孙雅馨,康旭蕾,梁 栋,陈 芳,胡小松

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,国家果蔬加工工程技术研究中心, 农业部果蔬加工重点实验室,食品非热加工北京市重点实验室,北京 100083)



超高压对鲜切胡萝卜硬度的影响及机制研究

孙雅馨,康旭蕾,梁 栋,陈 芳,胡小松*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,国家果蔬加工工程技术研究中心, 农业部果蔬加工重点实验室,食品非热加工北京市重点实验室,北京 100083)

鲜切果蔬的品质在加工后易受到破坏,超高压技术(high pressure processing,HPP)在鲜切果蔬品质保持方面具潜力。旨在探究鲜切果蔬的硬度随压力变化的规律及硬度变化的机制。本文以胡萝卜为对象,研究了超高压(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜硬度、细胞膜完整性、果胶甲酯酶(pectin methylesterase,PME)及细胞壁果胶组成的影响。100 MPa处理后胡萝卜硬度无显著变化,随着压力增加,胡萝卜相对电导率显著增加,硬度显著下降,当达到300 MPa后,尽管压力继续升高,相对电导率和硬度变化已不显著;同时,高压处理后碱溶性果胶(sodium carbonate soluble pectin,NSP)增加,水溶性果胶(water soluble pectin,WSP)下降,但高压不能充分钝化果胶甲酯酶。超高压处理后细胞膜透性的改变和细胞壁果胶组分的变化共同影响了鲜切胡萝卜的硬度。

超高压,胡萝卜,硬度,机制

胡萝卜(DaucuscarotaL. var.sativaDC)又名黄萝卜、丁香萝卜,含有丰富的钙、磷、铁、抗坏血酸、胡萝卜素等营养成分,尤其是β-胡萝卜素的含量很高,享有“小人参”、“金笋”的美誉[1-2]。随着生活水平的提高,消费者越来越倾向选择天然而方便的食品,顺应这种需求,食品非热加工技术应运而生[3-5]。其中,超高压技术应用最为广泛和成熟[6-7]。该项技术通过将样品在一定压力(100～1000 MPa)处理一段时间后,实现食品的杀菌[8-10]、钝酶[11-12]及品质改善。Patterson等[8]研究发现,胡萝卜汁经超高压(500 MPa,1 min)处理后,菌落总数下降了4 log10CFU/mL,Keenan等[11]使用超高压(600 MPa,10 min)处理混合果昔后其PPO酶活性下降了82.99%。与传统的热加工相比,高压作用并不会引起共价键的破坏[13],从而能最大程度保留食品原有的营养和感官品质。研究表明,高压处理对食品质构的破坏远小于热处理[14],赵君等研究发现超高压处理后黄桃罐头的硬度、咀嚼性、凝聚性都显著高于热处理[15]。因此,超高压技术应用到胡萝卜上对其脆硬的口感保持具有极大潜力。目前的研究主要集中于超高压处理后鲜切果蔬硬度的变化,而对硬度影响机制的研究较少。因此,本研究主要从细胞膜和细胞壁果胶变化两方面探究高压下鲜切胡萝卜硬度变化的机制,为进一步采取相应的硬度保持措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

胡萝卜 品种 “孟德尔808”，产自山东青岛;D-(+)半乳糖醛酸标准品、果胶(半乳糖醛酸(干基计)≥74.0%) 阿拉丁试剂有限公司。

HPP-700-7L型超高压设备 工作压力:0～600 MPa,有效容积:7 L,工作温度:室温,工作介质:水，包头科发高压科技有限责任公司;842 Titrando自动电位滴定仪 瑞士Metrohm公司;Unico V1800型可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;TA-XT2i质地分析仪 英国SMS公司;FE30-Five Easy Plus 电导仪 瑞士METTLER TOLEDO公司;Fluko-F6/10 超细匀浆机 德国FLUKO公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品预处理 将胡萝卜洗净,去皮。选取茎秆中间长约10 cm的部位切成厚5 mm的薄片,混合均匀,随机取8～10片装入PE袋(10 cm×15 cm),真空包装。

1.2.2 超高压处理 将真空包装后的胡萝卜片,放入高压设备处理室中,加入自来水作为传压介质,设定压力及时间参数,于室温下加压处理样品。处理压力为100、200、300、400、500、600 MPa,保压时间5 min(经预实验筛选,同时也考虑到工业应用的经济成本的可行性)。以未经高压处理的真空包装后的胡萝卜片为空白对照。

1.2.3 热处理 蔬菜的热烫处理条件以钝化过氧化物酶为标准。经预实验选择的热烫条件为100 ℃处理2 min。将真空包装后的胡萝卜片置于沸水浴中处理2 min,迅速取出置于自来水浴中冷却至室温。

