胡萝卜脆片冻干过程中水分、微观结构及品质变化

朱洪梅，王禹心，刘喻心，张倩，孙江丽

（山西师范大学 食品科学学院，山西 太原 030031）

胡萝卜是伞形科胡萝卜属的二年生草本植物[1-2]，有食物“皇后”和“小人参”之称[3]，在全国各地广泛栽培且全年供应，是我国的主要蔬菜之一。胡萝卜营养丰富，主要含有胡萝卜素、糖、蛋白质、脂肪、钙、铁、磷及各种维生素等成分，有消食、除胀、下气定喘、防止血管硬化、促进儿童生长、增强免疫功能、益肝明目、通便等功效[4-5]。近年来，因真空冷冻干燥技术能最大限度地保持食品营养成分和风味，且符合现代人们对非膨化、非油炸、高纤维、低脂肪等食品的追求[6]，已经成为果蔬加工领域中一项高新的技术。真空冷冻干燥后的果蔬脆片能最大限度地保存其色、香、味，对蛋白质、维生素C等的保存效果较好，所获得的产品营养价值不变，脱水彻底，干制品质量轻、体积小、运输方便[7-9]，且口感酥脆，符合国内零食市场发展趋势。

为研究胡萝卜片内部水分变化，应用低场核磁共振的横向弛豫时间（T2）反演谱分析胡萝卜切片在干燥过程中内部水分的变化[10-13]。显微结构观察是一种简单快捷测量技术，从微观角度解释干燥样品脱水过程的结构变化规律。质构作为果蔬品质的关键指标之一，应用质构仪可以客观准确反映果蔬硬度与果蔬脱水程度相关性[14-15]。本研究利用真空冷冻技术加工胡萝卜脆片，从水分、微观结构及品质变化等方面着手，为提高胡萝卜片干制品的质量提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

胡萝卜：市售，挑取没有损伤、没有病害、大小及粗细均匀、外表光滑的胡萝卜清洗表皮后，截取直径相当、组织结构相似的胡萝卜段，切成厚度为3 mm的薄片，及时用保鲜膜封存防止水分流失。

1.2 仪器与设备

752N紫外可见分光光度计：上海元析仪器有限公司；NH310高品质电脑色差仪：深圳市三恩驰科技有限公司；NMI20-025V-I核磁共振成像分析仪：上海纽迈电子科技有限公司；TA.XT plus物性测试仪：北京微讯超技仪器技术有限公司；莱卡EZ4D体视显微镜：北京中显恒业仪器仪表有限公司；SCIENTZ-10N真空冷冻干燥机：宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

新鲜胡萝卜→挑选→清洗→切片→预冻→冷冻干燥→胡萝卜片→品质测定

1.3.2 胡萝卜脆片的冷冻干燥处理

将新鲜胡萝卜切为厚度3 mm的胡萝卜片放入冰箱冷冻层-18℃预冻。冷肼温度为-30℃以下，将预冻胡萝卜片放入真空冷冻干燥机中，保证胡萝卜无堆叠。依次开启真空泵，每隔 2 h 取样，0、2、4、6、8、10、12 h 分别取出30片胡萝卜片密封并放入冰箱冻藏。每次计时以真空降至50 Pa为标准。

1.3.3 胡萝卜脆片干燥过程中水分的变化

用核磁共振成像分析仪分析软件中的自由感应衰减（free induction decay，FID）进行水分测定，再使用CPMG脉冲序列测样品中的横向弛豫时间T2，将胡萝卜片放于永磁场的射频线圈的中心进行横向弛豫时间T2采集。核磁共振软件采集自旋回波串峰值并自动生成pea文件保存[13-14]。将该文件导入核磁共振T2反演软件进行反演，得到T2反演谱[15]。

序列参数设置：主频SF1=21 MHz，偏移频率O1=749 972.47 kHz，90°脉冲时间 P90=11 μs，180°脉冲时间P180=21.52 μs，采样点数 TD=1 000 090，重复时间 TR=5 000 ms，累加次数 NS=2，回波时间 TE=1.0 ms，回波数NECH=5 000。冷冻干燥条件下每隔2 h测1次。

1.3.4 胡萝卜脆片干燥过程中显微结构的变化

将不同冷冻干燥时间的样品沿横断面切成小薄片，放在样品台上，使用连续变倍体视显微镜，观察其内部水分移动的情况和微孔结构。

1.3.5 胡萝卜脆片干燥过程中质构的变化

利用物性测试仪中的穿刺力来检测不同冻干时间的胡萝卜脆片硬度。采用位移为1.0 mm，触发力为5.0 g P/2探头。在穿刺测试中，每片胡萝卜样品芯部和外部各取3个测试点，取穿刺曲线最大值作为每个测试点的穿刺力值（gf），并取3个测试点的平均值作为每片样品的穿刺力值；每组至少取4片样品进行测试。

