滲透預處理對冷凍干燥蘋果片物理品質的影響

鄒少強

（福建立興食品有限公司，福建漳州 363000）

預處理技術是提高干燥效率、提升食品品質、提高產品附加值的常用方法。滲透脫水（osmotic dehydration，OD）是指果蔬在一定滲透壓的溶液中發生傳質，果蔬中的水分在滲透壓差的作用下進入滲透液中，而滲透液中的溶質成分進入果蔬組織中。滲透脫水是干燥的預處理過程，有利于降低食品原料的水分含量，提高食品含糖量，改善干燥產品品質[1]。

冷凍干燥技術是使物料中的水分以冰的形式受熱升華，可以極大保留物料的營養品質，且不使物料發生褐變和皺縮。在冷凍干燥脆塊類食品生產過程中，若物料初始密度小，含糖量低，則凍干后硬脆度低，感官品質差，采用糖滲透處理是改善質構品質的有效途徑之一。糖滲透處理后，物料組成發生改變，影響了凍干后的物理性質。滲透脫水預處理通常改善了果蔬的質構。研究表明，OD 預處理后，凍干產品的硬度更高[2-3]。食品原料經過不同糖滲透后的吸濕性不同[4]，如蔗糖溶液和淀粉糖漿會輕微降低草莓對水分的吸附量，葡萄糖會顯著降低草莓對水分的吸附量[5]。目前關于糖滲透處理方式對凍干后產品物理品質的影響尚未明晰。

凍干即食食品的物理品質中，硬脆度和色澤品質是消費過程中直接消費者感受的品質，水分吸附性決定了食品的包裝方式，而小分子糖滲透脫水處理對真空冷凍干燥產品品質的影響鮮有研究。糖的種類影響蘋果凍干片的滲透時間和品質。本研究旨在探討小分子糖種類和滲透時間對蘋果凍干片的水分吸附特性、質構特性和色澤的影響，以篩選出適用于冷凍干燥的糖滲透前處理方式。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘富士’蘋果，產地為山東煙臺，購于北京幸福榮耀超市，含水量（6.38±0.18）kg/kg（干基含水率），經去核后，切成厚度（10.0±0.5）mm、直徑（20.0±0.5）mm 的圓片。

蔗糖、麥芽糖、果糖、葡萄糖和低聚異麥芽糖，均為食品級（純度＞99.6%），上海源葉科技有限公司。

1.2 儀器與設備

蔬菜水果切片機，CL50，法國Robot Couple 公司；真空冷凍干燥機，BLK-0.5 型，中國江蘇博萊客冷凍科技發展有限公司；數碼相機，D700，中國尼康公司；電子眼色彩分析系統，Lens Eye-NET Version1.5.5.0，美國；物性測試儀，TA.HD plus，英國Stable Micro System 公司；掃描電鏡，S-570，日本HITACHI 公司；水分活度測定儀，AW1000T，中國昌琨實業有限公司；差示量熱掃描儀，DSC 8000，美國PE 公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

取30 g 蘋果片分別放入有40%（w/w）不同種類小分子糖（葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、低聚異麥芽糖）滲透液的自封袋中（料液比1∶4），浸沒在50 ℃的水浴鍋中，每隔2 min 搖晃一次。所有滲透樣品以“糖-滲透時間”表示。分別在30、60、90、120、180、240 min 取樣，后用清水清洗去除表面滲透液，風淋去除外部殘留水分，用于后續干燥。

1.3.2 滲透動力學

在30、60、90、120、180、240 min 取樣，用去離子水清洗去除表面滲透液，并用濾紙吸附外部殘留水分，準確稱量每組滲透蘋果片樣品鮮樣質量、滲透后質量及樣品干基質量（于105 ℃熱風烘干至樣品質量2 h 內不變，即得干基質量）。滲透過程中水分損失量（WL）和固形物增量（SG）如式（1）（2）所示。

