脈沖電場(chǎng)處理對(duì)金桔質(zhì)構(gòu)影響及其機(jī)理研究

曾新安 周黎貞 林松毅 劉仲華 黃華學(xué) 胡博涵

(1.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院 國(guó)家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125；4.湖南華誠(chéng)生物資源股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

金桔[1- 2](Kumquat)屬于云香科，又名金橘、金棗等。富含維生素、鋅、多糖、多酚、果膠等營(yíng)養(yǎng)成分，具有抗癌、止咳、抑菌、調(diào)節(jié)免疫力、預(yù)防心腦血管疾病等效果，深受消費(fèi)者喜愛，常被加工成金桔蜜餞。金桔表皮結(jié)構(gòu)致密，在金桔加工成蜜餞過程中耗費(fèi)長(zhǎng)達(dá)15 d的浸漬時(shí)間，傳統(tǒng)工藝采取手工扎孔和刀劃手段促進(jìn)浸漬[3- 4]，效率低，人工成本高。脈沖電場(chǎng)(PEF)最優(yōu)脈沖預(yù)處理參數(shù)條件下比傳統(tǒng)工藝組縮短6～7 d的浸漬時(shí)間[5]，同時(shí)還會(huì)對(duì)金桔質(zhì)構(gòu)特性(硬度、咀嚼性、彈性等)造成影響，質(zhì)構(gòu)特性與果蔬品質(zhì)具有相關(guān)性[6]，因此，開展PEF處理對(duì)金桔質(zhì)構(gòu)特性的影響研究很有意義。

早期研究表明，纖維素、半纖維素和果膠物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響可食用果蔬質(zhì)構(gòu)特性[7- 8]。文中通過研究金桔纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化，分析PEF影響金桔品質(zhì)的規(guī)律。纖維素是由葡萄糖結(jié)構(gòu)單元結(jié)合起來的直鏈狀高分子不溶性碳水化合物，柔順性差[9- 10]；纖維素晶體的剛性應(yīng)該源于平行(反平行)鏈間氫鍵的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，其存在狀態(tài)決定細(xì)胞壁的彈性、伸縮強(qiáng)度和可塑性[11]。半纖維素主要結(jié)合在纖維素的微纖維表面，起到粘連纖維素作用，其多羥基、羧基結(jié)構(gòu)具有親水性，賦予細(xì)胞壁潤(rùn)脹性和彈性。果膠以原果膠、果膠和果膠酸形式存在于細(xì)胞壁初生壁及胞間層，主要起粘連細(xì)胞壁和緩沖作用，在植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)及硬度方面也起著關(guān)鍵作用。

目前，PEF技術(shù)在食品非熱加工中的應(yīng)用研究[12]較廣泛，王冉[13]研究表明，PEF強(qiáng)度是影響果蔬物性的主要因素，隨著強(qiáng)度提高，果蔬物性(硬度、彈性、咀嚼性等)呈下降趨勢(shì)，最佳處理強(qiáng)度區(qū)間為：1.1～1.3 kV/cm。張全國(guó)等[14]研究了高壓靜電預(yù)處理對(duì)番茄的保鮮影響，發(fā)現(xiàn)處理后番茄表面抗壓強(qiáng)度提高，保鮮貯藏時(shí)間更長(zhǎng)。因此，以金桔為例，研究了PEF處理對(duì)金桔的質(zhì)構(gòu)特性(硬度、咀嚼性和彈性等)的影響及其作用機(jī)理，拓寬PEF的應(yīng)用領(lǐng)域，并為PEF輔助制作金桔蜜餞的參數(shù)選擇及工藝優(yōu)化方面提供參考。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料

脆皮小金桔，產(chǎn)自廣西，從廣州市場(chǎng)上當(dāng)季購(gòu)買；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、溴化鉀、硫酸以及5%次氯酸鈉均購(gòu)自廣東廣式試劑科技有限公司，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

