成熟度對冬棗真空脈動干燥動力學(xué)及產(chǎn)品品質(zhì)的影響

王吉強，鄧利珍，裴昱鵬，王冬冬，高振江，肖紅偉※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 南昌大學(xué)食品學(xué)院，南昌 330031）

0 引 言

新鮮果蔬含水率高、呼吸代謝強，收獲后極易腐爛變質(zhì)。干燥是延長果蔬貨架期的重要加工方式，干燥特性和產(chǎn)品品質(zhì)是評價干燥好壞的重要指標。干燥條件（如干燥溫度、風(fēng)速、相對濕度）和干燥室流場分布、物料厚度、預(yù)處理方式（漂燙、促干劑、浸漬）對干燥特性和產(chǎn)品品質(zhì)的影響均有大量報道，相關(guān)影響機制也比較明確。而果蔬物料自身特性尤其是成熟度對果蔬干燥特性和品質(zhì)的影響卻往往被忽略。

冬棗是鼠李科棗屬植物，營養(yǎng)豐富，脆甜可口，深受消費者喜愛。中國是冬棗的主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的90%[1]。冬棗花芽分化是隨枝條的生長陸續(xù)進行的，這導(dǎo)致了冬棗開花期長和多次結(jié)果，造成相同植株不同部位冬棗成熟度的差異。另外，受栽培技術(shù)（修剪、灌溉、施肥等）和環(huán)境因素（溫度、光照、土壤等）差異的影響，導(dǎo)致不同果園、同一果園不同植株、同一植株不同部位的果實生長發(fā)育的不同，造成在采收時不能達到一致的成熟度[2]。Wang 等[3]根據(jù)密度浮選法對同一采收期的葡萄進行成熟度分選，發(fā)現(xiàn)果實成熟度差異很大；劉旭等[4]也報道了葡萄采收時成熟度的差異，同一時期采收的葡萄可分為5 種不同成熟等級，各等級所占的比例波動巨大（從1.03%～63.91%不等）。上述研究表明：果實采收時存在顯著的成熟度差異。

果蔬成熟度對原料的理化特性和后期的加工特性和品質(zhì)均有影響[5]。鄭瑜琬等[6]發(fā)現(xiàn)葡萄中黃酮的含量隨著果實成熟度的增加先是降低隨后再升高，而類黃酮不同的含量對葡萄酒的顏色有顯著影響。Nguyen 等[7]在香蕉干燥的試驗中發(fā)現(xiàn)成熟度高的香蕉，具有更高的含水率和初始干燥速率，但在干燥中后期，其干燥速率與低成熟度樣品無顯著性差異（P>0.05）。而Prachayawarakorn等[8]發(fā)現(xiàn)低成熟度的香蕉經(jīng)膨化干燥后，其收縮率小于高成熟度樣品，且色澤優(yōu)于高成熟度樣品。相同干燥條件下，過熟、成熟和未熟的香蕉水分有效擴散系數(shù)分別為5.26×10-10、3.65×10-10和2.94×10-10m2/s[9]。Deng 等[10]研究了成熟期對杏理化性質(zhì)、干燥動力學(xué)等的影響，發(fā)現(xiàn)過度成熟的杏果實，其干燥時間反而延長，而高成熟度的果實干燥時間最短，分別比低、中和過度成熟杏果實低27.27%，17.24%和7.69%。

