感应电场对连续流动蓝莓果泥理化特性的影响

金亚美,言东哲,徐 丹,2,徐 悦,2,徐学明,金征宇,2,杨 哪,*

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122; 2.江南大学食品科学与技术国家重点实验,江苏无锡 214122; 3.江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏无锡 214122)

蓝莓属杜鹃花科、越橘属植物,我国自2000年起才开始大规模生产蓝莓,因其独特的功效和口感,在中国得到了迅猛发展。蓝莓能够起到预防癌症、老年痴呆症、心血管疾病、提高记忆力等作用,其中的花色苷成分能够提高视力[1],生物活性物质可改善身体肥胖[2]。因此,蓝莓被联合国粮农组织(FAO)称为人类五大健康食品之一。但鲜榨的蓝莓果泥中营养丰富、水分含量高,为微生物提供了良好生存环境,在贮藏过程中易发生腐败变质。

随着生活消费的提高,人们对食物的新鲜、营养、口味和便捷性要求也随之提高,因此推动了食品加工技术的发展。新型食品加工技术包括高压脉冲电场[3]、磁场[4]、中强度电场[5]、超高静压处理[6]、超临界二氧化碳[7]、电离福射[8]、超声波[9]等。这些技术除了用于食品的杀菌和灭酶外,还可广泛地用于其他单元操作例如提取、浸渍、水解等领域[10-13],并且有些已取得良好的成果。其中电场加工研究较为广泛,传统的电场加工技术采用金属电极直接接触食品并施加电压以达到处理物料的效果,但是在通电过程中由于极板的金属离子和电子的等价置换作用难免会在食品和金属极板间发生电化学反应[14],从而对食品造成污染,甚至产生出金属味[15],降低产品品质,所以如何解决电极依赖问题是突破电场加工技术在食品工业中应用限制的关键。

利用变压器原理,即在初级线圈上施加电压,就会在闭合铁氧体内产生交变磁场,通过电能-磁能-电能的耦合转换后,当蓝莓果泥作为次级线圈时,交变磁场会在次级线圈中的样品内产生感应电场(Induced electric field,IEF),从而实现对蓝莓果泥的IEF处理。目前关于感应电场的应用集中于其对循环流动料液的加工处理[13-14],但这种处理方式仍属于间歇式操作,并不适于大规模生产。本研究利用电磁感应在次级蓝莓果泥线圈中诱导形成电势差实现对连续流动的蓝莓果泥的处理,考察了处理过程中蓝莓果泥阻抗和多酚氧化酶(PPO)活性的变化规律,并对比了鲜榨果泥、IEF处理和常规热处理(85 ℃、30 min)的蓝莓果泥色泽、粒径、流变特性和风味物质的差异。研究旨在为一种新的蓝莓果泥感应电场加工技术提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

智利杜克蓝莓 购于无锡欧尚超市;磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、邻苯二酚、愈创木酚、30%过氧化氢、冰醋酸、盐酸、醋酸钠、氯化钠、无水乙醇、氢氧化钠、琼脂、胰蛋白胨、酵母浸膏、无水葡萄糖 分析纯,均国药集团有限公司。

WZP5交流电源 北京精益达明电子科技有限公司;USPRO1166高精度测色仪 美国Hunterlab公司;S3500激光粒度分析仪 美国Microtrac公司;65120B阻抗分析仪 英国Wayne Kerr公司;TU1900紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;DHR-3流变仪 美国Waters公司;SCIONSQ-456-GC气质联用仪 美国Bruker公司;Heracles II快速气相电子鼻 法国Alpha MOS S.A公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置与原理 流体食品的感应电场处理装置如图1所示,包括:a 阻抗分析仪、b 交流电源(20 kHz)、c 蠕动泵、d 样品瓶、e 流体阻抗探针、f 流体反应器单元、g 循环水浴锅。装置中含有4个反应器单元,图2给出了单个反应器的结构示意图,包括初级铜线线圈(NPi=92)、次级料液线圈(NSi=23匝,长度2930 mm,内径3 mm,壁厚1.6 mm)、闭合铁氧体和玻璃保温腔体。反应器单元以串联方式连接构成整个连续流体系。工作时,电源发出激励电压(UPi)施加在初级线圈上,次级样品线圈上产生感应电压(ESi)。根据法拉第电磁感应定律,交变的磁通量使相邻样品线圈之间产生电位差。

