解冻方式对苹果汁理化品质及挥发性成分的影响

刘 懿 蒲云峰，2 张婷婷 刘东红，3* 叶 田 严大迅

（1 浙江大学生物系统工程与食品科学学院 杭州310058 2 塔里木大学生命科学学院 新疆阿拉尔843300 3 浙江大学馥莉食品研究院 杭州310058 4 宏胜饮料集团 杭州310058）

近年来，健康饮食的趋势推动了非浓缩果汁（NFC 果汁）需求量逐年增长[1]。与传统浓缩还原果汁相比，NFC 果汁的口感更佳，营养成分损失少[2]。由于水果季节性强且易腐烂，原料加工商为获取高品质的果汁原料用于生产营养丰富的NFC 果汁，常在果蔬盛产季节榨取原浆。在生产过程中，果汁原浆通过冷冻保存以减少长期贮存过程中的品质损耗[3-5]。为获取成品NFC 果汁，必须对冷冻贮存的果汁进行解冻预处理，再进行后续加工。不当的解冻方式会造成果汁营养品质下降，如Stinco等[6]研究解冻方式对速冻橙汁品质的影响，表明微波解冻使橙汁的类胡萝卜素含量显著下降。

常见的解冻方式有空气解冻和水解冻，超声波解冻是一种新型的解冻技术。空气解冻能耗低且适用于解冻任意形状、大小的产品，然而其耗时长，效率低。水解冻是利用产品与水的温差进行传热，解冻效率远大于空气解冻，然而对于大体积产品，产品内部传热慢，解冻效率低[7]。由于超声波的热效应、微射流效应以及机械波振动使大冰晶破坏为小冰晶[8-9]，超声波辅助水解冻可以显著提高解冻速率，然而其驻波效应会导致局部过热现象，造成产品感官和营养品质下降。

我国的苹果产量居世界前列，国家统计局数据显示，2019年我国苹果产量为4 242.54 万t，苹果汁加工约占苹果产量的50%[10]。为全面探究解冻方式及温度对苹果汁品质的影响，本研究以鲜榨苹果汁为原料，采用低温空气、低温静水、低温超声、室温空气、室温静水、室温超声6 种方式对苹果汁进行解冻处理，以解冻时间、色差、固酸比以及可溶性固形物、可滴定酸、还原糖、总酚、挥发性芳香成分含量为指标考察苹果汁的品质，以期获取一种效率高且对苹果汁品质损耗小的解冻方式，为实际生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山东富士苹果，杭州市沃尔玛超市，平均果重250～300 g。

氢氧化钠、酚酞、葡萄糖、苯酚、3，5-二硝基水杨酸、亚硫酸钠、无水乙醇、碳酸钠、Folin 酚试剂、环己酮、邻苯二甲酸氢钾、酒石酸钾钠、没食子酸等均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

JTM-L65 胶体磨，温州利捷机械公司；Mesa Labs Data Trace 无线温度记录仪（MPIII），美国纳斯达克公司；电热恒温水浴锅，中新医疗仪器公司；HSX-150 恒温恒湿箱，上海申贤恒温设备厂；低温恒温槽，宁波海曙赛福实验仪器厂；超声波消毒机，宁波新芝生物科技股份有限公司；UV-2550紫外分光光度计，日本岛津公司；阿贝折光仪，上海光学仪器五厂；Colorflex-EZ 色差仪，美国Hunterlab 公司；7890A-5975C 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），美国安捷伦公司。

1.3 试验方法

1.3.1 苹果汁样品的制备 参照邓健康等[11]的苹果汁制备方法并作适当修改，挑选大小均一、无机械损伤的山东富士苹果，清洗、切块，榨汁后迅速加热至90 ℃并维持2 min，以胶体磨均质，量取150 mL，装瓶，置于-18 ℃冰箱冷冻。

