真空冷冻干燥果胶-纤维素-小分子糖气凝胶质构研究

李卓豪 毕金峰 易建勇,* 冯舒涵 郭玉霞

(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综合性重点实验室，北京 100193；2 河北科技师范学院食品科技学院，河北 秦皇岛 066004)

真空冷冻干燥(freeze-drying, FD)果蔬具有形态外观接近果蔬原料、营养健康等优势，占据中国FD食品市场主导地位[1]。然而直接冻干的果蔬通常会因口味差以及质构绵软的问题导致感官体验不佳，因此生产上常通过渗糖预脱水改善产品的口味以及质构。但添加过多的蔗糖、麦芽糖等小分子糖会提高FD果蔬的热量，影响消费者健康。近年来，低糖、低能量已经成为果蔬休闲食品的发展趋势。

质构品质是FD果蔬的核心品质。前期研究表明，果胶等细胞壁多糖是连接和维持FD果蔬多孔刚性结构的重要物质基础[2]。高糖FD果蔬中的小分子糖能够填充并支撑由细胞壁多糖构成的多孔骨架结构，并极大地影响其质构特性[3]。小分子糖主要是指低分子量的糖，包括单糖、二糖以及低聚糖[4-5]。在果蔬中添加小分子糖，能够起到调节滋味、质构，影响加工过程，改善香气，增加重量，降低生产成本等作用。国内外学者研究发现，糖渗透处理能够改善杏干[6]、FD草莓[7]、苹果片[8]、胡萝卜[9]等果蔬的质构特性。然而，不同果蔬的组织结构不同，且同种果蔬不同部位的组织结构具有特殊性，渗透过程存在不确定性和不均匀性，导致干燥后果蔬质构品质产生较大差异。因此，构建均匀、简单的果蔬干模拟体系，用于研究小分子糖对FD果蔬干质构的影响具有重要意义。

气凝胶是一种密度较低的固体，具有轻便、绝热等特性，目前已被广泛应用于医药、材料等领域[10]。与FD果蔬相同，气凝胶具有多孔、高比表面积的特性[11]，因此气凝胶能够很好地模拟FD果蔬的基本结构。目前已有国外学者将纤维素[12]和果胶[13]作为物质基础研究气凝胶，Abitbol等[14]构建了在食品、生物等方面具有潜在应用价值的果胶-纤维素纳米晶体多孔网络水凝胶体系，为建立FD果蔬果胶-纤维素多糖气凝胶体系提供了理论基础。基于果胶-纤维素多糖气凝胶体系研究小分子糖对FD果蔬质构的影响能够有效地避免果蔬组织不均匀、果蔬自身含糖、果蔬细胞内化学组分复杂等问题。

目前国内外在可溶性小分子糖对FD果蔬干质构影响方面的研究尚不详尽、全面；果蔬干生产中常使用蔗糖，导致产品糖含量较高，不符合健康饮食的理念；且部分产品的质构特性有待改进。因此为深入了解小分子糖对高糖FD果蔬制品质构的影响，本试验以市面上常见的FD草莓为参考建立果胶/纤维素多糖气凝胶体系，研究相同含量下11种商品化可溶性小分子糖对FD果蔬干品质的影响，以期寻找能够代替蔗糖生产的其他小分子糖，为产业上FD果蔬干的加工提供理论基础和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

果糖、葡萄糖、蔗糖、海藻糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、木糖醇、麦芽糖醇(≥90%)，上海源叶科技有限公司；山梨糖醇(≥90%)，北京萃锋科技有限公司；水苏糖(≥90%)，江苏鸿达食品配料公司；麦芽糖(≥90%)，江苏省奥谷生物科技有限公司；羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose，CMC，≥98%)，河南聚荣化工产品有限公司；果胶(77.1%)，郑州弈博食品添加剂有限公司；氯化钠(99%)，国药集团化学试剂有限公司。以上小分子糖分子量如表1所示。

表1 小分子糖的分子量Table 1 Molecular weight of small molecular sugars

1.2 仪器与设备

ULT1386-3-V41超低温冰箱，美国Thermo Fisher Scientific公司；LGJ-10BP/BJ真空冷冻干燥机，北京八方中大科技发展有限公司；VSP3000045体积测定仪、TA.HD plus物性测试仪，英国Stable Micro System公司；DSC8000差示量热扫描仪，美国PE公司；SU8010电子扫描显微镜，日本日立公司；低场核磁共振分析仪，苏州纽迈分析仪器股份公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 在蒸馏水中分别加入12%(w/w)的果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、海藻糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、水苏糖、麦芽糖醇、山梨糖醇以及木糖醇，并加入0.5%(w/w)的果胶和1%(w/w)的CMC，制备成含糖量为12%的样品液，将0.5%(w/w)的果胶和1%(w/w)的CMC加入蒸馏水中制备成对照组样品液。将样品液于60℃水浴振荡，混合至完全溶解且均匀后，冷却至室温，静置消除气泡。将样品液倒入1.4 cm×2.5 cm×2.5 cm的硅胶模具中。

