凍融處理對(duì)胡蘿卜膨化效果的影響研究

盧亞婷，羅倉學(xué)，張 雯，史 超（.陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安7002；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西西安7002；.軍空工程大學(xué)，陜西西安7005）

凍融處理對(duì)胡蘿卜膨化效果的影響研究

盧亞婷1，2，羅倉學(xué)1，張 雯1，史 超3
（1.陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710021；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院，陜西西安710021；3.軍空工程大學(xué)，陜西西安710051）

以胡蘿卜為原料，結(jié)合壓差膨化技術(shù)，研究凍融前處理對(duì)胡蘿卜膨化效果的影響。以膨化后產(chǎn)品的脆度和色澤為指標(biāo)，通過對(duì)冷凍溫度、冷凍時(shí)間、融凍溫度、凍融次數(shù)及其協(xié)同作用影響因素的實(shí)驗(yàn)分析，來探究凍融處理對(duì)胡蘿卜膨化效果的影響，確定胡蘿卜壓差膨化凍融前處理工藝參數(shù)。結(jié)果表明：冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)脆度均具有顯著影響（p＜0.05）；凍融次數(shù)對(duì)脆度的影響較為顯著。優(yōu)選胡蘿卜凍融處理參數(shù)為：冷凍溫度-18℃，時(shí)間120min，融凍溫度（80±2）℃時(shí)融凍一次，膨化后產(chǎn)品的脆度均值達(dá)到211.1N/s，明亮度L*值為46.99，產(chǎn)品品質(zhì)較好。

胡蘿卜脆片，凍融，壓差膨化

變溫壓差膨化干燥技術(shù)是近幾年興起的一種新型果蔬干燥技術(shù)，它是利用相變和氣體的熱壓效應(yīng)原理，使被加工物料內(nèi)部的液體迅速升溫汽化、增壓膨脹，并依靠氣體的膨脹力帶動(dòng)組織中高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，從而使之成為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征且定型的多孔狀物質(zhì)[1]。變溫壓差膨化干燥技術(shù)結(jié)合了真空冷凍干燥產(chǎn)品品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，克服了真空低溫油炸膨化不耐貯藏的缺點(diǎn)，膨化后的產(chǎn)品具有較高的優(yōu)越性[2]。隨著膨化干燥產(chǎn)品市場(chǎng)需求量的不斷增大，有關(guān)變溫壓差膨化干燥技術(shù)方面的研究也成為時(shí)下研究的熱點(diǎn)。目前的研究概括起來主要集中在改善產(chǎn)品品質(zhì)方面，其中國內(nèi)學(xué)者畢金峰、何新益及國外學(xué)者Nath A等在2006～2013年間先后針對(duì)不同的果蔬如蘋果、土豆、哈密瓜、大棗等開展了工藝優(yōu)化、關(guān)鍵因素探析、前處理對(duì)品質(zhì)結(jié)構(gòu)影響等研究[2-8]，在一定程度上推動(dòng)了變溫壓差膨化干燥技術(shù)的進(jìn)步。其中變溫壓差膨化技術(shù)用于胡蘿卜脆片方面的研究也并不少見[9-10]，但是膨化后產(chǎn)品的品質(zhì)并不理想，其原因主要在于胡蘿卜的結(jié)構(gòu)和組分不同于其他易脫水的果蔬，這種致密的結(jié)構(gòu)和高淀粉含量影響了膨化產(chǎn)品的品質(zhì)[11]。凍融包括凍結(jié)和解凍兩個(gè)過程，可用于改善壓差膨化產(chǎn)品的品質(zhì)[12]。郭婷[13]、黃宗海等[14]發(fā)現(xiàn)凍融處理有利于提高甘薯的脆度和色澤，還可以提高干燥速率[12]。因此，本研究以胡蘿卜為對(duì)象，較為系統(tǒng)地探討了凍融處理對(duì)胡蘿卜壓差膨化效果的影響，旨在改善胡蘿卜脆片的品質(zhì)，為變溫壓差膨化果蔬脆片關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胡蘿卜原料 適合于加工的三紅品種，購于西安市未央?yún)^(qū)祥云果品批發(fā)市場(chǎng)。

