麥潤(rùn)萍，馮銀杏，李汴生

(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州，510640)

獼猴桃又稱奇異果、陽桃、羊桃等，是獼猴桃科(Actinidiaceae)獼猴桃屬(Actinidia)多年生落葉藤本果樹。獼猴桃富含多種人體必需的維生素、氨基酸、礦物質(zhì)及多酚類物質(zhì)，氨基酸種類與含量和人大腦細(xì)胞中的含量極為相似[1]，其Vc含量很高，被譽(yù)為“Vc之王”。利用真空冷凍干燥技術(shù)制備獼猴桃片，能夠有效地保留獼猴桃本身特有的營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味和色澤，保持產(chǎn)品原有的結(jié)構(gòu)和形狀。其中，預(yù)凍是真空冷凍干燥過程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。干燥過程中若物料中的水分沒有完全凍結(jié)，仍存在的部分液體會(huì)在真空下迅速蒸發(fā)，造成液體濃縮，營(yíng)養(yǎng)成分流失，產(chǎn)品體積縮小[2]。預(yù)凍溫度通過改變物料凍結(jié)速率，影響物料凍結(jié)時(shí)冰晶的形成和成長(zhǎng)，從而影響凍干產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)[3]。

分形理論是由MANDELBROT于1975年在他發(fā)表的著作“分形對(duì)象：形、機(jī)遇與維數(shù)”中提出，用以定量表達(dá)自然界中傳統(tǒng)歐式幾何學(xué)不能描述的復(fù)雜而有規(guī)則的幾何現(xiàn)象[4]。分形維數(shù)是描述分形特征的一個(gè)重要參數(shù)，可以定量描述孔隙分布的規(guī)則和均勻程度，在土、煤、儲(chǔ)層砂巖、織物等多孔隙物質(zhì)中有廣泛的應(yīng)用[5]。在食品方面，阮征等[6]采用掃描電鏡和圖像分析法測(cè)定粵式杏仁餅的孔隙微觀結(jié)構(gòu)，基于分形理論探究粉料粒度對(duì)粵式杏仁餅干燥及其品質(zhì)的影響。王經(jīng)洲等[7]運(yùn)用掃描電鏡和Image-pro圖像分析技術(shù)研究油料餅孔隙結(jié)構(gòu)，探討油料餅孔隙結(jié)構(gòu)的分形特性以及壓榨壓力對(duì)油料餅孔隙結(jié)構(gòu)的影響。ZHANG[8]等用掃描電子顯微鏡和Image-ProPlus圖像軟件分析鴨蛋殼的尖端，鈍端和赤道的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)量孔隙邊緣的分形維數(shù)和孔徑分布，表明蛋殼分形特征顯著。目前，運(yùn)用圖像分析法和分形維數(shù)分析預(yù)凍溫度對(duì)凍干片結(jié)構(gòu)和分形特征影響的研究幾乎沒有。

本文研究預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃干燥特性及品質(zhì)的影響，利用掃描電鏡和圖像分形技術(shù)研究不同預(yù)凍溫度下，獼猴桃片的微觀結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙截面邊界和尺寸分布分形維數(shù)，分析預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片孔隙和分形的影響，為凍干獼猴桃片的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 原料

海沃德獼猴桃，產(chǎn)自陜西省周至縣。

1.2 儀器與設(shè)備

TA.XT.Plus物性測(cè)定儀，英國(guó)Stable Micro System公司；DW-86L578J超低溫冰箱，海爾集團(tuán)；Alphal-4Lplus真空冷凍干燥機(jī)，德國(guó)Christ公司；DZKW-S-4恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；Evo 18掃描電鏡，德國(guó)ZEISS公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

選取成熟度為R-3的獼猴桃果[9]，經(jīng)清洗、去毛、去皮后切成重量相當(dāng)，厚度約為1 cm的果片，經(jīng)80 ℃，5 min熱水燙漂后，于-20、-30、-40和-50 ℃(經(jīng)測(cè)定獼猴桃的共晶點(diǎn)為-16.3 ℃)的條件下，凍結(jié)12 h后，在-40 ℃，真空度10-3MPa條件下真空冷凍干燥直至含水量為5%左右。

