冷凍保護劑葡聚糖-聚賴氨酸對冷凍皇冠梨品質(zhì)的影響

曹雪慧，白 鴿，王甄妮，朱丹實，呂長鑫

(渤海大學 食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121013)

梨含有豐富的維生素、纖維素及鉀、鈣元素等營養(yǎng)成分，還具有清熱解毒、清心潤肺、止咳化痰等多重功效。近年來，冷凍技術(shù)在食品加工中得到廣泛應(yīng)用，由于梨水分含量較高，易受微生物侵害及機械損傷，將梨進行冷凍加工可以較長時間維持梨的品質(zhì)及風味。浸漬冷凍(immersion freezing,IF)是一種新型的冷凍技術(shù)，以無毒無害的浸漬液為冷凍劑。液體冷凍劑傳熱系數(shù)高，可以快速降低食品溫度，形成小而分布均勻的冰晶，同時可以減少干耗[1-2]。

葡聚糖和聚賴氨酸作為冷凍保護劑用于癌癥免疫治療中保存NK細胞，經(jīng)過低溫保存和復(fù)溫后恢復(fù)的NK細胞立即具有活力[3]。在食品中葡聚糖作為一種生物活性多糖，具有降低膽固醇、調(diào)節(jié)血糖、提高免疫力等功能[4]；聚賴氨酸是一種天然的防腐劑，水溶性好、抑菌、pH值范圍廣，對人體無毒害作用[5]。食品級葡聚糖、聚賴氨酸均為GB2760—2014允許使用的食品添加劑。目前將葡聚糖和聚賴氨酸作為冷凍保護劑應(yīng)用于食品冷凍加工中鮮有報道[6]。

皇冠梨(PyrusbretschneideriRehd.)果核小、果肉潔白、質(zhì)地細膩且松脆多汁，頗受消費者青睞。本實驗擬選用皇冠梨作為研究對象，采用不同浸漬液浸漬冷凍處理，研究冷凍保護劑葡聚糖、聚賴氨酸的加入對梨塊凍結(jié)特性的影響；利用低場核磁共振技術(shù)[7]和冷凍時間來監(jiān)測樣品的水分狀態(tài)，同時比較凍融后各組樣品汁液損失、抗壞血酸含量、硬度變化，從而評估冷凍梨的品質(zhì)。希望本研究可為進一步了解冷凍保護劑在冷凍食品中的作用效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

皇冠梨，采摘于遼寧省錦州市三屯梨園。挑選新鮮飽滿、無病蟲害、無機械損傷、大小均一的皇冠梨運回實驗室，于4 ℃冰箱中冷藏24 h以上，實驗時隨機抽取樣品進行實驗。

氯化鈣(分析純)，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；無水乙醇(分析純)，天津市北辰方正試劑廠；葡聚糖、聚賴氨酸(食品級)，河南萬邦實業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

NMI20型核磁共振成像儀(包含F(xiàn)ID、SE、CPMG、SEG-CPMGC和IR等多個硬脈沖序列)，上海紐邁電子科技有限公司；TA.XT Plus型物性測試儀(配有P/5、P/50等多個探頭)，英國Stable Micro System公司；i500-E8T型低溫溫度記錄儀(配有8路探頭)，南京先歐儀器制造有限公司；HWS24型數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司。

1.3 實驗設(shè)計

將皇冠梨從4 ℃冰箱中取出，清洗干凈，去核切成大小均一的8塊(30 g)。將樣品隨機分為IF1、IF2、IF3、IF4四組進行處理，從每個處理組中取出6個樣品進行凍結(jié)時間、汁液損失、抗壞血酸含量、質(zhì)構(gòu)相關(guān)指標及水分分布的測定，重復(fù)實驗3次。

IF1組放于-20 ℃的氯化鈣載冷液(氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%)中進行浸漬冷凍；

IF2組放于-20 ℃氯化鈣-葡聚糖載冷液(氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%，葡聚糖質(zhì)量分數(shù)為1%)中進行浸漬冷凍；

IF3組放于-20 ℃氯化鈣-聚賴氨酸載冷液(氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%，聚賴氨酸質(zhì)量分數(shù)為0.2%)中進行浸漬冷凍；

IF4組放于-20 ℃氯化鈣-葡聚糖-聚賴氨酸載冷液(氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%，葡聚糖質(zhì)量分數(shù)為1%，聚賴氨酸質(zhì)量分數(shù)為0.2%)中進行浸漬冷凍。

