解冻方式对微波干燥甜菜理化性质的影响

刘 艳 唐小闲 高 丹 段振华 任爱清

(1. 贺州学院食品与生物工程学院,广西 贺州 542899; 2. 广西康养食品科学技术重点实验室,广西 贺州 542899; 3. 贺州学院食品科学与工程技术研究院,广西 贺州 542899)

甜菜(BetavulgarisL.)又名紫菜头、菾菜、红菜头,具有安全、健康、保健、无毒副作用等特点,被广泛应用于食品、医药等领域[1]。甜菜中富含大量生物活性化合物,如甜菜素、多酚、黄酮、类胡萝卜素、抗坏血酸、硝酸盐和皂苷等;其含水率较高,贮藏过程易失水和腐烂变质,需进行干燥处理以延长其贮藏期。

冻融是一种非热预处理,即先将原料冻结至冰点,然后在较高温度下解冻冻结的原料[2]。冻融预处理通过改变细胞膜的渗透性和破坏细胞壁结构可显著提高产品的干燥速率[3]。郭婷等[4]研究发现冻融预处理提高了热风干燥大果山楂产品品质。冻融循环2次得到的大果山楂干制品的硬度最小,具有较好的松脆性,干制品亮度值最大且色泽较好。解冻是冻结的逆过程,解冻过程中发生的各种物理、化学变化,会给产品带来一系列的影响[5]。解冻方式直接影响产品品质,不适宜的解冻方式会破坏产品的理化性质,包括产品汁液流失、变色、风味劣变、质地改变、脂质氧化、蛋白质变性等,导致产品质量降低[6-8]。常用的解冻方式有水解冻、自然空气解冻、冷藏解冻、超声解冻、微波解冻、超高压解冻、真空解冻、溶液浸渍解冻等[9-10]。水解冻包括静水解冻和流水解冻,是以水为介质的解冻方法,具有解冻速度快、样品质量耗损少等优点,但易引起产品的营养流失、品质劣变和微生物滋生等问题[11]。自然空气解冻是以空气为介质进行解冻,又叫室温解冻,是生产加工中常用的解冻方法,具有适用范围广、节约能源、操作简单等优势[12]。冷藏解冻速率慢,耗时较长,不利于提高生产效率[13]。微波解冻是利用微波的穿透能力,能够做到快速、深层解冻,不仅能显著缩短解冻时间,降低汁液流失率,还能更好地保持产品质量[5,14]。但微波功率较大,会导致解冻原料热分布不均匀、边缘熟化、色泽变差、保水性下降等问题[15]。超声波解冻能提高解冻速率,缩短解冻时间,改善解冻不均匀等问题,但存在能耗大、解冻效果受制于超声波频率和功率等缺点[15-16]。

Shen等[17]研究发现,流水解冻可使热风干燥速率明显提高,有效降低了总能耗。此外,冻融预处理还改变了马铃薯面粉的淀粉组成、凝胶化、流变学和热性能。Xu等[18]研究表明,超声波和不同冻融预处理的应用可显著缩短干燥时间,降低总能耗;采用超声和冷冻—空气解冻预处理的秋葵干物质含量损失最大(9.008%和5.602%),叶绿素降解较低,总酚、总黄酮和果胶含量较高,并具有较强的抗氧化能力,说明冷冻—空气解冻和超声预处理方法的效果优于其他方法。

目前,有关不同解冻方式对甜菜微波干燥品质的影响尚未见报道。研究拟探讨不同解冻方式(包括室温解冻、流水解冻、超声波解冻、微波解冻和冷藏解冻)对微波干燥甜菜理化性质的影响,旨在为冷冻甜菜选择合适的解冻方式,确保冻融预处理甜菜经微波干燥后具有较好的品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜甜菜:产地为江苏省徐州市,单果重500 g左右,于-4 ℃冷库中贮藏备用,市售;

芦丁标准品、没食子酸标准品、福林酚试剂:上海源叶生物科技有限公司;

其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

微波炉:G70D20CSP-D(S0)型,广东格兰仕微波炉电器制造有限公司;

微波干燥系统:SAM-255型,美国CEM公司;

电子天平:JJ1000型,常熟市双杰测试仪器厂;

数显恒温水浴锅:HH-4型,常州国华电器有限公司;

水分测定仪:MA 150型,北京赛多利斯仪器系统有限公司;

色差仪:CR400型,日本柯尼卡美能达公司;

冰箱:BCD-215LEKV型,青岛海尔股份有限公司;

可见分光光度计:722型,上海佑科仪器仪表有限公司;

