抗冻剂对速冻南瓜泥品质影响及其机理探究

杨丹璐 施 依 吴金鸿 葛 宇 李向红 汪少芸

(1. 上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程专业，上海 200240；2. 上海市质量监督检验技术研究院，上海 200233；3. 长沙理工大学化学与食品工程学院，湖南 长沙 410114；4. 福州大学生物科学与工程学院，福建 福州 350108)

南瓜是一种葫芦科植物，被认为是类胡萝卜素、抗坏血酸的极好来源，其分别是维生素A和维生素C的前体物质。同时南瓜还是维生素E、钾离子、钙离子、膳食纤维、氨基酸和酚类化合物的良好来源[1]，并具有低钠、低脂、低卡路里的特点[2-3]。国内外已有许多研究[4-6]表明南瓜具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗肿瘤、降血糖、降血脂等作用，能够有效减少糖尿病、癌症、心血管疾病等高危疾病的患病风险，是一种极具开发价值的植物。但是目前主要的消费形式仍是作为新鲜蔬菜食用，存在易腐烂、难运输、季节性等问题，而开发南瓜深加工产品可以很好地解决这些问题。

在中国，常见的南瓜深加工产品及研究主要集中在南瓜粉、南瓜饼、南瓜脯、南瓜汁及南瓜饮料等[7]，而对南瓜泥的研究相对较为少见。国外已有研究[8]显示南瓜泥可以保留大部分南瓜原有的风味和营养价值，并且除直接食用外，还能够作为中间产物进一步生产其他产品，极具开发前景。由于含水量高、酸度低，南瓜泥在贮藏过程中极易受到微生物影响而发生变质，采用热处理、超高压等方式进行灭菌处理可以减少其变质，但会造成较大的营养损失[9-10]。冻藏是保存南瓜泥营养品质较好的一种加工方式，已有关于南瓜辣椒复配果酱[11]、鳄梨泥[12]等冷冻贮藏的研究，但未见关于冷冻过程南瓜泥品质调控的研究报道。

南瓜泥是一种不均一的两相体系，稳定性较差，因此在冻融及冻藏储存过程中容易出现固体收缩、水分析出现象，造成固相与液相分层，形成析水，降低南瓜泥的食用品质。研究[13]表明，新添加抗冻剂可减弱这种不利影响。果胶、胶原肽与海藻糖已被证实具有冷冻保护作用[14-16]，在前期预试验中以析水率为指标已筛选得到一种由果胶、胶原肽、海藻糖组成的新型复配抗冻剂配方。试验拟向速冻南瓜泥中添加复配抗冻剂，研究其对速冻南瓜泥的品质和结构影响，并探究抗冻剂的冷冻保护作用机理，以期延长南瓜泥货架期并提高其冷冻稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

南瓜：艾瑞吉小南瓜，上海艾妮维农产品专业合作社；

果胶：食品级，浙江博丹衡食品配料有限公司；

胶原肽：食品级，嘉利达(辽源)明胶有限公司；

海藻糖：食品级，日本林源株式会社；

试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

料理一体机：UM 130型，德国Stephan公司；

纳米粒度zeta电位仪：NanoBrook Omni型，美国布鲁克海文仪器公司；

质构仪：Universal TA型，上海腾拔仪器科技有限公司；

色差仪：Labscan XE型，美国HunterLab公司；

扫描电子显微镜：Sirion 200型，美国FEI公司；

激光共聚焦显微镜：TCS SP8 STED 3X型，德国徕卡公司。

1.2 方法

1.2.1 速冻南瓜泥制备 挑选无霉变、无机械损伤、完全成熟的南瓜作为原料，洗净，去皮，去瓤，切块。南瓜块投入料理一体机中，开启锯齿刀斩拌并加热至95 ℃，保温5 min 使之熟化呈泥状，投入复配抗冻剂(果胶0.1%+胶原肽0.2%+海藻糖2%)，加压升温至120 ℃保持10 min杀菌，冷却出料。将南瓜泥分为120 g/包，真空密封，于(-36±2) ℃速冻柜速冻2 h，(-20±2) ℃冰箱冻藏0～4周后，于室温解冻2 h，进行后续试验。添加抗冻剂的速冻南瓜泥记为试验组；以不添加抗冻剂的速冻南瓜泥作为空白对照，记为空白组。

1.2.2 速冻南瓜泥稳定性测定

(1) 析水率(water separation proportion，WSP)：根据文献[13]修改如下：取10 g解冻的南瓜泥样品装入离心管中(离心管质量为m1)，称得总重为m2，6 000 r/min离心30 min，除去上清液，离心管与沉淀物称重为m3，结果取3次平行试验的平均值。按式(1)计算析水率：

(1)

