鮮荸薺真空浸漬強化鈣工藝研究

李晗，江琳玲，范方宇，*，楊宗玲，戚建華，闞歡

（1.西南林業大學林學院，云南昆明650224；2.西南林業大學輕工與食品工程學院，云南昆明650224）

荸薺（water chestnut），又名馬蹄，莎草科多年生水 生草本植物，有“地下雪梨”之稱[1]。荸薺是一種藥食兼用的果蔬食品，富含黃酮、多酚、多糖等活性成分，具抑菌、抗氧化活性，還可用于抑制炎癥和治療呼吸道疾病等[2-3]。荸薺中含有一種“荸薺英”物質，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、產氣桿菌及綠膿桿菌均有一定抑制作用，對降低血壓也有一定效果。此外，荸薺英還對癌腫有防治作用。因此，荸薺可作為一種促進健康的功能性食品，用于發展強化食品[4]。其中每100 g 荸薺含碳水化合物 21.8 g，淀粉 4.2 g，鈣 5 mg，鐵 0.5 mg。鈣是人體最重要的礦物質之一，對維持人體生理功能有重要調節作用，鈣含量不足會導致骨質疏松，動脈硬化等癥狀[5]。1980年以來鈣營養不良一直是一個令人困擾的問題[6]。研究表明在食品中添加營養強化劑提高其營養價值，可滿足不同人群對營養的需要。鈣浸漬可提高加工水果的營養價值（增加鈣濃度和生物利用度）[4]，且乳酸鈣因吸收效果好，安全性高等特點可用作食品強化劑和面包、糕點的制作等[7]。

真空浸漬（vacuum impregnation，VI）是一種控制食品結構基質組成的技術，利用水動力學機制和變形松弛現象引起浸漬過程中內部氣體和外部溶液的變化，增強浸漬液擴散性和滲透性，將外部液體引入植物組織多孔結構，很好地保持了產品特性等，并有效延長貨架期[8-9]。通常分為兩個階段：第一階段，對容器進行抽真空，并保持一定時間的真空狀態，確保水果或蔬菜中氣體可以從多孔固體內部逸出；第二階段，容器恢復到大氣壓，外部溶液穿透多孔空間壓縮殘余氣體直至壓力平衡[10-11]。近幾年來真空浸漬廣泛用于強化食品研究。HIRONAKA 等[12]通過真空浸漬技術將整個馬鈴薯浸泡在10%抗壞血酸溶液中，大氣壓浸漬3 h后施加70 cm Hg 真空壓力25 min，結果表明真空浸漬處理可使馬鈴薯抗壞血酸含量提高10 倍。ERIHEMU等[13]探討了真空浸漬技術在馬鈴薯鋅含量富集中的應用，整個馬鈴薯塊莖浸泡在9 g/100 g 鋅（葡萄糖酸鋅）溶液中，結果表明經4 ℃環境貯藏30 d 后，真空浸漬馬鈴薯鋅含量比未處理馬鈴薯高40 倍。LIMA 等[4]使用真空浸漬技術研究菠蘿強化鈣小吃，結果表明真空浸漬菠蘿能達到日推薦鈣攝入量的100%，大氣壓浸漬菠蘿樣品接近日推薦鈣攝入量的53 %，而沒有經過真空浸漬的干燥菠蘿樣品僅為鈣日推薦攝入量的8.9%。研究表明，真空浸漬是開發功能性食品的一種有效方法。

研究以乳酸鈣溶液為浸漬液，采用真空浸漬技術強化鮮荸薺鈣含量。分析了溫度、真空度、真空浸漬時間、乳酸鈣濃度對鮮荸薺性質的影響，并結合正交試驗優化工藝條件，強化鮮荸薺鈣含量。經強化鈣的鮮荸薺可通過干燥制成荸薺粉和荸薺片等，作為功能性食品使用，為補充人體鈣含量提供了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺：廣西桂林；乳酸鈣（食品級）、檸檬酸（食品級）：青島九泰生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

2XZ-1 旋片式真空泵：上海雙鵝制冷設備有限公司；DK-98-Ⅱ電子恒溫水浴鍋：北京中興偉業儀器有限公司；SHB-III S 循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司；DHG-9240A 型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海齊欣科學儀器有限公司；SC-80 輕便色彩色差計：北京康光有限公司；SD-080 手持式折射儀測糖儀：福州森特爾光電技術有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 荸薺真空浸漬強化鈣的制備工藝

