超声波对不同孔隙率水果冻结特性的影响

曹雪慧，王甄妮，白 鸽，朱丹实，吕长鑫

（渤海大学食品科学与工程学院，辽宁 锦州 121013）

冷冻技术在食品加工中已经得到广泛应用，传统冷冻技术由于损耗时间长、冻结效率低等问题，造成细胞机械损伤，导致食品品质下降[1-4]。因此，将新型技术与传统冷冻技术相结合，成为改善冻结食品品质的一种重要途径[5]。

超声波处理作为一项新型的技术，广泛应用于食品的保存和分析[6-8]。采用超声波辅助结晶技术冻结食品，能促进固态晶核形成、抑制冰晶体积生长、控制晶体粒均匀分布、提高结晶质量，对改善食品品质有重要的意义[9-11]。目前以草莓、毛豆、马铃薯、萝卜等为研究对象，发现超声波辅助冷冻技术应用在不同的食品上有不同的冷冻效果[12-17]。根据不同的原料特点选择适当频率和功率的超声波有助于提高冻结品质，通常频率范围为10～20 MHz[18]。Gani等提出合适的超声时间可以保护草莓的色泽，超声时间过长则会破坏草莓中的抗氧化物质[19]。关于超声波辅助冷冻技术对不同孔隙率水果的冻结过程及冻融后品质影响的研究较少。徐保国通过对红心萝卜的微观结构分析发现“海绵效应”，然而未涉及孔隙率对比研究[20]。陈竹兵等通过对萝卜组织脱气处理，得出脱气能改善含气物料超声辅助浸渍冷冻效果的结论[21]。本实验选用苹果、梨、哈密瓜3 种孔隙率差异明显的水果，采用不同超声强度浸渍冷冻处理，研究3 种水果冻结过程中温度变化受超声强度和自身孔隙率的影响，同时比较冻融后各组样品的滴水损失率、硬度、色差、水分分布及抗坏血酸含量变化，进一步了解果蔬的孔隙率、超声波强度对冻结过程中温度和冷冻后的品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验所用苹果（‘秋香富士’）、梨（‘锦丰’）、哈密瓜（‘东湖瓜’），均购买于辽宁省锦州市万家乐水果生鲜超市。挑选果形圆润、新鲜成熟，且无机械损伤和病虫害的苹果、梨、哈密瓜，购买后运回实验室置于4 ℃冰箱中冷藏。

氯化钙 天津市光复科技发展有限公司；无水乙醇天津市北辰方正试剂厂。

1.2 仪器与设备

RX9608D-HO-BA温度记录仪 杭州美控自动化技术有限公司；TA.XT Plus物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司；CHROMA METER CR-400色彩色差计日本Minolta公司；NMI20低场核磁共振仪 上海纽迈电子科技有限公司；BCD-206ZMZB冰箱 合肥美菱股份有限公司；JA503电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；JRA-20CQ智能型低温超声波萃取仪、DCW-2008低温恒温槽 无锡杰瑞安仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 实验设计

将苹果、梨、哈密瓜分别从4 ℃的冰箱中取出，清洗干净后去皮，使用打孔模具，将样品打成直径1.5 cm、高2 cm的圆柱形果块（在购买后的24 h内处理完毕），处理后放置在保鲜袋中，于4 ℃的冰箱中存放，保证样品在冻结时的初始温度一致。将同一种水果分成3 组，分别在超声波声强为0、0.078、0.145 W/cm²条件下浸渍冷冻，浸渍冷冻液为质量分数20%氯化钙溶液，在浸渍冷冻过程中，将温度记录仪传感器探头插入样品的几何中心，中心温度为-18 ℃时停止测量。采用间歇式超声波处理，设置参数为开2 s关5 s，从果块中心温度为0 ℃开始超声，到果块中心温度为-10 ℃停止超声。超声结束后，将冻结样品在-18 ℃冰箱中冷藏12 h，移到4 ℃解冻后测定各项指标。苹果、梨、哈密瓜直接浸渍冷冻用AIF、PIF、CIF表示，在0.078 W/cm²的超声条件下浸渍冷冻分别用AUF1、PUF1、CUF1表示，在0.145 W/cm²的超声条件下浸渍冷冻分别用AUF2、PUF2、CUF2表示。

