渗透脱水预处理对冷冻杏果实品质的影响

刘帮迪，冯欣欣，舒 畅，姜微波，周新群，李 雪

（1.农业农村部规划设计研究院，北京100125；2.中国农业大学，北京100091；3.农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京100121；4.农业农村部转基因生物安全评价（食用）重点实验室，北京100121；5.杭州创灶莓满科技有限公司，浙江 杭州311200）

杏（Armeniaca vulgaris Lam.）为蔷薇科杏属植物，营养极为丰富，富含较多的糖、蛋白质以及钙、磷等矿物质，具有防老抗衰、防癌抗癌及防止心血管疾病等多种药理作用[1]。我国是杏果实生产大国，目前栽培面积约67万hm2，生产面积、产量均居世界第一[2]。杏的成熟期一般集中在5—7月，采摘后果肉易软化，在运输及贮藏过程中极易发生腐烂变质，导致杏的鲜果货架期极短，仅3～5 d[3]，而且杏作为典型的呼吸跃变型果实，在长时间贮藏后以质地、色泽、香气、多酚类为主的功能性成分均会出现较大的变化，因此，我国杏果实产业在原料销售、加工中常选择干燥或冷冻技术进行贮藏，以延长杏果实原料的可加工周期。但是传统的干燥方式时间长，果实在加工过程中除水分含量发生变化外，还会伴随果实褐变、形状皱缩、营养物质流失、风味和色泽等品质劣变的发生，使杏果实丧失加工性能。

冷冻技术可以通过抑制微生物的生长繁殖、果实酶活性和易损营养物质的氧化反应[4]，延长杏的贮藏期，保持果实品质。但在冷冻、解冻或环境温度波动过程中，由于果实细胞中溶液的水分容易凝结成大冰晶使其受到损伤[5]，细胞壁、细胞膜等微观结构发生破裂，果蔬中的酚类底物与多酚氧化酶的接触机率增加[6]，更易发生酶促褐变。但冷冻不会破坏酶的结构和特性，只能降低酶的活性和果蔬组织中生化反应的速度，所以果实冷冻融化后会出现褐变、质地变软、汁液流失、营养损失等品质劣变现象，从而影响其加工和商品品质。因此，在冷冻前保护杏果实细胞结构，提高冷冻速率，对提升杏果实原料冷冻贮藏的品质十分必要。

冷冻前预处理能提升食品冷冻贮藏品质，减少生物活性物质的损失。常用的冷冻前预处理方式主要有热烫、护色剂预处理等[7-8]。渗透脱水处理（Osmoticdehydration treatment,OD）是近年来研究较多的冷冻前预处理方式[9]。渗透脱水-冷冻是指在果蔬冷冻前去除部分水分，达到理想的水分含量[10]。渗透脱水包括两个重要的传质过程：一是水从果蔬基质中流向高渗溶液，二是溶质从高渗溶液流向果蔬基质。这两个过程通过降低含水量减少冷冻后果蔬中冰晶的形成，降低初始冰点，缩短冷冻时间，改善果蔬质地，减少汁液流失，保持果蔬品质[11-12]。Giannakourou等[13]研究表明，草莓在冷冻前采用渗透脱水的方法降低了水分含量和水分活度，缩短了冷冻时间，草莓品质得到提升。Fan等[14]研究了渗透脱水对猕猴桃冷冻品质的影响，结果表明，渗透脱水对猕猴桃的冷冻速率和细胞结构有积极影响。近年来，渗透脱水冷冻加工技术在苹果、青豆、猕猴桃、芒果、火龙果、梨、桃、草莓和番茄等果蔬中得到广泛应用[15-17]，具有减少冷冻负荷、节省能源、减少包装、销售和贮藏成本等优点[18]。

目前，果蔬渗透脱水技术已有一定研究基础，而渗透脱水和冷冻联合应用于杏果实长时间贮藏的研究较少[19]。本试验以大接杏为试材，对其冷冻前进行渗透脱水处理，并与经烫漂处理（Blanching treatment,BL）、亚硫酸钠处理（Sodium sulfite pretreatment,SP）后再进行冻藏的杏果实品质进行对比，以期为渗透脱水预处理应用于冷冻杏果的加工提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