1.3.2 干燥參數(shù)計(jì)算

干基含水量計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Mt為試樣干燥至t時(shí)刻的干基含水量，(%，db)；mt為試樣干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量，g；mg為試樣絕干時(shí)的質(zhì)量，g。

1.3.3 硬度和脆性的測(cè)定

采用物性測(cè)定儀測(cè)定凍干獼猴桃片的硬度和脆性，平行測(cè)定6次。探頭：P 0.5，質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定(TPA)模式，測(cè)試條件：測(cè)前速度5 mm/s，測(cè)試速度2 mm/s，測(cè)后速度3 mm/s，測(cè)試距離20 mm，感應(yīng)力20 g，壓縮比50%。

1.3.4 復(fù)水比的測(cè)定

將樣品浸泡于35℃蒸餾水中，每隔5 min取出樣品，用濾紙吸干表面水分，稱重。重復(fù)操作直至獼猴桃片吸水呈飽和狀態(tài)，平行測(cè)量3次，計(jì)算公式如下[10]：

(2)

式中：RR(rehydration ratio) 為復(fù)水比；Wt為復(fù)水后瀝干樣品質(zhì)量，g；W0為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g。

1.3.5 感官評(píng)定

由10名有感官評(píng)定經(jīng)驗(yàn)的食品專業(yè)人員組成感官評(píng)價(jià)小組，對(duì)凍干獼猴桃片的外觀、質(zhì)地、色澤、風(fēng)味等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，感官評(píng)價(jià)表如表1所示。各項(xiàng)指標(biāo)得分與權(quán)重之積的和為總分，總分采用10分制。

表1 感官評(píng)定分值表Table 1 Sensory evaluation of kiwifruit slices

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

取不同預(yù)凍溫度下的凍干樣品橫斷面，用導(dǎo)電膠將樣品固定在樣品板上，噴金、抽真空后采用掃描電鏡進(jìn)行觀察、拍照，放大倍數(shù)為100。

1.3.7 分形分析

將掃描電鏡拍攝的100倍放大圖片通過Image J軟件轉(zhuǎn)化為8級(jí)灰度圖，對(duì)其進(jìn)行黑白二值處理和孔隙分析，不同預(yù)凍條件下得到的獼猴桃凍干脆片的平均孔隙面積、平均等效孔隙直徑、平均孔隙周長(zhǎng)、孔隙率，其中平均孔隙直徑為按等面積圓換算得到的截面等效直徑。

孔隙界面邊界分形維數(shù)計(jì)算公式如下[11]：

(3)

式中:L為孔隙周長(zhǎng)，A為孔隙面積，D為分形維數(shù)。截面邊界分形維數(shù)D值為孔隙面積和孔隙周長(zhǎng)的雙對(duì)數(shù)作圖所得斜率的2倍。

孔隙尺寸分布分形維數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

lgN(r)=lgα-Dlgr

(4)

式中:r為孔隙的等效直徑，N(r)為孔徑大于r的孔隙個(gè)數(shù)，a為常數(shù)。尺寸分布分形維數(shù)D值為每個(gè)孔隙的等效半徑和孔徑大于r的孔隙個(gè)數(shù)的雙對(duì)數(shù)作圖所得的斜率絕對(duì)值。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制，采用SPSS 22.0、Origin 9.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃片干燥特性的影響

由于在-40 ℃，10-3MPa的真空冷凍干燥條件下，得到的獼猴桃片孔隙更為均勻，因此獼猴桃片在不同溫度下預(yù)凍后，在此條件下進(jìn)行干燥，直至水分降低到5%左右。以獼猴桃的干燥時(shí)間為橫坐標(biāo)，干基含水量為縱坐標(biāo)，得到如圖1所示的不同預(yù)凍溫度下凍干獼猴桃片的干燥曲線圖。