1.3.2 声强的测定

通过量热法进行声强测定，将温度记录仪与一支装满蒸馏水的2 mL离心管连接，测试在2 min内超声条件下蒸馏水温度的变化，此实验重复10 次。根据公式（1）计算消耗功率P[22]，并根据公式（2）计算声强IA。

式中：P表示消耗的功率/W；m表示离心管内蒸馏水的质量/kg；Cp表示水的定压摩尔比热容（4.18×103J/（kg·K））；表示120 s内温度升高的速率/（℃/s）；A表示离心管的横截面面积/cm2；IA表示声强/（W/cm2）。

1.3.3 水果块孔隙率的测定

孔隙率指水果块中空气体积占样品体积的比例，根据阿基米德原理测定水果的体积孔隙率[22]。先测量圆柱形样品的底面圆半径r/cm和高度h/cm，根据圆柱体体积计算公式（V＝πr2h）得到体积V/cm3。然后将样品浸没在装有水的容器中，通过电子天平称量样品在水中除气前后的质量，并得到其质量差m/g，因为水密度是1 g/cm3，所以渗透的水质量（m/g）的数值近似于空气体积V1/cm3，根据公式（3）计算样品的孔隙率。

本实验中测定苹果果块、梨果块、哈密瓜果块的孔隙率分别为（11.39±0.71）%、（17.16±0.89）%、（50.74±1.01）%。

1.3.4 滴水损失率的测定

取出冻藏的果块，立即称质量（m1/g），称量后放到4 ℃冰箱中解冻12 h。解冻后将果块表面的水用滤纸擦拭干净，然后称质量（m2/g），按公式（4）计算果块的滴水损失率[23]。

1.3.5 质构特性的测定

采用物性测试仪对冻融后果块进行测试，测试条件为：探头型号为P/2；压缩量：30%；测前速率：3.00 mm/s；测试速率：1.00 mm/s；测后速率：5.00 mm/s；触发力：5 g，样品经6 次重复测定。

1.3.6 色差的测定

采用色彩色差计对解冻后果块的颜色进行测定。其中L*值表示亮度，L*值越大亮度越大；a*值表示果实的红绿偏向，数值为负代表果实偏绿色，数值为正代表果实偏红色；b*值表示果实的黄蓝偏向，数值为负代表果实偏蓝色，数值为正代表果实偏黄色；ΔE表示色差值，ΔE越大表示被测试果块的色泽与标准板的颜色差别越大[24]。在每个处理组中取出6 个样品，重复实验3 次，测定其L*、a*、b*值和ΔE。

1.3.7 水分分布的测定

采用低场核磁共振仪对水分分布进行测定。主要参数设置：90°脉冲时间＝14.00 μs，180°脉冲时间＝28.00 μs，回波时间的一半τ＝200.00 μs，累加次数NS＝14，重复时间TR＝1 000 000 ms，采样点数Td＝1 024，回波个数EchoCnt＝18 000，采样频率SW＝100 kHz，每个处理组6 个样品，实验在相同条件下，重复3 次。

1.3.8 抗坏血酸含量的测定

按照曹建康等[25]的2,6-二氯酚靛滴定法进行抗坏血酸含量测定。

1.4 数据处理与分析

实验数据为3 次重复的平均值，结果以平均值±标准差表示。利用SPSS 22.0软件进行数据统计分析，采用最小显著性差异（least significance difference，LSD）法分析差异显著性（P＜0.05），使用Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 3 种水果块冻结过程各阶段的时间

