物增量均約為0.25 g/g鮮樣，滲透溫度對胡蘿卜滲透平衡固形物增量影響不顯著(P>0.05)。進一步分析，(25±2)、(50±2)和(100±2) ℃條件下胡蘿卜樣品達到滲透平衡所需時間分別為180、120和18 min，表明提高滲透溫度能有效縮短樣品達到滲透平衡所需時間，加快滲透過程中固形物增加速度。這主要是因為，在滲透液濃度和固液比一定的條件下，溫度的升高極大地加快了溶液中水分子和溶質(zhì)分子的運動速率，加速物料和溶液之間的物質(zhì)交換。

a-25 ℃和50 ℃；b-100 ℃圖2 不同滲透溫度下胡蘿卜固形物增量Fig.2 Effect of osmotic temperature on solute gain of carrot samples

2.2 固形物增量與胡蘿卜脆條體積的關系

將上述各滲透條件下胡蘿卜經(jīng)預干燥和壓差閃蒸干燥后制備成脆條，通過體積置換法測定其體積。將固形物增量與脆條體積進行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。壓差閃蒸胡蘿卜條體積與固形物增量呈良好的線性關系，可采用一元二次多項式：Y=5.912+146.842X-279.664X2表示，其中R2=0.957 3，表明固形物的增量對脆條壓差閃蒸后體積起決定性左右，當樣品固形物增量達到0.15 g/g鮮樣后，脆條體積不再隨樣品固形物的增加而增加，達到最大值21～24 cm3。這主要是是因為一方面在后續(xù)干燥過程中，固形物滲入胡蘿卜組織后會附著在細胞壁表面，從而提升胡蘿卜組織骨架的剛性，導致干燥過程不易發(fā)生大面積收縮[22]；另一方面溶質(zhì)(糖醇)中的—OH與樣品細胞壁組織中大分子物質(zhì)中的—OH以氫鍵的形式相結(jié)合，可有效提高滲透預干燥后樣品的黏彈性[23]，樣品黏彈性越好越利于樣品組織內(nèi)部孔隙在壓差閃蒸干燥瞬間泄壓過程中發(fā)生膨脹[24]。

上述結(jié)果表明，無論在何種溫度條件下滲透，固形物增量達到一定時(≥ 0.15 g/g鮮樣)，經(jīng)預干燥和壓差閃蒸干燥后即可達到良好的膨化體積。然而，具有相同表觀體積的胡蘿卜脆條，其質(zhì)構(gòu)、內(nèi)部孔隙分布是否會因滲透溫度的變化而改變，依舊不明確。為進一步明確滲透溫度對脆條質(zhì)構(gòu)和微觀孔隙分布的影響，選取滲透條件分別為100 ℃滲透6 min、50 ℃滲透55 min和25 ℃ 滲透85 min后制備的胡蘿卜脆條，進一步考察滲透溫度對體積、質(zhì)構(gòu)、微觀孔隙及感官品質(zhì)的影響。

圖3 固形物增量與壓差閃蒸胡蘿卜脆條體積的關系Fig.3 Relationship between solute gain and volume of DIC dried carrot chips

2.3 不同滲透溫度對胡蘿卜脆條體積比的影響

對于多孔性的果蔬脆片或脆條而言，體積比是反映其外觀品質(zhì)的重要指標。體積比越大，說明產(chǎn)品經(jīng)干燥后體積收縮率越小，外觀形態(tài)保持越好[25]。通過不同滲透溫度預處理后制備的壓差閃蒸胡蘿卜脆條如圖4所示，經(jīng)不同滲透溫度預處理的胡蘿卜脆條均具有良好的外觀形態(tài)，不同處理組間無明顯區(qū)別。通過體積置換法測定計算其體積比可知，經(jīng)100 ℃滲透后制備的胡蘿卜體積比最大達0.74(表1)，但不同滲透溫度處理組間體積比無顯著差異(P>0.05)。表明當固形物增量一定時(≥0.15 g/g鮮樣)，滲透溫度對脆條體積影響并不顯著。

圖4 不同滲透溫度下壓差閃蒸胡蘿卜脆條實物圖Fig.4 Images of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

