二氧化碳在胡蘿卜壓差膨化中的應(yīng)用

王森浩，羅倉學(xué)，張春芳

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，西安 710021)

壓差膨化干燥技術(shù)作為一種新型的加工技術(shù)，為果蔬的深加工提供了廣闊的空間，為果品蔬菜初級產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化增值提供了方向。它利用相變和氣體的熱壓效應(yīng)，將被加工的果蔬內(nèi)部的液體迅速升溫氣化、增壓膨脹，并依靠氣體的膨脹帶動物料組織中物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變性，從而使物料形成均勻的、具有一定膨化度和脆度的疏松結(jié)構(gòu)。壓差膨化干燥技術(shù)發(fā)展于真空干燥技術(shù)，因其產(chǎn)品具有綠色天然、品質(zhì)優(yōu)良、食用方便、易于貯存等特點，市場需求不斷增大，有關(guān)壓差膨化干燥技術(shù)的研究也成為研究熱點[1-6]。

合適的預(yù)處理可以有效地改變果蔬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和特性，從而對其后期壓差膨化產(chǎn)生有利的影響。而對于胡蘿卜，由于其致密的組織結(jié)構(gòu)及高淀粉含量，較難進(jìn)行壓差膨化[7]。目前對胡蘿卜預(yù)處理方式的研究相對較少，主要包括糖漿浸泡和冷凍處理兩種。黃宗海等[8]研究了麥芽糖漿濃度、冷凍處理和水分含量對胡蘿卜膨化效果的影響。畢金峰等[9]也探討了預(yù)處理對胡蘿卜膨化干燥的影響。糖漿浸泡處理增加了產(chǎn)品的糖含量，降低了壓差膨化產(chǎn)品綠色天然的特點；凍融處理也存在能耗過大的問題。針對這些問題，本試驗擬探索全新的處理方式，為壓差膨化技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提供了理論依據(jù)。

CO2作為一種廉價、無毒、安全的氣體，具有優(yōu)良的滲透性，其使用后在食品中無殘留，近年來在食品領(lǐng)域使用頻繁[10-12]。結(jié)合壓差膨化原理，本試驗旨在探討CO2處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響，優(yōu)化胡蘿卜的膨化工藝，為壓差膨化技術(shù)更廣泛的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

新鮮胡蘿卜：購于西安未央?yún)^(qū)祥云果品批發(fā)市場；碳酸氫鈉(分析純)：天津市大茂化學(xué)試劑廠；二氧化碳：西安市航飛供氣站。

1.1.2 儀器設(shè)備

JA-XT Plus 21/50物性分析儀 英國Stable Micro System 公司；壓差膨化設(shè)備 陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院自行研制；CM-5分光測色儀 日本柯尼卡美能達(dá)公司；BC/BD-428A海爾冷凍柜 海爾股份有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

本試驗中，二氧化碳的來源分化學(xué)方法和物理方法兩種。

物理方法：將胡蘿卜放入加壓艙，通過使用CO2進(jìn)行加壓處理，使得CO2擴(kuò)散進(jìn)入胡蘿卜。

1.2.1 單因素和正交試驗

胡蘿卜經(jīng)清洗去泥，橫向切片(5±1) mm，于沸水中熱燙5 min后用冷水冷卻，之后進(jìn)行單因素試驗及正交試驗。壓差膨化工藝具體參數(shù)為：膨化溫度(90±2) ℃，膨化壓力(0.2±0.02) MPa，停滯時間10 min，抽真空干燥溫度(75±2) ℃，抽真空干燥時間3 h，原料量(5±0.1) kg/m2。

1.2.2 驗證試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取最佳NaHCO3溶液濃度、NaHCO3溶液浸泡時間、CO2加壓比例、CO2加壓時間，胡蘿卜經(jīng)清洗去泥，橫向切片(5±1) mm，于沸水中熱燙5 min后用冷水冷卻，分別采用NaHCO3溶液處理、CO2加壓處理及兩者協(xié)同處理對胡蘿卜進(jìn)行CO2處理，并進(jìn)行壓差膨化。壓差膨化工藝參數(shù)同1.2.1。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 脆度的測定