由圖1可知，預(yù)凍溫度越低，干燥速率越小。凍結(jié)速率的大小直接影響物料內(nèi)部所產(chǎn)生的冰晶數(shù)量和體積，由此對(duì)后續(xù)真空干燥的傳質(zhì)與傳熱產(chǎn)生一定影響[12]，預(yù)凍溫度越高，干燥速率越大，主要原因是預(yù)凍溫度越高，產(chǎn)生的冰晶數(shù)量少，但體積大，干燥初期部分冰晶升華后所形成的水蒸氣傳輸通道相應(yīng)也較大，從而有利于后續(xù)冰晶升華時(shí)的水蒸氣的逸出[13]；而預(yù)凍溫度越低，凍結(jié)速率越大，產(chǎn)生的冰晶數(shù)量多且體積較小，隨著升華的進(jìn)行，多孔干燥層厚度增加，細(xì)小冰晶形成的空隙小，水蒸氣逸出的阻力大，延緩了冰界面上升華水分子的外逸，這與陶樂仁等[14]研究結(jié)果一致。

圖1 不同預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃片干燥曲線Fig.1 Effect different pre-freezing temperature on dryingcurve

2.2 預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片硬度和脆性影響

硬度和脆性是凍干食品品質(zhì)的重要參數(shù)，圖2反映了不同預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片硬度和脆性的影響。

圖2 預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃片硬度和脆性的影響Fig.2 Effect of pre-freezing temperature on hardness and cripness of freeze-dried kiwifruit 注：數(shù)據(jù)表達(dá)方式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差；不同上標(biāo)字母 表示在p<0.05區(qū)間存在顯著性差異。

由圖2可以看出，預(yù)凍溫度越低，凍干獼猴桃片的硬度越大。預(yù)凍溫度為-50 ℃時(shí)凍干獼猴桃片的硬度顯著高于-20、-30 ℃(p<0.05)，但-20、-30、-40 ℃之間和-40、-50 ℃之間無顯著性差異(p>0.05)。凍干物料的硬度取決于其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和凍結(jié)時(shí)引起的結(jié)構(gòu)的變化，預(yù)凍溫度較高時(shí)，凍結(jié)速率較慢，形成的大冰晶會(huì)破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，并且形成較大的孔隙，導(dǎo)致凍干片的硬度變小[15]。預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片脆性的影響顯著(p<0.05)，預(yù)凍溫度越低，脆性越大，但-20 ℃和-30 ℃、-30 ℃和-40 ℃之間的差異性不顯著(p>0.05)。食品的脆性是由低水分和疏松多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生[16]，其大小主要與由脆片致密層的形成與結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)[17]，預(yù)凍溫度低時(shí)，脆性越大，這可能時(shí)預(yù)凍溫度越低，凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的冰晶較小而多，凍干后產(chǎn)品內(nèi)部孔隙小而多，結(jié)構(gòu)疏松均勻，使得脆性增大。

2.3 預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片復(fù)水性的影響

復(fù)水性質(zhì)也是衡量?jī)龈墒称菲焚|(zhì)的指標(biāo)之一。不同預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片復(fù)水性的影響見圖3。

圖3 不同預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片復(fù)水比的影響Fig.3 Effect of pre-freezing temperature on rehydration rate of freeze-dried kiwifruit slices

由圖3可知，在復(fù)水的過程中，前5 min凍干獼猴桃片的復(fù)水速率較快，隨后復(fù)水速率減緩，最后趨于平衡，達(dá)到飽和狀態(tài)。相同時(shí)間下，預(yù)凍溫度越高，復(fù)水比越大。凍干獼猴桃片的孔隙決定了其復(fù)水性質(zhì)，平均孔隙面積越大，孔隙率越高，復(fù)水比越大[18]。慢速凍結(jié)時(shí)形成的大塊冰晶在升華后留下較大的空穴，復(fù)水時(shí)水分更快進(jìn)入并截留，而快速凍結(jié)時(shí)形成的細(xì)小冰晶留下均勻而細(xì)小的孔隙，復(fù)水時(shí)水分浸入需要穿過更多層水蒸氣逸出通道，因此復(fù)水緩慢。復(fù)水比規(guī)律和復(fù)水速率一致，預(yù)凍溫度越高，復(fù)水比越大，這與VERGELDT等[19]的研究結(jié)果一致。

