栗俊廣，徐 聰，張旭玥，龐 杰，陳歷水，陳宇豪，白艷紅,*

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南省冷鏈食品質量與安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；4.漯河市衛(wèi)龍生物技術有限公司，漯河市食品安全與營養(yǎng)健康重點實驗室，河南 漯河 462000）

冷凍是調節(jié)魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）凝膠特性的重要手段，可以顯著提高KGM凝膠強度[1]，也是以“魔芋爽”為代表的新型KGM凝膠食品加工的重要工藝環(huán)節(jié)。KGM凝膠在冷凍時，水分子運動受到限制形成冰晶[2]，局部多糖聚集并相互接觸，形成高分子聚集微區(qū)[3]。解凍后分子重新排列，聚集微區(qū)有利于形成更穩(wěn)定的三維凝膠[4]。雖然冷凍解凍過程可以幫助KGM凝膠形成獨特的質構口感，但是也會產生劇烈的脫水現(xiàn)象[5]，導致產品品質下降，已成為行業(yè)內亟待解決的關鍵問題。

針對這一問題，眾多學者通過添加其他蛋白[6]或多糖[7]產生的協(xié)同效應來改善冷凍KGM凝膠特性[8]，但針對KGM凝膠冷凍工藝的改進研究鮮有報道。相比于傳統(tǒng)的空氣冷凍（air freezing，AF），浸漬冷凍（immersion freezing，IF）使用導熱系數(shù)更高的低溫冷凍液，可以有效縮短冷凍時間，改善冷凍品質[9]。而超聲波輔助冷凍（ultrasonic-assisted freezing，UF）技術是指食品在IF的同時施加一定功率的超聲波，可以進一步縮短冷凍時間，改善冷凍品質[10]。有報道指出超聲波會在液體介質中造成湍流，并提高傳熱效率[11]。此外，超聲波產生的空化氣泡可作為冷凍初生冰核，空化氣泡破裂產生的機械力可將生成的冰晶破碎成更小的尺寸，再次作為冰核[12]，繼而減小冰晶的尺寸。Xu Baoguo等[13]發(fā)現(xiàn)UF技術可以縮短紅心蘿卜的冷凍時間并降低解凍時的汁液流失。栗俊廣等[14]發(fā)現(xiàn)UF技術可以減少豬肉肌原纖維蛋白的結構損傷，繼而降低蛋白凝膠的蒸煮損失，并提高冷凍后蛋白凝膠強度。Kiani等[15]發(fā)現(xiàn)UF技術可以縮小冷凍瓊脂凝膠的冰晶尺寸。但利用UF技術改善冷凍KGM凝膠特性的研究鮮有報道。因此，本實驗以AF和普通浸漬冷凍為對照，研究不同功率UF處理對KGM凝膠特性的影響，以期為UF在魔芋凝膠制品中的應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

KGM（型號S30903） 上海源葉生物科技有限公司；無水碳酸鈉 天津大茂化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AB265-S分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；BPHJ-500C高低溫交變箱 上海一恒科學儀器有限公司；SJT-1-10L超聲波輔助速凍設備 無錫上佳生物科技有限公司；JK-8U溫度巡檢儀 常州金艾聯(lián)電子科技有限公司；CR-GIII高速冷凍離心機、Regulus8100高分辨冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本日立公司；TA-XT Plus質構分析儀 英國Stable Micro Systems公司；NMI20低場核磁共振儀 紐邁電子科技（蘇州）有限公司；Lab-1-50冷凍干燥機 瑞典波通公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀 荷蘭帕納科公司。

1.3 方法

1.3.1 KGM凝膠的制備

參考李晶[16]的方法并加以改進，將4 g KGM溶解于90 g去離子水中，將0.48 g碳酸鈉溶解于6 g去離子水，充分攪拌分別使KGM和碳酸鈉在水中充分溶脹和完全溶解，將碳酸鈉溶液加入KGM溶膠，2 000 r/min快速攪拌2 min，注入模具封口靜置2 h。將堿化溶膠90 ℃水浴隔水加熱1 h形成凝膠，待凝膠冷卻至室溫25 ℃，于4 ℃冰箱平衡12 h即制得KGM凝膠。

1.3.2 凍融KGM凝膠制備及降溫曲線繪制

采用AF、IF和UF 3 種不同冷凍方式處理KGM凝膠。AF在-20 ℃高低溫交變箱中進行；IF和UF處理在浸漬冷凍池中進行，樣品浸沒于-20 ℃體積分數(shù)95%乙醇溶液中。IF處理不施加超聲波，UF處理施加功率分別為100、200、300、400 W的超聲波，工作5 s、暫停5 s。所有樣品均使用溫度巡檢儀記錄其降溫曲線，并在中心溫度達到-18 ℃時轉移至-18 ℃冰箱保持12 h，然后在室溫25 ℃下解凍6 h，即制得不同冷凍處理的凍融KGM凝膠。