式中，W0為初始樣本質量，g；Wm0和Wmt為初始含水量和最終含水量，g；Ws0和Wst為樣品中初始固形物含量和最終固形物含量，g。

1.3.3 真空冷凍干燥

預處理后樣品于-40 ℃下冷凍12 h，進行真空冷凍干燥。干燥條件為壓力80 Pa，加熱板溫度50 ℃，冷阱溫度-35 ℃，干燥12 h。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 吸濕性

采用飽和鹽溶液法測定樣品的水分吸附等溫線[5]。取蔗糖不同滲透時間的6 組凍干蘋果片和不同糖液相同滲透時間（240 min）的凍干蘋果為研究對象。蘋果樣品置于密封干燥器中，干燥器底部為NaCl 飽和鹽溶液（aw=0.753）。干燥樣品放入干燥器中，每隔一定時間取出，用水分活度分析儀測量水分活度，同時對樣品進行稱重。以上實驗均在25 ℃下進行。

水分吸附性易受物料形態結構、比表面積、環境條件等的影響，因此建立水分吸附模型對研究水分吸附和貯藏條件具有重要意義。國內外學者在水分吸附研究中總結出多個模型[6-7]，本研究根據高糖高比表面積食品的水分吸附特性，結合常用吸附模型，選取4 個吸附模型進行比較分析（見表1）。

表1 常用食品水分吸附模型Table 1 Commonly used models for adsorption isotherm equation of food products

1.4.2 質構

參考Peng 等[8]的方法，采用TA.HD plus 物性測試儀測定蘋果脆片硬脆度。采用“Λ”型探頭，設置測試條件為前期測試速度2.0 mm/s，檢測中速度1.0 mm/s，后期檢測速度10.0 mm/s，其中最大斷裂力定義為樣品硬度，峰的個數表示脆度，峰個數越多，脆度越大，每個處理取12次平行，去除最大值和最小值后取平均值。

1.4.3 色澤

參考宋慧慧等[9]的方法，依據電子眼系統測定新鮮及干燥后蘋果片色澤，并按照公式（3）計算總色差ΔE值。

式中，L0、a0、b0分別表示蘋果鮮樣的亮度、紅度和黃度；L*、a*、b*分別表示蘋果脆片的亮度、紅度和黃度。

1.4.4 微觀結構

參考宋慧慧等[9]的方法，將樣品用液氮速凍后掰斷，取樣品斷面，用導電膠粘貼在樣品臺上，噴金覆蓋，然后置于掃描電鏡觀測臺上進行拍照。

1.5 數據處理

采用SPSS 24、Origin 2020、Excel 2016 進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 滲透動力學

不同糖滲透樣品在滲透液中的固形物增量和水分損失如圖1 所示。

圖1 不同糖類對蘋果片滲透脫水過程固形物增加量（a）和水分損失量（b）的影響Fig.1 Effects of different saccharides on the solid gain (a)and water loss (b) of apple slices during osmotic dehydration

由圖1 可知，蘋果片在早期（0～120 min）滲透傳質過程中單糖傳質速率較快，在120 min 時，果糖的固形物增加量和水分損失量最高，分別為0.294 g/g 和0.511 g/g，其次為葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、低聚異麥芽糖。單糖固形物增加量和水分損失量高于二糖和低聚糖，這可能與較低的分子量和較大的滲透壓差有關。然而，單糖滲透處理時，傳質過程達到平衡的時間較長，一方面可能是在滲透后期階段細胞皺縮較大，滲透液進入間隙較慢造成的；另一方面可能是由于原生質體的收縮和滲透壓差減小，形成了阻礙進一步傳質的結構造成的[10-11]。在滲透后期（120～240 min），固形物增加量和水分損失量取決于糖的類型。葡萄糖和果糖滲透處理的蘋果片在120～240 min 時，固形物增加量分別為0.055～0.062 g/g 和0.051～0.065 g/g；而蔗糖、麥芽糖和低聚異麥芽糖滲透處理的蘋果片的固形物增加量在同一時間間隔內僅略有增加。說明單糖滲透處理需要較長時間才能達到平衡狀態。這是由滲透壓差決定的，分子量越大，相同質量濃度時，糖滲透液滲透壓越低，傳質越慢，能達到的最終固形物增量和水分損失量越低。

