超声结合超高压预处理对冻干草莓片品质的影响

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(1.湖北省农业科学院,农产品加工与核农技术研究所,湖北武汉 430064; 2.湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北武汉 430064; 3.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,广东广州 510642)

草莓是夏季最受欢迎的浆果之一,色泽鲜艳,味道鲜美。草莓富含多种生物活性化合物,包括类黄酮、多酚、花青素和维生素等,这些物质对人体健康有益[1]。然而,新鲜草莓很容易腐败,容易发生机械损伤,这主要是由于其较高的呼吸强度且柔软质地,这对草莓的营销带来了一定的挑战[2]。

干燥不仅显著延长了食品的货架期,还使产品更加多元化[3]。冷冻干燥可以最大限度地保持食品原有特性,如活性、风味和形状,但成本较高[4]。另外,脱水产品的质量不仅取决于干燥条件,还取决于干燥前采用的预处理[5]。因此,近年来,在果蔬脱水中采用了不同的预处理方法,如超高压、超声波、脉冲电场、渗透、漂烫预处理,通过减少产品初始含水量,改变组织结构,促进水的流动,避免了真空冷冻干燥能耗高、干燥效率低、成本高的缺点[6]。

超声波所产生的表面张力使水分保持在果实的毛细管中,从而形成减少水分去除的微通道[7-8]。Colucci等[9]采用超声波辅助常压冷冻干燥茄子,当超声功率为25 W时,平均水分扩散系数比非超声辅助干燥提高了380%。Gabriella等[10]指出,在超声波作用下,甜瓜在热风干燥中的水有效扩散率提高了25%,总干燥时间由47 min缩短至41 min。超声的热机制、机械(力学)机制和空化机制作用可以发生各种物理、化学或生物反应,降低酶促及非酶促褐变,从而影响色泽。经过70 ℃超声处理5 min的黄花菜b*为61.26,而对照组b*为46.86,表明超声处理后黄色加深[11]。Nowacka等[12]也观察到,经超声处理后,猕猴桃色度角(h°)增加,即变绿。超高压能较好的保留食品的颜色、风味和活性物质,并引起结构脆性材料的一些结构变化,如细胞变形[13]。当水果和蔬菜用高压预处理时,细胞渗透可促进扩散并提供较高的干燥速率,这增强了细胞渗透性以及代谢物的扩散[14-16]。Yucel等[17]报道了将超高压作为干燥前处理使用,压力超过100 MPa可引起细胞渗透,导致更高的干燥速率,同时体积不变,但超声和超高压预处理达到一定的功率和压力之后,干燥速率无明显提高。

前期采用超声、超高压以及其联合处理对草莓片进行预处理,结果表明采用联合预处理后能缩短20%的真空冷冻干燥时间,且总能耗降低了28%,干燥后草莓片色泽(a*)得到显著提高[18]。为了进一步探究超高压结合超声预处理如何促进草莓片色泽和水分的变化,本文采用超声结合超高压对草莓片进行预处理,再进行真空冷冻干燥,探究超声结合超高压预处理干燥前后草莓色泽、水分以及其组织结构的变化差异,揭示超高压结合超声预处理对草莓片色泽、水分的作用机制,为今后脱水草莓的加工提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

草莓 品种为红馨,由湖北省农业科学院经济作物研究所提供,采收于2019年1月12日,6～7成熟,采收后置于4 ℃冰箱进行预冷24 h。

KQ5200DE型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;HPPL2-600MPa/2L超高压实验机 天津华泰森淼生物工程技术股份有限公司;CR-400色差仪 柯尼卡美能达;FD-1000冷冻干燥机 东京理化器械株式会社;UV-3802分光光度计 上海尤尼科仪器有限公司;Eclipse E200光学显微镜 日本东京尼康;D5000数码相机 日本东京尼康。

1.2 实验方法

1.2.1 草莓片的制备 将草莓用自来水清洗干净后,切成5～6 mm的薄片。对照组:未进行预处理;超声预处理组:将草莓片置于蒸馏水(料液比1∶2)中,进行超声预处理,采用冰袋将超声温度控制在20～25 ℃,超声条件为40 kHz、300 W下处理30 min(经前期优化所得最佳超声条件);超高压预处理组:超高压条件为100 MPa/200 MPa,5 min;超声结合超高压预处理组:将草莓片先进行超声预处理(40 kHz,300 W,30 min),再进行超高压预处理(100 MPa/200 MPa,5 min)。最后将各组草莓片分别置于-40 ℃冷冻48 h,再进行真空冷冻干燥(冷阱温度-60 ℃,绝对压力:10 Pa),当草莓水分含量为10%以下取出。