1.2.4 指标测定

1.2.4.1 硬度测定 参照Vervoort等[16]方法略作修改。用打孔器在每个胡萝卜片的韧皮组织打3个直径为8 mm,高5 mm的胡萝卜圆柱体小丁。用R/36探头,对样品进行两次压缩TPA测试。测试参数为:下压速率为1 mm/s,上行速率为5 mm/s,压缩程度为30%,停留间隔为2 s,数据采集速率为400 pps;触发力值为5 kg。胡萝卜的硬度定义为第一次压缩形变30%的峰值力,每个处理测定10次。

图1 胡萝卜硬度测定取样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling of carrot for hardness analysis

1.2.4.2 相对电导率测定 参照姚佳[17]的方法略作修改。将胡萝卜片切成高5 mm,直径8 mm的圆柱体小丁。称取5 g样品于小烧杯中,加入20 mL去离子水(电导率为5.2 μs/cm),于室温下浸泡处理30 min后,用电导仪测定浸提液电导率(R1)。将烧杯置于沸水浴中加热30 min,冷却至室温后摇匀,再次测定浸提液电导率(R2)。每个处理测定3次,按下列公式计算相对电导率:

式(1)

式中:R1:样品沸水浴中加热30 min前电导率;R2:样品沸水浴中加热30 min后电导率。

1.2.4.3 PME酶活测定 参照Ly-Nguyen等[18]的方法略作修改。称取10 g胡萝卜,打浆后加入20 mL 0.2 mol/L Tris-HCl缓冲溶液(含1 mol/L NaCl,pH7.5),匀浆1 min,4 ℃静置12 h,用300目纱布过滤,滤液于10000 r/min 4 ℃离心20 min,上清液即为PME粗酶液。以10 mg/mL果胶溶液(含0.1 mol/L NaCl)为底物,采用自动电位滴定仪测定pH8.0,35 ℃条件下果胶甲酯酶活性。在30 min以NaOH溶液(0.02 mol/L)的消耗体积随时间变化做出反应曲线,取前段线性部分NaOH随时间消耗的速率表征酶活大小。

1.2.4.4 细胞壁物质提取及水溶性果胶(water soluble pectin,WSP)、螯合性果胶(chelator soluble pectin,CSP)和碱溶性果胶(sodium carbonate soluble pectin,NSP)的分离 参照Ramos-aguilar等[19]的方法略作修改,称取胡萝卜片10 g,加入30 mL 80%乙醇匀浆,放入100 ℃的水浴锅中煮20 min,重复3次后,冷却至室温,过滤,残渣加30 mL 90%二甲基亚砜浸泡,在4 ℃过夜去除淀粉,不溶物用氯仿与甲醇混和液(2∶1,v/v)30 mL溶解10 min,用95%乙醇冲洗至均一、白色粉末状固体,于35 ℃烘箱中烘干至恒重,即得细胞壁物质。参照Njoroge等[20]的方法,称取0.1 g细胞壁物质,加入45 mL沸水中,搅拌5 min,冷却至室温后过滤,滤液定容到50 mL,即为WSP;取水不溶性残渣,以45 mL 0.05 mol/L 乙二胺四乙酸(含0.1 mol/L KAc,pH6.5)溶液于28 ℃抽提6 h,滤液定容到50 mL,即为CSP;取不溶性残渣,以45 mL 0.05 mol/L Na2CO3加0.02 mol/L NaBH4于4 ℃抽提16 h,然后在28 ℃下重复抽提6 h,冷却至室温后过滤,滤液定容到50 mL,即为NSP。

1.2.4.5 果胶含量测定 参照Blumenkrantz等[21]的方法,取不同组分的果胶溶液1 mL,加入6 mL 0.0125 mol/L浓硫酸-四硼酸钠溶液后立刻放入冰水浴中。振荡后于100 ℃水浴中加热5 min,反应后立刻放入冰水浴中冷却至室温。最后加入0.1 mL 1.5 mg/mL间苯基苯酚溶液,静置15 min后测定520 nm处的吸光值。空白为5 mg/mL NaOH溶液。标准曲线采用0～400 μg/mL D-半乳糖醛酸绘制:y=0.0752x-0.0432,R2=0.9958。果胶含量以其生成的半乳糖醛酸含量表示。

1.2.5 数据统计与分析 所有实验进行三次重复。采用Origin 8.0软件进行数据处理与绘图。采用Turkey法检验不同处理间差异显著性,p>0.05表示差异不显著,p<0.05表示差异显著。