1.3.2 解冻 将冷冻的苹果汁样品分别按以下方式解冻：

空气解冻：将样品分别置于4 ℃冷藏冰箱及（25±0.1）℃恒温培养箱中解冻；

静水解冻：将样品分别置于（4±0.05）℃低温恒温水浴槽及（25±1）℃恒温水浴锅中解冻；

超声解冻：将样品分别置于（4±1） ℃及（25±1）℃超声波消毒机中解冻，超声频率为28 kHz，功率为0.123 W/mL。

至中心点温度达到0 ℃时，视为解冻完全，冷藏于4 ℃冰箱中并快速检测其余营养指标。

1.3.3 温度曲线 精密温度探头固定于果汁几何中心点，每隔30 s 记录温度。待果汁解冻完成，取出温度探头，读数。解冻分为2 个过程：预热（-18～-4 ℃）和相变（-4～0 ℃）[12]。

1.3.4 可溶性固形物 方法参考GB/T 12143-2008 饮料通用分析方法[13]。

1.3.5 褐变度 采用色差仪测量L*、a*、b*值，褐变度（BI）[14]计算方法见式（1）、（2）。

1.3.6 可滴定酸 方法参考GB/T 8210-2011 柑橘鲜果检验方法[15]。

1.3.7 还原糖含量 采用DNS 比色法[16]检测还原糖含量。

1.3.8 总酚含量 参照范智义等[17]的方法并加以适当修改。取10 mL 苹果汁，加入15 mL 70%乙醇室温超声30 min，以蒸馏水定容至50 mL，采用Folin 酚法检测总酚含量。总酚含量以没食子酸（mg GA/100 mL）当量表示。

1.3.9 挥发性芳香成分 方法参考张璟琳等[18]的研究方法并作适当修改。挥发性成分萃取：取4 mL 样液于15 mL 样品瓶中，加入1 g 氯化钠、5 μL环己酮（内标物质量浓度为1.896 mg/mL）、磁力转子，60 ℃、转速300 r/min 搅拌加热，平衡20 min，使芳香物质充分挥发到顶空部分，60 ℃萃取30 min。将萃取头插入气相色谱进样口，250 ℃解吸3 min，用于GC-MS 分析。

色谱柱：DB-5 毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm），进样口温度250 ℃，初始柱温40 ℃，5 ℃/min升至150 ℃，10 ℃/min 升温至250 ℃保留3 min，载气（He）：流速1 mL/min。

质谱条件：EI 离子源；电子能量70 eV；离子源温度230 ℃；灯丝电流150 μA；扫描范围29～300 u。

定性方法：检测到的各组分质谱经计算机NIST 11 谱库匹配进行人工谱图解析，选取匹配度大于80%的物质，并在相同升温程序下检测正构烷烃混标（C9-C20），根据公式（3）计算各挥发性成分的Kovats 保留指数（RI）[19]，确认香味物质的化学成分。

半定量方法：以环己酮作为内标物，按式（4）计算：

1.4 数据处理

所有处理重复3 次，采用Excel 汇总试验数据，以Matlab 软件拟合样品中心温度为-18～0 ℃的温度-时间曲线，利用SPSS 软件进行Anova 显著性、PCA 主成分分析，并使用OriginPro 9 作图。

2 结果与分析

2.1 解冻方式对苹果汁解冻时间及过程的影响

解冻时间是衡量解冻效率的重要指标，解冻耗时长会造成其它设备空耗，降低生产线效率。如图1、图2所示，解冻时间由长至短依次为：空气解冻＞静水解冻＞超声解冻，空气解冻以空气为介质，外界的热能通过苹果汁表面传热至内部，静水解冻同理，然而由于水的传热系数远大于空气[7]，故静水解冻时间远小于空气解冻。超声波在液体介质中遇固体迅速衰减，机械能转化为热能传递至样品中；此外，超声波是一种机械波，机械波振动可使大冰晶被破坏成小冰晶[8]，从而增大热量交换的接触面积，加速解冻；且超声微射流效应[9]产生湍流可以加速液体和冰之间传质传热的过程，故超声波所需解冻时间最短[8-9]。相比低温及室温静水解冻，超声解冻时间分别缩短了78.20%及61.82%。如表1所示，室温比低温解冻效率高。因此，升高温度以及采用超声波解冻可显著提高解冻效率。