1.2.2 色泽和花色苷的测定 采用CR-400色差仪测量草莓的颜色,结果以a*值(红度)表示。花色苷含量采用Correa-Betanzo等[19]描述的pH示差分法测量,结果以矢车菊-3-葡萄糖苷当量的百分比表示。样品取自草莓的中心部位,如图1所示。

图1 取样部位Fig.1 Sampling site

1.2.3 色素体分布 用剃须刀刀片取新鲜和干燥样品中心部位,固定在玻璃载玻片上,用光学显微镜放大10倍进行观察。样品取自草莓的中心部位,如图1所示。

1.2.4 水分含量和水分分布的测定 水分含量的测定采用直接干燥法进行测定,将样品置于105 ℃烘箱,干燥至恒重。

自旋-自旋弛豫特性分析:将样品置于永久磁场中心位置的射频线圈中心检测,利用CPMG 脉冲序列测定样品的自旋-自旋弛豫时间(T2)。CPMG 试验参数:P90(μs)=17,P180(μs)=3400,TD=1120160,SW(kHz)=100,RG1=3,NS=32,TW(ms)=1000,TE(ms)=0.300,NECH=2000,使用PQ001分析软件及CPMG序列采集样品T2信号,每个样品重复3个平行。

利用自旋回波(SE)成像序列获得草莓样品的T1和T2加权图像。T1加权图像的回波时间(TE)和重复时间(TR)分别为20 ms和700 ms,T2加权图像的回波时间分别为50 ms和3000 ms。

1.2.5 组织结构观察 参考Zhang等[20]的方法,简述为:新鲜组织固定于4%多聚甲醛24 h以上。将组织从固定液取出，在通风橱内用手术刀将目的部位组织修平整,将修切好的组织和对应的标签放于脱水盒内,分别进行脱水、包埋、切片、石蜡切片脱蜡至水等处理。然后进行番红染色、脱色、固绿染色、透明封片等处理,最后进行显微镜镜检以及图像采集分析。

1.3 数据处理

试验数据为3次重复试验的平均值,用SPSS 19软件进行多重差异显著性分析采用Duncan’s法,P<0.05表示差异显著,P>0.05表示差异不显著;采用Origin 8.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 超声结合超高压预处理对草莓片花色苷含量和色泽的影响

草莓经超声结合超高压预处理后以及干燥后的色泽和花色苷含量如图2和图3所示。由图2A可知,经超声和超高压预处理后,草莓片a*值显著增加(P<0.05)。干燥前对照组草莓片a*值为-1.65,单独超声预处理和超高压预处理(100 MPa超高压处理组,200 MP超高压处理组)时草莓片色泽分别为-1.32、1.46和1.89,但采用超声结合超高压处理(超声-100 MPa超高压、超声-200 MPa超高压)后,草莓片a*值分别为2.38和2.60(图2A)。由图2B可知,经超声-200 MPa超高压预处理后的冻干草莓片a*最高,其值为8.68。

图2 超声结合超高压预处理对草莓片色泽的影响Fig.2 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on the color of strawberry slices注:A:干燥前,B:干燥后;1～6依次为对照组、超声处理组、100 MPa超高压组、200 MPa超高压组、超声-100 MPa超高压组、超声-200 MPa超高压组。图3,图6同。

图3 超声结合超高压预处理对草莓片花色苷含量的影响Fig.3 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on anthocyanin content in strawberry slices