图1 感应电场处理系统Fig.1 Instrumental chain of induced electric field(IEF)system

图2 反应器单元示意图Fig.2 Schematic diagram of a single reactor

系统等效电路和内部电势差如图3所示,参数表示如下:

图3 加工系统等效电路和电势差Fig.3 Equivalent circuit and potential differences of the processing system

UPi=UP1=UP2=UP3=UP4

式(1)

ESi=ES1=ES2=ES3=ES4

式(2)

EPi=EP1=EP2=EP3=EP4

式(3)

NPi=NP1=NP2=NP3=NP4

式(4)

NSi=NS1=NS2=NS3=NS4

式(5)

UPi/ESi≈NSi/NPi

式(6)

ZPi=ZP1=ZP2=ZP3=ZP4

式(7)

ZPi和EPi分别表示初级线圈i的阻抗和感应电压,ZSi表示次级线圈i的阻抗。

1.2.2 蓝莓果泥的处理

1.2.2.1 IEF处理 对蓝莓进行挑选、除梗、清洗和沥干,每次称取900 g挑好的蓝莓,加入300 g去离子水,用破壁机破碎6 min制成匀浆后装入样品瓶,随后立即开启蠕动泵带动果泥样品流经感应电场加工系统进行IEF处理,处理时激励电压水平为100、150和250 V,温度水平为65、75和85 ℃,处理时长为9、18、27、30、36和45 min。

1.2.2.2 鲜榨及常规热处理 称取900 g洗净的蓝莓加入300 g去离子水,用破壁机破碎6 min制成蓝莓匀浆作为鲜榨处理组;另制备相同质量的蓝莓果泥匀浆装入样品瓶中,用蠕动泵带动样品流经IEF加工系统,但不施加激励电压(0 V),同时设置循环水浴温度为85 ℃，对管路中的样品进行保温处理30 min,记为常规热处理组。

1.2.3 流体阻抗 采用阻抗探头配合阻抗分析仪对蓝莓果泥的阻抗进行测定[16],考察:a. 250 V激励电压、不同处理温度(65、75和85 ℃)下和b. 85 ℃、不同激励电压(100、150和250 V)下蓝莓果泥的流体阻抗随处理时间(9、18、27、30、36和45 min)的变化。测试前分别进行开路(空气)、短路和高频(100 Ω电阻,10、100 pF电容)于20 Hz～10 MHz校正,然后测定样品流体在20 kHz下的阻抗。

1.2.4 多酚氧化酶活性的测定 参照Akgün等[17]的方法并稍做修改对PPO残余酶活进行测定。将5 g蓝莓果泥与 10 mL磷酸钾缓冲溶液(0.2 mol/L,pH=6.5)混合匀浆30 s后离心15 min(10 000×g,4 ℃)。取0.1 mL上清液用磷酸钾缓冲液稀释至1 mL,在425 nm 波长处测定样品吸光值。按照式(8)计算PPO残余酶活(RA)。

式(8)

式中:A0和At分别表示处理前后蓝莓果泥中的PPO吸光度。

1.2.6 粒径分析 采用激光粒度分析仪测定经过不同处理方式(鲜榨、常规热处理、IEF处理)的蓝莓果泥的粒径。以去离子水为分散介质,将被测样品加入介质中,启动超声发生器使样品充分发散,然后利用循环泵对被测样品的粒径进行测量[18]。

1.2.7 流变特性 采用DHR-3流变仪测定不同处理(鲜榨、常规热处理、IEF处理)的蓝莓果泥的流变特性,选用直径为40 mm的平行板,平行板间距为1 mm,测量温度设置为25 ℃,将剪切速率从0 s-1上升到100 s-1,测定剪切速率对表观黏度的影响[19]。

1.2.8 挥发性成分 采用气质联用仪测定不同处理(鲜榨、常规热处理、IEF处理)的蓝莓果泥样品中的挥发性物质。测定条件为:将5 mL样品与25 mL顶空玻璃瓶中,加入1.5 g氯化钠和转子,密封后在30 ℃条件下平衡15 min,将预先老化的PDMS固相微萃取头出入样品瓶中吸附40 min,再插入气相色谱手动进样口,于250 ℃中解析5 min;气相色谱条件为:HP-5毛细管柱(30 cm×0.32 mm×0.5 μm);升温程序为:起始温度为40 ℃,保持2 min;以5 ℃/min的速度加热至200 ℃;然后以10 ℃/min的速度加热至240 ℃,保持5 min。进样口250 ℃、传输线230 ℃,高纯氮气为载气,流速为1 mL/min;质量光谱条件为:电子电离(EI)源为200 ℃、界面温度为250 ℃、电子能量70 eV、扫描范围为35～450 amu。采用Heracles II型快速气相色谱电子鼻对不同处理(鲜榨、常规热处理、IEF处理)的蓝莓果泥中的风味成分进行特异性分析。

