代亚萍,邓凯波,*,卢 旭,缪 松,郑宝东

(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350000;2.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室,福建福州 350000;3.中国爱尔兰国际合作食品物质学与结构设计研究中心,福建福州 350000;4.爱尔兰农业部农业与食品局Teagasc食品研究中心,爱尔兰科克市)

南瓜(CucurbitamoschataDuch)为葫芦科南瓜属的植物,虽起源于美洲大陆,但其抗逆性强、具有良好的栽培特性,现已在世界范围内广泛栽种。在我国,南瓜的种植范围极广,产量居世界第二,具有较大的原料及加工优势。然而,新鲜南瓜的高含水率85%～95%(w/w)和活性过氧化酶系造成南瓜贮藏期极短,加工周期受限。因此,新鲜南瓜多采用脱水干燥手段降低水分含量,使微生物引起的腐败变质和酶促反应水平降至最低,从而延长产品的货架寿命[1],同时也可极大丰富产品,适应市场需求,是应用最广泛的果蔬贮藏方法之一。

为保持南瓜干燥成品具有较好的品质,传统的热干燥技术通常是通过热灭活过氧化物酶来抑制成品褐变,但同时高温处理也造成抗坏血酸和胡萝卜素分解而导致营养物质流失过多[2-3]。虽然可以通过护色预处理得到改善,但目前南瓜干燥的传统预处理方法仍以复和护色液及热烫为主:护色法的化学试剂残留问题影响产品的品质及安全,而传统的热烫预处理在高温灭酶的同时,易造成南瓜组织软化和部分营养流失等问题[2],目前,超声波辅助漂烫预处理手段已在黄花菜[4]、胡萝卜[5]和双孢蘑菇[6]等多种食品原料的加工中进行了研究,并证实其具有更好的抑制酶活,保留营养物质,改善产品品质和减少干燥时间等优势,但目前尚未有利用超声波辅助漂烫手段对南瓜进行预处理加工及干燥后品质特性研究的相关报道。同时,常见的南瓜干燥方法有热风干燥法[7]、喷雾干燥法[8]、微波干燥法[9]及微波真空干燥法[10]等,但具有能耗较高或成品品质差等缺点。因此本研究拟采用太阳能-热泵联合干燥这一新型清洁型干燥手段。它结合了太阳能干燥和热泵干燥两种干燥技术的优点,具有效率高,耗能低,连续性好等特点,在农产品加工领域具有广阔的应用前景[11-12]。Mustafa A等[13]探讨了太阳能辅助热泵联合干燥技术在苹果加工中的应用,相比于单独热泵干燥,太阳能辅助热泵联合干燥技术可缩短干燥时间,降低能耗,提高干燥效率。但目前未见采用此技术进行南瓜干燥的相关报道。

本文在南瓜片太阳能-热泵联合干燥工艺操作中,采用超声波辅助漂烫手段对其进行护色预处理,优化预处理工艺条件并探讨超声波手段优势,以获得具有较高品质的干燥南瓜片。以期为南瓜这一大众消费蔬菜品种在深加工领域的应用提供理论依据,同时提高南瓜经济价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

密本南瓜 福州永辉超市;β-胡萝卜素标准品 纯度≥93%(w/v),美国Sigma-Aldrich公司;石油醚、苯酚、草酸、抗坏血酸、碳酸氢钠 均为分析纯;2,6-二氯靛酚钠 北京广达恒益科技有限公司。

KQ2200DE型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;YG-KRK-14II(5HP)太阳能-热泵联合干燥系统 福建农林大学农副产品综合开发研究所-东莞永淦节能科技有限公司联合研制;ADCI 系列全自动测色色差计 北京辰泰克仪器技术有限公司;T6 型新世纪紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;BSA-224S 电子分析天平 赛多利斯科学仪器北京有限公司;H2050R 高速冷冻离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;TAXTplus型质构仪 英国Stable Micro System公司；SFY-6 卤素快速水分测定仪 深圳冠亚科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 南瓜片的干燥工艺 选料→清洗→消毒(次氯酸溶液)→切半去籽→预处理→太阳能-热泵联合干燥→成品→包装→备用

