田津津 姚超陽 張志強 張 哲 計宏偉 吳金宇

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室,天津 300134)

隨著科技的發(fā)展和進步,冷凍干燥技術在保持蛋白質大分子空間結構和穩(wěn)定性,以及提高活性成分吸收率方面表現(xiàn)突出[1],成為了一種較為先進的干燥技術。經過冷凍干燥加工處理后,食品具有體積小、質量輕、保質期長、復水性能好[2]以及保持原有生化活性的特點,凍干食品的脫水率可高達97%[3],其較低的含水量有效地控制了細菌等微生物的繁殖,因此冷凍干燥技術被廣泛用于食品加工行業(yè)[4]。但是由于凍干過程包含著傳質傳熱和物料微觀結構變化,其中微觀結構的變化嚴重影響著食品的運輸和營養(yǎng)價值[5],合適的升華溫度在促進冰晶融化和降低對細胞的損傷方面起著重要作用。

關于升華溫度對果蔬細胞形態(tài)結構的影響,國內外許多研究人員做了大量研究。王元春等[6]以芒果作為試驗材料進行了真空冷凍干燥試驗,得出適合的升華溫度更好地保留了細胞蛋白質和維生素C含量以及使芒果細胞有更好的復水性。Sapkota等[7]探究了干燥方式對棗的影響,得出冷凍干燥下適當?shù)纳A溫度能夠減少細胞內部原花青素等營養(yǎng)物質流失及對細胞的損傷。Fissore等[8]研究了裝載小瓶的微型冷凍干燥機,試驗以產品溫度和從初級干燥階段開始6 h后的質量損失作為關鍵參數(shù),研究得出合適的溫度可以獲得均勻的干燥條件。諸凱等[9]通過數(shù)字圖像處理方法統(tǒng)計了細胞圖像的灰度特征值,對脫水過程中細胞骨架的變化進行了定量分析,發(fā)現(xiàn)升華溫度的變化會對細胞微觀結構產生較大影響。經過單因素試驗、響應面法及其正交試驗,徐海龍等[10]成功探索出黑果腺肋花楸如采用過高的升華溫度,會造成細胞內冰晶融化,使水分超標嚴重影響復水比。袁小峰等[11]利用正交試驗,優(yōu)化真空冷凍干燥工藝參數(shù),研究得出升華干燥溫度會對蜜柚細胞含水率、色差等帶來影響。張艷紅[12]在真空冷凍干燥紅蘿卜試驗中得出,過高的升華溫度會造成細胞體積形狀受損,導致營養(yǎng)流失。王澤智[13]通過凍融循環(huán)預處理和凍干工藝,探究得出過高的升華溫度會造成蔥莖段細胞結構受損、組織收縮以及內外壓的不平衡。羅潔瑩等[14]在冷凍干燥藍莓工藝研究中得出,過低和過高升華溫度都會造成細胞塌陷和干縮現(xiàn)象。魏麗紅等[15]在對軟棗獼猴桃冷凍干燥研究中得出,合適的升華溫度能夠保持細胞飽滿,且使細胞呈良好的蜂窩狀結構。郭利琴[16]在蒜片冷凍干燥工藝研究中得出,升華溫度過高會造成蒜片組織結構塌陷,最終使大蒜素流失。

梨瓜營養(yǎng)豐富,但采后貯藏時間短,不利于運輸,此外用于果蔬微觀結構,如細胞層面研究的果蔬較少,梨瓜滿足細胞輪廓清晰的試驗要求,可當作果蔬類的典型代表進行真空冷凍干燥微觀研究。研究擬采用真空冷凍干燥顯微凍干臺,觀察梨瓜細胞結構變化,并定性分析不同升華溫度對組織細胞結構產生的影響,以獲得梨瓜細胞冷凍干燥的最佳升華溫度。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料為批發(fā)市場采購新鮮度較高、無病蟲害且沒有機械損傷的九成熟梨瓜(CucumismeloL.),其中每100 g梨瓜中基本營養(yǎng)成分為水分(91.99±1.99) g、蛋白質(0.72±0.07) g、可溶性固形物(9.5±0.4) g,其中包含有(5.19±0.17) g的糖類和少量的微量元素。將所有樣品在冰箱冷藏,真空冷凍干燥試驗前將樣品從冰箱中取出,室溫環(huán)境下靜置1 h,以達到熱穩(wěn)定,試驗前對其進行清洗、切片。

