超高壓處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響

盧亞婷，羅倉學(xué)

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

近年來，隨著我國果蔬休閑食品行業(yè)的快速發(fā)展，胡蘿卜脆片、脆條等營養(yǎng)健康的休閑食品受到越來越多的關(guān)注[1]。質(zhì)構(gòu)是影響胡蘿卜脆片品質(zhì)和消費(fèi)者可接受度的重要因素。壓差膨化干燥技術(shù)作為加工果蔬脆片、脆條的重要技術(shù)手段之一，可有效提高物料膨化度并使膨化后的多孔結(jié)構(gòu)迅速硬化，形成多孔酥脆結(jié)構(gòu)[2]。胡蘿卜，組織結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)硬，細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞壁較一般果蔬厚，在采用壓差膨化制備胡蘿卜脆片的過程中，通過簡單的預(yù)干燥脫水，很難形成疏松多孔的理想產(chǎn)品[3-5]。因此，在采用壓差膨化技術(shù)前，對胡蘿卜原料進(jìn)行必要的預(yù)處理，可以有效提高產(chǎn)品在外觀、色澤、口感以及風(fēng)味等方面的品質(zhì)。“超高壓”又稱“超高冷等靜壓”，是溫度低于100℃，壓力范圍在100 MPa～800 MPa的一種加工技術(shù)[6]。大量的研究表明，物料在超高壓條件下會發(fā)生蛋白質(zhì)變性、可溶性成分溶出以及細(xì)胞整體形變等變化，影響到最終產(chǎn)品的品質(zhì)[6-10]。而有關(guān)超高壓預(yù)處理對胡蘿卜膨化產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究相對較少，因此，針對胡蘿卜原料的特性，探討超高壓預(yù)處理對壓差膨化胡蘿卜品質(zhì)的影響，以期為穩(wěn)定和改善果蔬脆片品質(zhì)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

胡蘿卜原料：市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

TA-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)院工藝實(shí)驗(yàn)室自行研制；CM-5分光測色儀：日本柯尼卡美能達(dá)公司；HHP-3L型立式超高壓設(shè)備：天津華泰森淼生物工程技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 壓差膨化工藝參數(shù)

取直徑約為30 mm，大小相當(dāng)?shù)暮}卜，清洗去泥沙，徑向切分為3 mm厚的薄片，（92±1）℃溫度下漂燙2 min后，在冷卻水中冷卻，瀝干后裝入耐壓真空袋，按照試驗(yàn)設(shè)計方案進(jìn)行超高壓試驗(yàn)，超高壓處理之后進(jìn)行壓差膨化干燥，壓差膨化參數(shù)為：膨化溫度（98±2）℃，膨化壓力為（0.3±0.02）MPa，抽真空干燥溫度為（75±2）℃，抽真空干燥時間為（70±5）min，原料量為（5±0.1）kg/m2。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計

1.3.2.1 胡蘿卜超高壓處理單因素試驗(yàn)

結(jié)合前人研究和試驗(yàn)條件，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別研究 100、200、300、400、500、580 MPa不同壓力處理?xiàng)l件對胡蘿卜片膨化產(chǎn)品的影響；研究25、30、35、40、45、50、55、60 ℃不同超高壓處理溫度對胡蘿卜片膨化產(chǎn)品的影響; 研究不同保壓時間 5、10、15、20、25、30 min對胡蘿卜片膨化產(chǎn)品的影響。

1.3.2.2 超高壓處理工藝的優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design expert7.0進(jìn)行三因子二次回歸中心組合設(shè)計，進(jìn)一步優(yōu)化超高壓處理工藝，研究各因子之間的協(xié)同作用。試驗(yàn)因素水平編碼見表1。

1.3.3 脆度的測定

采用質(zhì)構(gòu)分析（texture profile analysis，TPA）測定法。分析儀參數(shù)設(shè)置如下：測前速度為1.0 mm/s，測試速度為1.0 mm/s，測后速度10.0 mm/s，測試下壓距離為3 mm，數(shù)據(jù)采集速率200次/s，探頭為P/0.25 s。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。

1.3.4 色澤的測定

色澤采用CM-5分光測色儀進(jìn)行測定。L值表示色澤的明亮度，L值的范圍是從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；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)。色差ΔE越小，色澤變化程度越小，胡蘿卜膨化脆片的色澤保持越好。

試樣與標(biāo)樣（未經(jīng)過超高壓處理的膨化產(chǎn)品）之間的總色差值以ΔE表示，公式如下。

式中：L*、a*、b*以標(biāo)準(zhǔn)白色板為標(biāo)準(zhǔn)測得的對照品測定值。

1.3.5 電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

對膨化干燥后的樣品斷面進(jìn)行觀察，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 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(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 處理壓力對膨化效果的影響

脆度和色差值是評價膨化產(chǎn)品品質(zhì)的指標(biāo)，常用來定量衡量產(chǎn)品的感官指標(biāo)。不同壓力處理后膨化胡蘿卜的脆度值和色差值檢測結(jié)果見表2。