目前關(guān)于成熟度對棗果實干燥動力學(xué)和品質(zhì)的研究未見相關(guān)報道。為了揭示成熟度對棗理化特性和干燥動力學(xué)及品質(zhì)的影響規(guī)律，本文挑選3 種不同成熟度的沾化冬棗，對比研究其色澤、總酚、維生素C、可溶性固形物、可滴定酸和總糖及還原糖含量的變化；采用真空脈動干燥技術(shù)對不同成熟度冬棗的干燥動力學(xué)和干制后冬棗脆片的品質(zhì)進行研究分析，并結(jié)合掃描和透射電鏡從微觀上揭示成熟度對干燥特性影響的微觀機制，為冬棗干燥加工篩選適宜的成熟度和干燥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料采摘自山東省濱州市沾化區(qū)下洼村的一座果園，采摘后進行挑選，選取大小一致（平均直徑為（32±2）mm，平均長度為（28±2）mm、表面無機械損傷、果面光潔、無病蟲害的新鮮冬棗。依據(jù)采收后24 h 內(nèi)果皮顏色和果實硬度大小分選出三組[2]，代表不同成熟度（Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ），如圖1 所示。Ⅰ級是白熟期果實，果皮尚未變成紅或點紅，質(zhì)地堅硬（12 650±627）kg/cm2；Ⅱ級是半紅熟期果實，果皮已變紅，變紅面積在40%～70%，質(zhì)地較堅硬（9 816±512）kg/cm2；Ⅲ級是全紅期果實，果皮變紅面積在90%以上，質(zhì)地較堅硬（7 666±528 ）kg/cm2，各成熟度選擇5 kg 樣品，用于之后的干燥試驗和品質(zhì)測定。

1.2 色澤

利用色差儀測定棗果實赤道部的色澤，依據(jù)CIELab表色體系來測量L*（亮度值）、a*（紅綠值）和b*（黃藍值）。測定完成后對新鮮冬棗總色澤差異值ΔE進行評價，計算方法如公式（1）所示[11]。每組重復(fù)測定8 次，計算平均值。

式中ΔE為色差值；ΔL*、Δa*和Δb*分別表示Ⅱ和Ⅲ度果實與Ⅰ度果實的色澤參數(shù)差。

1.3 品質(zhì)指標

維生素C：采用2,6-二氯靛酚滴定法進行測定[12]。

可溶性固形物和可滴定酸：可溶性固形物含量（Total soluble solid content, TSS）的測定采用Atago 0-32oBrix折光儀（WZ-113/ATC）測定。選取同一成熟度冬棗打漿混勻過濾，將濾液滴于手持折光儀測試區(qū)進行讀數(shù)，以質(zhì)量分數(shù)表示，%。每個成熟度測定3 次，結(jié)果取平均值?？傻味ㄋ幔═itratable Acidity，TA）采用劉德成等[12]的方法來測定。

還原糖和總糖：還原糖和總糖的提取參照錢婧雅等[13-14]的方法，稍作修改。以使藍色堿性酒石酸銅溶液褪色消耗的試樣體積來計算含糖量。

脆度：選取大小一致的棗果實，去核、切片，置于裝有P/36R 探頭的TA-XT 質(zhì)構(gòu)儀上，進行質(zhì)構(gòu)特性(Texture Profile Analysis, TPA)分析。根據(jù)Wu 等[15-16]的方法稍作修改，設(shè)置測前、測中、測后速度分別是5.0、1.0 和5.0 mm/s、間隔壓縮時間是5 s、壓縮應(yīng)變30%、觸發(fā)力49 N。每組測定8 個樣品，結(jié)果取平均值。

復(fù)水比：稱取4 g 不同成熟度、干燥后的冬棗脆片，放入燒杯中，并倒50 mL 蒸餾水，放入35 ℃的水浴鍋中，1 h 后擦拭表面水分后，稱量記數(shù)。測定進行3 次，計算平均值。復(fù)水比（Rehydration Ratio, RR）的計算如公式（2）所示[17]。

式中RR 為復(fù)水比；Ww為復(fù)水后棗片的質(zhì)量，g；Wd為復(fù)水前棗片的質(zhì)量，g。

褐變指數(shù)：將上述棗片復(fù)水后的去離子水收集在50 mL 尖底離心管中，然后離心10 min；離心完成后，各取上清液3 mL 于10 mL 圓底離心管中，同時吸取3 mL 95%乙醇，與上清液1:1 混合震蕩后，在420 nm 波長下測定吸光值[18]。每組試驗重復(fù)3 次，計算平均值。

1.4 微觀結(jié)構(gòu)

