鄒少強(qiáng)

（福建立興食品有限公司，福建漳州 363000）

預(yù)處理技術(shù)是提高干燥效率、提升食品品質(zhì)、提高產(chǎn)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(fā)生傳質(zhì)，果蔬中的水分在滲透壓差的作用下進(jìn)入滲透液中，而滲透液中的溶質(zhì)成分進(jìn)入果蔬組織中。滲透脫水是干燥的預(yù)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(chǎn)品品質(zhì)[1]。

冷凍干燥技術(shù)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(yǎng)品質(zhì)，且不使物料發(fā)生褐變和皺縮。在冷凍干燥脆塊類食品生產(chǎn)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(zhì)差，采用糖滲透處理是改善質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的有效途徑之一。糖滲透處理后，物料組成發(fā)生改變，影響了凍干后的物理性質(zhì)。滲透脫水預(yù)處理通常改善了果蔬的質(zhì)構(gòu)。研究表明，OD 預(yù)處理后，凍干產(chǎn)品的硬度更高[2-3]。食品原料經(jīng)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(huì)輕微降低草莓對水分的吸附量，葡萄糖會(huì)顯著降低草莓對水分的吸附量[5]。目前關(guān)于糖滲透處理方式對凍干后產(chǎn)品物理品質(zhì)的影響尚未明晰。

凍干即食食品的物理品質(zhì)中，硬脆度和色澤品質(zhì)是消費(fèi)過程中直接消費(fèi)者感受的品質(zhì)，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(chǎn)品品質(zhì)的影響鮮有研究。糖的種類影響蘋果凍干片的滲透時(shí)間和品質(zhì)。本研究旨在探討小分子糖種類和滲透時(shí)間對蘋果凍干片的水分吸附特性、質(zhì)構(gòu)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(chǎn)地為山東煙臺(tái)，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(jīng)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(shè)備

蔬菜水果切片機(jī)，CL50，法國Robot Couple 公司；真空冷凍干燥機(jī)，BLK-0.5 型，中國江蘇博萊客冷凍科技發(fā)展有限公司；數(shù)碼相機(jī)，D700，中國尼康公司；電子眼色彩分析系統(tǒng)，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(shí)業(yè)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(shí)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(fēng)淋去除外部殘留水分，用于后續(xù)干燥。

1.3.2 滲透動(dòng)力學(xué)

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(zhǔn)確稱量每組滲透蘋果片樣品鮮樣質(zhì)量、滲透后質(zhì)量及樣品干基質(zhì)量（于105 ℃熱風(fēng)烘干至樣品質(zhì)量2 h 內(nèi)不變，即得干基質(zhì)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(zhì)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(yù)處理后樣品于-40 ℃下冷凍12 h，進(jìn)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(biāo)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(shí)間的6 組凍干蘋果片和不同糖液相同滲透時(shí)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(shí)間取出，用水分活度分析儀測量水分活度，同時(shí)對樣品進(jìn)行稱重。以上實(shí)驗(yàn)均在25 ℃下進(jìn)行。

水分吸附性易受物料形態(tài)結(jié)構(gòu)、比表面積、環(huán)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(nèi)外學(xué)者在水分吸附研究中總結(jié)出多個(gè)模型[6-7]，本研究根據(jù)高糖高比表面積食品的水分吸附特性，結(jié)合常用吸附模型，選取4 個(gè)吸附模型進(jìn)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(zhì)構(gòu)

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(shè)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(gè)數(shù)表示脆度，峰個(gè)數(shù)越多，脆度越大，每個(gè)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(jù)電子眼系統(tǒng)測定新鮮及干燥后蘋果片色澤，并按照公式（3）計(jì)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(jié)構(gòu)

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(dǎo)電膠粘貼在樣品臺(tái)上，噴金覆蓋，然后置于掃描電鏡觀測臺(tái)上進(jìn)行拍照。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24、Origin 2020、Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透動(dòng)力學(xué)

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(zhì)過程中單糖傳質(zhì)速率較快，在120 min 時(shí)，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(guān)。然而，單糖滲透處理時(shí)，傳質(zhì)過程達(dá)到平衡的時(shí)間較長，一方面可能是在滲透后期階段細(xì)胞皺縮較大，滲透液進(jìn)入間隙較慢造成的；另一方面可能是由于原生質(zhì)體的收縮和滲透壓差減小，形成了阻礙進(jìn)一步傳質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(shí)，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(shí)間間隔內(nèi)僅略有增加。說明單糖滲透處理需要較長時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。這是由滲透壓差決定的，分子量越大，相同質(zhì)量濃度時(shí)，糖滲透液滲透壓越低，傳質(zhì)越慢，能達(dá)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(dòng)力學(xué)的影響

