降溫速率對梨瓜細胞凍干特性的影響

張 哲，郎元路，吳巧燕，張志強，陳佳楠，計宏偉，田津津

（天津商業大學機械工程學院，天津 300134）

冷凍干燥是最古老的食品保存技術之一，它使食品加工變得更容易，延長了食品貨架期，并且允許相對較低的儲存成本。真空冷凍干燥簡稱為“凍干”，是生產高質量產品的先進技術，同時也是一個復雜的過程，因為傳質傳熱和物料微觀結構的變化同時發生，微觀結構的變化嚴重影響食品材料的整體運輸過程和物理行為。

作為物料凍干的初始階段，預凍在很大程度上決定了物料的凍干效果。因為果蔬物料切片凍結過程是一個發生在一定溫度范圍內的復雜相變過程，伴隨有傳質傳熱、晶核化、玻璃化、晶體生長、再結晶等階段，均是真空冷凍干燥過程中至關重要的一部分。冰晶的形成及生長模式極大地影響了細胞的結構以及質量。Takako 等對有無電流負荷下植物組織細胞內冰晶的形成行為進行了分析，發現微電流負荷會降低細胞的變形程度和胞內冰晶晶粒尺寸。此外，超聲波直接接觸法、拉曼光譜法及灰度變化檢測法等也被運用到冰晶的觀測中。果蔬微觀結構在預凍過程中的冰晶生成很大程度上影響著干燥速率，而降溫速率決定了冰晶的形成和大小情況；降溫速率對凍結體的結晶情況具有重要影響，會對凍干過程產生決定性影響。同時，預凍階段決定了物料的空隙大小、形狀以及連通性，適當的預凍速率即降溫速率可以使物料樣本獲得較好的冰晶分布，大大提高凍干效果和產品質量。

降溫速率的大小對細胞結晶具有重要影響。Shishehgarha 等研究了草莓樣本組織切片和完整草莓在不同的貨擱板溫度下的各種特征參數（干燥動力學、顏色和體積變化）。張哲等研究了冷凍-復溫過程中葡萄細胞的冰晶生長以及對細胞滲透率的影響，發現提高復溫溫度能有效減少細胞的破損。劉斌等研究了速凍速率對洋蔥細胞的影響，發現細胞的結晶溫度與細胞膜滲透率呈正相關。韋玉龍等研究發現物料干燥過程中隨著濕度的減少，果肉細胞、空腔結構等參數的變化趨勢均不具有一致性或連續性。通常情況下，細胞在高滲溶液中會發生皺縮，Prickett 等利用這一原理研究了細胞體積和細胞內冰晶形成之間的關聯，發現在同一凍結條件下，細胞體積越大，生成冰晶的幾率越大。Chi 等研究了真空冷凍干燥時淀粉凝膠的微觀結構，由于水的凍結和冰晶的升華，冷凍干燥處理導致淀粉結構明顯無序。

因此，本文采用實驗室最新引進的新型真空冷凍干燥顯微凍干臺對梨瓜細胞在凍干過程中的結構變化進行動態觀察研究，并量化分析過程參數對組織細胞結構的影響，深入研究果蔬微觀結構的干燥機理，以獲得梨瓜細胞冷凍的最佳降溫速率，為梨瓜的預凍處理提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本文所用實驗材料為天津市韓家墅批發市場采購的新鮮梨瓜，果肉飽滿，大小一致。在實驗前進行清洗、切片。

