渗透温度对压差闪蒸干燥胡萝卜脆条质构调控作用研究

张竞竞，彭健，易建勇，毕金峰*，吕健，候春辉，刘嘉宁

1(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京， 100120)2(广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广东省农产品加工重点实验室，广东 广州， 510610) 3(中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工重点实验室，北京， 100193)

胡萝卜，2年生双子叶纲伞形科萝卜属，为世界十大蔬菜作物之一，因富含胡萝卜素、膳食纤维及其他益于人体健康的生物活性物质而享有“金笋”、“小人参”等美誉[1]。研究表明长期食用胡萝卜可提高人体的防癌和抗癌能力，具有抗氧化，延缓衰老的功效[2]。此外，胡萝卜可有效提高机体抵御疾病的能力，可作为维生素A进行安全补充剂[3]。随着现代社会的发展，通过摄入具有保健功能的食品，来改善人们健康水平和提高生活品质，受到越来越多的关注。目前，胡萝卜的加工产品多为半成品(如冷冻胡萝卜、干燥胡萝卜丁/片、胡萝卜粉等)，即食性胡萝卜产品相对缺乏。

压差闪蒸干燥(instant controlled pressure drop drying，DIC)，是一种新型非油炸即食果蔬脆片制备技术[4]，该技术生产的果蔬脆片，具有酥脆可口、食用方便、绿色天然、营养丰富、便于保藏的特点[5]。在压差闪蒸干燥过程中对温度、压力和时间进行精准调控，以瞬间泄压的形式触发温度和压力由高到低的瞬间变化，引起物料水分瞬间汽化、扩散，使被干物料膨胀形成多孔疏松结构，最终实现物料的快速干燥[6]。在采用压差闪蒸技术制备果蔬脆片的过程中，苹果等组织结构相对疏松的果蔬可经预干燥后直接进行压差闪蒸干燥，获得口感酥脆、膨化度高的脆片或脆丁[7]；而胡萝卜等硬质果蔬的膨化度则较低，往往需要进行一定的预处理。前期研究表明，冷冻过程冰晶的生长可以刺破果蔬物料的细胞，有利于胡萝卜闪蒸后形成多孔质构[8-9]；渗透过程固形物的增加，一方面可以改善果蔬干制品口感[10]，一方面也是脆条内部多孔结构的形成前提[11-13]。目前，虽有关于渗透对压差闪蒸果蔬脆片品质的研究，但多以工艺优化为主，关于渗透温度对脆条内部孔隙结构的影响则尚未见报道。

本试验以胡萝卜为原料，经不同渗透温度预处理后，制备压差闪蒸胡萝卜脆条。采用X-ray计算机断层扫描成像技术研究脆条内部孔隙结构，结合感官分析对脆条品质进行评价。旨在探究渗透温度对压差闪蒸胡萝卜脆条内部多孔结构形成的作用效果，明确其对胡萝卜脆条感官品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

市售新鲜胡萝卜(品种黑田五寸，产地山东)，购于北京市海淀区小清河农贸市场，4 ℃条件下储存备用；食品级麦芽糖醇(75 °Brix)，山东绿健生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

DQPH-1120型压差闪蒸干燥设备,天津勤德新材料科技有限公司；DHG-9030型电热鼓风干燥箱、BK-B26型恒温水浴锅,上海晶宏实验设备有限公司；TA.XT2i/50型质构仪,英国Stable Micro System公司；Skyscan 1272型计算机断层扫描仪(μCT),比利时Bruker公司；BCD-252KSF型海尔冰箱,海尔股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 胡萝卜脆条的制备方法

胡萝卜经清洗去皮后切成10 mm×10 mm×40 mm的胡萝卜条，将样品均分成3份，置于-18 ℃的冰箱中冷冻12 h。冷冻结束后，样品取出分别浸入温度为(25±2)、(50±2)和(100±2)℃，60 °Brix的麦芽糖醇溶液中进行渗透，固液比1∶3(g∶mL)。当溶液温度达到设定温度后开始计时，绘制渗透时间与固形物增量(solute gain，SG)曲线，每组试验重复3次。固形物增量的计算参考OZEN等[14]的方法，如公式(1)所示：