試驗設備為真空冷凍干燥顯微鏡分析儀:BX-53型,日本奧林巴斯株式會社;該儀器主要由計算機、控制器、Linksys操作軟件、顯微鏡、CCD相機、圖像采集軟件“TCapture”、FDSC196型冷熱凍干臺(英國Linkam Scientific Instruments公司)、Duo3M型高精度真空泵(德國PFEIFFER公司)、Leica VT1000型切片機(德國Leica Biosystems公司)、液氮罐、液氮泵、冷熱臺臺芯組成。其基本原理:溫度壓力控制器與計算機相連,真空泵和冷熱臺與控制器相連,冷熱臺里封閉腔室的工況借助Linksys軟件設置程序進行控制,顯微鏡觀測凍干細胞動態(tài)過程,同時實時通過CCD相機傳輸至計算機,通過圖像采集軟件“TCapture”對動態(tài)圖像進行拍攝,獲取凍干全過程圖像,最后使用Image Pro-plus6.0軟件處理圖像并評估由細胞內的冰晶導致的細胞變形程度。

1.2 試驗方法

通過真空冷凍干燥顯微鏡技術,獲得凍干過程的詳細示意圖,并利用圖像處理技術,精準地確定梨瓜細胞形態(tài)特征參數(shù)。

1.2.1 真空冷凍干燥條件及顯微鏡觀察 用LeicaVT1000切片機將梨瓜薄壁組織結構分割為200 μm的薄層,然后把梨瓜的薄層結構放到凍干臺臺芯。接著打開Linkam降溫控制系統(tǒng),設定過程控制程序,以25 ℃/min的降溫速率進行凍結,設定真空壓力為10 Pa,分別在溫度為-10,-7,-4,0,5,10 ℃時進行升華,解析溫度55 ℃,并使用CCD相機連續(xù)記錄其凍干過程變化情況,將降溫開始的時間設為凍結時間的開始。最后,利用圖像處理軟件處理梨瓜組織顯微照片,獲得結構特征參數(shù),量化分析細胞變化情況。

1.2.2 細胞形態(tài)學參數(shù)計算 通過使用Image Pro-plus6.0圖像處理軟件,對梨瓜細胞組織在真空冷凍干燥過程中拍攝的顯微圖像進行處理、測量、分析后,得出細胞的周長和面積,然后探索不同條件下細胞形態(tài)學參數(shù)的變化情況,從而更好地了解梨瓜細胞受到的影響。根據文獻[17],細胞形態(tài)學參數(shù)計算如下:

假設細胞均為圓形,則當量直徑計算公式為:

(1)

式中:

A——細胞面積,μm2;

d——當量直徑,m。

當量直徑變化率計算公式:

(2)

式中:

δd——當量直徑變化率,%;

Δd——當量直徑變化量,m;

d——當量直徑,m。

細胞周長變化率計算公式:

(3)

式中:

δL——細胞周長變化率,%;

ΔL——細胞周長變化量,m;

L——細胞周長,m。

細胞面積變化率計算公式:

(4)

式中:

δS——細胞面積變化率,%;

ΔS——細胞面積變化量,m2;

S——細胞面積,m2。

假設細胞形狀為球形,各項載荷均勻分布,則體積和內壓的計算公式為:

(5)

(6)

式中:

V——細胞體積,m3;

ΔP——細胞內壓變化量,kPa;

L——細胞周長,m;

h——細胞壁厚度,取1.26×10-6m;

E——細胞壁性模量,2.67×107N/m2;

ΔL——細胞周長的變化量,m;

γ——細胞壁的Possion比,取0.33;

R——變形后果蔬細胞的半徑,m。

細胞體積變化率計算公式:

(7)

式中:

δV——細胞面積變化率,%;

