謝浩鵬,劉幫迪,郭雪霞,焦文曉,趙韓棟,江利華
(1.河北工程大學生命科學與食品工程學院,河北 邯鄲 056038;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院,北京 100125;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地初加工重點實驗室,北京 100121;4.齊魯工業(yè)大學食品科學與工程學院,山東 濟南 250353)
小漿果泛指果實較小且多汁的一類由子房或聯(lián)合其他花器發(fā)育成柔軟多汁的小型肉質(zhì)果,主要包括草莓、藍莓、樹莓、枸杞、黑加侖、沙棘等。由于它們普遍含有較高的生物活性物質(zhì)并且具有獨特的酸甜口味,逐漸成為食品加工業(yè)的熱門果蔬加工原料[1]。隨著市場需求量的增大,我國小漿果已經(jīng)逐漸從局部種植的特色水果變成大面積推廣的主要經(jīng)濟作物。但小漿果產(chǎn)收季節(jié)較為集中,采收時受夏秋季高溫影響,采后呼吸作用、果實表皮水分殘留和微生物均易導致果實腐爛,貯藏周期極短[2]。因此全年加工的小漿果企業(yè)需要對漿果原料進行冷凍貯藏,以此來最大限度地保持原料品質(zhì)。
然而,目前-20 ℃?zhèn)鹘y(tǒng)冷凍和-38 ℃以下低溫速凍兩種冷凍技術(shù)雖然能夠達到延長果蔬原料貯藏期的目的,但由于果蔬細胞含水量高,緩速冷凍和低溫速凍過快均會對細胞造成不可逆的機械損傷,造成融化后的果實外觀品質(zhì)劣變和生物活性物質(zhì)損失[3-5]。滲透脫水冷凍(Osmotic-dehydration freezing)作為一種新型果蔬冷凍技術(shù),能通過降低水分含量提高凍結(jié)速率,減少大型尖狀冰晶形成,保護物料的組織結(jié)構(gòu),進而減緩理化品質(zhì)的下降[6-7]。但若使用不當,脫水預(yù)處理的小漿果在冷凍融化后仍然存在質(zhì)地、色澤劣變和生物活性物質(zhì)被破壞的問題。因此亟需將其他提升果蔬品質(zhì)的技術(shù)協(xié)同應(yīng)用于脫水冷凍,以提升小漿果的貯藏品質(zhì)。
在發(fā)酵、干燥等果蔬加工領(lǐng)域大量研究表明,鈣鹽處理能夠靶向性地提升果蔬質(zhì)地品質(zhì)。鈣鹽進入果蔬細胞后,可以與果蔬細胞內(nèi)的果膠相結(jié)合,形成以氫鍵相連的果膠鈣物質(zhì),穩(wěn)定果蔬細胞壁結(jié)構(gòu),抵抗在加工過程中由理化因素導致的果蔬質(zhì)地癱軟現(xiàn)象。因此,將鈣鹽處理與糖溶液滲透脫水冷凍技術(shù)相結(jié)合,有助于保護小漿果的細胞壁結(jié)構(gòu),緩解冷凍解凍對小漿果的破壞。
本研究以4種小漿果為試材,研究鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水技術(shù)對4 種小漿果反復(fù)凍融后品質(zhì)的影響,以期為解決果蔬冷凍加工行業(yè)中,藍莓、草莓、枸杞、沙棘等小漿果原料貯藏時不耐冷凍問題提供理論依據(jù)。
1.1.1 材料與試劑
藍莓:品種為藍豐藍莓,購于山東煙臺;草莓:品種為紅顏草莓,購于北京;沙棘:品種為中國沙棘,購于山西呂梁;枸杞:品種為寧夏枸杞,購于寧夏中寧。
果糖-葡萄糖溶液,廣州雙橋有限公司;抗壞血酸檢測試劑盒、植物總酚檢測試劑盒,南京建成生物工程研究所;碳酸鈣、氯化鈣、丙酸鈣均為食品級,河南萬邦實業(yè)有限公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、愈創(chuàng)木酚、Triton X-100、過氧化氫溶液、磷酸二氫鈉、鄰苯二酚、二硫蘇糖醇(DTT)均為分析純,北京試劑有限公司;無水乙醇、冰乙酸均為分析純,上海麥克林生化科技有限公司。
1.1.2 儀器與設(shè)備
LQ-C5002 實驗室精密電子天平,深圳市飛亞衡器有限公司;TGL-16gR 高速冷凍離心機,上海安亭科學儀器廠;Rapid-TA質(zhì)構(gòu)儀,上海騰拔儀器科技有限公司;UV-2100 紫外可見分光光度計,上?;茖嶒炂鞑挠邢薰?;DNM-9602 型酶標儀,普朗醫(yī)藥儀器有限公司;DW-86L388J 低溫保存冰箱,青島海爾醫(yī)療股份有限公司;BC/BD-300DT調(diào)溫冷藏箱,美菱股份有限公司;A11 basic 液氮研磨機,廣州IKA 公司;DDS-11A 型電導儀,上海鵬順科學儀器有限公司;THZ-C 恒溫振蕩器,豪城實驗儀器制造有限公司;NR110色差儀,3NH科技有限公司;Nikon D800相機,日本尼康公司;HH-6數(shù)碼恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市熔化儀器制造有限公司,KQ5200E超聲清洗儀,昆山市超聲儀器有限公司。