本研究使用的主要儀器設(shè)備有質(zhì)構(gòu)儀(TA.XT plus)，英國(guó)Table Micro Systems Ltd 公司；掃描電鏡(EVO18)，德國(guó)蔡司公司；傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10)，美國(guó)Thermo Scientific公司；X射線衍射儀(X′PertPro)，荷蘭PANalytical公司；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，Brookfield公司DV3T Rheometer型，轉(zhuǎn)軸HA5(05)；脈沖電場(chǎng)設(shè)備，SY- 50型，廣州派虎科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 金桔樣品質(zhì)構(gòu)分析方法

挑選直徑為3.0 cm，新鮮、無病害、無破損的廣西脆皮小金桔30顆，均分成5組，每組6顆，編號(hào)：1-5組。第1組金桔無處理；2-5組樣品分別置于脈沖電場(chǎng)設(shè)備處理室中，添加蒸餾水將金桔浸沒，將電極調(diào)至接觸液面，經(jīng)PEF強(qiáng)度為0.5、1.0、1.5、2.0 kV/cm處理30個(gè)脈沖，備用。在最大場(chǎng)強(qiáng)PEF(2.0 kV/cm)處理30個(gè)脈沖條件下，體系溫度從27 ℃上升到28 ℃，溫差僅為1 ℃。可以排除溫度對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的影響。

質(zhì)構(gòu)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。將樣品置于質(zhì)構(gòu)儀，在P36R探頭下做TPA試驗(yàn)[15]。參數(shù)設(shè)置為：測(cè)前速度2.0 mm/s，測(cè)試速度1.0 mm/s，測(cè)后速度 2.0 mm/s，2次壓縮中間停頓5 s，壓縮距離5 mm，觸發(fā)力值0.049 N。每組做2個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.3.2 金桔纖維素、半纖維素、果膠提取與分離方法

金桔的纖維素、半纖維素和果膠提取流程如圖1所示，由于新鮮金桔含水量高，不易控制提取料液比，將PEF處理后的金桔及對(duì)照樣去籽烘干，粉碎，過50目篩，按1：20(g/mL)的料液比加0.1 mol/L鹽酸溶液于70 ℃恒溫水浴處理2 h，每 30 min 攪拌一次，然后采用2層紗布加1層定性濾紙抽濾。

圖1 樣品處理流程圖

將除果膠的濾渣按1：20(g/mL)的料液比加入10 g/100 g的NaOH溶液，85 ℃恒溫水浴處理4 h，不時(shí)攪拌，定性濾紙抽濾，濾液濃縮至20 mL，加入至3倍體積的95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)無水乙醇中，攪拌均勻，靜置1 h，過濾得半纖維素，95 %乙醇溶液洗至中性，60 ℃干燥至恒重，備用。

濾渣按料液比1：20(g/mL)加體積分?jǐn)?shù)為6.0%的H2O2溶液，調(diào)節(jié)pH值至11左右[16]，在30 ℃水浴條件下反應(yīng)30 min，蒸餾水洗滌至中性，95%的酒精浸泡2 h，脫脂脫色、抽濾、濾渣60 ℃干燥至恒重，得金桔纖維素。

1.4 金桔纖維素、半纖維素結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 紅外波譜(FT-IR)測(cè)試

取1 mg干燥樣品，加入100 mg的干燥KBr粉末充分混合，并研磨1～2 min，取適量混合粉末壓制成透明薄片，以KBr空白壓片做參比，紅外光譜儀掃描。

1.4.2 X射線衍射(XRD)測(cè)試

采用荷蘭PANalytical生產(chǎn)的X′PertPro型X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試條件[17- 18]為：CuKα為X光光源(λ=0.154 nm)，管電壓為40 kV，管電流為200 mA，掃描速度為5°/min，步寬為0.02°，衍射角2θ= 5°～50°，樣品研磨成320目的粒度，約為40 μm，取5 mg～3 g樣品置于樣品臺(tái)，用蓋玻片推平，測(cè)定。

采用X射線衍射法和紅外光譜法相結(jié)合測(cè)定纖維素的結(jié)晶度，根據(jù)式(1)計(jì)算纖維素結(jié)晶指數(shù)(Icr)：

(1)

