鲜荸荠真空浸渍强化钙工艺研究

2019-07-10李晗江琳玲范方宇杨宗玲戚建华阚欢

食品研究与开发 2019年13期

李晗，江琳玲，范方宇，*，杨宗玲，戚建华，阚欢

（1.西南林业大学林学院，云南昆明650224；2.西南林业大学轻工与食品工程学院，云南昆明650224）

荸荠（water chestnut），又名马蹄，莎草科多年生水生草本植物，有“地下雪梨”之称[1]。荸荠是一种药食兼用的果蔬食品，富含黄酮、多酚、多糖等活性成分，具抑菌、抗氧化活性，还可用于抑制炎症和治疗呼吸道疾病等[2-3]。荸荠中含有一种“荸荠英”物质，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、产气杆菌及绿脓杆菌均有一定抑制作用，对降低血压也有一定效果。此外，荸荠英还对癌肿有防治作用。因此，荸荠可作为一种促进健康的功能性食品，用于发展强化食品[4]。其中每100 g 荸荠含碳水化合物 21.8 g，淀粉 4.2 g，钙 5 mg，铁 0.5 mg。钙是人体最重要的矿物质之一，对维持人体生理功能有重要调节作用，钙含量不足会导致骨质疏松，动脉硬化等症状[5]。1980年以来钙营养不良一直是一个令人困扰的问题[6]。研究表明在食品中添加营养强化剂提高其营养价值，可满足不同人群对营养的需要。钙浸渍可提高加工水果的营养价值（增加钙浓度和生物利用度）[4]，且乳酸钙因吸收效果好，安全性高等特点可用作食品强化剂和面包、糕点的制作等[7]。

真空浸渍（vacuum impregnation，VI）是一种控制食品结构基质组成的技术，利用水动力学机制和变形松弛现象引起浸渍过程中内部气体和外部溶液的变化，增强浸渍液扩散性和渗透性，将外部液体引入植物组织多孔结构，很好地保持了产品特性等，并有效延长货架期[8-9]。通常分为两个阶段：第一阶段，对容器进行抽真空，并保持一定时间的真空状态，确保水果或蔬菜中气体可以从多孔固体内部逸出；第二阶段，容器恢复到大气压，外部溶液穿透多孔空间压缩残余气体直至压力平衡[10-11]。近几年来真空浸渍广泛用于强化食品研究。HIRONAKA 等[12]通过真空浸渍技术将整个马铃薯浸泡在10%抗坏血酸溶液中，大气压浸渍3 h后施加70 cm Hg 真空压力25 min，结果表明真空浸渍处理可使马铃薯抗坏血酸含量提高10 倍。ERIHEMU等[13]探讨了真空浸渍技术在马铃薯锌含量富集中的应用，整个马铃薯块茎浸泡在9 g/100 g 锌（葡萄糖酸锌）溶液中，结果表明经4 ℃环境贮藏30 d 后，真空浸渍马铃薯锌含量比未处理马铃薯高40 倍。LIMA 等[4]使用真空浸渍技术研究菠萝强化钙小吃，结果表明真空浸渍菠萝能达到日推荐钙摄入量的100%，大气压浸渍菠萝样品接近日推荐钙摄入量的53 %，而没有经过真空浸渍的干燥菠萝样品仅为钙日推荐摄入量的8.9%。研究表明，真空浸渍是开发功能性食品的一种有效方法。

研究以乳酸钙溶液为浸渍液，采用真空浸渍技术强化鲜荸荠钙含量。分析了温度、真空度、真空浸渍时间、乳酸钙浓度对鲜荸荠性质的影响，并结合正交试验优化工艺条件，强化鲜荸荠钙含量。经强化钙的鲜荸荠可通过干燥制成荸荠粉和荸荠片等，作为功能性食品使用，为补充人体钙含量提供了一条新途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荸荠：广西桂林；乳酸钙（食品级）、柠檬酸（食品级）：青岛九泰生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

2XZ-1 旋片式真空泵：上海双鹅制冷设备有限公司；DK-98-Ⅱ电子恒温水浴锅：北京中兴伟业仪器有限公司；SHB-III S 循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；DHG-9240A 型电热恒温鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司；SC-80 轻便色彩色差计：北京康光有限公司；SD-080 手持式折射仪测糖仪：福州森特尔光电技术有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 荸荠真空浸渍强化钙的制备工艺

