熱風干燥和真空冷凍干燥對‘美紅’蘋果片干燥特性及品質(zhì)的影響

張小燕,張宗營,彭勇,陳義倫,陳學森*

1(山東農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院,山東 泰安,271018)2(山東農(nóng)業(yè)大學 園藝科學與工程學院,山東 泰安,271018)

蘋果是深受人們喜愛的水果,果實富含糖、有機酸、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分。近年來,隨著科技的發(fā)展,蘋果的精深加工越來越受到重視,其中,蘋果脆片由于其酥脆的口感、濃郁的香味、低脂肪、高纖維、方便即食等特點,已成為消費者喜愛的新型休閑食品,延長了蘋果的產(chǎn)業(yè)鏈,促進了蘋果精深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當前我國蘋果產(chǎn)業(yè)結(jié)構過于單一,市場上紅富士品種呈現(xiàn)過飽和趨勢,特色化品種資源和加工專用品種嚴重缺乏[1]。本課題組類黃酮含量高的紅肉蘋果品種的選育有助于特色種質(zhì)資源挖掘利用與蘋果產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展[2]。干制紅肉蘋果片的加工可充分利用紅肉蘋果的品種特色,填補市場上紅肉蘋果干制品的空白。

干燥是一個復雜的過程,伴隨著熱、質(zhì)傳遞及物理、化學的變化,因此,不同的干制方法顯著影響產(chǎn)品的特性和品質(zhì)[3-4]。目前,熱風干燥和真空冷凍干燥都是果蔬脆片常用干燥加工方式。SZYCHOWSKI等[5]分析了真空冷凍干燥、熱風干燥、真空微波干燥方法對榅桲的生物活性成分、抗氧化能力和感官品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥產(chǎn)品的總酚含量和抗氧化能力最高,其次是真空微波干燥,熱風干燥產(chǎn)品抗氧化能力最低,且干制后褐變嚴重。許晴晴等[6]對比了真空冷凍和熱風干燥對藍莓品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)真空冷凍干制藍莓復水性、果實總酚和總花色苷含量顯著優(yōu)于熱風干燥產(chǎn)品。熱風干燥成本低、設備簡單、易于操控,但容易造成干制品色澤劣變和營養(yǎng)成分的流失。比較來看,真空冷凍干燥產(chǎn)品外觀品質(zhì)好,但存在加工時間長、能耗高等問題。目前為止,有關紅肉蘋果干制品加工的研究較少。

本研究以類黃酮含量高的紅肉蘋果品種‘美紅’(鮮食加工兼用)為對象,以‘富士’蘋果為參照,利用熱風和真空冷凍干燥技術,研究‘美紅’蘋果片干燥過程中的水分和質(zhì)構變化,分析不同干燥方式的利弊,以期為紅肉蘋果加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅肉蘋果‘美紅’采于山東省聊城市冠縣育種基地,紅富士蘋果購買于山東省泰安市大潤發(fā)超市。

福林酚試劑、NaOH、Na2CO3、甲醇、乙醇等均為分析純,天津凱通化學試劑有限公司。沒食子酸標準品、蘆丁標準品,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱;Scientz-12 N型冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;CR-400型色差計,日本柯尼卡美能達儀器;TA-XT2i型質(zhì)構儀,英國Stable Micro System公司;NMI20-Analyst型核磁共振分析儀,上海紐邁電子科技有限公司;TU-1810型紫外分光光度計,上海普析通用儀器有限責任公司;JSM-6610型掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理方法

實驗時,選用大小、色澤均勻,無病蟲害的蘋果進行清洗、去皮處理,切片厚度均為6 mm,以蒸餾水清洗,瀝干水分后備用。實驗設置熱風干燥、真空冷凍干燥兩個處理,熱風干燥溫度60 ℃,熱風速度2 m/s,每隔30 min翻動1次,確保干燥均勻。干燥時間分別設為1、2、4、6、8、10 h,干制10 h后蘋果片含水量<6%。真空冷凍干燥時先將蘋果片于-80 ℃預凍3 h,后放入預冷的真空冷凍干燥機中,托盤溫度-50 ℃,冷阱溫度-80 ℃,干燥時間分別設為2、4、6、8、12、16 h,干制16 h后蘋果片含水量<6%。取不同干燥時間的蘋果片放入自封袋中,置于干燥器中保存,待測定用。