2 结果与讨论

2.1 超高压对鲜切胡萝卜硬度的影响

不同处理下胡萝卜硬度变化如图2所示。100 MPa处理后胡萝卜的硬度与对照无显著差异(p>0.05),说明100 MPa并不足以对胡萝卜的组织结构造成显著破坏。但随着压力增加,胡萝卜的硬度显著下降(p<0.05),但当压力大于300 MPa后,胡萝卜的硬度不再继续下降。Araya等认为可能存在一定的压力临界值,当压力大于该值后,植物组织将不再被压缩[22]。因此,本研究中300 MPa应为压力临界值。热烫处理后胡萝卜硬度下降了55.99%,这可能是高温下果胶发生β-消除,中胶层粘结作用减弱,细胞出现分离所致[23]。与热处理相比,超高压处理能显著延缓硬度的下降。胡萝卜硬度降低主要与高压引起的细胞机械损伤[22]和细胞壁物质发生的生化反应相关[24]。因此,本研究进一步测定相关指标以分析其影响机制。

图2 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜硬度的影响Fig.2 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the hardness of fresh-cut carrot 注:相同字母表示无显著性差异,不同字母则表示存在显著差异(p<0.05),图3～图7同。

2.2 超高压对鲜切胡萝卜相对电导率的影响

相对电导率能够反映细胞通透性的改变。从图3中可以看出,对照组的相对电导率为4.98%,100 MPa处理后与对照无显著差异(p>0.05),说明100 MPa并未对细胞造成实质性的损伤,可能也是100 MPa下胡萝卜维持较高硬度的原因。当压力小于300 MPa时,相对电导率随压力增加而显著增加(p<0.05),说明细胞所受的机械损伤程度加深;但当压力超过300 MPa后,相对电导率没有显著变化(p>0.05),这一结果与硬度的变化相符(图2),研究表明很多果蔬如梨[25]、葡萄[26]、青椒[27]等相对电导率的升高,都与其细胞完整性遭到破坏有关,致使其硬度下降。张红敏[28]使用超高压(100～600 MPa,5 min)处理鲜切胡萝卜时也发现,当压力达到300 MPa时,相对电导率不再随压力升高而增大。姚佳[17]研究发现鲜切莴笋经超高压处理后细胞组织呈现“浸渍”状态,导致了相对电导率的升高。热烫处理后相对电导率高达63.69%,说明热处理会导致细胞膜的严重破损。

图3 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜相对电导率的影响 Fig.3 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the relative electrolytic leakage of fresh-cut carrot

2.3 超高压对鲜切胡萝卜PME酶活的影响

PME酶是一种耐压性的酶,可以使果胶去甲酯化形成果胶酸,当存在二价阳离子,如钙离子时,低甲酯化的果胶能形成交联,减小硬度下降甚至使硬度出现回升。此外,低甲酯化度的果胶不易发生β-消除反应,减小了果胶物质的非酶降解,有利于硬度保持[29-32]。不同处理对胡萝卜PME酶活的影响如图4所示。热烫处理使PME酶活降至空白对照的17.31%,而高压处理后PME酶活与对照无显著性差异(p>0.05),表明胡萝卜PME酶具有很好的耐压性,不易被高压钝化。Houben等[33]研究发现高压(100～700 MPa,10 min)的处理条件对胡萝卜酱的PME酶活无显著影响,Ratchada等[34]研究发现圣女果的PME在高压(500 MPa,20 min)后依旧保持较高的活性。PME酶保持较高活性的原因可能是超高压使得酶的活性中心暴露出来,更容易与底物接触;另一方面,超高压可能破坏了组织的区室化,在完整的组织中,酶与底物常常被细胞区室隔离开,高压破坏细胞膜后,酶和底物能够更好地接触。

图4 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜PME酶活的影响Fig.4 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the relative PME activity of fresh-cut carrot

2.4 超高压对鲜切胡萝卜果胶组分的影响

图5 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜WSP的影响Fig.5 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the WSP of fresh-cut carrot

