吸湿性对冻干果蔬产品及其品质特性的影响

李兴霞 李 越 杨菲菲, 胡佳琦, 张红琳 王海鸥

(1. 烟台工程职业技术学院,山东 烟台 264006; 2. 沈阳农业大学食品学院,辽宁 沈阳 110161；3. 南京晓庄学院食品科学学院,江苏 南京 211171)

果蔬干制是果蔬加工的主要方式之一，可明显降低新鲜果蔬的水分含量和微生物活性，减少新鲜果蔬在运输和贮藏过程中的物理和化学变化，延长产品保质期。真空冷冻干燥 (Freeze-drying, FD)技术是在较低的温度下将湿物料冻结成固态，真空状态下物料中的水分不经液态直接升华为气态，最终使物料脱水的干燥技术，从而获得具有疏松多孔结构的干燥制品[1]。由于FD过程中物料处于低温、真空和低氧的环境，微生物的大量繁殖与酶的活性得到了有效控制，原料中生物活性成分和热敏性成分的损耗减少，产品的色泽和外观形状基本不变，物料中的营养成分最大程度地得到了保留[2]。如周鸣谦等[3]研究发现FD技术与其他干燥方式相比，FD技术所得产品的复水性、色泽、硬度、比容均为最佳，具有较高的产品品质；薛艾莲等[4]研究发现FD制备的板栗生、熟粉水分含量最低，其淀粉和游离酚含量均最高，粉体具有较白的色泽；王莹莹等[5]研究发现FD样品结构完整，在短时间内具有较高的干燥速率以及较低的含水率。因此，FD技术生产的果蔬干制品可满足现代消费者对于营养健康食品的需求，且FD技术在果蔬干制方面的应用十分广泛，显示出了良好的市场价值和发展潜能[6]。

FD虽然很好地保持了物料的营养、色泽、结构等，但FD产品在贮藏过程中易吸收空气中的水分，影响产品品质[7]。Li等[8]研究发现胡柚经微波真空干燥后的吸湿性与真空冷冻干燥后的不同，真空冷冻干燥的具有较强的吸湿性，产品水分含量低且冻干过程中的水分汽化使结构呈现多孔海绵状结构，与空气中水分的接触面积增大，使产品更易吸湿；李明娟等[9]研究发现真空冷冻干制品的吸湿性会影响干制品的硬脆度，进而影响产品品质，此外，在贮藏过程中吸湿也会造成微生物的繁殖，影响产品的食用安全性。物料本身的组织结构和基质组分都对冻干产品的吸湿性产生较大影响[10]。罗登林等[11]研究发现天然菊粉与长链菊粉的吸湿性存在差异；钟碧銮等[12]发现在不同的湿度环境中，不同品种鱼胶的吸湿性存在差异。因此，研究拟以4种果蔬(新鲜马铃薯、杏鲍菇、苹果、白萝卜)为对象，通过观察4种冻干产品的微观结构、吸湿性、色泽及质构特性，分析冻干果蔬贮藏过程中吸湿性对品质特性的影响，并进行相关性分析。旨在为果蔬冻干生产企业提高产品贮藏稳定性提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜马铃薯、杏鲍菇、苹果、白萝卜：购于南京大润发超市；

氯化钠：分析纯，西胧科学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

真空冷冻干燥机：SCIENTZ-50F型，宁波新芝生物科技股份有限公司；

电脑色差仪：NR200型，深圳市三恩时科技有限公司；

质构仪：TMS-PRO型，美国FTC公司；

扫描电子显微镜：EVO-LS10 型，德国蔡司公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 将新鲜的马铃薯、杏鲍菇、苹果和白萝卜分别进行清洗去皮，切成厚5 mm、直径15 mm的圆柱果蔬片。开启冷冻干燥机制冷机组，将冻干仓隔板温度设定为-40 ℃，在冻干机料盘上平铺一层果蔬片样品，置于隔板上预冻8 h，当物料冻结到-30 ℃以下后开启真空机组，维持冻干仓压强20 Pa左右，启动“温度-时间”隔板升温程序对物料进行冷冻干燥直至干燥完全[13-14]。