主要步骤:选料:挑选平均单重12 kg左右、无病虫害、无损伤的成熟新鲜的南瓜;清洗:清洗并晾干表面水分后;切半去籽:沿南瓜中心轴切成两半,经去皮、去籽、去瓤后,用实验室自制小型切片器将南瓜切成4 cm×4 mm×5 cm均匀的南瓜片;预处理:取500 g样品进行预处理后,冷却沥干;太阳能-热泵联合干燥:放入太阳能-热泵联合干燥室内(70 ℃)干燥至目标含水率小于10%(w/w,干基)。包装、备用:用自封袋包装置于干燥器中,室温(25 ℃)保存备用。

1.2.2 南瓜片超声波预处理工艺优化

1.2.2.1 单因素实验 按工艺流程对南瓜进行超声波辅助预处理单因素实验,以超声波温度、超声波功率、超声波频率和超声波时间为单因素,以色差、硬度、β-胡萝卜素含量和抗坏血酸含量为指标,考察预处理条件对太阳能-热泵联合干燥南瓜片品质的影响。具体参数如下:在超声波时间为3 min,超声波功率为300 W,超声波频率为 35 kHz的条件下,调节超声波温度为40、50、60、70和80 ℃;在超声波温度为70 ℃,超声波时间为3 min,超声波频率为 35 kHz的条件下,调节超声波功率为120、180、240和300 W;在超声波温度为70 ℃,超声波时间为3 min,超声波功率300 W的条件下,调节超声波频率为20、35和60 kHz。在超声波温度为70 ℃,超声波功率300 W,超声波频率为35 kHz的条件下,调节超声波时间为1、3、6和9 min。

1.2.2.2 正交实验设计 根据单因素实验结果,以色差、硬度和抗坏血酸含量为指标,对以上4个因素进行四因素三水平正交优化,因素水平表见表1。

表1 正交实验L9(34)因素水平设计Table 1 Factors and levels of orthogonal test L9(34)

1.2.2.3 综合指标确定 参照陶菊春[14]的方法,以上述三项指标为加权项计算干燥成品的综合评分,以获得最佳预处理工艺。计算公式如式(1):

综合评分=T1×0.4+(Tmax-T2)×0.4+|T3-11.76|×0.2

式(1)

式中:T1-色差(ΔE);T2-抗坏血酸含量;Tmax-实验组的最大抗坏血酸含量;T3-硬度。

1.3 超声波辅助漂烫与传统漂烫的比较

基于正交实验的结果,进行如下两种预处理的对比实验:超声波辅助漂烫组:采用上述最佳预处理工艺对南瓜进行超声波辅助漂烫预处理;传统漂烫预处理组:将南瓜放入70 ℃水中漂烫3 min。处理后分别进行太阳能-热泵联合干燥手段进行干燥(70 ℃),测定并对比两组样品色差、硬度和抗坏血酸含量。

1.4 指标测定

1.4.1 初始水分测定 参照国家标准GB 5009.3-2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,利用干基含水率方法表示[15]。

1.4.2 色泽测定 依据CIE Lab表色系统,测定并记录新鲜南瓜和干燥后南瓜片的明亮度指数L*、红/绿度指数a*、黄/蓝度b*,并按照式(2)计算其总颜色变化(ΔE)值,判断色差变化大小,每组重复3次取平均值,ΔE值越大褐变越严重。

式(2)

1.4.3 硬度测定方法 采用TA.XT plus物性测试仪进行测试[16]:P/5型穿刺探头,测试速率0.5 mm/s,测试距离3 mm;触发点10 g。参考傅亚平[17]对南瓜感官评价硬度的研究,选取硬度理想值。硬度以质构图中的峰值表示,数值越大表明样品硬度越大,单位为N。

1.4.4β-胡萝卜素含量测定 样品测定:参考陈瑞娟[18]所述方法制作标准曲线,样品测定方法稍作修改。将干燥后南瓜片粉碎至60目,精确称取南瓜粉1.5 g于烧杯中,加入20 mL石油醚及少量石英砂后,置于超声波振荡器(声波频率为60 kHz)中,振荡15 min后抽滤,滤液转入50 mL容量瓶中。向沉淀中加入20 mL石油醚,振荡15 min,再次抽滤,将得到的滤液再次移入上面50 mL容量瓶中,此时上层液体颜色明显变浅。而后将液体用石油醚定容至100 mL,吸取2 mL稀释定容至25 mL。利用紫外分光光度计在450 nm波长下进行比色,以标准曲线(y=7.763x+0.0156,R2=0.9994)计算β-胡萝卜素含量。

