真空微波干燥過程中南瓜果膠性質(zhì)變化與質(zhì)構的關系

張鐘元，聶梅梅，肖亞冬，李大婧，宋江峰，劉春泉，王曉燕，劉春菊，徐亞元，牛麗影，江寧

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇南京 210014）

脫水果蔬的質(zhì)構是重要的品質(zhì)屬性，對消費者的可接受性有較大影響。影響脫水果蔬質(zhì)構特性的外在因素包括原料成熟度、脫水條件等，內(nèi)在因素包括其水分含量、孔隙大小等，而在微觀結(jié)構上，研究表明細胞壁的化學成分相互作用會影響脫水果蔬的質(zhì)構[1]。果膠是構成細胞壁的主要多糖物質(zhì)，控制著細胞壁孔隙及細胞間粘結(jié)和組織結(jié)合[2]。果膠在加工過程變化顯著，可有效調(diào)控細胞結(jié)構特性。研究發(fā)現(xiàn)果膠的含量和性質(zhì)的變化與脫水果蔬質(zhì)構關系密切[3]。

干燥方式誘導細胞壁果膠降解和組分改變，果膠的結(jié)構和分子交聯(lián)方式可能是影響脫水果蔬質(zhì)構的重要因素，進而導致脫水果蔬質(zhì)構發(fā)生改變。大量研究表明不同干燥方式對果膠性質(zhì)影響不同[4-6]，Monsoor等[7]研究比較了噴霧干燥、冷凍干燥和真空干燥對大豆皮果膠性質(zhì)的影響，表明真空干燥制備的果膠的色澤較差，而不同干燥方法對果膠的溶解度和流動性沒有顯著影響。劉佳[8]研究發(fā)現(xiàn)微波干燥相比熱風干燥所獲得的蘋果皮渣中果膠酯化度和半乳糖醛酸含量較高。劉江等[9]研究表明熱風干燥、真空干燥、冷凍干燥及噴霧干燥對檸檬果膠結(jié)構沒有顯著影響，但不同干燥后的果膠各指標均存在顯著性差異，其中真空干燥得到果膠酯化度較高、色差值較小。然而對于干燥過程中果膠性質(zhì)的變化對質(zhì)構影響的研究較少，肖敏等[3]研究表明壓差閃蒸處理過程中果膠發(fā)生解離、轉(zhuǎn)化，進而使組織產(chǎn)生多孔狀結(jié)構，因此獲得脫水蘋果片脆度大，而熱風干燥過程中水溶性果膠含量較高，導致產(chǎn)品組織結(jié)構致密。探究不同干燥過程中果膠性質(zhì)變化對調(diào)控脫水果蔬的質(zhì)構具有重要意義。

真空微波干燥由于降低了干燥溫度又加快干燥速率被廣泛應用[10]。微波輻射產(chǎn)生熱效應使細胞壁多糖尤其是果膠的物化性質(zhì)改變，使果膠發(fā)生β-消除反應、去甲酯化等，破壞原有果膠結(jié)構[11]。然而真空微波干燥過程中果膠特性的變化對脫水果蔬質(zhì)構的影響并不明確。因此，本實驗以南瓜為研究對象，采用真空微波干燥方式進行處理，基于果膠特性的變化，結(jié)合南瓜微觀結(jié)構，分析真空微波干燥對南瓜質(zhì)構的影響，為獲得高質(zhì)量的果蔬干制品提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試南瓜品種為‘蜜本南瓜’，購于南京市孝陵衛(wèi)集貿(mào)中心。

1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮（PMP）、單糖（鼠李糖、巖藻糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、果糖、葡萄糖、半乳糖）標準品購于Sigma公司；甲醇標準品購于Aladdin公司；1,2-環(huán)己二胺四乙酸（CDTA）購于麥克林公司；美國光譜醫(yī)學即用型透析袋購于上海橋星貿(mào)易有限公司；乙醇氧化酶（OA）購于上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

