杜茜茜，易建勇，畢金峰，馬有川，趙圓圓

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

我國是世界蘋果種植、生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2018年產(chǎn)量達(dá)3 923.34萬 t，占世界蘋果總產(chǎn)量的45.55%[1]。干制加工可顯著降低原料的水分含量和微生物活性，減少貯藏過程中的物理化學(xué)變化，延長商品的貨架期，是蘋果的重要加工方式[2-3]。果蔬脆片因其口感酥脆、方便即食、營養(yǎng)健康、便于攜帶等特點(diǎn)深受消費(fèi)者青睞，其占蘋果加工制品的市場份額逐年穩(wěn)步提高。

目前，用于蘋果脆片生產(chǎn)的干制技術(shù)主要包括真空冷凍干燥[3]、微波真空干燥[4]、壓差閃蒸干燥[5]和真空低溫油浴等[6]。其中，真空冷凍干燥技術(shù)在真空低溫的條件下使?jié)裎锪现袃鼋Y(jié)的水分直接升華，干燥后形成疏松的多孔結(jié)構(gòu)，較好地保持了物料原有的物理性狀，營養(yǎng)成分保留率高，貯藏時間較長[7-9]。因此，真空冷凍干燥制品更符合現(xiàn)代消費(fèi)者對營養(yǎng)健康的消費(fèi)需求，在休閑食品市場上占據(jù)相當(dāng)高的比例，顯示出良好的市場前景和發(fā)展?jié)摿10]。

近年來出現(xiàn)了真空冷凍干燥重組果蔬食品，其工藝是將單一或多種果蔬打漿混合后凍干，形成果蔬干制品新的微觀結(jié)構(gòu)[11-12]。相比于天然果蔬脆片，真空冷凍干燥重組果蔬食品有如下優(yōu)勢：一是可將不同果蔬和食品原料按所需比例自由組合，可作為實(shí)現(xiàn)基于不同人群營養(yǎng)需求和個性化食品精準(zhǔn)制造的有效手段[13-14]；二是將不同果蔬原料破壁和勻漿后形成均勻的果漿體系，可避免天然果蔬在凍干過程中因表皮蠟質(zhì)、天然組織細(xì)胞屏障等造成的升華通道阻礙，干燥速率和干燥品質(zhì)顯著提升[15]；三是通過對果蔬原料的配比和果漿中物質(zhì)成分的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控[16-17]。然而，果漿狀態(tài)下冷凍干燥獲得的重組脆塊，完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，重構(gòu)建立的組織連接薄弱，結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致硬度偏低，酥脆口感不佳，產(chǎn)品更容易吸潮，同時產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中容易破損[10,16-17]。

果膠是自然界中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的多糖，主要存在于初生細(xì)胞壁中，對植物細(xì)胞組織的相互連接具有重要作用。研究表明，果膠是支撐干燥果蔬切片孔隙結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)，賦予干燥食品一定的剛度和水分吸附特性[18]，但果膠物質(zhì)在重組果蔬食品質(zhì)構(gòu)形成和水分吸附行為中的作用機(jī)制尚不明確。因此，本研究以蘋果為對象，通過調(diào)高或調(diào)低蘋果物料中果膠含量，探討果膠對真空冷凍干燥重組蘋果塊質(zhì)構(gòu)和吸濕特性的影響，旨在為實(shí)現(xiàn)重組果蔬食品質(zhì)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富士蘋果（Malus domestica），購于幸福榮耀（北京）超市有限公司，選擇成熟度一致、大小均一、無機(jī)械損傷和病蟲害的蘋果為實(shí)驗(yàn)原料。

果膠（蘋果源） 美國Sigma公司；果膠酶（食品級，100 000 U/g）、纖維素酶（食品級，50 000 U/g）北京索萊寶科技有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CL50蔬菜水果處理機(jī) 法國Robot Couple公司；MCKZ-JD6電器兩用蒸飯柜 濱州市美廚廚業(yè)有限公司；HR1848飛利浦四合一榨汁機(jī) 飛利浦家庭電器有限公司；IKA RW20攪拌器 上海玖析科學(xué)儀器有限公司；ULT1386-3-V41超低溫冰箱（－80 ℃） 賽默飛科技有限公司；LG-1.0真空冷凍干燥機(jī) 沈陽航天新陽速凍設(shè)備制造有限公司；TA.HD plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；P14F0114動態(tài)水分吸附儀 英國SMS公司；DSC 8000差示掃描量熱（differential scanning calorimeter，DSC）儀 美國PE公司；SU8010電子掃描顯微鏡 日本日立公司；YC-80旋轉(zhuǎn)混勻儀 杭州米歐儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