1.3.2 营养成分含量测定

(1) 水分：按GB 5009.3—2016执行。

(2) 碳水化合物：根据蒽酮比色法测定[15]。

(3) 粗蛋白：按GB/T 5009.5—2016执行。

(4) 粗脂肪：按GB/T 5009.9—2016执行。

1.3.3 微观扫描电子显微镜观察 取若干果蔬片样品，用3%戊二醛(pH 7.2)固定48 h，然后分别用30%,50%，70%，85%，95%，100%的乙醇对样品进行梯度脱水，每级15 min。75%叔丁醇过渡干燥，100%叔丁醇置换2次，用100%叔丁醇将样本冷藏(0～4 ℃)固化10 min，放入临界CO2干燥仪中干燥2～3 h。用碳导电胶将处理后的果蔬片粘在样品托上，采用离子溅射仪在样本的横断面上喷金，最后利用扫描电镜观察果蔬片横截面的微观结构。

1.3.4 吸湿性的测定 将4种冻干果蔬片置于已称重的干燥平皿中，将平皿放置在盛有饱和氯化钠溶液(环境相对湿度75.5%)的玻璃干燥器中，称量放置不同时间后平皿的质量，每种样品重复10次，称量结果取平均值。吸湿率为前后质量差占吸湿前质量的百分比[13]，数学计算式为：

(1)

式中:

Ar——脆片吸湿性，%；

m0——脆片吸湿前质量，g；

m1——脆片吸湿后质量，g。

1.3.5 色泽的测定 运用色差仪测定4种冻干果蔬片吸湿贮藏0，1，2，3 d后的L*、a*、b*颜色值，以标准白色板为参照，计算样品与标准白色版的色差值[16]。试验平行3次。按式(2)计算样品的色差值。

(2)

式中：

ΔE——样品与标准白板之间的色差；

L*、a*、b*——样品的测定值；

L、a、b——标准白色板的测定值。

1.3.6 质构特性 采用质构仪进行测定，测试条件：探头型号为P/50平底柱形探头，测前速率1 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率4 mm/s，压缩位移2 mm，触发值10 g。测定4种冻干果蔬片常温贮藏0，1，2，3 d的硬度、内聚性、弹性、胶黏性、咀嚼性等，每个样品平行测定5次，结果取平均值[17]。

1.4 数据处理

利用SPSS 16.0软件进行数据显著性分析，显著性水平P<0.05；运用Origin 2021 软件进行热图分析和分层聚类。

2 结果与分析

2.1 不同新鲜果蔬营养成分含量

由表1可知，4种新鲜果蔬的营养成分含量之间存在差异，其中白萝卜水分含量最高(93.4%)，其次是杏鲍菇(88%)和苹果(86%)，最低为马铃薯(79.8%)；马铃薯与苹果的碳水化合物含量较高分别为16.6%与13.5%；蛋白质含量由高到低分别为杏鲍菇、马铃薯、白萝卜、苹果；脂肪含量由高到低分别为杏鲍菇、苹果、马铃薯、白萝卜。

表1 不同新鲜果蔬营养成分含量†Table 1 Nutrient content of different fresh fruits and vegetables %

2.2 不同果蔬的微观结构

由图1(a)可知，新鲜苹果的孔隙结构较完整，细胞结构较为饱满，孔径较大；由图1(b)可知，冻干苹果片总体组织结构较为紧密，细胞结构呈现较为明显的皱缩现象，细胞壁较厚，孔隙结构呈不规则形状；由图1(c)可知，新鲜杏鲍菇的孔径较小，孔隙结构较多，细胞壁较薄，呈现丝状结构；由图1(d)可知，冻干杏鲍菇片整体结构致密，细胞结构被破坏，但仍呈现丝状结构，细胞排列杂乱，网络结构边界相对纤细，细胞壁出现皱缩卷曲现象，细胞完整性降低；由图1(e)可知，新鲜马铃薯的孔隙结构较大，孔径较大，细胞壁中包裹着大量的淀粉颗粒；由图1(f)可知，冻干后马铃薯组织整体结构较为清晰，连接较为紧密，细胞壁较薄呈正六边形，多孔结构内存在大量椭圆形的淀粉颗粒，较新鲜马铃薯中淀粉颗粒减少，这些淀粉颗粒被薄膜包裹，紧贴细胞壁内侧，颗粒分明；由图1(g)可知，新鲜白萝卜的孔隙结构较为明显，孔径较大，呈四边形结构，细胞结构较为饱满，呈规则排列；由图1(h)可知，从整体上看冻干白萝卜片的组织结构较为紧密，表面较为光滑，孔隙结构排列不均匀，孔径大小不均匀，冻干后细胞皱缩现象严重，细胞间出现明显的断裂变形现象。

在FD过程中，果蔬片内部水分形成固态冰晶，经过高压使得水分直接从固态升华为气态，使得原本含有固态冰晶的空间结构被保留下来，细胞大量失水，形成高度疏松多孔结构[18-19]，不同果蔬FD后的组织结构之间存在明显差异，可以从图1中观察到FD后细胞孔径由大到小依次为苹果>马铃薯>白萝卜>杏鲍菇。