水的凍結(jié)點一般在0 ℃左右，以氯化鈣做載冷劑凍結(jié)點可以達到-20～-50 ℃，且氯化鈣可以在一定程度上保持果蔬脆度。載冷液均提前放入-20 ℃冰箱冷卻，當載冷液溫度達到-20 ℃即可放入梨塊。浸漬冷凍過程中將溫度傳感器探頭插入梨塊幾何中心，待梨塊中心溫度達到-18 ℃時，取出置于-20 ℃冰箱凍藏24 h。測試時，取出樣品在4 ℃冰箱中解凍后進行各項指標的測定。

1.4 測定方法

1.4.1凍結(jié)時間的測定

使用低溫溫度記錄儀對各處理樣品溫度進行測定。將低溫溫度記錄儀探頭插入樣品的幾何中心位置，另一端通過USB插口與電腦連接，當樣品中心溫度為-18 ℃時停止測量。

1.4.2汁液損失的測定

凍融前后樣品的質(zhì)量差占凍后樣品質(zhì)量的百分比，即為其汁液損失[8]。

1.4.3抗壞血酸含量的測定

參考曹建康等[9]的2,6-二氯酚靛酚滴定法進行抗壞血酸含量的測定。

1.4.4質(zhì)構(gòu)相關(guān)指標的測定

采用物性測試儀進行全質(zhì)構(gòu)測試。測定條件為：探頭型號P/50，測前速率5.00 mm/s，測試速率1.00 mm/s，測后速率5.00 mm/s，壓縮量30%，觸發(fā)力5 g。

1.4.5水分分布的測定

采用低場臺式脈沖分析儀對水分分布進行測定。參數(shù)設(shè)置：回波個數(shù)為18 000，回波時間的一半為200.00 μs，累加次數(shù)為14，重復(fù)時間為9 000 ms，采樣頻率為100 kHz，90°脈沖時間為14.00 μs，180°脈沖時間為28.00 μs，采樣點數(shù)為1 024個。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)為多次重復(fù)的平均值；使用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件分析冷凍處理組間差異，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著；使用Origin8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冷凍處理對皇冠梨凍結(jié)時間的影響

冷凍食品的凍結(jié)速率和凍結(jié)時間是影響其品質(zhì)的主要因素。凍結(jié)速率快，形成的冰晶體積較小且均勻，對細胞結(jié)構(gòu)的破壞小，食品的品質(zhì)較好[10]。物料凍結(jié)過程大致分為3個階段，分別為預(yù)冷階段、相變階段、深冷階段[11-12]。相變階段，即最大冰晶生成階段的結(jié)晶狀態(tài)直接影響產(chǎn)品品質(zhì)[13]。

樣品凍結(jié)過程中各階段所需時間及凍結(jié)總時間變化情況見表1。預(yù)冷階段(0～4 ℃)除IF4浸漬冷凍處理組外，各浸漬冷凍處理組樣品所需時間無顯著性差異(P>0.05)。相變階段(-5～0 ℃)：IF1、IF2、IF3、IF4樣品通過最大冰晶生成帶的時間為12.87、10.12、10.20、7.50 min，所需時間符合速凍要求。加入冷凍保護劑浸漬冷凍處理組樣品，通過最大冰晶生成帶所需時間，與氯化鈣浸漬冷凍對照組相比，顯著縮短(P<0.05)，說明冷凍保護劑的加入能夠有效縮短樣品凍結(jié)所用時間，從而保護樣品組織結(jié)構(gòu)。IF4浸漬冷凍處理組此階段所需時間最短，可能是因為葡聚糖和聚賴氨酸有協(xié)同作用。小冰晶的熔點較低(與大冰晶相比)，一旦融化液態(tài)水會與相鄰的大冰晶合并重新結(jié)晶[14]，水的重結(jié)晶形成大冰晶的過程會破裂梨的細胞膜，使細胞脫水，對細胞造成更大的損傷，這與Voronsov等[15]的研究結(jié)果一致。葡聚糖和聚賴氨酸可以通過抑制冰晶生長和再結(jié)晶過程，減小冰晶對樣品組織的破壞[16]。低溫冷卻階段(-18～-5 ℃)：此階段IF2浸漬冷凍處理同IF3浸漬冷凍處理無顯著性差異(P>0.05)。IF2、IF3、IF4浸漬冷凍處理所需時間與IF1浸漬冷凍處理相比，顯著縮短(P<0.05)。IF1浸漬冷凍處理樣品凍結(jié)總時間最長，約為81.48 min；而IF4浸漬冷凍處理樣品凍結(jié)總時間最短，為59.51 min。IF4浸漬冷凍處理總時間與IF1、IF2、IF3浸漬冷凍處理樣品凍結(jié)總時間相比，顯著縮短(P<0.05)。

