渗透液特性对渗透脱水黄桃质构品质的影响

王凤昭，吕 健，毕金峰,*，谢 晋

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品加工重点实验室，北京 100193；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

渗透脱水是广泛应用于果蔬加工的有效预处理方式之一，在生产中多与果蔬干燥、冷冻、杀菌、贮藏等组合使用[1]，既能够保持果蔬加工后的产品品质，也能够降低加工能耗。具体来说，渗透脱水是指在一定温度下，将果蔬原料浸入高渗透压的溶液中（糖液或盐溶液），由于生物组织细胞膜的半透性，水分从细胞组织中渗出转移到溶液中；伴随原料水分的渗出，高渗透压溶液中的溶质也会或多或少渗入到原料组织中，同时，原料组织中的部分可溶性物质，如还原糖、有机酸、矿物质、色素等，也会少量渗出至渗透液中[2-3]。与水分和渗透液溶质的交换量相比，原料组织中渗出物质的数量并不显著，但对产品的感官特性和渗透介质的组成却有重要影响[4]。影响渗透脱水的因素有预处理/渗透方式、渗透溶质的种类、渗透溶液的浓度、渗透脱水时间以及原料特性等[5-6]。真空预处理主要是利用真空与常压循环操作，使物料的微观孔道不断被挤压与扩张[7]，从而加速渗透脱水的传质速率。徐鑫等[8]利用响应面法探讨了渗透温度、蔗糖浓度、渗透时间之间的相互作用对樱桃番茄渗透脱水效率的影响，结果发现真空处理时间过长会导致原料组织内部结构破坏，内容物大量流出；原料和渗透液之间较大的浓度差有利于物质交换（传质）的进行，随着渗透脱水时间的延长，传质进程放缓。超声波技术通过空穴效应产生的机械剪切作用力有利于果蔬微通道的改变，能够促进水分快速移除。宋悦等[9]对比分析了超声波辅助不同糖液（低聚异麦芽糖、麦芽糖醇）处理对干燥黄桃脆片品质的影响，发现超声波能够显著增大桃脆片的孔隙度，且黄桃果肉细胞呈现一定的破裂现象，有利于水分扩散和溶质渗入。Lü Jian等[10]认为，随着渗透液中蔗糖质量浓度的增加（0～500 g/L），桃果肉细胞原有的均一结构被破坏，同时由于蔗糖分子的渗入，水分的渗出，造成细胞间隙缩小，桃片发生皱缩。固形物获得量和水分散失量多用于从原料角度出发解析其渗透脱水特性。Singh等[11]分析了渗透温度、渗透时间、渗透液浓度对胡萝卜渗透特性的影响，结果表明渗透脱水过程中水分散失量呈非线性增加，渗透初期传质现象更为明显；随着渗透温度的升高和渗透时间的延长，固形物获得量和水分散失量均呈现显著增加的趋势，并随着渗透时间的延长出现相对平衡状态。综合上述研究分析发现，渗透脱水是果蔬加工广泛应用的一种预处理方式，且更多的研究是从原料特性改变的角度出发来解析渗透脱水对原料及其产品品质的影响。而渗透液作为渗透脱水的重要组成元素，其特性（如渗透压）在渗透脱水过程中的变化及其变化行为是如何影响原料品质的相关研究却很少。基于此，本实验以‘金童8号’黄桃为原料，经超声预处理或真空预处理后，分别浸渍于蔗糖、低聚异麦芽糖、果糖和葡萄糖渗透液（30 °Brix）中，追踪分析渗透脱水过程中，渗透液特性变化及黄桃质构改变，进一步明确二者之间的相关性，从而探究渗透液特性对渗透脱水黄桃质构品质的影响机制。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘金童8号’黄桃（Amygdalus persica）采自北京平谷地区（2019年9月13日），选取颜色、大小相近，成熟度等基本一致，无明显病虫害和机械损伤的果实，当天运回实验室贮藏于4 ℃冷库备用。实验开始前，将黄桃置于室温下3 h，保证原料初始温度相同。

