周良付，趙茜茜，曲文娟，馬海樂，潘忠禮，師俊玲

（1.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄酒學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.江蘇大學(xué)食品物理加工研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.美國加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國加利福尼亞 戴維斯 95616）

0 引言

番茄是世界重要的蔬菜作物，我國是番茄制品生產(chǎn)大國，產(chǎn)量位居全球第三。番茄中含有番茄紅素、維C等多種營養(yǎng)物質(zhì)，具有抗氧化、抗衰老、預(yù)防癌癥等功效[1-2]；加工產(chǎn)品主要有番茄醬、番茄汁、去皮番茄等[3]。去皮是番茄產(chǎn)品加工的必要和重要環(huán)節(jié)，也是決定番茄加工效率和產(chǎn)品營養(yǎng)價值的重要因素。提高去皮效率、降低去皮環(huán)節(jié)耗水量和能耗水平、減少廢棄物產(chǎn)量等具有十分重要的產(chǎn)業(yè)意義。

番茄去皮的難易程度與其皮中主要組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。有研究表明，組成番茄皮的主要成分是纖維素、半纖維素、果膠、結(jié)構(gòu)蛋白及其他組分。這些組分的含量會因番茄品種、成熟、果實大小和形狀，以及種植區(qū)域和收獲時氣候等因素的不同而有所差異。這些因素將影響番茄皮與番茄果肉的剝離難易程度[4]。目前報道和應(yīng)用的番茄去皮技術(shù)可以主要分為物理法和化學(xué)法2種[5]。物理方法主要有熱燙去皮、功率超聲去皮、歐姆加熱去皮、紅外輻照去皮，化學(xué)法去皮主要是堿液去皮。其中，熱燙去皮和堿液去皮是工業(yè)化生產(chǎn)中最常用的2種傳統(tǒng)方法；而功率超聲去皮、歐姆加熱去皮、紅外輻照去皮則是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，尚處于研究階段[4]。

1 傳統(tǒng)的番茄去皮技術(shù)

1.1 熱燙去皮

番茄熱燙去皮和堿液去皮示意圖見圖1。

圖1 番茄熱燙去皮和堿液去皮示意圖

由圖1（a）可知，該技術(shù)的去皮機(jī)制為番茄在經(jīng)熱水或熱蒸汽（≥98℃）處理15～60 s的過程中，可導(dǎo)致果皮中果膠和多糖組分發(fā)生部分水解，果皮細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)受到破壞，使其易與果肉發(fā)生分離，達(dá)到去皮作用[6]。經(jīng)熱燙處理后，輔助一些攪拌或摩擦等機(jī)械方式，可進(jìn)一步提高番茄皮的去除率；同時，輔助使用冷水噴淋、冷風(fēng)、真空冷卻等技術(shù)可以迅速降低果肉溫度，防止加熱過度，在一定程度上提高果肉產(chǎn)品中營養(yǎng)成分含量與產(chǎn)品質(zhì)量[7]。熱燙處理曾被認(rèn)為是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保的去皮方法而得到廣泛使用。但存在由于熱燙不足或者不均勻而導(dǎo)致的去皮困難或熱燙過度，進(jìn)而導(dǎo)致的果肉質(zhì)地軟化、營養(yǎng)物質(zhì)損失、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題[8]。

1.2 堿液去皮

由圖1（b）可知，該技術(shù)的去皮機(jī)制為60～100℃的8%～25%NaOH溶液處理15～60 s可以裂解番茄皮表面的果膠類物質(zhì)，破壞果皮中纖維素-半纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致果皮破壞脫落[9]。番茄外果皮的細(xì)胞壁較薄，果膠和半纖維素物質(zhì)含量也低于果肉。因此，堿液處理首先裂解的是番茄外果皮中果膠物質(zhì)，而果肉中果膠物質(zhì)則受損較少，從而實現(xiàn)外果皮與果肉間分離，達(dá)到皮層脫落的效果。

為了進(jìn)一步提高番茄的堿液去皮效率，有人提出在用堿液處理之前，先用乙酸乙酯等剝離助劑對番茄進(jìn)行預(yù)處理?？梢詼p少番茄表皮的蠟質(zhì)層，使其表面產(chǎn)生裂紋，有助于后續(xù)堿液處理能夠更加充分地滲透進(jìn)番茄表皮，使剝皮更加徹底，提高脫皮效率[10]。但是，增加預(yù)處理工序會增加產(chǎn)品的加工時間，也會存在有毒助劑的殘留問題，從而限制了這種方法的應(yīng)用。