2.2 不同糖滲透對蘋果片吸濕動力學的影響

不同糖滲透預處理的真空冷凍干燥蘋果脆片的水分活度和平衡含水率關系如圖2（a）所示。由圖可知，在相同的水分活度（0.2～0.5）下，未滲透樣品的平衡含水率最高。此外，滲透后蘋果脆片在相同水分活度下，固形物增量越大，平衡含水率越低。Djendoubi 等[12]研究表明，在含水量恒定的情況下，杏的水分活度隨著蔗糖含量的增加而增加。

圖2 不同滲透時間（a）和不同糖滲透（b）蘋果片的水分吸附特性Fig.2 Water adsorption characteristics of freeze-dried apple slices with different dehydration time (a) and osmotic saccharides (b)

本研究以不同滲透時間的蔗糖滲透處理和240 min滲透處理不同糖種類為代表，從時間和糖種類兩個維度對吸濕性進行數學模型擬合。表2 為蔗糖滲透預處理冷凍干燥蘋果片水分吸附模型擬合參數。由表可以看出，在不同滲透時間下，Gunary 模型在aw=0～0.4 區間對冷凍干燥蘋果擬合效果最好（R2=0.989 5～0.999 4，RSS=0～0.0008），其次為FreundlichEXT 模型（R2=0.9864～0.999 4，RSS=0～0.0006），接下來依次為LangmuirEXT1（R2=0.9821～0.998 9，RSS=0.0001～0.0009）和BET模型（R2=0.958 1～0.999 0，RSS=0.0001～0.002 6）。在低水分活度下，高含糖物料的水分吸附等溫線可分為兩個區域，其中Ⅰ區的水分主要為結合水，這一部分水以化合鍵結合，在食品中結合最為牢固，在極低溫下不發生凍結；Ⅱ區的水分狀態主要為多分子層水，部分會參與反應，被微生物利用，同時增加了食品中的分子流動性，具有塑化作用，降低無定型態食品的黏度[14]?；谒治降葴鼐€模型，可以算出一定糖滲透時間下的低水分區域的臨界水分含量[15]，為凍干食品的貯藏提供參考。如30 min 和120 min 蔗糖滲透組凍干蘋果片在水分活度0.1 處的平衡含水率分別為0.019 5 g/g 和0.019 2 g/g。因此，在冷凍干燥的終點判斷時，要充分考慮最終水分含量和物料種類的關系，以獲得較好的貯藏穩定性。

表2 蔗糖滲透預處理冷凍干燥蘋果片水分吸附模型擬合參數Table 2 The fitting parameters of water adsorption models of freeze-dried apple slices

2.3 不同糖滲透對真空冷凍干燥蘋果脆片質構性質的影響

表3（見第30 頁）為滲透處理后真空冷凍干燥蘋果脆片的硬度與滲透時間的關系。由表可知，果糖對硬度增強的影響最大，隨著滲透時間的增加，冷凍干燥蘋果片的硬度顯著增加。蔗糖和葡萄糖滲透組對蘋果脆片硬度的改善作用與果糖相似，但最終硬度小于果糖。在相同時間下，果糖和葡萄糖滲透后的蘋果脆片硬度較高，當滲透240 min 時，果糖滲透蘋果片硬度最高（6 392.5 g），其次分別為葡萄糖（5 119.8 g）、蔗糖（3 810.7 g）、麥芽糖（2 550.5 g）和低聚異麥芽糖（2 414.3 g）。麥芽糖和低聚異麥芽糖的滲透傳質有限，蘋果脆片固形物增量小，結構改變小?？梢?，硬度的增加不僅是糖含量增加造成的，可能而且與失水后的體積收縮也有關[16]。一方面，硬度的提高是由于物料失水和和體積收縮，導致孔隙體積的減小和孔壁厚度增加[8]，另一方面，蔗糖等小分子糖通過氫鍵結合到果膠等大分子物質上，降低了分子的移動，起到增強物料硬度和強度的作用[17]；此外，硬度提高可能是由于產品玻璃化溫度較低，在干燥過程中發生塌陷，組織結構變得更加致密，抗形變能力更強導致的。