蔗糖、葡萄糖（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司；果糖、低聚异麦芽糖（均为分析纯） 上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FA-200切片机 广东省南海市德丰电热设备厂；WZB45数显折光仪 上海精密科学仪器有限公司；AUW220型电子天平 日本岛津公司；TA.XT 2i/50物性分析仪 英国Stable Micro Systems公司；SB 25-12DTN超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司；ZWH-KFY-BT4I/HG闭环除湿热泵干燥机 东莞正旭新能源设备科技有限公司；VO200型真空干燥机 德国Memmert公司；OSMOMAT 3000型渗透压仪 德国Gonotec GmbH公司；雷磁PHS-3C pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；2100N浊度仪 美国HACH公司。

1.3 方法

1.3.1 黄桃预处理

将黄桃切成10 mm厚、形状一致的扇形，分别进行以下两种预处理：1）将黄桃片置于超声波发生器中处理15 min，其他参数设定为温度25 ℃、功率200 W、频率40 kHz；2）将黄桃片置于真空干燥箱中（25 ℃），以压力由大气压降到5×10-3MPa再立即恢复至大气压为一个循环，重复3 个循环。以不做任何前处理的黄桃片为对照组。

1.3.2 黄桃渗透脱水处理

将经过不同预处理的桃片常压条件下分别浸入糖度为30 °Brix（用数显折光仪校准）的蔗糖、低聚异麦芽糖、果糖和葡萄糖溶液中，设定温度为25 ℃，料液比1∶5。分别在渗透脱水0.5、1、2、3、4 h和5 h时对黄桃片和渗透液取样。

1.3.3 渗透液理化品质测定

渗透液的可溶性固形物（total solid soluble，TSS）含量用数显折光仪测定，单位为°Brix；利用渗透压仪经校准后测定渗透液的渗透压；pH值和浊度分别采用校正好的pH计和浊度仪测定；每个样品测定3 个平行。

1.3.4 黄桃质构品质测定

采用TA.XT2i/50物性分析仪测定黄桃质构品质。探头型号为P6，测定条件为前期测试速率为1 mm/s，检测速率为1 mm/s，检测后速率为1 mm/s，触发力为5 g，压缩距离为样品高度的50%，每个样品测定10 个平行。

1.4 数据处理与分析

数据采用平均值±标准差表示。用SPSS 21.0软件进行数据统计和方差分析（以P＜0.05表示差异显著）以及相关性分析（Pearson法），用OriginPro 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 预处理方式对渗透液可溶性固形物含量的影响

黄桃经不同方式处理后，渗透液的TSS含量变化如图1所示。随着渗透时间的延长，渗透液中TSS含量呈现降低趋势。当渗透脱水至2～3 h时，TSS含量下降幅度减缓，扩散速率趋于平衡；渗透后期（4～5 h），TSS含量继续缓慢降低。渗透初期，黄桃组织细胞内部液相和外部渗透液之间呈现出水化学势的差异会促进水和溶质快速地相互扩散[12]；渗透后期，细胞内外渗透压力差降低，驱动力减小，因此TSS降低缓慢。

图1 预处理方式对渗透液TSS含量的影响Fig.1 Effects of different pretreatments on the TSS content of osmotic solutions

相比较对照组，超声波和真空预处理能够有效改变黄桃果肉细胞膜的通透性，一方面更有利于渗透液中的溶质渗入黄桃肉组织；另一方面促使黄桃果肉中的水分扩散进渗透液中，进而导致渗透液中TSS含量下降。值得关注的是，渗透液TSS含量降低幅度最大组均为真空预处理组。其中，葡萄糖组黄桃经5 h真空处理后，渗透液TSS含量最低（（28.2±0.1）°Brix），其次为果糖组黄桃经5 h真空处理，渗透液TSS含量为（28.4±0.1）°Brix。可能是因为超声的空化作用破坏了黄桃组织，同时使其微观结构中产生更多的微通道，减少了扩散边界层，利于果肉与渗透液间的传质[13]。真空环境下，黄桃组织细胞间隙气体因压力差而被大量排出，当真空环境解除后，有利于渗透液溶质填充原有的细胞间隙[14]，表现为渗透液TSS含量下降。相比较蔗糖、果糖、葡萄糖，低聚异麦芽糖的黏度较高，渗透性较弱，溶质分子不易进入黄桃组织内，因此低聚异麦芽糖组黄桃经不同处理均表现出最低的TSS降低量。