實驗設備為BX-53 型真空冷凍干燥顯微分析儀（奧林巴斯株式會社），設備原理圖如圖1所示。該實驗儀器主要由溫度和壓力控制系統、觀測系統、FDSC196 型冷熱凍干臺（Linkam Scientific Instruments）、真空系統和液氮制冷系統組成?？刂葡到y包括計算機、Linksys 操作軟件以及控制器；觀測系統由顯微鏡、CCD 相機、顯示屏以及圖像采集軟件“TCapture”組成。真空系統包括Duo 3M 型高精度真空泵（德國PFEIFFER）以及冷熱臺內封閉腔室；制冷系統包括液氮罐、液氮泵以及裝載物料墊片的冷熱臺臺芯。在控制器的作用下由液氮泵將液氮充注入臺芯從而達到制冷的目的。該系統可用于觀察凍結與干燥過程中細胞內冰晶的位置、形成模式以及升華模式，并評估由于細胞內的冰晶而導致的細胞變形程度，以及不同冷卻速率下細胞內冰晶的生長速率、粒度以及升華程度，在本研究中可對梨瓜組織細胞進行實時動態觀測研究并獲取凍干過程顯微圖像。文章采用的切片機為德國Leica Biosystems 生產的Leica VT1000 型切片機。此外，利用DSC（Q1000 型，美國TA 公司）測量共晶點、冰點溫度，并利用Hot Disk 熱常數分析儀（TPS2500S 型，凱戈納斯儀器）測定梨瓜組織的導熱系數。

圖1 真空冷凍干燥顯微鏡系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of vacuum freeze-drying microscope system

1.2 實驗方法

本文首先經由真空冷凍干燥顯微鏡系統獲取凍干過程的示意圖，再通過圖像處理獲取梨瓜細胞形態參數，同時進行導熱系數測量、密度測量、冰點溫度及共晶點溫度測量，所用測量儀器如圖2 所示。

圖2 實驗參數測量儀器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental parameter measuring instrument

1.2.1 真空冷凍干燥條件及顯微鏡觀察 真空冷凍干燥顯微鏡系統操作流程如下：

a.用酒精棉將凍干臺臺芯和載玻片擦拭干凈待其干燥；用Leica VT1000 切片機將梨瓜薄壁組織切成200 μm 厚度的樣本，用鑷子將切片置于專用載玻片上后放置在凍干臺臺芯，將蓋玻片放在切片上，蓋上冷臺的密封蓋，在環境溫度壓力下靜置3 min 使樣本狀態穩定。

b.開啟Linkam 降溫控制系統和BX-53 顯微鏡，設置細胞放大倍數，選擇輪廓清晰且飽滿的細胞并進行聚焦。

c.設定過程控制程序，以一定的降溫速率（5、15、25、35、50 ℃/min）進行凍結，在凍結終點停留1 min，以保證凍結完全，然后在一定真空度（10 Pa）下完成升華和解析干燥，整個過程中CCD 相機連續拍攝細胞照片以獲得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。

d.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，量化分析細胞變化情況。

1.2.2 導熱系數測定 Hot Disk 熱常數分析儀可用于測定梨瓜組織的導熱系數，精度可達±3%，溫度范圍為10～1000 K；梨瓜組織被切成0.3 cm 左右的薄片；實驗前開啟Hot Disk 熱常數分析儀預熱半小時，然后將探頭置于梨瓜切片切面上。通過軟件對梨瓜在常溫常壓下的導熱系數進行計算，進行三組平行實驗計算測得的平均值。

1.2.3 密度測定 首先找一個干凈的量筒，注入適量純凈水，用電子天平稱量水和量筒的重量m，并記錄量筒內水的體積V，然后切取一小塊果蔬（長寬約1 cm）放入裝水的量筒內，待其完全浸入水中，稱量此時量筒的重量m并記錄量筒刻度V，代入公式（m-m）/（V-V），計算出果蔬的密度。以同樣方式對凍結前和凍結后的果蔬塊分別進行三次平行實驗計算平均值，獲得凍結前后的果蔬密度。

1.2.4 共晶點、冰點溫度的測定 利用差式量熱掃描法測量共晶點、冰點溫度。首先進行儀器校正，切取18 mg 左右的梨瓜樣品置于樣品坩堝內，用壓封裝置將坩堝皿與坩堝蓋壓緊，將樣品坩堝與參比坩堝一同放入熱圓盤內，設定冷凍復溫程序進行實驗，在進行差式掃描量熱實驗時，選擇凍結終點溫度為-35 ℃，以保證梨瓜樣本內液相完全轉變為固相。以50 ℃/min 的降溫速率進行降溫，然后以35 ℃/min的速率完成復溫。