(1)

式中：St表示渗透后胡萝卜样品干基质量，g；S0表示未渗透的胡萝卜干基质量，g；W0表示胡萝卜鲜样质量，g。

不同渗透时间样品取出后，用双蒸水冲洗除去表面糖液，用吸水纸拭除表面水分后置于电热鼓风干燥箱(温度70 ℃，风速2.1 m/s)，预干燥3 h至干基含水量0.5 g/g。预干燥胡萝卜样品装入自封袋中，于4 ℃均湿10 h后进行压差闪蒸干燥(设备如图1所示)。干燥过程中，提前将样品处理仓加热到100 ℃，将物料置于仓内保温15 min，随后开启真空阀，样品处理仓内瞬间泄压至接近真空(5 kPa)，调节物料仓内温度至65 ℃，并在此真空度和温度下干至物料干基含水量≤0.05 g/g[15]。

图1 压差闪蒸设备图Fig.1 Schematic diagram of the instant controlled pressure drop (DIC) apparatus

1.3.2 体积比的测定

采用体积置换法测定脆条的体积16]，选取小米为填充材料，每组样品选取10根脆条，重复测定3次，脆条体积为总体积减去填料体积。体积比计算如公式(2)所示：

(2)

式中：VR，体积比；Vt表示不同渗透温度渗透后制备的胡萝卜脆条的体积，cm3；V0，胡萝条鲜样的体积，cm3。

1.3.3 质构的测定

胡萝卜脆条质构采用TA-XT2i/50型物性仪测定[17]。选取HDP/BSK型测试探头，设置探头测试前、测试中和测试后的速度分别为2.0、1.0和1.0 mm/s，记录测试过程中的时间-应力曲线，以最大峰值表示硬度，以探头接触样品至样品断裂的距离表示脆度。每组试样重复测定12次，去除最大值和最小值后求平均值及标准偏差。

1.3.4 微观结构的测定

1.3.4.1 微观图片扫描

胡萝卜脆条微观结构采用X-射线计算机断层扫描成像技术(μCT)进行扫描、测定和分析。μCT作为一种无损检测技术，常用于金属探伤、地质勘探以及医学检测等领域。近年来，其在固体食品微观检测领域的应用同样受到越来越多国内外学者的关注[18-19]。其工作原理如下：利用X射线穿透性对固体物料进行逐层扫描，测定和记录透过物体后的射线强度，通过计算机处理将信号强度值转换成该扫描层送计算机处 “切片”投影图像，经可视化处理后得可视化投影图像，将上述可视化图像进行堆叠后形成3D图像，即可展现测试样品内部结构[20]。试验过程中设置仪器扫描参数：电压50 kV、电流200 μA，扫描角度180°、扫描步长0.4°，拍摄图片像素1 344×1 344，每一像素点边长为9.00 μm。

1.3.4.2 微观孔隙分析

采用CTAn软件(版本：1.16.4.1)对构建的可视化脆条3D内部孔隙进行分析，定义孔隙度为脆条孔隙所占体积与该脆条表观体积之比，计算如公式(3)所示：

(3)

式中：ρ，脆条的孔隙度，%；VP表示脆条中孔的总体积，μm3；VT，扫描脆条样品的表观体积，μm3。

定义孔间壁厚和孔当量直径为孔壁或孔内切球的直径，计算如公式(4)所示：

(4)

