超声辅助糖液渗透处理对真空冷冻干燥桃脆片干制品品质及吸湿性的影响

陈腊梅，金 鑫，毕金峰，胡丽娜，邱 阳，吕 健

（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）

桃（L.Batsch）属于蔷薇科李属桃亚属，原产于中国，在北纬30°～45°和南纬30°～45°范围内均有栽种，是世界性的大宗果品。其营养丰富、肉质细腻、香气浓郁，深受消费者喜爱。但是由于桃果实肉质软嫩，贮存不当极易导致腐烂变质，造成大量浪费。

果蔬干制是有效延长果蔬保质期和货架期的方法之一，其主要通过降低果蔬内水分含量来抑制微生物的生长和其他生物化学作用的发生。果蔬干制的方式多种多样，近年来真空冷冻干燥技术的研究和应用发展迅速，与其他干燥方式相比，真空冷冻干燥的低温低压条件能使物料的生化反应受到抑制，从而使物料的营养、色泽、结构等都具有高保留率。杨春等研究发现，与热风干燥和变温压差膨化干燥相比，真空冷冻干燥后的枣片颜色、营养、质地最好。然而，真空冷冻干燥产品易吸湿，如Li Linlin等将微波真空干燥和真空冷冻干燥后的胡柚吸湿性进行对比，发现真空冷冻干燥后的胡柚具有较强的吸湿性，真空冷冻干燥产品的低水分含量和冻干过程中冰晶升华留下的大量海绵状多孔隙结构使其与空气中水分的接触面积增大，导致产品更易吸湿。吸湿会影响真空冷冻干制品的硬脆度，进而影响产品口感。此外，在贮藏过程中吸湿也会导致微生物超标，从而影响产品的食用安全性。影响真空冷冻干燥产品贮藏稳定性的另一个因素是玻璃化转变温度（）。当贮藏温度高于产品的玻璃化转变温度时，产品处于橡胶态，体系表现为分子迁移速率高、黏度下降、自由体积增大，因此受分子扩散运动控制的变化反应加快，在此温度下贮藏的产品易吸湿和黏结造成产品品质劣变。为了改善真空冷冻干燥桃脆片的品质、减缓吸湿导致的品质劣变，可对桃片进行预处理。

渗透脱水是果蔬干燥前处理最常用的方式，具有改善产品的组织结构和抑制褐变的作用。单一的渗透脱水渗透效率较低，受原料组织特性、渗透液浓度、渗透液温度等因素的影响。为了提高渗透效率，在研究中常采用超声辅助渗透脱水。研究发现超声辅助糖液渗透处理后样品组织内部形成了微细孔道并引起细胞微观结构的改变，与单一渗透脱水相比提高了样品水分扩散速率和渗糖效率，同时对产品的硬脆度和颜色保留率均具有重要影响。但目前大多数研究是关于超声辅助糖液渗透处理对其他果蔬干制品干燥速率、颜色、质地、营养等的影响，对于超声辅助糖液渗透脱水联合真空冷冻干燥对桃脆片干制品品质及吸湿性和玻璃化转变温度的影响鲜有报道。

本实验主要选用4 种生产及研究中常用的糖（蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、低聚异麦芽糖）对桃片进行超声辅助渗透脱水处理，随后再进行真空冷冻干燥，研究超声辅助糖液渗透处理对冻干桃脆片干制品品质（水分损失率、固形物得率、色泽、微观结构、质构）、吸湿性和玻璃化转变温度的影响，为高品质的冻干桃脆片生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘晚九号’白桃，采摘于北京市平谷桃产业基地，初始湿基水分质量分数为（86.87±0.50）%，可溶性固形物质量分数为（10.16±0.09）%，大小颜色均一、八成熟。

