超聲結合超高壓預處理對凍干草莓片品質的影響

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(1.湖北省農業科學院,農產品加工與核農技術研究所,湖北武漢 430064; 2.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430064; 3.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所,廣東廣州 510642)

草莓是夏季最受歡迎的漿果之一,色澤鮮艷,味道鮮美。草莓富含多種生物活性化合物,包括類黃酮、多酚、花青素和維生素等,這些物質對人體健康有益[1]。然而,新鮮草莓很容易腐敗,容易發生機械損傷,這主要是由于其較高的呼吸強度且柔軟質地,這對草莓的營銷帶來了一定的挑戰[2]。

干燥不僅顯著延長了食品的貨架期,還使產品更加多元化[3]。冷凍干燥可以最大限度地保持食品原有特性,如活性、風味和形狀,但成本較高[4]。另外,脫水產品的質量不僅取決于干燥條件,還取決于干燥前采用的預處理[5]。因此,近年來,在果蔬脫水中采用了不同的預處理方法,如超高壓、超聲波、脈沖電場、滲透、漂燙預處理,通過減少產品初始含水量,改變組織結構,促進水的流動,避免了真空冷凍干燥能耗高、干燥效率低、成本高的缺點[6]。

超聲波所產生的表面張力使水分保持在果實的毛細管中,從而形成減少水分去除的微通道[7-8]。Colucci等[9]采用超聲波輔助常壓冷凍干燥茄子,當超聲功率為25 W時,平均水分擴散系數比非超聲輔助干燥提高了380%。Gabriella等[10]指出,在超聲波作用下,甜瓜在熱風干燥中的水有效擴散率提高了25%,總干燥時間由47 min縮短至41 min。超聲的熱機制、機械(力學)機制和空化機制作用可以發生各種物理、化學或生物反應,降低酶促及非酶促褐變,從而影響色澤。經過70 ℃超聲處理5 min的黃花菜b*為61.26,而對照組b*為46.86,表明超聲處理后黃色加深[11]。Nowacka等[12]也觀察到,經超聲處理后,獼猴桃色度角(h°)增加,即變綠。超高壓能較好的保留食品的顏色、風味和活性物質,并引起結構脆性材料的一些結構變化,如細胞變形[13]。當水果和蔬菜用高壓預處理時,細胞滲透可促進擴散并提供較高的干燥速率,這增強了細胞滲透性以及代謝物的擴散[14-16]。Yucel等[17]報道了將超高壓作為干燥前處理使用,壓力超過100 MPa可引起細胞滲透,導致更高的干燥速率,同時體積不變,但超聲和超高壓預處理達到一定的功率和壓力之后,干燥速率無明顯提高。

前期采用超聲、超高壓以及其聯合處理對草莓片進行預處理,結果表明采用聯合預處理后能縮短20%的真空冷凍干燥時間,且總能耗降低了28%,干燥后草莓片色澤(a*)得到顯著提高[18]。為了進一步探究超高壓結合超聲預處理如何促進草莓片色澤和水分的變化,本文采用超聲結合超高壓對草莓片進行預處理,再進行真空冷凍干燥,探究超聲結合超高壓預處理干燥前后草莓色澤、水分以及其組織結構的變化差異,揭示超高壓結合超聲預處理對草莓片色澤、水分的作用機制,為今后脫水草莓的加工提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草莓 品種為紅馨,由湖北省農業科學院經濟作物研究所提供,采收于2019年1月12日,6～7成熟,采收后置于4 ℃冰箱進行預冷24 h。

KQ5200DE型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;HPPL2-600MPa/2L超高壓實驗機 天津華泰森淼生物工程技術股份有限公司;CR-400色差儀 柯尼卡美能達;FD-1000冷凍干燥機 東京理化器械株式會社;UV-3802分光光度計 上海尤尼科儀器有限公司;Eclipse E200光學顯微鏡 日本東京尼康;D5000數碼相機 日本東京尼康。

1.2 實驗方法

1.2.1 草莓片的制備 將草莓用自來水清洗干凈后,切成5～6 mm的薄片。對照組:未進行預處理;超聲預處理組:將草莓片置于蒸餾水(料液比1∶2)中,進行超聲預處理,采用冰袋將超聲溫度控制在20～25 ℃,超聲條件為40 kHz、300 W下處理30 min(經前期優化所得最佳超聲條件);超高壓預處理組:超高壓條件為100 MPa/200 MPa,5 min;超聲結合超高壓預處理組:將草莓片先進行超聲預處理(40 kHz,300 W,30 min),再進行超高壓預處理(100 MPa/200 MPa,5 min)。最后將各組草莓片分別置于-40 ℃冷凍48 h,再進行真空冷凍干燥(冷阱溫度-60 ℃,絕對壓力:10 Pa),當草莓水分含量為10%以下取出。