式中：D，样品孔间壁厚或内部孔隙当量直径，μm；V，经μCT图像分析所得某一范围内壁厚或孔隙体积，μm3；π为常数取值3.14。

1.3.5 感官分析

参考TEFERR等[21]的方法，邀请15名经过培训的感官评价员对三位数随机编号的胡萝卜脆条产品进行感官评分。采取5分制，5分表示对产品感官指标极满意，1分表示对产品感官指标极不满意。完成感官评价后，收集评分表，进行统计分析。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 17.0进行统计分析，选取t检验比较不同处理组间的显著性差异(P<0.05)，数据采用平均数±标准偏差来表示。采用Origin 8.0和Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 渗透温度对胡萝卜固形物增量的影响

不同温度条件下胡萝卜渗透过程SG随时间的变化曲线如图2所示，所有3组渗透温度条件下胡萝卜样品固形物增量随时间均显著增加，其达到渗透平衡后固形物增量均约为0.25 g/g鲜样，渗透温度对胡萝卜渗透平衡固形物增量影响不显著(P>0.05)。进一步分析，(25±2)、(50±2)和(100±2) ℃条件下胡萝卜样品达到渗透平衡所需时间分别为180、120和18 min，表明提高渗透温度能有效缩短样品达到渗透平衡所需时间，加快渗透过程中固形物增加速度。这主要是因为，在渗透液浓度和固液比一定的条件下，温度的升高极大地加快了溶液中水分子和溶质分子的运动速率，加速物料和溶液之间的物质交换。

a-25 ℃和50 ℃；b-100 ℃图2 不同渗透温度下胡萝卜固形物增量Fig.2 Effect of osmotic temperature on solute gain of carrot samples

2.2 固形物增量与胡萝卜脆条体积的关系

将上述各渗透条件下胡萝卜经预干燥和压差闪蒸干燥后制备成脆条，通过体积置换法测定其体积。将固形物增量与脆条体积进行线性拟合，结果如图3所示。压差闪蒸胡萝卜条体积与固形物增量呈良好的线性关系，可采用一元二次多项式：Y=5.912+146.842X-279.664X2表示，其中R2=0.957 3，表明固形物的增量对脆条压差闪蒸后体积起决定性左右，当样品固形物增量达到0.15 g/g鲜样后，脆条体积不再随样品固形物的增加而增加，达到最大值21～24 cm3。这主要是是因为一方面在后续干燥过程中，固形物渗入胡萝卜组织后会附着在细胞壁表面，从而提升胡萝卜组织骨架的刚性，导致干燥过程不易发生大面积收缩[22]；另一方面溶质(糖醇)中的—OH与样品细胞壁组织中大分子物质中的—OH以氢键的形式相结合，可有效提高渗透预干燥后样品的黏弹性[23]，样品黏弹性越好越利于样品组织内部孔隙在压差闪蒸干燥瞬间泄压过程中发生膨胀[24]。

上述结果表明，无论在何种温度条件下渗透，固形物增量达到一定时(≥ 0.15 g/g鲜样)，经预干燥和压差闪蒸干燥后即可达到良好的膨化体积。然而，具有相同表观体积的胡萝卜脆条，其质构、内部孔隙分布是否会因渗透温度的变化而改变，依旧不明确。为进一步明确渗透温度对脆条质构和微观孔隙分布的影响，选取渗透条件分别为100 ℃渗透6 min、50 ℃渗透55 min和25 ℃ 渗透85 min后制备的胡萝卜脆条，进一步考察渗透温度对体积、质构、微观孔隙及感官品质的影响。

图3 固形物增量与压差闪蒸胡萝卜脆条体积的关系Fig.3 Relationship between solute gain and volume of DIC dried carrot chips

2.3 不同渗透温度对胡萝卜脆条体积比的影响

对于多孔性的果蔬脆片或脆条而言，体积比是反映其外观品质的重要指标。体积比越大，说明产品经干燥后体积收缩率越小，外观形态保持越好[25]。通过不同渗透温度预处理后制备的压差闪蒸胡萝卜脆条如图4所示，经不同渗透温度预处理的胡萝卜脆条均具有良好的外观形态，不同处理组间无明显区别。通过体积置换法测定计算其体积比可知，经100 ℃渗透后制备的胡萝卜体积比最大达0.74(表1)，但不同渗透温度处理组间体积比无显著差异(P>0.05)。表明当固形物增量一定时(≥0.15 g/g鲜样)，渗透温度对脆条体积影响并不显著。