物料的冻结过程一般由3 个阶段组成，即：预冷阶段、相变阶段、低温冷却阶段[26]。冻结速率过慢时，生成的冰晶体积大且分布不均匀，会导致内部组织被破坏，细胞受到机械损伤，品质下降[27]。其中，相变阶段有大量冰晶产生，是冻结过程中关键的阶段。

由表1可知，4～0 ℃为预冷阶段，超声波辅助冷冻对3 种水果的预冷阶段时间均无显著性影响（P＞0.05）。相变阶段一般发生在0～-5 ℃过程中，又被称为最大冰晶生成带，与直接浸渍冷冻处理相比，经过超声浸渍冷冻处理后的苹果、梨、哈密瓜果块通过相变阶段的时间均存在显著性差异（P＜0.05），超声强度越大，所需要的时间越短。其中哈密瓜在0.078、0.145 W/cm2的超声条件下，通过相变阶段的时间比直接浸渍冷冻组分别缩短了45.33%、60.93%，可见，超声辅助冷冻处理可以显著缩短哈密瓜通过最大冰晶带的时间（P＜0.05），从而保护哈密瓜的组织结构[24]。在低温冷却阶段，超声波对3 种水果的影响不同，超声强度对苹果和哈密瓜具有显著影响（P＜0.05），而对梨没有显著影响（P＞0.05）。从冻结总时间可以看出，0.078 W/cm2的超声条件下，苹果冻结时间与直接浸渍冷冻组无显著差异，梨、哈密瓜分别缩短了23.15%、12.92%；在0.145 W/cm2的超声条件下，苹果、梨、哈密瓜的相变阶段时间分别为21.67、21.33、16.67 s，冻结时间分别缩短了21.72%、29.15%、44.39%。这与Zhang Peizhi等[28]研究发现超声辅助冷冻可以提高冷冻效率的结果一致。

表1 3 种水果冻结过程各阶段时间分布Table 1 Time distribution of each stage of the freezing process for three fruits

超声波在传输介质中产生空化气泡，这些气泡的坍塌导致局部区域形成极高的压力[12]，从而促进冰晶的生成。实验结果表明，水果孔隙率越大，内部空气含量越高，冻结速率越慢。故孔隙率小的苹果总冻结时间比孔隙率相对大的梨短。且相同实验条件下，超声波强度越小，冻结速率越慢。值得注意的是，虽然水果孔隙率和超声强度是影响水果冻结速率的重要因素，但是水果中可溶性固形物含量和含水量等特性对水果的冻结速率也有重要影响。例如，哈密瓜孔隙率大于苹果和梨，冻结总时间却较二者短，可能因为哈密瓜成熟过程中缺水，果肉自我调节造成水分含量减少并导致孔隙率增大；因此哈密瓜虽然孔隙率大但含水量少，故其冻结速率快。一般来说，超声辅助浸渍冷冻有助于提高低孔隙率水果的冻结速率。

2.2 超声辅助冷冻对水果滴水损失率的影响

滴水损失会受冰晶的形成、细胞含水量和持水性等多种因素影响[24]。由图1可知，孔隙率不同的水果，超声辅助冷冻处理后的滴水损失情况存在显著差异（P＜0.05）。这可能是因为，超声辅助冷冻后，物料组织结构不同造成冻结过程中形成的冰晶体大小不同，进而对组织造成不同程度的损伤，同时也受物料自身特性如含水量影响，所以解冻后滴水损失率不同。与直接浸渍冷冻处理组相比，超声辅助浸渍冷冻处理后苹果滴水损失率显著下降（P＜0.05），梨和哈密瓜在0.078 W/cm2超声强度下滴水损失率变化不显著（P＞0.05），但是在0.145 W/cm2的超声强度下滴水损失率显著下降（P＜0.05）。超声强度对梨滴水损失率有显著影响（P＜0.05），而对苹果和哈密瓜的滴水损失率影响不显著（P＞0.05）。综合来看，因为苹果孔隙率低，其内部结构相对越致密，所以与直接浸渍冷冻处理相比，超声处理后苹果的汁液流失现象得到改善最明显。