1.3.2 含水量、水分損失率和水分比的測定

參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》,利用直接干燥法測定含水量。水分損失率為干燥不同時段樣品的水分損失占上一干燥時段樣品重量的比例,其計算參考ZOU等[7]方法略有修改,如公式(1)所示:

(1)

式中:m1,上一干燥時段樣品質(zhì)量,g;ω1,上一干燥時段樣品含水量,g/g;m2,下一干燥時段樣品的質(zhì)量,g;ω2,下一干燥時段樣品的干基含水量,g/g。

含水量的變化以水分比表示,其計算參照KRISHNAN等[8]方法,如公式(2)所示:

(2)

式中:ωt,t時刻樣品的干基含水量,g/g;ω0,樣品的初始干基含水量,g/g。

1.3.3 水分狀態(tài)的測定

參考XU等[9]方法略加改動。干燥后的樣品用手術刀切成長2 cm、寬1 cm的薄片進行低場核磁共振掃描,利用多脈沖回波序列CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)測定樣品中的橫向弛豫時間T2,并計算各組分的比例M2,確定水分狀態(tài)及分布。低場核磁共振測定參數(shù)為:頻率21.0 MHz,90°脈寬12.0 μs,180°脈寬22.0 μs,半回波時間305 μs,累加采樣次數(shù)8次。測定完后,反演得到T2反演譜。每個處理4次重復測定。

1.3.4 復水性的測定

將各處理的干制蘋果片樣品稱重(m1),之后置于25 ℃ 40 mL蒸餾水中,浸泡30 min,取出瀝干水分后再次稱重,記為m2,復水性的計算如公式(3)所示[10]:

(3)

1.3.5 質(zhì)構的測定

參考彭正娥[11]的方法,采用質(zhì)構儀(TA-XT2)P/2探頭進行壓縮試驗。測試參數(shù):測前速度2 mm/s,測試速度1 mm/s,測后速度5 mm/s,測試時2個蘋果片疊加,壓縮距離5 mm,觸發(fā)力5.0 g,記錄硬度(最大的力,g)和脆度(力與時間的比值,g/s),每個處理6次重復測定。

1.3.6 蘋果片顏色的測定

蘋果片顏色采用色差計(Mionlta CR-400)測定,以標準白板校準色差計,記錄各處理蘋果片的L*(明亮度,值越大表示亮度越高),a*(紅綠值,正值表示紅色,負值表示綠色),b*值(黃藍值,正值表示黃色,負值表示藍色),每個處理10次重復測定。根據(jù)公式(4)[12],計算總色差變化值ΔE。

(4)

式中:L0、a0、b0,鮮樣蘋果片的色差值,L*、a*、b*,干燥后蘋果片的色差值。

1.3.7 總酚和總黃酮的測定

樣品的提取參照班清風等[13]的方法并略有修改,蘋果片預先在液氮中研磨成粉,取0.2 g樣品,加入4 mL的80%甲醇,混合均勻,超聲浸提2 h后,于4 ℃條件下10 000 r/min離心15 min,收集上清液備用。

總酚測定反應體系為0.2 mL樣品液、0.5 mL福林酚試劑、0.5 mL的100 g/L Na2CO3溶液,之后用蒸餾水定容至10 mL,搖勻置于25 ℃恒溫水浴中反應1 h,765 nm測定吸光度,以沒食子酸作標準曲線。

總黃酮測定反應體系為0.4 mL樣品液,0.4 mL的50 g/L NaNO2溶液,0.4 mL的100 g/L Al(NO3)3溶液,4 mL的40 g/L NaOH溶液,最后用60%乙醇定容至10 mL,20 min后于510 nm處測量吸光度,以蘆丁作標準曲線。每個樣品重復3次測定,按公式(5)計算總酚和總黃酮含量,單位為mg/g干重:

(5)

式中:ω,總酚和總黃酮的含量,mg/g干重;ρ1,標準曲線查得樣品待測液的濃度,mg/mL;V1,上清液總體積,mL;V2,樣品待測液體積,mL;m,樣品干基質(zhì)量,g。