荸荠去皮→清洗→沥干→切片→漂烫→真空浸渍→常压浸渍→沥干→干燥→成品→包装

具体步骤：选取切面均匀、无损伤的荸荠片[约（5±0.5）mm]；在70 ℃、0.3%柠檬酸溶液中漂烫90 s 后于冷水中快速冷却；按料液比1∶25（g/mL）浸于一定浓度的乳酸钙溶液，并保持液面没过荸荠片，进行抽真空并保持一定时间真空期；恢复大气压浸渍30 min；将浸渍样品置于鼓风干燥箱中，60 ℃环境下干燥至含水量低于5%，得产品。

1.3.2 单因素试验设计

1）不同真空度对浸渍量的影响：温度50 ℃，乳酸钙质量体积浓度5.0%，真空浸渍20 min，设置5 个真空度梯度分别为 39、44、49、54、59 kPa。

2）不同温度对浸渍量的影响：设定真空度44 kPa，乳酸钙质量体积浓度5.0 %，真空浸渍20 min，设置4 个温度梯度分别为 30、40、50、60 ℃。

3）不同真空浸渍时间对浸渍量的影响：设定真空度44 kPa，温度50 ℃，乳酸钙质量体积浓度5.0%，设置5 个真空浸渍时间梯度分别为 10、15、20、25、30 min。

4）不同乳酸钙质量体积浓度对浸渍量的影响：设定真空度44 kPa，温度50 ℃，真空浸渍20 min，设置5个乳酸钙浓度梯度分别为1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%。

通过以上条件分别测定真空浸渍后样品钙含量、淀粉含量、可溶性固形物和亮度L*值，探讨各因素对鲜荸荠真空浸渍强化钙的影响。

1.3.3 正交试验

通过对单因素试验结果进行分析，以钙含量、淀粉含量、可溶性固形物、亮度L*值为指标，选取具有代表性的水平组合进行正交试验，对试验结果进行分析，确定最优工艺条件。

1.3.4 干燥

荸荠于真空浸渍最优工艺条件下浸渍处理后，进行干燥，以提高产品贮藏性。

1.3.5 测定指标

对真空浸渍完成后的浸渍荸荠样品立即进行检测，测定指标如下：

1）钙含量：样品消解后参照GB 5009.92-2016《食品安全国家标准食品中钙的测定》中乙二胺四乙酸二钠（ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt，EDTA）法进行测定。

样品处理：称取4.0 g 捣碎的样品于广口锥形瓶内，加入 24mL混合酸（硝酸∶高氯酸=5∶1，体积比），加盖浸泡过夜。于电热板上加热消解至瓶中冒白烟，消化液逐渐变为无色，且消化液剩余2 mL～3mL时消解完成。待锥形瓶冷却至室温后，将消化液移至25 mL容量瓶中，加水定容、摇匀、待测。其余同国家标准。

2）淀粉含量：参照GB 5009.9-2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》中酶水解法进行测定。

3）可溶性固形物：参照NY/T 2637-2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定》中的折射仪法测定。

4）色度：采用SC-80 轻便色彩色差计测定亮度L*值（L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色）。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 真空度对荸荠性质的影响

真空环境使食品细胞内液体汽化蒸发，物料内部形成泡孔结构，在压力差和毛细管效应共同作用下，增大了浸渍液渗入物料内部的速率。同时，真空浸渍样品内部气体发生膨胀，增大细胞间距，提高了浸渍效率[14-15]。不同真空度条件的样品理化指标见表1。

表1 不同真空度条件的样品理化指标Table 1 Physicochemical properties of samples in different vacuum degree conditions