摇摆式高速粉碎机:DFY-600D型,温岭市林大机械有限公司;

数控超声波清洗器:KQ5200DV型,昆山市超声波仪器有限公司。

1.3 冷冻甜菜的制备

新鲜甜菜用自来水洗涤,去皮,切成厚度为3 mm、直径为7.5 cm的圆片,再用聚乙烯食品包装袋进行包装,每袋300 g,密封后于-20 ℃冷冻12 h。

1.4 解冻方法

将冷冻甜菜片从-20 ℃冰箱取出,随机分为5组进行解冻处理,观察解冻过程中甜菜片冰晶的融化情况,以甜菜片中冰晶全部融化视为解冻终点,并记录解冻时间。

1.4.1 室温解冻 将冷冻甜菜片(300.0 g)连同包装袋置于不锈钢托盘中,于室温25 ℃进行自然室温解冻。

1.4.2 流水解冻 将冷冻甜菜片(300.0 g)连同包装袋置于沥水篮,于流速为20 mL/s的自来水(水温23 ℃)中进行解冻。

1.4.3 冷藏解冻 将冷冻甜菜片(300.0 g)连同包装袋置于4 ℃冰箱中进行解冻。

1.4.4 微波解冻 将冷冻甜菜片(300.0 g)置于微波专用托盘中,微波功率140 W下进行解冻。

1.4.5 超声波解冻 将冷冻甜菜片(300.0 g)连同包装袋置于超声波腔体中,用自来水浸没,于超声波功率为200 W,超声温度为26 ℃下进行解冻。

1.5 甜菜微波干燥

将解冻后的甜菜片平铺于样品盘,于微波功率390 W下进行微波间歇干燥;微波干燥3 min称重一次,间隔3 min后再继续进行微波干燥,直至甜菜片质量低于设定值时结束。

1.6 指标测定

1.6.1 最终含水率 采用水分测定仪进行测定。

1.6.2 解冻损失率 称量解冻前样品质量(m1),解冻结束后取出样品,用吸水纸吸干样品表面水分后再称质量(m2),并按式(1)计算解冻损失率[19]。

(1)

式中:

T——解冻损失率,%;

m1——解冻前样品的质量,g;

m2——解冻后样品的质量,g。

1.6.3 复水比 取2.0 g微波干燥样品,放入盛有200.0 g蒸馏水的烧杯中,于80 ℃水浴锅内进行复水性试验[20]。复水15 min后取出样品置于滤网上,用吸水纸擦干样品表面水分再称重,并按式(2)计算复水比。

(2)

式中:

RR——复水比;

m0——复水前样品的质量,g;

mr——复水沥干后样品的质量,g。

1.6.4 色泽 为了保证样品的均匀性,新鲜甜菜打浆后测定其颜色,而微波干燥甜菜样品打粉后测定粉末颜色。按式(3)计算总色差(ΔE)[21]。

(3)

式中:

ΔE——色差值;

L*、a*、b*——干燥后甜菜的色度值;

1.6.5 甜菜提取液制备 甜菜经微波干燥后粉碎,过60目筛,得到甜菜粉。取1.0 g甜菜粉于50 mL离心管中,加入15 mL体积分数为50%的乙醇溶液,旋涡混匀3 min,5 500 r/min离心15 min。收集上清液,分别用15 mL体积分数为50%的乙醇溶液再提取沉淀物2次。合并提取液,并用50%乙醇溶液定容至50 mL,得到甜菜提取液。

1.6.6 甜菜素含量 参照Stintzing等[22]的方法,并按式(4)计算甜菜素含量。

(4)

式中:

C——甜菜素含量,mg/g;

A480 nm、A538 nm、A600 nm——提取液在480,538,600 nm处的吸光值;

DF——提取液的稀释倍数;

l——比色皿光程;

V——提取液的体积,L;

m——甜菜粉的质量,g;

MW——摩尔质量,甜菜红素、甜菜黄素的摩尔质量分别为550,308 g/mol;

ε——摩尔消光系数,甜菜红素、甜菜黄素的摩尔消光系数分别为60 000,48 000 L/(mol·cm)。

1.6.7 总酚含量 参照Alvatez-Pzrrilla等[23]的方法。

1.6.8 总黄酮含量 参照Souza等[24]的方法。

1.7 数据处理

采用SPSS 22.0统计软件进行方差分析,采用多重比较分析法进行差异显著性分析,小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 解冻方式对解冻时间、解冻损失率、干燥时间和最终含水率的影响