1.2.5 細胞形態學參數計算

1.2.5.1 細胞形態學參數 梨瓜細胞多呈圓形或橢圓形，本文假設細胞都為圓形，通過面積參數就可獲得當量直徑。利用BX-53 光學顯微鏡自帶的TCapture圖像處理軟件即可以直接獲得細胞的形貌，再利用Image Pro-plus 6.0 軟件測取細胞的面積和周長。

當量直徑d 計算公式如下：

式中：A 為細胞面積，μm；π 取3.14；d 為當量直徑，m。

本研究中假設細胞形狀為球形，各項載荷均勻分布，細胞形變與其體積V 和內壓ΔP 的變化相關聯，因此從三維角度分析細胞形變時可采用以下公式進行計算：

式中：L 為果蔬細胞周長，m；h 為果蔬細胞壁厚度，取1.26×10m；E 為果蔬細胞壁彈性模量，取2.67×107 N/m；ΔL 為果蔬細胞周長的變化量，m；為果蔬細胞壁的泊松比，取0.33；R 為變形后果蔬細胞的半徑，m；r 為初始細胞半徑，m；V 為細胞體積，m；ΔP 為細胞內壓，kPa。

孔隙率是多孔介質內部孔隙的體積與整個多孔物料的體積之比，即多孔介質中孔隙占整個物料比例的大??；其通常包括線孔隙率、面積孔隙率以及體積孔隙率；孔隙率變化范圍為0～1；對于從空間上隨機選取的任意一點，線、面積和體積孔隙率一般是相同的，統稱為多孔介質孔隙率。本課題采用面積孔隙率，采用下式進行計算：

式中：A為梨瓜組織顯微照片中的孔隙面積，μm；A為顯微圖像中孔隙與非孔隙部位的總面積，μm。

1.2.5.2 形態學參數測量 圖像處理軟件Image Proplus 6.0 包括諸多方便且操作便利的模塊，可以對實驗數據圖像進行采集、處理、測量和分析等操作。本文首先利用顯微系統自帶的TCapture 軟件獲取細胞凍干過程中的變化圖并作標尺處理，再利用圖像處理軟件Image Pro-plus 6.0 對處理后的梨瓜細胞顯微圖像進行渲染處理，然后測量并計算分析其形態學參數，可直接測量細胞周長及當量直徑，描述細胞平面結構特征的面積參數可根據像素點計算得到，然后將數據導入Origin 中生成為點線圖，最終獲得不同條件下微觀結構參數的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 梨瓜細胞凍干過程形態演化分析

2.1.1 梨瓜細胞群凍干過程形態演化分析 為了對單個梨瓜細胞的真空冷凍干燥過程進行科學深入的研究，有必要對包含多個細胞的組織切片進行實驗研究，為單細胞凍干過程提供參考與對比。

如圖3、4、5 所示為100 倍放大倍數下的多個梨瓜組織細胞（細胞群）在冷凍干燥過程中的微觀形貌結構變化圖像，分別以5、15、25 ℃/min 的降溫速率進行凍結，發現梨瓜切片在原始狀態下由于組織細胞內外充滿細胞組織液，光可以穿透組織細胞內部從而使得視野亮度較大，能看到輪廓清晰且飽滿的組織細胞，隨著溫度降低，光線逐漸變模糊至暗，這是由于冰晶的初步形成和增長至完全結晶這一過程中冰晶顆粒對光的散射效應所致。對已完全凍結的微觀組織細胞進行干燥時，通過動態觀察升華過程中不同時刻的冰晶分布，發現視野內細胞位置和大小分布各異，升華干燥時顯微組織表面發生分散式升華，即在不同細胞表面或細胞間隙同時進行固氣相變；由于冰晶升華界面的退卻，表面由凍結時的光滑變得粗糙，隨著細胞內外冰晶顆粒升華汽化的結束，組織內部逐漸有光通過多孔孔道；當解析干燥過程進行或完成時，組織微觀結構幾乎不再發生變化，光線只能穿過固定的孔道，此階段只是去除具有較高吸附能的結合水，因此凍干顯微鏡視野內亮度不再發生變化；直觀上發現與最初的具有飽滿細胞的組織切片顯微圖像相比，干燥物料表面發生皺縮，形成疏松多孔的龜甲狀或蜂窩狀物料，有部分光線從孔隙穿過。

