渗透预处理对冷冻干燥苹果片物理品质的影响

邹少强

（福建立兴食品有限公司，福建漳州 363000）

预处理技术是提高干燥效率、提升食品品质、提高产品附加值的常用方法。渗透脱水（osmotic dehydration，OD）是指果蔬在一定渗透压的溶液中发生传质，果蔬中的水分在渗透压差的作用下进入渗透液中，而渗透液中的溶质成分进入果蔬组织中。渗透脱水是干燥的预处理过程，有利于降低食品原料的水分含量，提高食品含糖量，改善干燥产品品质[1]。

冷冻干燥技术是使物料中的水分以冰的形式受热升华，可以极大保留物料的营养品质，且不使物料发生褐变和皱缩。在冷冻干燥脆块类食品生产过程中，若物料初始密度小，含糖量低，则冻干后硬脆度低，感官品质差，采用糖渗透处理是改善质构品质的有效途径之一。糖渗透处理后，物料组成发生改变，影响了冻干后的物理性质。渗透脱水预处理通常改善了果蔬的质构。研究表明，OD 预处理后，冻干产品的硬度更高[2-3]。食品原料经过不同糖渗透后的吸湿性不同[4]，如蔗糖溶液和淀粉糖浆会轻微降低草莓对水分的吸附量，葡萄糖会显著降低草莓对水分的吸附量[5]。目前关于糖渗透处理方式对冻干后产品物理品质的影响尚未明晰。

冻干即食食品的物理品质中，硬脆度和色泽品质是消费过程中直接消费者感受的品质，水分吸附性决定了食品的包装方式，而小分子糖渗透脱水处理对真空冷冻干燥产品品质的影响鲜有研究。糖的种类影响苹果冻干片的渗透时间和品质。本研究旨在探讨小分子糖种类和渗透时间对苹果冻干片的水分吸附特性、质构特性和色泽的影响，以筛选出适用于冷冻干燥的糖渗透前处理方式。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘富士’苹果，产地为山东烟台，购于北京幸福荣耀超市，含水量（6.38±0.18）kg/kg（干基含水率），经去核后，切成厚度（10.0±0.5）mm、直径（20.0±0.5）mm 的圆片。

蔗糖、麦芽糖、果糖、葡萄糖和低聚异麦芽糖，均为食品级（纯度＞99.6%），上海源叶科技有限公司。

1.2 仪器与设备

蔬菜水果切片机，CL50，法国Robot Couple 公司；真空冷冻干燥机，BLK-0.5 型，中国江苏博莱客冷冻科技发展有限公司；数码相机，D700，中国尼康公司；电子眼色彩分析系统，Lens Eye-NET Version1.5.5.0，美国；物性测试仪，TA.HD plus，英国Stable Micro System 公司；扫描电镜，S-570，日本HITACHI 公司；水分活度测定仪，AW1000T，中国昌琨实业有限公司；差示量热扫描仪，DSC 8000，美国PE 公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

取30 g 苹果片分别放入有40%（w/w）不同种类小分子糖（葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、低聚异麦芽糖）渗透液的自封袋中（料液比1∶4），浸没在50 ℃的水浴锅中，每隔2 min 摇晃一次。所有渗透样品以“糖-渗透时间”表示。分别在30、60、90、120、180、240 min 取样，后用清水清洗去除表面渗透液，风淋去除外部残留水分，用于后续干燥。

1.3.2 渗透动力学

在30、60、90、120、180、240 min 取样，用去离子水清洗去除表面渗透液，并用滤纸吸附外部残留水分，准确称量每组渗透苹果片样品鲜样质量、渗透后质量及样品干基质量（于105 ℃热风烘干至样品质量2 h 内不变，即得干基质量）。渗透过程中水分损失量（WL）和固形物增量（SG）如式（1）（2）所示。