1.3.3 凝膠強度測定

取經凍融處理后的凝膠，采用質構儀測定凝膠強度，測試程序設定如下：使用P/0.5探頭，下壓距離10 mm，觸發(fā)力5 g，所得應力曲線中第一個峰即為凝膠破裂點，從觸發(fā)點至凝膠破裂點所得距離與應力的積分即為凝膠強度。每個處理組測定6 個平行。

1.3.4 析水率測定

參考Lee等[17]的方法，按下式計算析水率。

式中：m1為新制KGM凝膠質量/g；m2為凍融后擦去表面水分稱取的凝膠質量/g。

1.3.5 低場核磁共振成像分析

參考Shi Liu等[18]的方法并稍加修改，取經不同冷凍處理的凍融KGM凝膠，切成直徑1 cm、高2 cm的圓柱體并置于核磁共振管底部，使用磁共振成像系統(tǒng)對凝膠中的氫質子密度進行測定，并經Osiris軟件進行偽彩處理生成氫質子密度偽彩圖。測定參數(shù)：溫度30 ℃、視場讀數(shù)256 mm、相位192 mm、重復采集4 次、重復時間500 ms、回波時間20 ms。

1.3.6 共晶點及解凍溫度測定

參考Lin Wei等[19]的方法并稍加修改，取約20 mg凍融KGM凝膠密封在鋁盤中平衡24 h后，在差示掃描量熱儀中以空鋁盤為參照，以5 ℃/min降溫速率從20 ℃降低至-30 ℃，平衡5 min后升溫至30 ℃，記錄溫度變化過程中的差示掃描量熱曲線。

1.3.7 結晶度測定

參考Liu Pengfei等[20]的方法并稍加修改，取經不同冷凍處理的凍融KGM凝膠切成1 mm厚薄片，經冷凍干燥后壓制測定樣品，采用X射線衍射儀測定冷凍干燥凝膠樣品的X射線衍射圖譜。2θ范圍5°～90°，步長0.02°。

1.3.8 微觀形貌觀察

將凍融凝膠切成2 cm×2 cm×2 cm立方體，在液氮中冷凍后于樣品制備腔內升華12 min[21]，然后經5 mA、70 s噴金濺射，在冷場掃描電子顯微鏡中觀察其微觀形貌。

1.4 數(shù)據處理與分析

所有實驗均重復3 次，圖表均使用Origin 2018軟件繪制，使用SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析，P＜0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同冷凍處理對KGM凝膠降溫曲線的影響

冷凍期間的溫度變化曲線可直觀地描述不同冷凍處理對KGM凝膠冷凍的影響。從圖1和表1可以看出，AF處理從4 ℃降溫至-18 ℃所需冷凍時間顯著長于IF和UF處理（P＜0.05），這是由于空氣介質的傳熱系數(shù)遠低于液體介質[22]。隨著超聲波功率的增加，冷凍時間先縮短后延長，UF-300 W組的冷凍時間最短，表明適當功率的超聲波可以縮短凝膠冷凍時間，這可能是由于超聲波空化作用產生的大量氣泡作為冰核誘導冰晶的形成，進而縮短了冷凍時間[23]。UF-400 W和IF組的冷凍時間相近，可能是由于過大功率的超聲波在凝膠周圍產生了過多熱量，影響了凝膠傳熱，導致凝膠冷凍時間延長[24]。

圖1 不同冷凍處理對KGM凝膠降溫曲線的影響Fig. 1 Effects of different freezing treatments on cooling curve of KGM gel

表1 不同冷凍處理對KGM凝膠冷凍時間（4～－18 ℃）的影響Table 1 Effects of different freezing treatments on freezing time(4 to ?18 ℃) of KGM gel

2.2 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠強度的影響

由圖2可知，AF組KGM凝膠強度顯著低于IF和UF組（P＜0.05），這可能是由于AF處理的冷凍時間明顯長于IF和UF處理，冷凍時間越長，冰晶尺寸越大[25]，對凝膠內部網絡結構破壞越大，進而降低了凝膠強度。隨著超聲波功率的增大，KGM凝膠強度先增大后減小，UF-300 W的凝膠強度最大，為（744.91±14.02）g，相比于AF組提高了61.23%。這可能與冷凍時間相關，適當功率的超聲波縮短了凝膠冷凍時間，形成的冰晶尺寸減小，對凝膠內部結構破壞減小，同時超聲波空化作用具有一定的均質效果[26]，可以使凝膠內部結構更緊密有序。

圖2 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠強度的影響Fig. 2 Effects of different freezing treatments on the strength of frozen-thawed KGM gel

2.3 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠析水率的影響

由圖3可知，AF和IF組析水率顯著高于UF組（P＜0.05），且在UF組中，隨著超聲波功率的增大，析水率呈先減小后增大的趨勢，UF-300 W組KGM凝膠的析水率最低，為22.61%，相比于AF組降低了23.56%。這可能是超聲波的空化作用誘導冰晶成核且減小了冰晶尺寸，使得在解凍時凝膠網絡結構得以更好地保留，內部重吸收冰晶所融化的水分也更多[27]，因此，UF組析水率相對于AF和IF組更低。但同時超聲波具有一定的熱效應，在功率過大（UF-400 W）時，過高的熱效應降低了冷凍速率，使冷凍時間延長，反而導致冰晶尺寸較大，并最終導致凝膠析水率增大。