式中：I002為2θ=22°的衍射強(qiáng)度，表示結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；Iam為2θ=18°處的衍射強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于無定形區(qū)。

1.4.3 金桔果膠粘度測(cè)定

分別稱取0.50 g PEF處理強(qiáng)度為0.0、0.5、1.0、1.5和2.0 kV/cm的金桔果膠于100 mL燒杯中，智能磁力攪拌器處理至顆粒完全溶解，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的果膠溶液；采用粘度計(jì)測(cè)定粘度，測(cè)定溫度20 ℃，轉(zhuǎn)速250 r/min，測(cè)定30 s。

1.4.4 掃描電鏡(SEM)觀察

樣品干燥、研磨，過200目篩，用導(dǎo)電膠將需要觀測(cè)的樣品固定在樣品臺(tái)上，用擦鏡紙輕輕刮樣品，并用洗耳球?qū)⑽垂潭ㄔ趯?dǎo)電膠上的樣品吹干凈、噴金、上樣、掃描、取景。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEF處理對(duì)金桔質(zhì)構(gòu)的影響

2.1.1 脈沖強(qiáng)度對(duì)金桔硬度、粘著性和咀嚼性影響

如圖2所示，新鮮金桔硬度高達(dá)2 796.29，隨著PEF處理強(qiáng)度的提高，金桔硬度逐漸減小，當(dāng)PEF處理強(qiáng)度為2.0 kV/cm時(shí)硬度降至590.55，減小了78.89%；粘著性和咀嚼性也越來越小，其中粘著性由1 050.68降至304.05，降低了71.06%；咀嚼性從367.63降至157.46，說明PEF處理后將樣品咀嚼成可吞咽的穩(wěn)定狀態(tài)所需能量減少57.17%。

圖2 PEF處理對(duì)金桔硬度、粘著性、咀嚼性的影響

PEF處理導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增大，胞內(nèi)水分流出，細(xì)胞膨壓下降[19]，纖維素、半纖維素結(jié)構(gòu)變化，纖維素結(jié)晶指數(shù)減小導(dǎo)致[20]咀嚼性、硬度減小；果膠分子量越小，粘著性越小[21]，在文中未展開詳細(xì)研究。

2.1.2 脈沖強(qiáng)度對(duì)金桔彈性、內(nèi)聚力、回復(fù)性影響

如圖3所示，隨著PEF處理強(qiáng)度的提高，金桔樣品的彈性、內(nèi)聚力和回復(fù)性均呈現(xiàn)先提高后趨于平緩趨勢(shì)。在PEF處理強(qiáng)度為1.5 kV/cm，處理30個(gè)脈沖時(shí)，3個(gè)指標(biāo)均達(dá)到最大值，其中彈性提高50.86%，內(nèi)聚力提高60.37%，回復(fù)性從0.149增大到0.305，提高了104.70%。

圖3 PEF處理對(duì)金桔彈性、內(nèi)聚力、回復(fù)性的影響

膨壓與彈性模量成正比例關(guān)系，膨壓減小，彈性減小[22]。PEF處理導(dǎo)致細(xì)胞穿孔、出水、膨壓減小。圖3結(jié)果表明，PEF處理后金桔彈性提高，說明膨壓下降不是導(dǎo)致金桔彈性改變的原因，可能跟纖維素或者半纖維素結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

內(nèi)聚力是指同種物質(zhì)內(nèi)部分子間相互吸引力，文獻(xiàn)表明：植物細(xì)胞中水分子的內(nèi)聚力高達(dá)-300×105Pa，葉片蒸發(fā)失水，內(nèi)聚力增大[23]。故PEF處理導(dǎo)致細(xì)胞失水，是內(nèi)聚力增大的原因。

回復(fù)性是指樣品在第1次壓縮過程中回彈的能力，是第1次壓縮循環(huán)過程中返回時(shí)樣品所釋放的彈性能與壓縮時(shí)探頭的耗能之比。由于PEF處理后金桔彈性提高，相應(yīng)回復(fù)性也有所增大。