TA-XT PLUS 21/50型物性分析儀 英國Stable Micro System公司；變溫壓差膨化干燥設(shè)備 自行研制；CM-5型分光測(cè)色儀 日本柯尼卡美能達(dá)；BC/ BD-428A型冷凍柜 海爾公司；1000B型掃描電子顯微鏡 中科院儀器廠；Fw-400型萬能粉碎機(jī) 北京中興偉業(yè)有限公司。

1.2 變溫壓差膨化干燥工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，胡蘿卜原料清洗去泥沙，橫向切片2～4mm，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)，凍融處理之后進(jìn)行變溫壓差膨化干燥，干燥具體參數(shù)為：膨化溫度（98±2）℃，膨化壓力（0.3±0.02）MPa，抽真空干燥溫度（75±2）℃，抽真空干燥時(shí)間（70±5）min，原料量（5± 0.1）kg/m2。

1.3 分析檢測(cè)方法

1.3.1 脆度的測(cè)定 T.P.A測(cè)定法。TA-XT PLUS 21/50型分析儀參數(shù)設(shè)置如下：測(cè)前速度1.0mm/s，測(cè)試速度1.0mm/s，測(cè)后速度10.0mm/s，測(cè)試下壓距離3mm，數(shù)據(jù)采集速率200次/s，探頭為P/0.25s。儀器自動(dòng)測(cè)定應(yīng)力的變化，給出應(yīng)力時(shí)間變化曲線。脆度值：曲線上最大力的峰值與達(dá)到最大力所用時(shí)間的比值，單位為“N/s”，數(shù)值越大，脆性越好。

1.3.2 色澤的測(cè)定 CM-5分光測(cè)色儀進(jìn)行測(cè)定。L*值表示色澤的明亮度，L*值的范圍為0～100，L*=0表示黑色，L*=100表示白色，L*值越大，表示亮度越高、褐變?cè)捷p，L*值越小，表示褐變?cè)絿?yán)重。a*表示紅綠，+表示偏紅，-表示偏綠。b*表示黃藍(lán)，+表示偏黃，-表示偏藍(lán)。

1.3.3 電子顯微鏡（SEM）觀察 膨化干燥后的樣品粉碎、過200目篩后，按照四分法取樣約0.01g，把樣品均勻的粘在導(dǎo)電膠上，去除多余的樣品，然后把導(dǎo)電膠貼在托盤上放進(jìn)真空艙中抽真空，抽完真空后噴金，噴金結(jié)束進(jìn)行電子顯微鏡觀察。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 冷凍溫度的選擇 在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以室溫（23±2）℃的樣品為對(duì)照，選擇冷凍溫度為-3、-18、-25℃，冷凍480min后，在預(yù)熱的膨化罐中自然融凍一次，溫度（80±2）℃，時(shí)間為5min。

1.4.2 冷凍時(shí)間的選擇 結(jié)合胡蘿卜特點(diǎn)，查閱文獻(xiàn)，在冷凍溫度為-25℃下，冷凍50、80、120、240min之后在預(yù)熱（80±2）℃的膨化罐中融凍一次，時(shí)間為5min。

1.4.3 融凍條件的選擇 融凍一次：-25℃條件下凍結(jié)480min的原料，分別在-3、0、25、（80±2）℃條件下自然完全解凍；融凍二次：融凍1次后的原料在-25℃條件下再次凍結(jié)480min之后，在融凍溫度為-3、0、25、（80±2）℃下再次完全解凍。

1.4.4 凍-融條件的驗(yàn)證 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以未經(jīng)過凍融處理的胡蘿卜為對(duì)照，按照冷凍溫度-18℃，冷凍120min后，（80±2）℃下融凍到完全解凍（約5min），置于膨化罐中加壓膨化，做三組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

各條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量5次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因子方差分析，Duncan式多重比較，各表中數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，以p＜0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷凍溫度對(duì)膨化效果的影響

