氯化钙对超高压处理的鲜切马铃薯硬度改善效果的研究

索慧敏 黄 欢 王 杰 牛潇潇 韩育梅

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

超高压技术(Ultra-high pressure，HPP)作为一种非热处理手段，可最大限度的保留食品的营养与感官品质，且其良好的灭菌效果保证了食品的微生物安全性，从而延长了食品的货架期[1]。大量研究表明HPP处理对鲜切果蔬具有良好的保鲜作用，可延长其货架期[2,3]，但韩文娥[4]报道，HPP处理同时会使鲜切果蔬的硬度存在显著下降，影响其品质。Castro等[5]研究发现在HPP(100～200 MPa)下将新鲜切片的黄色、红色和绿色甜椒加工10～20 min，发现黄色甜椒的硬度降低了20%。Blaker等[6]表明，经超高压处理的果蔬制品，体积在液体介质中被压缩，生物高分子立体结构在高压下受到破坏，引起氧键、离子键和疏水键等非共价键变化和蛋白质、淀粉等大分子变性，从而使果蔬细胞结构变形或破裂，影响果蔬质构。有研究表明Ca2+的添加可明显改善鲜切芒果细胞抗性，改善鲜切芒果质地的软化，增强其硬度。Ca2+可以被动地扩散到植物组织中，提高细胞壁的强度，减少脱水过程对细胞壁结构的损害，从而提高果蔬组织的硬度[7]。但关于氯化钙添加到鲜切马铃薯中对其质地的影响还鲜有报道。因此本实验通过添加氯化钙于超高压处理的鲜切马铃薯中，旨在探究氯化钙处理对鲜切马铃薯质地的改善作用，以期得到品质优良的鲜切产品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冀张12马铃薯，氯化钙(分析纯)。

HPP-600-5L型超高压设备(工作压力: 0～600 MPa，有效容积: 5 L，工作温度: 室温，工作介质:水)，TA-XT Plus质构仪，DZ-400-2D真空包装机，TAS-900原子吸收分光光度计。

1.2 方法

1.2.1 氯化钙结合超高压处理制备鲜切马铃薯工艺流程

取贮藏于8 ℃条件下的新鲜马铃薯，用流水清洗的方式将新鲜马铃薯表面的杂质清洗干净，去皮并进行二次清洗，切片(厚度0.5 cm)，之后用不同浓度、处理方式、处理时间的CaCl2溶液处理，同时以蒸馏水浸泡作为空白对照，浸泡条件参照CaCl2处理条件，操作完成后用干净纱布吸干表面细胞液，随机取5片装入PE袋，进行真空包装(0.09 atm,20 s)。超高压处理：将处理后的样品浸泡于超高压容器的传压介质水中，密闭，于室温下在100、300、500 MPa压力下处理，保压时间5、10、15 min,卸压时间3 s，取出后于4 ℃冰箱中贮藏待测。

1.2.2 钙处理方式对鲜切马铃薯Ca2+含量及硬度的影响

参考韩文娥[4]的研究，选择1.0%氯化钙溶液，浸泡时间10 min；超高压处理500 MPa，10 min对鲜切马铃薯进行处理。本实验钙处理方式选择普通浸泡和真空浸渍2种，同时以超高压处理(记作HPP)和未经超高压处理即蒸馏水浸泡处理(记作未经处理)的样品作为对照。

1.2.3 CaCl2溶液浓度及浸泡时间范围的确定

选择0.2%、0.6%、1.0%、1.4%、1.8%的CaCl2溶液，真空浸渍时间5、10、15、20 min结合超高压(500 MPa，10 min)处理鲜切马铃薯，以同等时间蒸馏水真空浸渍结合超高压处理作为对照组，同时将直接超高压处理记为HPP组便于全面分析。选择硬度作为评价指标。