新鮮冬棗采用透射電鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）觀察細胞壁的超微結(jié)構(gòu)。用手術(shù)刀片切取冬棗果皮（1 mm×3 mm），用2.5%（體積分數(shù)）戊二醛固定48 h 然后在4 ℃冰箱保存待測。

干燥后的冬棗脆片使用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察，將每個冬棗脆片切成4 mm×1 mm×1 mm 的長方體，置于鋁基座上，噴金后進行電鏡掃描，采集放大150 倍的干棗脆片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖。

1.5 冬棗片干燥

1.5.1 干燥試驗參數(shù)及裝置

將白熟期、半紅期、全紅期冬棗果實去核后，測定其濕基含水率分別是83.55%±0.20%、73.43%±0.90%、68.47%±0.80%。將冬棗從冰箱中取出后，挑選無腐爛、無損傷的冬棗清洗干凈，用吸水紙擦拭后，去核切片，切片厚度為（7±1）mm。試驗時單排平鋪在料盤上，采用真空脈動干燥機（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備實驗室研制）干燥，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。根據(jù)前期預(yù)試驗和相關(guān)研究設(shè)定干燥溫度為65 ℃，脈動比為12 min（真空保持時間）∶3 min（常壓保持時間）。

開啟干燥機，運行20 min，待參數(shù)達到預(yù)設(shè)值時，將裝有物料的料盤放入干燥室內(nèi)并開始計時。在干燥過程中，每隔30 或60 min 取出料盤，用天平手動稱量，并計算此狀態(tài)下的含水率，直到濕基含水率降至10%左右，達到 GB/T 5835-2009 干制冬棗中的含水率的要求。取出后用自封袋包裝，所有試驗重復(fù)3 次。

1.5.2 水分比

水分比如公式（3）所示，計算冬棗片干燥過程中的水分比(Moisture Ratio, MR)[17]。

式中M0為初始干基含水率，g/g；Me為平衡干基含水率，g/g；Mt為任意t時刻干基含水率，g/g。

在冬棗片的干燥過程中，平衡干基含水率Me遠小于M0和Mt，因此公式（3）可以簡化為公式（4）[18]。

1.5.3 水分有效擴散系數(shù)

水分有效擴散系數(shù)計算公式（5）所示[19]。

由于棗片較薄，則假設(shè)在干燥過程中，水分在冬棗內(nèi)部分布均勻、忽略冬棗片在干燥過程中的收縮，根據(jù)Fick 第二定律，可通過公式（6）計算Deff[20]。

式中MR 為水分比；Deff為冬棗片干燥的水分有效擴散系數(shù)，m2/s；H為冬棗片的厚度，m；t為干燥時間，s；M為冬棗片的干基含水率，g/g。

對于長時間干燥過程，公式（6）可簡化為：

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用 SPSS 22.0 軟件進行單因素方差分析（ANOVA），并基于 Duncan 檢驗進行顯著性比較（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 色澤分析

色澤是果蔬品質(zhì)的重要指標，直接決定了消費者的接受度和購買行為[20]。通常，果實的主要呈色物質(zhì)含量受成熟度的影響[21]。冬棗在成熟過程中的色澤變化如表1所示。從表中可以看出，冬棗果實的亮度（L*）、藍黃值（b*）隨著成熟度的增加（Ⅰ-Ⅲ）而減小，紅綠值（a*）一直增大，這與果實外觀紅色強度增加和綠色強度降低的變化趨勢一致（圖1）。冬棗在由半紅期成長為全紅期的過程，L*、b*值下降幅值較大，分別從66.02 降至36.80，37.21 降至19.55，果皮顏色由發(fā)光的褐紅色變?yōu)榘l(fā)暗的深紅色或暗紅色，這可能是因為發(fā)生了“紅變”現(xiàn)象[21]。與L*、b*相比，a*值的增加與肉眼觀察到的結(jié)果更加一致。ΔE值呈現(xiàn)增加的變化，表明不同成熟度之間的色澤差異顯著，并且可以作為分級的依據(jù)。趙家祿等[21]在研究中也將果皮的變紅程度作為劃分梨棗成熟度的依據(jù)。