ΔV——細胞體積變化量,m3;

V——細胞體積,m3。

對于從空間上隨機選一點,線、面積和體積孔隙率一般是相同的,文中孔隙率采用面積孔隙率,其計算公式為:

(8)

式中:

ε——孔隙率,%;

A1——孔隙面積,μm2;

A0——孔隙與非孔隙部位總面積,μm2。

1.3 數(shù)據處理

使用Image Pro-plus6.0軟件記錄試驗數(shù)據并導入到origin2019中生成折線圖,分析各組梨瓜細胞的特征參數(shù)的變化情況。

2 結果與分析

2.1 梨瓜細胞凍干過程形態(tài)演化分析

如圖1(a)～圖1(f)所示是真空冷凍干燥顯微鏡在放大100倍時,多個梨瓜細胞微觀形貌結構變化圖像。從梨瓜細胞整個過程來看,其微觀照片的亮度由亮變暗再變亮,這是由于梨瓜細胞在冷凍干燥之前,組織細胞內外充滿了大量組織液,光可以很容易地穿過組織細胞,使其輪廓能夠清晰地顯示出來,但隨著溫度降低,整體輪廓變得模糊和暗淡,這是由于細胞液逐漸結晶導致光的散射造成的[18]。在梨瓜細胞升華干燥時,冰晶界面會慢慢退卻,細胞表面會變得粗糙,隨著升華干燥完成,組織內開始出現(xiàn)多孔通道。解析干燥時,組織細胞微觀結構不再發(fā)生變化,光只能通過固定通道,干燥后的物料表面發(fā)生皺縮,呈疏松多孔的龜甲狀,有部分光線通過,凍干過程結束。

圖1 梨瓜組織凍干過程中細胞結構的變化

較高或較低的升華溫度,都會使細胞形態(tài)學參數(shù)發(fā)生較大改變。因為在升華階段,真空度和降溫速率一定時,較低的升華溫度不能夠及時提供應對冰晶升華所需的熱量,不利于冰晶的快速升華[19],使得第一干燥階段冰晶升華不夠完全,剩余冰晶在解析干燥階段的較高溫度下融化,導致細胞出現(xiàn)軟化、收縮和塌陷等現(xiàn)象,最終導致干制品出現(xiàn)表面硬化的情況。然而較高的升華溫度會使干燥速率增加,干燥后發(fā)生表面硬化的情況,因為較高的溫度會使干燥速率增加,細胞表面冰晶快速升華,而胞內冰晶升華較慢,這樣易致清晰干燥面硬化皺縮[20],給后續(xù)解析干燥過程造成負面影響。在升華階段包含著熱量傳遞和質量傳遞,兩者相互作用,所以要探究升華溫度在此階段產生的重要影響。

2.2 一維形態(tài)學參數(shù)變化

如圖2、圖3所示,隨著升華溫度的升高,干燥前后相比梨瓜細胞一維形態(tài)學參數(shù)變化率表現(xiàn)為先減小再增大的趨勢,當量直徑和周長的最大變化量分別為7.09%和8.60%,最小變化量分別為5.04%和5.10%。當以-10 ℃的升華溫度干燥時,由于溫度過低,會使凍干過程中自由水形成的冰晶升華不完全,存在剩余,在后續(xù)解析干燥時,自由水和結合水被同時除去,會造成細胞收縮塌陷,使當量直徑和周長變化率變大。但隨著升華溫度的升高,變化率在0 ℃時達到最小,此溫度下直徑和周長變化率分別為5.05%和5.15%。溫度過高,會使梨瓜內部冰晶融化,水分則以液態(tài)的形式蒸發(fā),會對細胞結構產生不利影響,使得細胞皺縮,這與易麗等[21]和高續(xù)春等[22]關于升華溫度對細胞影響的觀點一致。