1.2.1 樣品的制備及處理
糖溶液的制備:將含糖量85%(質(zhì)量分數(shù))的果糖-葡萄糖漿加入適量的水稀釋至含糖量65%。
鈣鹽果糖-葡萄糖混合溶液制備:分別添加等量的氯化鈣、碳酸鈣、丙酸鈣于上述含糖量65%的果糖-葡萄糖溶液中,使鈣離子的質(zhì)量濃度為15 g/L。
選擇低成熟度、大小一致、外觀無機械損傷的藍莓、草莓、枸杞和沙棘果實,挑選完的果實經(jīng)清水洗凈、瀝干待用。試驗設(shè)置3 個組:普通緩凍組(CK組),糖溶液滲透脫水凍結(jié)處理組,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水凍結(jié)處理組。
普通緩凍組(CK):將新鮮藍莓、草莓、枸杞、沙棘果實用0.03 mm厚聚乙烯包裝袋(20 cm×14 cm)密封包裝后置于-18 ℃冰箱冷凍。每袋果實300 g,每種果實3袋,下同。
糖溶液滲透脫水凍結(jié)(Sugar osmosis dehydration,SOD)處理組:使用針頭對單個新鮮藍莓、草莓、枸杞、沙棘進行穿刺(針頭型號為4.5 號)。藍莓、草莓、枸杞每個果實穿刺3個孔,深度為3 mm左右,沙棘每個果實穿刺1~2個孔,深度為1 mm,然后將其以料液比1∶3(g/mL)的比例置于含糖量65%的果糖-葡萄糖溶液中滲透脫水6 h(滲透脫水條件為前期預(yù)試驗結(jié)果),然后用蒸餾水清洗果實表面糖溶液,并用紙巾拭干表面水分,之后用聚乙烯包裝袋密封包裝后放入-18 ℃冰箱中保存。
鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水凍結(jié)(Sugar osmosis dehydration-calcium,SOD-Ca)處理組:使用與SOD組相同的處理方法將新鮮藍莓、草莓、枸杞和沙棘穿刺后,將果實置于鈣離子質(zhì)量濃度為15 g/L的鈣鹽果糖-葡萄糖溶液(樣品和滲透溶液的比例為1∶3(g/mL))中滲透脫水6 h,完成后用蒸餾水清洗果實表面糖溶液,并用紙巾小心拭干表面水分,之后用聚乙烯包裝袋密封包裝后放入-18 ℃冰箱中保存。
凍融處理方法:將分裝好的藍莓、草莓、枸杞、沙棘4種果實置于-18 ℃的冰箱中貯藏3 d,取出后在室溫(25±0.5)℃條件下解凍12 h,作為1 次凍融,再放回-18 ℃下進行冷凍貯藏,重復(fù)上述步驟,共凍融3次,并分別在凍融1、2、3次后取樣測定相關(guān)指標。
1.2.2 測定項目與方法
1.2.2.1 硬度
參照Liu 等[8]的方法,使用質(zhì)構(gòu)儀測定。將果實置于質(zhì)構(gòu)儀平臺上,采用P/38 平板圓柱探頭對試樣進行TPA 測試。測試參數(shù)為:檢測速度10 mm/min,壓縮程度30%,起始力0.5 N。
1.2.2.2 色澤
參照劉幫迪等[9]的方法,使用色差儀對不同組別樣品的L*、a*、b*值進行測定。其中L*代表亮度值,a*代表紅綠值,b*代表黃藍值。每組樣品隨機選取10個果實測定,結(jié)果取平均值。
1.2.2.3 汁液流失率及相對電導率
參照馮欣欣等[10]的方法進行測定和計算。
1.2.2.4 總酚和抗壞血酸含量
參考Feng 等[11]的方法,使用南京建成生物工程研究所的檢測試劑盒進行測定??偡雍涂箟难岷繂挝环謩e為μmol/g和μg/mL。
1.2.2.5 多酚氧化酶(Polyphenoloxidase,PPO)活性和過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性
參照劉幫迪等[12]的方法,略作修改。以每克鮮重果實樣品每分鐘吸光度變化值增加1 為1 個PPO活性單位(U),以每克鮮重果實樣品每分鐘吸光度變化值增加1 為1 個POD 活性單位(U)。重復(fù)測定3 次,取平均值。
1.2.3 數(shù)據(jù)處理
采用Microsoft Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)進行處理,SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析。
2.1.1 四種小漿果反復(fù)凍融后的外觀變化