表1 不同成熟度新鮮冬棗果實色澤參數(shù)Table 1 The color parameters of fresh winter jujube under different maturity

2.2 理化指標分析

冬棗在成熟過程中，維生素C、可溶性固形物、可滴定酸、總糖和還原糖會發(fā)生變化。表2 是白熟期（Ⅰ）、半紅期（Ⅱ）和全紅期（Ⅲ）冬棗的主要理化指標。從表2 可以發(fā)現(xiàn)不同成熟度的冬棗維生素C 含量之間存在顯著性差異（P<0.05）。隨著成熟度的增加，維生素C含量從2.85 降至1.15 g/100 g，但仍高于獼猴桃、草莓和檸檬中維生素C 的含量[22]。隨著成熟度的增加，果實中維生素C 降低的原因可能是在成熟過程中，果實細胞呼吸強度不斷提高，加速了維生素C 的降解所致[23]。

表2 不同成熟度冬棗果實理化指標Table 2 Physical and chemical indexes of winter jujube fruits

冬棗果實在不同成熟階段的可溶性固形物和可滴定酸含量分別是16.8%～28.9%和0.23～0.36 g/100 g。這與Wang 等[24]在研究中所測得沾化冬棗的可溶性固形物和可滴定酸含量的結(jié)果一致?？傻味ㄋ岬暮侩S著成熟度的增加而增大，而Deng 等[10]則發(fā)現(xiàn)杏子中可滴定酸的含量隨著成熟度的增加而不斷降低。這可能是由于不同果實的代謝特性不同所致，冬棗中的有機酸在成熟過程中也在積累，?elik 等[25]也發(fā)現(xiàn)在蔓越莓的成熟過程中有機酸的含量不斷增加。

隨著成熟度的增加，總糖和還原糖的含量均有顯著（P<0.05）上升，兩者含量分別從5.72 增加到22.42 g/100 g，2.27 增加到9.27 g/100 g，這與人們“越成熟的冬棗越甜”的直觀感覺一致。從成熟度Ⅰ到Ⅱ總糖和還原糖含量分別增加了62.29%和63.80%，相比于從成熟度Ⅱ到Ⅲ的32.34%和32.36%，糖含量增加量接近于后者的兩倍。糖含量的不斷增加，表明冬棗果實中的淀粉不斷轉(zhuǎn)化為糖類，促進了糖分的積累[22]。

2.3 干燥特性

2.3.1 成熟度對冬棗脆片干燥動力學(xué)的影響

不同成熟度冬棗片的水分比MR 隨干燥時間的變化如圖3 所示。在真空脈動干燥時，成熟度Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的干燥時間分別是360、330 和300 min；與成熟度Ⅰ和Ⅱ相比，成熟度Ⅲ的果實干燥時間分別減少了20%和10%。即隨著成熟度的增加，冬棗片的干燥耗時不斷降低。

2.3.2 成熟度對冬棗片水分有效擴散系數(shù)的影響

不同成熟度的冬棗片干燥過程中的水分有效擴散系數(shù)存在差異（表3）。在真空脈動干燥過程中，隨著成熟度的增加，水分有效擴散系數(shù)從0.636×10-10增加到0.941×10-10m2/s。不同成熟度冬棗片初始含水率的差異，也使得在干燥過程中水分的有效擴散系數(shù)呈現(xiàn)較大差異，并導(dǎo)致干燥時間的不同。較高初始含水率的低成熟度冬棗果實與低初始含水率的高成熟度果實相比，有效水分擴散系數(shù)更低，水分遷移更慢，干燥時間更長。這也說明了在對冬棗片干燥前進行分級具有重要意義。

表3 成熟度對冬棗脆片水分有效擴散系數(shù)的影響Table 3 Effects of maturity on effective water diffusion coefficient of winter jujube crisp slices

