磁场辅助冻结对马铃薯块冻结 及贮藏特性影响

龙 超,吴子健,宋健飞

(天津市制冷技术重点试验室，天津商业大学,天津 300134)

许多研究表明,磁场可影响冰核的生成率及冰晶大小,增大过冷度。晶核生成率越大,形成的冰晶越小，更易均匀地分布[1-5]。同时,直流磁场能够降低水结晶温度,增大过冷度,提高结晶生长速度,推迟成核时间[6]。张玉春[7]研究发现水在0.2T交变磁场的影响下显示出明显的磁化特性,过冷度增大1 ℃,冰点降低1 ℃。通过对不同磁场(旋转磁场、方波叠加正弦波磁场、50 Hz交变磁场)的研究结果表明,交变磁场对溶液的结晶过程最为显著,且利于盐溶液分布的均匀性,从而可避免造成细胞脱水死亡,有利于生物材料低温无损保存[8-9]。同时,磁场处理有助于产品品质保持。葡萄经不同强度的交流磁场处理,大大降低了其腐烂率、脱果率、出糖率[10];低频磁场对微生物生长繁殖也会产生一定的促进或抑制作用,并且低频磁场作为食品的一种物理处理手段具有明显的优点[11]。

近年人们对高压、超声、微波、电磁场等技术手段来辅助食品冻结过程进行了一定研究[12-19]。日本ABI有限公司推出了一种名为细胞存活系统(Cell Alive System)的冻结系统,采用了静磁场和振荡磁场[20],利用磁场发生器可以产生分布均匀的磁场,可以保持食品的口感和新鲜程度。直流磁场辅助冻结洋葱细胞,可减少相变时间,避免形成较大冰晶,有利于保持细胞结构,减少营养成分的流失[21]。

目前磁场辅助冷冻方式在果蔬速冻方面的研究还比较少,因此,本文主要研究不同直流磁场强度辅助冻结对马铃薯块贮藏品质的优劣影响,为马铃薯块在磁场作用下的速冻保藏技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯,品种“中薯5号” 天津市北辰区韩家墅海吉星农产品批发市场,挑选大小均匀、无机械损伤、成熟度一致、无病虫害。所有切块的尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，备用。

SD-100隧道式速冻机 天津七星速冻有限公司;PEM-260卧式水冷磁场发生器、PEX-045USB型特斯拉计 绵阳力田磁电科技有限公司;BX51低温显微镜 日本奥林巴斯株式会社;TAXTplus质构仪 英国Stable Micro Systenms公司;MX100数据采集仪 日本YOKOGAWA公司;SPX-100B-D振荡培养箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;DDS-307A电导率仪 上海仪电科学仪器股份有限公司;HK-1D恒温水浴锅 南京南大万和科技有限公司;BCD-218冰箱 博西华家用电器有限公司;CM1100切片机 德国Leica公司;聚乙烯薄膜袋,规格:150 mm×240 mm 临沂德源包装制品有限公司;HCP 75-50直流电源 扬州华泰电子有限公司;FA2004A电子天平 上海精天电子仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 磁场辅助速冻系统 如图1所示,整个系统分为速冻和磁场发生系统两部分,前者采用SD-100隧道式速冻机;后者采用PEM-260卧式水冷磁场发生器,将磁场发生器放置在速冻机的结晶腔两侧,通过调节直流电源的电流大小便可得到试验所要求的磁场强度。采集的数据通过数据线与试验用计算机相连接,将采集到的试验数据实时传送至计算机端。

图1 试验台装置系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system注：1.速冻机;2.磁场发生器;3.冷却水循环机;4.直流电源。

1.2.2 冻结方法 首先用自来水清洗马铃薯,然后手工去皮,并切成10 mm×10 mm×10 mm的马铃薯丁,选择大小均一切口完好的组织,在恒温水浴锅中用90 ℃热水漂烫5 min后,立即放在流动水槽中进行冷却至4 ℃,放置在吸水纸上20 min除去多余的水分,待速冻机的预冷腔温度达到-20 ℃,结晶腔和深冷腔温度达到-30 ℃时,风机频率为50 Hz,调节直流电源得到0、4.6、9.2、18、36 Gs五种不同的磁场强度,将马铃薯块放到速冻机链条上进行速冻试验。