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

1.2 仪器与设备

CPA-12电子天平 德国Sartorius公司；FA-200型切片机 广东省南海市德丰电热设备厂；KQ-500Z超声波发生器（工作频率40 kHz、功率500 W） 昆山市超声仪器有限公司；DK-S26电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；LGJ-10E型真空冷冻干燥设备 北京四环科学仪器厂有限公司；MASTER-2α手持阿贝折光仪瑞士梅特勒-托利多公司；S-570型扫描电子显微镜日本日立公司；Q200差示扫描量热（differential scanning calorimeter，DSC）仪 美国TA仪器公司；Intrinsic型水分动态吸附（dynamic vapor sorption，DVS）仪、TA.XT 2i/50型质构仪 英国SMS公司。

1.3 方法

1.3.1 超声辅助渗透脱水处理

原料去皮、核后，用模具制成直径3 cm、厚度8 mm的圆形桃片，样品质量为（3.50±0.17）g。糖液浓度和超声参数采用宋悦等优化后的数据。用超纯水配制的25 °Brix（阿贝折光仪校准）蔗糖、低聚异麦芽糖、葡萄糖、麦芽糖溶液作为渗透液。然后将圆形桃片放入灌有渗透液的自封袋内，桃片与渗透液料液比为1∶10（/）。超声参数设置为200 W、40 kHz、温度40 ℃，超声辅助渗透时间设置为90 min。超声辅助渗透过程结束后，将桃片立即取出并用清水冲洗表面糖液，用吸水纸吸除表面水分后称质量。对照组样品将糖渗透液替换为纯水进行超声处理，所有处理组设3 个平行。

1.3.2 真空冷冻干燥

每组取（100.0±3.0）g桃片，将对照组和经过4 种糖液预处理后的桃片置于-80 ℃冰箱内预冻12 h后放入真空冷冻干燥盘内，设置冷阱温度为-49 ℃，真空度约为37 Pa，干燥过程中将真空冷冻隔板温度控制在30 ℃以下，防止干燥过程桃片结构塌陷。桃脆片干燥至水分质量分数低于5%后停止干燥，并置于干燥器中均湿48 h后进行各项指标测定。

1.3.3 指标测定

1.3.3.1 水分损失率和固形物增加率

超声辅助糖液渗透脱水处理后采用水分损失率和固形物增加率来评价预处理效率，分别按式（1）、（2）计算，实验重复3 次，取平均值。

1.3.3.2 色泽

采用色彩色差仪依CIELAB表色系统测定样品的亮度*值、红绿度*值、黄蓝度*值，其中*值越大，样品表面亮度越高；*值为正值时表示偏红色，为负值时表示偏绿色；*值为正值时表示偏黄色，为负值时表明偏绿色。按公式（3）计算总色差Δ，Δ越小说明处理组与对照组差异越小，每个处理3 次平行。

1.3.3.3 微观结构观察

参照Santagata等的方法处理并观察干制品的微观结构。

1.3.3.4 硬度和脆度

参照Zou Kejian等的方法并略作修改。用质构仪测定桃脆片硬度和脆度。采用P/0.25探头，探头模式为阻力测试，设置前期检测速率2.0 mm/s，检测速率1.0 m/s，后期检测速率1.0 mm/s，触发力和穿透距离分别为样品厚度的75%左右。其中测试产生峰的最高值定义为硬度，单位为g，断裂距离定义为脆度，单位为mm，每个处理至少做8 次平行，然后取平均值。

1.3.3.5 玻璃化转变温度

采用DSC仪测定玻璃化转变温度，具体参照赵云波等的方法并稍作改动，操作在25 ℃空调室进行（避免样品吸湿）。称取8.0～9.0 mg桃脆片放在铝坩锅中密封，以空坩锅作参照。扫描程序设置为：以10 ℃/min从25 ℃冷却到-80 ℃，然后在-80 ℃下平衡2 min，以同样速率从-80 ℃升温至100 ℃，并在100 ℃下平衡2 min。采用仪器自带软件分析得到玻璃化转变温度范围内的中间点，并以此作为。