2.4 成熟度對冬棗片微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用透射電鏡可以觀察果蔬不同生長發(fā)育時期的超微結(jié)構(gòu)，從而在微觀上來區(qū)分不同采收期的果蔬成熟度[26]。冬棗成熟過程中超微結(jié)構(gòu)變化如圖4 所示，白熟期的冬棗果實細胞壁完整，厚度均勻一致，中膠層清晰可見，細胞膜緊貼細胞壁；隨著果實的發(fā)育，半紅期細胞質(zhì)及其內(nèi)含物靠近細胞壁的邊緣，并緊貼胞壁，細胞膜完整，中膠層開始溶解；到了全紅期細胞壁扭曲變形，并且出現(xiàn)質(zhì)壁分離，中膠層已瓦解，細胞內(nèi)容物降解，細胞質(zhì)發(fā)生收縮，成為致密的絲狀結(jié)構(gòu)。李銀等[27]通過透射電鏡觀察蟠桃果實的不同發(fā)育階段發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，初期細胞壁結(jié)構(gòu)完整，中膠層清晰，細胞壁與中膠層緊密結(jié)合；之后中膠層電子密度降低；后期細胞壁結(jié)構(gòu)破壞，中膠層已分解。隨著成熟度的增加細胞組織的透性提高，有利于水分的遷移擴散，從而使高成熟度的果實干燥時間更短。楊國慧等[28]通過對樹莓果實的研究也觀察到了類似現(xiàn)象。

采用掃描電鏡觀測不同成熟度冬棗干燥后制得的脆片微觀結(jié)構(gòu)如圖4 所示。從圖中可以看出，白熟期冬棗脆片的組織致密緊實，無孔洞；這可能阻礙了干燥過程中水分的遷移擴散，導(dǎo)致干燥時間長；但各細胞之間結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)較為完整，有利于自由水的附著，因此表現(xiàn)出更好的復(fù)水能力。半紅期冬棗脆片的組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少部分張開的孔洞結(jié)構(gòu)，這可能便于干燥過程中水分遷移，減短了干燥時間。全紅期冬棗脆片的組織結(jié)構(gòu)破壞嚴重，相比于白熟期和半紅期的冬棗脆片水分子能夠更加自由的從細胞和組織中遷移出來，提高了水分遷移擴散速率，進而縮短了干燥時間；但排列疏松、大小不一，雜亂無章的孔洞可能降低了其復(fù)水能力。

2.5 成熟度對冬棗脆片色澤和褐變指數(shù)的影響

從表1 和表4 可以看出，真空脈動干燥白熟期、半紅期、全紅期的冬棗獲得的冬棗脆片L*值均顯著高于鮮樣，說明經(jīng)干燥后冬棗脆片的色澤明亮度顯著增加（P<0.05）。成熟度Ⅱ、Ⅲ之間亮度值差異不顯著，但二者與白熟期Ⅰ有顯著差異，說明成熟度對真空脈動干燥后的棗片亮度值存在一定的影響。隨著成熟度的增加，a*值減小，即紅色逐漸減退，綠色逐漸增加，且成熟度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之前變化顯著（P<0.05），說明對紅綠值a*的變化，成熟度有顯著影響。冬棗脆片的b*值在成熟度Ⅰ和Ⅱ間無顯著變化，與成熟度Ⅲ之間有明顯差異，且有顯著性（P<0.05）。褐變指數(shù)從大到小依次是Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，并且3 個成熟度之間存在顯著性差異（P<0.05）。干燥過程前后色澤的變化可能是由于冬棗片在干燥過程中發(fā)生了美拉德反應(yīng)和氧化反應(yīng)所致。

表4 成熟度對干燥后冬棗片色澤和褐變指數(shù)的影響Table 4 Effects of maturity on the color and browning index of winter jujube slices

