冻融对胡萝卜压差膨化效果的影响

卢亚婷， 罗仓学， 史 超

(1.陕西科技大学 生命科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西农产品加工技术研究院， 陕西 西安 710021； 3.军空工程大学, 陕西 西安 710051)

0 引言

果蔬变温压差膨化干燥是近几年兴起的一种新型果蔬干燥技术,它是利用相变和气体的热压效应原理,使被加工物料内部的液体迅速升温汽化、增压膨胀,并依靠气体的膨胀力带动组织中高分子物质的结构变化,从而使之成为具有网状结构特征且定型的多孔状物质.压差膨化技术结合了真空冷冻干燥产品品质好的优点，克服了真空低温油炸膨化不耐贮藏的缺点，膨化后的产品具有较高的优越性[1,2].随着压差膨化产品市场需求量的不断增大，有关压差膨化技术方面的研究也成为时下研究的热点.国内外学者毕金峰、何新益、Nath A等人在2006～2013年间先后针对不同的果蔬如苹果、土豆、哈密瓜等开展了工艺优化、关键因素探析、前处理对品质结构影响等研究[3-10]，在一定程度上推动了压差膨化技术的进步.目前的研究概括起来主要集中在工艺优化、关键技术研究及前处理方法，而前处理中以漂烫、护色、预脱水、浸渍处理为主，其中漂烫和护色常用于鲜切褐变较为严重的物料，如苹果、甘薯等[11,12]；预脱水处理常用于含水量较高的鲜果或浆果类.浸渍常用于组织结构致密的胡萝卜[13].尽管科研人员对压差膨化技术的研究已取得了较大的进展和丰富的成果，而有关冻融处理对胡萝卜膨化效果影响的研究较少，因此，以胡萝卜为对象，较为系统的探讨冻融处理对胡萝卜压差膨化效果的影响，旨在改善胡萝卜脆片的品质，为压差膨化果蔬脆片关键技术提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 胡萝卜原料

市购，适合于加工的三红品种.

1.1.2 主要仪器设备

TA-XT PLUS 21/50物性分析仪，英国Stable Micro System公司;压差膨化设备，陕西科技大学生命科学与工程学院自行研制；CM-5分光测色仪，日本柯尼卡美能达；BC/BD-428A海尔冷冻柜，海尔股份有限公司.

1.2 方法

试验中，原料清洗去泥沙，横向切片2～4 mm，按照试验设计方案进行试验，压差膨化工艺参数分别为:膨化温度(98±2) ℃，膨化压力(0.3±0.02)MPa，抽真空干燥温度(75±2) ℃，抽真空干燥时间(70±5)min，原料量(5±0.1) kg /m2.

1.3 分析检测方法

1.3.1 脆度的测定

T.P.A测定法.TA-XT PLUS 21/50型分析仪参数设置如下：测试速度为1 mm/s；测试下压距离为3 mm；探头为P/0.25 s.仪器自动测定应力的变化，给出应力时间变化曲线.脆度值：曲线上最大力的峰值与达到最大力所用时间的比值，单位为“N/s”，数值越大，脆性越好.

1.3.2 色泽的测定

CM-5分光测色仪进行测定.L*a*b*值，L*值表示色泽的明亮度，L*值的范围是从0～100，L*=0表示黑色，L*=100表示白色，L*值越大，表示亮度越高、褐变越轻，L*值越小，表示褐变越严重.

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS17.0统计软件进行单因子方差分析，Duncan式多重比较，各表中数值以平均值±标准差表示，以p<0.05作为差异显著性判断标准.

2 试验设计

2.1 冷冻温度的选择

水分在物料中存在有两种方式：(1)游离水，即机械结合水和物化结合水，以吸附和渗透方式存在于物料表面的毛细管空隙中；(2)结构水，以化学结合水形式存在于物料的组织中.而干燥主要是除去游离水，水在物料中的状态影响着干燥速率和产品的品质[14].纯水可在0℃冻结为结晶，而各种物料中的液体因含有的溶质不同而冻结温度和共晶温度各不相同.通常物料中的水开始冻结的温度为冻结温度，物料中的水完全冻结的温度为共晶温度，物料中水分冻结情况受控于温度的选择[15].因此，针对胡萝卜在查阅大量文献的基础上以室温(23±2) ℃的样品为对照，选择冷冻温度为-3 ℃、-18 ℃、-25 ℃，冷冻时间为480 min. 融冻一次，温度为(80±2) ℃，时间为5 min.