图1 不同超声强度处理对3 种水果滴水损失率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic intensity on drip loss during thawing of three fruits

2.3 超声辅助冷冻对水果硬度的影响

图2 不同超声强度处理对3 种水果硬度的影响Fig.2 Effect of ultrasonic intensity on the hardness of three fruits

质构是衡量口感和品质的重要指标，通过测量解冻后样品的硬度评估超声辅助浸渍冷冻对不同孔隙水果品质的影响。如图2所示，超声辅助冷冻组苹果的硬度较直接浸渍冷冻处理组显著提高（P＜0.05）。与直接浸渍冷冻处理组相比，梨和哈密瓜在0.145 W/cm2超声强度下冷冻处理的硬度显著提高，在0.078 W/cm2超声强度下冷冻处理后无显著变化（P＞0.05）。从总体趋势来看，超声辅助浸渍冷冻能提高解冻后水果的硬度，保护水果的质地结构，可能是因为空化效应促进细小且均匀冰核的形成，减小了冻结过程中对组织细胞的机械损伤，从而保证了冷冻样品的品质。在冻结过程中水果片由于孔隙率不同，受超声波空化效应的影响程度不同，进而生成的冰晶大小不同，最终造成样品解冻后的硬度存在差异。其中，苹果因为孔隙率比梨和哈密瓜小，超声处理后硬度较未超声处理组均显著提高，可能因为孔隙率小、易冻结，能较好保护苹果的品质，使苹果组织中果胶和纤维素等物质变化很小，且两种强度超声下苹果块硬度变化不显著。

2.4 超声辅助冷冻对水果色泽的影响

表2 不同超声强度处理对3 种水果色泽的影响Table 2 Effect of ultrasonic intensity on the color of three fruits

如表2所示，同种水果在0.078 W/cm2超声强度处理后与直接浸渍冷冻相比，L*值增加，a*值减小，b*值增加，ΔE增加，说明色泽变亮，且偏绿、偏黄，且与标准比色板的色泽相比差别增大，与直接浸渍冷冻处理组相比色泽变亮，可能是因为超声波的机械效应，超声传播时对周围产生剪切力，破坏了容易引起褐变的酶结构，因此抑制了酶活性。但是在0.145 W/cm2超声强度处理后的物料与其他两组相比，L*值显著下降，a*值显著降低，说明色泽变暗，色彩偏黄，可能是超声强度大，形成空化云，阻碍了超声波的传播，但改变了酶与底物的分布状况，故导致达不到抑制过氧化物酶、多酚氧化酶及其他引起褐变酶活性的作用，还促进了酶与底物反应，因此色泽变暗[29-31]。适合的超声波强度有利于保护水果色泽，但超声波强度过高后，对不同孔隙率水果色泽的保护作用并未提高，反而下降。

2.5 超声辅助冷冻对水果组织中水分分布的影响

核磁共振技术测定水分分布的原理是通过固定磁距的原子核，在恒定磁场与交变磁场的作用下，与交变磁场发生能量交换[32]。横向弛豫时间（T2）表示水分的流动性。T2值越大，表明水分与组织结合越疏松，水分的流动性越大，反之T2值越小，表示水分与组织结合的越紧密，水分的流动性越小[33]。

图3 不同声强处理对3 种水果中水分横向弛豫时间T2的影响Fig.3 Effect of ultrasonic intensity on transverse relaxation time T2 of water protons in three fruits

如图3A～C所示，苹果、梨、哈密瓜中的水主要分为3 种：细胞壁水、细胞间和细胞质水、液泡水。冻结过程中，果块组织内部生成冰晶，对组织细胞造成机械损伤，导致液泡膜破裂，液泡水向外流失，形成水分迁移的现象。因此，冻融后3 种果块中水分分布均发生变化。其中，哈密瓜经超声辅助浸渍冷冻后与直接浸渍冷冻相比，水分分布变化最明显，这可能与哈密瓜的自身特性有关，因为哈密瓜与苹果和梨相比，其孔隙率较大，组织结构更疏松，在超声辅助浸渍冷冻处理后，细胞内生成晶核相对较大。解冻后内部水分与组织结合疏松，因此不同部位水分流动性也更明显。