1.3.8 蘋果片表面組織結(jié)構

采用數(shù)碼相機進行拍照,分析蘋果片表面形態(tài);為進一步獲取蘋果片的表面結(jié)構信息,利用掃描電子顯微鏡觀察細胞組織表面形態(tài),切取干制后的蘋果片樣本,以碳導電膠粘于樣品臺上進行離子噴涂,后掃描電鏡拍照,放大倍數(shù)為100倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

所有數(shù)據(jù)均重復測定3次,實驗結(jié)果表示為平均值±標準差,利用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)分析,利用Excel 2016和Origin 2018軟件進行繪圖,采用方差分析和多重比較進行顯著性分析,以P<0.05表示顯著性差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥方式對蘋果片水分損失率和水分比的影響

水分損失率和水分比可以反應樣品不同時間下的干燥速率,由圖1-a、圖1-b可知,隨著干燥時間的延長,美紅和富士蘋果片的水分損失率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。熱風干燥過程中,蘋果片水分損失率均在2 h達到最大值后下降;真空冷凍干燥過程中,蘋果片水分損失率均在12 h達到最大,說明熱風干燥前期水分損失速率大,這是由于熱風干燥初期,溫度高、傳熱快,樣品表面溫度升高快,水分會被熱空氣迅速帶走[14];而真空冷凍干燥表現(xiàn)為干燥后期水分損失速率大,主要是由于真空冷凍干燥后期為解析干燥階段,此階段物料中大部分的自由水已去除,隨著解析干燥的進行,物料內(nèi)的結(jié)合水也逐漸減少,水分損失率達最大[15]。

a-不同熱風干燥時間水分損失率;b-不同真空冷凍干燥時間水分損失率;c-不同熱風干燥時間水分比;d-不同真空冷凍干燥時間水分比

由圖1-c和圖1-d可知,隨著干燥時間的延長,2種干燥方式下,美紅和富士蘋果片的水分比均逐漸下降。其中,熱風干燥水分比呈現(xiàn)快速下降的趨勢,干燥4 h后水分比即可降至0.1以下,當水分比低于0.1時,其下降趨勢變得緩慢,此時,水分的內(nèi)擴散已成為決定熱風干燥快慢的主要因素。真空冷凍干燥8 h后,水分比降至0.1以下,其干燥速率慢。

2.2 干燥方式對蘋果片水分狀態(tài)的影響

低場核磁共振技術可以實現(xiàn)產(chǎn)品H質(zhì)子信號的快速、無損檢測,通過T2弛豫時間判斷產(chǎn)品中水分的弛豫速率和流動性,能反映干燥過程中果蔬內(nèi)部水分狀態(tài)的變化規(guī)律[16]。由表1可知,新鮮富士和美紅蘋果(0 h)中均存在3種不同的水分狀態(tài),分別為結(jié)合水(T21在0.1～20 ms)、不易流動水(T22在20～200 ms)和自由水(T23在200～1 000 ms),其中,自由水含量最高,T23弛豫時間在800～1 000 ms,這與王雪媛等[17]在蘋果中的研究是一致的。熱風干燥過程中,美紅和富士蘋果的自由水均快速消失,表現(xiàn)為T23弛豫時間消失,總峰面積ATotal逐漸變小,表明干燥過程顯著降低了水分含量,導致了蘋果片內(nèi)部水分狀態(tài)的變化,自由水被去除,水分逐漸被束縛,不易流動水和結(jié)合水成為干燥產(chǎn)品的主要殘留水分。2個蘋果品種相比,熱風干燥過程中,美紅蘋果結(jié)合水的相對峰面積A21逐漸小于富士蘋果,表明其對結(jié)合水的束縛能力弱于富士蘋果。

表1 干燥方式對蘋果片水分分布的影響

真空冷凍干燥過程中,表現(xiàn)了同樣的變化趨勢,但真空冷凍干燥時間較長,前期干燥過程中,自由水消失變慢,真空冷凍干燥8 h后,仍有較多的自由水含量。后期干燥過程中,水分自由度低,不活躍,總峰面積較小。兩個品種比較來看,美紅蘋果總峰面積低于富士蘋果,可能由于美紅蘋果果實小,同等厚度的切片,干燥效果優(yōu)于富士蘋果。