1.2.4 不同影响因素对鲜切马铃薯硬度影响的响应面设计

运用Box-Behnken的中心组合实验设计原理，选择超高压处理压力A、超高压压力作用时间B、CaCl2溶液浓度C和氯化钙真空浸渍时间D为自变因素，马铃薯硬度为响应值进行四因素三水平的响应面分析实验。采用 Design-Expert 软件进行响应面实验设计和数据分析。响应面实验因素水平见表1，A、B的选择参考前期研究，C、D的选择由1.2.3结果确定。建立二次回归方程见式(1)，其中Y是预测响应,β0模型常数，β1、β2、β3、β4线性系数，β11、β22、β33、β44二次系数，β12、β13、β14、β23、β24、β34积系数。

Y=β0+β1A+β2B+β3C+β4D+β11A2+β22B2+β33C2+β44D2+β12AB+β13AC+β14AD+β23BC+β24BD+β34CD

(1)

表1 响应面实验因素水平和编码

1.2.5 Ca2+含量的测定

采用火焰原子吸收光谱法测定马铃薯中的Ca2+含量。测定参数为，波长：422.67 nm；工作电流：3.0 mA；光谱带宽：0.4 nm；燃气流量1 700 mL/min；燃烧器高度：6.0 mm。精确配制定量的钙标准溶液，通过逐级稀释的方法进行梯度稀释，标准曲线方程为y=0.019 3+0.013 3，R2=0.997 4。样品处理及消解：将处理后的马铃薯用超纯水清净后置于80 ℃烘箱中烘干，取出磨粉，过100目筛。精确称取马铃薯粉末 0.500 g于烧杯中，加入2 mL 硝酸，适当加热，使其完全溶解，然后加入4 mL硝酸和2 mL盐酸继续加热进行消解，直至瓶口白烟冒尽，溶液变为澄清、透明为止[8]。离心，过滤，将样品溶液转入100 mL 容量瓶，用 1%硝酸定容至刻度。

1.2.6 硬度的测定

质构指标硬度的测定：在马铃薯片的内髓部取1个点，外髓及维管束环处均匀取3个点，进行质构测定。4个位置上测得的数值取平均后为该片马铃薯的质构指标数值。每个处理下测定7片。测试模式：全质构模式(TPA)，探头：P36R，测试参数：测前速度 2.00 mm/s，测试速度 2.00 mm/s，测后速度2.00 mm/s，应变50%，2次间隔时间5 s，触发力为5 g。

1.3 数据处理

所有实验均重复3次，采用SPSS19.0软件对数据进行显著性分析，利用Origin2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 钙处理方式对鲜切马铃薯Ca2+含量及硬度的影响

由图1可知，超高压处理后2种浸泡方式下鲜切马铃薯的Ca2+含量及硬度相对于未经处理的样品均显著降低(P<0.05)，这可能是细胞壁多糖降解和多聚化学键的改变，引起细胞分离、软化、溶胀，细胞彭压改变，从而影响果实质地[9]。当1.0%氯化钙结合超高压处理之后，鲜切马铃薯钙离子含量与HPP及未处理的鲜切马铃薯相比均显著提高，且HPP结合氯化钙(1.0%)在真空浸渍的处理条件下鲜切马铃薯钙离子含量显著高于普通浸泡。当超高压辅助1.0%氯化钙处理后，马铃薯硬度指标有所回升，Ca2+的添加对鲜切马铃薯的硬度起到了明显的改善作用，这可能是Ca2+能够与组织细胞壁上的果胶酸相互作用而形成果胶酸钙，从而提高鲜切果蔬细胞组织的硬度，Ca2+含量与硬度可能存在一定的相关性，也可能是氯化钙作用于鲜切马铃薯，可使果蔬组织细胞中的Ca2+含量增加，同时超高压利于PME作用，促进果胶去甲酯化，Ca2+与去甲基化的果胶交联，提高了细胞刚性[10]。其中真空浸渍处理的鲜切马铃薯硬度和未经处理的鲜切马铃薯硬度相当，可能是真空浸渍由于负压产生的驱动力，促进溶剂中的Ca2+向马铃薯内部扩散[11]，并且HPP具有加速传质的功能，可结合添加微量元素来改善果蔬的结构，可保持至与未处理马铃薯硬度无显著差异(P>0.05)。说明真空浸渍结合1.0%的CaCl2可以有效改善HPP处理后鲜切马铃薯硬度下降这一问题。但普通浸泡的鲜切马铃薯，虽添加了1.0%的CaCl2，但硬度却和未处理的鲜切马铃薯具有显著性差异(P<0.05)，其硬度相较于未处理的鲜切马铃薯显著降低，与超高压处理的鲜切马铃薯的硬度无显著性差异(P>0.05)，说明普通浸泡虽添加了CaCl2但并未对超高压处理的鲜切马铃薯造成的质地损失起到良好的改善作用，由此可以看出不同的浸泡方式对鲜切马铃薯的Ca2+含量及硬度具有不同的影响。