4種小漿果經(jīng)過3次凍融循環(huán)后,外觀出現(xiàn)明顯變化,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,草莓、藍莓、枸杞和沙棘的果皮和果肉色澤均逐漸加深且果實皺縮程度逐漸增大,尤其在第3次凍融循環(huán)后最為嚴重。這是由于冰晶破壞了細胞結(jié)構(gòu),造成汁液流失使細胞失水,且果實和果皮暴露在空氣中被氧化,造成褐變現(xiàn)象的發(fā)生[13]。SOD組和SOD-Ca組果實經(jīng)過凍融循環(huán)后,外觀狀態(tài)均優(yōu)于CK組,且SOD-Ca組優(yōu)于SOD組,說明糖溶液滲透脫水處理和鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理對上述4種小漿果的外觀品質(zhì)均能起到較好的保護作用。
2.1.2 四種小漿果反復(fù)凍融后硬度的變化
硬度是反映果實凍融后品質(zhì)的主要指標[14]。由圖1 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各組果實硬度呈現(xiàn)下降趨勢。在冷凍過程中,小漿果胞內(nèi)自由水凍結(jié)后產(chǎn)生的大冰晶會對細胞造成機械損傷,導致解凍后的草莓、藍莓、枸杞和沙棘的硬度下降[15]。在第1 次和第2 次凍融循環(huán)中,SOD 組和SOD-Ca 組果實硬度顯著高于CK 組(P<0.05),且SOD-Ca 組硬度顯著高于SOD組(P<0.05)。這可能是由于滲透脫水處理使小漿果的水分含量降低,減少了冰晶對細胞結(jié)構(gòu)的損傷,從而使果實保持較好的硬度。在第3次凍融循環(huán)后,草莓和沙棘SOD-Ca組與SOD組硬度值無顯著差異,這是因為隨著凍融次數(shù)的增加,冰晶損傷對漿果細胞破壞程度逐漸加深,細胞壁破壞程度嚴重,無法起到支撐細胞強度的作用,導致SOD-Ca組與SOD組的果實硬度下降到相同水平。研究結(jié)果說明,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水凍結(jié)處理可在一定程度上提高細胞支撐強度,起到維持果實硬度的作用。但糖溶液滲透脫水處理和鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理對3 次以上凍融循環(huán)的果實均無法起到緩解其凍融損傷的作用。
圖1 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后硬度的影響Fig.1 Effects of three dewatering treatments on the hardness of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
2.1.3 四種小漿果反復(fù)凍融循環(huán)后色澤的變化
色澤是判斷果實成熟度以及果實品質(zhì)的重要指標之一[16]。L*值表示果實的亮度,a*值表示紅綠值,由負值到正值表示果皮顏色由綠色到紅色的轉(zhuǎn)變,b*值表示黃藍值,由負值到正值表示果皮顏色由藍色到黃色的轉(zhuǎn)變。如表1 所示,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,草莓、藍莓、枸杞和沙棘L*值逐漸降低??赡苁怯捎谛{果在凍結(jié)過程形成冰晶而造成細胞損傷,使酶與底物接觸而導致果實發(fā)生褐變。CK組L*值顯著低于SOD 組和SOD-Ca 組(P<0.05),SOD-Ca 組L*值最高,說明兩種處理均可有效抑制果實褐變,維持果實色澤穩(wěn)定,且鈣鹽結(jié)合糖液滲透脫水處理效果優(yōu)于糖溶液滲透脫水。
表1 脫水處理方式對草莓、藍莓、枸杞、沙棘反復(fù)凍融后色澤的影響Table 1 Effect of dewatering treatment on color of strawberry,blueberry,wolfberry and sea buckthorn after three freeze-thaw cycles