VDM-1型真空微波干燥設備，南京孝馬機電設備廠；CT3質(zhì)構儀美國Brookfield公司；1200高效液相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；BS224S電子分析天平，北京賽多利斯科學儀器公司；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵，上海東璽制冷儀器設備有限公司；RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、B-226恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；D10氮氣吹掃儀，杭州奧盛儀器有限公司；FW100高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；DW-86L828型超低溫保存箱，青島海爾股份有限公司；Quanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.3 樣品處理

嚴格挑選新鮮、大小形狀均一、無機械損傷、無生理病害的南瓜，清洗、去皮，南瓜需去除瓜籽及瓜瓢，后切成厚度約為7±2 mm的薄片。

分別稱取南瓜各200 g，采用微波間歇比為1的間歇加熱方式，真空度為-90 kPa，選取6、9、12、15 W/g等4個不同微波強度，將南瓜干燥至干燥終點（水分含量＜5%），裝入自封袋，置于干燥器中備用。

1.4 硬度脆度測定

硬脆度測定采用CT3質(zhì)構儀：選用TA-TPB夾具、TA7刀具探頭；目標類型：距離；目標值：10.00 mm；測試速度：0.50 mm/s；觸發(fā)點負荷：10 g；在此條件下測定干燥后南瓜脆片的硬度和脆度。硬度是在壓縮過程中坐標圖中出現(xiàn)的最大壓力峰值，力越大，硬度越大，單位為 g；在第一次壓縮過程中若是產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)一個明顯的峰，此峰值就定義為脆度，力越小，脆度越大，單位為g。

1.5 掃描電鏡觀察

用雙面膠將干燥后的南瓜分別粘附于循環(huán)樣品板上，對斷面噴金，利用掃描電子顯微鏡觀察南瓜的微觀結(jié)構[12]。所有樣品的觀察均在低真空狀態(tài)下進行。

1.6 果膠的提取與測定

本實驗乙醇不溶物（alcohol-insoluble residue，AIR）的提取方法以McFeeters與Armstrong[13]的文獻報道中的方法為基礎，并稍作修改而成；三種果膠的提取參考Willemsen[14]與Jianyong Yi[15]的方法，并稍作修改。稱取真空微波干燥后樣品各20 g，剪碎后置于研缽中研磨，隨后置于200 mL錐形瓶中，加入60 mL 95%乙醇，均質(zhì)10 min，過濾，收集濾渣，加入40 mL 95 %乙醇，均質(zhì)10 min，過濾，收集濾渣，加入40 mL丙酮，置于震蕩培養(yǎng)箱中震蕩（37 ℃）5 min，過濾，收集濾渣，置于干燥箱（40 ℃）中干燥16 h，獲得干燥的AIR。準確稱取0.5 g AIR置于250 mL燒杯中，加入100 mL沸水，于100 ℃的恒溫水浴鍋中煮沸10 min，冷卻至室溫，過濾，收集濾液，透析（72 h）、凍干（48 h）后獲得干燥的水溶性果膠(water-solute pectin，WSP)；收集濾渣。取全部濾渣于250 mL燒杯中，加入100 mL 0.05 mol/L 的CDTA（pH=6.5），28 ℃下震蕩反應6 h，過濾，收集濾液，透析（72 h）、凍干（48 h）后獲得干燥的螯合性果膠（CDTA-solute pectin，CSP）；收集濾渣。取全部濾渣于250 mL燒杯中，加入100 mL 0.05 mol/L的碳酸鈉溶液（含有0.02 mol/L硼氫化鈉），在4 ℃下培養(yǎng)16 h后在28 ℃下培養(yǎng)6 h，過濾，收集濾液，透析（72 h）、凍干（48 h）后獲得干燥的堿溶性果膠（Na2CO3-solute pectin，NSP）?？偣z（total solute pectin，TSP）為三種果膠的總量。