1.3.6 胡萝卜脆片干燥过程中体积的变化

利用谷糠法测量胡萝卜脆片的体积。分别取冻干时间为 0、2、4、6、8、10、12 h 的两片胡萝卜脆片，竖直放入试管中，然后加入谷糠直至装满10 mL试管。取出胡萝卜片，测量米糠体积，测定添加样品前后高度差。根据公式计算得到体积差即为胡萝卜片体积。

式中：V为体积，cm3；r为试管半径，cm；h为高度，cm；π取3.14。

1.3.7 胡萝卜脆片干燥过程中复水比的变化

各干燥时间梯度每次取3片冻干样品，将胡萝卜片浸泡到温度为40℃的恒温蒸馏水中进行复水比试验。恒温水浴30 min，用滤纸拭干表面水分后分别称重，取平均值计算每组单个样品的复水比。计算公式如下，每组试验重复至少3次。

式中：R为胡萝卜片的复水比；M1为胡萝卜片复水前质量，g；M2为胡萝卜片复水后质量，g。

1.3.8 胡萝卜脆片干燥过程中色差值的变化

利用全自动色差仪分别测试不同干燥时间样品的L*值、b*值以及a*值。其中L*值表示物质的亮度；b*值表示有色物质的黄蓝偏向，正值越大黄色越明显；a*值表示红绿偏向，正值越大红色越明显[16]。

1.3.9 胡萝卜脆片干燥过程中胡萝卜素含量的变化

取不同干燥时间梯度0.1 g冻干胡萝卜样品，研磨后，用石油醚浸提50 min，计算各组样品中胡萝卜素含量公式如下。

式中：E为浸提液在451 nm处的吸光值；E1为胡萝卜素451 nm处平均吸收系数2 500；V为石油醚浸提液定容体积，mL；W为被浸提的样品质量，g。

1.4 数据处理与分析

每组试验重复3次，计算出3组数据的平均值，SPSS26软件对数据进行显著性分析（P＜0.05）；运用Origin2018、GraphPad Prism5.0进行作图以及数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同冷冻干燥时间胡萝卜脆片水分含量的变化

真空冷冻干燥的胡萝卜脆片有3种形态的水分，它们与物料结合的紧密程度不同，横向驰豫时间T2越短，说明水分的自由度越小且与物料结合越紧密，在干燥过程中越难被脱除，反之则越容易[17]。结合水的横向驰豫时间最短，半结合水次之，自由水最长。根据T2把水分分为结合水T21（0.1 ms～0.5 ms），半结合水T22（0.5 ms～40 ms）和自由水T23（40 ms～1 000 ms），且分别由T2反演谱曲线上的3个～5个波峰表示，根据不同弛豫时间信号幅值变化来反映样品真空冷冻干燥过程中水分变化的情况[18-19]。T2反演谱的不同波峰代表水分的状态，波峰所覆盖范围信号幅值的总值代表该状态水分的相对含量[8]。

不同干燥时间胡萝卜脆片水分含量的变化见图1，胡萝卜脆片不同形态水分总峰面积见表1。

图1 胡萝卜脆片横向驰豫时间T2反演谱Fig.1 Inversion spectrums of transverse relaxation time of carrot chips

表1 胡萝卜脆片不同形态水分总峰面积Table 1 Total moisture peak area of carrot chips

由表1和图1可知，在整个干燥过程中，3种水分均有变化，且胡萝卜片在0～2 h内，图谱波动幅度最大，水分变化最大，水分总峰面积在此期间减少最大，自由水大幅度减少，结合水变化明显，说明干燥时间在2 h内，升华的主要是自由水。干燥时间在2 h～8 h内，随着干燥时间的推移，T23峰明显减小，自由水和结合水则不停波动。8 h～12 h时，自由水变化不明显，主要减少的是结合水和自由水。

2.2 不同冷冻干燥时间条件下胡萝卜脆片低场核磁共振分析水分移动情况

由低场核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）成像得到的伪彩图可以清晰直观地看到真空冷冻干燥胡萝卜片内部水分变化的情况，在胡萝卜脆片脱水过程中，不同颜色表示各区域相对含水量高低，图像清晰度表现为含水量的多少，图像亮度表现为氢质子活跃度。不同冷冻干燥时间的胡萝卜脆片水分移动情况直观见图2。

图2 真空冷冻干燥过程中胡萝卜脆片MRI图Fig.2 MRI images of carrot chips during vacuum freeze drying