图4 不同渗透温度下压差闪蒸胡萝卜脆条实物图Fig.4 Images of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

表1 渗透温度对压差闪蒸胡萝卜脆条体积比、孔隙度及质构的影响Table 1 Effect of osmotic temperature on volume ration, porosity and texture of DIC-dried carrot chips

注：同列不同字母间差异水平为 0.05

2.4 不同渗透温度对胡萝卜脆条质构的影响

硬度和脆度是评价酥脆性果蔬休闲食品质构的重要指标。由表1可知，不同渗透温度处理后制备的胡萝卜脆条硬度介于4 521～4 729 g，25 ℃渗透样品硬度最小，100 ℃渗透样品硬度最大，但不同处理组之间硬度差异不显著(P>0.05)；对于脆度而言，25 ℃渗透后样品脆度最大达2.06 mm，显著高于100 ℃渗透后样品(P<0.05)。脆度的大小与产品内部的孔隙度密切相关，而内部孔隙尺寸、孔隙数量及孔间壁厚都是影响脆度的重要因素[26]。不同处理间样品质构时间-应力曲线如图5所示，样品的质构曲线均为锯齿状的上升曲线，表明在测定脆条质构过程中探头刺破了脆条内部的多孔结构，内部孔隙越多锯齿数越多，断裂距离越长，表现出的脆度越大。

图5 不同渗透温度处理的条件下压差闪蒸胡萝卜脆条质构曲线Fig.5 Texture profiles of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

2.5 不同渗透温度对胡萝卜脆条微观孔隙的影响

采用μCT扫描成像技术，对胡萝卜脆条微观结构进行扫面，观察整条胡萝卜内部的孔隙结构，能有效地避免扫描电镜只能观察样品局部微观结构的缺点，完整地展示样品内部孔隙信息[27]。如图6所示，25 ℃和50 ℃渗透后制得的胡萝卜脆条内部呈“蜂巢”状孔隙，而100 ℃渗透后产品呈“树枝”状分布；随着渗透温度的升高，胡萝卜脆条内部孔隙大小显著增加，而孔隙数量则呈明显下降趋势。这主要是因为高温渗透胡萝卜的过程，即热处理过程。胡萝卜果胶甲酯化程度降低，水溶性果胶向螯合性果胶和碱溶性果胶转化，导致胡萝卜组织软化[28]，软化的组织在压差闪蒸的瞬时泄压时更易向外扩张而形成大孔。

分析样品μCT三维重建图，得到不同温度渗透后胡萝卜脆条的孔隙度、孔间壁厚分布和孔隙分布。由表1可知，25 ℃和50 ℃渗透后制备的胡萝卜脆条孔隙度(69.85%和69.39%)显著高于100 ℃处理组(57.85%)，表明低温渗透产品在压差闪蒸后形成了更大的内部孔隙空间。由图7-a可知，25 ℃渗透后的胡萝卜脆条孔间壁厚分布最窄，壁厚范围18～306 μm，主要集中在36 μm处，所占百分比高达33.91%；100℃渗透后的胡萝卜脆条孔间壁厚分布最宽，壁厚范围18～558 μm，主要集中126 μm处，所占百分比仅为11.03%。脆条内部孔径分布与孔间壁厚分布具有相似规律，如图7-b所示，在经25、50和100 ℃渗透后制得的胡萝卜脆条内部孔径分布范围为分别为18～594、18～864和18～1 926 μm，最可几孔径分别在126、306和198 μm处，所占百分比分别为7.94%、4.65%和3.17%。高温渗透后脆条内部孔间壁厚分布及孔径分布范围都显著大于低温渗透脆条，这与微观结构图的观察是一致的，主要原因是高温渗透后胡萝卜组织结构软化，软化的组织在压力差的作用下易膨胀形成大孔，孔壁也因孔的膨胀发生壁间黏结变厚[29]。