式中，W0为初始样本质量，g；Wm0和Wmt为初始含水量和最终含水量，g；Ws0和Wst为样品中初始固形物含量和最终固形物含量，g。

1.3.3 真空冷冻干燥

预处理后样品于-40 ℃下冷冻12 h，进行真空冷冻干燥。干燥条件为压力80 Pa，加热板温度50 ℃，冷阱温度-35 ℃，干燥12 h。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 吸湿性

采用饱和盐溶液法测定样品的水分吸附等温线[5]。取蔗糖不同渗透时间的6 组冻干苹果片和不同糖液相同渗透时间（240 min）的冻干苹果为研究对象。苹果样品置于密封干燥器中，干燥器底部为NaCl 饱和盐溶液（aw=0.753）。干燥样品放入干燥器中，每隔一定时间取出，用水分活度分析仪测量水分活度，同时对样品进行称重。以上实验均在25 ℃下进行。

水分吸附性易受物料形态结构、比表面积、环境条件等的影响，因此建立水分吸附模型对研究水分吸附和贮藏条件具有重要意义。国内外学者在水分吸附研究中总结出多个模型[6-7]，本研究根据高糖高比表面积食品的水分吸附特性，结合常用吸附模型，选取4 个吸附模型进行比较分析（见表1）。

表1 常用食品水分吸附模型Table 1 Commonly used models for adsorption isotherm equation of food products

1.4.2 质构

参考Peng 等[8]的方法，采用TA.HD plus 物性测试仪测定苹果脆片硬脆度。采用“Λ”型探头，设置测试条件为前期测试速度2.0 mm/s，检测中速度1.0 mm/s，后期检测速度10.0 mm/s，其中最大断裂力定义为样品硬度，峰的个数表示脆度，峰个数越多，脆度越大，每个处理取12次平行，去除最大值和最小值后取平均值。

1.4.3 色泽

参考宋慧慧等[9]的方法，依据电子眼系统测定新鲜及干燥后苹果片色泽，并按照公式（3）计算总色差ΔE值。

式中，L0、a0、b0分别表示苹果鲜样的亮度、红度和黄度；L*、a*、b*分别表示苹果脆片的亮度、红度和黄度。

1.4.4 微观结构

参考宋慧慧等[9]的方法，将样品用液氮速冻后掰断，取样品断面，用导电胶粘贴在样品台上，喷金覆盖，然后置于扫描电镜观测台上进行拍照。

1.5 数据处理

采用SPSS 24、Origin 2020、Excel 2016 进行数据处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 渗透动力学

不同糖渗透样品在渗透液中的固形物增量和水分损失如图1 所示。

图1 不同糖类对苹果片渗透脱水过程固形物增加量（a）和水分损失量（b）的影响Fig.1 Effects of different saccharides on the solid gain (a)and water loss (b) of apple slices during osmotic dehydration

由图1 可知，苹果片在早期（0～120 min）渗透传质过程中单糖传质速率较快，在120 min 时，果糖的固形物增加量和水分损失量最高，分别为0.294 g/g 和0.511 g/g，其次为葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、低聚异麦芽糖。单糖固形物增加量和水分损失量高于二糖和低聚糖，这可能与较低的分子量和较大的渗透压差有关。然而，单糖渗透处理时，传质过程达到平衡的时间较长，一方面可能是在渗透后期阶段细胞皱缩较大，渗透液进入间隙较慢造成的；另一方面可能是由于原生质体的收缩和渗透压差减小，形成了阻碍进一步传质的结构造成的[10-11]。在渗透后期（120～240 min），固形物增加量和水分损失量取决于糖的类型。葡萄糖和果糖渗透处理的苹果片在120～240 min 时，固形物增加量分别为0.055～0.062 g/g 和0.051～0.065 g/g；而蔗糖、麦芽糖和低聚异麦芽糖渗透处理的苹果片的固形物增加量在同一时间间隔内仅略有增加。说明单糖渗透处理需要较长时间才能达到平衡状态。这是由渗透压差决定的，分子量越大，相同质量浓度时，糖渗透液渗透压越低，传质越慢，能达到的最终固形物增量和水分损失量越低。