1.2.2 色澤和花色苷的測定 采用CR-400色差儀測量草莓的顏色,結果以a*值(紅度)表示?；ㄉ蘸坎捎肅orrea-Betanzo等[19]描述的pH示差分法測量,結果以矢車菊-3-葡萄糖苷當量的百分比表示。樣品取自草莓的中心部位,如圖1所示。

圖1 取樣部位Fig.1 Sampling site

1.2.3 色素體分布 用剃須刀刀片取新鮮和干燥樣品中心部位,固定在玻璃載玻片上,用光學顯微鏡放大10倍進行觀察。樣品取自草莓的中心部位,如圖1所示。

1.2.4 水分含量和水分分布的測定 水分含量的測定采用直接干燥法進行測定,將樣品置于105 ℃烘箱,干燥至恒重。

自旋-自旋弛豫特性分析:將樣品置于永久磁場中心位置的射頻線圈中心檢測,利用CPMG 脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時間(T2)。CPMG 試驗參數:P90(μs)=17,P180(μs)=3400,TD=1120160,SW(kHz)=100,RG1=3,NS=32,TW(ms)=1000,TE(ms)=0.300,NECH=2000,使用PQ001分析軟件及CPMG序列采集樣品T2信號,每個樣品重復3個平行。

利用自旋回波(SE)成像序列獲得草莓樣品的T1和T2加權圖像。T1加權圖像的回波時間(TE)和重復時間(TR)分別為20 ms和700 ms,T2加權圖像的回波時間分別為50 ms和3000 ms。

1.2.5 組織結構觀察 參考Zhang等[20]的方法,簡述為:新鮮組織固定于4%多聚甲醛24 h以上。將組織從固定液取出，在通風櫥內用手術刀將目的部位組織修平整,將修切好的組織和對應的標簽放于脫水盒內,分別進行脫水、包埋、切片、石蠟切片脫蠟至水等處理。然后進行番紅染色、脫色、固綠染色、透明封片等處理,最后進行顯微鏡鏡檢以及圖像采集分析。

1.3 數據處理

試驗數據為3次重復試驗的平均值,用SPSS 19軟件進行多重差異顯著性分析采用Duncan’s法,P<0.05表示差異顯著,P>0.05表示差異不顯著;采用Origin 8.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 超聲結合超高壓預處理對草莓片花色苷含量和色澤的影響

草莓經超聲結合超高壓預處理后以及干燥后的色澤和花色苷含量如圖2和圖3所示。由圖2A可知,經超聲和超高壓預處理后,草莓片a*值顯著增加(P<0.05)。干燥前對照組草莓片a*值為-1.65,單獨超聲預處理和超高壓預處理(100 MPa超高壓處理組,200 MP超高壓處理組)時草莓片色澤分別為-1.32、1.46和1.89,但采用超聲結合超高壓處理(超聲-100 MPa超高壓、超聲-200 MPa超高壓)后,草莓片a*值分別為2.38和2.60(圖2A)。由圖2B可知,經超聲-200 MPa超高壓預處理后的凍干草莓片a*最高,其值為8.68。

圖2 超聲結合超高壓預處理對草莓片色澤的影響Fig.2 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on the color of strawberry slices注:A:干燥前,B:干燥后;1～6依次為對照組、超聲處理組、100 MPa超高壓組、200 MPa超高壓組、超聲-100 MPa超高壓組、超聲-200 MPa超高壓組。圖3,圖6同。

圖3 超聲結合超高壓預處理對草莓片花色苷含量的影響Fig.3 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on anthocyanin content in strawberry slices