由图2可知，胡萝卜脆片各个区域中水分信号强弱显著不同，与0 h相比，干燥2 h的胡萝卜片体积明显减小，这是由于水分升华导致。2 h内胡萝卜片周边水分蒸发较多，中心部位水分升华少且有部分周边水分迁移至胡萝卜片中央部分，内部水分含量明显提高。4 h时，胡萝卜片轮廓开始模糊，说明表皮水分先脱除。6 h时，胡萝卜片图像绿色减弱明显，胡萝卜片轮廓越来越不清晰。图片的背景蓝色与0 h相比亮度变低，图像亮度表现为氢质子活跃度，说明胡萝卜片总体水分升华较多，胡萝卜片中心部位仍是整个胡萝卜片水分含量较高的部位，说明水分干燥过程不仅涉及水分存在形式变化，而且还有水分迁移过程，这可能与胡萝卜结构有关。胡萝卜韧皮部较薄，水分易脱除。胡萝卜片中央部分组织结构较为致密，组织含有大量纤维素，纤维素与水分的结合较为紧密，半结合水含量在该时间段达到最多。8 h时，伪彩图胡萝卜片轮廓形状全部消失，中央绿色面积越来越小。各部位水分含量均有下降，此时自由水大量减少，结合水含量基本降至最低，半结合水开始被脱除。干燥至10 h时，水分进一步减少，整个图片的清晰度大幅降低且亮度也急剧变差，图片亮度越差的区域说明氢质子的活跃度越低，图像亮度低但是此时可以大致分辨出胡萝卜片的位置及形状，随着干燥的进行，半结合水量进一步被脱除。12 h时，胡萝卜片形状位置消失，消失部分与图片混为一体，无法辨别，水分完全脱除。

2.3 不同冷冻干燥时间下胡萝卜脆片微观结构分析

胡萝卜脆片冷冻干燥过程中，水分的脱除改变了胡萝卜内部结构，随冻干时间延长胡萝卜脆片的微观结构变化见图3。

图3 真空冷冻干燥过程中胡萝卜脆片微观结构图Fig.3 Microstructure images of carrot chip chips during vacuum freeze drying

如图3所示，干燥0h时，新鲜的胡萝卜片表面完整且光滑水润。在干燥2h后，因水分流失，胡萝卜切片整体体积减小，表皮出现干皱现象，说明表皮水分先脱除，但中心仍呈现水润状态，可能是因为此时胡萝卜片周边水分蒸发较多，中心部位水分升华少且有水分内迁的情况，内部水分含量明显提高，这与伪彩图得出的结果一致。4 h时，胡萝卜片轮廓开始模糊，这与胡萝卜结构有关，胡萝卜韧皮部较薄，水分易脱除。干燥6h时，胡萝卜片体积减小，因水分挥发时动力不能带动干物质移动，水分升华后干物质出现疏松多孔的结构且逐渐增加。12 h时可以明显看到出现了较大的孔隙，大范围组织已经被干燥完毕并布满许多大小不均一的孔径，但除了体积减小外，其轮廓几乎没有发生改变，因为冷冻干燥是利用冰晶升华的原理，在高度真空的环境下，将已冻结了的胡萝卜片的水分不经过冰的融化直接从冰固体升华为气体，水分是在固态下转化为气态的[8]。

2.4 不同冷冻干燥时间对胡萝卜脆片硬度的影响

果蔬干制品制作过程中，水分的大量脱除对果蔬的硬度有较大影响，胡萝卜脆片在不同冷冻干燥时间下硬度的变化如下图4。

图4 不同干燥时间对胡萝卜脆片硬度的影响Fig.4 Effects of different drying time on the hardness of carrot chips

如图4所示，硬度随干燥时间的延长逐渐下降，因为在真空冷冻干燥下，组织中的水被均匀冻结成固态的冰，真空条件下直接升华，组织中会形成多孔状结构，且不会因水分迁移产生硬膜，胡萝卜片的硬度减小。0～2 h内，硬度随干燥时间的延长显著下降，因为真空冷冻干燥在该阶段脱去的水分量最多，细胞中的自由水升华后，胡萝卜片内部细胞结构疏松排列，硬度显著降低。在2 h～12 h，胡萝卜片逐渐完全干燥，水分减少，硬度并没有显著差异。

2.5 不同冷冻干燥时间对胡萝卜脆片体积和复水比的影响

果蔬脆片的体积和复水比决定干制品的品质，不同冷冻干燥时间对胡萝卜脆片体积和复水比的影响见图5。

图5 不同干燥时间对胡萝卜脆片体积和复水比的影响Fig.5 Effects of different drying time on the volume and the rehydration rate of carrot chips