圖3 梨瓜組織細胞結構變化（5 ℃/min）Fig.3 Changes in the structure of pear melon tissue cells (5 ℃/min)

2.1.2 單個梨瓜細胞凍干過程形態演化分析 如圖6、7 所示為35 和50 ℃/min 的降溫速率下凍結的單個梨瓜細胞在真空冷凍干燥周期中對應于不同階段的細胞圖片。由圖可知，梨瓜細胞在干燥過程中由于相變和水分遷移等一系列復雜的傳質傳熱過程而發生結構變化。從整體上看，顯微照片的亮度呈現由亮變暗再變亮的趨勢，原始細胞和干燥后的細胞輪廓分明清晰，而在凍干過程中其形態輪廓顯得更為模糊，這是由于凍結和干燥過程中存在相態變化和水分遷移所致；在預凍過程中隨著溫度的降低，細胞內外逐漸形成冰晶并最終被冰晶包圍，由于冰晶對光有散射效果，因此細胞圖片會隨著冷凍的進行逐漸模糊，當完全變暗時說明此時細胞已完全凍結固化；在干燥過程中，由于冰晶的升華，逐漸有光通過使得細胞圖片變得清晰。同時，實驗發現與原始的外表光滑、粒度飽滿的細胞相比，干燥后細胞幾何尺寸發生變化，細胞明顯皺縮且細胞壁發生折疊。伴隨著細胞的皺縮，細胞密度隨之減小，實驗測得凍結前的梨瓜組織密度為895.13 kg/m，與之相比，不同降溫速率下凍結后的細胞密度均發生減?。ū?），該結果表明細胞在冷凍干燥過程中損失了大量水分。

表1 不同降溫速率下的凍結后樣品密度Table 1 Density of frozen samples at different cooling rates

由圖3、4、5 可知，隨著降溫速率的增加，梨瓜細胞在降溫過程中的透光性也隨之減弱，解析干燥后的細胞會逐漸變暗，輪廓愈加不清晰。這主要是由于凍結階段冰晶的散射效果以及干燥階段細胞內孔道的分布（孔隙率）所致。其中，圖4 中的細胞皺縮程度最大，圖4 與圖5 相比，圖5 中的細胞皺縮程度縮減，說明隨著降溫速率的增大，細胞形態變化程度開始減小。圖6 與圖7 中的單個梨瓜細胞干燥后同樣變暗，圖7 中的細胞輪廓變化程度比圖6 中的高，說明隨著降溫速率的進一步提高，細胞形態變化程度開始增高。

圖4 梨瓜組織細胞結構變化（15 ℃/min）Fig.4 Changes in the structure of pear melon tissue cells (15 ℃/min)

圖5 梨瓜組織細胞結構變化（25 ℃/min）Fig.5 Changes in the structure of pear melon tissue cells (25 ℃/min)

圖6 梨瓜組織單個細胞結構變化（35 ℃/min）Fig.6 Changes in single cell structure in pear melon tissue (35 ℃/min)

圖7 梨瓜組織單個細胞結構變化（50 ℃/min）Fig.7 Changes in single cell structure in pear melon tissue (50 ℃/min)

2.1.3 冰點溫度的變化 預凍結過程中降溫速率對凍結過程所需時間和凍結溫度具有較大影響。由圖8可知，在慢速降溫時，即當降溫速率低于15 ℃/min時，隨著預凍過程降溫速率的增長，凍結時間以較大的梯度減小，而當降溫速率大于15 ℃/min 時，凍結過程的時間變化梯度逐漸趨于平緩。降溫速率為25 ℃/min 時，凍結過程的時間為102 s；而在50 ℃/min下凍結過程僅需51 s。因此，隨著降溫速率的增加，凍結過程所需時間由快速降低轉為緩慢降低。由熱常數分析儀測得，室溫條件下，梨瓜組織的導熱系數為0.367 W/m·K?？焖俳禍剡^程中熱流密度增大，單位時間內導熱量增加，加快了傳熱速率，而降溫速率越大，熱流密度越大，使得凍結過程的時間越短。因此，隨著降溫速率的不斷越大，凍結過程的時間越短。然而，較高的過冷度會破壞梨瓜細胞原有的結構進而影響其熱物性，所以當降溫速率大于15 ℃/min時，細胞熱物性受到影響，隨著速率的提升，傳熱速率的提升過程受阻，凍結過程時間的減小趨勢開始變緩。