三種果膠含量測定參考 Blumenkrantz等[16]的方法，采用分光光度法測定525 nm處的吸光度，繪制半乳糖醛酸（Galacturonic Acid，GalA）標準曲線。果膠含量的測定：吸取1.5 mL濾液置于25 mL具塞玻璃試管中，依次加入1.5 mL蒸餾水、0.75 mL咔唑乙醇溶液，連續(xù)搖動試管，迅速加入15 mL硫酸，蓋好磨口玻璃塞，搖勻。將試管置于 85 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)水浴20 min，冰浴，冷卻至室溫后于分光光度計525 nm處測定吸光度。根據(jù)上述標準曲線計算果膠含量。

1.7 單糖組成的分析

利用 PMP柱前衍生化法測定中性糖（巖藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖）的含量，參考武忠偉[17]的方法進行試驗，具體步驟如下：多糖樣品酸水解：稱取5 mg凍干樣品，用蒸餾水配成5 mg/mL，取100 μL加入到2 mL具塞玻璃管中，加入100 μL 4 mol/L三氟乙酸（TFA）并充氮封管，在100 ℃條件下水解2 h，冷卻至室溫，加入200 μL甲醇于50 ℃減壓蒸干，重復3次，加100 μL蒸餾水溶解后備用。

PMP衍生化：向上述水解后的樣品加入0.6 mol/L NaOH溶液100 μL，混合均勻后取該溶液100 μL與5 mol/L的100 μL PMP甲醇溶液旋渦混勻，置于70 ℃下反應100 min，冷卻至室溫，加入50 μL 0.3 mol/L HCl溶液中和反應液，于50 ℃下減壓蒸干，加入1 mL蒸餾水溶解，用氯仿反復萃取以除去其中過量的PMP，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，置于超低溫冰箱，待液相分析使用。

HPLC檢測條件：Agilent 1100高效液相色譜儀；RP-C18 柱（4.6×250 mm，5 μm Venusil，USA）；柱溫30 ℃；流動相為比例為83:17（V/V）的0.1 mol/L PBS(pH=6.7)和乙腈；流速1.0 mL/min；檢測波長245 nm。

1.8 果膠分子量分布的測定

樣品的分子量分布及分子量測定采用高效液相凝膠滲透色譜法，具體方法根據(jù)Wang等[18]稍作修改，具體操作如下：色譜條件：Agilent 1100高效液相色譜儀，TSL-Gel G3000 SWXL色譜柱；示差折光檢測器（RID）；流動相為含0.1 mol/L Na2SO4的0.01 mol/L PBS（pH=6.8）；流速0.8 mL/min；柱溫25 ℃；進樣體積 20 μL。

1.9 β-消除反應程度的測定

取0.05 g AIR樣品與30 mL的去離子水混合置于100 ℃水浴鍋中，5 min后取出，冷卻至室溫。調(diào)節(jié)pH到6.5，過濾，收集濾液，于分光光度計235 nm處測定吸光度值。吸光系數(shù)為5412 M-1cm-1，無水半乳糖醛酸的分子量為176[19]。

1.10 果膠酯化度的測定

果膠酯化度為皂化過程中甲醇生成量與細胞壁果膠半乳糖醛酸含量的比值。根據(jù) Yi等[20]方法做稍微調(diào)整，吸取90 μL果膠溶液置于具塞玻璃試管中，加入75 μL 1 mol/L NaOH進行皂化反應，25 ℃條件下反應30 min后用0.75 mol/L的硫酸調(diào)節(jié)pH值至7.5。分別向試管中依次加入270 μL 0.2 mol/L磷酸緩沖液（pH 7.5）、30 μL 乙醇氧化酶（1 unit/mL），置于搖床中（25 ℃）培養(yǎng)15 min，然后向混合液中加入6 mL乙酰丙酮溶液（0.02 mol/L 2,4-乙酰丙酮溶于2.0 mol/L乙酸銨和0.05 mol/L乙酸溶液中），于58 ℃恒溫水浴鍋中反應15 min。冷卻至室溫后于412 nm處測定吸光度。以甲醇為標準物，配制標準曲線。