2.3 干燥方式對蘋果片復水性的影響

復水比受到樣品加工過程和組分的影響,一定程度上可反映干制過程樣品內(nèi)部品質(zhì)的變化[18]。如圖2所示,熱風干燥后蘋果片的復水比顯著小于真空冷凍干燥(P<0.05),可能是由于熱風干燥溫度高,干制后蘋果片表皮會形成一層致密的硬殼,組織形變大,復水過程慢。而真空冷凍干燥溫度低,組織結(jié)構疏松,孔隙結(jié)構均勻,復水后,細胞壁快速吸水,由于細胞固有的彈性將水吸入內(nèi)部空腔,并快速恢復到原來的形態(tài)。從品種來看,熱風干燥的美紅和富士蘋果復水比差異不顯著(P>0.05),但真空冷凍干燥后,美紅的復水比顯著低于富士(P<0.05)。

圖2 干燥方式對蘋果片復水比的影響

2.4 干燥方式對蘋果片質(zhì)構的影響

硬度和脆度是衡量干制蘋果片品質(zhì)的重要參數(shù),也是影響消費者選擇產(chǎn)品的關鍵因素之一。表2所示為熱風和真空冷凍干燥對美紅和富士蘋果片質(zhì)構的影響。從硬度值看,熱風美紅>熱風富士>真空美紅>真空富士>鮮樣美紅>鮮樣富士,鮮樣美紅與富士的硬度差異不顯著(P>0.05),熱風干燥8 h后,美紅蘋果片的硬度值從鮮樣的261.93 g增加至5 749.38 g,是鮮樣的21.95倍,可見,熱風干燥顯著增加了樣品的硬度值。從脆度值看,真空冷凍干制蘋果片與鮮樣的脆度值接近,無顯著差異(P>0.05)。冷凍干燥過程伴隨著水分不斷升華,果肉組織較好地保留了干制前的結(jié)構與形態(tài),結(jié)構疏松,賦予產(chǎn)品適宜的硬度和脆度。由此可見,熱風干燥增大了干制品組織間的差異性,而真空冷凍干燥以升華作為失水方式,較好地保持了果實組織結(jié)構特性。

表2 干燥方式對蘋果片質(zhì)構的影響

2.5 干燥方式對蘋果片顏色的影響

色澤是評價干制蘋果片感官品質(zhì)的一項主要指標,也是決定干制品商品價值的重要因素。圖3所示為熱風和真空冷凍干燥過程中美紅和富士蘋果片L*、a*、b*和總色差值(△E)的變化情況。熱風干燥后,隨著含水量的降低,美紅蘋果片L*值先降低后增加又降低,富士蘋果片L*值呈增加趨勢,說明熱風干燥降低了紅肉蘋果片的亮度,增加了富士蘋果片的亮度。真空冷凍干燥后,當水分含量在70%以上時,美紅和富士蘋果的L*值均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢,水分含量低于70%,美紅蘋果L*值降低后又增加,富士蘋果L*值緩慢增加,表明冷凍干燥處理增加了干制蘋果片的亮度。

a-熱風干燥美紅L*值和含水量圖;b-熱風干燥富士L*值和含水量圖;c-真空冷凍干燥美紅L*值和含水量圖;d-真空冷凍干燥富士L*值和含水量圖;e-熱風干燥美紅a*值和含水量圖;f-熱風干燥富士a*值和含水量圖;g-真空冷凍干燥美紅a*值和含水量圖;h-真空冷凍干燥富士a*值和含水量圖;i-熱風干燥美紅b*值和含水量圖;j-熱風干燥富士b*值和含水量圖;k-真空冷凍干燥美紅b*值和含水量圖;l-真空冷凍干燥富士b*值和含水量圖;m-熱風干燥美紅△E值和含水量圖;n-熱風干燥富士△E值和含水量圖;o-真空冷 凍干燥美紅△E值和含水量圖;p-真空冷凍干燥富士△E值和含水量圖

2種干燥方式下,a*值均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。熱風美紅、熱風富士和真空冷凍富士蘋果片的b*值在干燥過程中均呈現(xiàn)增加趨勢,表明熱風干燥后富士蘋果色澤偏黃,美紅蘋果片偏暗紅色;真空美紅蘋果片b*值低于鮮樣,鮮樣果肉色澤為鮮紅色,干燥后色澤偏淺紅。含水量大于40%時,蘋果片的△E值呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,低于40%,△E值變化不顯著,這是由于干燥初期,溫度逐漸升高、水分含量快速下降,由酶促與非酶促反應引起的褐變反應加速,總色澤變化明顯[8,19]。