1.3 数据处理

采用Origin 8.5软件对数据进行拟合及图形化处理,并使用SPSS 22.0进行数据处理及用Duncan极差法进行显著性分析,以标准偏差表征数据误差,P<0.05则代表差异性显著。

2 结果与分析

2.1 IEF处理过程中蓝莓果泥阻抗的变化

阻抗可表征蓝莓果泥在特定频率下的电传导性,在感应电场加工系统中,通过向初级线圈上施加激励电压而使样品线圈中产生感应电场,而蓝莓果泥在20 kHz的导电性能直接影响到系统中磁感应电流的大小,因此交流阻抗是食品感应电场加工中的一个重要参数。图4给出了不同温度下IEF处理对蓝莓果泥流体阻抗的影响。

图4 不同温度对蓝莓果泥阻抗的影响Fig.4 Effect of temperature on the impedance of blueberry puree

由图4可知,蓝莓果泥的交流阻抗随着处理时间和温度的增加而呈现下降的趋势。由此推断,随着温度的升高和处理时间的延长,蓝莓果泥的细胞不断破裂,细胞内部的有机酸、小分子糖等极性分子和无机离子不断溶出,而交流阻抗也能用于表征自由离子或带电化合物的活动程度和含量,且温度越高,组织受到的破坏程度越大,蓝莓果泥样品整体的导电性能越强,因此表现为果泥的阻抗不断下降。

85 ℃时不同激励电压IEF处理过程中蓝莓果泥的流体阻抗的变化如图5所示。

图5 不同激励电压对蓝莓果泥阻抗的影响Fig.5 Effect of excitation voltage on the impedance of blueberry puree

由图5可知,随着激励电压的增加,蓝莓果泥的交流阻抗呈现下降的趋势。根据变压器工作原理,初级电压(激励电压)与次级电压(感应电压)之比等于初/次级绕组的匝数之比,本研究中初/次级绕组匝数固定,增大激励电压,则次级料液线圈中的感应电压和感应电场强度随之增大,高电压可进一步促进果蔬细胞中组分的游离与溶出[11]。

2.2 不同处理蓝莓果泥多酚氧化酶活性分析

多酚氧化酶(PPO)可诱导蓝莓果泥发生酶促褐变,影响产品感官品质。图6给出了不同激励电压(0、100、150 和250 V)的IEF处理30 min对蓝莓果泥中PPO残余酶活的影响。在150和250 V激励电压条件下,IEF处理的蓝莓果泥中PPO的残余酶活显著(P<0.05)低于对照组(65、85 ℃),但100 V激励电压的IEF处理对PPO酶的受热损失具有缓解作用。前人研究也表明不同强度的电场对PPO的活性也有不同的促进[20]或抑制[21]作用,这是由于输入的电能可引发改变酶的分子结构,从而影响了酶与底物的作用[22]。不施加电压时,85 ℃ 30 min热处理后蓝莓果泥中的多酚氧化酶残余酶活为10.63%,而施加250 V的激励电压作用,蓝莓果泥多酚氧化酶活性可被完全杀灭,有利于避免因酶促褐变引发的果泥产品品质劣变。

图6 IEF处理对蓝莓果泥多酚氧化酶(PPO)活性的影响(30 min)Fig.6 Effect of IEF treatment on the activity of PPO enzyme in blueberry puree(30 min)注:不同小写字母代表差异显著，P<0.05。

2.3 不同处理条件下的蓝莓果泥颜色分析

表1给出了不同处理蓝莓果泥的颜色差异,可以看出,加热处理使蓝莓果泥的L*值显著增大(P<0.05),但a*值和b*值未发生显著变化(P>0.05)。在相同的处理温度和时间下,IEF处理的果泥比常规热处理的果泥具有更大的L*值和a*值。PPO是果蔬制品褐变的重要原因之一,而IEF处理(250 V)较常规热处理进一步加速了PPO的活性损失,抑制了色泽的劣变,因此产品呈现更亮更红的色泽,而鲜亮红艳的颜色更受消费者青睐。Zaraterodriguez等[23]也有类似研究发现,即经电场处理过的苹果汁颜色更加鲜亮。