草莓片經超聲結合超高壓預處理后,花色苷含量變化趨勢與a*值一致(圖3A、3B),經超聲-200 MPa超高壓的草莓片花色苷含量最高,達到0.36%(干燥前)、0.55%(干燥后)。在超聲波處理過程中,超聲波所產生擴張和收縮的循環會導致植物基質細胞壁破裂,有利于溶劑的滲透和化合物的轉移,從而使細胞內的物質更有效地釋放[21]。而高壓導致細胞發生破裂,花色苷滲入細胞間隙,草莓表面呈現強烈的紅色。Bao等[22]和Xia等[23]也證實了,超高壓處理導致細胞膜滲透性增加,促進了色素向物料中心的擴散。當采用超聲波與超高壓相結合時,產生了協同作用,效果更加明顯。之前的研究結果也表明,在真空冷凍干燥之前使用超高壓和超聲預處理,對抑制凍干草莓片抗氧化活性成分降解有積極的作用[18]。超高壓鈍化多酚氧化酶和過氧化物酶,抑制花色苷的降解;而超聲波處理降低了草莓中的氧含量,抑制了花色苷的氧化分解。

2.2 超聲結合超高壓預處理對草莓片色素分布的影響

圖4顯示了預處理后草莓片的色素體形態及分布,草莓片色素體呈深紫色橢圓形,這些色質體中含有一些花色苷的載體。Zhang等[20]通過光學顯微鏡在南瓜中觀察到典型的橙色小圓狀色素聚集體。由圖4可見,未經預處理的草莓片中心表皮細胞存在極少數色素體(圖4a),但經預處理后的草莓片色素體逐漸變多,主要表現為紫色的球狀,這是由于經預處理后,草莓片細胞壁被破壞,色素從細胞中逐漸流出[18]。如圖4b所示,當超聲處理時,球狀的色素結晶聚集體呈現一個逐漸增大的輕微染色區。當超聲與超高壓處理同時作用于草莓片時,觀察到含有花色苷晶體的色素體充滿整個細胞,表明細胞壁被破壞,花色苷以液晶狀態累積(圖4c、4d)。然而,在超聲結合超高壓條件為超聲-200 MPa超高壓處理的草莓片中(圖4d),花色苷簇以紫色簇的形式出現,逐漸加深并變大。

圖4 超聲結合超高壓預處理對草莓片色素分布的影響Fig.4 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on pigment distribution in strawberry slices注:a:對照組、b:超聲處理組、c:100 MPa超高壓處理組、d:200 MPa超高壓處理組、e:超聲-100 MPa超高壓處理組、f:超聲-200 MPa超高壓處理組；圖5、圖8、圖9同。

圖5為經預處理再真空冷凍干燥的草莓片,經超聲-200 MPa超高壓處理后的草莓片凍干后,呈現較均勻的紅色,而未處理的草莓中心呈白色,這與2.2中草莓片a*和花色苷含量結果一致。由此可見,超聲結合超高壓預處理能改善草莓片色澤,促進草莓中花色苷向其中心及表明遷移。

圖5 超聲結合超高壓預處理干燥后草莓片Fig.5 Ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment for dried strawberry slices

2.3 超聲結合超高壓預處理對草莓片水分含量的影響

水分含量是衡量脫水果蔬品質的一個重要指標,由圖6A可知,草莓片初始水分含量為93.30%,預處理能顯著降低草莓片初始水分含量(P<0.05),當采用超聲-200 MPa超高壓處理的草莓片水分含量為90.92%。且經相同的真空冷凍干燥時間,處理組水分含量顯著低于未處理的草莓片,尤其以超聲結合超高壓預處理效果最為顯著(P<0.05),經超聲-200 MPa超高壓處理的凍干草莓片最終水分含量僅為對照組的63.79%(圖6B)。在超聲波處理過程中,空化氣泡的形成、增長和劇烈破裂以及由此引發的一系列理化效應,有助于除去與物料結合緊密的水分。高壓處理提高了細胞的滲透性,進而增加了水的傳遞。此外,在高壓處理中,水和代謝物會在細胞內外形成更多的運動。Vega-Galvez等[24]發現,超高壓技術可以加快物料干燥速率,提高水分擴散系數。Yucel等[25]研究表明,處理壓力超過100 MPa時,物料的干燥時間顯著縮短,且細胞通透性增強,傳質傳熱過程加快。由此可見,經超聲-200 MPa超高壓處理能降低草莓片水分含量。

圖6 超聲結合超高壓預處理對草莓片水分含量的影響Fig.6 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on moisture content of strawberry slices