2.2 纖維素結(jié)晶度分析

圖4為在不同的PEF處理強(qiáng)度條件下提取所得金桔中纖維素的X射線衍射對(duì)比圖?？梢钥闯觯鸾劾w維素在2θ=24.6°處有較寬衍射峰；12°～17°間和34.5°處出現(xiàn)不太明顯的肩峰，均為纖維素的特征衍射峰。

圖4 金桔纖維素X射線衍射光譜圖

由表1可見，隨著PEF處理強(qiáng)度提高，金桔纖維素結(jié)晶指數(shù)(Icr)也隨之減小。纖維素的結(jié)晶度減小，則抗張強(qiáng)度、彈性模量、硬度、密度及尺寸穩(wěn)定性等均隨之減??；而伸長(zhǎng)率、強(qiáng)韌性、柔軟性及化學(xué)反應(yīng)性等均提高[24]。因此，PEF處理使得金桔硬度和咀嚼性減小。

表1 PEF強(qiáng)度對(duì)金桔纖維素結(jié)晶度影響

2.3 金桔纖維素掃描電鏡觀察

圖5為經(jīng)PEF處理后金桔的纖維素形態(tài)放大 5 000 倍的掃描電鏡圖，如圖5(a)所示，纖維素?cái)嗔衙嫣幊输忼X形“韌性斷裂”，表面質(zhì)地致密，層與層間較緊實(shí)，表面較平滑。圖5(b)纖維素表面較圖5(a)粗糙，斷裂面呈“脆性斷裂”，表面凹凹凸凸，出現(xiàn)較多裂痕，層與層間較蓬松，有絲狀結(jié)構(gòu)暴露出來，應(yīng)該是大原纖維內(nèi)氫鍵作用力減弱，導(dǎo)致微原纖維束狀結(jié)構(gòu)松散、無序，從而裸露，也可能是纖維素的非z結(jié)晶區(qū)；圖5(c)所示纖維素表觀結(jié)構(gòu)松散，表面高低不平，層間空隙較多，圖5(a)、5(b)、5(c)中纖維素均為多層纖維團(tuán)聚在一起。圖5(d)所示PEF處理強(qiáng)度為1.5 kV/cm時(shí)，金桔纖維素結(jié)構(gòu)更加疏松，以條狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，且條與條間距離較大。圖5(e)中纖維素呈簇狀結(jié)構(gòu)，但是相比圖5(a)、5(b)、5(c)，圖5(e)纖維素表面產(chǎn)生很多孔洞，伴有較多小突起，表觀粗糙，層與層間縫隙較多，質(zhì)地蓬松。由此可以得出結(jié)論：PEF處理導(dǎo)致纖維素結(jié)構(gòu)更松散，從而導(dǎo)致金桔剛性減弱，硬度減小。