冷凍過程本質(zhì)上是冰界面與細(xì)胞之間的耦合傳熱傳質(zhì)過程，因?yàn)槲锪显趦鼋Y(jié)過程中，隨著水分的凍結(jié)和遷移，物料內(nèi)部溶質(zhì)濃度發(fā)生變化，從而引起物料內(nèi)部組分在細(xì)胞間的擴(kuò)散，導(dǎo)致細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化[15]。冷凍溫度直接影響著冷凍速率，因此實(shí)驗(yàn)中研究了不同冷凍溫度處理后產(chǎn)品的膨化效果。

表1 不同冷凍溫度對(duì)膨化效果的影響Table 1 Effect of freezing temperature on the puffing

由表1可以看出，當(dāng)冷凍溫度在-3～-18℃時(shí)，產(chǎn)品的脆度隨溫度的降低顯著增大，而亮度值逐漸降低，a*值和b*值均為正，且在低于0℃之后隨著溫度的降低而增大，其原因在于胡蘿卜的理論共晶溫度為-18℃[16-17]，當(dāng)冷凍溫度處于其預(yù)凍溫度范圍內(nèi)時(shí)，胡蘿卜片內(nèi)部開始出現(xiàn)水分的凍結(jié)形成晶核，直至全部凍結(jié)。凍結(jié)過程中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在胡蘿卜組織內(nèi)部出現(xiàn)因晶體膨脹而體積增大，融凍膨化后的胡蘿卜片，水分迅速逸出，因此脆度增大。凍結(jié)過程中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)[18]，體積的增大破壞了原料內(nèi)部的結(jié)合力，結(jié)晶體的存在破壞了物料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和酶系，當(dāng)膨化升溫時(shí)加速了物料的褐變，紅綠值a*和黃藍(lán)值b*緩慢增大，因此亮度值逐漸降低。而當(dāng)冷凍溫大于-3℃時(shí)，因?yàn)樵摐囟葲]有達(dá)到開始凍結(jié)的溫度點(diǎn)，物料體積和狀態(tài)均無顯著變化，當(dāng)冷凍溫度在-25℃時(shí)，物料已經(jīng)處于完全凍結(jié)狀態(tài)，即在共晶點(diǎn)附近，物料體積不會(huì)隨著溫度的持續(xù)降低而有明顯的變化，因此溫度大于-3℃和小于-18℃時(shí)，脆度變化幅度較小。經(jīng)過擬合，脆度與冷凍溫度之間的擬合方程為：y=108.31x0.5644，其中R2=0.9306；亮度值與溫度之間的擬合方程為y=54.73e-0.0584x，其中R2=0.9608。結(jié)合多重比較的結(jié)果可以看出，冷凍溫度為-18℃時(shí)，對(duì)脆度的影響顯著（p＜0.05）。因此，在冷凍時(shí)間為480min時(shí)，選擇冷凍溫度為-18℃為宜。

表2 不同冷凍時(shí)間對(duì)膨化效果的影響Table 2 Effect of freezing time on the puffing

2.2 冷凍時(shí)間對(duì)膨化效果的影響

冷凍的耦合傳熱傳質(zhì)過程是建立在時(shí)間體系上的二維過程[15]，因此冷凍時(shí)間的影響不容忽視。

由表2可以看出，當(dāng)冷凍時(shí)間在80～120min時(shí)，物料的脆度隨著時(shí)間的延長顯著增強(qiáng)，亮度值顯著降低，當(dāng)冷凍時(shí)間大于120min時(shí)，物料的脆度隨著時(shí)間的延長增幅減小，亮度值降低幅度減小。其原因在于：-25℃低于胡蘿卜共晶溫度以下7℃，因此，物料能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完全凍結(jié)，物料中的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，隨著冷凍程度的推進(jìn)，細(xì)胞內(nèi)的水分逐漸向外遷移，細(xì)胞經(jīng)歷著膨脹和高的滲透壓作用[15]，因此膨化后的脆度顯著增大，體積的增大損傷到細(xì)胞，導(dǎo)致色澤劣變，因此亮度值顯著降低。而當(dāng)物料全部凍結(jié)之后，物料中的水已經(jīng)是固態(tài)的，不會(huì)隨著凍結(jié)時(shí)間的延長而有顯著變化。因此脆度增幅較小，亮度值降低幅度減小。表中a*值和b*均為正，其中紅綠值a*隨冷凍時(shí)間變化的幅度相對(duì)于b*值變化幅度小，表明冷凍時(shí)間對(duì)產(chǎn)品黃藍(lán)值b*的影響大于紅綠值a*的影響。