蘋果去皮后可食用部分用蔬菜水果處理機(jī)切成2 mm厚的薄片，蒸汽熱燙120 s防止褐變，用榨汁機(jī)打漿，打漿時間為30 s，間隔10 s，打漿3 次。果漿在進(jìn)一步制備時分為7 個不同的處理組，5 組處理中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.5%、1%、2%、4%的果膠，其余2 組果漿中分別加入纖維素酶和果膠酶，作為陰性對照處理組，在40 ℃恒溫水浴中酶解2 h。以純蘋果漿為對照，上述果漿用攪拌器混勻后，倒入長寬高為2.5 cm×2.5 cm×1.4 cm的硅膠模具中，－80 ℃冰箱預(yù)凍24 h。

1.3.2 真空冷凍干燥

冷肼溫度為－40 ℃，真空度為60 Pa，一次干燥隔板溫度為25 ℃，二次干燥隔板溫度為50 ℃。一次干燥樣品量為560 g，物料干燥至水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4%，并置于干燥器中均濕48 h后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定。

1.3.3 半乳糖醛酸含量測定

重組樣品中半乳糖醛酸含量參考Peng Jian等[18]的方法，采用分光光度法，以半乳糖醛酸作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，每個樣品重復(fù)測定3 次。

1.3.4 色澤

用LensEye-NET色彩分析系統(tǒng)測定重組蘋果塊的外觀顏色，獲得以下色澤參數(shù)：亮度值（L*）、紅度/綠度值（a*）、黃度/藍(lán)度值（b*）、色相角（hab*）和色度（Cab*）。每個樣品重復(fù)測定3 次。

1.3.5 硬度和脆度測定

參考Peng Jian等[18]的方法，采用物性測試儀測定樣品硬度和脆度。選擇切割探頭（HDP/BSK），設(shè)置測試條件：前期測試速率2.0 mm/s，測試中速率1.0 mm/s，后期測試速率2.0 mm/s，觸發(fā)力和穿透距離分別為10 g和45.0 mm。其中，果塊硬度采用測試過程中的最大力表示，單位為g。脆度采用測試過程中的拉斷距離表示，單位為mm。每個處理進(jìn)行了12 次重復(fù)，去除最大值和最小值后取平均值。

1.3.6 相變溫度測定

采用DSC儀測定高水分含量樣品的結(jié)晶和熔融溫度，以及真空冷凍干燥后蘋果塊的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[19]。稱取8.0～9.0 mg凍干后的蘋果塊粉放入鋁坩鍋中，密封，一個空坩鍋被用作參照。儀器掃描程序：以10 ℃/min從30 ℃冷卻到－70 ℃，平衡5 min，同樣的速度加熱到100 ℃。采用儀器自帶軟件分析熱流密度曲線，得到初始點(diǎn)、中點(diǎn)及終點(diǎn)的轉(zhuǎn)變溫度，取中點(diǎn)處的溫度定義為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。在高水分含量狀態(tài)下，以同樣的掃描程序測定果漿的共晶點(diǎn)和共熔點(diǎn)。每個樣品測定進(jìn)行3 次重復(fù)。

1.3.7 微觀結(jié)構(gòu)

參考Peng Jian等[20]的方法，并稍作修改。切取蘋果塊斷面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，取斷面粘在樣品臺的導(dǎo)電膠上，噴金處理，樣品的微觀結(jié)構(gòu)圖像在低真空（100 Pa）和10 kV加速電壓下采集，采取3 次掃描，并在60 倍下拍照，分析。

使用Image-Pro Plus 6.0分析獲取的電鏡圖像，將相似的圖像用于定量樣品總孔隙率、平均孔徑、最小孔徑和最大孔徑，以確定材料中多孔結(jié)構(gòu)的分布。

1.3.8 動態(tài)水分吸附

采用Kunz等[21]的方法，并稍作修改。稱量樣品（20～30 mg）置于動態(tài)水分吸附儀中，放置在溫度25 ℃、氮?dú)饬魉?.012 cm3/h、相對濕度0%的環(huán)境干燥至恒質(zhì)量。然后環(huán)境相對濕度以10%增量從0%升至90%，設(shè)置每一階段的dm/dt值（m為樣品質(zhì)量，t為時間）為0.000 05/min，此時質(zhì)量幾乎不隨時間而變化，樣品達(dá)到吸濕平衡，設(shè)定自動記錄樣品質(zhì)量時間間隔為1 min。