2.2 预处理方式对渗透液渗透压的影响

细胞内外渗透压的差异是渗透脱水传质过程的主要驱动力[15-16]。如图2所示，随着渗透脱水过程的进行，渗透溶液的渗透压呈现出明显降低趋势，且渗透初期下降速率较快，1 h后渗透压下降缓慢。渗透初期，渗透液的高渗透压诱导黄桃果肉细胞中的水分子快速渗出，渗透液被稀释，渗透压降低；随着渗透中传质过程的进行，渗透液中溶质成分发生改变，物质交换趋于平衡[17]，渗透压缓慢下降。

图2 预处理方式对渗透液渗透压的影响Fig.2 Effects of different pretreatments on the osmotic pressure of osmotic solutions

与对照组相比，真空和超声预处理均能加快渗透压的降低，可能是因为细胞结构在超声或真空预处理的过程中被破坏，细胞膜通透性增加，传质速率提升[18-19]；其中渗透压降低幅度最大组均出现于真空预处理组，可能是由于3 次真空处理对组织细胞的破坏力大于超声处理。葡萄糖组黄桃经真空处理5 h后，渗透液渗透压降低幅度最大（降低237 mOsm/L）；其次为果糖组，渗透液渗透压降低了271 mOsm/L；低聚异麦芽糖组表现出最小的渗透压降低量，为169 mOsm/L。相同糖度的渗透液中，溶质的分子质量越小，粒子数越多，渗透压越大[20]，低聚异麦芽糖作为一种聚合糖，分子质量大，配制为渗透液后其中粒子数较少，渗透压较低且渗透性较差，这与渗透脱水过程中低聚异麦芽糖溶液TSS减少量低的结果相印证。

2.3 预处理方式对渗透液pH值的影响

渗透脱水过程中渗透液的pH值变化情况如表1所示。随着渗透脱水时间的延长，各渗透液组pH值总体呈现先降低后趋于稳定的趋势。渗透前0.5 h，pH值迅速下降；而后期pH值趋于稳定，且pH值与新鲜黄桃果肉pH值（4.30±0.32）接近。渗透初始阶段，黄桃果肉组织内的部分有机酸成分溶出，渗透液pH值下降显著；黄桃果肉中的主要有机酸成分为奎宁酸、苹果酸、柠檬酸等弱酸[21]，并不能显著影响渗透脱水后期渗透液pH值的改变，这与Fernández等[22]的研究结果一致。综上可知，渗透脱水过程并不能显著改变渗透液最终pH值。

表1 渗透脱水过程中渗透液pH值的变化Table 1 Changes in pH of osmotic solutions during osmotic dehydration

2.4 预处理方式对渗透液浊度的影响

渗透脱水过程中渗透液浊度的变化如图3所示。随着渗透脱水时间的延长，渗透液的浊度呈现非线性升高的趋势，且渗透初始阶段（0～0.5 h），渗透液浊度变化较为明显，0.5 h后渗透液浊度缓慢增加，渗透液与样品之间的物质交换处于相对平衡状态。渗透初始阶段，黄桃果肉与渗透液之间的高渗透压力差促使二者之间存在较高的传质效率，果肉中的酸、VC和矿物质等内容物流入渗透液中[23]，使渗透液浊度迅速增加。

图3 预处理方式对渗透液浊度的影响Fig.3 Effects of different pretreatments on the turbidity of osmotic solutions

黄桃经不同方式预处理后，浊度变化存在明显差异。相比较对照组，超声和真空预处理组渗透液浊度增加更为明显，其中真空处理组的最为明显。蔗糖组黄桃经真空处理5 h后浊度变化最大（1.24～9.90 NTU），其次为低聚麦芽糖组（1.48～9.78 NTU），果糖组渗透液浊度变化幅度最小，仅增加了2.18 NTU。超声和真空预处理能够破坏黄桃果肉细胞间的黏结性，并诱使部分细胞壁物质降解，细胞间隙增加、细胞膜通透性增强[24-26]，更利于果肉内溶物进入渗透液，使其浊度增加。