图1 3 种低温解冻方式对解冻过程温度变化的影响Fig.1 The effect of three cryogenic thawing methods on the temperature stages of the thawing process

图2 3 种室温解冻方式对解冻过程温度变化的影响Fig.2 The effect of three different thawing methods on the temperature stages of the thawing process at room temperature

表1 解冻方式对解冻时间的影响Table 1 The effect of thawing methods on the thawing time

2.2 解冻方式对苹果汁可溶性固形物、可滴定酸、还原糖及固酸比的影响

可溶性固形物、可滴定酸含量是影响水果品质、风味的重要指标，其含量越高，口感越厚重，固酸比越大，则甜度越高[20]。如表2所示，与原汁相比，经不同方式解冻后苹果汁的可溶性固形物、可滴定酸及还原糖含量均无显著性差异 （P＞0.05）。以上指标与苹果自身品质有较大关系[21]，而本试验所用苹果为同一批样品，大小均一并经过混合，取样均一，且解冻果汁过程中并未有汁液流失，故解冻方式对固酸比亦无显著影响。Stinco 等[22]研究解冻方式对速冻橙汁的品质影响，结果均表明酸度、pH 值不随解冻条件发生变化，与本研究结果一致。

表2 解冻方式对苹果汁可溶性固形物、可滴定酸、固酸比、还原糖的影响Table 2 Effect of methods on SSC，titratable acid and solid acid ratio，reducing sugar of apple juice

2.3 解冻方式对苹果汁总酚含量的影响

多酚是果蔬中重要的植物化学素，具有抗氧化[23]，抑制癌细胞转移[24]等多种生理活性。如图3所示，和解冻前相比，不同方式解冻后的果汁总酚含量均显著降低（P＜0.05），表明冻融易造成苹果中总酚含量损失。相同温度下，空气解冻总酚含量均显著小于静水和超声解冻（P＜0.05），而静水和超声解冻之间无显著性差异（P＞0.05）。可能由于空气解冻所需时间最长，果汁与水中溶解氧接触时间长，使多酚充分发生氧化反应，含量减少。在同一解冻方式下，低温解冻均比室温解冻时间长，3 种低温方式解冻果汁的总酚含量均显著下降（P＜0.05）。本研究中解冻方式影响解冻时长，进而影响苹果汁的多酚含量。Holzwarth 等[25]研究表明，相比于20 ℃及37 ℃条件，4 ℃低温解冻草莓总酚含量未发生明显变化。上述差异的产生可能是由于Holzwdarth 等[25]的研究对象为完整的草莓果实，细胞结构完整，故多酚未暴露于空气中，而本研究中的苹果汁中的细胞结构已经被破坏，多酚可直接与溶解氧接触，因此本研究中解冻时间长的苹果汁多酚氧化更严重。

图3 解冻方式对总酚含量的影响Fig.3 The effect of thawing methods on the content of polyphenol

2.4 解冻方式对苹果汁色泽的影响

苹果汁的色泽是表征感官品质的重要参数之一，色泽好坏会影响消费者的购买欲望。在CIELAB 系统中，L*值代表亮度，a*值表征红色（+）和绿色（-），b 值表征黄色（+）和蓝色（-），BI 值是酶促褐变及非酶促褐变中一个重要的参数，代表棕色纯度[23]。由表3及图4可知，解冻前及经不同解冻方式后的果汁之间亮度L*值、色度a*值、b*值以及BI 值均无显著性差异（P＞0.05），表明解冻方式对苹果汁色泽整体影响不大。苹果汁褐变通常是由于多酚氧化酶（PPO）催化酚类物质产生可溶性醌所致[24，26]，可能本研究制备苹果汁时灭酶彻底，且在低温下解冻，因此产生的棕色物质较微量以至色差仪难以检测。

2.5 解冻方式对苹果汁风味物质的影响

如表4所示，6 种解冻方式的苹果汁样品共鉴定出16 种挥发性芳香物质。样品经灭酶、榨汁、过滤、均质等步骤，使得大量挥发性成分损失，故成品苹果汁所含挥发性成分较少。郑宇等[27]研究浓缩苹果汁加工过程挥发性风味物质变化规律，发现成品果汁所含挥发性成分为18 种，与本试验结果基本一致。