2.1.1 解冻时间和解冻损失率 由图1可知,不同解冻方式下甜菜的解冻时间差异显著,其中冷藏解冻所需时间最长(为364.0 min),其次为室温解冻,流水解冻和超声解冻的接近。微波解冻所需时间最短(为7.3 min),是由于微波发射的高频磁场可使冻结甜菜中水分子发生振荡,分子间剧烈摩擦产热,甜菜从内到外同时吸收微波能量,受热均匀,解冻时间明显缩短[25]。

图1 解冻方式对解冻时间和解冻损失率的影响

解冻损失是食品保水性的一种外在表现形式。冷冻后的甜菜在解冻时,内部冰晶融化的水若不能回到组织中,会变成汁液流出,造成较多的重量损失,同时也会影响甜菜品质。由图1可知,5种解冻方式均会产生一定的解冻损失,其中超声波解冻的最高达9.91%,与王夷秀等[10]的结果一致。这可能是由于超声振动产生的能量被甜菜吸收,能量传递过程中导致甜菜内外温度不均匀及超声波的“空化效应”,引起甜菜汁液流失,导致解冻损失率大。冷藏解冻和流水解冻的甜菜解冻损失率显著低于室温解冻、微波解冻及超声波解冻的(P<0.05)。冯钰敏等[26]研究表明,冻藏解冻和流水解冻的解冻损失率最小,显著低于室温解冻和微波解冻的。冷藏解冻的解冻损失率最低为1.72%,与王晋等[27]的研究结果一致,其原因可能是解冻温度较低,解冻时间较长,解冻时冰晶融化形成的渗出液有足够的时间又进入细胞内[28],说明冷藏解冻条件下甜菜的保水性最强,能最大程度降低解冻导致的物质流失[29]。Xia等[30]研究表明,微波解冻的解冻损失率高于冷藏解冻的,且冷藏解冻的解冻损失率最低,与试验结果一致。

2.1.2 微波干燥时间和最终含水率 由图2可知,不同解冻方式下甜菜微波干燥时间为37.0～39.7 min,且不同解冻方式对微波干燥时间影响不显著,可能是因为微波干燥过程中甜菜的量较少且微波干燥速率快,干燥时间较短,所有微波干燥时间差异不明显。同时,经微波干燥后甜菜的最终含水率为4.34%～4.76%,不同解冻方式对微波干燥甜菜的最终含水率无显著影响,这也说明最终含水率对微波干燥甜菜品质的影响可以忽略不计。

2.2 解冻方式对微波干燥甜菜复水性和色泽的影响

2.2.1 复水比 由图3可知,不同解冻方式对微波干燥甜菜的复水比影响显著(P<0.05)。经冷藏解冻的甜菜微波干燥后其复水比最高达4.82,可能与解冻速率及解冻时间有关,冷藏解冻时间长,冰晶融化较慢,对细胞破坏程度较少,解冻损失较少,故复水性较好。微波解冻的甜菜经微波干燥后复水比相对高于流水解冻、超声波解冻和室温解冻的,室温解冻的甜菜经微波干燥后复水比最小,可能与室温解冻解冻损失率较大且解冻时间长有关,导致细胞破坏程度较高,故复水比较少。而流水解冻和超声波解冻对微波干燥甜菜复水比的影响差异不显著。

图3 解冻方式对微波干燥甜菜复水比的影响

2.2.2 色泽 由表1可知,不同解冻方式得到的甜菜经微波干燥后色泽品质指标均有显著差异(P<0.05)。与新鲜甜菜相比,经微波干燥甜菜的L*值显著增大,表明甜菜微波干燥后亮度增大。微波解冻后得到的微波干燥甜菜L*值最高,显著高于室温解冻、冷藏解冻、超声波解冻和流水解冻的,流水解冻导致甜菜的L*值最低,说明流水解冻降低了甜菜的亮度。a*值表示甜菜的红色度,a*值越高说明甜菜越红,这与甜菜中的色素含量有关。微波干燥后的甜菜a*值显著高于新鲜甜菜,可能是由于微波干燥后,甜菜水分含量减少,色素含量相对增大,故a*值显著增加。室温解冻的甜菜经微波干燥后a*值最大,说明甜菜的颜色较红,而流水解冻导致微波干燥甜菜的a*值相对最小,与新鲜甜菜的接近。而冷藏解冻、微波解冻和超声波解冻对微波干燥甜菜a*值的影响不显著。所有微波干燥甜菜的b*值均高于新鲜甜菜,说明甜菜在干燥过程中发生了一些褐变[18]。室温解冻下得到的微波干燥甜菜的b*值显著高于其他解冻方式的(P<0.05),而超声波解冻得到的微波干燥甜菜的b*值显著低于其他解冻方式的,与新鲜甜菜的b*值接近且差异不显著。室温解冻后的微波干燥甜菜ΔE最大,表明其与新鲜甜菜的颜色差异最大,而流水解冻后得到的微波干燥甜菜ΔE最小,仅为5.81,与Xu等[18]的研究结果相反。这可能是由于流水解冻的时间相对较短且解冻损失率不高,所以微波干燥后甜菜的颜色变化不大,与新鲜甜菜的颜色最为接近。