表1 中，经真空浸渍的样品钙含量随真空度增加呈上升趋势，44 kPa 时荸荠强化钙含量为46.66 mg/100 g，增大了9.60 倍。这可能是因为真空度增加导致样品内部残余气体急剧减少，但植物组织由于其黏弹性需要一段时间才能收缩，浸渍液随后流入多孔毛细管，从而增加样品钙含量[16]。荸荠有效空隙已被浸渍液充满，处于饱和状态，内外压力达到平衡状态，浸渍液停止渗入样品组织[17]，使钙含量变化趋于平稳，不再随真空度增大而增大。浸渍样品淀粉含量随真空度增大而略微下降，真空度59 kPa 时，每100 g 样品含淀粉2.75 g，损失了30.83%。真空作用促进样品内气体和自由水流出，淀粉随自由水排出到外部环境[18]，造成淀粉损失。在生物材料中，压力梯度会导致气体/液体的流动和固体基质变形[9]。因此，可溶性固形物含量呈现不同程度的下降趋势。亮度L*值随真空度变化总体呈上升趋势，是因真空度增加减少了真空体系中的氧气，且乳酸钙溶液可作为护色剂使用，乳酸钙浸入量越多，对样品护色效果越好，有效防止了样品褐变。综合考虑不同真空度对各指标的影响，选取39、44、49 kPa 3 个水平进行正交试验。

2.1.2 温度对荸荠性质的影响

真空浸渍是食品加工中的一种方法，利用外部溶液代替从食物多孔空间移除的大部分空气和部分或全部自然溶液[9]。不同温度条件的样品理化指标见表2。

表2 不同温度条件的样品理化指标Table 2 Physicochemical properties of samples in different temperatures

表2 中，荸荠钙含量随温度升高逐渐增大，40 ℃时钙含量最高，为48.21 mg/100 g，提高了9.96 倍。是因为果蔬渗透脱水过程中物质扩散系数随温度升高而增大，失水程度增大，溶液黏度降低，流动性增加，有利于浸渍液渗入果蔬组织间隙，提高浸渍效率[19-20]。同时，温度升高对植物组织细胞膜和细胞壁造成一定损坏，减小了阻力，使Ca2+通过原生质膜、胞间连丝和细胞壁通道进入细胞，达到增加荸荠钙含量的目的[21]。温度高于40 ℃时，钙含量不再增加，高温使果实组织结构发生过度变形，导致细胞膜和细胞壁损坏加剧，阻止了真空注入过程的进行，影响荸荠钙含量的增加[21]。这与MORENO 等[22]的研究结果类似，梨浸渍后水含量随温度升高总体呈下降趋势，但温度超过40 ℃后，失水率趋于平衡，变化不大。表明温度升高至一定范围会增大细胞渗透率，促进气体和天然液体与外界溶液交换。浸渍样品淀粉含量随温度升高而下降，60 ℃时损失了32.24%。可能是因荸荠淀粉糊化焓较小，温度升高使部分淀粉颗粒糊化[23]，同时部分淀粉颗粒吸水膨胀破裂，真空浸渍处理使淀粉随自由水流出组织，从而引起淀粉含量下降，样品汁液的流失同时也引起了可溶性固形物含量显著下降。亮度L*值变化不大，但有下降趋势，表明温度过高会引起荸荠酶促褐变，风味物质受到影响，影响果蔬感官品质。综上，温度过高会对Ca2+渗入植物组织造成影响，并对果蔬营养物质造成破坏，因此可将温度恒定为40 ℃。

2.1.3 真空浸渍时间对荸荠性质的影响

不同真空浸渍时间的样品理化指标见表3。

表3 不同真空浸渍时间的样品理化指标Table 3 Physicochemical properties of samples in different vacuum impregnation time

表3 中，荸荠钙含量随真空浸渍时间延长呈先增加后稳定的趋势，表明一定浸渍时间有利于食品钙强化。真空浸渍时间20 min 时，每100 g 荸荠中含钙46.66 mg，比未浸渍样品提高了9.60 倍。真空浸渍第一阶段是在真空期保持一定时间的真空压力，将孔隙中样品气体和原有汁液充分排出；第二阶段恢复大气压时将浸渍液趁势吸入样品组织并充分占据其多孔间隙[24]，从而增大样品钙含量。而真空时间过长，组织细胞受到压缩变小，不能为Ca2+渗入继续提供有效孔隙[18]，钙含量已达到最大值；且大气压浸渍时真空时间过长，部分组织细胞受到损伤未能恢复原来状态，不能继续包裹溶液，钙含量不再增加。因此，浸渍时间20 min 后，钙含量略有下降，这与 ERIHEMU 等[13]的研究结果相似，其在土豆片真空浸渍富集锌的过程中发现，随真空浸渍时间增加，锌含量呈先增加后略微减少的趋势。淀粉含量随真空浸渍时间延长而下降，30 min 时损失了40.81%。是因为抽真空时，浸渍液进入到打开的样品孔隙稀释了原组织液浓度[4]和原组织液部分流失，这同时也导致了可溶性固形物含量略微降低。真空状态下，样品周围空气被浸渍液取代，限制了细胞呼吸能力，以及乳酸钙溶液对样品具有护色作用，所以亮度L*值随浸渍时间延长呈缓慢上升趋势。综合考虑不同真空浸渍时间对各指标的影响，选取15、20、25 min 3 个水平进行正交试验。