荸薺去皮→清洗→瀝干→切片→漂燙→真空浸漬→常壓浸漬→瀝干→干燥→成品→包裝

具體步驟：選取切面均勻、無損傷的荸薺片[約（5±0.5）mm]；在70 ℃、0.3%檸檬酸溶液中漂燙90 s 后于冷水中快速冷卻；按料液比1∶25（g/mL）浸于一定濃度的乳酸鈣溶液，并保持液面沒過荸薺片，進行抽真空并保持一定時間真空期；恢復大氣壓浸漬30 min；將浸漬樣品置于鼓風干燥箱中，60 ℃環境下干燥至含水量低于5%，得產品。

1.3.2 單因素試驗設計

1）不同真空度對浸漬量的影響：溫度50 ℃，乳酸鈣質量體積濃度5.0%，真空浸漬20 min，設置5 個真空度梯度分別為 39、44、49、54、59 kPa。

2）不同溫度對浸漬量的影響：設定真空度44 kPa，乳酸鈣質量體積濃度5.0 %，真空浸漬20 min，設置4 個溫度梯度分別為 30、40、50、60 ℃。

3）不同真空浸漬時間對浸漬量的影響：設定真空度44 kPa，溫度50 ℃，乳酸鈣質量體積濃度5.0%，設置5 個真空浸漬時間梯度分別為 10、15、20、25、30 min。

4）不同乳酸鈣質量體積濃度對浸漬量的影響：設定真空度44 kPa，溫度50 ℃，真空浸漬20 min，設置5個乳酸鈣濃度梯度分別為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%。

通過以上條件分別測定真空浸漬后樣品鈣含量、淀粉含量、可溶性固形物和亮度L*值，探討各因素對鮮荸薺真空浸漬強化鈣的影響。

1.3.3 正交試驗

通過對單因素試驗結果進行分析，以鈣含量、淀粉含量、可溶性固形物、亮度L*值為指標，選取具有代表性的水平組合進行正交試驗，對試驗結果進行分析，確定最優工藝條件。

1.3.4 干燥

荸薺于真空浸漬最優工藝條件下浸漬處理后，進行干燥，以提高產品貯藏性。

1.3.5 測定指標

對真空浸漬完成后的浸漬荸薺樣品立即進行檢測，測定指標如下：

1）鈣含量：樣品消解后參照GB 5009.92-2016《食品安全國家標準食品中鈣的測定》中乙二胺四乙酸二鈉（ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt，EDTA）法進行測定。

樣品處理：稱取4.0 g 搗碎的樣品于廣口錐形瓶內，加入 24mL混合酸（硝酸∶高氯酸=5∶1，體積比），加蓋浸泡過夜。于電熱板上加熱消解至瓶中冒白煙，消化液逐漸變為無色，且消化液剩余2 mL～3mL時消解完成。待錐形瓶冷卻至室溫后，將消化液移至25 mL容量瓶中，加水定容、搖勻、待測。其余同國家標準。

2）淀粉含量：參照GB 5009.9-2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》中酶水解法進行測定。

3）可溶性固形物：參照NY/T 2637-2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測定》中的折射儀法測定。

4）色度：采用SC-80 輕便色彩色差計測定亮度L*值（L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色）。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 真空度對荸薺性質的影響

真空環境使食品細胞內液體汽化蒸發，物料內部形成泡孔結構，在壓力差和毛細管效應共同作用下，增大了浸漬液滲入物料內部的速率。同時，真空浸漬樣品內部氣體發生膨脹，增大細胞間距，提高了浸漬效率[14-15]。不同真空度條件的樣品理化指標見表1。

表1 不同真空度條件的樣品理化指標Table 1 Physicochemical properties of samples in different vacuum degree conditions

表1 中，經真空浸漬的樣品鈣含量隨真空度增加呈上升趨勢，44 kPa 時荸薺強化鈣含量為46.66 mg/100 g，增大了9.60 倍。這可能是因為真空度增加導致樣品內部殘余氣體急劇減少，但植物組織由于其黏彈性需要一段時間才能收縮，浸漬液隨后流入多孔毛細管，從而增加樣品鈣含量[16]。荸薺有效空隙已被浸漬液充滿，處于飽和狀態，內外壓力達到平衡狀態，浸漬液停止滲入樣品組織[17]，使鈣含量變化趨于平穩，不再隨真空度增大而增大。浸漬樣品淀粉含量隨真空度增大而略微下降，真空度59 kPa 時，每100 g 樣品含淀粉2.75 g，損失了30.83%。真空作用促進樣品內氣體和自由水流出，淀粉隨自由水排出到外部環境[18]，造成淀粉損失。在生物材料中，壓力梯度會導致氣體/液體的流動和固體基質變形[9]。因此，可溶性固形物含量呈現不同程度的下降趨勢。亮度L*值隨真空度變化總體呈上升趨勢，是因真空度增加減少了真空體系中的氧氣，且乳酸鈣溶液可作為護色劑使用，乳酸鈣浸入量越多，對樣品護色效果越好，有效防止了樣品褐變。綜合考慮不同真空度對各指標的影響，選取39、44、49 kPa 3 個水平進行正交試驗。