2.4 預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片感官指標(biāo)的影響

不同預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片的感官評(píng)分情況見表2。

由表2可知，預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃片色澤和滋味、氣味影響不顯著(p>0.05)，對(duì)外觀和質(zhì)地影響顯著(p<0.05)，預(yù)凍溫度越低，凍干獼猴桃片在外觀和質(zhì)地的評(píng)分越高。總體而言，不同預(yù)凍溫度下的凍干獼猴桃片評(píng)分較高，-40 ℃和-50 ℃的感官評(píng)分顯著高于-20 ℃和-30℃(p<0.05)。-40 ℃和-50 ℃預(yù)凍溫度下的凍干獼猴桃片總體表現(xiàn)為：外形基本與加工前的形狀保持一致，色澤鮮綠，口感較膨松、酥脆，有淡淡果香味。

表2 不同預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片的感官評(píng)定Table 2 Sensory evaluation of freeze-dried kiwifruit slice

2.5 凍干獼猴桃片微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征

2.5.1 微觀孔隙的成像處理

圖4為將不同預(yù)凍溫度條件下獼猴桃片的SEM圖像轉(zhuǎn)化為8級(jí)灰度圖經(jīng)黑白二值化處理所得到。

A-預(yù)凍溫度-20 ℃;B-預(yù)凍溫度-30 ℃;C-預(yù)凍溫度 -40 ℃;D-預(yù)凍溫度-50 ℃圖4 不同凍結(jié)溫度對(duì)凍干獼猴桃片SEM原始圖像及 經(jīng)二值化處理后的圖像Fig.4 Effect different pre-freezing temperature on microstructure of freeze-dried kiwifruit slices

由圖4可以看出，凍結(jié)溫度越高，凍干獼猴桃片形成的孔隙越大而少，凍結(jié)溫度越低，凍干獼猴桃片形成的孔隙越小而多。

表3為采用Image J軟件對(duì)獼猴桃片黑白二值處理的SEM圖像進(jìn)行分析的結(jié)果。

由表3可知，預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片平均孔隙面積、孔隙率、平均孔隙周長(zhǎng)和平均孔隙直徑影響顯著(p<0.05)，預(yù)凍溫度越高，平均孔隙面積、孔隙率、平均孔隙周長(zhǎng)和平均孔隙直徑越大，主要由于凍結(jié)溫度高時(shí)，物料中心與物料表面溫差小，細(xì)胞外的細(xì)胞間隙首先產(chǎn)生冰晶，造成細(xì)胞外的溶液濃度升高，細(xì)胞內(nèi)外由于濃度差而產(chǎn)生滲透壓差，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部水分穿過細(xì)胞膜向細(xì)胞外滲透，產(chǎn)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，大部分水在細(xì)胞間隙內(nèi)凍結(jié)[20]，形成數(shù)量少、分布不均勻的大冰晶。當(dāng)預(yù)凍溫度低時(shí)，物料內(nèi)部降溫速率快，細(xì)胞內(nèi)、外幾乎同時(shí)形成冰晶，物料組織內(nèi)部冰層推進(jìn)速度大于因滲透壓差而導(dǎo)致的水分遷移速度[21]，形成分布均勻、小而多的冰晶，冰晶的分布狀態(tài)接近原物料中水分分布狀態(tài)。

表3 不同預(yù)凍溫度條件下孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試Table 3 Effect of freezing temperature on pore structure measure data

2.5.2 孔隙界面邊界分形維數(shù)

圖5為運(yùn)用Image J軟件對(duì)獼猴桃片黑白二值處理的SEM圖片進(jìn)行測(cè)試分析，分別計(jì)算出試樣中各個(gè)孔隙的周長(zhǎng)和面積，做面積和周長(zhǎng)的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖得知孔隙面積和孔隙周長(zhǎng)呈明顯的線性關(guān)系，進(jìn)行線性回歸。