2.2 冷冻时间的选择

物料中水分冻结情况受控的另外一个因素就是冷冻时间，因为物料中水分随着自身温度的降低而开始出现冻结，物料内部溶质随着冻结的加深不断的维持着动态平衡，逐渐达到完全冻结.通常情况下该冻结过程可分为三部分：(1)晶核形成阶段;(2)大冰晶成长阶段;(3)共晶阶段[14,16,17].因此结合胡萝卜特点，查阅文献，在冷冻温度为-25 ℃下，选择冷冻时间为50 min、80 min、120 min、240 min.融冻温度为(80±2) ℃，时间为5 min.

2.3 融冻条件的选择

融冻温度选择受控于物料冻结的程度以及物料的类型，通常情况下，对已冻结的食品及原材料选用冷藏温度进行融冻(解冻)对食品的损伤较小，结合胡萝卜的结构特点，以在-25 ℃条件下冷冻480 min原料在融冻温度为-3 ℃、0 ℃、25 ℃ (80±2) ℃，融冻1次；融冻2次：融冻1次后的原料在-25 ℃条件下再次冻结480 min之后，在融冻温度为-3 ℃、0 ℃、25 ℃、(80±2) ℃时，融冻结束,以原料完全解冻为准.

3 结果与讨论

3.1 冷冻温度对膨化效果的影响

冷冻过程本质上是冰界面与细胞之间的耦合传热传质过程，因为物料在冻结过程中，随着水分的冻结和迁移，物料内部溶质浓度发生变化，从而引起物料内部组分在细胞间的扩散，导致细胞微观结构的变化[18].冷冻温度直接影响着冷冻速率，因此试验中研究了不同冷冻温度处理后产品的膨化效果.由表1可以看出，当冷冻温度在-3 ℃～-18 ℃时，产品的脆度随温度的降低显著增大，而色差值逐渐降低.其原因在于胡萝卜的共晶温度为-18 ℃[16,19,20]，当冷冻温度处于其预冻温度范围内时，胡萝卜片内部开始出现水分的冻结形成晶核，直至全部冻结.冻结过程中水由液态转变为固态，在胡萝卜组织内部出现因晶体膨胀而体积增大，融冻膨化后的胡萝卜片，水分迅速逸出，留下了较多的空隙，糖类和纤维类物质维持着冻结时骨架，因此脆度增大.冻结过程中水由液态转变为固态，体积的增大破坏了原料内部的结合力，结晶体的存在破坏了物料内部的组织结构和酶系[21]，当膨化升温时加速了物料的褐变，因此色差值逐渐降低.而当冷冻温度在胡萝卜预冻温度范围之外时，一方面因为温度没有达到开始冻结的温度点，物料体积和状态均无显著变化，另一方面，当物料已经处于完全冻结状态，即在共晶点附近，物料不会随着温度的持续降低而体积有明显的变化，因此温度高于-3 ℃和低于-18 ℃时，脆度变化幅度较小.结合以上分析，选择冷冻温度为-18 ℃为宜.

表1 不同冷冻温度对膨化效果的影响

注：表中每行不同字母表示数据间有显著性差异(p<0.05).

3.2 冷冻时间对膨化效果的影响

冷冻的耦合传热传质过程是建立在时间体系上的二维过程[18]，因此冷冻时间的影响不容忽视.

表2 不同冷冻时间对膨化效果的影响

注：表中每行不同字母表示数据间有显著性差异(p<0.05).