汁液流失現(xiàn)象是水果、蔬菜、畜產(chǎn)、水產(chǎn)等農(nóng)產(chǎn)品原料在冷凍融化后均會出現(xiàn)的劣變現(xiàn)象,其極大地影響了農(nóng)產(chǎn)品的商品銷售性和加工性[17-18]。小漿果是一種典型的高水分含量水果,其凍融后的汁液流失現(xiàn)象比其他水果更加嚴重。如圖2所示,在3次凍融循環(huán)過程中,草莓、藍莓、枸杞和沙棘的汁液流失率均逐漸升高,并且在每一次凍融循環(huán)中,4 種小漿果CK 的汁液流失率均最高,說明SOD 和SOD-Ca處理均能起到降低果實汁液流失率的作用。這可能是因為溶液中的糖分子進入細胞后,對組織中的水分子起到了一定的束縛作用,增強了小漿果的持水力。此外鈣離子也能與細胞壁上的果膠酸結(jié)合形成果膠酸鈣,并對其起到一定的保護作用,從而維持了細胞壁的結(jié)構(gòu),降低了汁液流失率[19]。第3次凍融循環(huán)后,SOD-Ca 組的草莓、藍莓和枸杞汁液流失率最低,分別為13.8%、23.1%、25.6%。說明SOD-Ca 處理對抑制小漿果汁液流失的效果最佳。這一結(jié)果與硬度相對應(yīng),鈣通過與果膠分子中帶負電荷的羧酸基團結(jié)合形成的“鈣橋”結(jié)構(gòu)對細胞壁有一定的支撐作用,從而降低了汁液流失率,提高了果實硬度。
圖2 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后汁液流失的影響Fig.2 Effects of three dewatering treatments on juice loss of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
相對電導率反映果蔬組織細胞內(nèi)電解質(zhì)的滲漏情況。果蔬細胞組織受損后,會導致細胞膜內(nèi)的電解質(zhì)出現(xiàn)外滲現(xiàn)象,導致相對電導率上升[20]。4 種小漿果在反復(fù)凍融中相對電導率變化與細胞膜透性變化相似。如圖3 所示,3 次凍融循環(huán)過程中,各組草莓、藍莓、枸杞和沙棘相對電導率均持續(xù)上升,CK 組始終顯著高于SOD組和SOD-Ca 組(P<0.05)。鈣鹽處理可減輕冷凍貯藏過程中冰晶造成的細胞膜損傷,維持細胞的完整性和功能性,從而保護解凍后果蔬的品質(zhì),故鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理效果優(yōu)于糖溶液滲透脫水,其減輕了細胞冰晶損傷,更好地保護了細胞膜結(jié)構(gòu)。SOD-Ca組與SOD組的沙棘果實間相對電導率無明顯差異,說明鈣鹽滲透脫水處理僅可對部分小漿果起到保護細胞,維持結(jié)構(gòu)完整的作用。
小漿果富含花青素、抗壞血酸、多糖和黃酮類物質(zhì),是重要的植物源功能性食品開發(fā)的原料之一[21-25]??箟难釣檫€原劑,具有強抗氧化性,但由于在果蔬加工過程中較容易損失,因此抗壞血酸是衡量果實抗氧化品質(zhì)和生物活性的最重要指標。由圖4可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各組小漿果抗壞血酸含量均逐漸降低。CK組抗壞血酸含量始終顯著低于SOD 組和SOD-Ca 組(P<0.05),SOD-Ca 組抗壞血酸含量最高。結(jié)果表明,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理與糖溶液滲透脫水處理相比可更有效維持解凍后小漿果的抗壞血酸含量。這可能是由于鈣離子對細胞壁的作用,延緩了細胞中酶促反應(yīng)的進行,從而保護了抗壞血酸免受氧化。與凍融循環(huán)1次相比,SOD-Ca組的草莓、藍莓、枸杞和沙棘抗壞血酸含量在第3次凍融循環(huán)后分別減少22.4%、31.5%、23.7%和32.2%,這可能是由于藍莓、沙棘的含水量更高,冰晶造成了更大的細胞損傷,導致凍融過程中抗壞血酸大量損失。
圖4 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后抗壞血酸含量的影響Fig.4 Effects of three dehydration treatments on ascorbic acid content of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
果實中酚類物質(zhì)具有多種生理活性,影響著果實的色澤風味和營養(yǎng)品質(zhì)[26]。如圖5 所示,在3 次凍融循環(huán)中,各組草莓、藍莓和沙棘3 種小漿果的總酚含量均呈先升高后降低的趨勢,而枸杞的總酚含量呈逐漸下降的趨勢。3 種小漿果前兩次凍融后酚類物質(zhì)增加可能是由于一些結(jié)合態(tài)酚類物質(zhì)在冰晶破壞下,隨汁液流失析出,短暫增加了酚類物質(zhì)的可檢測值[27]。凍融導致枸杞中酚類化合物濃度下降可能是由于枸杞內(nèi)PPO 和POD 活性增強,酚類物質(zhì)氧化導致總酚含量減少[28]。SOD組和SOD-Ca組果實總酚含量顯著高于CK組(P<0.05),說明兩種處理均能抑制凍融循環(huán)過程中4種小漿果酚類物質(zhì)的損失,且第1 次凍融循環(huán)結(jié)束時,除枸杞外,其余3 種小漿果SOD-Ca 組的總酚含量均高于SOD 組,說明在1 次凍融循環(huán)處理下,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理優(yōu)于糖溶液滲透脫水處理,對果實總酚含量有更好的維持效果。