式(3)

式中:N为β-胡萝卜素的含量(mg/g);x为利用标准曲线求得的β-胡萝卜素含量(mg/mL);m为南瓜粉质量(g);k为干基水分含量(%)。

1.4.5 抗坏血酸含量测定方法 依据GB 5009.86-2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》中2,6-二氯靛酚滴定法[19]。

1.5 数据与统计

实验重复3次,按平均值表示实验结果,用Excel 2007和DPS v7.5数据处理软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 超声波温度对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响

由图1(a)可知,超声波温度(T)对总颜色变化(ΔE)有显著性影响(p<0.05)。与初始色泽相比,在60 ℃时ΔE最小;T>60 ℃时,ΔE随超声波处理温度的升高而增加,由于物料的颜色取决于天然色素和外加色素的状态和稳定性,以及加工和贮藏过程中的变色反应。这是由于当T>60 ℃时,随着温度的升高,在高温高湿条件下物料中的抗坏血酸容易发生氧化、花青素降解成灰色色素,以及高温下南瓜中的羰基类化合物(还原糖类)和氨基类化合物(氨基酸和蛋白质)发生美拉德反应形成棕色复合物[20],从而导致随着超声波温度的升高ΔE逐渐升高。而当T<60 ℃时,ΔE随超声波处理温度的升高而减小,可能是因为过氧化物酶的最适温度为40 ℃[21],因此在此温度范围内过氧化物酶的高催化活性使南瓜片褐变严重,导致ΔE 升高。

由图1(b)可知,样品硬度随超声波温度的升高呈显著升高趋势(p<0.05)。水在40～60 ℃左右时可产生产生最强的超声空化作用,使南瓜内部结构软化和细胞通透性增强逐渐增加[22],干燥后形成的多孔结构在探头压力下易破碎断裂,硬度较低;而随着温度继续升高,由于预处理液汽化压力的增强及相对黏度的降低,导致空化泡冲击力减弱[23-24]。因而超声波作用降低,硬度升高。根据傅亚平[17]对干燥南瓜片感官评价得出的可消费者接受的最佳硬度值11.76 N可知,本研究中40～60 ℃范围内南瓜片硬度与最适硬度较接近。

抗坏血酸为水溶性维生素,同时具有热不稳定性[25],且温度越高,降解速度越快[3]。因此在本研究中,在超声波时间固定不变(3 min)的前提下,随着超声波温度的升高,南瓜片抗坏血含量逐渐降低(见图1c)。β-胡萝卜素的稳定性受到许多物理的、化学的、生物因素的影响[26]。β-胡萝卜素在适当温度下与氧气接触时间过长易被氧化,这是由于在一定温度下脂肪氧合酶的活性高,促进β-胡萝卜素的氧化;随着温度的升高脂肪氧合酶失活[27],从而减少β-胡萝卜素的氧化损失,结果如图1(c)所示,β-胡萝卜素含量随着温度的升高逐渐增加。

图1 不同超声波温度对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响Fig.1 Effect of ultrasonic temperature on the quality of solar-assisted heat pump dried pumpkin slices

综上,超声波温度在60～90 ℃时对干燥南瓜的色差、硬度、抗坏血酸含量和β-胡萝卜素含量影响较大。

2.2 超声波功率对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响

超声波作用是多种物理和化学效应的综合结果,超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机械机制和空化机制三种[27]。如图2(a)所示,南瓜片ΔE值随超声波功率的增加呈现先增加后平稳的趋势,是因为超声波产生机械化学效应的超声空化,造成部分细胞组织机械损伤[28],改变细胞膜结构,为胞内酶与南瓜类胡萝卜素前体化合物之间的接触提供可能性,导致着色化合物的形成,造成南瓜中可见色素的降解[29]。由图2(b)可知,在超声波功率低于180 W时,超声波功率对干燥后南瓜的硬度影响不显著(p>0.05);当高于180 W时,南瓜片硬度随超声波功率显著增加(p<0.05)。超声波能量会产生“超声空化”现象,影响物料的细胞结构从而改变物料硬度大小,此现象受超声波强度(功率)和超声频率的影响,超声强度越大空化强度越大[30]。在180～240 W范围内南瓜片硬度与文献报道最适硬度(11.76 N)[17]较接近。