不同糖滲透預(yù)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(guān)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(shí)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(shí)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(shí)間和糖種類兩個(gè)維度對吸濕性進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合。表2 為蔗糖滲透預(yù)處理冷凍干燥蘋果片水分吸附模型擬合參數(shù)。由表可以看出，在不同滲透時(shí)間下，Gunary 模型在aw=0～0.4 區(qū)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(gè)區(qū)域，其中Ⅰ區(qū)的水分主要為結(jié)合水，這一部分水以化合鍵結(jié)合，在食品中結(jié)合最為牢固，在極低溫下不發(fā)生凍結(jié)；Ⅱ區(qū)的水分狀態(tài)主要為多分子層水，部分會(huì)參與反應(yīng)，被微生物利用，同時(shí)增加了食品中的分子流動(dòng)性，具有塑化作用，降低無定型態(tài)食品的黏度[14]。基于水分吸附等溫線模型，可以算出一定糖滲透時(shí)間下的低水分區(qū)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(diǎn)判斷時(shí)，要充分考慮最終水分含量和物料種類的關(guān)系，以獲得較好的貯藏穩(wěn)定性。

表2 蔗糖滲透預(yù)處理冷凍干燥蘋果片水分吸附模型擬合參數(shù)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(zhì)構(gòu)性質(zhì)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(shí)間的關(guān)系。由表可知，果糖對硬度增強(qiáng)的影響最大，隨著滲透時(shí)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(shí)間下，果糖和葡萄糖滲透后的蘋果脆片硬度較高，當(dāng)滲透240 min 時(shí)，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(zhì)有限，蘋果脆片固形物增量小，結(jié)構(gòu)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(guān)[16]。一方面，硬度的提高是由于物料失水和和體積收縮，導(dǎo)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(jié)合到果膠等大分子物質(zhì)上，降低了分子的移動(dòng)，起到增強(qiáng)物料硬度和強(qiáng)度的作用[17]；此外，硬度提高可能是由于產(chǎn)品玻璃化溫度較低，在干燥過程中發(fā)生塌陷，組織結(jié)構(gòu)變得更加致密，抗形變能力更強(qiáng)導(dǎo)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(shí)間的關(guān)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(shí)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(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)皺縮，孔隙總數(shù)量降低，在破碎時(shí)崩碎數(shù)量小導(dǎo)致的；另一方面，由于糖含量增加，導(dǎo)致滲透后蘋果片的黏度降低，凍干后蘋果片的物理狀態(tài)從接近玻璃態(tài)到接近黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，體系中的大分子流動(dòng)性在糖的作用下增強(qiáng)，體系黏度降低[18]，在測定過程中較難發(fā)生斷裂，而是發(fā)生可逆形變，導(dǎo)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(jié)果表明，短時(shí)間滲透脫水（0～120 min）的冷凍干燥蘋果片的L*值略高于長時(shí)間滲透脫水（120～240 min）的樣品，可能是長時(shí)間滲透導(dǎo)致表面皺縮，孔隙變小，對光線的吸收更多而折射更少導(dǎo)致的[19]。另外短時(shí)間滲透脫水的冷凍干燥蘋果片的b*值略低于長時(shí)間滲透脫水的冷凍干燥蘋果的b*值，說明長時(shí)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(shí)間滲透處理后未發(fā)現(xiàn)蘋果等出現(xiàn)褐變等現(xiàn)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(jié)構(gòu)的影響

微觀結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的干燥特性和品質(zhì)均有重要影響，圖3 為蔗糖和葡萄糖滲透不同時(shí)間的冷凍干燥蘋果片微觀結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能是冷凍過程形成的冰晶升華后形成的；而隨著滲透時(shí)間的增加，物料的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，升華孔隙通道減少；當(dāng)蔗糖滲透240min時(shí)，長時(shí)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(dǎo)致在冷凍干燥過程中受熱塌陷，內(nèi)部凍結(jié)水融化沸騰，進(jìn)而造成不規(guī)則的塌陷結(jié)構(gòu)[20]。而葡萄糖滲透240 min 時(shí)，塌陷程度較小，可能是由于葡萄糖玻璃化溫度更高，當(dāng)與蘋果組織結(jié)合后總玻璃化溫度降低較蔗糖組小，更不易發(fā)生塌陷[21]。

圖3 冷凍干燥蘋果片的微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of freeze-dried apple slices

3 結(jié)論

通過對不同滲透處理蘋果片進(jìn)行滲透脫水過程中傳質(zhì)、冷凍干燥蘋果片水分吸附特性、質(zhì)構(gòu)及色澤變化四個(gè)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(fā)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(dá)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(zhì)，縮短滲透過程。但滲透處理對冷凍干燥過程的影響規(guī)律和影響機(jī)制尚不明確，還需進(jìn)一步研究。