1.3.3.6 吸湿性

使用配有Cahn微量天平的DVS仪测定样品的水分吸湿性，将20～30 mg不同处理的冻干桃脆片放在DVS仪样品盘中，放置在温度25 ℃、氮气流速200 sccm、相对湿度0的环境下平衡至恒质量。设定相对湿度以每次10%的增加量由0上升到90%，其中每一个固定的相对湿度阶段以桃脆片质量变化率至少在60 min内低于0.002%认为达到平衡，进入下一个相对湿度阶段。样品在相对湿度为90%时，样品质量变化率低于0.002%下维持6 h则认为样品总体达到平衡。

1.3.3.7 复水比

根据于明海等的方法测定干制品复水比，复水比按公式（4）计算。

式中：为复水后的样品质量/g；为复水前样品质量/g。

1.3.3.8 可滴定酸含量

干制品可滴定酸含量采用GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》测定。

1.4 数据统计与分析

实验数据采用SPSS 19.0软件进行分析，运用Duncan多重比较对数据进行差异显著性分析，采用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 超声辅助渗透脱水处理对鲜桃水分损失率和固形物增加率的影响

如表1所示，对照组水分损失率和固形物增加率均呈现负值，可能是对照组经长时间的超声处理，致使桃片细胞结构出现微细孔道和部分细胞破裂，进而导致部分自由水的截留和外界超纯水的渗入；超声处理伴随着传质的发生，桃片中的可溶性固形物发生了流失导致固形物含量下降。这与Wu Xiaofei等通过超声处理甘薯后观察到的现象一致。与对照组相比，超声+葡萄糖、超声+蔗糖、超声+麦芽糖、超声+低聚异麦芽糖处理组的水分损失率增加，分别为26.76%、22.11.%、17.40%、13.50%。其中超声+葡萄糖处理组水分损失率最大，主要原因可能是葡萄糖的分子质量较小，当糖浓度相同时，分子质量小的糖溶液具有更高的渗透压。渗透脱水过程中渗透压差越大，水分损失率和固形物增加率也越高。所有糖渗透脱水处理鲜桃的水分损失率均远大于固形物增加率，主要原因是糖分子比水分子大，所以水分子较糖分子运动得快。

表1 超声辅助渗透脱水处理后白桃鲜样的水分损失率和固形物增加率Table 1 Water loss rate and solid yield of peach slices after ultrasonicassisted osmotic dehydration

2.2 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片色泽的影响

由表2可知，与对照组相比，各处理组*值无明显变化。原因可能是糖液渗透脱水处理隔绝了桃片与空气，以及冻干过程中真空环境均抑制了褐变的发生。与对照组相比，超声辅助不同糖液渗透处理组*值均呈增大的趋势，*值整体上呈减小的趋势，其中经蔗糖、低聚异麦芽糖、麦芽糖处理的样品与对照组相比颜色偏蓝，而葡萄糖处理组颜色则偏黄。Δ越小则表明干制桃脆片颜色与对照组颜色越接近。超声辅助4 种糖液渗透处理的桃脆片颜色均与对照组颜色相近，且不同种类糖处理的桃脆片Δ无显著性差异。

表2 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片色泽的影响Table 2 Effect of ultrasonic-assisted osmotic dehydration on the color of vacuum freeze-dried peach chips

2.3 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片微观结构的影响

如图1所示，鲜样的微观图像呈现出较为疏松的多孔结构，且孔隙大小均一、细胞排列整齐无明显塌陷。只经过超声处理的对照组多孔结构被破坏的同时其细胞发生了破裂的现象。主要原因是超声的空化效应作用于细胞致使细胞发生破裂和形成微细孔道。经过超声辅助糖液渗透处理的桃脆片细胞发生收缩，进而形成致密的孔状结构，且不同种类的糖处理的桃脆片形成的孔径大小不均一。其中超声辅助低聚异麦芽糖处理组孔结构致密，且大小孔交叉分布，超声辅助葡萄糖处理组则呈现不规则的大孔结构，而超声辅助蔗糖和麦芽糖处理组则可以观察到明显的细胞破裂和塌陷现象。

图1 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片微观结构的影响Fig. 1 Effect of ultrasonic-assisted osmotic dehydration on microstructure of vacuum freeze-dried peach chips