由图2(c)可知,随着超声波功率的增加,抗坏血酸含量逐渐增大(p<0.05)。超声波可以有效去除样品中的闭塞氧,且这一积极作用随着功率的增加逐渐增强,因此不同功率的超声波处理可不同程度地降低南瓜片含氧水平,对抗坏血酸稳定性产生差异化影响[31]。干燥后南瓜片β-胡萝卜素含量受超声波处理功率影响无显著性差异(p>0.05)。

图2 不同超声波功率对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on the quality of solar assisted heat pump dried pumpkin slices

综上,超声波功率对β-胡萝卜素含量无显著性影响(p>0.05),在 180～300 W时对干燥南瓜的色差、硬度和抗坏血酸含量影响较大。

2.3 超声波频率对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响

由图3(a),不同超声波频率对干燥后南瓜片ΔE的影响不显著(p>0.05)。由图3(b)可知,随着超声波频率的升高,南瓜硬度较新鲜南瓜无显著差别(p>0.05),但频率为60 kHz时，南瓜硬度与20、35 kHz时南瓜硬度有显著性变化(p<0.05),超声波频率越高南瓜干燥后硬度越大,在20～35 kHz范围内南瓜片硬度与最适硬度(11.76 N)[17]较接近。主要是由于超声波空化现象受超声波频率的影响,频率越高,空化强度越小,但当超声波频率与物料组织破碎的振幅频率接近,形成共振效果,这一过程往往伴随一系列二阶现象发生[32],物料组织的破碎导致样品中的可溶性溶质流失,例如一些离子,从而引起干燥物料硬度降低[33-34]。由图3(c)可知:不同超声波频率对抗坏血酸含量有较显著影响(p<0.05),这可能是由于随着超声波频率的增加,所需的声强增加,导致去除样品中的闭塞氧的效率降低,不能降低物料中的含氧量,而降低了抗坏血酸的稳定性。β-胡萝卜素含量受超声波处理频率影响较小,经过不同超声波频率的南瓜干燥后β-胡萝卜素含量无显著性差异(p>0.05)。

图3 不同超声波频率对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响Fig.3 Effect of ultrasonic frequency on the quality of solar assisted heat pump dried pumpkin slices

综上,超声波频率对色差和β-胡萝卜素含量无显著性影响(p>0.05),在 20～60 kHz时对干燥南瓜的硬度和抗坏血酸含量影响较大。

2.4 超声波处理时间对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响

由图4(a)可知:随着超声波处理时间的增加,ΔE先减小后增加,在处理时间为3 min和6 min时,ΔE无显著性差异(p>0.05);而当处理时间为1 min时,ΔE的值最大,表明超声波辅助漂烫处理时间太短,则干燥后物料颜色变化较大;但若处理时间超过6 min后,物料干燥前后颜色变化量也逐渐增加。这是因为超声波辅助漂烫处理时间太短不足以使物料中酶完全失活而发生酶促褐变;而当处理时间太长则可能发生非酶促褐变导致干燥前后物料颜色发生变化。因此,超声波辅助漂烫处理时间在3～6 min为宜。由图4(b)可知:不同超声波处理时间下干燥后得到物料硬度与新鲜南瓜硬度变化显著(p<0.05),在1～6 min范围内南瓜片硬度与文献报道中干燥南瓜片最适硬度(11.76 N)[17]较接近。但不同处理时间硬度变化不明显。

由图4(c)可知:抗坏血酸含量随着处理时间的增加逐渐减少;具有水溶性的抗坏血酸受其在水中的溶解度和及其对高温和氧化条件(氧气,pH和金属离子)及接触时间的影响[35],处理时间越长抗坏血酸因水溶性损失越大。因此,随着超声波处理时间的增加抗坏血酸含量逐渐减少。β-胡萝卜素含量受超声波处理时间影响较小,经过不同超声波时间处理的南瓜干燥后β-胡萝卜素含量无显著性差异(p>0.05)。