2.2 不同糖渗透对苹果片吸湿动力学的影响

不同糖渗透预处理的真空冷冻干燥苹果脆片的水分活度和平衡含水率关系如图2（a）所示。由图可知，在相同的水分活度（0.2～0.5）下，未渗透样品的平衡含水率最高。此外，渗透后苹果脆片在相同水分活度下，固形物增量越大，平衡含水率越低。Djendoubi 等[12]研究表明，在含水量恒定的情况下，杏的水分活度随着蔗糖含量的增加而增加。

图2 不同渗透时间（a）和不同糖渗透（b）苹果片的水分吸附特性Fig.2 Water adsorption characteristics of freeze-dried apple slices with different dehydration time (a) and osmotic saccharides (b)

本研究以不同渗透时间的蔗糖渗透处理和240 min渗透处理不同糖种类为代表，从时间和糖种类两个维度对吸湿性进行数学模型拟合。表2 为蔗糖渗透预处理冷冻干燥苹果片水分吸附模型拟合参数。由表可以看出，在不同渗透时间下，Gunary 模型在aw=0～0.4 区间对冷冻干燥苹果拟合效果最好（R2=0.989 5～0.999 4，RSS=0～0.0008），其次为FreundlichEXT 模型（R2=0.9864～0.999 4，RSS=0～0.0006），接下来依次为LangmuirEXT1（R2=0.9821～0.998 9，RSS=0.0001～0.0009）和BET模型（R2=0.958 1～0.999 0，RSS=0.0001～0.002 6）。在低水分活度下，高含糖物料的水分吸附等温线可分为两个区域，其中Ⅰ区的水分主要为结合水，这一部分水以化合键结合，在食品中结合最为牢固，在极低温下不发生冻结；Ⅱ区的水分状态主要为多分子层水，部分会参与反应，被微生物利用，同时增加了食品中的分子流动性，具有塑化作用，降低无定型态食品的黏度[14]。基于水分吸附等温线模型，可以算出一定糖渗透时间下的低水分区域的临界水分含量[15]，为冻干食品的贮藏提供参考。如30 min 和120 min 蔗糖渗透组冻干苹果片在水分活度0.1 处的平衡含水率分别为0.019 5 g/g 和0.019 2 g/g。因此，在冷冻干燥的终点判断时，要充分考虑最终水分含量和物料种类的关系，以获得较好的贮藏稳定性。

表2 蔗糖渗透预处理冷冻干燥苹果片水分吸附模型拟合参数Table 2 The fitting parameters of water adsorption models of freeze-dried apple slices

2.3 不同糖渗透对真空冷冻干燥苹果脆片质构性质的影响

表3（见第30 页）为渗透处理后真空冷冻干燥苹果脆片的硬度与渗透时间的关系。由表可知，果糖对硬度增强的影响最大，随着渗透时间的增加，冷冻干燥苹果片的硬度显著增加。蔗糖和葡萄糖渗透组对苹果脆片硬度的改善作用与果糖相似，但最终硬度小于果糖。在相同时间下，果糖和葡萄糖渗透后的苹果脆片硬度较高，当渗透240 min 时，果糖渗透苹果片硬度最高（6 392.5 g），其次分别为葡萄糖（5 119.8 g）、蔗糖（3 810.7 g）、麦芽糖（2 550.5 g）和低聚异麦芽糖（2 414.3 g）。麦芽糖和低聚异麦芽糖的渗透传质有限，苹果脆片固形物增量小，结构改变小。可见，硬度的增加不仅是糖含量增加造成的，可能而且与失水后的体积收缩也有关[16]。一方面，硬度的提高是由于物料失水和和体积收缩，导致孔隙体积的减小和孔壁厚度增加[8]，另一方面，蔗糖等小分子糖通过氢键结合到果胶等大分子物质上，降低了分子的移动，起到增强物料硬度和强度的作用[17]；此外，硬度提高可能是由于产品玻璃化温度较低，在干燥过程中发生塌陷，组织结构变得更加致密，抗形变能力更强导致的。