1.11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

各實驗結(jié)果均以“平均值（means）±標準差（SD）”表示。應用SAS軟件進行單因素方差分析及組間差異的Duncan’s多重比較。利用Origin Pro V8.5軟件繪制曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 真空微波干燥對南瓜硬度脆度的影響

本實驗選用硬度和脆度兩個指標來描述真空微波干燥后南瓜的質(zhì)構。從表1可見，經(jīng)過不同微波強度處理后，南瓜的脆度和硬度存在顯著差異。微波強度為9 W/g時，南瓜的脆度值較小，為723.00 g，產(chǎn)品酥脆性較好。南瓜的硬度值隨微波強度增加而上升，分析原因可能是隨微波強度升高，表面溫度比內(nèi)部高，內(nèi)部在水分轉(zhuǎn)移到表面之前，細胞收縮，在表面迅速形成一層硬膜，因此硬度升高。不同微波強度對不同物料影響不同，如微波強度為12 W/g時，獲得的蘋果片感官品質(zhì)較好[21]，這可能與物料性質(zhì)差異有關。

表1 不同微波強度條件下南瓜的硬度和脆度Table 1 Hardness and crispness of pumpkinunder different microwave power density

2.2 真空微波干燥對南瓜微觀結(jié)構的影響

圖 1為不同微波強度條件下南瓜的掃描電鏡圖（×100倍）。真空微波干燥后的南瓜形成大小不均的多孔狀結(jié)構，出現(xiàn)斷裂，微波強度為12 W/g時，細胞壁破壞較明顯，形成大小不均的多孔狀結(jié)構，排列密集。經(jīng)真空微波干燥處理后，南瓜能夠形成多孔狀結(jié)構。這是因為微波能夠穿透南瓜細胞，導致水分子的震動劇烈，使南瓜內(nèi)部的水分直接汽化，細胞組織在壓力的作用下膨脹破裂產(chǎn)生孔狀結(jié)構。

圖1 不同微波強度條件下南瓜的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron micrograph of pumpkinunder different microwave power density

2.3 真空微波干燥對南瓜果膠含量的影響

表2 不同微波強度條件下南瓜中果膠的含量Table 2 Pectin extraction yields of pumpkin under different microwave power density

經(jīng)真空微波干燥后的南瓜中三種果膠含量下降顯著。由表2可以看出，南瓜中三種果膠的含量變化情況存在一定的差異性：三種果膠含量隨微波強度的升高變化趨勢不同，隨著微波強度的升高，WSP含量先減少后增加，CSP含量先增加后減少，NSP含量顯著下降(p＜0.05)。其中，微波強度為9 W/g時，干燥后的南瓜中WSP含量顯著降低(p＜0.05)，達到65.13 mg/g AIR，與對照組顯著降低56.23%，而CSP含量顯著升高(p＜0.05)。這表明真空微波干燥使果膠物質(zhì)流失或發(fā)生降解，這將引起果膠對物料組織支撐作用下降，導致物料粘彈性和可塑性增加[3]，同時微波處理水分散失速度較快，容易形成較多的孔狀結(jié)構，這與江寧等對甘薯片研究結(jié)果相似[22]。

2.4 真空微波干燥對南瓜果膠單糖的影響

表3 不同微波強度條件下南瓜果膠的糖比率Table 3 The sugar ratios of pectin in pumpkin under different microwave power density