1.3.2 真空冷冻干燥 将注模的样品置于-60℃超低温冰箱中预冻4 h以上，之后冻干。冻干机预冷至 -56℃， 冻干过程中真空度维持在4±3 Pa，常温冻干72 h以上。样品冻干后于-40℃密封保存。

1.3.3 表观密度与皱缩率的测定 为使试验结果更加精准，将9 mL的样品液注模后冻干。将测定质量后的样品放于置物台上，室温下采用中速对样品进行体积扫描。每组样品平行测定3次。样品表观密度(ρ)计算公式如下：

(1)

式中，m为样品质量，g；v为样品体积，mL。

样品皱缩率(w)计算公式如下：

(2)

式中，v为样品体积，mL。

1.3.4 硬脆度的测定 参考Peng等[15]的方法并稍作修改。选用HDP/CFS球形探头，将样品放置于检测台面中央，在样品中心位置进行穿刺。触发力为5 g，穿透距离为15.0 mm。每组样品平行测定6次。测定过程中最大力表示硬度，正峰个数表示脆度。

1.3.5 微观结构的测定 参考Peng等[16]的方法。切取样品断面进行微观结构分析，将样品断面粘在样品台的导电胶上，喷金处理，样品的微观结构图像在低真空(100 Pa)和10 kV加速电压下采集，在50和150倍下拍照。

1.3.6 玻璃化转变温度的测定 参考中国农业科学院农产品加工研究所毕金峰团队[17]前期研究方法进行测定。将玻璃化转变中点作为样品的玻璃化转变温度(glass transition temperature,Tg)。每组样品平行测定2次。

1.3.7 水分分布测定 参考Qiu等[18]的方法测定。称取1 g样品粉末放入核磁管中，之后将核磁管放入低场核磁设备体腔中采集信息。

注：A：对照；B：果糖；C：葡萄糖；D：蔗糖；E：麦芽糖；F：海藻糖；G：低聚果糖；H：低聚异麦芽糖；I：水苏糖；J：麦芽糖醇；K：山梨糖醇；L：木糖醇。Note: A: Control. B: Fructose. C: Glucose. D: Sucrosel. E: Maltosel. F: Trehalosel. G: Fructooligosaccharidel.H: Isomaltooligosaccharidel. I: Stachyosel. J: Maltitoll. K: Sorbitoll. L: Xylitol.图1 气凝胶样品外观图Fig.1 Appearance of the aerogel samples

1.3.8 吸湿率的测定 室温条件下(28±2℃)将样品放置于洁净的移去硅胶的干燥器中。预先在干燥器下层放饱和氯化钠溶液，并且密封平衡湿度12 h以上，使其内部相对湿度达到75%左右[19]。间隔0.5、1、1.5、2、8、12、24、48、72、96 h取样称量。每组样品平行测定3次。样品吸湿率计算公式如下：

(3)

式中，φ为样品的吸湿率，g·100 g-1；M为样品的初始质量，g；Mt为t时刻样品的质量，g。

1.4 统计分析

采用Origin 2021软件作图，采用SPSS 22.0软件中的Duncan’s法对数据进行多重比较以及显著性分析，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同种类糖对气凝胶体系外观及质构的影响

模拟体系样品外观如图1所示。除木糖醇样品外，其他样品均具有较为规则、统一的外观，这是由于整个真空冷冻干燥过程在较低的温度下进行，且一次干燥阶段和二次干燥阶段的升温速度均较低。对照具有完整的外观形态，说明果胶和CMC能够在FD产品中形成基本的骨架结构，为样品提供一定的刚性支撑，因此推测果胶与纤维素对于维持FD果蔬干产品基本形态和结构具有重要作用。而木糖醇样品未成形，丧失了长方体基本的形态和质构特性，难以从模具中取出，因此本研究不考虑木糖醇样品的皱缩率、表观密度、质构特性、微观结构以及吸湿性。