T.P.A.測定法。采用TA-XT Plus 21/50型分析儀進(jìn)行測定，具體參數(shù)設(shè)置如下：探頭型號P/0.25 s，測試速度1 mm/s，測試下壓距離2 mm，儀器自動測定應(yīng)力的變化，給出應(yīng)力時間變化曲線。脆度值：曲線上最大力的峰值與達(dá)到最大力所用時間的比值，單位為“N/s”，數(shù)值越大，脆性越好[13-15]。

1.3.2 色澤的測定

采用CM-5分光測色儀進(jìn)行測定。L*，a*，b*值：L*值表示色澤的明亮度，L*值的范圍在0～100，L*=0表示黑色，L*=100表示白色，L*值越大，表示亮度越高、褐變越輕；L*值越小，表示褐變越嚴(yán)重。

對產(chǎn)品進(jìn)行脆度測定后，使用萬能粉碎機(jī)進(jìn)行磨粉并過100目篩，采用測色儀進(jìn)行5次測定，記錄L*，a*，b*值，最后取平均值并記錄。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差分析，各處理間差異采用Duncan新復(fù)極差比較法分析。

2 試驗設(shè)計

2.1 單因素試驗

2.1.1 NaHCO3溶液濃度

熱燙處理過的胡蘿卜經(jīng)冷水冷卻后，瀝掉表面水分，分別置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，1%，1.5%，2%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在55 ℃烘箱中進(jìn)行預(yù)干燥至水分含量為65%，均濕，采用0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比加壓處理10 min后進(jìn)行壓差膨化。

2.1.2 NaHCO3溶液浸泡時間

熱燙處理過的胡蘿卜經(jīng)冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃分別浸泡6，12，18，24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進(jìn)行預(yù)干燥至水分含量為65%，均濕，采用0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比加壓處理10 min后進(jìn)行壓差膨化。

2.1.3 CO2加壓比例

控制加壓總壓力為0.2 MPa，采取CO2+空氣對胡蘿卜進(jìn)行加壓處理。熱燙處理過的胡蘿卜經(jīng)冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進(jìn)行預(yù)干燥至水分含量為65%，均濕，按表1加壓比分別加壓處理10 min，進(jìn)行壓差膨化(由于空氣中CO2含量僅占0.04%，故可忽略空氣中CO2占比)。

表1 CO2加壓比例Table 1 Pressurization ratio of CO2

2.1.4 CO2加壓時間

熱燙處理過的胡蘿卜經(jīng)冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進(jìn)行預(yù)干燥至水分含量為65%，均濕，采取0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比分別加壓5，10，15，20 min，進(jìn)行壓差膨化。

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計三因素三水平正交試驗，其因素及水平見表2。

表2 L9(33)正交試驗設(shè)計表Table 2 L9(33) orthogonal test designTable

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果分析

3.1.1 NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響

NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響見表3。

表3 NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響Table 3 Effect of NaHCO3 concentration on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

由表3可知，隨著NaHCO3濃度的增大，產(chǎn)品的脆度值逐漸降低。當(dāng)NaHCO3濃度在0～1%時，隨著NaHCO3濃度的升高，產(chǎn)品的脆度值及亮度都逐漸降低；當(dāng)NaHCO3濃度達(dá)到1%以上時，產(chǎn)品的脆度值及亮度基本保持不變。植物組織浸泡于鹽溶液中時，浸泡一定的時間，鹽溶液濃度的不同導(dǎo)致滲透進(jìn)入植物組織中的溶質(zhì)量不同。滲透進(jìn)入胡蘿卜組織的NaHCO3量的不同，決定了其膨化時所釋放出的CO2量不同。綜合考慮，選取1%的NaHCO3為處理胡蘿卜的最佳濃度。

3.1.2 NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響

NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響見表4。

由表4可知，隨著浸泡時間的增長，胡蘿卜的脆度逐漸降低。當(dāng)浸泡時間達(dá)到12 h以上時，產(chǎn)品的脆度不再發(fā)生顯著變化。隨著浸泡時間的增長，NaHCO3逐漸滲透進(jìn)入胡蘿卜，達(dá)到一定時間后，胡蘿卜內(nèi)部NaHCO3濃度會達(dá)到飽和，不再變化，繼而所能釋放出的CO2的量也不再變化。故選取NaHCO3的最佳浸泡時間為12 h。

表4 NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響Table 4 Effect of soaking time of NaHCO3 on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.1.3 CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響

CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響見表5。

表5 CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響Table 5 Effect of CO2 pressurization ratio on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

通過使用CO2與空氣混合加壓，考察CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響。由表5可知，在CO2壓力達(dá)到0.15 MPa之前，即CO2與空氣壓力比小于3∶1時，產(chǎn)品的脆度沒有發(fā)生明顯變化；CO2壓力達(dá)到0.15 MPa之后，即產(chǎn)品的脆度有一個上升的趨勢；當(dāng)完全采用CO2進(jìn)行加壓處理時，產(chǎn)品的脆度達(dá)到最高值。當(dāng)加壓壓力及加壓時間一定時，CO2比例的不同，影響CO2擴(kuò)散進(jìn)入胡蘿卜片的量不同。而對于產(chǎn)品的L*值，其不隨CO2壓力的變化而變化，表明CO2加壓壓力對產(chǎn)品的亮度值沒有顯著性作用，即CO2加壓壓力不影響產(chǎn)品的褐變。故選取最佳CO2加壓比例為100%。

3.1.4 CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響

CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響見表6。

表6 CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響Table 6 Effect of CO2 pressurization time on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

由表6可知，產(chǎn)品的脆度值隨加壓時間的增長，有一個先上升后平穩(wěn)的過程，當(dāng)處理時間達(dá)到15 min時，產(chǎn)品的脆度不再發(fā)生明顯變化，基本穩(wěn)定。CO2加壓處理胡蘿卜，CO2氣體在胡蘿卜內(nèi)部和外部形成濃度差，CO2通過熱運(yùn)動進(jìn)入胡蘿卜，由于加壓壓力確定，隨著CO2加壓處理時間的增長，進(jìn)入胡蘿卜的CO2逐漸增多，胡蘿卜內(nèi)外CO2濃度差逐漸消失，當(dāng)胡蘿卜內(nèi)外CO2濃度相等時，進(jìn)入胡蘿卜的CO2量不再變化，達(dá)到最大值。故選取最適CO2加壓時間為15 min。

3.2 正交試驗結(jié)果

根據(jù)CO2加壓比單因素試驗結(jié)果，選擇100% CO2進(jìn)行加壓處理，正交試驗不再分析。以產(chǎn)品脆度為評價指標(biāo)，綜合單因素試驗結(jié)果，設(shè)計三因素三水平正交試驗，結(jié)果見表7。

表7 正交試驗結(jié)果Table 7 Orthogonal test results

由表7可知，CO2處理胡蘿卜進(jìn)行壓差膨化的最佳工藝為A3B3C2，即NaHCO3浸泡濃度為1.5% NaHCO3，浸泡時間為18 h，CO2加壓時間為15 min。由R值可以看出，3個因素對胡蘿卜膨化效果的影響大小順序為：B(NaHCO3浸泡時間)>C(CO2加壓時間)>A(NaHCO3浸泡濃度)。

3.3 驗證試驗結(jié)果

不同CO2處理方式對胡蘿卜壓差膨化效果的影響見圖1。

圖1 不同處理方式對胡蘿卜壓差膨化效果的影響Fig.1 Effect of different treatment methods on explosion puffying effect of carrot

由圖1可知，采用NaHCO3溶液浸泡和CO2加壓協(xié)同處理對胡蘿卜進(jìn)行CO2處理的效果更好，其脆度值達(dá)到2548.6 N/s，遠(yuǎn)高于單獨(dú)任意一種處理方式，故采用協(xié)同處理方式對胡蘿卜進(jìn)行CO2處理效果更好。

4 結(jié)論

以胡蘿卜為原料，研究了CO2處理對膨化效果的影響，試驗結(jié)果表明：NaHCO3溶液濃度、NaHCO3溶液浸泡時間、CO2加壓比例及CO2加壓時間對膨化效果均有顯著影響(p<0.05)；使用化學(xué)方法和物理方法協(xié)同作用對胡蘿卜進(jìn)行CO2處理效果更好；在使用100% CO2進(jìn)行加壓處理的條件下，通過正交試驗確定影響膨化效果的因素依次為：NaHCO3溶液浸泡時間>CO2加壓時間>NaHCO3溶液浸泡濃度，得出最優(yōu)工藝：NaHCO3溶液浸泡時間為18 h，CO2加壓時間為15 min，NaHCO3溶液浸泡濃度為1.5%。