果膠分子主要以半乳糖醛酸為主鏈，其他單糖主要參與構成果膠側(cè)鏈，因此可以用不同單糖之間的比值關系來表達果膠的相關結(jié)構信息，如糖比率1可以反映鼠李聚半乳糖醛酸Ⅰ支鏈與鼠李糖的比值；糖比率2可以反映果膠的線性度；糖比率3能夠反映主鏈的變化，即鼠李聚半乳糖醛酸類型果膠在全部果膠中所占的比例[23,24]。由表3可知，真空微波干燥后的南瓜的糖比率變化情況明顯，說明真空微波干燥對其細胞壁果膠的組分變化有顯著影響（p＜0.05）。真空微波干燥后的南瓜的NSP的糖比率1變化顯著，說明真空微波干燥對果膠結(jié)構產(chǎn)生較大的影響，改變了NSP的結(jié)構，減小了其與細胞壁其他物質(zhì)之間的粘結(jié)作用力。根據(jù)糖比率2可知，與鮮樣相比，CSP的線性度均有不同程度的增加，說明在真空微波干燥過程中，發(fā)生了果膠間的轉(zhuǎn)化，有線性度較大的CSP的生成；南瓜NSP的糖比率2均低于南瓜鮮樣，說明NSP分子的線性度下降；而糖比率3均較低，其中CSP與NSP的糖比率3小于0.05，說明在南瓜的果膠中RG的含量較低。在三種果膠中，糖比率1最高的為WSP，說明在三種果膠中，WSP的鼠李聚半乳糖醛酸Ⅰ最多，同時也說明了WSP更易提取，這與肖敏等[3]的試驗結(jié)果類似。結(jié)合果膠含量變化（表 2）及糖比率的性質(zhì)，微波輻射使WSP發(fā)生解離，轉(zhuǎn)化成CSP果膠，這有利于在高溫、水分散失速度大的條件時形成穩(wěn)定的孔狀結(jié)構[25]。

2.5 真空微波干燥對南瓜果膠分子量的影響

圖2 南瓜鮮樣中果膠的分子量分布Fig.2 Pectin molecular distribution of pumpkin

分子量是描述果膠性質(zhì)的重要指標之一，出峰時間越早說明分子量越大，出峰時間越晚則說明分子量越小。從圖2可看出，鮮樣南瓜中WEP出峰時間較早，且僅含有一個峰值，NEP與CEP各含有兩個峰值且NEP與CEP的分子量相差較小。本實驗研究了不同微波強度對果膠分子量分布的影響，南瓜三種果膠經(jīng)不同微波強度處理后表現(xiàn)出不同的分子量分布。圖3a可以發(fā)現(xiàn)液相圖中出現(xiàn)小分子峰，對比鮮樣可知，真空微波干燥促進了南瓜 WSP的降解，導致分子量降低。由圖3b可知，南瓜CSP隨微波強度的增加，分子量減小的速度放緩，在6 W/g時，分子量減小明顯，高強度情況下盡管也發(fā)生分子量的改變，但不如低強度變化明顯。圖3c表明，高強度組NSP分子量變化比低強度組明顯，6 W/g時分子量變化不明顯。

不同強度對果膠結(jié)構影響差異明顯，高強度組的NSP分子量變化較大，低強度組的CSP變化明顯，這可能與NSP、CSP的結(jié)合方式及性質(zhì)有關。NSP為共價結(jié)合果膠，CSP為離子結(jié)合型果膠，高強度組在干燥的過程中產(chǎn)生的瞬時熱量高，利于打斷果膠共價鍵，使NSP降解成小分子，低強度組則是一個持續(xù)加熱的過程，緩慢破壞果膠離子結(jié)合，使CSP更易降解。

圖3 不同微波強度條件下南瓜果膠的分子量分布Fig.3 Pectinmolecular distribution of pumpkin under different microwave power density

2.6 真空微波干燥對南瓜 β-消除反應程度的影響

果膠在加工過程中發(fā)生β-消除反應，使高分子果膠解聚，導致果膠的溶解和相鄰細胞的分離，最終降低蔬菜組織完整性和硬度[26]。采用不飽和半乳糖醛酸（UG）含量的高低來反應β-消除反應的程度，含量越高，說明β-消除反應發(fā)生的越徹底[22]。由圖4可知，與南瓜鮮樣組（CK）相比，真空微波干燥后的南瓜UG含量顯著升高（p＜0.05），升高幅度為79%～176%，UG含量隨微波強度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。微波強度為9 W/g時，南瓜UG含量達到較高水平，為10.54 mg/g，表明此強度下β-消除反應發(fā)生徹底，果膠溶解，因此降低組織硬度，這可能是得到適中硬度的原因。這與表1中硬度值變化趨勢相符。