根据果胶在不同的溶剂里溶解性不同,利用水、乙二胺四乙酸、碳酸钠可从细胞壁物质中提取出三种果胶成分:水溶性果胶(WSP)、螯合性果胶(CSP)和碱溶性果胶(NSP)。WSP是与细胞壁通过非离子键或非共价键交联的果胶,CSP是果胶上未酯化的羧基通过离子键与细胞壁上钙离子结合的果胶,NSP是通过共价键与细胞壁多糖结合的果胶[35]。本研究分析了高压处理对胡萝卜细胞壁中的WSP、CSP和NSP含量的影响。未处理的胡萝卜果胶组成为WSP(42.61%),CSP(43.11%),NSP(14.28%)。从图5～图7可以看出,与对照相比,高压处理后胡萝卜NSP含量增加,WSP含量下降。当压力小于300 MPa时,随着压力增加,CSP含量增加,WSP含量下降;当压力大于300 MPa时,随着压力增加,WSP含量增加,CSP含量下降。果胶组分发生变化的原因可能是高压作用下一方面使果胶形成了特殊的可以与碳酸盐结合的酯键[14],NSP含量增加;另一方面随着压力的增大,细胞结构破坏,PME更易与果胶接触,酯化度下降,使果胶更易于与组织中的金属离子形成螯合性果胶,即以非共价键键合的WSP与金属离子形成离子键后转变为CSP。WSP含量下降、NSP含量增加可能是胡萝卜质构保持较好的原因。而300 MPa以上CSP含量减少,WSP含量增加的原因还有待进一步探索。Roeck等[14]研究发现热处理(100 ℃,20 min)会导致胡萝卜的WSP增加,NSP下降,而高压结合高温(600 MPa,80 ℃,20 min)处理后WSP降低,CSP和NSP增加,从而表现出对胡萝卜质构较好的保护作用。姚佳[17]对莴笋三种组分果胶在高压下变化的研究结果表明,100 MPa处理后WSP含量显著下降,NSP含量显著增大,在300、500 MPa处理后CSP含量显著下降,而NSP含量显著增大,说明NSP含量也是影响莴笋硬度的关键组分。Zhang等[36]研究超高压对鲜切黄桃硬度的影响时发现,与热处理(90 ℃,20 min)相比,超高压(600 MPa,5 min)处理可以有效保持黄桃的硬度,可能与高压处理后NSP含量显著增加相关。热处理对果胶不同组分的含量并未表现出显著的影响作用(p>0.05),说明热处理导致的硬度下降主要来自于细胞的机械损伤。

图6 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜CSP的影响Fig.6 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the CSP of fresh-cut carrot

图7 超高压处理(100～600 MPa,5 min)对鲜切胡萝卜NSP的影响Fig.7 Effect of HPP(100～600 MPa,5 min)on the NSP of fresh-cut carrot

3 结论

超高压处理(100 MPa,5 min)后胡萝卜硬度无显著变化,随着压力的增加,胡萝卜硬度显著下降(p<0.05),当达到300 MPa后,硬度不再变化。细胞膜透性方面,100 MPa处理对细胞无实质性损伤,压力升高到300 MPa过程中,相对电导率显著增加,表明细胞所受的机械损伤增加,但压力高于300 MPa后,相对电导率不再显著变化。细胞壁果胶方面,高压处理后胡萝卜PME酶活仍保持在较高水平,WSP含量下降,NSP含量增加,这可能是质构保持较好的原因。综上所述,超高压处理从细胞膜透性的改变和细胞壁果胶组分变化方面共同影响了鲜切胡萝卜的硬度,本文为超高压技术在保持鲜切果蔬质构上的应用提供了理论基础,但未对超高压对细胞膜损伤的影响进行深入研究,未来可对超高压下细胞膜的氧化损伤以及细胞形态的改变等方面进行进一步研究。

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Study on effect and mechanism of high pressure processing on hardness of fresh-cut carrot

SUN Ya-xin,KANG Xu-lei,LIANG Dong,CHEN Fang,HU Xiao-song*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University;National Engineering Research Center of Fruit and Vegetable Processing;Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing,Ministry of Agriculture, Beijing Key Laboratory for Food Non-thermal Processing,Beijing 100083,China)

Processing methods always cause damage to fresh-cut fruits and vegetables. High pressure processing(HPP)is promising a technology for protecting the quality of fresh-cut fruits and vegetables. In order to explore the hardness change of fresh-cut fruits and vegetables with the increased pressure and the corresponding internal mechanisms. This study was designed to evaluate the effect of high pressure processing(100～600 MPa,5 min)on the changes in hardness,cell membrane,pectin methylesterase(PME)and cell wall pectin fraction of fresh-cut carrot. The results showed that there was no significant change in carrot hardness after 100 MPa treatment,and the relative conductivity and the hardness of carrots increased significantly with the increase of pressure. When the pressure reached 300 MPa,the relative conductivity and hardness no longer alter significantly even if increased pressure.Meanwhile,increase in sodium carbonate soluble pectin(NSP)and decrease in water soluble pectin(WSP)fraction at all pressure levels were observed. However,complete inactivation of pectin methylesterase activities could not be fulfilled by HPP. Hardness change of fresh-cut carrot processed by HPP was attributed to changes of cell membrane permeability and cell wall pectin components profile.

high pressure processing;carrot;hardness;mechanism

2016-12-06

孙雅馨(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：果蔬加工，E-mail:melodysun0923@163.com。

*通讯作者:胡小松(1961-)，男，硕士，教授，研究方向：果蔬加工，E-mail:huxiaos@263.net。

国家自然科学基金(31371811)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)11-0200-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.029