1.3.9 振蕩破損率

使用旋轉(zhuǎn)混勻儀分析樣品的振蕩破損率。選取5 塊結(jié)構(gòu)完整的重組蘋果塊，將其置于高143 mm、口徑67 mm的直筒瓶內(nèi)，直筒瓶固定在旋轉(zhuǎn)面板上，儀器旋轉(zhuǎn)時帶動樣品做反復(fù)顛倒運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)混勻儀的角度設(shè)定范圍為0°，轉(zhuǎn)速為15 r/min，旋轉(zhuǎn)時間為60 min。實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次，振蕩結(jié)束后按下式計(jì)算樣品的振蕩破損率[22]：

式中：P為碎屑百分比/%；m為初始蘋果塊的質(zhì)量/g；mt為t時刻碎屑的質(zhì)量/g。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 重組蘋果塊的果膠含量測定

半乳糖醛酸作為果膠的主要組成單元，用其含量衡量重組樣品中果膠占據(jù)的比例。如表1所示，對照組中半乳糖醛酸含量為52.40 mg/g，顯著高于曹風(fēng)等[23]的測定結(jié)果，這可能是由于冷凍干燥過程沒有造成果膠較多的熱降解。此外，隨著商用果膠添加量的增加，樣品中半乳糖醛酸含量隨之線性增加（線性擬合方程為y=3.406 83x＋3.563 55，R2=0.800 89）。纖維素酶和果膠酶處理均增加了樣品中半乳糖醛酸的含量，這可能是由于酶促水解導(dǎo)致細(xì)胞壁多糖組分的降解，并釋放出了部分被“固定”的果膠組分[24]。

表1 重組蘋果塊中半乳糖醛酸含量Table 1 Galacturonic acid contents in the reconstituted apple cubes

2.2 添加果膠對重組蘋果塊硬度和脆度的影響

由圖1可知，所有樣品均呈現(xiàn)出果蔬脆片多孔結(jié)構(gòu)特有的鋸齒狀力學(xué)曲線特征，并且在不同樣品之間呈現(xiàn)不規(guī)則的振動幅度，這取決于探頭下壓過程中對不同孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，由此可反映樣品內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)特征和硬度和脆度[25]。由表2可知，與未添加果膠樣品的硬度（3 526.52 g）和脆度（32.21 mm）相比，隨著果膠添加量從0.5%增加至4%，樣品的硬度升高到2.01～5.41 倍，脆度增加到1.17～1.27 倍。果膠添加量為4%時樣品具有最高的硬度和脆度，表現(xiàn)為硬度提高到5.41 倍和脆度增加到1.27 倍。一方面，果膠良好的膠黏性有利于基質(zhì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，其支鏈的阿拉伯糖和半乳糖與半纖維素、纖維素等剛性組分相互作用，形成的纏結(jié)在受到剪切力時不易被破壞，對維系細(xì)胞壁交聯(lián)和抵抗機(jī)械壓力至關(guān)重要[26]。另一方面，果膠與其他組分（蛋白質(zhì)、淀粉、酚類等）的相互作用也貢獻(xiàn)了基質(zhì)抵抗外界機(jī)械壓力的能力[27]。經(jīng)果膠酶處理的樣品硬度降低34.03%，脆度增加到1.13 倍，這是由于凍干果蔬產(chǎn)品的酥脆性很大程度上取決于體系的物質(zhì)組成（細(xì)胞壁物質(zhì)、初始含水量）和微觀結(jié)構(gòu)（孔隙率、孔徑大小和壁厚）等[28]，而添加的果膠酶和纖維素酶改變了體系中果膠和纖維素的組成結(jié)構(gòu)及作用方式，降低組分對質(zhì)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度。

圖1 重組蘋果塊的壓縮力與距離曲線Fig.1 Compression force and distance curves of reconstituted apple cubes

表2 重組蘋果塊的質(zhì)構(gòu)特性和相變溫度Table 2 Texture and thermodynamic properties of reconstituted apple cubes

2.3 添加果膠對物料共晶點(diǎn)、共融點(diǎn)和Tg的影響

共晶點(diǎn)反映物料凍結(jié)過程中從液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)化的相變溫度[29]。由表2和圖2可知，添加0.1%～4%果膠造成樣品熱流曲線左移，但數(shù)值上不構(gòu)成果膠對果漿樣品共晶點(diǎn)的顯著影響，表明添加少量果膠幾乎不會改變物料的結(jié)晶特性，而纖維素酶和果膠酶酶解的樣品，其共晶點(diǎn)相對于對照分別下降了2.99 ℃和2.92 ℃，這可能是由于酶解后產(chǎn)生單糖和低聚糖提高了樣品中小分子糖的含量，進(jìn)而降低了體系的結(jié)晶溫度[30]。共熔點(diǎn)反映物料升溫過程中的融化溫度，添加不同量果膠或酶解處理的樣品共融點(diǎn)與對照無顯著差異。