圖5 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后總酚含量的影響Fig.5 Effects of three dehydration treatments on total phenol content of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
多酚氧化酶和過氧化物酶是引起果蔬酶促褐變的關(guān)鍵酶,也是果蔬加工過程中需要進行酶活性抑制的指示性酶。果蔬在加工前,常利用漂燙、熱蒸汽等方法對POD和PPO等與氧化相關(guān)的酶類進行鈍化處理,以保持果蔬品質(zhì)[29-30]。如圖6和圖7所示,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各組草莓、藍莓、枸杞和沙棘POD 和PPO 活性均隨凍融次數(shù)增加逐漸升高。反復(fù)冷凍融化過程會嚴重損傷漿果細胞,導致原本處于細胞器中的酶從組織中滲出,大量接觸氧氣、底物,從而激活PPO和POD等酶活性[27]。SOD組和SOD-Ca組果實的PPO和POD活性始終顯著低于CK組(P<0.05),且SOD-Ca處理可以更有效地降低POD和PPO活性。綜上,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理可有效抑制4種小漿果的PPO和POD活性,保持細胞完整性,維持果實色澤,提升果實貯藏品質(zhì)和食用價值。
圖6 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后多酚氧化酶活性的影響Fig.6 Effects of three dewatering treatments on polyphenol oxidase activity of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
圖7 脫水處理方式對草莓(A)、藍莓(B)、枸杞(C)、沙棘(D)反復(fù)凍融后過氧化物酶活性的影響Fig.7 Effects of dewatering treatments on peroxidase activity of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles
本研究發(fā)現(xiàn),通過鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水和糖溶液滲透脫水處理后的草莓、藍莓、枸杞和沙棘4種小漿果經(jīng)過3次凍融循環(huán)后,其各項品質(zhì)指標均優(yōu)于普通緩凍組,且鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理效果最佳,可顯著降低4種小漿果的細胞膜透性和汁液流失,維持小漿果硬度,同時減少了4 種小漿果的抗壞血酸和酚類等生物活性物質(zhì)的損失。在第2 次凍融循環(huán)后,草莓、藍莓和枸杞的總酚含量有一個明顯的增長,這可能是因為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,3種小漿果受到更大的冷凍脅迫,環(huán)境刺激果實自身產(chǎn)生更多酚類物質(zhì),以減少自身氧化損傷所致。另外,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理還可有效抑制4種小漿果的多酚氧化酶和過氧化物酶活性,減少果實暴露在空氣中所發(fā)生的酶促褐變和氧化損傷,維持小漿果加工和營養(yǎng)品質(zhì)。但在前兩次凍融循環(huán)中,鈣鹽結(jié)合糖溶液滲透脫水處理可有效提升漿果質(zhì)地品質(zhì),但在第3次凍融循環(huán)后,SOD組和SOD-Ca組之間無顯著差異,這可能是冰晶對漿果細胞過度破壞造成的。本研究將鈣鹽處理和滲透脫水兩種果蔬貯藏技術(shù)有機結(jié)合,為解決小漿果原料不耐冷凍提供了技術(shù)支撐和理論依據(jù)。