表1 滲透溫度對壓差閃蒸胡蘿卜脆條體積比、孔隙度及質(zhì)構(gòu)的影響Table 1 Effect of osmotic temperature on volume ration, porosity and texture of DIC-dried carrot chips

注：同列不同字母間差異水平為 0.05

2.4 不同滲透溫度對胡蘿卜脆條質(zhì)構(gòu)的影響

硬度和脆度是評價酥脆性果蔬休閑食品質(zhì)構(gòu)的重要指標。由表1可知，不同滲透溫度處理后制備的胡蘿卜脆條硬度介于4 521～4 729 g，25 ℃滲透樣品硬度最小，100 ℃滲透樣品硬度最大，但不同處理組之間硬度差異不顯著(P>0.05)；對于脆度而言，25 ℃滲透后樣品脆度最大達2.06 mm，顯著高于100 ℃滲透后樣品(P<0.05)。脆度的大小與產(chǎn)品內(nèi)部的孔隙度密切相關，而內(nèi)部孔隙尺寸、孔隙數(shù)量及孔間壁厚都是影響脆度的重要因素[26]。不同處理間樣品質(zhì)構(gòu)時間-應力曲線如圖5所示，樣品的質(zhì)構(gòu)曲線均為鋸齒狀的上升曲線，表明在測定脆條質(zhì)構(gòu)過程中探頭刺破了脆條內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙越多鋸齒數(shù)越多，斷裂距離越長，表現(xiàn)出的脆度越大。

圖5 不同滲透溫度處理的條件下壓差閃蒸胡蘿卜脆條質(zhì)構(gòu)曲線Fig.5 Texture profiles of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

2.5 不同滲透溫度對胡蘿卜脆條微觀孔隙的影響

采用μCT掃描成像技術，對胡蘿卜脆條微觀結(jié)構(gòu)進行掃面，觀察整條胡蘿卜內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，能有效地避免掃描電鏡只能觀察樣品局部微觀結(jié)構(gòu)的缺點，完整地展示樣品內(nèi)部孔隙信息[27]。如圖6所示，25 ℃和50 ℃滲透后制得的胡蘿卜脆條內(nèi)部呈“蜂巢”狀孔隙，而100 ℃滲透后產(chǎn)品呈“樹枝”狀分布；隨著滲透溫度的升高，胡蘿卜脆條內(nèi)部孔隙大小顯著增加，而孔隙數(shù)量則呈明顯下降趨勢。這主要是因為高溫滲透胡蘿卜的過程，即熱處理過程。胡蘿卜果膠甲酯化程度降低，水溶性果膠向螯合性果膠和堿溶性果膠轉(zhuǎn)化，導致胡蘿卜組織軟化[28]，軟化的組織在壓差閃蒸的瞬時泄壓時更易向外擴張而形成大孔。

分析樣品μCT三維重建圖，得到不同溫度滲透后胡蘿卜脆條的孔隙度、孔間壁厚分布和孔隙分布。由表1可知，25 ℃和50 ℃滲透后制備的胡蘿卜脆條孔隙度(69.85%和69.39%)顯著高于100 ℃處理組(57.85%)，表明低溫滲透產(chǎn)品在壓差閃蒸后形成了更大的內(nèi)部孔隙空間。由圖7-a可知，25 ℃滲透后的胡蘿卜脆條孔間壁厚分布最窄，壁厚范圍18～306 μm，主要集中在36 μm處，所占百分比高達33.91%；100℃滲透后的胡蘿卜脆條孔間壁厚分布最寬，壁厚范圍18～558 μm，主要集中126 μm處，所占百分比僅為11.03%。脆條內(nèi)部孔徑分布與孔間壁厚分布具有相似規(guī)律，如圖7-b所示，在經(jīng)25、50和100 ℃滲透后制得的胡蘿卜脆條內(nèi)部孔徑分布范圍為分別為18～594、18～864和18～1 926 μm，最可幾孔徑分別在126、306和198 μm處，所占百分比分別為7.94%、4.65%和3.17%。高溫滲透后脆條內(nèi)部孔間壁厚分布及孔徑分布范圍都顯著大于低溫滲透脆條，這與微觀結(jié)構(gòu)圖的觀察是一致的，主要原因是高溫滲透后胡蘿卜組織結(jié)構(gòu)軟化，軟化的組織在壓力差的作用下易膨脹形成大孔，孔壁也因孔的膨脹發(fā)生壁間黏結(jié)變厚[29]。