2.4 超聲結合超高壓預處理對草莓片水分分布的影響

一般來說,水的弛豫時間T2與其分子動力學密切相關。通過弛豫時間可以觀察到樣品中水分狀態分布,觀察到三種T2組分,即T21(0～10 ms)、T22(10～100 ms)和T23(>100 ms),分別代表了結合水、不易流動水和自由水。水分流動性越強,干燥過程中水分越容易擴散,即自由水越多,越易干燥。如圖7A所示,未干燥的草莓以自由水為主,經預處理后草莓片中自由水的峰面積明顯增加,且預處理后的樣品中自由水橫向弛豫時間明顯縮短,表明水分子的遷移率逐漸降低,而超高壓和超聲波處理促進了水的流動性。超聲結合超高壓預處理過程主要是液泡中自由水變化過程,結合水與內部物質分子呈化合狀態,性質穩定,不易去除[26]。經預處理后凍干的草莓片中自由水低于對照組,結合水峰面積高于對照組(圖7B)。Xin等[27]研究發現,西蘭花經超聲處理后,液泡中的自由水向細胞質移動,從而導致不易流動水所占比例升高。高壓處理會使物料中大量的水在較短的時間內排出,高壓促進了物料水分的擴散,增加了滲透期間的水分損失和溶質吸收[28]。

圖7 超聲結合超高壓預處理對水分分布的影響Fig.7 Effect of ultrasound and ultra-high pressure pretreatment on water distribution

為了更直觀地反映超聲結合超高壓預處理對草莓片水分變化,分析不同預處理草莓片的低場核磁共振成像情況,如圖8所示。從對照組草莓片偽彩圖中,可清楚地看到草莓片信號量致密而均勻,可知水分牢固且均勻的存在于草莓內部(圖8(a))。經超聲處理后草莓中水分開始遷移,由草莓內部逐漸向外部擴散,這種變化證實了部分自由水逐漸流失的趨勢(圖8(b))。草莓片經超聲結合超高壓預處理后內部存在部分空隙,這表明草莓內部自由水較少,信號較低,尤其是經超聲-200 MPa超高壓處理組。由此可見,經超聲結合超高壓預處理會使草莓內部水分流失,這與草莓中水分含量數據一致。

圖8 超聲結合超高壓預處理后草莓片的核磁成像Fig.8 Magnetic resonance imaging of strawberry slices after ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

2.5 超聲結合超高壓預處理對草莓片組織結構的影響

圖9顯示了不同預處理后的草莓片的組織結構,在圖9(a)中可以觀察到具有完整的薄壁組織和完整膜的新鮮草莓樣品。圖9(b)顯示了經超聲預處理的草莓片組織的顯微照片,細胞壁破裂和細胞分離清晰可見,這些破壞和分離導致了細胞間空間的增加。此外,經超聲預處理的草莓片組織的某些區域,細胞出現撕裂、形狀不規則和組織變形。與圖9(a)相比,圖9(c)顯示超聲結合超高壓預處理后,大多數細胞壁破裂,少數剩余細胞壁嚴重扭曲(圖4)。當細胞壁膜破裂,有效水擴散率增加時,草莓內部的水擴散變得更容易。圖9(d)表明,在樣品的某些區域,細胞破裂較嚴重,多個細胞破裂后,形成了一個較大的細胞,從而形成了微觀通道。物料中水分會優先通過細胞壁途徑遷移出細胞,水分擴散率的增加部分歸因于細胞壁對水通量阻力的降低[29]。細胞壁結構的退化會降低其抗水分運動能力,從而提高干燥速度。這一結果證實了Fuente Blanco等[30]的觀察結果,超聲波預處理會影響水果組織,使水分在空氣干燥過程中更容易擴散,表明微觀通道可能有助于提高水分擴散率,這種現象可以用細胞壁膜的塌陷來解釋。預處理后草莓片組織結構觀察的結果與前期研究的水分和色澤指標分析具有一定的吻合度,從微觀結構上對預處理后草莓水分降低,色素遷移等原因進行了進一步解釋和驗證。

圖9 超聲結合超高壓預處理后草莓片組織結構Fig.9 Microstructure of strawberry slices pretreated by ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

3 結論

超聲結合超高壓預處理能顯著提高草莓中心花色苷含量、a*值和色素的分布,降低草莓初始水分含量和凍干草莓片的水分含量。當預處理條件為超聲-200 MPa超高壓處理時,草莓片a*值為8.68,花色苷含量為0.55%,而對照組a*值和花色苷含量僅-0.26和0.05%。經超聲結合超高壓預處理后,草莓片自由水弛豫時間均減小,且自由水含量明顯降低,而不易流動水及結合水含量相對升高。因此,超聲和超高壓預處理改變草莓片的組織結構,從而促進水分的擴散,改善草莓片色澤,尤其是在40 kHz,300 W超聲處理30 min,再結合200 MPa超高壓處理5 min的條件下。