表3 解冻方式对苹果汁色泽的影响Table 3 Effect of thawing methods on color of apple juice

图4 解冻方式对苹果汁色泽变化的影响Fig.4 Effect of thawing methods on the color of apple juice

检测结果表明，苹果汁中主要含醇类、酯类、萜烯类、酮类、烷烃类、芳香类，其中酯类种类最多，占总香气成分的39.40%～77.92%，是苹果汁香气成分中的主要类别。各解冻组中，低温下酯类占总香气含量的74.74%～77.92%，室温下酯类占总香气含量的39.40%～44.04%，故低温解冻更利于苹果汁风味物质的保存。低温条件下，苹果汁挥发性化合物中含量最高的是2-甲基丁基乙酸酯，其占总香气成分的56%～64%，该物质是苹果典型的香气成分[39]。李维妮等[40]研究结果表明，2-甲基丁基乙酸酯为苹果汁香气的主要成分，与本试验结果一致。而室温下解冻后的样品中未检测到2-甲基丁基乙酸酯，这可能是由于室温解冻温度高，导致苹果2-甲基丁基乙酸酯挥发更快。

2.6 解冻方式下苹果汁各指标的主成分

本研究对不同解冻条件下苹果汁的理化指标以及风味物质进行主成分分析，得到相关矩阵的特征值和累积贡献率，结果如表5所示。根据累计贡献率达到85%以上或特征值大于1 的原则[41]，确定3 个主成分。

载荷越高表示该指标在该主成分中所占比重越大，如表6所示，F1主要反映总酚、萜烯类、烷烃类的含量。为既能在2D 图上表示3 个主成分的结果，又不减少信息损失，以F2、F3的方差贡献率β2、β3为加权系数，建立综合评价纵坐标F23=（β2F2+β3F3）/（β2+β3）。以F1为横坐标，F23载荷为纵坐标，作2D 图。

如图5所示，低温空气、醇类、酯类、解冻时间集中在F1的负半轴，表明这些指标互成正相关，低温空气的温度低，解冻时间长，总酚含量少，然而能较好地保留醇类、酯类。结合2.4 节的结果，醇类和酯类分别占总香气成分的12.66%～42.11%、39.40%～77.92%，为苹果香气主要成分，故低温空气解冻能保持苹果的香气品质，与2.4 节的结论一致。室温空气在F1、F23的正半轴，与位于F1、F23负半轴的指标如解冻时间、醇类、酯类、总酚等成负相关，表明室温空气解冻时间较短，而醇类、酯类等苹果主要风味成分、总酚含量、固酸比较低，故室温空气解冻时间虽短，但不利于保持苹果汁营养、香气品质。室温超声、固酸比和总酚在F1正半轴和F23的负半轴，互成正相关，而与解冻时间、醇类、酯类等指标成负相关，说明室温超声条件下解冻时间较短，固酸比、总酚含量高，而不利于保持苹果风味品质。