2.4 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片硬度和脆度的影响

硬度和脆度是评价果蔬脆片产品品质的重要感官指标。由表3可知，超声辅助糖液渗透处理的冻干桃脆片与对照组（2 224.08 g）相比具有更高的硬度（＜0.05），可能是因为一方面渗糖脱水过程伴随着传质的发生，桃片细胞组织结构中的羟基与糖液相互作用，从而使桃脆片组织结构连接更加紧密，硬度增大；另一方面，随着渗透过程的进行，样品中的水分不断流失，糖液发生结晶析出并吸附在桃片组织内部或者迁移到样品表面形成硬壳。超声辅助不同糖渗透处理组之间硬度也具有显著性差异，超声辅助葡萄糖处理组的硬度最大（4 336.84 g），原因可能是葡萄糖渗透处理的桃片具有较高的固形物增加率，更高含量的固形物对细胞结构起到支撑作用。超声辅助糖渗透处理组与对照组相比脆度差异不显著。

表3 超声辅助渗透处理对真空冷冻干燥桃脆片硬度、脆度的影响Table 3 Effect of ultrasonic-assisted osmotic treatment on hardness and crispness of vacuum freeze-dried peach chips

2.5 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片吸湿性的影响

由图2A可知，随着时间的延长和相对湿度的增加，桃脆片样品质量不断增加并最终达到平衡。相对湿度在0～90%范围内梯度增加时，对照组质量变化率为0～61.43%、超声辅助蔗糖处理组为0～59.63%、超声辅助低聚异麦芽糖处理组为0～61.17%、超声辅助麦芽糖处理组为0～55.16%、超声辅助葡萄糖处理组为0～55.79%。其中超声辅助麦芽糖和葡萄糖桃脆片吸湿量较小。图2B为桃脆片样品在不同相对湿度（20%、40%、60%、80%）阶段时相同时间内的质量变化率，在各相对湿度阶段内，超声辅助糖液渗透处理桃脆片的质量变化率明显低于对照组，这表明超声辅助不同糖渗透处理均能抑制桃脆片的吸湿作用，且超声辅助葡萄糖和麦芽糖处理效果要优于超声辅助蔗糖和低聚异麦芽糖处理组。超声辅助渗糖处理使桃脆片吸湿性下降的原因是渗糖处理过程中糖液的渗入使桃脆片中的可溶性固形物含量增加，糖中的羟基与桃脆片组织中的亲水基团相结合形成氢键，进而加大了结合亲水基团的比例，因此减少了真空冷冻干燥桃脆片对外界环境中水分的吸附。这与Agnieszka等研究葡萄糖、蔗糖渗透脱水冻干草莓的水分吸附特性结果相似，糖液处理阻碍了真空冷冻干燥草莓对水蒸气的吸收。

图2 超声辅助糖液渗透处理对真空冷冻干燥桃脆片吸湿性的影响Fig. 2 Effect of ultrasonic-assisted osmotic treatment on hygroscopicity of vacuum freeze-dried peach chips

2.6 超声辅助渗透脱水对真空冷冻干燥桃脆片复水性的影响

复水性是反映新鲜果蔬食品干制后吸水恢复原来新鲜程度能力的指标。如表4所示，经过超声辅助糖液渗透处理的桃脆片复水比均低于对照组，但是不同糖液渗透处理组间的复水比无显著性差异。对照组高复水比可能是经过超声处理后样品内部形成了一定的孔隙和真空冷冻干燥过程中冰晶升华留下的大量孔隙致使样品大量吸水。而经过超声辅助渗糖处理组复水比下降，一方面是渗透脱水干燥后桃脆片表面残留一定的糖液，表面的糖液溶解后水分才能进入组织内部，但超声辅助渗糖处理组样品硬度较高，进而增加了水分进入的阻力；另一方面，糖液的渗入以及超声产生的空化作用使桃片细胞空间结构发生变化，如细胞塌陷、较小孔隙的出现均对水分的进入起到一定的阻碍作用。