与对照样品(图1-A) 结构松散呈海绵状的剖面结构相比，添加可溶性小分子糖使得样品内部结构更加致密，这是由于可溶性小分子糖可能附着在果胶-纤维素骨架上，并且填充在骨架孔隙中，使得样品内部更加致密。模拟体系样品中的孔隙结构是由于样品中的水分被冻结进而升华留下的冰晶的形状。与对照样品明显的针状孔隙结构相比，添加小分子糖的样品的剖面图中，针状孔隙结构更纤细，甚至在麦芽糖、低聚果糖以及低聚异麦芽糖样品中针状孔隙结构更小，说明添加不同小分子糖的样品液的预冻过程不同。Voelker等[20]提出，体系黏度越高，分子迁移率越低，因此可能由于麦芽糖、低聚果糖以及低聚异麦芽糖溶液黏度较高导致冻结过程中阻碍了水分子的迁移，使得样品中的孔隙较小。

样品的皱缩率如图2所示。与对照相比，除果糖外，添加其他小分子糖均能够降低样品的皱缩率，这是由于其他小分子糖的填充使得样品的体积增大。添加果糖显著提高了样品的皱缩率(P<0.05)，说明果糖样品的塌陷、皱缩现象比果糖对样品的填充效果更显著。低聚果糖样品的皱缩率最低，说明低聚果糖的填充效果最好。图3证实了图1样品剖面图的结果，添加小分子糖能够显著提高样品的表观密度(P<0.05)，其中果糖样品的表观密度最大，达到了0.29 g·mL-1。表明添加12%的果糖能显著影响FD果蔬干的外观品质，给产品外观带来明显的不良影响。皱缩率和表观密度结果综合表明，低聚果糖样品的外观品质最好。

注：不同字母表示不同样品间存在显著差异(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences at 0.05 level between different samples. The same as following.图2 气凝胶样品的皱缩率Fig.2 Collapse rate of the aerogel samples

图3 气凝胶体系样品的表观密度Fig.3 Apparent density of the aerogel system samples

可溶性小分子糖对样品质构的影响如图4所示，与对照相比，添加可溶性小分子糖能够显著改变气凝胶的质构特性(P<0.05)。由图4-A可知，相同含量下不同的可溶性小分子糖对FD果蔬干的质构影响不同。添加可溶性小分子糖能够显著提高气凝胶体系样品的硬度(P<0.05)。在糖含量相同的条件下，果糖样品的硬度显著高于其他样品(P<0.05)，海藻糖和低聚异麦芽糖样品的硬度较低。低聚果糖以及山梨糖醇样品硬度与葡萄糖、麦芽糖、蔗糖样品无显著差异(P>0.05)。由图4-B可知，可溶性小分子糖的添加能够显著提高模拟体系样品的脆度(P<0.05)。其中添加果糖的样品脆度最高，水苏糖和山梨糖醇对于样品脆度的提高程度较低，而其他样品之间的脆度无显著差异(P>0.05)。

注：A：添加不同糖的模拟体系样品的硬度；B：添加不同糖的模拟体系样品的脆度。Note: A: Hardness of simulated system samples with different sugars. B: Crispness of simulated system samples with different sugars. 图4 模拟体系样品质构特性Fig.4 Texture properties of the simulation system samples

2.2 不同种类糖对气凝胶体系微观结构的影响

电镜图所示样品的微观结构进一步揭示了样品间质构特性产生差异的原因。样品微观结构图中呈现许多孔隙结构以及清晰的网络骨架(图5)，这是由水分子在预冻过程中冻结后升华形成的[21]。由图5可知，对照组的微观结构较为疏松，呈现出较强的有序性，进一步说明可能是由于对照组中不存在或存在微量的小分子糖，样品溶液黏度较低，在预冻过程中水分更易冻结，形成大的规则的冰晶。与对照组相比，小分子糖的添加明显提高了样品孔隙结构的壁厚。由于小分子糖的粘黏和填充效果，样品微观结构的连续性得到增强，呈现出大面积的连续的平面结构。与其他样品组相比，果糖、葡萄糖和蔗糖样品组的微观结构孔隙壁边缘更加平滑。研究表明，由于冷冻浓缩效应，在预冻过程中随着温度进一步降低，组分会由橡胶态逐渐向玻璃态转变[22]，因此在非晶状态下果糖、葡萄糖和蔗糖的黏性可能比其他二糖、低聚糖以及糖醇更高。果糖样品微观结构图(图5-B)显示样品的孔隙结构更小，并形成了坚硬且连续的孔隙壁，这可能是造成果糖样品硬度显著高于其他样品的原因。水苏糖样品微观结构图(图5-I)呈现出明显的无定形态，这可能是水苏糖样品脆度较低的主要原因。另外，除水苏糖样品外，其他样品孔隙壁表面均呈现明显的连成片的白色斑点，而放大150倍的对照组样品电镜图中无明显的白色斑点，可能是由于在预冻过程中冷冻浓缩效应使得可溶性小分子糖集中于冰晶表面，干燥之后而留下的痕迹。