經(jīng)過擬合，脆度與冷凍時(shí)間之間的擬合方程為：y=58.238ln（x）+134.13，其中R2=0.925；亮度值與冷凍溫度之間的擬合方程為：y=-2.495x+54.975，其中R2= 0.9203。結(jié)合多重比較的結(jié)果可以看出，在冷凍溫度為-25℃條件下，冷凍時(shí)間為120min時(shí)，對(duì)脆度的影響顯著（p＜0.05）。因此，選擇冷凍時(shí)間為120min為宜。

2.3 融凍溫度和次數(shù)對(duì)膨化效果的協(xié)同影響

圖1 融凍溫度和次數(shù)對(duì)膨化脆度的協(xié)同作用Fig.1 Synergistic effect of thawing temperature and frequency on the friability

融凍是原料解除冷凍狀態(tài)的一個(gè)復(fù)雜過程，融凍速率的快慢，取決于凍結(jié)時(shí)的狀態(tài)、融凍外部條件和原料的特性。由圖1比較物料經(jīng)過一次融凍后的脆度和二次融凍后的脆度可以看出，在-3～0℃融凍范圍內(nèi)，二次比一次的脆度略有增大，在0～（80±2）℃范圍內(nèi)，一次融凍后的脆度顯著大于二次融凍脆度。原因在于：-3～0℃是物料解凍的最適溫度[19]，對(duì)物料的損傷如汁液的滲漏[18]，組織的坍塌等是最小，因此經(jīng)過二次融凍后，脆度略有增大。0～（80±2）℃遠(yuǎn)離物料的共晶溫度，盡管能夠在最快的時(shí)間內(nèi)解凍，但是短時(shí)間內(nèi)的細(xì)胞驟縮帶來的損傷較大，細(xì)胞內(nèi)的液體也不能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致汁液外漏，而膨化中，水分是膨化過程的內(nèi)部動(dòng)力，因此二次融凍后的物料因?yàn)榻M織坍塌，水分滲漏而導(dǎo)致脆度顯著小于一次融凍。在處理溫度相同的條件下，對(duì)不同融凍次數(shù)后的產(chǎn)品脆度進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明：融凍次數(shù)對(duì)產(chǎn)品脆度的影響較為顯著（p＜0.05）。

圖2 融凍溫度和次數(shù)對(duì)色澤的協(xié)同作用Fig.2 Synergistic effect of thawing temperature and frequency on the color

由圖2比較物料經(jīng)過一次融凍和二次融凍后的亮度值可以看，二次融凍的亮度L值顯著低于一次融凍的亮度L*值。其中，隨著融凍溫度的升高，一次融凍后的亮度值逐漸降低達(dá)到42.69，之后出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但低于-3℃時(shí)的亮度值；二次融凍的亮度值隨著融凍溫度的增大逐漸劣變。原因在于，二次融凍過程中，未凍結(jié)時(shí)細(xì)胞外水分通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，凍結(jié)到一定程度后，細(xì)胞內(nèi)水分又往外遷移，解凍過程中，細(xì)胞內(nèi)水分也向外遷移，細(xì)胞既經(jīng)歷膨脹又經(jīng)歷濃縮，對(duì)細(xì)胞的損傷更大[15]。細(xì)胞的損傷促使了褐變的形成，因此二次融凍后的顏色劣變。一次融凍中，在溫度為（80±2）℃時(shí)亮度值有增大趨勢(shì)的原因可能在于，物料所需要的解凍時(shí)間小于水分遷移時(shí)間，使得水分還停留在物料內(nèi)部，冷凍所導(dǎo)致體積膨脹的那一部分還被水分所充斥著，無法接觸到氧氣，因此亮度值略有增大，但低于-3℃時(shí)的亮度值，該推測(cè)還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由以上分析可以看出，融凍一次的脆度和亮度值均優(yōu)越于二次融凍，并且融凍時(shí)的溫度越接近膨化溫度，物料的顏色劣變?cè)叫。Y(jié)合以上分析，選擇融凍一次，融凍溫度為（80±2）℃為宜。