由于堿液去皮在效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面均優(yōu)于熱燙去皮，其在美國中西部的番茄加工中得到了大規(guī)模應(yīng)用。然而，堿液去皮會排放出大量的NaOH廢液，即使經(jīng)HCl中和處理后，也含有大量鈉離子，從而導(dǎo)致土壤鹽堿化，環(huán)境污染問題嚴(yán)重。為了降低NaOH溶液引起的土壤環(huán)境污染，Das D J等人[11]提出，用KOH代替NaOH，將其使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)從18%降至12%，可以減輕由于NaOH堿液廢水造成的土壤鹽堿化問題。

2 新興的番茄去皮技術(shù)

由于上述2種傳統(tǒng)去皮技術(shù)存在一定缺點，研究人員陸續(xù)開發(fā)了功率超聲、歐姆加熱和紅外輻照等新型番茄去皮技術(shù)。與上述常規(guī)去皮方法相比，這些新興技術(shù)對產(chǎn)品品質(zhì)影響較少，更為環(huán)保。

2.1 功率超聲去皮

作為一種新型的食品加工技術(shù)，超聲波在食品的干燥、殺菌、解凍、提取等方面得到了廣泛研究與應(yīng)用。

番茄功率超聲去皮技術(shù)示意圖見圖2。

圖2 番茄功率超聲去皮技術(shù)示意圖

由圖2可知，功率超聲去皮的原理為20～100 kHz超聲波振動產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)等作用會導(dǎo)致番茄果皮組織中的半纖維素和果膠發(fā)生降解，從而導(dǎo)致果皮與果肉發(fā)生分離[12]。此外，這種頻率的超聲波功率較小，不會引起食品材料性能的改變。

王麗娟等人[13]的研究結(jié)果表明，功率超聲去皮（95℃，40 kHz，2 700 W，60 s）能夠降低番茄去皮難度，減少去皮過程引起的產(chǎn)品質(zhì)量下降，同時能夠有效提高番茄果實的亮度和消費者的接受程度，還可以減少去皮過程中番茄紅素降解率，提高最終產(chǎn)品中番茄紅素含量。提高功率強(qiáng)度對番茄去皮難易程度無顯著影響，但是適當(dāng)延長超聲去皮處理時間可以有效提高番茄去皮的容易程度，但超過45 s后提高作用有限。功率超聲處理時間對去皮質(zhì)量的影響呈拋物線型：處理時間過短，番茄果皮與果肉分離不完全；處理時間過長，則會導(dǎo)致果肉損失增大；以處理時間為60 s時的果肉損失量最小。綜合考慮，用40 kHz功率的超聲波在270 W/L，95℃條件下處理60 s時的番茄去皮效果和產(chǎn)品質(zhì)量最佳[12]。

Rock C等人[14]指出，將功率超聲（20 kHz，1 500 W）與低濃度堿液（2%）聯(lián)合作用，不僅可以提高剝離效果，還可以降低去皮損失。高瑞萍[15]發(fā)現(xiàn)，先用堿液處理（97℃，4%）30 s，再輔以功率超聲（密度31.97 W/L，70℃）處理50 s，能夠有效提高番茄去皮效率和去皮番茄的產(chǎn)品質(zhì)量。作為一種環(huán)境友好的新型食品加工技術(shù)，功率超聲將在果蔬去皮加工中得到更為廣泛的應(yīng)用。

2.2 歐姆加熱去皮

歐姆加熱是一種新型的食品熱加工技術(shù)。在食品物料兩端施加電場時，食品物料由于自身的介電特性而在電流作用下產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致食品溫度升高。

番茄歐姆加熱去皮示意圖見圖3。

圖3 番茄歐姆加熱去皮示意圖

由圖3可知，當(dāng)番茄浸入到一定濃度的導(dǎo)電介質(zhì)溶液時，電流的電穿孔效應(yīng)和熱效應(yīng)會導(dǎo)致果皮破裂，從而達(dá)到去皮作用。加熱溫度、導(dǎo)電介質(zhì)的溶液成分、電場強(qiáng)度、食品物料的種類等都會影響番茄皮的剝離性能。同時，歐姆加熱技術(shù)還具有加熱迅速均勻、熱效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點。