1.2.3 贮藏方法 将速冻至-18 ℃的马铃薯块用聚乙烯薄膜袋等量(每袋20个马铃薯块)包装贮藏至-18 ℃的冰箱中,进行为期70 d的贮藏。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 温度 将T型热电偶放置在样品的中心,测定马铃薯块冻结过程的中心温度,并实时传入数据采集器中,直至温度降至-18 ℃。每个处理测定10个重复,取其平均值,如此便得到马铃薯块在试验范围内5种磁场强度下的冻结温度曲线。

1.3.2 汁液流失率 参考刘春泉等[22]的方法并稍作修改。取10个马铃薯冻结块称重(W1),用吸水纸将解冻流失的汁液除去,再次称重(W2)。每个处理测定3个重复,取其平均值。解冻汁液流失率按照下式计算:

TL(%)=[(W1-W2)/W1]×100

式中:W1为解冻前样品质量,g;W2为解冻后样品质量,g。

1.3.3 细胞膜透性 将马铃薯块通过切片机切成2 mm的薄片,称取5 g后,用去离子水清洗3次,将50 mL去离子水加入三角瓶中,25 ℃下振荡浸泡1 h,振荡速度150 r/min,搅拌均匀后用电导率仪测定浸提液的电导率C1,然后将三角瓶放入沸水浴中煮沸15 min,自然冷却至25 ℃,再次测定渗透率C0。以初始电导率与全渗电导率的比值作为细胞质膜透性变化的指标,每个处理测定3个重复,取其平均值。

细胞膜透性:Lee(%)=C1/C0×100

1.3.4 硬度与咀嚼度 使用物性测定仪进行测定[22]。探头型号P/2,直径2 mm。测前速度为2 mm/s,测中速度为0.5 mm/s,测后速度为5 mm/s,测试深度为5 mm,取5个相同的样本在中心位置进行测定,取平均值,硬度单位为g,咀嚼度单位为g·mm。

1.4 数据处理

试验数据用平均值±标准差表示,采用OriginPro 8.0软件作图。以 SPSS 19.0软件分析对照组与各磁场处理组间的差异,差异水平p<0.05为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 磁场强度对马铃薯冻结特性影响

如图2所示,36 Gs的冻结曲线与对照组尤其在结晶段与降温段高度重合;4.6、9.2 Gs磁场作用下的马铃薯块冻结曲线在预冷段和结晶段的重合度较高,且相较于对照组,冰点和相变温度均明显降低,整体呈下降趋势。

图2 不同磁场强度下马铃薯块的冻结过程曲线Fig.2 Freezing curves of potato blocks under different magnetic field intensity

随着冻结过程的进行,马铃薯组织中的水分从生成冰晶开始到80%被冻结,这一温度变化范围称为最大冰晶生成带。不同的磁场强度下,各组通过最大冰晶生成带所需要的时间也是不同的。由图2和表1可知,各组通过最大冰晶生成带的速率从大到小依次是:18 Gs>4.6 Gs>9.2 Gs>0 Gs>36 Gs,18 Gs条件下的通过最大冰晶生成带的速度最快,过冷度程度最大,冰晶成核速度快且生长时间短,生成的晶体小而均匀[23],对马铃薯细胞组织的破坏程度较小。

表1 马铃薯块的在不同磁场强度下冻结的相关参数Table 1 The relevant freezing parameters of potato blocks under different magnetic field intensity