圖3 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠析水率的影響Fig. 3 Effects of different freezing treatments on syneresis rate of frozen-thawed KGM gel

2.4 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠水分分布的影響

通過低場核磁共振成像獲得凝膠內部水分的氫質子偽彩圖，其反映了流動態(tài)氫質子的分布情況，圖像中紅色代表氫質子，其密度越大表示水分含量越高[28]。由圖4可知，與AF和IF組相比，UF組KGM凝膠的氫質子分布更多、更均勻，即凝膠內含有更多水分且水分分布更均勻，這與析水率分析結果相印證。隨著超聲波功率的增加，UF-300 W凝膠內部的氫質子分布最均勻，這表明UF-300 W處理可以使凝膠保留更多的水分，且更均勻地分布于凝膠內部。但UF-400 W凝膠內部氫質子密度及分散度低于UF-300 W，表明過高功率的超聲波不僅使KGM凝膠的析水率增加，也使凝膠內部的水分分布更不均勻。

圖4 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠水分分布的影響Fig. 4 Effects of different freezing treatments on water distribution in frozen-thawed KGM gel

2.5 不同冷凍處理凍融KGM凝膠的差示掃描量熱分析結果

由圖5及表2可知，在降溫和升溫過程中，不同冷凍處理凍融KGM凝膠中，UF-300 W凝膠的共晶點最高、解凍溫度最低，AF組的共晶點最低、解凍溫度最高。共晶點的提高和解凍溫度的降低意味著凝膠內水分與多糖的相互作用減弱。含有多糖和水的凝膠在冷凍過程中，溫度下降至結晶點后，水分開始形成冰晶，多糖濃縮于非凍結微區(qū)。在非凍結微區(qū)中，局部多糖濃度提高，多糖與水的締合作用加強[29]，而UF-300 W組析水率最低，凍融后凝膠內部水分含量更多，凝膠內局部多糖濃度相對降低，與水的締合作用減弱，影響水分子結晶，從而提高了共晶點。在升溫過程中，同樣由于多糖與水分子的締合作用減弱，使解凍溫度降低。即經適當功率UF處理的凝膠相比于AF和IF處理更易冷凍和解凍，從而提高了冷凍經濟性和使用便利性。

圖5 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠差示掃描量熱曲線的影響Fig. 5 Effects of different freezing treatments on DSC scanning curves of frozen-thawed KGM gel

表2 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠共晶點和解凍溫度的影響Table 2 Effects of different freezing treatments on eutectic point and thawing temperature of frozen-thawed KGM gel

2.6 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠結晶度的影響

如圖6所示，所有組別均僅在2θ約20°及22°附近有較大的彌散峰，沒有明顯特征峰，表明不同冷凍處理對KGM凝膠的結晶度影響微弱，這與吳岑琳等[30]發(fā)現(xiàn)添加大豆油的凍融KGM凝膠的X射線衍射圖譜峰位置沒有顯著變化、均屬于無定型彌散峰的結論類似。

圖6 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠結晶度的影響Fig. 6 Effects of different freezing treatments on crystallinity of frozen-thawed KGM gel

2.7 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠微觀形貌的影響

如圖7所示，KGM凝膠內部整體呈疏松多孔的網狀片層結構，其褶皺豐富且方向各異[31]。對比AF、IF組可以發(fā)現(xiàn)，UF組凝膠內部網狀結構更加致密，片層結構之間孔隙也更均勻，AF和IF組凝膠的片層結構松散無序，這可能是由于超聲波一定的均質效果使凝膠內部片層結構更加致密。對比不同功率UF組凝膠微觀結構可以發(fā)現(xiàn)，UF-300 W組凝膠內部結構最致密有序，UF-400 W組凝膠內部結構出現(xiàn)潰散，表明適當功率超聲波產生的均質效果可能改善凝膠的內部結構，但過高功率的超聲波對凝膠內部結構起破壞作用。

圖7 不同冷凍處理對凍融KGM凝膠微觀形貌的影響Fig. 7 Effects of different freezing treatments on morphology of frozen-thawed KGM gel

3 結 論

本實驗發(fā)現(xiàn)300 W的UF可以縮短KGM凝膠的冷凍時間，與AF相比，UF-300 W凝膠的析水率降低了23.56%，凝膠強度提高了61.23%，水分分布更均勻，且不影響KGM凝膠的結晶度。差示掃描量熱分析結果顯示，相比于AF和IF，UF可以提高凝膠的共晶點，降低解凍溫度，使凝膠更容易冷凍和解凍。冷場掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，相比于AF和IF組，UF-300 W組凝膠的網絡結構更加致密，凝膠片層結構之間孔隙更小。綜上，UF可以有效改善凍融KGM凝膠析水嚴重的問題，且提高凝膠強度。