式中：

PWS——析水率，%；

m1——离心管质量，g；

m2——离心管与南瓜泥总质量，g；

m3——离心管与沉淀物总质量，g。

(2) 粒径：参照文献[17]34。

(3) Zeta电位值：参照文献[17]26。

1.2.3 速冻南瓜泥品质测定

(1) 质构：参照文献[18]。

(2) 色度：参照文献[19]。

(3) 可溶性固形物含量：用手持糖度仪测定。

1.2.4 扫描电子显微镜(SEM)观察 取少量南瓜泥样品进行冷冻干燥，切取干燥的样品5×5×5 mm3，喷铂后使其具有导电性，处理后的样品在200～800倍的放大范围内进行观察、记录和拍照。

1.2.5 激光共聚焦显微镜(CLSM)观察 使用罗丹明(浓度为1 mg/100 g)和异硫氰酸荧光素(浓度为10 mg/100 g)混合液作为染色剂。取50 μL南瓜泥滴加在载玻片上，再滴加5 μL染色剂，静置10 min使其反应，处理后的样品在荧光模式下进行观察、记录和拍照。

1.3 数据处理

应用SPSS 21.0对试验数据进行统计学分析，用ANOVA分析各组结果间的差异显著性，P<0.05表示有显著差异，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 抗冻剂对速冻南瓜泥析水率、粒径、Zeta电位值的影响

由表1可知，随着冻藏时间的增加，南瓜泥析水率增加，表明固液相分离趋势增大，稳定性与品质下降。对比发现，冻藏相同时间的试验组南瓜泥析水率显著低于空白组，与Rodriguez-Marin等[13]观察结果一致，冻藏过程中果泥的析水率升高，而添加冷冻保护剂将会抑制这种趋势。冻藏过程中冰晶的重结晶会导致结构损伤。果胶能够在速冻南瓜泥中形成凝胶网络固定水分子，而胶原肽与海藻糖含有大量羟基等亲水基团，可以结合体系中的水与大分子，减少体系中的游离水含量，降低冻藏过程中的冰晶重结晶，改善析水现象，有效提高速冻南瓜泥稳定性。

表1 抗冻剂对速冻南瓜泥析水率、粒径、Zeta电位的影响†Table 1 Influence of antifreezes on WSP, particle size and zeta potential value of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

泥酱类体系中颗粒粒径越小，颗粒的沉降速度越慢，则该体系稳定性越高。随着冻藏时间的增加，南瓜泥平均粒径有所增加，表明体系稳定性降低，原因可能是部分颗粒发生聚集沉降现象。冻藏4周的试验组平均粒径显著小于空白组，表明抗冻剂的添加有助于提高体系稳定性，可能是由于抗冻剂的添加提高了体系的空间位阻，使得颗粒分布更均匀，阻止颗粒聚集沉降。

表1显示南瓜泥体系中的Zeta电位为负值，说明南瓜泥颗粒带负电荷。随着冻藏时间的增加，南瓜泥Zeta电位绝对值下降，表示体系中颗粒间的相互排斥力减小，稳定性降低，颗粒倾向于聚集，与粒径观测结果一致。冻藏相同时间，试验组Zeta电位绝对值显著高于空白组，表示抗冻剂的添加能够提高体系稳定性，防止颗粒聚集。由于空间位阻、氢键与电荷是决定Zeta电位值大小的重要因素[17]30-31，抗冻剂中的果胶为阴离子多糖，带负电荷，可以与南瓜泥中的大分子结合提供负表面电荷，同时果胶碳链较长，且能够形成凝胶结构，有助于提高颗粒间的空间位阻，在颗粒间提供更高的能垒，从而增大体系中颗粒间静电排斥力，进而提高速冻南瓜泥稳定性。

2.2 抗冻剂对速冻南瓜泥色度的影响

由表2可知，随着冻藏时间的增加，空白组南瓜泥L*值略微下降(亮度变暗)，与Gliemmo等[19]观察到的结果一致，主要是由于冻藏期间发生了非酶促褐变反应以及β-胡萝卜素的氧化和异构化，而试验组南瓜泥在4周时间内未观察到显著性变化。空白组和试验组的a*值均有显著性下降，而b*值有不显著的略微下降，表明南瓜泥在冻藏过程中出现红色和黄色的损失，且红色损失高于黄色，Gliemmo等[20]也观察到类似结果，分析这主要是由于β-胡萝卜素具有高度不饱和结构而不稳定，发生氧化反应导致降解，进而失去颜色。同时，由表2还可以发现试验组的L*值低于空白组，a*值、b*值高于空白组，可能是由于添加的果胶为黄褐色粉末，同时添加海藻糖与胶原肽增加了体系中可溶性糖含量和氨基酸含量，可能会在冻藏期间加剧褐变，导致亮度更暗、颜色偏红黄。

表2 抗冻剂对速冻南瓜泥色度的影响†Table 2 Influence of antifreezes on color of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

L*值、a*值、b*值的下降导致速冻南瓜泥的△E值随着冻藏时间的增加而升高，但是有研究[21]指出在许多产品的视觉感知中，△E值>2才能产生显著差异，因此试验中的速冻南瓜泥冻藏4周期间不会产生肉眼可观察到的颜色变化。冻藏相同时间的试验组△E小于空白组，表明抗冻剂能抑制速冻南瓜泥在冻藏过程中的颜色降解程度，提高产品品质，具有冷冻保护作用。