Tg涉及到食品在“玻璃態(tài)”與“橡膠態(tài)”之間的轉(zhuǎn)變，當(dāng)Tg低于環(huán)境溫度則不利于食品的貯藏，容易導(dǎo)致食品質(zhì)量下降，例如氧化變質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)降解、結(jié)構(gòu)塌陷等[31]。由表2可知，添加果膠可顯著提高樣品的Tg，添加0.1%～4%的果膠可將蘋果塊的Tg提高4.7～20.25 ℃，在DSC熱分析圖（圖2c）中觀察到玻璃化轉(zhuǎn)變臺階明顯右移趨勢，這與果膠作為生物大分子有關(guān)，其加入降低了基質(zhì)中分子的遷移率而增加混合物的總Tg。此外，果膠還可能與食品中細(xì)胞壁多糖和酚類組分之間產(chǎn)生鍵合作用，限制其在體系中的自由移動，也會導(dǎo)致Tg的增加。添加果膠酶或纖維素酶后整體的Tg降低，這與Yi Jianyong等[32]在膨化干燥的火龍果片中觀察到的現(xiàn)象一致，可能是由于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)多糖發(fā)生解聚導(dǎo)致的體系流動性增加。

圖2 果漿凍結(jié)溫度（a）、融化溫度（b）及干燥后重組蘋果塊Tg（c）的典型DSC熱分析圖Fig.2 Typical DSC thermograms showing the freezing temperature (a) and melting temperature (b) of apple puree and the glass transition temperature (c) of dry reconstituted apple cubes

2.4 微觀結(jié)構(gòu)及孔徑分布

如圖3所示，對照組樣品顯示出高密度、無序、不規(guī)則的組織結(jié)構(gòu)（圖3a方框所示），這是由于重組材料在破壁和勻漿等加工過程中完整的細(xì)胞壁被破壞，類似于消化過程對食糜顆粒的破壞和尺寸的減小[33]。在添加0.5%～4%果膠樣品的掃描電子顯微照片中可以觀察到，重組體系形成多孔結(jié)構(gòu)，孔道的方向與樹狀冰晶的形成方向一致。添加0.5%果膠時形成的孔隙結(jié)構(gòu)大小不均一，呈隨機(jī)分布。隨著添加量的增加，蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，添加量增加至4%，體系中半乳糖醛酸含量達(dá)到173.97 mg/g時，重組食品形成均勻的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)（圖3f箭頭所示）。經(jīng)過纖維素酶和果膠酶處理后樣品表面光滑，無明顯的孔邊界，這可能是由于完整的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被酶解聚，并產(chǎn)生較多的小分子糖[34-35]。

圖3 重組蘋果塊的掃描電子顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron micrographs of reconstituted apple cubes

為進(jìn)一步表征重組蘋果塊的孔隙結(jié)構(gòu)，利用圖像分析軟件得到樣品的孔隙率及孔徑分布如表3所示。對照組樣品在未添加外源果膠時具有最大的孔隙率，添加果膠后孔隙率呈降低的趨勢。與對照樣品的平均孔徑（3.00 μm）和最小孔徑（1.52 μm）相比，添加果膠和酶處理均增加了樣品的平均孔徑和最小孔徑，并且添加果膠酶的樣品形成了急劇增加的最大孔徑。

表3 重組蘋果塊的孔隙率和孔徑分布Table 3 Porosity and pore size distribution of reconstituted apple cubes

2.5 動態(tài)水分吸附

由圖4a可知，特定相對濕度下，果膠添加量為0.1%時，吸附時間內(nèi)樣品的質(zhì)量變化高于對照樣品，這可能與果膠鏈中存在的親水基團(tuán)（未甲酯化羧基和氫鍵）對水的高親和力有關(guān)[21]。增加果膠的添加量在0.5%以上，樣品中半乳糖醛酸含量達(dá)到70.65 mg/g，同樣吸附時間內(nèi)樣品質(zhì)量變化減小，這可能是由于樣品孔隙率（表3）降低，限制了毛細(xì)作用和蒸汽在孔隙中的擴(kuò)散速率，尤其是在高的相對濕度下[36]。