2.2 磁场强度对马铃薯块的贮藏特性影响

2.2.1 对汁液流失率影响 如图3所示,随着贮藏时间延长,各组汁液流失率均呈上升趋势。在整个贮藏过程中的汁液流失从大到小依次为:9.2 Gs>4.6 Gs>0 Gs>36 Gs>18 Gs。其中,到贮藏结束时(70 d),与其他组相比,9.2 Gs磁场强度辅助处理的马铃薯块,汁液流失率在整个贮藏过程中一直呈较快上升趋势;18 Gs磁场强度辅助冻结的马铃薯块汁液流失率最低,与对照组相比差异显著(p<0.05)。

图3 马铃薯块贮藏过程中汁液流失率变化Fig.3 The change of potato blocks drip loss during storage

2.2.2 对细胞膜透性影响 如图4所示,经过磁场辅助速冻处理的马铃薯块膜透性除9.2 Gs组以外,其他组均低于对照组;随着磁场强度的增加,70 d时细胞膜透性的值分别为:92.1%(0 Gs)、89.9%(4.6 Gs)、93.1%(9.2 Gs)、80.5%(18 Gs)、80.2%(36 Gs)。显然在36、18 Gs时细胞膜透性显著小于(p<0.05)对照组,磁场生物效应表现较好,有效的保持马铃薯块的细胞结构,延缓衰老,延长贮藏时间。

图4 马铃薯块贮藏过程中细胞膜透性变化Fig.4 The change of potato blocks membrane permeability during storage

2.2.3 对硬度的影响 如图5所示,在前30 d的贮藏过程中,各组的硬度值均呈现下降趋势。30 d以后,对照组以及经过4.6、9.2 Gs磁场强度处理的马铃薯块,硬度均有回升,且 9.2 Gs时高于对照组,在第70 d时达到了最大值,马铃薯块后期变硬对贮藏是不利的;贮藏后期硬度值的升高,是由于马铃薯块中的淀粉经过90 ℃水烫过之后高度糊化,而贮藏过程中支链淀粉的回生作用会导致糊化后的淀粉凝胶逐步变硬,导致硬度的变化[24]。18、36 Gs磁场强度时的硬度值上下波动则较为平缓,有效抑制了淀粉的回生,维持了马铃薯块的口感和可食用性。

图5 马铃薯块贮藏过程中硬度变化Fig.5 The change of potato blocks firmness during storage

2.2.4 对咀嚼度的影响 咀嚼度是指牙齿将马铃薯块咀嚼成吞咽时的稳定状态所需要的能量,反映了马铃薯块内部分子作用力的大小。在整个贮藏阶段4.6、9.2 Gs的咀嚼度变化趋势与对照组基本一致,在贮藏前期咀嚼度值变化稳定波动,后期均上升至较高的值;在第70 d时,咀嚼时所需要的能量达到了最大值,咀嚼所用的能量越大,咀嚼马铃薯块就越困难,口感就越差。18、36 Gs时持续呈现波浪式变化,且咀嚼度值低于其他组;贮藏前后期咀嚼度值变化较小,能较好的保持口感。

3 结论

马铃薯块在不同磁场强度下显示出不同的冻结特性与贮藏特性。在冻结过程中,18 Gs时马铃薯块通过最大冰晶生成带的速率明显高于比其他组,且过冷度大，形成的冰晶小而均匀，对细胞的损伤小，显示出较好的冻结特性; 在贮藏试验中，马铃薯块的贮藏品质并不随着磁场强度的增加而显示出规律性变化，但18、36 Gs 磁场强度时，马铃薯块的各项指标均优于对照组; 在细胞膜透性、硬度以及咀嚼度指标中两组差别(＜0.33%) 较小，但在比较汁液流失率时，18 Gs 磁场强度比36 Gs 减少2.58%，有效的降低汁液及营养成分的流失，显示出较好的磁场生物效应。综合考虑直流磁场对冻结过程与贮藏过程中各指标的影响，在试验中18 Gs 强度的直流磁场辅助冻结马铃薯块的效果最好，更利于保持马铃薯块的贮藏品质。

图6 马铃薯块贮藏过程中咀嚼度变化Fig.6 The change of potato blocks chewiness during storage