表1 不同处理对蓝莓果泥色差的影响Table 1 Color analysis of blueberry puree under different treatments

2.4 不同处理条件下的蓝莓果泥粒径分析

后续研究对比了鲜榨、常规热处理组(85 ℃、30 min)和IEF组(85 ℃、250 V、30 min)果泥的粒径、流变特性和风味物质的差异。粒径是衡量蓝莓果泥稳定性的重要指标,一般来说,粒径越小,蓝莓果泥的稳定性越好。同时,粒径的大小及其分布也会影响蓝莓果泥的外观和口感,粒径越大,口感越粗糙,有颗粒感;反之,口感越细腻。不同处理方法下蓝莓果泥的粒径分布变化如图7所示。

图7 不同处理条件下的粒径分布图Fig.7 Particle size distribution under different treatment conditions

由图7可知,所有蓝莓果泥粒径分布图均有两个峰,粒度呈正态分布,原因是在打浆过程中未将蓝莓籽和果肉分离,第一个峰代表果肉部分,第二个峰代表蓝莓籽部分。与鲜榨的蓝莓果泥相比,IEF处理的和常规热处理的蓝莓果泥均明显向右平移,并且常规热处理向右平移的距离要高于IEF组果泥,鲜榨果泥粒径分布曲线的峰值分别位于104.6和296 μm,IEF组位于124.4和352 μm,而常规热处理位于176和418.6 μm。

不同处理方式的蓝莓果泥粒径分布通过统计处理数据见表2。

表2 不同处理方法下蓝莓果泥的粒径Table 2 Particle size of blueberry puree under different treatments

由表2可知,IEF组和鲜榨果泥在D[0.1]区间的粒度累积无显著差异(P>0.05),而常规热处理的蓝莓果泥在D[0.1]时显著增加(P<0.05),这是加热导致细胞膨胀引起的;而对于D[0.9],三组果泥对应的粒径值存在显著差异(P<0.05),与鲜榨果泥相比,IEF和常规热处理果泥的D[0.9]分别增加13.15%和20.54%。对比可知,鲜榨、常规热处理和IEF处理的蓝莓果泥的表面积平均粒径均要明显小于体积平均粒径,表明果泥颗粒分散且整体颗粒较大。其中,鲜榨、常规热处理、IEF组的体积平均粒径和表面积平均粒径之差分别为76.33、94.65和88.88 μm,说明加热使果泥颗粒发生膨胀,但施加感应电场后会抑制这种膨胀作用。因此,IEF处理较热处理可赋予蓝莓果泥更小的粒度和更细腻的口感。

2.5 不同处理的蓝莓果泥流变特性分析

大多数液态食品表现出非牛顿流动行为,可以用幂律模型来描述。

τ=k·γn

式(9)

其中,τ、k、γ、n分别代表剪切应力(Pa)、稠度指数(Pa·sn)、剪切速率(s-1)和流动指数。

不同处理蓝莓果泥产品的流动特性如图8所示,相关幂律模型拟合参数在表3中给出。

图8 不同处理蓝莓果泥产品的流动特性Fig.8 The flow characteristics of different blueberry puree products

表3 不同处理方法下幂律定律的流变拟合参数Table 3 Rheological fitting parameters of power law under different processing methods

由表3可知,鲜榨果泥、常规热处理和IEF组的拟合系数R2分别为0.990、0.990、0.997,其流动特性很好地符合流体幂律定律。不同处理果泥的n值均小于1,表明蓝莓果泥是一种假塑性的非牛顿流体,且不同处理组果泥的稠度指数(k)和流动指数(n)差异显著(P<0.05)。与鲜榨果泥的样品相比,经IEF和常规热处理蓝莓果泥的稠度指数和流动性均呈现降低趋势,稠度分别降低了59.57%和75.88%,而流动指数分别降低了6.46%和32.29%。

剪切速率对不同处理条件下蓝莓果泥表观黏度的影响如图9所示。由图9可知,随着剪切速率的增大,三种果泥的表观黏度均随剪切速率的增加而下降,当剪切速率大于25 s-1时趋于稳定。在低剪切速率下,鲜榨蓝莓果泥的表观黏度最大,IEF组次之,常规热处理组最小。加热处理时,升温增强了分子间相互作用,增大了料液体积和单分子运动所占的体积,从而粘度降低[19]。结合粒径数据(图7和表2),可推断感应电场抑制了果泥颗粒的膨胀和单分子运动体积的增长,从而减缓了果泥由于热处理引起的黏度降低。