图4 不同超声波处理时间对太阳能-热泵联合干燥南瓜的影响Fig.4 Effect of ultrasonic treatment time on quality of solar-assisted heat pump dried pumpkin slices

综上,超声波处理时间对β-胡萝卜素含量无显著性影响(p>0.05),在1～6 min时对干燥南瓜的色差、硬度和抗坏血酸含量和影响较大。

2.5 正交实验结果与分析

根据单因素实验结果:不同超声波温度对β-胡萝卜素含量有一定影响,而超声波处理时间、超声波功率和超声波频率对β-胡萝卜素含量都无显著性影响,因此正交实验选取色差、硬度和抗坏血酸含量作为评价指标;以超声波温度、超声波处理时间、超声波功率和超声波频率作为考察因子。由于干燥过程中各干燥条件对南瓜的色差及抗坏血酸含量的影响较大,因此,在加权评分时色差、硬度和抗坏血酸的权重分别是0.4、0.2、0.4。而各指标的要求为色差越小越好,硬度值稳定在某一理想值较好(参考傅亚平等取最佳硬度值11.76 N)[17]。采用L9(34)进行正交实验,确定南瓜太阳能-热泵联合干燥中超声波辅助漂烫预处理的最佳条件。

实验每个处理平行3次取平均值,正交实验结果见表2,方差分析结果见表3。

表2 L9(34)正交实验结果Table 2 Results of L9(34)orthogonal text

表3 正交实验的方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test

由表2可知,各因素对评价指标的作用大小为:B(超声波功率)>D(超声波处理时间)>C(超声波频率)>A(超声波温度)。依据综合评分实验分析结果综合评分越小越好得出最佳水平组合为A2B3C2D2,即超声波温度为70 ℃、超声波功率为300 W、超声波频率为35 kHz、超声波处理时间为3 min。

由表3方差分析结果可知,超声波功率对南瓜太阳能-热泵联合干燥的色差、硬度和抗坏血酸含量有显著性影响(pB<0.05),超声波频率和超声波时间对各指标都有较显著影响(p<0.1)。

2.6 不同预处理手段的干燥南瓜片品质对比

由表4可知,不同预处理间ΔE存在显著性差异(p<0.05),经超声波辅助漂烫预处理的干燥南瓜ΔE较小,这表明南瓜经超声波辅助漂烫预处理再脱水干燥后对其颜色的影响较小,产品颜色不会因褐变严重而变深,更易被消费者接受。经超声波辅助漂烫预处理的干燥南瓜的硬度与漂烫预处理的干燥南瓜之间无显著性差异(p>0.05),但相比于新鲜南瓜,由于干燥过程中脱水的缘故,硬度都显著增加(p<0.05)。超声波辅助漂烫预处理干燥南瓜片组的抗坏血酸含量较漂烫预处理组更高,不同预处理组间存在显著性差异(p<0.05)。因此,本研究最佳超声波辅助漂烫预处理工艺在干燥南瓜片品质方面远优于漂烫预处理,利用超声波辅助漂烫的预处理方法得到的干燥南瓜品质、形态具优。

表4 不同预处理方法对干燥南瓜品质特性的影响Table 4 Effect of pre-treatment on the quality of dry pumpkin slices

3 结论

通过单因素实验可知,超声波温度、超声波处理时间和超声波功率对干燥南瓜片中β-胡萝卜素含量的影响不大，但三种因素对干燥南瓜片的色差、硬度和抗坏血酸含量都有显著性影响(p<0.05)；超声波频率对色差和β-胡萝卜素含量无显著性影响(p>0.05)，对干燥南瓜片的硬度和抗坏血酸含量影响显著(p<0.05)。

正交实验获得最佳超声波辅助漂烫预处理工艺为:超声波温度为70 ℃、超声波功率为300 W、超声波频率为35 kHz、超声波处理时间为3 min,在此条件下得到的干燥南瓜片品质、形态具优。

通过不同预处理手段比较,最优水平的超声波辅助漂烫预处理可使干燥南瓜片总颜色变化(ΔE)最小,抗坏血酸含量更高,证明超声波这一物理手段可显著提高南瓜热处理时的综合品质,超声波辅助漂烫预处理手段可用于南瓜片干燥加工中。

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