表1 不同冷凍處理樣品凍結(jié)過程各階段時間分布Tab.1 Time distribution of freezing process at different stages of samples with different freezing treatments min

2.2 不同冷凍處理對皇冠梨汁液損失的影響

不同小寫字母表示不同處理方式間具有顯著差異(P<0.05)。圖1 不同冷凍處理對皇冠梨汁液損失的影響Fig.1 Effect of different freezing treatments on juice loss of crown pear

水分是維持果蔬營養(yǎng)品質(zhì)和風味的必要條件，持水能力主要通過汁液損失反映。解凍時，凍結(jié)過程中形成的大部分冰晶吸熱恢復(fù)到原來的狀態(tài)，部分水從細胞外基質(zhì)滲透出來，造成汁液損失[17-18]。圖1為不同冷凍處理樣品凍融后汁液損失情況。由圖1可知，IF1浸漬冷凍處理樣品，解凍后顯示較高的汁液損失，IF4浸漬冷凍處理樣品解凍后汁液損失與IF1相比降低了25.93%。IF2和IF3浸漬冷凍處理樣品，解凍后汁液損失與IF1組相比分別顯著降低了12.25%和25.17%(P<0.05)。圖1結(jié)果表明，在傳統(tǒng)氯化鈣浸漬冷凍的基礎(chǔ)上，加入冷凍保護劑葡聚糖和聚賴氨酸后，可以進一步降低樣品解凍后的汁液損失。葡聚糖和聚賴氨酸的存在有助于縮短凍結(jié)時間，相應(yīng)減緩樣品解凍后的汁液損失現(xiàn)象，這與Matsumura等[19]的研究結(jié)果一致。聚賴氨酸在冷卻過程中對細胞膜有很好的吸附作用，有效保護了細胞膜的完整性[19-20]。

2.3 不同冷凍處理對皇冠梨抗壞血酸含量的影響

不同小寫字母表示不同處理方式間具有顯著差異(P<0.05)。圖2 不同冷凍處理對皇冠梨抗壞血酸含量的影響Fig.2 Effect of different freezing treatments on ascorbic acid content in crown pears

抗壞血酸含量是評價果蔬產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標之一[21]，通過測定凍融后樣品抗壞血酸含量，可以判斷不同浸漬冷凍處理對樣品營養(yǎng)品質(zhì)的影響，實驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，IF4浸漬冷凍處理樣品解凍后抗壞血酸含量最高，為11.84 mg/100 g，比IF1、IF2、IF3處理組樣品解凍后抗壞血酸含量分別顯著提高了50.06%、38.80%、16.88%(P<0.05)。結(jié)合表1結(jié)果，凍結(jié)過程IF4浸漬冷凍樣品，相變時間較其他浸漬冷凍處理組顯著縮短，說明IF4浸漬冷凍樣品減少了冰晶對組織結(jié)構(gòu)的破壞，有效降低樣品營養(yǎng)成分的損失。IF1、IF2浸漬冷凍樣品解凍后抗壞血酸含量無顯著性差異(P>0.05)，這可能是因為IF1、IF2浸漬冷凍處理組樣品解凍后汁液損失較為嚴重，抗壞血酸為水溶性物質(zhì)，會隨著樣品汁液損失而減少。綜合來看，加入葡聚糖和聚賴氨酸浸漬冷凍處理能通過縮短凍結(jié)時間，減小冰晶對細胞內(nèi)部造成的機械損傷，減緩樣品營養(yǎng)物質(zhì)的流失，對抗壞血酸起到較好的保護作用。