2.6 成熟度對冬棗脆片品質(zhì)的影響

隨著成熟度的增加，冬棗脆片的脆度隨之增大，不同成熟度冬棗脆片的脆度有顯著性差異（P<0.05）。干燥全紅期冬棗脆片的脆度是8 554.81 g，白熟期和半紅期的脆度分別是4 660.19 和5 365.73 g。因此，成熟度對冬棗脆片的脆度有顯著影響（P<0.05）。

冬棗脆片維生素C 的含量隨成熟度增加而減少。即隨著成熟度的增加，冬棗脆片中維生素C 的含量在減少，不同成熟度冬棗脆片的維生素C 的含量有顯著性差異（P<0.05）。因此可以看出，成熟度對冬棗脆片維生素C的含量有顯著影響。干燥前白熟期新鮮冬棗中維生素C的含量是2.85 g/100 g，在經(jīng)過真空脈動干燥后，其維生素C 的含量下降到0.30 g/100 g；半紅期和全紅期的冬棗中維生素C的含量分別從1.52 和1.15 g/100 g下降到0.22和0.18 g/100 g。綜上表明維生素C 在干燥過程中產(chǎn)生了一定的熱降解和熱損失。錢婧雅[13]在真空脈動干燥酥脆棗片中也發(fā)現(xiàn)了同樣規(guī)律。

真空脈動干燥獲得的白熟期、半紅期和全紅期冬棗脆片的復(fù)水比分別是3.31、2.46 和2.27。即隨著成熟度的增加，冬棗脆片的復(fù)水比呈現(xiàn)下降的趨勢?？赡苁且驗槌墒於鹊脑黾?，冬棗果實細胞結(jié)構(gòu)破壞嚴重，盡管水分遷移速率增大，但是持水能力減弱。但真空脈動干燥對細胞和組織結(jié)構(gòu)破壞小，能較好保持原來的孔隙結(jié)構(gòu)，且分布均勻（圖4），因此，可能有助于提高產(chǎn)品復(fù)水率。

表5 不同成熟度冬棗脆片的品質(zhì)Table 5 Quality of winter jujube crisp chips with differentmaturity

隨著成熟度的增加，冬棗脆片中總糖和還原糖含量均呈現(xiàn)增加趨勢。并且，不同成熟度之間，總糖和還原糖含量存在顯著性差異（P<0.05）；與新鮮冬棗果實相比，干燥后糖的含量有一定的損失，并且還原糖含量的損失大于總糖，可能是因為干燥過程發(fā)生美拉德反應(yīng)[29]，使還原糖的損耗較大。因此，綜合干燥速率和產(chǎn)品品質(zhì)，全紅期的冬棗更適于干燥加工。

3 結(jié) 論

本文研究了白熟期、半紅期和全紅期3 個成熟度對冬棗片理化性質(zhì)，真空脈動干燥動力學(xué)和冬棗脆片品質(zhì)的影響，并得到以下結(jié)論：

1）隨著成熟度的增加，冬棗的紅綠值（a*）、可溶性固形物、可滴定酸和總糖及還原糖含量增加，而亮度值（L*）、黃藍值（b*）、維生素C 含量和硬度呈下降趨勢。

2）通過透射電鏡觀察到冬棗表皮細胞中膠層溶解和質(zhì)壁分離現(xiàn)象，細胞塌陷，組織滲透性更高，高成熟度果實干燥時間更短。干燥后的冬棗脆片脆度和褐變指數(shù)增加，而維生素C 含量、復(fù)水能力和總糖、還原糖含量下降。

3）冬棗脆片隨成熟度的增加，呈現(xiàn)孔洞張開、排列無序和大小不一的趨勢。微觀結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品干燥過程水分遷移速率和脆片品質(zhì)密切相關(guān)。

因此，干燥前對新鮮冬棗進行成熟度分級，對于提高干燥加工效率和均勻性，以及提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義。本文研究為冬棗成熟度分選提供了理論依據(jù)，同時對真空脈動干燥技術(shù)用于冬棗脆片的干制加工提供了技術(shù)支撐。綜合干燥速率和產(chǎn)品品質(zhì)，全紅期的冬棗更適于干燥加工。