2.5 不同预处理对黄桃质构品质的影响

由表2可知，随着渗透脱水时间的延长，黄桃硬度和咀嚼性呈现显著降低趋势，并在后期趋于稳定状态。渗透脱水过程中黄桃果肉回复性、凝聚性和弹性总体未出现显著性变化。渗透初期，渗透液与黄桃组织内渗透压力差较大，溶质扩散快，但是水分子较糖分子小，流动速率更快，所以初始阶段黄桃组织内水分损失量大于固形物获得量，进而使硬度和咀嚼性快速下降。随着固形物获得量逐渐增加，为细胞组织提供了支撑力[27]，所以渗透脱水后期硬度和咀嚼性下降逐渐缓慢，并趋于稳定状态。

表2 渗透脱水过程中黄桃质构的变化Table 2 Changes in the texture of yellow peach slices during osmotic dehydration

黄桃经过不同处理后，质构品质变化存在显著差异。与对照组相比，蔗糖组黄桃经超声处理后，果肉硬度、回复性和凝聚性总体升高，弹性和咀嚼性总体下降，可能是因为超声处理形成的微通道有利于糖液的渗入，更好地支撑了细胞结构[28-29]；经真空处理后，黄桃片硬度、咀嚼性和弹性显著下降，可能是真空预处理过程中压力的短时变化诱使黄桃果肉细胞发生破裂甚至组织结构坍塌，导致其弹性和硬度下降[30]，且失去耐咀嚼性。与对照组相比，低聚异麦芽糖组黄桃片经超声处理后，硬度和回复性总体显著升高，凝聚性总体显著下降；经真空处理，黄桃片硬度、回复性和咀嚼性总体显著升高，凝聚性总体显著下降，弹性与对照组无显著差别。与对照组相比，果糖处理组经超声处理后黄桃片硬度和咀嚼性总体显著降低，弹性和回复性总体显著升高；经真空处理，黄桃片回复性、凝聚性和咀嚼性总体显著升高，弹性与对照组无显著差别。葡萄糖组黄桃片经超声和真空处理后均表现出硬度显著下降，回复性、凝聚性、弹性和咀嚼性并无显著性变化。原因可能是渗透液自身的性质差异使其渗入黄桃组织后存在的状态以及对细胞的支撑作用不同，表明渗透液特性对果肉组织存在显著性影响。

2.6 黄桃质构品质与渗透液特性间的相关性分析结果

对照组黄桃质构品质与渗透液特性间相关性分析结果如图4所示。渗透脱水过程黄桃果肉的硬度、弹性、咀嚼性与渗透液的渗透压、pH值和TSS含量呈极显著正相关，与浊度呈极显著负相关；回复性与渗透液的pH值和TSS含量呈显著正相关，与浊度呈显著负相关。不同预处理方式（超声预处理和真空预处理）是诱导黄桃果肉细胞通透性及结构改变的重要因素；渗透脱水过程中，不同渗透液与黄桃细胞组织间形成的高渗透压力差是促进渗透液溶质与细胞内容物间传质的主要驱动力[31]，一方面使渗透液特性发生显著变化；另一方面使黄桃质构品质发生明显改变。

图4 渗透液特性与黄桃片质构品质间的相关性Fig.4 Correlation analysis between the texture of yellow peach slices and characteristics of osmotic solutions

3 结 论

实验结果表明，渗透初期渗透液pH值、TSS含量、渗透压均呈现快速降低趋势，随着渗透脱水时间的延长，上述指标下降趋势趋于平缓；而渗透液浊度在渗透初期呈现快速升高趋势，渗透后期升高缓慢。黄桃果肉质构品质分析结果表明，随着渗透脱水时间的延长，黄桃片质构评价指标呈现明显下降趋势，其中硬度和咀嚼性下降最为显著。相关性分析结果表明，渗透液特性与黄桃片质构品质呈现出显著相关性，可以推断渗透液特性是影响黄桃片质构品质的重要因素。此外，黄桃片经超声波预处理和真空预处理，其质构特性和渗透液特性相比较对照组变化均更显著。因此可以通过调控预处理方式和作用强度以及渗透液的浓度、溶质种类等实现渗透脱水黄桃片质构品质的改善。