不同預(yù)凍溫度條件下的孔隙面積—孔隙周長(zhǎng)雙對(duì)數(shù)均有好的線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)均在 0.95以上，表明不同預(yù)凍溫度條件下的孔隙截面形狀結(jié)構(gòu)存在明顯的分形特征?？紫督缑孢吔绶中尉S數(shù)是表征孔隙性狀規(guī)則程度的物理量，孔隙界面邊界分形維數(shù)越大，孔隙界面形狀越不規(guī)則。預(yù)凍溫度為-20、-30、-40、-50 ℃條件下孔隙界面邊界分析維數(shù)分別為0.651 8、0.622 5、0.611 2、0.610 9，呈下降趨勢(shì)，說明預(yù)凍溫度越低，孔隙結(jié)構(gòu)更規(guī)則。

圖5 孔隙界面邊界分形維數(shù)計(jì)算Fig.5 Calculation of fractal dimension for pore ection edge

2.5.3 孔隙尺寸分布分形維數(shù)

圖6為采用Image J軟件對(duì)獼猴桃片SEM圖片進(jìn)行分析，分別計(jì)算出式樣中各個(gè)孔隙的半徑和個(gè)數(shù)，做孔隙半徑和大于給定半徑的孔隙的個(gè)數(shù)的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖，得知孔隙面積和孔隙周長(zhǎng)呈明顯的線性關(guān)系，進(jìn)行線性回歸。

圖6 孔隙尺寸分布分形維數(shù)計(jì)算Fig.6 Calculation of fractal dimension for pore ection distribution

不同預(yù)凍溫度條件的孔隙半徑個(gè)數(shù)—孔隙半徑雙對(duì)數(shù)均有好的線性回歸，其線性相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，表明不同預(yù)凍溫度條件下凍干獼猴桃片的孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯的分形特征。孔隙尺寸分布分形維數(shù)是反應(yīng)孔隙尺寸分布的均勻程度的重要參數(shù)，孔隙尺寸分布分形維數(shù)越大，說明孔隙尺寸分布越不均勻，預(yù)凍溫度孔隙尺寸分布的分形維數(shù)影響顯著(p<0.05)，-20、-30、-40、-50℃條件下孔隙尺寸分布分形維數(shù)分別為1.025、0.956 4、0.920 4、0.860 2，隨著預(yù)凍溫度的減小，孔隙尺寸分布分形維數(shù)減小，孔隙分布越均勻。

3 結(jié)論

預(yù)凍溫度對(duì)獼猴桃片的干燥速率、品質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)影響顯著。對(duì)干燥特性而言，預(yù)凍溫度越低，干燥速率越小，到達(dá)干燥終點(diǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)凍干獼猴桃片品質(zhì)而言，預(yù)凍溫度越低，獼猴桃片的硬度和脆性越大，但是復(fù)水比越小。從感官評(píng)價(jià)結(jié)果來看，-40 ℃和-50 ℃的感官評(píng)分顯著高于-20 ℃和-30 ℃(p<0.05)，其中預(yù)凍溫度對(duì)凍干獼猴桃片的外觀和質(zhì)地有顯著影響(p<0.05)，預(yù)凍溫度越低，凍干獼猴桃片的外觀和質(zhì)地越好，而對(duì)色澤和滋味、氣味沒有顯著性影響(p>0.05)。對(duì)微觀結(jié)構(gòu)而言，凍結(jié)溫度越高，凍干獼猴桃片形成的孔隙越大而少，平均孔隙面積、孔隙率、平均孔隙周長(zhǎng)和平均孔隙直徑越高，凍結(jié)溫度越低，凍干獼猴桃片形成的孔隙越小而多，且結(jié)構(gòu)更規(guī)則，分布更均勻。因此，降低預(yù)凍溫度在一定程度上能夠提高凍干獼猴桃片的品質(zhì)，但降低了干燥速率，延長(zhǎng)干燥時(shí)間，會(huì)使得能耗增加，生產(chǎn)成本增加。