大接杏：购于北京新发地市场，选择大小均匀，无机械损伤，成熟度为青熟，试验前未进行长时间冷藏的果实；白砂糖：食品级，市售；醋酸钠、聚乙二醇（PEG）、交联聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）、Triton X-100、邻苯二酚、愈创木酚、过氧化氢溶液、磷酸二氢钠、二硫苏糖醇（DTT）、抗坏血酸、冰乙酸、乙酸钠：均为分析纯，购于北京试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

DW-86L388J低温保存冰箱，青岛海尔医疗股份有限公司；SE1501F电子天平，西杰天平（北京）仪器有限公司；FlashLink电子数据记录仪，美国DeltaTARK公司；GL-20G-Ⅱ高速冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂；AR1530电子精密天平，上海奥豪斯公司；UV-VisT6新世纪紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；LC-20A高效液相色谱仪，日本岛津公司；3nh精密色差仪，深圳市三恩驰科技有限公司；A11液氮研磨机，德国IKA公司；HH-6数码恒温水浴锅，江苏省金坛市熔化仪器制造有限公司；DL-01型烘箱，天津中环试验电炉有限公司；TMS-Pro质构仪，美国Food Technology Corporation公司。

1.2 方法

1.2.1 样品制备及处理

杏果实经清洗后，沿缝合线切开，去核，制成杏碗，用针头穿刺小孔（1个/cm2）后备用。样品分为4组：直接冻藏（CK）组、烫漂（BL）组、亚硫酸钠（SP）组、渗透脱水（OD）组。根据预试验结果确定各处理组冷冻前预处理条件为：烫漂组，90℃热水烫漂2 min；亚硫酸钠组，0.1%焦亚硫酸钠水溶液浸泡10 min；渗透脱水组，用40.8℃的60.2°Brix蔗糖溶液渗透脱水处理6 h。OD脱水处理后的杏果实失水率为21.32%。所有处理组溶液中均添加质量分数为1.5%的氯化钙和3%的柠檬酸。

分别将以上4组样品于-25℃冰箱中保存48 h，取出后常温水浴解冻2 h后，立即用液氮冷冻，样品置于-80℃冰箱中贮藏以备后续指标测定。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 色差

参照刘帮迪等[20]的方法进行测定，用色差仪在反射模式下测定杏果实的L*、a*、b*值，以标准白板为对照，色差值ΔE计算公式如下：

式中：L0*、a0*、b0*分别为初始样品的亮度值、红绿值、黄蓝值；L1*、a1*、b1*分别为处理样品的亮度值、红绿值、黄蓝值。

1.2.2.2 硬度和汁液流失率

冻融杏果实的硬度参照Liu等[21]的方法，使用质构仪测定。将果实置于TMS-Pro质构仪中，采用P/38（直径38 mm）的平板圆柱探头对试样进行TPA测试。测试参数如下：检测速度10 mm/min，压缩程度30%，起始力0.5 N，测量环境温度25 °C。由测试获得质地特征曲线，经Texture Lab Pro软件分析得到硬度值。

冻融果实的汁液流失率参照张雅丽等[22]的方法测定，冷冻样品的持水能力通常用解冻汁液流失率表示。取不同冷冻预处理的杏果实，称其质量后常温水浴解冻2 h，然后用滤纸擦拭表面的汁液，2 min后用滤纸吸干水分后再称其质量。汁液流失率计算公式如下：

式中：M1为解冻前样品质量，g；M2为解冻后样品质量，g。

1.2.2.3 杏果实冷冻参数

参考Cheng等[23]的方法稍作修改，将杏果实分别在（-20±2）℃条件下进行冻结规律试验。将温度记录仪的探头插入6个平列的果肉中心位置，之后放入-20℃冰箱中进行测定，待温度下降至-18℃时停止监测。记录器设定每10 s记录1次探针的温度，记录各组预冷时间、相变时间、低温冷却时间。

1.2.2.4 褐变相关酶活性

多酚氧化酶（PPO）活性：参照刘帮迪等[24]的方法测定，略作修改。以每克鲜重杏果实样品每分钟吸光度变化值增加1为1个PPO活性单位（U）。

过氧化物酶（POD）活性：参照刘帮迪等[24]的方法测定，略作修改。以每克鲜重杏果实样品每分钟吸光度变化值增加1为1个POD活性单位（U）。PPO和POD活性计算公式如下：