2.3 抗冻剂对速冻南瓜泥质构、可溶性固形物含量的影响

由表3可知，随冻藏时间的增加，速冻南瓜泥硬度下降，可能是由于南瓜泥出现析水现象，进行相同程度的压缩所需的力更小。同时可以观察到内聚性随着冻藏时间的延长而下降，表明南瓜泥内部凝聚性下降，与硬度观测结果一致，呈现体系品质下降的趋势。对比发现，试验组南瓜泥硬度下降程度为7.57%，小于空白组的(12.92%)，冻藏相同时间的试验组内聚性显著高于空白组，表明抗冻剂的添加有利于提高南瓜泥品质稳定性。

由表3还可知，可溶性固形物含量随冻藏时间的增

表3 抗冻剂对速冻南瓜泥质构特性、可溶性固形物含量的影响†Table 3 Influence of antifreezes on texture parameters and total soluble solid of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage (n=3)

加逐渐下降，可能是由于冻藏过程中发生褐变反应而消耗部分糖，导致总糖含量下降[22]。冻藏相同时间的试验组可溶性固形物含量高于空白组，同时冻藏4周后试验组下降幅度为6.83%，小于空白组的(15.07%)，可能是因为加入海藻糖使试验组可溶性固形物含量提升，而且抗冻剂具有冷冻保护作用，减缓冻藏过程中品质下降。

2.4 SEM观察

南瓜泥主要由细胞碎片与糖、淀粉、可溶性果胶和纤维混合在一起，悬浮于连续相中，与番茄酱类似，有研究[23]表明番茄酱体系能形成比较松散的果胶网状物，但颗粒间作用很弱，难以从SEM图像上观察到明显的网状结构。如图1所示，南瓜泥也呈片层状交联结构，但难以观察到明显的网状结构，其中的空洞是由冰晶升华后造成的，在冻藏过程中游离水会发生结晶、重结晶而产生大的冰晶颗粒，并由此给南瓜泥结构带来不可逆的损坏，导致解冻后水分析出。空白组南瓜泥表面较粗糙，重叠在一起，不规则分布，没有连续性；冻藏4周后表面更为粗糙，且出现更多空洞，以及明显的断裂丝状结构，表明在冻藏过程中南瓜泥体系中产生了大冰晶，对结构造成了较大损伤。试验组南瓜泥表面相对平整光滑，体系分布较为连续；冻藏4周后表面变得粗糙，但是未发现明显断裂结构，空洞较空白组少，表明冻藏对结构的损害作用较小。这可能是由于抗冻剂有亲水性基团的存在，能够加强分子与南瓜泥样品之间的结合能力，增强样品整体的稳定性。

图1 速冻南瓜泥SEM观察图像Figure 1 Observation of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage

2.5 CLSM观察

由图2可知，大分子呈颗粒状分散在整个南瓜泥体系中，冻藏0周时颗粒较为分散，分布均匀。冻藏4周后，空白组南瓜泥中颗粒出现一定程度的聚集，其中出现大面积无颗粒填充的黑色空洞，可能是冻藏过程中形成的大冰晶解冻后形成，与SEM观察结果一致，大冰晶融化形成的空洞将对南瓜泥结构造成一定损伤。冻藏过程中由于体系中颗粒出现聚集，将导致平均粒径的增大以及沉降趋势的增大，对体系稳定性带来不利影响。试验组也观察到类似现象，冻藏4周出现少量聚集现象，但明显优于空白组，大分子分布仍较为均匀，表明加入抗冻剂能改善冻藏过程中的南瓜泥结构损伤，提高体系稳定性，对南瓜泥存在冷冻保护作用。

图2 速冻南瓜泥CLSM观察图像Figure 2 Observation of quick-frozen pumpkin puree during frozen storage

3 结论

通过在速冻南瓜泥中加入复配抗冻剂(果胶0.1%+胶原肽0.2%+海藻糖2%)，可显著提升速冻南瓜泥在冻藏过程中的稳定性并减缓品质劣化趋势，主要体现在减缓析水率、平均粒径的升高趋势以及L*值、a*值、b*值、硬度、内聚性、可溶性固形物含量、Zeta电位绝对值的降低趋势，并且能够有效保护速冻南瓜泥的超微结构，提高大分子分布的均匀性。综上所述，抗冻剂的添加对速冻南瓜泥的品质具有较大影响，其机理可能是通过抗冻剂的亲水基团与游离水结合，减少冻藏过程中的大冰晶对整体结构及大分子构象的破坏作用，同时通过分子间作用力与空间位阻作用提高体系内的静电排斥力，阻止颗粒聚集，提高体系稳定性，增强速冻南瓜泥品质。后续可加强有关速冻南瓜泥加工工艺以及微生物指标变化的研究。