2.4 凍-融條件的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 凍-融條件下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Verification experiment result

由表3可以看出，三組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的脆度平均值為211.1 N/s，明亮度L*值的平均值為46.99，相對(duì)偏差均在5%以內(nèi)，說明該凍-融條件處理后的膨化產(chǎn)品的品質(zhì)均一，重現(xiàn)性好。與未經(jīng)過處理的膨化產(chǎn)品相比較，其微觀結(jié)構(gòu)圖見圖3、圖4。

圖3 未經(jīng)凍融處理的膨化產(chǎn)品的SEM圖Fig.3 Puffed product SEM image of no freeze-thaw

圖4 凍融處理的膨化產(chǎn)品的SEM圖Fig.4 Puffed product SEM image of freeze-thaw

由圖3和圖4對(duì)比可以看出，經(jīng)過凍融處理，膨化后的產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)松散，有較多的空隙，因此，凍融處理對(duì)改善胡蘿卜脆片的組織結(jié)構(gòu)具有一定的促進(jìn)作用。

除了實(shí)驗(yàn)中考察的以上因素之外，影響水分凍結(jié)效果的還有切片形狀、品種等。物料品種不同，其主要成分含量不同，凍結(jié)的溫度及效果不同[18]。切片形狀的不同決定著物料的比表面積，比表面積的大小影響著顯熱散失的快慢，決定著物料冷凍的速率，體現(xiàn)在物料凍結(jié)晶核的大小上，間接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，實(shí)驗(yàn)中冷凍物料均以冷凍室單位面積冷凍量13～15kg/m2為準(zhǔn)。

3 結(jié)論

以胡蘿卜為研究對(duì)象，針對(duì)凍融處理對(duì)膨化效果的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：冷凍溫度和冷凍時(shí)間對(duì)脆度均具有顯著影響（p＜0.05）；凍融次數(shù)對(duì)脆度的影響較為顯著。實(shí)驗(yàn)中優(yōu)選的胡蘿卜凍融前處理參數(shù)為：冷凍溫度為-18℃，時(shí)間為120min；融凍溫度為（80±2）℃時(shí)，融凍一次，膨化后產(chǎn)品的脆度均值達(dá)到211.1N/s，明亮度L*值為46.99，產(chǎn)品品質(zhì)較好。

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Study on the effect of freeze-thaw on puffed carrot slices

LU Ya-ting1，2，LUO Cang-xue1，ZHANG Wen1，SHI Chao3
（1.College of Life Science&Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China；2.Shaanxi Research Institute of Agricultural Products Processing Technology，Xi’an 710021，China；3.Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The relative effect of freeze-thaw on the pre-treatment process of carrot slices was conducted at the puffing process.Four factors including freezing temperature，freezing time，thawing temperature，freeze-thaw frequency and the compound synergy were tested on carrot slices under the same puffing conditions by explosion puffing drying technology.Among the tests，the effect of four factors had been analyzed and the parameters of freeze-thaw processing about carrot slices had been optimized.The results showed that freezing temperature and freezing time had significant influences on friability（p＜0.05），thawing frequency had significant impact on friability，the optimized parameters of freezing and thawing processing were at the freezing temperature-18℃for 120min then at the thawing temperature of（80±2）℃for once，the puffed carrot slices showed a better quality，the friability was 211.1N/s，L*value was 46.99.

carrot slices；freeze-thaw；explosion puffing

TS201.1

A

1002-0306（2014）14-0170-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.029

2013-11-25 *通訊聯(lián)系人

盧亞婷（1979-），女，碩士研究生，工程師，研究方向：果蔬深加工及綜合利用。

咸陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012K06-08）；陜西省科技廳自然基金項(xiàng)目（2012JM2005）。