①-正向切面；②-横向切面；③-侧向切面；④-3D图像a-25 ℃；b-50 ℃；c-10 ℃图6 不同渗透温度下压差闪蒸胡萝卜脆条微观结构Fig.6 Microstructures of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

a-壁厚分布；b-孔径分布图7 不同渗透温度下压差闪蒸胡萝卜脆条孔隙分布Fig.7 Pore size distribution of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

2.6 感官分析

胡萝卜脆条感官评分结果如图8所示，脆条的各项感官指标评分均在3.2分以上，表明所选不同温度渗透后制备的胡萝卜脆条产品各项感官指标均在可接受范围内。渗透温度对胡萝卜脆条香气和外观品质影响不显著(P>0.05)，对色泽、质地和风味影响显著(P<0.05)。100 ℃渗透制备的胡萝卜脆条具有最高的色泽评分为4.43，说明高温渗透对胡萝色泽具有一定的改善，且这种改善是为消费者所喜好的。25 ℃渗透制备的胡萝卜脆条具有最高的质地和风味评分，分别为4.56和3.93，说明“蜂巢”状孔隙形成的酥脆口感更受消费者青睐，感官结果与质构测定的25 ℃渗透胡萝卜脆条条具有最高脆度结果相一致。不同温度渗透处理的胡萝卜脆条均具有浓郁的胡萝卜风味，因此，风味的差异主要来源于渗透过程中固形物增量，100 ℃渗透处理胡萝卜脆条风味评分最低，可能是由于渗透温度较高导致胡萝卜出现了部分不被接受的“蒸煮味”。综上感官评价分析，25 ℃渗透下制备的胡萝卜脆条整体感官评分最高，具有最高的消费者可接受度。

图8 不同渗透温度下压差闪蒸胡萝卜脆条感官分析Fig.8 Sensory analyses of DIC-dried carrot chips pretreated under different osmotic temperature

3 结论与讨论

压差闪蒸胡萝卜脆条膨化体积与渗透过程SG显著相关，可通过线性方程进行描述(R2=0.957 3)，当固形物增量≥0.15 g/g鲜样时，脆条获得良好外观形品质；所选条件下制得的压差闪蒸胡萝卜脆条体积收缩率小，外观形态保持效果好，硬脆度适中，均可作为一种口感酥脆的非油炸型胡萝卜休闲食品。温度对胡萝卜脆条外观品质影响不显著(P>0.05)，对孔隙度、孔隙分布及孔间壁厚分布影响显著(P<0.05)，渗透温度易导致胡萝卜组织软化，压差闪蒸后形成较宽的内部孔隙分布(18～1 926 μm)和孔间壁厚分布(18～558 μm)。通过感官评价可知，25 ℃渗透后的胡萝卜脆条微观孔隙均匀，酥脆度和风味最佳，具有最高的消费者感官评分。

采用压差闪蒸技术制备酥脆型胡萝卜休闲食品，有助于解决目前市售油浴胡萝卜产品含油量高、易氧化等相关问题，进一步推动胡萝卜加工技术产业升级。但现有技术条件下，压差闪蒸胡萝卜脆条的制备工艺较为繁琐，需经冷冻、渗透、预干和压差闪蒸干燥4个主要工艺；渗透过程中固形物增加，导致产品甜度过高；产品内部孔隙与感官质构间的相关关系不明确。因此，还需进一步开展压差闪蒸脆条制备工艺的简化研究，脆条产品降甜研究以及脆条微观结构与感官质构品质间构效关系研究，以期制备出口感酥脆、营养丰富适应市场需求的酥脆型胡萝卜休闲食品。