图1 果蔬冻干前后的微观结构Figure 1 Microstructure of different fruits and vegetables before and after FD (100×)

2.3 冻干果蔬在贮藏过程中吸湿性的变化

FD过程中，由于物料具有较低的界面温度和表面温度，物料中的水分升华为气态而脱离物料，冰晶升华留下了大量孔隙，使物料保持固有的均匀组织结构，易于外界水分进入，产生吸湿现象[20]。不同冻干果蔬片在贮藏过程中吸湿性的变化如图2所示。贮藏过程中4种冻干果蔬逐渐从环境中吸收水分，吸湿性不断增加，随着贮藏时间的延长，吸湿性变化趋缓，这是因为样品经FD加工后，呈现稳定的网状固体骨架，在相同贮藏条件下，4种冻干果蔬表面结合水分子并向内部转移较快，维持了表面较低的水蒸气分压，随着时间的延长，内外压强差逐渐减小，吸湿性变化较慢，直至达到吸湿平衡[11]。

由图2可知，4种果蔬吸湿性的大小顺序为苹果>马铃薯>白萝卜>杏鲍菇。冻干苹果片的吸湿性较大，可能是因为物料本身含有较高的碳水化合物，而部分糖类对水分具有高亲和力，又因为物料在冻干过程中，水分升华，形成了较为完整的孔隙结构，因此冻干苹果片呈现出较高的吸湿性[21-22]；马铃薯片同时含有较高的糖含量，在FD后内部结构较为完整，细胞结构中存在着大量淀粉颗粒[图1(f)]，淀粉中含有大量羟基，羟基为亲水基，因此冻干马铃薯片具有较高的吸湿性[23-24]；冻干白萝卜、杏鲍菇的吸湿性较低，是因为物料在FD后内部结构受损较为严重，细胞壁发生断裂坍塌，孔径较小，在一定程度上阻止了水分子的进入，物料吸湿性与样品所含糖类及细胞结构有关，这与夏晓霞等[25]研究结果一致。

图2 不同冻干果蔬在贮藏过程中吸湿性的变化Figure 2 Changes in hygroscopicity of different freeze-dried fruits and vegetables during storage

2.4 冻干果蔬在贮藏过程中色泽的变化

果蔬干燥后颜色的变化是影响其质量及市场价值的一个非常重要的指标，以色泽变化最小，最接近新鲜果蔬原色的产品最为理想[26]。不同冻干果蔬片在吸湿过程中的L*、a*、b*及ΔE色泽参数变化如图3所示。L*值

表示物料的亮度，冻干苹果片、马铃薯片在贮藏期间L*值显著降低(P<0.05)，而冻干杏鲍菇片、白萝卜片L*值变化不显著(P>0.05)，这是因为在FD过程中，细胞结构受到破坏，释放出较多的多酚氧化酶(PPO)，物料在贮藏过程中吸湿并与氧气接触，产生酶促褐变，因此冻干苹果片与马铃薯片的亮度降低[27]，而杏鲍菇片和白萝卜片的多酚氧化酶含量较低，因此色泽变化不明显。a*和b*值分别表示红(+a*)/绿(-a*)和黄(+b*)/蓝(-b*)，冻干马铃薯片在贮藏期间a*值显著增加(P<0.05)，b*

字母不同表示差异显著(P<0.05)图3 不同冻干果蔬在贮藏过程中色泽的变化Figure 3 Color changes of different freeze-dried fruits and vegetables during storage

值显著降低(P<0.05)，而冻干苹果片、杏鲍菇片、白萝卜片色泽变化不显著(P>0.05)，这是因为马铃薯中含有单宁类物质，在酶的作用下极易被氧化，因此马铃薯的a*和b*值变化也较为明显[28-29]。从图3(d)中可以看出，4种果蔬中冻干马铃薯片的ΔE值变化较为显著(P<0.05)，其他冻干果蔬片在贮藏过程中变化不显著(P>0.05)，这是由于冻干马铃薯片在贮藏过程中与氧气接触发生氧化反应，而物料本身所含有的碳水化合物高于其他果蔬，而碳水化合物具有一定的吸湿性，因此吸湿性较强，色泽变化更为明显。

2.5 冻干果蔬在贮藏过程中质构特性的变化

由表2可知，在相同贮藏条件下，不同冻干果蔬片吸湿后的质构特性有所差异。

表2 冻干果蔬在贮藏过程中质构特性的变化†Table 2 Changes in texture properties of different freeze-dried fruits and vegetables during storage