2.1.4 乳酸钙浓度对荸荠性质的影响

不同乳酸钙浓度条件的样品理化指标见表4。

表4 不同乳酸钙浓度条件的样品理化指标Table 4 Physicochemical properties of samples in different calcium lactate concentration

表4 中，样品钙含量随乳酸钙溶液浓度增加而增加。这是因为真空状态使荸荠样品产生一定膨胀，增大细胞间距，促进浸渍液渗入到样品间隙中；浸渍液通过毛细渗透和扩散作用进入样品内部组织，浸渍液渗入量相同时，溶液浓度越高，钙含量越高[18]。但浸渍液浓度过高易导致小分子营养物质因渗透作用流失，还可能对营养物质造成破坏。因此，浸渍液浓度不宜过高。浸渍样品淀粉含量和可溶性固形物含量随乳酸钙浓度增加而降低，可能是因为样品营养成分随汁液流失以及浸渍液稀释了荸荠液体组分[4]。亮度L*值随乳酸钙浓度增加呈上升趋势，乳酸钙是一种护色剂，其浓度越高，护色效果越好，阻碍了样品的褐变。综合考虑不同乳酸钙浓度对各指标的影响，选取4.0 %、5.0%、6.0%3 个水平进行正交试验。

2.2 正交试验结果分析

2.2.1 正交试验因素水平

为确定真空浸渍强化钙最佳条件，基于单因素试验结果，控制温度40 ℃，选取真空度（A）、真空浸渍时间（B）、乳酸钙浓度（C）进行三因素三水平L9（34）正交试验设计，见表5。

表5 正交试验因素水平Table 5 Coded levels and corresponding actual levels of factors used for orthogonal array design

以钙含量、淀粉量、可溶性固形物和亮度L*值为指标对工艺进行优化，结果通过极差分析各因素影响程度高低，得最佳水平。

2.2.2 正交试验结果分析

正交试验结果和极差分析见表6。

由表6 可知，对不同的指标而言，不同因素影响程度是不一样的。但对4 个指标来说，都是以A3，B2，C3为最佳水平。因此，在试验设计范围内，优化得到真空浸渍强化荸荠钙含量的最佳条件为A3B2C3，即真空度49 kPa，真空浸渍时间20 min，乳酸钙浓度6.0%。方差分析结果见表7。

表6 真空浸渍正交试验设计及试验结果Table 6 Orthogonal array design with experimental results for optimization of vacuum impregnation parameters

由表7 方差分析结果可知，因素A、B、C 对钙含量、淀粉含量和可溶性固形物含量均有显著影响，因素A 对亮度L*值无显著影响。各因素对钙含量和可溶性固形物含量影响主次顺序为乳酸钙浓度＞真空浸渍时间＞真空度；对淀粉含量影响主次顺序为乳酸钙浓度＞真空度＞真空浸渍时间；对亮度L*值影响主次顺序为真空浸渍时间＞乳酸钙浓度＞真空度。这与表6 中极差分析的大小顺序是一样的。

表7 真空浸渍正交试验设计方差分析Table 7 Analysis of variance of the orthogonal array design for optimization of vacuum impregnation parameters

2.2.3 优化结果验证

根据正交试验优化结果，按优方案A3B2C3进行3 次平行试验，可得到真空浸渍鲜荸荠强化钙含量平均为64.41mg/100 g，提高了 13.64 倍；淀粉含量为 3.35 g/100 g，减少了15.61%；可溶性固形物含量为9.7°Brix，损失了8.7%；亮度L*值为87.97，与未浸渍样品相比颜色变化较小；验证了所选取工艺条件的合理性。因此，最佳浸渍工艺条件为温度40 ℃，真空度49 kPa，真空浸渍时间20 min，乳酸钙浓度6.0%。