Wongsa-ngasri P等人[16]的研究發(fā)現(xiàn)，歐姆加熱處理能夠加速堿液在番茄皮中的擴(kuò)散，縮短番茄的破皮時間；提高電場強(qiáng)度和導(dǎo)電介質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，均可以縮短番茄果皮破裂所需的時間。導(dǎo)電介質(zhì)（NaCl溶液）濃度相同時，電場強(qiáng)度越高，在果皮上產(chǎn)生裂紋所需時間越短。因為較高的NaCl溶液溫度（40℃）和較快的升溫速率都會加速果皮表面蠟質(zhì)融化，加快番茄果皮的開裂速度。但是，升溫速率過高會使溫度難以控制，導(dǎo)致番茄果肉的質(zhì)地發(fā)生迅速軟化，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)下降。研究發(fā)現(xiàn)，電場強(qiáng)度為8 060，9 680 V/m、導(dǎo)電介質(zhì)為0.01%的NaCl溶液，以及電場強(qiáng)度為6 450，8 060 V/m、導(dǎo)電介質(zhì)為0.03%NaCl溶液時，均能達(dá)到較好的番茄去皮效果。此外，導(dǎo)電介質(zhì)的組成和濃度也會影響番茄果皮的剝離效果：電場強(qiáng)度為1 450 V/m、導(dǎo)電介質(zhì)為0.01%NaCl和1.0%NaOH混合溶液時，番茄果皮破裂所需時間最短，去皮后產(chǎn)品的質(zhì)量也高于同濃度的NaCl和NaOH的單一溶液[17]。經(jīng)歐姆加熱聯(lián)合NaCl/KOH混合溶液進(jìn)行去皮加工后，再將電場與CaCl2溶液聯(lián)合處理，可提高去皮產(chǎn)品的硬度；但是，將3種溶液直接混合使用，則會形成Ca（OH）2而影響產(chǎn)品質(zhì)量?？傮w而言，電場與多種導(dǎo)電介質(zhì)溶液聯(lián)合處理，是通過歐姆加熱法進(jìn)行番茄去皮的最佳工藝[18]。

2.3 紅外去皮

紅外線是一種波長范圍處于0.76～1 000μm的電磁波，可以用于加熱處理。其作用原理在于食品物料在受到紅外線照射時，其中的分子能夠吸收紅外線能量，并將其轉(zhuǎn)換為物料分子熱運動的動能，從而使物料溫度升高[19]。與傳統(tǒng)加熱方式相比，紅外輻照技術(shù)具有能量利用率高、安全環(huán)保等多種優(yōu)勢，在食品滅酶、殺菌、果蔬干燥和去皮等加工領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

番茄紅外去皮是一種干法去皮方法。其作用原理是，番茄在暴露于紅外輻照時，能夠通過紅外加熱原理破壞果皮的果膠結(jié)構(gòu)，達(dá)到去皮的目的。在紅外輻照加工過程中，番茄果實會均勻受熱，但是熱量傳遞只發(fā)生在番茄果皮表面，其優(yōu)點是熱傳遞能力高、加熱速率快、產(chǎn)品品質(zhì)破壞低，且能夠減少水和堿液的使用量，是一種去皮效果好、環(huán)境友好的去皮方法[20]。

美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的潘忠禮團(tuán)隊對番茄紅外去皮技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，發(fā)現(xiàn)紅外去皮的果皮剝離效果和產(chǎn)品品質(zhì)與堿液去皮方法相當(dāng)，但在相同或較長處理時間下的果肉損失量較?。粚⒓t外去皮與低濃度堿液或果膠酶溶液預(yù)處理聯(lián)合使用，并不能提高番茄果皮的剝離效果[20]。團(tuán)隊關(guān)于番茄紅外去皮過程中傳熱特性的研究結(jié)果表明，紅外加熱過程中，番茄表面溫度會發(fā)生迅速上升，番茄表面至0.6 mm處的溫度可在60 s內(nèi)升高至90℃，此時番茄中心溫度不到30℃；通過構(gòu)建和調(diào)整紅外加熱過程的數(shù)學(xué)模型，可以實現(xiàn)從紅外發(fā)射功率、物料與發(fā)射器之間的距離，以及番茄大小等方面調(diào)控紅外加熱速率和均勻性[21-22]。

潘忠禮團(tuán)隊關(guān)于紅外加熱實現(xiàn)番茄果皮剝離的作用機(jī)理研究結(jié)果表明，紅外輻照產(chǎn)生的熱量是引起番茄果皮松弛和破裂的關(guān)鍵因素。因為紅外加熱可導(dǎo)致細(xì)胞外角質(zhì)層重組、細(xì)胞壁熱膨脹，以及部分細(xì)胞層塌陷，導(dǎo)致果皮松弛；同時，紅外加熱引起的番茄果皮表面迅速升溫，會導(dǎo)致果皮下壓強(qiáng)增大、果皮強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致果皮破裂。紅外加熱導(dǎo)致的番茄果皮微觀結(jié)構(gòu)變化，與使用熱堿液或蒸汽去皮導(dǎo)致的變化有所不同[23]。紅外加熱30～75 s就可顯著增加番茄果皮的脆性，降低果皮與果肉間的黏合性，使果皮更易剝離，使去皮損失率由12.9%～15.8%降低至8.3%～13.2%，脫去的番茄皮厚度由0.38～1.06 mm減少至0.39～0.91 mm；所得果肉品質(zhì)也有顯著提高[24]。