圖2 當量直徑變化率隨升華溫度的變化

圖3 細胞周長變化率隨升華溫度的變化

2.3 二維形態(tài)學參數(shù)變化

如圖4所示,隨著升華溫度的升高,干燥前后相比梨瓜細胞二維形態(tài)學參數(shù)變化率表現(xiàn)為先減小再增大的趨勢,與初始細胞狀態(tài)相比,細胞面積最大變化率達13.70%,變化率最小為9.60%,0 ℃時面積變化率是最小的。當以-10 ℃的升華溫度干燥時,由于溫度較低,造成細胞塌陷,此時面積變化率較大,隨著溫度升高,面積變化率減小,在0 ℃時面積皺縮減少是最小的,此溫度下對細胞結構的破壞和分離程度的影響較低。溫度繼續(xù)升高時,會造成細胞干縮,使細胞面積變化率增大,不利于保留細胞二維的初始微觀結構,這與郭帥帥[23]在胡蘿卜冷凍干燥試驗和模擬中,對升華干燥階段內部傳熱傳質的結論一致。

圖4 細胞面積變化率隨升華溫度的變化

2.4 三維形態(tài)學參數(shù)變化

如圖5所示,隨著升華溫度的升高先以較小的梯度減小然后大梯度增長,在所選溫度下,最大和最小體積變化量分別為23.85%和14.68%,在0 ℃下最小。較高的升華溫度會使升華界面處的溫度超過其共熔點溫度,在內部冰晶升華過程中,破壞了細胞結構,造成外部表面干縮[20];較低的升華溫度,使細胞內固態(tài)冰難以升華,在解析干燥完成后造成細胞塌陷,這兩種現(xiàn)象都會造成體積變化率增大。

圖5 細胞體積變化率隨升華溫度的變化

2.5 細胞內壓變化

如圖6所示,在一定的溫度范圍內,隨著升華溫度的升高,內壓變化先減小再增大,并且細胞內壓和細胞體積呈正相關,在0 ℃的條件下升華時內壓變化量最小為89.6 kPa,在所選溫度范圍內最大變化為357 kPa。較低和較高的升華溫度都會使凍干后的細胞發(fā)生收縮,造成細胞內壓變化量增大,使細胞體積縮小,所以細胞內壓的變化會對細胞形狀和結構產生直接影響[24]。

圖6 內壓隨升華溫度的變化

2.6 孔隙率變化

如圖7所示,隨著升華溫度的升高,孔隙率先增大后減小,在-10,-7,-4,0,5,10 ℃ 6種升華溫度下,干燥組織的孔隙率分別為49.63%,51.76%,53.15%,52.46%,51.16%,50.31%,可以發(fā)現(xiàn)孔隙率的變化范圍較小,孔隙率普遍較高。隨著升華溫度的升高,孔隙率也逐漸升高,在-4 ℃達到最大,此時結構穩(wěn)定性較高,升華溫度對細胞結構破壞減小。隨著溫度繼續(xù)升高,對細胞結構影響增大,孔隙率下降,但是從整體來看升華溫度對孔隙率的影響較小[25],為了加快升華速率,在不影響物料品質和細胞結構的同時可以在允許的范圍內適當提高升華溫度。

圖7 孔隙率隨升華溫度的變化

3 結論

(1) 較高的升華溫度或較低的升華溫度,都會使細胞形態(tài)學參數(shù)發(fā)生較大改變,在允許的范圍內適當提高升華溫度可以加快升華速率,使凍干效果更好。

(2) 細胞不同維度的形態(tài)學參數(shù)隨升華溫度的升高先減小再增大。隨著維度的增加,在同一升華溫度下的變化量也增加。

(3) 在最佳預凍降溫速率25 ℃/min和真空壓力10 Pa時,0 ℃的溫度條件可以認為是最佳凍干條件,當量直徑、細胞橫截面積和體積的變化率分別為5.05%,9.60%,14.68%,此時細胞結構穩(wěn)定性最高,所得產品品質最佳。

(4) 文中研究的是升華溫度對梨瓜細胞微觀結構的影響,可能會受到優(yōu)化方法選擇的降溫速率和真空度數(shù)值的影響,后續(xù)可以將宏觀與微觀層面的凍干研究同步進行,設計正交試驗,對工藝參數(shù)組合進一步優(yōu)化,獲得整個凍干周期的最佳工藝組合。