由圖4b可知，樣品存在解吸滯后現(xiàn)象。將體系中孔結(jié)構(gòu)視為互連網(wǎng)絡(luò)的模型，這些模型將遲滯歸因于孔阻塞，導(dǎo)致水分子逃逸速度較慢[37]。此外，在吸附-解吸的一個循環(huán)結(jié)束時，質(zhì)量的變化不會回到起始點(diǎn)，樣品在解吸過程中存在一些“被截留”的水分，這說明水分吸附是不完全可逆的[38]，尤其是具有多孔性的固體介質(zhì)，毛細(xì)管凝結(jié)可能是食品截留住水分的重要原因[36]。酶解樣品具有相反的吸附和解吸效果，這可能是由于其特殊結(jié)構(gòu)的大孔性和弱連接作用（圖3g、h），降低了水分的移動阻力。

圖4 重組蘋果塊的動態(tài)水分吸附（a）和吸附-解吸等溫線（b）Fig.4 Dynamic moisture adsorption (a) and adsorption-desorption isotherms (b) of reconstituted apple cubes

2.6 振蕩破損率

通過制造持續(xù)均勻的振蕩模擬產(chǎn)品運(yùn)輸過程造成的物理崩解，發(fā)現(xiàn)樣品的破損率隨著果膠添加量的升高而降低。由圖5可知，振蕩持續(xù)作用60 min的情況下，對照樣品與4%果膠添加量樣品的破損率分別為60.94%和26.95%，破損率降低55.78%，產(chǎn)品完整性顯著提高。經(jīng)果膠酶處理的樣品破損率增加到1.24 倍，這與重組蘋果塊在硬度上的降低一致（表2）。由圖6可知，添加果膠有效提高了重組蘋果塊的完整性，產(chǎn)品形狀與原始蘋果塊最為相似，振蕩產(chǎn)生的碎屑量更少，經(jīng)果膠酶處理的樣品破損最嚴(yán)重。

圖5 重組蘋果塊的振蕩破損率Fig.5 Breaking rates during oscillation of reconstituted apple cubes

圖6 樣品破損圖Fig.6 Pictures of broken reconstituted apple cubes

2.7 色澤

如圖7所示，由于果膠的引入，導(dǎo)致樣品L*值（亮度）的降低以及a*值和b*值的增加，樣品的色相角（hab*）和色度值（Cab*）增加，這與Holzwarth等[39]觀察到添加果膠后果醬色澤的變化一致。這種顏色變化與果膠本身的顏色以及果漿顏色的稀釋有關(guān)，商用果膠的黃褐色增加樣品的b*值，使樣品色澤變黃。果膠酶和纖維素酶處理降低了樣品的L*值、a*值和b*值，可能是由于細(xì)胞壁酶解后降低了產(chǎn)品內(nèi)部的細(xì)胞密度，從而減少了入射光子遇到的細(xì)胞-空氣和空氣-細(xì)胞界面的數(shù)量（通過有效地增加孔表面密度），影響了重組樣品中光的散射[40]。

圖7 重組蘋果塊的亮度值、紅度/綠度值、黃度/藍(lán)度值、色度和色相角Fig.7 CIE L*, a* and b* color co-ordinates, chroma and hue angles of reconstituted apple cubes

3 結(jié) 論

重組果蔬塊的微觀多孔結(jié)構(gòu)及孔隙壁的化學(xué)組成是決定多孔介質(zhì)質(zhì)構(gòu)特征的物質(zhì)基礎(chǔ)，并影響其在環(huán)境相對濕度下的水分吸附行為。果膠含量顯著影響重組蘋果塊質(zhì)構(gòu)特征，當(dāng)果膠添加量為4%時，重組蘋果塊的硬度提高到5.41 倍，脆度增加到1.27 倍，振蕩破損率降低了55.78%。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析，對于重組蘋果塊內(nèi)部無序的組織結(jié)構(gòu)來說，果膠添加量為0.5%及以上時出現(xiàn)了典型的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，表明果膠含量顯著影響重組果蔬孔隙形態(tài)。此外，果膠添加量超過0.5%時，重組脆片易碎性改善，同時還表現(xiàn)出相對較低的吸濕性，有利于產(chǎn)品的貯存和運(yùn)輸。綜合來看，通過改變果蔬漿中果膠含量是實(shí)現(xiàn)對重組果蔬質(zhì)構(gòu)和吸濕性精準(zhǔn)調(diào)控的有效手段。然而，重組果蔬是復(fù)雜的食品體系，果蔬組織中果膠與其他內(nèi)源組分是否存在協(xié)同作用，以及該協(xié)同作用對質(zhì)構(gòu)和吸濕性的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步探討。