注：图中不同字母小写、大写字母分别表示硬度、钙离子含量存在显著差异(P>0.05)。图1 鲜切马铃薯在真空浸渍和普通浸泡下 Ca2+含量及硬度的比较与变化

CaCl2溶液真空浸渍结合HPP处理鲜切马铃薯可以明显改善单一HPP处理后产生的质地软化、Ca2+损失，效果优于普通浸泡处理，对马铃薯感官起到了良好的保持，因此后续实验中选择钙盐处理方式为真空浸渍处理。为探究不同的处理方式对鲜切马铃薯质地的影响程度，此实验CaCl2浓度的选择仅参照了韩文娥[4]的研究(1.0%CaCl2)，但可能不同浓度的CaCl2作用于鲜切马铃薯，对其Ca2+含量及硬度的影响也是不同的，因此选择合适的Ca2+浓度对超高压作用于鲜切马铃薯造成的质地损失进行改善是至关重要的。

2.2 CaCl2溶液浓度及浸泡时间对鲜切马铃薯硬度的影响

不同浓度CaCl2及真空浸渍时间结合超高压处理下鲜切马铃薯硬度变化如图2所示，500 MPa，10 min超高压处理鲜切马铃薯后其硬度为2 910.41 g，略高于对照(蒸馏水+HPP)处理，这是因为对照处理中鲜切马铃薯在水中浸泡了一定时间，由于其切面的细胞受损以及渗透压作用导致部分细胞物质溶出，造成硬度损失。相比对照以及HPP处理，在真空浸渍时间5～15 min内，不同浓度CaCl2结合HPP处理后的马铃薯硬度有所提高，其中CaCl2浓度为0.6%～1.4%，马铃薯硬度回复及保持效果相对较好。说明适宜的CaCl2浓度对鲜切马铃薯质地具有良好的改善作用，CaCl2浓度过高过低均不利于马铃薯硬度的回复，而且依据韩文娥[4]的研究，过大的浓度会对鲜切马铃薯的风味也造成一定的影响，使鲜切马铃薯出现苦涩味道。同时当真空浸渍时间为20 min时，经钙盐结合HPP处理后的马铃薯硬度均低于只经HPP 处理后马铃薯硬度。这说明钙盐结合HPP处理中真空浸渍时间过长不利于改善HPP处理后鲜切马铃薯质地软化的问题，甚至会促进其软化，导致鲜切马铃薯质地下降。有研究表明，Ca2+在果胶降解中存在双重作用，Ca2+通过与果胶多糖交联，从而使一部分可溶性果胶转化成螯合性果胶，降低其解聚，另一方面，Ca2+浓度过高或浸渍时间过长会促进β-消除反应的发生，导致质地下降[12]，因此在添加CaCl2时要选择适宜的浓度及浸渍时间。