基于理論研究基礎(chǔ)，潘忠禮團(tuán)隊在2015年設(shè)計，并構(gòu)建了世界第一個中試規(guī)模的番茄紅外去皮系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括紅外加熱管、真空室和壓緊輥3個部分，各部分功能分別為紅外加熱使番茄表皮出現(xiàn)裂縫，真空處理使果皮破裂，壓緊輥則通過機(jī)械方式去除果皮。利用中試紅外系統(tǒng)處理125 s，可使番茄去皮率達(dá)到82%，脫掉的番茄皮平均厚度只有0.75 mm，所得去皮番茄果肉硬度高，表面完整性好，這些特性均顯著優(yōu)于蒸汽去皮法。小番茄的尺寸更為均勻，可以更迅速地吸收紅外能量，也更易在表面產(chǎn)生裂紋，去皮率較高。無論番茄尺寸如何，在紅外加熱后再用真空處理，幾乎可以使100%的番茄果皮產(chǎn)生裂紋，顯著提高果皮裂紋的產(chǎn)生比例；較短的壓緊輥也會限制番茄果皮的剝離效果，適當(dāng)?shù)膲壕o輥長度對保證果皮的高剝離率至關(guān)重要[25]。將該中試系統(tǒng)進(jìn)行商業(yè)化，可使每小時番茄處理量達(dá)到10 t，不同大小和品種番茄的去皮率可達(dá)70%～85%，去皮損失率為16%～42%。用此系統(tǒng)生產(chǎn)的番茄果肉硬度顯著高于蒸汽去皮，產(chǎn)品色澤與蒸汽去皮法相當(dāng)；與堿液去皮和蒸汽去皮相比，紅外脫皮的能源節(jié)約率可達(dá)到22%和28%，而且果皮中無化學(xué)物質(zhì)殘留，可用于加工成附加值更高的深加工產(chǎn)品[26]。

紅外線的光譜特征和紅外發(fā)生裝置的發(fā)射功率會影響紅外線的吸收率和穿透深度等，進(jìn)而影響傳熱效率。潘忠禮團(tuán)隊對比了陶瓷槽式加熱器、柱狀石英加熱器、石英鎢加熱器和石英鹵素加熱器用于番茄去皮的作用效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4種紅外裝置發(fā)射的紅外線峰值波長都處于中紅外波段（2.5～25μm），波長小于催化式紅外發(fā)生裝置；4種裝置表面的平均最高溫度均高于催化式紅外發(fā)生裝置所能達(dá)到的最高溫度，其中石英鎢加熱器的溫度最高可達(dá)825±5.6℃；柱狀石英加熱器的發(fā)射功率和輻射效率最高，分別為37 kW/m2和94%，催化式紅外發(fā)生裝置的發(fā)射功率和輻射效率分別為26 kW/m2和52%；柱狀石英加熱器的加熱速度最快，只需要10 s就可使番茄表面溫度升高到最佳剝離溫度（109～115℃）；相對而言，用柱狀石英加熱器處理時的番茄果皮可剝離性最為理想[27]。團(tuán)隊構(gòu)建了4種加熱裝置用于番茄加熱時，番茄表面和內(nèi)部溫度變化的數(shù)學(xué)模型，可用于指導(dǎo)番茄紅外去皮工藝過程的優(yōu)化[28]。

國內(nèi)有關(guān)番茄紅外去皮技術(shù)的研究較為少見。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的劉自暢等人[29]指出，紅外管功率、加熱管與物料間距和加熱時間會影響番茄的去皮率和表面溫度；通過工藝優(yōu)化，在紅外管功率1.1 kW，加熱管與物料間距6.32 cm、輻射加熱時間4.78 min的條件下，可實現(xiàn)番茄的高效去皮。徐保國等人[30]指出，隨著經(jīng)外加熱時間的延長，催化式紅外的去皮效果呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，當(dāng)紅外照射距離為30 cm，照射時間3 min時，番茄的去皮效果更佳。

番茄紅外加熱去皮中試裝置示意圖[25]見圖4。

圖4 番茄紅外加熱去皮中試裝置示意圖

3 結(jié)語

最大程度地減少番茄在去皮過程中的果肉損失，提高去皮后產(chǎn)品質(zhì)量是所有去皮工藝的追求目標(biāo)。近年來發(fā)展起來的功率超聲去皮、歐姆加熱去皮和紅外去皮等能夠有效避免加熱去皮和堿液去皮的缺點，提高去皮效率與去皮后產(chǎn)品質(zhì)量。其中，以催化式紅外加熱去皮方法的相關(guān)理論研究最為深入，效果最佳，有望發(fā)展為最有潛力的番茄去皮技術(shù)。