表3 为渗透处理后真空冷冻干燥苹果脆片脆度与渗透时间的关系。由表可知，在渗透前期（0～120 min），渗透处理对苹果的酥脆性影响较小，然而随着渗透时间的增加，苹果片的脆性降低，其中以果糖最明显，一方面，可能是由于渗透后期皱缩严重，导致内部孔隙结构皱缩，孔隙总数量降低，在破碎时崩碎数量小导致的；另一方面，由于糖含量增加，导致渗透后苹果片的黏度降低，冻干后苹果片的物理状态从接近玻璃态到接近黏流态转变，体系中的大分子流动性在糖的作用下增强，体系黏度降低[18]，在测定过程中较难发生断裂，而是发生可逆形变，导致脆度降低。

2.4 不同糖渗透对真空冷冻干燥苹果脆片色泽的影响

不同糖渗透对真空冷冻干燥苹果片色泽的影响如表4 所示。结果表明，短时间渗透脱水（0～120 min）的冷冻干燥苹果片的L*值略高于长时间渗透脱水（120～240 min）的样品，可能是长时间渗透导致表面皱缩，孔隙变小，对光线的吸收更多而折射更少导致的[19]。另外短时间渗透脱水的冷冻干燥苹果片的b*值略低于长时间渗透脱水的冷冻干燥苹果的b*值，说明长时间渗透脱水不可避免地造成亮度和黄度降低。总的来说，不同糖和不同渗透时间渗透处理后未发现苹果等出现褐变等现象，渗透处理对冷冻干燥后苹果片色泽的保留效果较好。

表4 不同糖渗透真空冷冻干燥苹果片的色泽Table 4 Color characteristic of freeze-dried apple slices with different osmotic dehydration

2.5 不同糖渗透对真空冷冻干燥苹果脆片微观结构的影响

微观结构对产品的干燥特性和品质均有重要影响，图3 为蔗糖和葡萄糖渗透不同时间的冷冻干燥苹果片微观结构。由图可知，蔗糖渗透30 min 的冷冻干燥苹果片具有蜂窝状多孔结构，这种结构可能是冷冻过程形成的冰晶升华后形成的；而随着渗透时间的增加，物料的微观结构更加致密，升华孔隙通道减少；当蔗糖渗透240min时，长时间渗透后苹果中糖含量过高，降低了冷冻苹果片的塌陷温度，导致在冷冻干燥过程中受热塌陷，内部冻结水融化沸腾，进而造成不规则的塌陷结构[20]。而葡萄糖渗透240 min 时，塌陷程度较小，可能是由于葡萄糖玻璃化温度更高，当与苹果组织结合后总玻璃化温度降低较蔗糖组小，更不易发生塌陷[21]。

图3 冷冻干燥苹果片的微观结构Fig.3 Microstructure of freeze-dried apple slices

3 结论

通过对不同渗透处理苹果片进行渗透脱水过程中传质、冷冻干燥苹果片水分吸附特性、质构及色泽变化四个方面的比较得出，果糖和葡萄糖渗透处理的苹果片具有更快的固形物增加速率和更高的固形物增量；糖含量增加后水分吸附特性发生改变，相同水分活度下，蔗糖、果糖和葡萄糖渗透处理的真空冷冻干燥样品需要达到更低的含水量；果糖和葡萄糖渗透处理的苹果片硬度显著提高，在渗透前期可保留脆度；综上，果糖、葡萄糖和蔗糖作为渗透剂可以有效改善冻干后的品质，缩短渗透过程。但渗透处理对冷冻干燥过程的影响规律和影响机制尚不明确，还需进一步研究。