①-正向切面；②-橫向切面；③-側(cè)向切面；④-3D圖像a-25 ℃；b-50 ℃；c-10 ℃圖6 不同滲透溫度下壓差閃蒸胡蘿卜脆條微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructures of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

a-壁厚分布；b-孔徑分布圖7 不同滲透溫度下壓差閃蒸胡蘿卜脆條孔隙分布Fig.7 Pore size distribution of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

2.6 感官分析

胡蘿卜脆條感官評分結(jié)果如圖8所示，脆條的各項感官指標評分均在3.2分以上，表明所選不同溫度滲透后制備的胡蘿卜脆條產(chǎn)品各項感官指標均在可接受范圍內(nèi)。滲透溫度對胡蘿卜脆條香氣和外觀品質(zhì)影響不顯著(P>0.05)，對色澤、質(zhì)地和風味影響顯著(P<0.05)。100 ℃滲透制備的胡蘿卜脆條具有最高的色澤評分為4.43，說明高溫滲透對胡蘿色澤具有一定的改善，且這種改善是為消費者所喜好的。25 ℃滲透制備的胡蘿卜脆條具有最高的質(zhì)地和風味評分，分別為4.56和3.93，說明“蜂巢”狀孔隙形成的酥脆口感更受消費者青睞，感官結(jié)果與質(zhì)構(gòu)測定的25 ℃滲透胡蘿卜脆條條具有最高脆度結(jié)果相一致。不同溫度滲透處理的胡蘿卜脆條均具有濃郁的胡蘿卜風味，因此，風味的差異主要來源于滲透過程中固形物增量，100 ℃滲透處理胡蘿卜脆條風味評分最低，可能是由于滲透溫度較高導致胡蘿卜出現(xiàn)了部分不被接受的“蒸煮味”。綜上感官評價分析，25 ℃滲透下制備的胡蘿卜脆條整體感官評分最高，具有最高的消費者可接受度。

圖8 不同滲透溫度下壓差閃蒸胡蘿卜脆條感官分析Fig.8 Sensory analyses of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

3 結(jié)論與討論

壓差閃蒸胡蘿卜脆條膨化體積與滲透過程SG顯著相關，可通過線性方程進行描述(R2=0.957 3)，當固形物增量≥0.15 g/g鮮樣時，脆條獲得良好外觀形品質(zhì)；所選條件下制得的壓差閃蒸胡蘿卜脆條體積收縮率小，外觀形態(tài)保持效果好，硬脆度適中，均可作為一種口感酥脆的非油炸型胡蘿卜休閑食品。溫度對胡蘿卜脆條外觀品質(zhì)影響不顯著(P>0.05)，對孔隙度、孔隙分布及孔間壁厚分布影響顯著(P<0.05)，滲透溫度易導致胡蘿卜組織軟化，壓差閃蒸后形成較寬的內(nèi)部孔隙分布(18～1 926 μm)和孔間壁厚分布(18～558 μm)。通過感官評價可知，25 ℃滲透后的胡蘿卜脆條微觀孔隙均勻，酥脆度和風味最佳，具有最高的消費者感官評分。

采用壓差閃蒸技術制備酥脆型胡蘿卜休閑食品，有助于解決目前市售油浴胡蘿卜產(chǎn)品含油量高、易氧化等相關問題，進一步推動胡蘿卜加工技術產(chǎn)業(yè)升級。但現(xiàn)有技術條件下，壓差閃蒸胡蘿卜脆條的制備工藝較為繁瑣，需經(jīng)冷凍、滲透、預干和壓差閃蒸干燥4個主要工藝；滲透過程中固形物增加，導致產(chǎn)品甜度過高；產(chǎn)品內(nèi)部孔隙與感官質(zhì)構(gòu)間的相關關系不明確。因此，還需進一步開展壓差閃蒸脆條制備工藝的簡化研究，脆條產(chǎn)品降甜研究以及脆條微觀結(jié)構(gòu)與感官質(zhì)構(gòu)品質(zhì)間構(gòu)效關系研究，以期制備出口感酥脆、營養(yǎng)豐富適應市場需求的酥脆型胡蘿卜休閑食品。