表4 超声辅助渗透脱水处理对真空冷冻干燥桃脆片的复水性、可滴定酸含量及玻璃化转变温度的影响Table 4 Effects of ultrasonic-assisted osmotic treatment on rehydration ratio, titratable acid content and glass transition temperature of vacuum freeze-dried peach chips

2.7 超声辅助渗透脱水对真空冷冻干燥桃脆片可滴定酸含量的影响

可滴定酸度含量是衡量植物源产品品质的主要指标之一，是影响风味品质的重要因素。由表4可知，与鲜样相比对照组和不同糖液渗透处理组可滴定酸含量显著降低（＜0.05）。一方面是因为渗透脱水过程也伴随着传质，脱水过程使样品中的一些天然游离酸流失；另一方面，超声引起的空化作用会使细胞结构损伤，进而导致一些可溶性的低分子质量酸被脱除。本研究结果与Deng Yun、Gabaldon-Leyva等研究超声辅助渗透处理甜椒可滴定酸含量变化的结果相似。

2.8 超声辅助渗透脱水对真空冷冻干燥桃脆片玻璃化转变温度的影响

超声辅助渗透脱水过程使得渗透液中的溶质（糖）进入到桃片内部，糖改变了固体基质内成分的含量，所以会对产品玻璃化转变温度造成一定影响。葡萄糖、麦芽糖、蔗糖的玻璃化转变温度分别为29、87、56.5 ℃左右。由表4可知，与对照组相比，不同种类糖渗透处理对桃脆片玻璃化转变温度影响显著，其中超声辅助麦芽糖渗透脱水处理的桃脆片玻璃化转变温度升高了11.9 ℃，而其他糖渗透处理组的玻璃化转变温度降低，可能是麦芽糖的分子质量较其他糖大，分子质量大的糖分子结构较为坚固，不易变形，进而使桃脆片的玻璃化转变温度升高。经过超声辅助葡萄糖渗透处理的样品玻璃化转变温度最低，与对照组相比降低了16.04 ℃，是因为葡萄糖属于小分子糖且具有最低的玻璃化转变温度，在渗透过程中大量渗入桃片。总体来说，任何混合物的玻璃化转变温度都受到每个组分的玻璃化转变温度和混合物中每种组分比例的高度影响。桃脆片体系中各种糖类占比对玻璃化转变温度的具体影响还需要进一步研究。

3 结 论

本实验探究了超声辅助糖液渗透处理对真空冷冻干燥桃脆片干制品品质（水分损失率、固形物得率、色泽、质构、微观结构）及吸湿性的影响，发现超声和糖液渗透二者协同影响桃脆片的品质，细胞破裂和微细孔道的形成以及细胞内外渗透压差的存在加快了鲜样的水分损失和固形物含量增加，糖液渗入桃片组织细胞内并吸附于细胞壁对其细胞组织结构起到支撑作用，从而增加了产品的硬度。冻干桃脆片疏松多孔的结构易吸湿，经过超声辅助糖液渗透处理后，致密的孔隙结构和细胞结构的坍塌以及糖液附着在桃片的组织细胞与羟基相互作用，减少了桃脆片游离亲水基团的数量，阻碍了外界水分的进入，进而降低了冻干产品的吸湿性，复水性实验结果也验证了这一结论。超声辅助渗透脱水过程中不同种类的糖进入体系内部，使体系内物质成分发生变化，进而改变了体系的玻璃化转变温度，而提高玻璃化转变温度有利于贮藏，抑制干制品吸湿，防止品质劣变。

本实验所得具体结论如下：超声辅助4 种糖液渗透脱水均可显著提高桃片的水分损失率和固形物增加率；且处理组与对照组*、*、*值无明显差异，颜色保留率高；细胞结构塌陷和糖液吸附作用能显著增加冻干桃脆片硬度；经过超声辅助不同糖液渗透处理的冻干桃脆片吸湿性和复水比均下降；超声辅助糖液渗透处理中糖液种类的选择对样品体系玻璃化转变温度的影响也不同，其中麦芽糖处理显著提高了冻干桃脆片的玻璃化转变温度，葡萄糖处理则显著降低了玻璃化转变温度。