圖8 不同降溫速率下的凍結時間Fig.8 Freezing time at different cooling rates

由DSC 測得的梨瓜共晶點溫度為-20.6 ℃（圖9），在50 ℃/min 的降溫速率下細胞冰點溫度接近共晶點溫度，這是由于較高的降溫速率導致較大的過冷度，相應的冰點溫度降低。圖9 所示為冷凍-復溫過程中的熱流密度及溫度曲線，從藍線（溫度線）可以看出，隨著時間的延長，梨瓜細胞溫度首先不斷降低，隨后在拐點處突然升高，這是由于液體在結晶瞬間釋放大量的潛熱，因而溫度會突然升高，因此該拐點為共晶點。由圖10可知，不同于凍結時間的變化趨勢，凍結溫度隨著降溫速率的增長整體呈逐漸降低的趨勢。當降溫速率為25 和50 ℃/min 時，冰點溫度分別為-16.06 和-20.01 ℃。圖中發現當降溫速率大于25 ℃/min 時，梨瓜細胞的冰點溫度下降趨勢加快，這是由于低降溫速率下胞外液體首先被凍結固化，使得細胞內外濃度不同，在滲透壓作用下胞內水分向外遷移，在胞外形成塊狀大冰晶；在固液相變過程中，當降溫速率較小時，相變所釋放的潛熱會弱化對細胞的降溫，并且在較小的溫度梯度下過冷度較小，故細胞的冰點溫度出現大幅降低。而在快速降溫時，溫度梯度過于大，過冷度也大，相變潛熱的影響就顯得微不足道，也不再出現冰點溫度驟降的現象。同時，果蔬切片內部冰晶形成需滿足兩個基本條件，即過冷度和晶核形成，當達到一定的過冷度時，隨著溫度降低，水分子由于密度變化發生遷移不斷結合到晶核上，轉件生長最后形成冰晶，而適當增加降溫速率可以達到要求的過冷度。

圖9 冷凍-復溫過程DSC 曲線Fig.9 DSC curve of freezing-rewarming process

圖10 不同降溫速率下梨瓜細胞冰點溫度變化Fig.10 Variation of the freezing point of pear melon cells at different cooling rates

2.2 細胞形態學分析

為了全面反映預凍速率對梨瓜細胞結構在真空冷凍干燥過程中的影響，可以對梨瓜細胞形態結構利用不同維度的形態學參數描述并進行量化分析，本部分首先通過圖像處理軟件獲得細胞的結構特征參數，針對梨瓜細胞在5、15、25、35 和50 ℃/min 的降溫速率下進行預凍結時凍干過程中細胞結構參數的變化進行研究分析，設置了凍干時間，表示細胞的凍結過程及隨后的干燥過程的時間變化。

2.2.1 一維結構參數變化 一維形態學參數（周長、當量直徑）是描述細胞結構變化最直觀的參數，由圖11 可知，在各預凍降溫條件下，測得的細胞周長和當量直徑的變化趨勢基本一致；同時，隨著真空冷凍干燥過程的進行，一維形態學參數變化率逐漸增加，即周長和當量直徑隨著過程的進行不斷減小，在5、15、25、35 和50 ℃/min 的降溫速率下，周長和當量直徑的最大變化量分別為20.8%、9.69%、9.3%、11.85%、15.3%和20.96%、11.81%、9.05%、15.05%、17.1%，發現隨著降溫速率的增長，細胞一維幾何參數的變化率先減小再增大。該現象表明細胞一維形態表面與降溫速率呈波動關系，細胞表面結構在低降溫速率與高降溫速率下均出現大幅的變化，不利于細胞結構的穩定。由此可見，較低和較高的降溫速率都不利于凍干過程中細胞一維原始形態結構的維持。