吸湿后的冻干果蔬片硬度均显著降低(P<0.05)，其中贮藏第2天的硬度最低，冻干果蔬片的硬度分别降低了98.37%(冻干苹果片)、79.17%(冻干杏鲍菇片)、86.47%(冻干马铃薯片)、78.04%(冻干白萝卜片)。FD后，冻干苹果、马铃薯片的细胞壁较厚，硬度较高，在贮藏过程中的吸湿性逐渐升高，硬度显著降低(P<0.05)，这是由于样品中含有较高的碳水化合物，使得产品具有较高吸湿性的同时，样品呈现软黏状态，失去了脆片应有的质构特性[30-31]；冻干杏鲍菇片吸湿后弹性显著增加，原因可能是经过干燥后的果蔬组织凝结，促使其张力增加[32]；冻干白萝卜片的硬度较低，吸湿后的硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性均显著降低(P<0.05)，这是由于白萝卜片FD后细胞产生明显的皱缩现象，细胞形态不完整，使得冻干白萝卜片的硬度较其他冻干果蔬片的硬度低，而白萝卜具有的碳水化合物含量较其他果蔬含量低，吸湿性较低，吸湿后硬度降低得最少(78.04%)，与李瑞杰等[33]研究结果一致。

2.6 相关性分析

采用Origin 2021分析4种不同果蔬中9项品质指标之间的相关性，结果见图4。由图4可知，吸湿性与a*值呈极显著正相关(P<0.01)；物料冻干后具有疏松多孔的组织结构，由于物料本身所含有的成分以及特殊的组织状态，随着贮藏时间的延长，吸湿性不断增加，致使物料发生氧化现象，进而影响产品的色泽。吸湿性与质构特性呈显著相关(P<0.05)。吸湿性与弹性、咀嚼性呈显著负相关(P<0.05)，与内聚性呈极显著正相关(P<0.01)，与硬度、胶黏性呈极显著负相关(P<0.01)，在贮藏过程中，随着吸湿性的不断增加，内聚性逐渐增加，弹性、咀嚼性、硬度与胶黏性逐渐下降；物料冻干后组织结构越完整，孔隙结构破坏越小，孔径越大，吸湿性越强，硬度下降越明显。

*代表显著相关(P<0.05)；**代表极显著相关(P<0.01)图4 不同冻干果蔬品质指标的相关性分析Figure 4 Correlation analysis of quality indexes of different freeze-dried fruits and vegetables

2.7 聚类分析

对4种冻干果蔬贮藏过程中的品质指标进行R型聚类分析，由图5(a)可知，当距离为0.5时，可将不同果蔬品质指标分为3类：第一类为吸湿性、内聚性；第二类为ΔE；第三类为硬度、胶黏性、咀嚼性、弹性。对4种不同冻干果蔬进行Q型聚类分析，由图5(b)可知，第一类为未吸湿的冻干马铃薯片、杏鲍菇片及苹果片，第二类为贮藏过程中吸湿3 d的冻干杏鲍菇片，第三类为吸湿后的冻干果蔬片(除贮藏3 d的冻干杏鲍菇片)，第四类为未吸湿的冻干白萝卜片。对于不同果蔬来说，未吸湿与吸湿后的样品之间品质差异较为明显，未吸湿的冻干苹果片具有较高的a*、b*值以及较高硬度和咀嚼性，品质较好。

图5 不同冻干果蔬聚类分析图Figure 5 Cluster analysis diagram of different freeze-dried fruits and vegetables

3 结论

通过研究4种冷冻干燥后果蔬片的微观结构及在相同贮藏条件下的吸湿性、色泽与质构特性的变化，并对质构特性进行相关性分析与聚类分析，发现不同冻干果蔬的吸湿性对产品品质有较大的影响。新鲜果蔬的细胞结构较为完整，呈现规则空隙结构，冻干后，果蔬的组织结构出现不同程度的坍塌，其中不同FD样品细胞孔径大小依次为苹果>马铃薯>白萝卜>杏鲍菇；在贮藏过程中不同物料的吸湿性均不断增加，随着吸湿性的增加，物料的色泽及质构特性也发生改变。综上，未吸湿与吸湿后的物料质构差距较大，吸湿现象影响着产品的品质特性。果蔬的吸湿性可能与本身含有的糖类物质有关，在贮藏过程中冻干果蔬糖类物质与组织内部的其他物质之间的协同作用对其吸湿性的影响机理还有待进一步的探讨。