草莓片经超声结合超高压预处理后,花色苷含量变化趋势与a*值一致(图3A、3B),经超声-200 MPa超高压的草莓片花色苷含量最高,达到0.36%(干燥前)、0.55%(干燥后)。在超声波处理过程中,超声波所产生扩张和收缩的循环会导致植物基质细胞壁破裂,有利于溶剂的渗透和化合物的转移,从而使细胞内的物质更有效地释放[21]。而高压导致细胞发生破裂,花色苷渗入细胞间隙,草莓表面呈现强烈的红色。Bao等[22]和Xia等[23]也证实了,超高压处理导致细胞膜渗透性增加,促进了色素向物料中心的扩散。当采用超声波与超高压相结合时,产生了协同作用,效果更加明显。之前的研究结果也表明,在真空冷冻干燥之前使用超高压和超声预处理,对抑制冻干草莓片抗氧化活性成分降解有积极的作用[18]。超高压钝化多酚氧化酶和过氧化物酶,抑制花色苷的降解;而超声波处理降低了草莓中的氧含量,抑制了花色苷的氧化分解。

2.2 超声结合超高压预处理对草莓片色素分布的影响

图4显示了预处理后草莓片的色素体形态及分布,草莓片色素体呈深紫色椭圆形,这些色质体中含有一些花色苷的载体。Zhang等[20]通过光学显微镜在南瓜中观察到典型的橙色小圆状色素聚集体。由图4可见,未经预处理的草莓片中心表皮细胞存在极少数色素体(图4a),但经预处理后的草莓片色素体逐渐变多,主要表现为紫色的球状,这是由于经预处理后,草莓片细胞壁被破坏,色素从细胞中逐渐流出[18]。如图4b所示,当超声处理时,球状的色素结晶聚集体呈现一个逐渐增大的轻微染色区。当超声与超高压处理同时作用于草莓片时,观察到含有花色苷晶体的色素体充满整个细胞,表明细胞壁被破坏,花色苷以液晶状态累积(图4c、4d)。然而,在超声结合超高压条件为超声-200 MPa超高压处理的草莓片中(图4d),花色苷簇以紫色簇的形式出现,逐渐加深并变大。

图4 超声结合超高压预处理对草莓片色素分布的影响Fig.4 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on pigment distribution in strawberry slices注:a:对照组、b:超声处理组、c:100 MPa超高压处理组、d:200 MPa超高压处理组、e:超声-100 MPa超高压处理组、f:超声-200 MPa超高压处理组；图5、图8、图9同。

图5为经预处理再真空冷冻干燥的草莓片,经超声-200 MPa超高压处理后的草莓片冻干后,呈现较均匀的红色,而未处理的草莓中心呈白色,这与2.2中草莓片a*和花色苷含量结果一致。由此可见,超声结合超高压预处理能改善草莓片色泽,促进草莓中花色苷向其中心及表明迁移。

图5 超声结合超高压预处理干燥后草莓片Fig.5 Ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment for dried strawberry slices

2.3 超声结合超高压预处理对草莓片水分含量的影响

水分含量是衡量脱水果蔬品质的一个重要指标,由图6A可知,草莓片初始水分含量为93.30%,预处理能显著降低草莓片初始水分含量(P<0.05),当采用超声-200 MPa超高压处理的草莓片水分含量为90.92%。且经相同的真空冷冻干燥时间,处理组水分含量显著低于未处理的草莓片,尤其以超声结合超高压预处理效果最为显著(P<0.05),经超声-200 MPa超高压处理的冻干草莓片最终水分含量仅为对照组的63.79%(图6B)。在超声波处理过程中,空化气泡的形成、增长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应,有助于除去与物料结合紧密的水分。高压处理提高了细胞的渗透性,进而增加了水的传递。此外,在高压处理中,水和代谢物会在细胞内外形成更多的运动。Vega-Galvez等[24]发现,超高压技术可以加快物料干燥速率,提高水分扩散系数。Yucel等[25]研究表明,处理压力超过100 MPa时,物料的干燥时间显著缩短,且细胞通透性增强,传质传热过程加快。由此可见,经超声-200 MPa超高压处理能降低草莓片水分含量。

图6 超声结合超高压预处理对草莓片水分含量的影响Fig.6 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on moisture content of strawberry slices