圖4 不同微波強度條件下南瓜的果膠UG含量Fig.4 The content of UG in pectin of pumpkin under different microwave power density

熱加工過程中，在高溫和中性的理化環(huán)境下發(fā)生的β-消除反應會導致果膠鏈的斷裂，使細胞壁結(jié)構松散，具體表現(xiàn)為半乳糖醛酸含量升高，果膠的負電荷含量增加，分子內(nèi)作用力降低，果膠鏈發(fā)生團聚、交聯(lián)性減弱，果膠呈鏈狀結(jié)構[27]。本研究發(fā)現(xiàn)UG含量隨微波強度的升高呈先升高后下降的趨勢，這與Zhang等研究結(jié)果一致[28]，這是因為在一定溫度條件下，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越高，β-消除反應越易發(fā)生；而較高的強度條件下，瞬時產(chǎn)生的熱量過高，水分蒸發(fā)較快，縮短了干燥過程，使果膠解聚不明顯。

2.7 真空微波干燥對南瓜果膠酯化度的影響

甲酯化和β-消除反應是果膠在熱加工過程中發(fā)生的兩類主要反應。酯化度影響果膠分子間的氫鍵作用，從而影響果蔬組織的質(zhì)構[3]。表4顯示不同微波強度條件下南瓜細胞壁果膠酯化度的變化趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，微波熱效應會引起果膠的去甲酯化反應，隨著微波強度的升高，南瓜 WSP的酯化度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，NSP的酯化度持續(xù)降低，CSP的酯化度則是先降低后升高。這表明真空微波干燥對每一種果膠酯化度的影響不同。酯化度基本呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與UG含量的變化一致。當微波強度為9 W/g時，南瓜CSP酯化度較低，僅為28.92%，游離的羧基多，更易與組織中金屬離子交聯(lián)[29]，因此有利于增強南瓜片多孔強度，這可能是微波強度為9 W/g得到較大脆度的原因。

微波輻射會產(chǎn)生熱效應與非熱效應，一方面熱效應會使細胞壁多糖尤其是果膠的物化性質(zhì)改變；另一方面，微波的非熱效應產(chǎn)生湍流剪切細胞壁多糖大分子，導致果蔬細胞壁結(jié)構瓦解。劉佳[8]研究了3種干燥方式對蘋果皮渣果膠理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)微波干燥所獲得的果膠酯化度和半乳糖醛酸含量較高，這與本實驗研究結(jié)果一致，這是因為微波的熱效應使腔體內(nèi)溫度升高，增加了β-消除反應的速率，導致pH增加，從而使果膠酯化度上升[30]。此外，Latorre等通過對紅甜菜進行不同強度的微波處理的研究，發(fā)現(xiàn)微波處理本質(zhì)上是通過增加細胞壁多糖的親水性的方式來改變細胞壁結(jié)構[31]。肖敏等[3]研究發(fā)現(xiàn)壓差閃蒸干燥獲得的蘋果片具有較好的質(zhì)構特征，然而對比本研究中真空微波干燥，壓差閃蒸干燥時間長，能耗高，因此，采用真空微波干燥通過選擇適當?shù)奈⒉◤姸瓤烧{(diào)控果蔬的果膠性質(zhì)變化，最終獲得較佳的質(zhì)構特征。

表4 不同微波強度條件下南瓜果膠的酯化度Table 4 Esterification degree of pectin from pumpkin under different microwave power density

3 結(jié)論

真空微波干燥使果膠物質(zhì)流失、降解，WSP轉(zhuǎn)化為CSP，果膠分子鏈斷裂，分子量降低，導致在高溫、水分散失速度大的條件時形成穩(wěn)定的孔狀結(jié)構。隨微波強度的升高，南瓜中UG含量、果膠酯化度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中微波強度為9 W/g時，南瓜中UG含量較高，表明β-消除反應發(fā)生徹底，從而降低組織硬度，此時獲得產(chǎn)品硬度適中，南瓜CSP酯化度較低，有利于增強其多孔強度，從而獲得較大脆度。