2.3 不同种类糖对气凝胶体系水分分布以及Tg的影响

添加不同种类可溶性小分子糖的气凝胶体系样品的Tg如表2所示。相同含量下，除山梨糖醇外，添加其他小分子糖的气凝胶体系Tg与对照相比差异显著(P<0.05)。与对照相比，添加12%的果糖、葡萄糖、水苏糖、麦芽糖醇、山梨糖醇以及木糖醇使得模拟体系的Tg降低了2.14～65.90℃，其中木糖醇样品的Tg最低，为-23.56℃；添加12%的蔗糖、麦芽糖、海藻糖、低聚果糖以及低聚异麦芽糖能够显著提高模拟体系的Tg(P<0.05)，其中以海藻糖最为显著，提高了49.23℃。食品体系的Tg与食品内部组分的分子量以及结构有关，如糖醇Tg比相应的单糖的Tg低，这是由于多元醇含有更多的羟基，更容易与水分子结合。有研究表明双糖具有较高的玻璃化转变温度，能够在较高的温度下固定分子，使得体系保持稳定[23]，因此蔗糖、麦芽糖以及海藻糖样品具有较高的Tg。

添加不同种类可溶性小分子糖的模拟体系样品的弛豫时间如图6所示。0.01～10 ms所示的峰为样品结合水的弛豫峰[24-25]，由于扫描样品均为冻干样品，因此样品中的水分以结合水的状态体现，10 ms以后响应值过低的峰可能是由于设备噪声等因素的干扰而出现的杂峰。图6显示不同样品结合水的弛豫峰的峰面积大小并不像样品的Tg呈现同样的规律性，说明样品中的结合水与样品的Tg可能不存在关联性。由于结合水的含量主要受样品中组分与水分子结合能力的影响，因此样品中结合水的含量对于样品的稳定性影响并不大，但可能会在预冻过程中影响分子的迁移速率。

2.4 不同种类糖对模拟体系吸湿性的影响

吸湿性是评判果蔬干制品贮藏品质的重要指标。图7-A为添加不同糖模拟体系样品在相对湿度为75%时的吸湿率。添加等量不同的糖对样品吸湿率的影响不同。所有样品的吸湿速度均在8 h之后开始降低。果糖组样品吸湿率持续明显高于其他组，而山梨糖醇组样品吸湿率在48 h之后出现跃变，可能是由于山梨糖醇组样品在48 h后吸收了一定量的水分后，由非晶态变为橡胶态甚至是游离态，从而突然加剧了样品的吸湿速度。蔗糖、海藻糖、葡萄糖以及水苏糖组样品的吸湿率分别在48、72 h之后出现下降趋势。由图7-B可知，蔗糖、葡萄糖、海藻糖和水苏糖4组样品在48 h之后出现明显的皱缩，逐渐丧失孔隙结构，丧失脆度且硬度得到极大提高。这是由于产品的贮藏稳定性，特别是产品的脆度易受到环境湿度的影响，提高水分活度(water activity, AW)值可以提高糖的结晶度[26]。因此，相对湿度为75%条件下，样品中的蔗糖、海藻糖、葡萄糖以及水苏糖与水分子结合，经历了一个由无定形态到结晶态的转变过程，从而使样品从疏松多孔的结构变为致密的结构，同时多孔结构的丧失以及糖结晶态的转变使得样品的脆度丧失，硬度变大。另外这4组样品吸湿性在48、72以及96 h处标准误差较大，可能是由于样品吸湿48 h后发生明显塌陷皱缩，样品中小分子糖开始出现大量的结晶，样品呈现出高度不规则和不均匀的状态，使得各个平行之间出现较大的偏差。

注：A：对照；B：果糖；C：葡萄糖；D：蔗糖；E：麦芽糖；F：海藻糖；G：低聚果糖；H：低聚异麦芽糖；I：水苏糖；J：麦芽糖醇；K：山梨糖醇。Note: A: Control. B: Fructose. C: Glucose. D: Sucrose. E: Maltose. F: Trehalose. G: Fructooligosaccharide. H: Isomaltooligosaccharide. I: Stachyose. J: Maltitol. K: Sorbitol.图5 气凝胶样品的微观结构Fig.5 Microstructure of the aerogel samples