2.4 不同冷凍處理對皇冠梨質(zhì)構(gòu)特性的影響

質(zhì)構(gòu)特性是衡量冷凍過程食品品質(zhì)改變的重要指標。解凍過程由于冰晶的存在，許多組織不能完全復(fù)水，造成組織分離、質(zhì)地變軟，從而引起凍融后樣品彈性、黏聚性、回復(fù)性發(fā)生改變。不同冷凍處理對皇冠梨質(zhì)構(gòu)特性的影響，實驗結(jié)果見表2。由表2可知：添加冷凍保護劑的浸漬冷凍處理組樣品，解凍后硬度值均顯著高于對照組樣品(P<0.05)；IF4浸漬冷凍處理組梨塊解凍后硬度值最大，與氯化鈣浸漬冷凍對照組相比顯著提高了112.38%(P<0.05)。這說明，冷凍過程中由于冰晶的存在會對梨塊的質(zhì)地產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失[22]，冷凍保護劑葡聚糖和聚賴氨酸，縮短了樣品相變時間，降低了冰晶對樣品組織的影響，這與Awad等[23]的研究結(jié)果一致。凍結(jié)速率快慢決定冰晶大小，冰晶大小對食品質(zhì)地及營養(yǎng)有較大影響。膠著度和咀嚼度的大小體現(xiàn)為將食品破裂成可吞咽狀態(tài)所需能量，添加冷凍保護劑后，浸漬冷凍的樣品解凍后膠著度和咀嚼度顯著提高(P<0.05)，且解凍后樣品膠著度和咀嚼度隨硬度變化而變化。

表2 不同冷凍處理對皇冠梨質(zhì)構(gòu)特性的影響Tab.2 Effects of different freezing treatments on textural properties of crown pears

2.5 不同冷凍處理對皇冠梨水分分布的影響

為了研究凍融過程中梨塊組織水分子的遷移和分布，采用低場核磁共振技術(shù)(LF-NMR)以確定橫向弛豫時間(T2)。T2可間接反映水的自由度，弛豫峰(S2)可以清晰地反映不同亞細胞組分中水分含量，間接反映梨塊細胞結(jié)構(gòu)的完整性。表3是不同浸漬冷凍處理梨塊凍融后，橫向弛豫時間T2及其對應(yīng)的峰面積(S2i)比例分布。梨塊冷凍前后T2反演圖譜一般出現(xiàn)3～4個峰，分別為T21、T22、T23。T21一般被認為是細胞壁中的水，流動性較差；T22為細胞中不易流動的水，指位于細胞質(zhì)或者細胞外間隙的水分；T23被認為是存在于液泡中的水，與食品的結(jié)合能力較弱，流動性較好且最容易失去[24]。添加冷凍保護劑浸漬冷凍的梨塊解凍后，T23橫向弛豫時間較對照組梨塊總體上發(fā)生后移，T2值越大，表明水分和組織結(jié)合越疏松，水分流動性越大。各浸漬冷凍處理組樣品解凍后T21、T22橫向弛豫時間沒有顯著性差異(P>0.05)。冷凍使樣品組織細胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的破壞，不同部位水分交換發(fā)生遷移。IF2、IF3 、IF4浸漬冷凍處理樣品解凍后，S23峰面積比例均顯著大于IF1浸漬冷凍處理樣品解凍后S23峰面積比例(P<0.05)，IF2、IF3浸漬冷凍處理樣品解凍后，S23峰面積比例沒有顯著性差異(P>0.05)。無論哪種冷凍方式處理，都會對樣品細胞膜以及細胞壁造成一定程度的損害，液泡中的水分遷移至細胞間，導(dǎo)致細胞間水分發(fā)生一定程度的增加，造成汁液損失。葡聚糖和聚賴氨酸通過縮短相變時間，減小了冰晶對細胞的傷害，保護了細胞膜和細胞壁的結(jié)構(gòu)，降低了自由水的遷移。

表3 凍融后皇冠梨樣品中T2和峰面積比例的分布Tab.3 Distribution of T2 and peak area ratios of freeze-thaw crown pear samples

3 結(jié) 論

加入冷凍保護劑浸漬冷凍的梨塊，通過最大冰晶生成帶所用時間較傳統(tǒng)氯化鈣浸漬冷凍顯著縮短。加入冷凍保護劑后，不僅可以降低凍融后梨塊汁液損失，還可以顯著提高冷凍梨塊解凍后硬度，保持皇冠梨較好的感官品質(zhì)。與傳統(tǒng)氯化鈣浸漬冷凍處理相比，加入冷凍保護劑后，浸漬冷凍處理樣品解凍后S23峰面積比例顯著升高，說明冷凍保護劑的加入縮短梨塊相變時間，小而均勻的冰晶對細胞組織造成較小的破壞；且聚賴氨酸對細胞膜有很高的吸附作用，保護了細胞膜免受外界影響，使梨塊解凍后擁有較好的品質(zhì)?；使诶婕尤肜鋬霰Ｗo劑葡聚糖和聚賴氨酸后冷凍效果較傳統(tǒng)氯化鈣浸漬冷凍更好，希望本研究可為葡聚糖和聚賴氨酸作為冷凍保護劑應(yīng)用于冷凍食品提供一定的研究基礎(chǔ)。