由图5可知，干燥初期胡萝卜片含水量较高，胡萝卜片0 h时体积最大，干燥2 h时，胡萝卜片水分脱除较多，体积显著减小，干燥6 h过程中，冷冻干燥去除了胡萝卜片中的大量水分，胡萝卜片体积呈下降趋势。干燥8 h后，胡萝卜片水分仍在减少，但对胡萝卜片体积影响较小，这与胡萝卜片显微结构图一致。水分降温冻结成冰，在真空条件下冰直接升华而对果蔬形状影响较小[20]，因此冻干胡萝卜片能最大程度保持冻结前的体积形状。由图5可知，鲜切胡萝卜片的体积与干燥后各时间段的体积均有显著性差异，2 h～12 h时胡萝卜片体积无显著性差异，基本不变。

由图5可知，干燥0～10 h之间，随冻干时间延长，复水比逐渐增大。在10 h时复水比达到最大。这是因为在真空冷冻干燥条件下，胡萝卜片中含有的水分在冻结状态下直接蒸发，随冻干时间延长，水分逐渐脱除，结构疏松，孔隙逐渐增大，并没有在胡萝卜片表层出现硬膜，冻干10 h时水分基本脱除，复水比达到最大，与前几个小时均有显著性差异。12 h时，复水比有所下降。原因可能为此后胡萝卜片水分含量较低，远低于空气中水分活度，测定过程容易吸收空气中的水分。

2.6 不同冷冻干燥时间对胡萝卜脆片色差值的影响

色差值是评估胡萝卜脆片品质的一项重要指标，胡萝脆片的色差值随冷冻干燥时间变化见图6。

由图6可知，随冻干时间延长，L*值呈先下降再上升趋势。表明干燥后水分被脱除，干燥12 h的胡萝卜片颜色变亮，亮度变化差异显著，说明冷冻干燥后可以提高胡萝卜片的亮度。a*值和b*值整体趋势一致。在干燥前期，a*值、b*值均呈下降趋势，且存在显著性差异，说明在此阶段中，色素会随着水分挥发失去水分保护，2个色差值均下降。与鲜切胡萝卜片相比，在冻干8 h～10 h时，胡萝卜片a*值、b*值整体较大，且均无明显差异，该时间段胡萝卜片已接近干燥，水分脱除，胡萝卜红度、黄度均变大。

图6 不同干燥时间对胡萝卜脆片色差值的影响Fig.6 The color difference value of carrot chips under different drying time

2.7 不同冷冻干燥时间对胡萝卜脆片的胡萝卜素含量影响

胡萝卜中含有大量的胡萝卜素，不同冷冻干燥时间对胡萝卜素含量的影响见图7。

图7 不同干燥时间对胡萝卜脆片胡萝卜素含量的影响Fig.7 The carotene content of carrot chips under different drying time

由图7可知，由于胡萝卜片水分被大量脱除，在0～2 h内胡萝卜素含量呈增加趋势，原因可能是胡萝卜片大量脱水，单位质量内胡萝卜素含量升高；随冻干时间的延长，胡萝卜素含量下降，4 h时胡萝卜素含量下降显著，原因可能是脱水后胡萝卜片体积减小，与鲜胡萝卜相比组织致密，部分胡萝卜素不容易溶出。在4 h～12 h，由于冻干对胡萝卜素影响较小，所以胡萝卜素含量变化很小。

3 结论

真空冷冻干燥过程中，胡萝卜脆片中自由水、结合水和半结合水均有流失，以自由水为主，结合水和半结合水次之，且在干燥过程中，3种状态的水存在相互转换，T21和T23会逐渐向T22靠拢。伪彩图能够直观地看出随着干燥时间的推移，胡萝卜片水分不断流失，图片亮度逐渐变差，边缘部分开始模糊，这与水分迁移以及胡萝卜结构有关，胡萝卜韧皮部较薄，水分易脱除。在体视显微镜下可观察到干燥后的胡萝卜片呈现疏松多孔状结构，干燥2 h，胡萝卜片体积和硬度显著减小，2 h～12 h，二者没有显著性变化。随着干燥时间的推进，颜色亮度显著增加，黄度和红度也有所增加，在初始冻干过程中，由于水分被大量脱除，胡萝卜素含量呈增加趋势；随冻干时间的延长，胡萝卜素含量下降，原因可能是胡萝卜片脱水后部分胡萝卜素与细胞结合越来越紧密而不容易溶出。随冻干时间延长，复水比会逐渐增大，且在10 h时复水比达到最大。冷冻干燥的胡萝卜脆片水分大大减少，体积变小，脆片呈疏松多孔结构，硬度较小，色泽更加明亮，产品复水性较好，很适合做休闲食品。