(a)對(duì)照組

(b)PEF強(qiáng)度=0.5 kV/cm

(c)PEF強(qiáng)度=1.0 kV/cm

(d)PEF強(qiáng)度=1.5 kV/cm

(e)PEF強(qiáng)度=2.0 kV/cm

2.4 金桔半纖維素的傅里葉變換紅外光譜結(jié)果

由上述研究可以看到，PEF對(duì)金桔的質(zhì)構(gòu)和半纖維素的影響隨場(chǎng)強(qiáng)的增大而增加。接下來，選擇最大場(chǎng)強(qiáng)(2 kV/cm)，測(cè)試PEF對(duì)半纖維素的影響，進(jìn)一步探究相關(guān)機(jī)理。由圖6可見，半纖維素的特征峰為 3 433.34 cm-1波長(zhǎng)處寬而強(qiáng)的吸收峰，是羧基或羥基中O—H的伸縮振動(dòng)峰，PEF處理強(qiáng)度為 2.0 kV/cm 時(shí)，此吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，說明羥基間產(chǎn)生的氫鍵作用力減小；2 490.46 cm-1是O—D之間的拉伸振動(dòng)吸收峰，PEF處理后該吸收峰增強(qiáng)，說明聚木糖分子間距可能變大；1 607.81 cm-1是吸附水的彎曲振動(dòng)，相比對(duì)照組，PEF處理后該吸收峰明顯減小，半纖維素中的親水基團(tuán)受破壞；1 170～1 000 cm-1之間的譜帶出現(xiàn)聚木糖典型吸收峰，其中1 039.44 cm-1為C—O、糖苷鍵(C—O—C)和C—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰。從圖6可見，經(jīng)PEF處理后1 039.44 cm-1處吸收峰明顯減小，說明相比對(duì)照組，PEF處理后C—O—C、C—OH偶極矩更小，分子間吸引力、氫鍵作用力減弱；波長(zhǎng)在858.79 m-1左右為β-糖苷鍵的C1—H彎曲振動(dòng)，PEF處理后吸收峰明顯增強(qiáng)，進(jìn)一步證實(shí)聚木糖中的C—O鍵斷裂，導(dǎo)致半纖維素鏈變短，利于C1—H彎曲振動(dòng)，從而導(dǎo)致金桔彈性增大。

圖6 金桔半纖維素紅外光譜圖

2.5 半纖維素的掃描電鏡(SEM)結(jié)果

圖7為對(duì)照樣與經(jīng)2 kV/cm處理后金桔半纖維素放大5 000倍的掃描電鏡圖，可以看到圖7(a)中未處理樣半纖維素呈現(xiàn)有規(guī)則的環(huán)狀鏈接形狀，有部分針狀半纖維素小塊，而圖7(b)中經(jīng)PEF處理后半纖維素結(jié)構(gòu)崩塌，結(jié)構(gòu)混亂，支離破碎。由此證明PEF處理破壞了半纖維素結(jié)構(gòu)，分子鏈變短，從而導(dǎo)致金桔潤(rùn)脹性、彈性和回復(fù)性增大。

(a)對(duì)照組

(b)PEF強(qiáng)度=2.0 kV/cm

2.6 脈沖電場(chǎng)處理對(duì)金桔果膠粘度的影響

酸提法提取金桔所得果膠分子量高達(dá)94 804 Da，PEF輔助酸提法所得果膠分子量?jī)H8 771 Da，一般聚合物分子量越大，分子間聯(lián)結(jié)和纏繞程度越高，溶液的粘度也就越大。如表2所示，隨著PEF處理強(qiáng)度提高，果膠粘度值變小。說明PEF處理導(dǎo)致部分大分子不溶性果膠物質(zhì)降解成小分子果膠酸形式，導(dǎo)致果膠粘度下降，從而導(dǎo)致金桔硬度和粘著性減小。

表2 不同PEF強(qiáng)度下果膠粘度測(cè)定值

3 結(jié)論

(1)隨著PEF處理強(qiáng)度提高，金桔硬度、粘著性、咀嚼性降低，彈性、內(nèi)聚力、回復(fù)性提高。

(2)1～2 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)的PEF處理減小了金桔纖維素結(jié)晶度和纖維素剛性，纖維素微觀結(jié)構(gòu)明顯隨著PEF強(qiáng)度提高先變得粗糙，再出現(xiàn)簇狀纖維聚集結(jié)構(gòu)變?yōu)檩^分散的單鏈，“韌性斷裂”變?yōu)椤按嘈詳嗔选?，?dǎo)致金桔硬度和咀嚼性減小。

(3)PEF處理后，半纖維素空間結(jié)構(gòu)改變，分子鏈變短，易于分子鏈活動(dòng)，脫離纖維素束縛，親水性提高，潤(rùn)脹性更佳，導(dǎo)致新鮮金桔彈性和回復(fù)性提高。

(4)PEF處理導(dǎo)致初生壁層和胞間層中果膠分子量減小，細(xì)胞間粘著性減弱，細(xì)胞間縫隙增大，細(xì)胞出水，從而內(nèi)聚力提高；此外，出水引起膨壓下降，也是導(dǎo)致金桔硬度減小的因素之一。

PEF處理可明顯減小果蔬硬度，利于切分，減少刀片磨損，在土豆、甘薯等硬度較大的果蔬生產(chǎn)加工領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值較高。