圖11 一維形態學參數隨凍干時間的變化Fig.11 Changes of one-dimensional morphological parameters with freeze-drying process time

2.2.2 二維形態學參數變化 如圖12 所示為單個梨瓜細胞在凍干過程中面積參數的變化情況，從圖中可以發現，隨著凍干過程的進行，面積變化率不斷增加，即細胞表面積逐漸皺縮減??；不同預凍條件（5、15、25、35、50 ℃/min）下完成干燥時，與初始時刻飽滿細胞的面積相比較，干燥前后細胞面積分別變化了29.9%、22.7%、17.3%、27.8%和31.3%，隨著預凍速率的增大呈先減小再變大的趨勢，以25 ℃/min 的降溫速率預凍后完成干燥時的變化率最小，故在該降溫速率下細胞二維形態學參數變化最小，在25 ℃/min的預凍速率下凍結的梨瓜組織中細胞破壞和分離程度較低，有利于傳質過程的順利進行，最終較好地維持了初始狀態下的二維微觀結構特征。

圖12 細胞面積隨凍干時間的變化Fig.12 Changes of cell area with freeze-drying process time

2.2.3 三維形態學參數變化 細胞體積變化量可以立體化地反映細胞受外界載荷作用時的變化程度，根據軟件測得的細胞周長，代入公式計算得到細胞的體積幾何參數。冷凍降溫速率對細胞的不可逆破壞對干燥階段質量傳遞的擴散系數具有影響，即顯著影響梨瓜細胞脫水過程，最終體積發生變化的同時結構穩定性也有所改變。同時，冷凍速率和膜的滲透性對細胞的體積收縮具有顯著影響，其中膜的滲透性對細胞體積收縮率的影響較冷凍速率更為顯著。針對同一種物料而言，細胞膜的滲透性相差無幾，因而冷凍速率是影響梨瓜細胞體積收縮的主要因素。

如圖13 所示為細胞凍干過程中對應于不同預凍速率的體積變化過程，可以發現隨著真空冷凍干燥過程的完成，細胞體積變化率呈現出不同程度的增長。在各降溫速率下，與原始狀態相比，干燥后細胞體積的變化率分別為50.35%、26.35%、25.39%、31.5%、39.14%。即隨著預凍速率的增大，細胞體積變化率在干燥前后呈先減小再緩慢增長的趨勢，在25 ℃/min的預凍條件下三維特征參數變化值最小。細胞體積的變化主要受細胞內液體（細胞內液、自由水及結合水）含量的影響。在低降溫速率下，梨瓜細胞在膜的滲透作用下會發生失水現象，導致梨瓜細胞產生明顯收縮，同時，低降溫速率產生的溫度載荷同樣使細胞損傷嚴重，同時受到細胞外形成的冰晶的擠壓，體積變化率較大。在較高的降溫速率下，細胞在凍結階段不會發生明顯的收縮，細胞間隙快速產生大量分布均勻的小冰晶，不會擠壓細胞，然而，較高的過冷度使得細胞內快速產生小冰晶，胞內冰晶的密集排布會損害細胞基質，細胞內發生水分遷移，共同造成了細胞體積變化率較大的現象，最終使細胞變化率隨降溫速率的增大呈現先減小后增大的趨勢。

圖13 細胞體積隨凍干時間的變化Fig.13 Changes of cell volume with freeze-drying process time

2.2.4 細胞內壓變化 如圖14 中所示為5 種不同降溫速率下凍結后凍干過程細胞內壓的變化情況，在200 s 以內的預凍結階段，內壓變化量較小，其在凍結階段最大為350 kPa，在高降溫速率下凍結階段單位時間內的內壓變化較大。隨著過程的進行內壓變化逐漸增大，同時發現隨著降溫速率的增長，內壓的最大變化量先減小再增大，而且由于細胞大小差異，同一降溫速率下凍干的細胞在干燥后內壓也會出現較大差距。

圖14 細胞內壓隨凍干時間的變化Fig.14 Changes of intracellular pressure with freeze-drying process time