图9 不同处理方法蓝莓果泥的流动曲线Fig.9 Flow curves of blueberry puree treated with different methods

2.6 不同处理蓝莓果泥的风味分析

2.6.1 三种不同处理方法的果泥主成分分析(PCA) 不同处理蓝莓果泥的PCA分析结果如图10所示,由图10可知,PC1和PC2的贡献率为87.19%和11.57%,总贡献率为98.76%,说明PCA方法反映样品电子鼻整体信息的可信度很高。通过PCA分析可以完全区分开鲜榨果泥、常规热处理和IEF处理的蓝莓果泥。

图10 不同处理蓝莓果泥的PCA图 Fig.10 PCA of blueberry puree under different treatments

IEF组果泥样品与鲜榨果泥风味更加接近,均位于PC1的正半轴和PC2的负半轴,而常规热处理果泥与新鲜蓝莓果泥品质差异较大,位于PC1的负半轴和PC2的正半轴。由此可知,IEF处理较常规热处理可以减缓蓝莓果泥中风味物质的改变,使产品风味更接近于鲜榨果泥。

2.6.2 GC-MS方法分析不同方法处理的蓝莓果泥风味物质 挥发性风味成分是影响产品感官品质的一项重要指标。三种不同处理蓝莓果泥的挥发性成分如表4所示。

表4 不同处理蓝莓果泥中挥发性成分Table 4 Volatile constituents of blueberry puree under different treatments

续表

检测到蓝莓果泥中的挥发性风味成分包括醇类、醛类、芳香族、烯烃类、烷烃类、杂环和酮类物质,其中以反式-2-己烯醛和己醛含量最高。鲜榨蓝莓果泥中含有11种醇类风味成分,无烷烃类成分,常规热处理和IEF处理分别使醇类风味成分减少3种(叶醇、1-辛醇和香茅醇)和1种(松油醇),相对含量从15.144%分别减少为7.631%和9.271%;经常规热处理后,>蓝莓果泥中醛类风味成分从73.504%增长到76.818%,而IEF组果泥的醛类风味成分为73.751%,增长较少。热处理使芳香族风味物质减少,三种果泥种的芳香族挥发性成分所占比例分别是5.336%(鲜榨)、5.014%(常规热处理)和5.274%(IEF处理),其中乙苯占比最高。在鲜榨果泥中未检测到挥发性烷烃类成分,而常规热处理和IEF处理使果泥风味成分中得烷烃含量分别增加到1.875%和0.186%。常规热处理使烯类成分的相对含量由0.930%降低到0.679%,而IEF处理使其增加到1.037%。总体而言,与常规热处理相比,IEF的作用减缓了蓝莓果泥中挥发性成分的改变,IEF处理的蓝莓果泥在风味组成上更接近于鲜榨果泥,这与电子鼻分析的结果一致。

3 结论

本研究在蓝莓果泥热处理过程中,通过施加IEF促进了多酚氧化酶的失活,即蓝莓果泥经85 ℃,加热处理30 min后仍保留10.63%的PPO活性,而250 V、85 ℃、30 min的IEF处理后,PPO被完全杀灭。蓝莓果泥以连续流动的方式通过IEF处理更符合实际加工生产,此外,随着处理时间增长和处理温度升高,样品的交流阻抗,即20 kHz下的可传导性不断降低。对比发现,加热可提高蓝莓果泥的L*值,而IEF处理果泥的颜色最亮最鲜红。IEF处理果泥的粒径分布、流变学特性、风味较常规热处理而言更接近于鲜榨果泥,说明IEF减缓了果蔬制品在热加工过程中感官品质劣变。

与现有高压脉冲电场加工所采用的10～50 kV/cm高强度电场来缩短处理时间和处理温度并提高产品品质不同,本研究采用250 V励磁电压对料液线圈进行弱电作用,抑制产品颜色的劣变和风味物质的热损耗。虽然,感应电场能够促进PPO灭活，可以解释IEF处理的果泥具有较优的颜色品质,但是果泥粒径、黏度和风味受热劣变的减缓很可能是源于感应电场或弱感应电流对物料颗粒和风味成分的稳定性作用,机制仍有待进一步考察。