声超温室0.466±0.129-33.94 0.051±0.032-3.71-0.376±0.112 0.086±0.019 0.042±0.032 0.037±0.001 0.049±0.023-42.97 0.014±0.006 0.075±0.030 6.48 0.010±0.005 0.73 0.156±0.086 11.36 0.011±0.006 0.80响影的量含质物味风性发挥汁果苹对式方冻解4 表Effect of thawing methods on the content of volatile flavor compounds of apple juice Table 4 -1·mL /μg果结量定半数指留保 号CAS称名水静温室气空温室声超温低水静温低气空温低值考参值算计0.422±0.043 0.255±0.178 0.207±0.063 0.454±0.112 0.456±0.103 [28]869-111-27-3醇己正0.045±0.032 0.110±0.056 0.168±0.076 0.093±0.100 0.316±0.110 [29]743-137-32-6醇丁基甲2-42.11%27.71 12.66 14.42 17.06 0.077±0.034 0.077±0.041 0.081±0.011 0.068±0.016 0.081±0.029 [30]1 102 1 103 124-19-6醛壬0.021±0.010 0.027±0.010 0.020±0.002 0.017±0.005 -[28]1 207 1 204 112-31-2醛癸8.84 7.90 3.41 2.24 1.79--1.667±1.271 2.413±0.028 2.896±0.653 [31]877-624-41-9酯酸乙基丁基甲2-0.302±0.092 0.462±0.267 0.387±0.083 0.346±0.010 0.403±0.117 [32]1 011 1 010 142-92-7酯己酸乙0.060±0.029 0.045±0.032 0.089±0.029 0.073±0.003 0.079±0.027 [31]1 236 1 234 10032-15-2 酯己酸丁基甲2-0.026±0.001 0.033±0.029 -0.035±0.001 0.049±0.012 [31]1 002 994 109-21-7酯丁酸丁0.026±0.010 0.040±0.013 0.039±0.012 0.032±0.000 0.030±0.019 [33]1 191 1 189 2639-63-6 酯己酸丁0.023±0.016 --0.037±0.002 0.055±0.032 [34]1 308 1 040 15706-73-7 酯丁酸丁基甲2---0.031±0.019-0.013±0.006[35]799-105-54-4酯乙酸丁39.40 44.04 74.74 77.39 77.92-0.033±0.019 0.036±0.001 --1 028烯檬柠D--0.076±0.029 0.039±0.022 0.083±0.069 -[36]1 509 1 502 502-61-4烯呢法α－0.00 8.28 2.53 2.19 0.00-0.024±0.022 0.032±0.013 --1 200 1 199 112-40-3烷二十0.00 1.82 1.08 0.00 0.00 0.107±0.075 0.124±0.033 0.148±0.065 0.143±0.002 0.139±0.049 [37]1 381 1 379 23726-93-4 酮士马大9.65 9.42 5.00 3.77 3.07-0.011±0.005 0.017±0.008 -0.007±0.002[38]1 462 1 464 719-22-2醌苯基丁叔二，6-2 0.00 0.84 0.57 0.00 0.15。物合化性发挥该出检未式方冻解该示”表“-号，符中果结量定；半值算计得获法，无烃烷构 正C9于低间时留保的质物该示”表“-号，符中栏时留保/min间8.97 5.29 16.56 19.60 9.29 13.63 20.44 13.10 19.16 14.57 6.84 14.21 27.19 19.45 24.40 26.36一值算计数分成类醇1 2/%比占类醛3 4/%比占类酯5 6 7 8 9 1 0 11/%比占类烯萜12 13/%比占类烃烷14/%比占类酮1 5/%比占类香芳16/%比占指留：保注

表5 相关矩阵的特征值及累计贡献率Table 5 Initial eigenvalues and cumulative contribution rate of the correlation matrix

表6 相关矩阵的特征值及累计贡献率Table 6 Principal component eigenvalues and loading matrix

图5 各理化指标及风味物质类别的载荷图Fig.5 The principal components of physicochemical indexes and flavors

对于空气、静水、超声3 种解冻方式，每种方式对应的低温与室温处理的结果在主成分坐标系下异号，表明温度对苹果汁解冻时间及营养品质影响大。

3 结论

本文以混浊苹果原浆为研究对象，探究了解冻方式对解冻效率、营养品质及香气成分等的影响，同时对理化及风味指标进行主成分分析，以综合评价各解冻方式的优缺点。超声解冻相比于低温及室温静水解冻，解冻时间分别缩短了78.20%及61.82%，在不影响苹果汁营养成分和香气品质的前提下可有效缩短解冻时间，为工厂高效解冻果汁提供了可行的方法。与低温解冻相比，室温解冻时间短，解冻后果汁多酚含量高，然而会造成香气成分损失。综合比较，低温超声解冻能显著缩短解冻时间，并能最大程度地保留苹果汁中营养成分和香气，为工厂生产NFC 果汁前解冻苹果原浆提供了一种高效的解冻方式。