2.1.2 溫度對荸薺性質的影響

真空浸漬是食品加工中的一種方法，利用外部溶液代替從食物多孔空間移除的大部分空氣和部分或全部自然溶液[9]。不同溫度條件的樣品理化指標見表2。

表2 不同溫度條件的樣品理化指標Table 2 Physicochemical properties of samples in different temperatures

表2 中，荸薺鈣含量隨溫度升高逐漸增大，40 ℃時鈣含量最高，為48.21 mg/100 g，提高了9.96 倍。是因為果蔬滲透脫水過程中物質擴散系數隨溫度升高而增大，失水程度增大，溶液黏度降低，流動性增加，有利于浸漬液滲入果蔬組織間隙，提高浸漬效率[19-20]。同時，溫度升高對植物組織細胞膜和細胞壁造成一定損壞，減小了阻力，使Ca2+通過原生質膜、胞間連絲和細胞壁通道進入細胞，達到增加荸薺鈣含量的目的[21]。溫度高于40 ℃時，鈣含量不再增加，高溫使果實組織結構發生過度變形，導致細胞膜和細胞壁損壞加劇，阻止了真空注入過程的進行，影響荸薺鈣含量的增加[21]。這與MORENO 等[22]的研究結果類似，梨浸漬后水含量隨溫度升高總體呈下降趨勢，但溫度超過40 ℃后，失水率趨于平衡，變化不大。表明溫度升高至一定范圍會增大細胞滲透率，促進氣體和天然液體與外界溶液交換。浸漬樣品淀粉含量隨溫度升高而下降，60 ℃時損失了32.24%?？赡苁且蜉┧j淀粉糊化焓較小，溫度升高使部分淀粉顆粒糊化[23]，同時部分淀粉顆粒吸水膨脹破裂，真空浸漬處理使淀粉隨自由水流出組織，從而引起淀粉含量下降，樣品汁液的流失同時也引起了可溶性固形物含量顯著下降。亮度L*值變化不大，但有下降趨勢，表明溫度過高會引起荸薺酶促褐變，風味物質受到影響，影響果蔬感官品質。綜上，溫度過高會對Ca2+滲入植物組織造成影響，并對果蔬營養物質造成破壞，因此可將溫度恒定為40 ℃。

2.1.3 真空浸漬時間對荸薺性質的影響

不同真空浸漬時間的樣品理化指標見表3。

表3 不同真空浸漬時間的樣品理化指標Table 3 Physicochemical properties of samples in different vacuum impregnation time

表3 中，荸薺鈣含量隨真空浸漬時間延長呈先增加后穩定的趨勢，表明一定浸漬時間有利于食品鈣強化。真空浸漬時間20 min 時，每100 g 荸薺中含鈣46.66 mg，比未浸漬樣品提高了9.60 倍。真空浸漬第一階段是在真空期保持一定時間的真空壓力，將孔隙中樣品氣體和原有汁液充分排出；第二階段恢復大氣壓時將浸漬液趁勢吸入樣品組織并充分占據其多孔間隙[24]，從而增大樣品鈣含量。而真空時間過長，組織細胞受到壓縮變小，不能為Ca2+滲入繼續提供有效孔隙[18]，鈣含量已達到最大值；且大氣壓浸漬時真空時間過長，部分組織細胞受到損傷未能恢復原來狀態，不能繼續包裹溶液，鈣含量不再增加。因此，浸漬時間20 min 后，鈣含量略有下降，這與 ERIHEMU 等[13]的研究結果相似，其在土豆片真空浸漬富集鋅的過程中發現，隨真空浸漬時間增加，鋅含量呈先增加后略微減少的趨勢。淀粉含量隨真空浸漬時間延長而下降，30 min 時損失了40.81%。是因為抽真空時，浸漬液進入到打開的樣品孔隙稀釋了原組織液濃度[4]和原組織液部分流失，這同時也導致了可溶性固形物含量略微降低。真空狀態下，樣品周圍空氣被浸漬液取代，限制了細胞呼吸能力，以及乳酸鈣溶液對樣品具有護色作用，所以亮度L*值隨浸漬時間延長呈緩慢上升趨勢。綜合考慮不同真空浸漬時間對各指標的影響，選取15、20、25 min 3 個水平進行正交試驗。

2.1.4 乳酸鈣濃度對荸薺性質的影響

不同乳酸鈣濃度條件的樣品理化指標見表4。

表4 不同乳酸鈣濃度條件的樣品理化指標Table 4 Physicochemical properties of samples in different calcium lactate concentration