式中：ΔOD420为反应混合液吸光度变化值；Δt为酶促反应时间，min；V为样品提取液总体积，mL；Vs为测定时所取样品提取液体积，mL；M为样品质量，g。

1.2.2.5 抗坏血酸和总酚含量

抗坏血酸含量：根据Zia等[25]的方法测定，略有修改。称取2.0 g样品，加入3 mL NaH2PO4缓冲溶液，超声提取15 min后离心。取800 μL上清液加入200 μL的DTT（2 g/L），静置2 h，过有机膜后，进行HPLC分析。色谱柱为岛津C18（4.6 mm×150 mm,5 μm）；检测波长245 nm；柱温30℃；流动相为10%甲醇水溶液，等梯度洗脱，流速1 mL/min。

总酚含量：测定参照Zhao等[26]的方法并略作改动。称取1.0 g杏果实样品粉末于50 mL离心管中，加入20 mL 70%的乙醇溶液，混匀。对该混合物进行超声波处理1 h后，在17 000 r/min、4℃下低温离心25 min，收集上清液，重复提取2次，将两份上清液合并即为总酚提取液。将该多酚提取物置于旋转蒸发仪中，30℃下旋蒸浓缩后，用去离子水稀释至50 mL。取0.15 mL总酚提取液（用提取溶剂稀释），加入10倍稀释的福林-酚试剂1.5 mL，混匀静置5 min后加入1.5 mL碳酸钠溶液（60 g/L），混合液于75℃恒温水浴10 min，随后立即冰浴30 s，于725 nm波长下测定吸光度值，以提取溶剂作为空白。以没食子酸为标准品制作标准曲线，计算总酚含量。

1.2.3 数据处理

应用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，试验结果以±s表示，P＜0.05表示差异显著，P＜0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 不同冻藏预处理对杏果实色泽的影响

在果蔬解冻过程中，褐变现象是最严重的品质劣变现象[27]。L*代表亮度值，a*代表红绿值，b*代表黄蓝值。由图1可知，果肉L*和a*值除CK组外，其他处理组与初始样品无显著性差异，这表明CK组亮度明显下降，果肉颜色变暗，褐变现象严重。BL、SP组果肉b*值显著高于其他处理组（P＜0.05），经烫漂和亚硫酸钠预处理后有效抑制了酶活性，使得b*值提高，果肉黄色加重。OD组果肉的L*、a*、b*值与初始样品相比无显著差异，说明冷冻前渗透脱水预处理可以有效抑制褐变导致的色泽变化。这可能是因为糖分子在渗透脱水过程中，通过渗透作用进入到杏果实内部组织，从而在一定程度上维持了杏果实的色泽。杏果实冻融后各试验组果皮b*值与初始样品相比，均有所增加。色差ΔE值可以反映杏果实褐变的程度。由图2可以看出，在各处理组中，OD组果肉、果皮的色差值最低，说明冷冻前渗透脱水预处理有效保持了冻藏杏果实解冻后的颜色，抑制了褐变的发生。

图1 杏果实在不同处理方式下的色度值Fig.1 Chromaticity values of apricot fruit with different treatments

图2 杏果实在不同处理方式下的色差值Fig.2 Color difference values of apricot fruit with different treatments

2.2 不同冻藏预处理对杏果实硬度和汁液流失率的影响

由于冷冻形成的冰晶结构会对果实细胞造成破坏，因此解冻后的果实通常都会出现质地下降和汁液流失的现象[28]。如图3A所示，与初始样品相比，各组杏果实冻融后的硬度都有所下降，CK组硬度仅为7.5 N，是所有组中最低的。此外，BL和SP组杏果实在冷冻融化后硬度下降也十分明显，与CK组之间无显著差异，表明BL和SP组杏果实冻融后的质地也出现明显变软的现象，这是由于冷冻过程中生长的冰晶刺穿质膜而导致细胞的节律性丧失，并且细胞壁结构遭到破坏，导致组织破裂，释放降解酶。这些酶可在解冻过程中与果胶和半纤维素结合，并可能导致细胞壁塌陷，从而在较大的细胞空间下导致细胞分离[29]。OD组硬度为11.3 N，虽然低于初始样品，但却显著高于其他处理组和对照组（P＜0.05），这是因为冻前经渗透脱水预处理后的杏果实水分含量降低，冻结速率更快，冻结过程中在细胞壁间生成的冰晶细小且均匀，减轻了细胞组织结构受机械损伤的程度，从而提高了硬度。