2.4 超声结合超高压预处理对草莓片水分分布的影响

一般来说,水的弛豫时间T2与其分子动力学密切相关。通过弛豫时间可以观察到样品中水分状态分布,观察到三种T2组分,即T21(0～10 ms)、T22(10～100 ms)和T23(>100 ms),分别代表了结合水、不易流动水和自由水。水分流动性越强,干燥过程中水分越容易扩散,即自由水越多,越易干燥。如图7A所示,未干燥的草莓以自由水为主,经预处理后草莓片中自由水的峰面积明显增加,且预处理后的样品中自由水横向弛豫时间明显缩短,表明水分子的迁移率逐渐降低,而超高压和超声波处理促进了水的流动性。超声结合超高压预处理过程主要是液泡中自由水变化过程,结合水与内部物质分子呈化合状态,性质稳定,不易去除[26]。经预处理后冻干的草莓片中自由水低于对照组,结合水峰面积高于对照组(图7B)。Xin等[27]研究发现,西兰花经超声处理后,液泡中的自由水向细胞质移动,从而导致不易流动水所占比例升高。高压处理会使物料中大量的水在较短的时间内排出,高压促进了物料水分的扩散,增加了渗透期间的水分损失和溶质吸收[28]。

图7 超声结合超高压预处理对水分分布的影响Fig.7 Effect of ultrasound and ultra-high pressure pretreatment on water distribution

为了更直观地反映超声结合超高压预处理对草莓片水分变化,分析不同预处理草莓片的低场核磁共振成像情况,如图8所示。从对照组草莓片伪彩图中,可清楚地看到草莓片信号量致密而均匀,可知水分牢固且均匀的存在于草莓内部(图8(a))。经超声处理后草莓中水分开始迁移,由草莓内部逐渐向外部扩散,这种变化证实了部分自由水逐渐流失的趋势(图8(b))。草莓片经超声结合超高压预处理后内部存在部分空隙,这表明草莓内部自由水较少,信号较低,尤其是经超声-200 MPa超高压处理组。由此可见,经超声结合超高压预处理会使草莓内部水分流失,这与草莓中水分含量数据一致。

图8 超声结合超高压预处理后草莓片的核磁成像Fig.8 Magnetic resonance imaging of strawberry slices after ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

2.5 超声结合超高压预处理对草莓片组织结构的影响

图9显示了不同预处理后的草莓片的组织结构,在图9(a)中可以观察到具有完整的薄壁组织和完整膜的新鲜草莓样品。图9(b)显示了经超声预处理的草莓片组织的显微照片,细胞壁破裂和细胞分离清晰可见,这些破坏和分离导致了细胞间空间的增加。此外,经超声预处理的草莓片组织的某些区域,细胞出现撕裂、形状不规则和组织变形。与图9(a)相比,图9(c)显示超声结合超高压预处理后,大多数细胞壁破裂,少数剩余细胞壁严重扭曲(图4)。当细胞壁膜破裂,有效水扩散率增加时,草莓内部的水扩散变得更容易。图9(d)表明,在样品的某些区域,细胞破裂较严重,多个细胞破裂后,形成了一个较大的细胞,从而形成了微观通道。物料中水分会优先通过细胞壁途径迁移出细胞,水分扩散率的增加部分归因于细胞壁对水通量阻力的降低[29]。细胞壁结构的退化会降低其抗水分运动能力,从而提高干燥速度。这一结果证实了Fuente Blanco等[30]的观察结果,超声波预处理会影响水果组织,使水分在空气干燥过程中更容易扩散,表明微观通道可能有助于提高水分扩散率,这种现象可以用细胞壁膜的塌陷来解释。预处理后草莓片组织结构观察的结果与前期研究的水分和色泽指标分析具有一定的吻合度,从微观结构上对预处理后草莓水分降低,色素迁移等原因进行了进一步解释和验证。

图9 超声结合超高压预处理后草莓片组织结构Fig.9 Microstructure of strawberry slices pretreated by ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

3 结论

超声结合超高压预处理能显著提高草莓中心花色苷含量、a*值和色素的分布,降低草莓初始水分含量和冻干草莓片的水分含量。当预处理条件为超声-200 MPa超高压处理时,草莓片a*值为8.68,花色苷含量为0.55%,而对照组a*值和花色苷含量仅-0.26和0.05%。经超声结合超高压预处理后,草莓片自由水弛豫时间均减小,且自由水含量明显降低,而不易流动水及结合水含量相对升高。因此,超声和超高压预处理改变草莓片的组织结构,从而促进水分的扩散,改善草莓片色泽,尤其是在40 kHz,300 W超声处理30 min,再结合200 MPa超高压处理5 min的条件下。