2.6 超声辅助冷冻对水果中抗坏血酸含量的影响

抗坏血酸含量是衡量果蔬的营养指标之一，通过测定冻融后果块的抗坏血酸含量，可以判断直接浸渍冷冻和超声辅助浸渍冷冻处理对果块营养品质的影响。由图4可知，与鲜样相比，3 种水果在冷冻处理后抗坏血酸含量均显著下降（P＜0.05）。不同孔隙率的水果，经过相同处理后抗坏血酸含量有差异，但实验中因为受3 种水果自身特性影响，不能得出不同水果在相同超声处理后孔隙率与抗坏血酸含量的变化规律。直接浸渍冷冻与0.078 W/cm2超声强度处理相比，苹果、梨和哈密瓜抗坏血酸含量显著下降（P＜0.05）。以0.145 W/cm2超声强度处理较直接浸渍冷冻相比，苹果抗坏血酸含量无显著变化（P＞0.05），梨和哈密瓜中抗坏血酸含量显著下降（P＜0.05）。3 种水果在不同超声波强度浸渍冷冻处理下，0.145 W/cm2超声波强度处理后的样品抗坏血酸含量比0.078 W/cm2超声强度处理后的抗坏血酸含量高，这与余德洋等[34]的研究结果一致，可能是因为0.145 W/cm2超声强度能缩短冷冻时间，减小对细胞内部造成的机械损伤程度，缓解营养流失现象，对抗坏血含量有较好的保护作用。

图4 不同声强处理对3 种水果中抗坏血酸含量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic intensity on the contents of ascorbic acid in three fruits

2.7 相关性分析结果

表3 不同孔隙率物料冻融特性、品质与超声波强度的相关性分析Table 3 Correlation analysis between freezing-thawing and quality parameters and ultrasonic intensity

由表3可知，物料冷冻的相变时间、冻结总时间以及冻融后的滴水损失率与超声波强度均呈现负相关性。其中，3 种不同孔隙率水果块冻结总时间（除苹果）、相变时间与超声强度整体上均呈极显著相关（P＜0.01）。冻融处理后，苹果、哈密瓜滴水损失率与超声强度呈极显著负相关（P＜0.01），梨的滴水损失率与超声强度呈显著负相关（P＜0.05），而3 种水果中的抗坏血酸含量均与超声强度无显著相关性（P＞0.05）。结合以上分析发现，水果在超声辅助浸渍冷冻处理后的品质受超声波强度和物料自身孔隙率的影响，同时还可能与物料本身的组成成分有关。总地来说，采用超声辅助浸渍冷冻技术时，选用孔隙率小的物料，并适当提高超声强度，有助于得到高品质的冷冻样品。

3 结 论

超声辅助浸渍冷冻水果实验中，发现经过超声波（0.078、0.145 W/cm2）辅助处理可以显著缩短相变阶段的冷冻时间，且超声辅助浸渍冷冻处理后，3 种水果的滴水损失率降低，硬度增加，抗坏血酸含量虽然有所降低，但能较好地保留，其中0.078 W/cm2超声处理后较直接浸渍冷冻处理和0.145 W/cm2超声处理的两组色泽变亮。结合3 种水果冷冻指标与超声强度的相关性分析，并考虑到超声处理后的苹果与梨和哈密瓜比汁液流失较直接浸渍冷冻改善最明显，在合理超声强度条件下，孔隙率小的水果，冻后品质整体保留情况较好。综上所述，超声辅助浸渍冷冻可以提高冷冻速率，改善物料冻藏后的品质特性，并且更适用于孔隙率低的物料。