图3 杏果实在不同处理方式下的硬度（A）和汁液流失率（B）Fig.3 Hardness(A)and juice loss rate(B)of apricot fruit with different treatments

汁液流失是果蔬冻融后的普遍现象，除对食品品质造成不可逆的不良影响外，果蔬的营养物质也会伴随汁液流失大量外溢[30]。汁液流失率与果蔬细胞持水力有着密切的关联，汁液流失率越低说明细胞的持水力越强，果蔬的口感越佳、食用价值越高。如图3B所示，OD组的汁液流失率最低，与CK组相比，汁液流失率降低了6.53个百分点。原因可能是渗透处理时糖分子进入杏果实细胞组织结构中，对周围的水分子起到了一定的束缚作用，增强了果实细胞的持水力，减少了汁液流失。此外，大量研究表明，果蔬冷冻过程中，硬度软化和汁液流失现象通常可以反映果实细胞的破坏程度[31]。由此可知，OD预处理可以最大化程度地保护杏果实在冷冻融化过程中的细胞完整性。

2.3 不同冻藏预处理对杏果实冷冻性能的影响

果蔬冻结过程大致分为3个阶段：第一阶段温度范围约为4～0℃，称为预冷阶段；第二阶段温度范围约为0～-5℃，是第一粒冰晶体生成阶段，食品内大约80%的水分在此阶段结冰，此段温度范围为最大冰晶生成带，称为相变阶段；第三阶段温度范围约为-5～-18℃，冻结速度较慢，冻结时间较长，称为低温冷却阶段[32]。从表1可以看出，CK、BL、SP、OD组相变时间分别为4 710、2 100、2 340、1 500 s，其中OD组相变时间最短，且只有OD组穿越最大冰晶生成带的时间在30 min之内，达到速冻的要求[33]。

表1 杏果实在不同处理方式下的冷冻时间参数Table 1 Freezing time parameters of apricot fruits with different treatments 单位：s

冻结时间越短，冻结速率快，冰晶所形成的晶核越细小，冻融后减少大冰晶刺破细胞对果蔬结构造成的机械破坏[34]。杏果实OD组冻结速率快的原因可能是渗透脱水降低了果实中的水分含量，减少了冷冻中冰点负荷，使得果实组织的冰点下降，加速成核率[35]。相反，如果冷冻速率较慢，冰晶生长与热量散失同步，这将导致冰核活化数量减少，从而生成较大冰晶。

2.4 不同冻藏预处理对杏果实褐变相关酶活性的影响

PPO是引起果蔬酶促褐变最主要的酶类，其通过催化果蔬原料中的内源性多酚类物质氧化进而生成醌类，再聚合成黑色素，严重影响果蔬的营养、风味及外观品质，降低可食用性[36]。由图4A可以看出，BL、SP组PPO活性显著低于CK、OD组（P＜0.05）。这是由于PPO对温度较为敏感，容易受高温影响失活，因此果蔬加工工业上经常使用烫漂处理钝化PPO的活性，以减少果蔬加工过程中的褐变发生[37]。亚硫酸盐处理可以将酮类物质转化成酚类，通过阻止氮基化合物发生聚合作用来防止食品发生酶促褐变[38]，因此BL和SP处理后的杏果实在冻融后具有良好的色泽。

图4 杏果实在不同处理方式下的PPO（A）和POD（B）活性Fig.4 PPO(A)and POD(B)activities of apricot fruit with different treatments