2.6 干燥方式對蘋果片總酚、總黃酮含量的影響

總酚和總黃酮是美紅蘋果重要的活性成分,由圖4可知,美紅和富士蘋果片總酚和總黃酮含量存在顯著差異。美紅鮮樣的干基總酚(8.58 mg/g干重)和總黃酮(22.88 mg/g干重)分別是富士鮮樣的2.9倍和3.3倍。熱風干燥和真空冷凍干燥顯著影響蘋果片總酚和總黃酮的含量(P<0.05)。熱風干燥過程中,美紅和富士蘋果片總酚及總黃酮含量均隨著熱風干燥時間的延長而顯著降低(P>0.05),熱風干燥10 h時,總酚和總黃酮含量最低。而真空冷凍干燥對總酚和總黃酮的影響不顯著(P<0.05),隨著真空冷凍干燥時間的增加,美紅和富士蘋果片總酚和總黃酮含量略有下降,相比熱風干燥方式,損失率低。真空冷凍干燥16 h美紅蘋果片總酚(7.45 mg/g干重)和總黃酮(22.47 mg/g干重)的含量均顯著高于熱風干燥,這與熱風溫度60 ℃時總酚和總黃酮受熱氧化有關[7,20]?？梢?真空冷凍干燥對紅肉蘋果活性成分的保持要優(yōu)于熱風干燥。

a-總酚;b-總黃酮

2.7 干燥方式對蘋果片表面組織結(jié)構的影響

由圖5-a～圖5-c可知,新鮮的美紅和富士蘋果片色澤分別為鮮紅和亮黃,干制后色澤均變淡、變暗。形態(tài)上看,真空冷凍干燥后,蘋果片表面均勻舒展,較好地保持了原有的外觀形態(tài);而熱風干燥后,表面皺縮明顯,這可能是熱風干燥后組織快速脫水,導致細胞形變、膨壓喪失引起的結(jié)構塌陷[21]。從蘋果片的微觀結(jié)構可知(圖5-d～圖5-g),真空冷凍干燥后,樣品表面細胞結(jié)構清晰,排列較為整齊,無明顯皺縮;熱風干燥后,細胞出現(xiàn)明顯擠壓、變形和損壞的現(xiàn)象,可見,熱風干燥對蘋果片結(jié)構損傷較大,不利于干制品外觀形態(tài)的保持,而真空冷凍干燥水分升華后會形成相對均勻的蜂窩狀多孔結(jié)構,細胞結(jié)構損傷小,較為完整地保留了原始形態(tài)[22]。

a-新鮮的美紅和富士蘋果片;b-冷凍干燥后的美紅和富士蘋果片;c-熱風干燥后的美紅和富士蘋果片;d-真空冷凍干燥的富士掃描電鏡圖;e-熱風干燥的富士掃描電鏡圖;f-真空冷凍干燥的美紅掃描電鏡圖;g-熱風干燥的美紅掃描電鏡圖

3 結(jié)論

干燥方式和果實品種對干制蘋果片的水分特性、質(zhì)構、活性成分及外觀品質(zhì)均有顯著影響。比較來看,熱風干燥速率快,復水性差,蘋果片外觀皺縮、顏色暗淡,硬度值和脆度值增大,總酚和總黃酮含量顯著低于鮮樣果實,活性成分損失嚴重。真空冷凍干燥時間長,復水性好,干制蘋果片外觀平整、舒展,褐變輕、色澤淺,與新鮮樣品相比,總酚和總黃酮損失少,有助于維持紅肉蘋果的活性成分,更適合紅肉蘋果片的加工。真空冷凍干燥條件下,2種蘋果比較來看,美紅蘋果T22弛豫時間長,總峰面積小,干燥效果好,但是復水比低于富士蘋果。該研究為高品質(zhì)紅肉蘋果干制品的生產(chǎn)提供了理論基礎,并為進一步探索適宜于紅肉蘋果的干制加工技術提供參考。