表4 中，樣品鈣含量隨乳酸鈣溶液濃度增加而增加。這是因為真空狀態使荸薺樣品產生一定膨脹，增大細胞間距，促進浸漬液滲入到樣品間隙中；浸漬液通過毛細滲透和擴散作用進入樣品內部組織，浸漬液滲入量相同時，溶液濃度越高，鈣含量越高[18]。但浸漬液濃度過高易導致小分子營養物質因滲透作用流失，還可能對營養物質造成破壞。因此，浸漬液濃度不宜過高。浸漬樣品淀粉含量和可溶性固形物含量隨乳酸鈣濃度增加而降低，可能是因為樣品營養成分隨汁液流失以及浸漬液稀釋了荸薺液體組分[4]。亮度L*值隨乳酸鈣濃度增加呈上升趨勢，乳酸鈣是一種護色劑，其濃度越高，護色效果越好，阻礙了樣品的褐變。綜合考慮不同乳酸鈣濃度對各指標的影響，選取4.0 %、5.0%、6.0%3 個水平進行正交試驗。

2.2 正交試驗結果分析

2.2.1 正交試驗因素水平

為確定真空浸漬強化鈣最佳條件，基于單因素試驗結果，控制溫度40 ℃，選取真空度（A）、真空浸漬時間（B）、乳酸鈣濃度（C）進行三因素三水平L9（34）正交試驗設計，見表5。

表5 正交試驗因素水平Table 5 Coded levels and corresponding actual levels of factors used for orthogonal array design

以鈣含量、淀粉量、可溶性固形物和亮度L*值為指標對工藝進行優化，結果通過極差分析各因素影響程度高低，得最佳水平。

2.2.2 正交試驗結果分析

正交試驗結果和極差分析見表6。

由表6 可知，對不同的指標而言，不同因素影響程度是不一樣的。但對4 個指標來說，都是以A3，B2，C3為最佳水平。因此，在試驗設計范圍內，優化得到真空浸漬強化荸薺鈣含量的最佳條件為A3B2C3，即真空度49 kPa，真空浸漬時間20 min，乳酸鈣濃度6.0%。方差分析結果見表7。

表6 真空浸漬正交試驗設計及試驗結果Table 6 Orthogonal array design with experimental results for optimization of vacuum impregnation parameters

由表7 方差分析結果可知，因素A、B、C 對鈣含量、淀粉含量和可溶性固形物含量均有顯著影響，因素A 對亮度L*值無顯著影響。各因素對鈣含量和可溶性固形物含量影響主次順序為乳酸鈣濃度＞真空浸漬時間＞真空度；對淀粉含量影響主次順序為乳酸鈣濃度＞真空度＞真空浸漬時間；對亮度L*值影響主次順序為真空浸漬時間＞乳酸鈣濃度＞真空度。這與表6 中極差分析的大小順序是一樣的。

表7 真空浸漬正交試驗設計方差分析Table 7 Analysis of variance of the orthogonal array design for optimization of vacuum impregnation parameters

2.2.3 優化結果驗證

根據正交試驗優化結果，按優方案A3B2C3進行3 次平行試驗，可得到真空浸漬鮮荸薺強化鈣含量平均為64.41mg/100 g，提高了 13.64 倍；淀粉含量為 3.35 g/100 g，減少了15.61%；可溶性固形物含量為9.7°Brix，損失了8.7%；亮度L*值為87.97，與未浸漬樣品相比顏色變化較??；驗證了所選取工藝條件的合理性。因此，最佳浸漬工藝條件為溫度40 ℃，真空度49 kPa，真空浸漬時間20 min，乳酸鈣濃度6.0%。

3 結論

1）正交試驗方差分析結果可知，各因素對鈣含量影響主次順序為乳酸鈣濃度＞真空浸漬時間＞真空度；真空浸漬強化鮮荸薺鈣含量的最佳工藝為：溫度40 ℃，真空度49 kPa，乳酸鈣濃度6.0%，真空浸漬20 min。

2）最佳工藝條件下浸漬鮮荸薺的品質最好，鈣含量為64.41 mg/100 g，提高了13.64 倍；淀粉含量為3.35 g/100 g，減少了15.61%；可溶性固形物含量為9.7 °Brix，損失了 8.7%；亮度 L*值為 87.97，與未浸漬樣品相比顏色變化較小。

3）采用優化后的工藝制備強化鈣荸薺產品，雖然對淀粉含量造成了一定損失，但有效提高了鮮荸薺鈣含量；以100 g 荸薺計，未強化的鮮荸薺鈣含量為日推薦鈣攝入量的4%，經強化的鮮荸薺鈣含量可達日推薦鈣攝入量的64%，總體上增加了鮮荸薺的營養價值。

4）研究通過真空浸漬技術強化了鮮荸薺鈣含量，以此為依據可制備強化活性物質的產品，提高食品營養價值，滿足不同人群的營養需求。