图2 不同浓度CaCl2及真空浸渍时间结合 超高压处理对鲜切马铃薯硬度的影响

2.3 响应面实验结果与分析

2.3.1 响应面实验结果

按实验设计，得到CaCl2结合超高压处理的鲜切马铃薯硬度的响应面实验设计结果，具体实验方案及结果见表2。

表2 响应面实验设计方案及结果

2.3.2 响应面实验结果方差分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对实验结果进行二元回归拟合，模拟出鲜切马铃薯的硬度Y1、Ca2+含量Y2对HPP压力(A)、压力作用时间(B)、CaCl2溶液浓度(C)和真空浸渍时间(D)的二次多项式回归方程为：

Y1鲜切马铃薯硬度=3 258.24+65.68A-8.94B+79.10C+44.32D-125.00AB-11.22AC-6.87AD-160.06BC-9.40BD-62.46CD-161.85A2-182.77B2-138.47C2-153.06D2

Y2鲜切马铃薯Ca2+含量=3 041.1+392.79A+197.41B+130.80C-231.70D-468.12AB-120.42AC-386.07AD+58.40BC+252.70BD+409.18CD-638.12A2-77.90B2-339.81C2-595.66D2

表3 硬度响应面拟合回归方程的方差分析结果

由表4方差分析结果可知，本实验中模型(P<0.000 1)极显著，失拟项(P=0.113 7>0.05)不显著，表明二次多项式回归模型对响应值Y2影响显著。复相关系数R2=0. 951 1，修正相关系数RAdj2=0. 902 1，说明回归模型和实验吻合程度较高，可以模拟90.21%的响应值变化，能够预测鲜切马铃薯Ca2+含量的实际情况。综上可得，该模型较准确的模拟了HPP压力、压力作用时间、CaCl2溶液浓度和真空浸渍时间四个因素对鲜切马铃薯Ca2+含量的影响。拟合方程的一次项(A)、二次项(A2、D2)对响应值影响极显著(P<0.01)，一次项(B、C、D)、交互项(AB、AD、BD、CD)、二次项(C2)对响应值影响显著(P<0.05)，表示这些因素对鲜切马铃薯钙离子含量影响较大，各因素对鲜切马铃薯Ca2+含量影响的大小排序依次为A(HPP压力)>D(真空浸渍时间)>B(压力作用时间)>C(CaCl2溶液浓度)。

表4 Ca2+含量响应面拟合回归方程的方差分析结果

依据二次多项式回归模型对影响因素进行优化分析计算，得到鲜切马铃薯保脆最优工艺条件：CaCl2处理(1.0%，10 min)结合HPP(300 MPa，10 min)在此条件下模型预测鲜切马铃薯的硬度最大，为3 284.83 g，Ca2+质量分数最高，为3 157.82 μg/g。为检验该实验优化条件的可靠性，采用计算出的最优条件进行验证性实验，做3组平行实验，得到硬度平均值为(3 283.61±1.47) g，Ca2+质量分数平均值为(3 162.72±3.32) μg/g。为与模型计算出的预测值误差很小。因此，利用二次多项式回归拟合鲜切马铃薯保脆条件准确可靠，能较好预测各因素对硬度及Ca2+含量的影响[13]。

3 结论

适宜的氯化钙浓度及时间对鲜切马铃薯硬度具有良好的改善作用。HPP处理使鲜切马铃薯Ca2+含量及硬度降低。HPP结合CaCl2处理会提高鲜切马铃薯Ca2+含量及硬度，真空浸渍效果优于普通浸泡。响应面实验优化结果表明HPP压力、压力作用时间、CaCl2浓度及真空浸渍时间交互影响，且CaCl2浓度影响最大，在1.0%CaCl2，真空浸渍10 min结合HPP压力300 MPa、压力作用时间10 min的处理条件下，马铃薯的硬度值最大，为3 284.83 g，与未处理的鲜切马铃薯硬度相当。Ca2+质量分数最高，为3 157.82 μg/g，显著高于未处理组钙离子含量。