表3 為滲透處理后真空冷凍干燥蘋果脆片脆度與滲透時間的關系。由表可知，在滲透前期（0～120 min），滲透處理對蘋果的酥脆性影響較小，然而隨著滲透時間的增加，蘋果片的脆性降低，其中以果糖最明顯，一方面，可能是由于滲透后期皺縮嚴重，導致內部孔隙結構皺縮，孔隙總數量降低，在破碎時崩碎數量小導致的；另一方面，由于糖含量增加，導致滲透后蘋果片的黏度降低，凍干后蘋果片的物理狀態從接近玻璃態到接近黏流態轉變，體系中的大分子流動性在糖的作用下增強，體系黏度降低[18]，在測定過程中較難發生斷裂，而是發生可逆形變，導致脆度降低。

2.4 不同糖滲透對真空冷凍干燥蘋果脆片色澤的影響

不同糖滲透對真空冷凍干燥蘋果片色澤的影響如表4 所示。結果表明，短時間滲透脫水（0～120 min）的冷凍干燥蘋果片的L*值略高于長時間滲透脫水（120～240 min）的樣品，可能是長時間滲透導致表面皺縮，孔隙變小，對光線的吸收更多而折射更少導致的[19]。另外短時間滲透脫水的冷凍干燥蘋果片的b*值略低于長時間滲透脫水的冷凍干燥蘋果的b*值，說明長時間滲透脫水不可避免地造成亮度和黃度降低?？偟膩碚f，不同糖和不同滲透時間滲透處理后未發現蘋果等出現褐變等現象，滲透處理對冷凍干燥后蘋果片色澤的保留效果較好。

表4 不同糖滲透真空冷凍干燥蘋果片的色澤Table 4 Color characteristic of freeze-dried apple slices with different osmotic dehydration

2.5 不同糖滲透對真空冷凍干燥蘋果脆片微觀結構的影響

微觀結構對產品的干燥特性和品質均有重要影響，圖3 為蔗糖和葡萄糖滲透不同時間的冷凍干燥蘋果片微觀結構。由圖可知，蔗糖滲透30 min 的冷凍干燥蘋果片具有蜂窩狀多孔結構，這種結構可能是冷凍過程形成的冰晶升華后形成的；而隨著滲透時間的增加，物料的微觀結構更加致密，升華孔隙通道減少；當蔗糖滲透240min時，長時間滲透后蘋果中糖含量過高，降低了冷凍蘋果片的塌陷溫度，導致在冷凍干燥過程中受熱塌陷，內部凍結水融化沸騰，進而造成不規則的塌陷結構[20]。而葡萄糖滲透240 min 時，塌陷程度較小，可能是由于葡萄糖玻璃化溫度更高，當與蘋果組織結合后總玻璃化溫度降低較蔗糖組小，更不易發生塌陷[21]。

圖3 冷凍干燥蘋果片的微觀結構Fig.3 Microstructure of freeze-dried apple slices

3 結論

通過對不同滲透處理蘋果片進行滲透脫水過程中傳質、冷凍干燥蘋果片水分吸附特性、質構及色澤變化四個方面的比較得出，果糖和葡萄糖滲透處理的蘋果片具有更快的固形物增加速率和更高的固形物增量；糖含量增加后水分吸附特性發生改變，相同水分活度下，蔗糖、果糖和葡萄糖滲透處理的真空冷凍干燥樣品需要達到更低的含水量；果糖和葡萄糖滲透處理的蘋果片硬度顯著提高，在滲透前期可保留脆度；綜上，果糖、葡萄糖和蔗糖作為滲透劑可以有效改善凍干后的品質，縮短滲透過程。但滲透處理對冷凍干燥過程的影響規律和影響機制尚不明確，還需進一步研究。