表1 解冻方式对微波干燥甜菜色泽的影响

2.3 解冻方式对微波干燥甜菜的甜菜素、总酚和总黄酮含量的影响

2.3.1 甜菜素含量 由图4可知,超声波解冻的甜菜经微波干燥后甜菜红素含量最高,且显著高于其他几种解冻方式的,可能是由于超声波的“空化效应”更有利于甜菜红素的提取。微波解冻和室温解冻导致微波干燥甜菜的甜菜红素含量显著低于超声波解冻、流水解冻和冷藏解冻的,可能是由于微波的热效应,剧烈快速解冻导致甜菜红素损失,而室温解冻所需解冻时间稍长,解冻损失率也相对较高,甜菜红素随汁液流出。然而,微波解冻的甜菜经微波干燥后甜菜黄素含量显著高于其他解冻方式,可能是微波解冻过程中温度升高,甜菜红素转变成甜菜黄素。此外,超声波解冻、流水解冻、室温解冻和冷藏解冻的甜菜黄素含量无显著差异(P>0.05),说明这几种解冻方式对甜菜黄素含量的影响不大。

图4 解冻方式对微波干燥甜菜甜菜素含量的影响

2.3.2 总酚含量和总黄酮含量 由图5可知,解冻方式显著影响微波干燥甜菜的总酚含量(P<0.05)。流水解冻得到的甜菜经微波干燥后总酚含量最高,其次为冷藏解冻、室温解冻、超声波解冻和微波解冻的,与Xu等[18]的研究结果类似。微波解冻导致甜菜总酚含量最低,显著低于其他4种解冻方式,可能是由于微波解冻的解冻损失率较高,同时微波解冻的热效应导致总酚有所损失。

图5 解冻方式对微波干燥甜菜总酚含量和总黄酮含量的影响

解冻方式对微波干燥甜菜总黄酮含量的影响显著(P<0.05),不同解冻方式得到的微波干燥甜菜总黄酮含量排序为超声波解冻>流水解冻>冷藏解冻>室温解冻>微波解冻。超声波解冻(16.59 mg RE/g)和流水解冻(16.50 mg RE/g)的甜菜经微波干燥后总黄酮含量显著高于其他3种解冻方式的,可能是超声波的“空化效应”更有利于总黄酮的提取;流水解冻的解冻损失率较小,总黄酮损失也相对较小,故经微波干燥后甜菜的总黄酮含量相对较高。而微波解冻后的甜菜经微波干燥后总黄酮含量最低为13.86 mg RE/g,可能是微波的热效应导致损失了一部分总黄酮。

3 结论

考察了不同解冻方式对微波干燥甜菜理化性质的影响。结果表明,不同解冻方式的解冻时间差异显著,冷藏解冻的时间最长,微波解冻的时间最短,但微波干燥时间和甜菜最终含水率无显著差异;不同解冻方式对解冻损失率影响显著(P<0.05),超声波解冻的甜菜解冻损失率最大,而冷藏解冻的最小。与其他解冻方式相比,冷藏解冻的微波干燥甜菜的复水比最大,流水解冻可以更好地保存甜菜的颜色。通过超声波解冻获得的微波干燥甜菜的甜菜红素含量显著高于其他解冻方式的,而微波解冻获得的微波干燥甜菜的甜菜黄素含量最高。不同解冻方式对微波干燥甜菜的总酚含量和总黄酮含量影响显著(P<0.05),流水解冻的甜菜经微波干燥后显示出最高的总酚含量,而微波解冻导致微波干燥甜菜的总酚含量显著低于其他解冻方式的。同时,流水解冻和超声波解冻后的微波干燥甜菜中总黄酮含量显著高于其他解冻方式的。综合考虑微波干燥甜菜的理化性质,流水解冻是一种更适合于冷冻甜菜解冻的方式。试验仅探究冻融预处理中解冻方式对微波干燥甜菜理化性质的影响,而未考虑冻结条件,尤其冷冻温度的影响,故后续研究重点为冷冻温度对微波干燥甜菜理化性质的影响。