表2 添加不同小分子糖样品的TgTable 2 Tg of the simulation system samples

图6 气凝胶样品的水分分布状态Fig.6 Water distribution of the aerogel samples

注：a：蔗糖；b：葡萄糖；c：海藻糖；d：水苏糖。Note: a: Sucrose. b: Glucose. c: Trehalose. d: Stachyose.图7 气凝胶样品吸湿率及其吸湿48 h后外观形态Fig.7 Hygroscopicity of the aerogel samples and their appearance after 48 h moisture absorption

3 讨论

在冷冻干燥的预冻过程中，物料有从橡胶态转变到固态，然后到非晶态，再到玻璃态的变化过程，始终在玻璃态下干燥，物料最终能够以稳定的玻璃态形式存在[22]。因此推测，相同干燥条件下，木糖醇样品一次干燥的升温速度过快，使得样品不能始终保持在玻璃态下进行干燥，导致样品倾向于呈现不稳定的橡胶态或者是介于玻璃态与橡胶态之间的固态非晶态，从而产生塌陷皱缩，甚至不成形。因此，添加大量的木糖醇会增加干燥难度，FD果蔬生产中不适合添加大量的木糖醇。本研究发现添加等量不同小分子糖的FD果蔬样品质构特性存在显著差异(P<0.05)，这与张鹏飞[27]的研究结果一致，即不同糖的渗透对高压差膨化干燥桃片的质构影响不同。同时本研究发现，添加等量果糖样品的硬度显著高于其他样品，这可能与FD果蔬样品中小分子糖的存在形式以及分子内和分子间的化学键有关。由于蔗糖、葡萄糖以及麦芽糖[28-29]被广泛应用于果蔬加工中以改善产品的风味以及质构，因此，生产中可参考添加蔗糖、葡萄糖以及麦芽糖产品的品质添加小分子糖，使消费者更易接受。此外，由于低聚果糖样品的质构特性与蔗糖、葡萄糖以及麦芽糖样品无显著差异(P>0.05)，同时存在一定的益生功效，如调节肠道菌群[30]，因此低聚果糖在生产上具有较好的应用前景。

不同小分子糖会对样品的Tg产生一定的影响。本研究发现，添加双糖或分子量较高的碳水化合物能够提高样品的Tg，使得体系能够保持在较为稳定的状态，同样的结果被国内的一些学者证实，如饶小勇等[31]研究发现随着麦芽糊精含量的增加，喷雾干燥五味子粉的Tg会逐渐提高。另外，本研究发现样品吸湿会发生结晶变硬的现象，Fauster等[32]同样发现了这一现象。为保障高糖产品的商品价值，可以通过在产品中添加干扰因子来防止小分子糖结晶[33]。

综上所述，通过比较添加等量不同小分子糖FD果蔬样品的气凝胶质构等特性，可在FD果蔬样品果蔬生产中根据所需产品的质构以及结晶特性，选择小分子糖的添加种类以及贮藏条件，从而保障产品质量。后续可以通过对比研究不同单糖对FD果蔬样品气凝胶质构特性的影响，揭示果糖样品硬度大的内在机理。同时，可以细化小分子糖的添加比例，了解添加小分子糖与FD果蔬样品质构特性的量效关系，为确定FD果蔬生产中小分子糖的添加量提供数据支持及理论依据。本研究仅选用了11种较为常见的小分子糖进行研究，涉及到的糖种类仍然有限，今后的研究仍可聚焦探究其他不同的小分子糖对FD果蔬质构等特性的影响，以筛选出更多能用于生产的可替代蔗糖的小分子糖。

4 结论

本研究结果表明，添加11种可溶性小分子糖能显著影响FD气凝胶模拟体系样品的质构、Tg等特性，其中添加木糖醇的样品不能成形，使样品丧失了硬度和脆度，表明在实际生产中FD果蔬制品添加大量木糖醇是不可行的。添加果糖的样品硬度显著大于添加其他糖的样品；添加低聚果糖的样品在质构方面与添加葡萄糖、蔗糖和麦芽糖的样品非常接近，且Tg较高，贮藏时不易吸湿结晶，发生硬化，在贮藏方面具有较大优势。考虑到消费者的接受度以及低聚糖的益生功效，低聚果糖可以较好地替代葡萄糖、蔗糖和麦芽糖应用于实际生产中。与添加蔗糖的样品相比，添加单一种类糖会造成FD果蔬样品的硬度过高或过低，单一种类糖对FD果蔬产品质构的调节存在一定的局限性。