過低的降溫速率下，細胞內壓與細胞體積的關聯性較強，二者的變化呈正相反。這是由于低降溫速率下細胞內自由水發生膨脹，細胞內壓減小進而使細胞體積增大，隨著細胞間隙產生大的冰晶，細胞內壓增大，在內壓作用加之慢速凍結時細胞膜的滲透作用，細胞內水分析出并流至細胞間隙，使得細胞間隙的冰晶體積進一步增大，再度擠壓細胞使得細胞體積減小。

過高的冷凍速率對梨瓜細胞在凍干過程中也產生不利影響，快速冷凍在微觀組織中形成更小、分布更均勻的胞內冰晶的可能性很大，但是產品的質量并未完全保持?？梢詮膬煞矫娼忉?，一方面可能是快速冷凍過程伴隨較大過冷度和瞬時冰晶成核促進了劇烈的水分遷移，即細胞內的水分朝細胞間隙遷移，因此引起梨瓜細胞結構的顯著降解。另一方面，在快速降溫工況下，細胞內部水分來不及向外遷移，從而在胞內生成較為密集的冰晶，致使冰晶對細胞內部造成機械損傷，內部細胞器受到破壞。因此，并非降溫速率越高越好，不論是對果蔬的冷凍還是凍干保存，選擇適當的降溫速率顯得至關重要。

2.2.5 孔隙率變化 孔隙率作為表征多孔介質孔隙分布的參數，可以用來評價干燥后果蔬物料的結構穩定性，如圖15 展示了凍干后的梨瓜切片組織孔隙率受預凍階段降溫速率的影響情況，可以看出，隨著降溫速率的增加，孔隙率迅速增大然后趨于平緩，在5 ℃/min 的降溫速率對應的孔隙率為32.7%；而當降溫速率大于5 ℃/min 時，孔隙率受降溫速率影響較小，在一定范圍（46%～47%）內波動，不再有明顯增長或減小。這可能是由于快速降溫形成細小冰晶，細小冰晶升華后的微孔有助于解析干燥的進行，在干燥階段細微結構受溫度和壓力影響較小所致。此外，不同的降溫速率下凍結階段造成細胞的破裂與分離程度也不同，進一步對干燥階段產生影響，致使干燥物料的質構和穩定性發生不同程度的變化，所產生的物料孔隙率也各不相同。物料的孔隙率越大，其結構穩定性越高。由圖15 可以看出，15～50 ℃/min 的降溫速率下梨瓜組織細胞具有較高的孔隙率，孔隙分布區域越大，越有助于梨瓜組織真空冷凍干燥時保持梨瓜內部的微觀孔道結構，結構穩定性較好。

圖15 孔隙率隨降溫速率的變化Fig.15 Variation of porosity with cooling rate

3 結論

為了探索保持梨瓜細胞微觀形態結構的最佳冷凍速率，本文研究了預凍過程中不同降溫速率對梨瓜細胞微觀結構及相關特征參數的影響，分析了細胞在不同預凍條件下干燥時細胞面積、周長、當量直徑、體積、內壓和孔隙率的變化情況，結果表明：在25 ℃/min 的降溫速率下，梨瓜細胞結構最穩定，最有利于保存。當降溫速率為25 ℃/min 時，細胞形態學參數和內壓變化最小，對果蔬組織的損害最??；當降溫速率大于5 ℃/min 時，孔隙率受降溫速率的影響較小，在一定范圍內發生微小波動，各個細胞間結合穩定度最好。

過高和過低的降溫速率都不利于梨瓜細胞的凍干。過高與過低的降溫速率下，細胞形態學參數變化率較大，一維至三維參數（面積、周長、當量直徑、體積）均隨著降溫速率的增大而呈現先減小后增大的波動趨勢。

梨瓜細胞輪廓的透光度受冰晶散射及孔隙率的影響。在凍結階段，冰晶散射強度隨降溫速率的提高呈先減小后增大的趨勢；在干燥階段，降溫速率大于5 ℃/min 時，孔隙率一直保持在較高的數值，與5 ℃/min 條件下相比，干燥后的細胞輪廓更加清晰。