POD作为氧化还原酶易受到微生物侵染、环境改变等刺激，从而导致果蔬产生一系列生化代谢反应，进而影响果蔬的色泽、质地及活性氧清除[39]。由图4B可知，与初始样品组相比，各处理组和CK组冻融杏果实POD活性均显著降低（P＜0.05），其中OD组POD活性与CK组无显著差异，BL组POD活性明显被抑制。渗透脱水预处理虽然可以提高冷冻速率，减小冰晶对组织的破坏，但对PPO和POD的活性抑制作用较小，和传统能抑制果蔬褐变相关酶活性的预处理相比，没有明显效果。目前果蔬加工研究者对褐变发生的机制主要认同两种假说：酚酶分区假说和自由基伤害假说[40]。其中被大部分学者认可的是酚酶分区假说。左卫芳[41]的研究指出，酶促褐变过程中多酚底物、氧和PPO三者分别分布于果蔬细胞不同的位置，无法发生酶促褐变反应。但当果蔬在加工贮藏过程中受外界影响，导致细胞被破坏时，细胞原有的区室状态也会被破坏，使酶与液泡中的酚类底物接触，从而引起褐变。因此，OD预处理虽然不能和BL和SP处理一样显著地抑制酶促褐变关键酶活性，但是由于渗透脱水预处理可以大幅提高冻结速率，并良好地保持果实质地，减少细胞破坏所带来的汁液流失现象，因此减少了酶促褐变中酚类底物和酶接触的概率，大幅度维持了冻融后杏果实的色泽品质。

2.5 不同冻藏预处理对杏果实抗坏血酸含量和总酚含量的影响

抗坏血酸是果蔬中极易损失的一类生物活性物质，它极易被氧化、热解，其含量的高低是衡量加工方式对果蔬活性物质含量影响的重要指标[42]。由图5A可以看出，与初始样品组相比，各处理组和CK组冻融杏果实抗坏血酸含量均显著降低（P＜0.05），其中经烫漂预处理后抗坏血酸含量明显下降，这是由于抗坏血酸在果蔬中属于最不耐热的营养成分，在高温下易分解并造成流失。OD组抗坏血酸含量最高，其次是SP组。渗透脱水预处理后，杏果实的抗坏血酸含量相较于初始样品仅略微下降。SP处理组的抗坏血酸含量高可能是由于亚硫酸盐可以降低组织中的pH值，减少组织中的氧含量，提高了抗坏血酸的稳定性，从而减少其降解[43]。CK组的抗坏血酸含量最低，可能是因为在冻结过程中，大冰晶的形成刺破细胞组织结构，在杏果实冻融后大量抗坏血酸随汁液流失而致。

图5 杏果实在不同处理方式下的抗坏血酸含量（A）和总酚含量(B)Fig.5 Ascorbic acid(A)and total phenol(B)contents of apricot fruit with different treatments

酚类物质是果蔬发生酶促褐变的主要底物。如图5B所示，所有试验组的杏果实在冷冻融化后的总酚含量均比初始样品有所下降，其中CK组总酚含量最低。原因主要为：①酚类物质随汁液流失流出果实组织外；②与酶促褐变关键酶PPO和氧气接触，被彻底氧化为醌类物质。OD组总酚含量显著高于SP和BL组（P＜0.05），达到554.2 mg GAE·kg-1。这可能是因为在OD处理过程中，糖溶液渗入果实细胞中，糖作为一种良好的冷冻保护剂，增强果蔬的持水性和细胞刚性，减少细胞破坏程度，抑制多酚类物质随汁液流失，减少其和酚酶的接触概率，抑制酶促褐变的发生。这也可能是渗透脱水作为预处理方式能够保持冷冻融化杏果实多酚含量最主要的原因。

3 结论

研究发现，和烫漂、亚硫酸钠预处理相比，渗透脱水预处理能明显提高杏果实的冷冻速率，维持杏果实硬度，减少汁液流失现象的发生并有效保持抗坏血酸和总酚含量，减少酶促褐变的发生，维持杏果实冻融后品质。烫漂预处理虽然可以抑制杏果实PPO和POD活性，减少酶促褐变，但烫漂处理严重降低了杏果实的硬度，导致抗坏血酸和总酚等生物活性物质的损失。因此，研究结果认为，渗透脱水预处理作为一种冷冻前的新型预处理技术，能够提高杏果实的冷冻速率和冻融后的品质。该研究为渗透脱水预处理应用于冷冻杏的加工提供了一定理论依据，后续将对渗透脱水预处理对杏果实冰晶形成和玻璃态转变进行深入研究，以明确渗透脱水作为冷冻前预处理方式保护杏果实冻融品质的关键机理。