由表可以看出，当冷冻时间在80～120 min时，物料的脆度随着时间的延长显著增强，色差值显著降低，当冷冻时间大于120 min时，物料的脆度随着时间的延长增幅减小，色差值降低幅度减小.其原因在于-25 ℃是低于胡萝卜共晶温度以下7 ℃[22]，因此，物料能够在较短的时间内完全冻结，物料中的水分由液态转变为固态，随着冷冻程度的推进，细胞内的水分逐渐向外迁移，细胞经历着膨胀和高的渗透压，因此膨化后的脆度显著增大，因体积增大损伤细胞导致的色差劣变也达到最大.而当物料全部冻结之后，物料中的水已经是固态的，不会随着冻结时间的延长而有显著变化.因此脆度增幅较小，色差值降低幅度减小.结合以上分析，考虑到能耗，选择冷冻时间为120 min为宜.

3.3 融冻温度和次数对膨化效果的协同影响

融冻是原料解除冷冻状态的一个复杂过程，融冻速率的快慢，取决于冻结时的状态、融冻外部条件和原料的特性.由表3比较物料经过一次融冻后的脆度和二次融冻后的脆度可以看出，在-3 ℃～0 ℃融冻范围内，二次比一次的脆度略有增大，在0 ℃～(80±2) ℃范围内，一次融冻后的脆度显著大于二次融冻脆度.原因在于，-3 ℃～0 ℃是物料解冻的最适温度[21]，对物料的损伤如汁液的渗漏，组织的坍塌等最小，因此经过二次融冻后，脆度略有增大.0 ℃～(80±2) ℃远离物料的共晶温度，尽管能够在最快的时间内解冻，但是短时间内的细胞骤缩带来的损伤较大，细胞内的液体也不能在短时间内达到动态平衡，导致汁液外漏，而膨化中，水分是膨化过程的内部动力，因此二次融冻后的物料因为组织坍塌，水分渗漏而导致脆度显著小于一次融冻.

表3 融冻温度和次数对脆度的协同作用

注：表中每行不同字母表示数据间有显著性差异(p<0.05)

采用重复数相等情况下的T法多重比，分析表4中的数据.可计算得到临界值c=4.24，融冻一次与融冻两次色差L值的均值绝对值4.02，小于4.24，因此，在α=0.05水平上，融冻一次与融冻二次有显著性差异，且二次融冻的色差值低于一次融冻的色差值.其中，随着融冻温度的升高，一次融冻后的色差值逐渐降低，达到42.69±0.21时，之后出现增大的趋势，但低于-3 ℃时的色差值；二次融冻的色差值随着融冻温度的增大逐渐劣变.原因在于，二次融冻过程中，未冻结时细胞外水分通过细胞膜进入细胞，冻结到一定程度后，细胞内水分又往外迁移，解冻过程中，细胞内水分也向外迁移，细胞既经历膨胀又经历浓缩，对细胞损伤更大[18].细胞的损伤促使了褐变的形成，因此二次融冻色差值劣变.一次融冻中在温度为(80±2) ℃时色差值有增大趋势的原因可能在于，物料所需要的解冻时间小于水分迁移时间，使得水分还停留在物料内部，冷冻所导致体积膨胀的那一部分还被水分充斥着，无法接触到氧气，因此色差值略有增大.该推测还需进一步试验验证.结合以上分析，选择融冻一次，温度(80±2)℃为宜.

表4 融冻温度和次数对色差值的协同作用

注：表中每行不同字母表示数据间有显著性差异(p<0.05).

3.4 冻融条件下其他因素的影响

除了试验中考察的以上因素之外，影响水分冻结效果的还有切片形状，切片形状不同决定着物料比表面积，比表面积的大小影响着显热散失的快慢，决定着物料冷冻的速率，体现在物料冻结晶核的大小上，间接影响着产品的质量[17].因此，试验中冷冻物料均以冷冻室单位面积冷冻量(12～15)kg/m2为准.

4 结论

以胡萝卜为研究对象，针对冻融处理对膨化效果的影响进行了研究，试验中优选的胡萝卜冻融处理参数为：冷冻温度为-18 ℃，时间为120 min；融冻温度为(80±2) ℃时，融冻一次.

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