表2 不同壓力對膨化效果的影響Table 2 Effect of different pressure on the puffing

由表2可以看出，在300 MPa～580 MPa范圍內(nèi)時，脆度在300 MPa～400 MPa顯著增大，在400 MPa～580 MPa增幅減緩。原因在于超高壓處理技術(shù)遵循的原理之一就是勒夏特列原理（Le Chatelier）即：樣品體積減小引起的變化，隨著壓力的提高而加強(qiáng)，壓力迫使食品向體積減小的方向轉(zhuǎn)變[6，9]。而300 MPa以內(nèi)的壓力還不足以使樣品發(fā)生體積的收縮，因此，脆度增幅較小。而300 MPa～580 MPa時，外部施加的壓力遠(yuǎn)大于細(xì)胞內(nèi)部的壓力，壓力的增大提高了細(xì)胞的滲透壓，并導(dǎo)致體積的形變，在一定程度上打破了原有致密的組織結(jié)構(gòu)[7-8]，有利于后期膨化時水分的逸出，干燥松散的結(jié)構(gòu)有利于脆度提高[9]。與胡蘿卜鮮樣相比，經(jīng)過預(yù)處理后的樣品的L值有所下降。干燥過程胡蘿卜的褐變會導(dǎo)致亮度的降低，而a值和b值的變化是胡蘿卜素降解的結(jié)果。在300 MPa～500 MPa色差值ΔE減小到3.53，色澤的保留率相對較好。

2.2 超高壓處理溫度對膨化效果的影響

不同溫度下超高壓處理后產(chǎn)品的品質(zhì)，結(jié)果見表3。

表3 不同溫度對膨化效果的影響Table 3 Effect of different temperature on the puffing

由表3可以看出，溫度在25℃～60℃范圍內(nèi)增大時，產(chǎn)品的脆度和色差ΔE變化幅度較小，在此溫度范圍內(nèi)，脆度稍有增加，原因在于影響脆度的因素主要是體積的形變、水分含量的多少以及松散程度。在300 MPa壓力條件下，壓力不足以使胡蘿卜的致密結(jié)構(gòu)發(fā)生形變和破壞，因此，當(dāng)溫度在25℃～60℃范圍變化時，溫度的變化并不有利于水分的逸出[10-11]，因此產(chǎn)品脆度增幅不大。影響產(chǎn)品色澤的主要因素是內(nèi)源性酶及非酶褐變，而胡蘿卜中影響產(chǎn)品色澤的酚類物質(zhì)相對較少[12-14]，因此，300 MPa條件下不同溫度對脆度和色差影響不顯著，色差值ΔE相較鮮樣在40℃～55℃范圍內(nèi)較好。

2.3 超高壓處理時間對膨化效果的影響。

不同時間處理后膨化產(chǎn)品的脆度和色差值，結(jié)果見表4。

表4 不同時間對膨化效果的影響Table 4 Effect of different time on the puffing

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，保壓時間對脆度的影響隨著保壓時間的延長，產(chǎn)品的脆度值逐漸增大，脆度值變幅較大，脆度范圍為：111.12 N/s～232.98 N/s。保壓時間10 min與保壓時間15 min，及保壓時間25 min與保壓時間30 min之間，沒有顯著性差異。保壓時間20 min與15 min和25 min之間均有顯著性差異，在保壓20 min時產(chǎn)品脆度均值達(dá)到210.03 N/s。不同的保壓時間對膨化產(chǎn)品的亮度值L和藍(lán)、綠值a、b表現(xiàn)出不同的差異性，但沒有明顯規(guī)律。隨著保壓時間的延長，色差值ΔE先減小后增大，在保壓時間20 min時，產(chǎn)品的色差值最小為3.95。色差值ΔE對保壓時間表現(xiàn)不同的差異性，在5 min～20 min之間有顯著差異，在25 min和30 min之間沒有顯著差異。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析原因?yàn)?00 MPa的壓力遠(yuǎn)大于正常的大氣壓，在一定程度上會引起相變、分子構(gòu)相變化、化學(xué)反應(yīng)甚至是分子序列的重排，具有迫使物料向體積縮小的方向轉(zhuǎn)變的趨勢[6]。但是，以上的變化并不是建立在某一特定壓力下瞬間完成的，這一變化是隨時間轉(zhuǎn)變的。壓力一定，保壓時間從無到有的過程中，物料會引起宏觀上的形變[7]，表現(xiàn)為產(chǎn)品脆度值逐漸增大，且對時間表現(xiàn)出顯著的差異性，如試驗(yàn)加壓5min與10min之間和15 min與20 min之間有顯著差異。隨著加壓時間持續(xù)增長，物料表現(xiàn)出汁液的滲透、顏色的變化等[8-12]，體積的形變達(dá)到極值，表現(xiàn)為產(chǎn)品脆度值隨保壓時間持續(xù)延長而沒有顯著差異。

2.4 超高壓處理交互作用

超高壓處理是一個能夠引起理化、生化變化的復(fù)雜過程，因此超高壓處理中壓力、時間等協(xié)同作用對于產(chǎn)品品質(zhì)的改善不容忽視，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 三因子二次回歸中心組合試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of three-factor quadratic regression center combinnation experiment

應(yīng)用Design expert 7.0軟件對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合得到產(chǎn)品脆度（Y1）、色差（Y2）預(yù)測值對編碼自變量 X1、X2、X3的二次多項(xiàng)回歸方程如下：

回歸系數(shù)及變量分析見表6。

表6 回歸系數(shù)及變量分析Table 6 Regression coefficient and analysis of variance

對模型進(jìn)行方差分析，Y1的二次回歸模型的F=2.06，Y2的二次回歸模型的 F=2.16，均小于 F0.99（9，5）=10.16，表明Y1、Y2模型具有高度擬合性，模型合適。Y1失擬項(xiàng)F=24.47，Y2失擬項(xiàng)的F=24.56，均大于F0.95（6，5）=10.67，各方程的決定系數(shù) R2均大于 0.80，說明方程顯著。

由表6中各因素的分析可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產(chǎn)品脆度和色差影響顯著。

2.4.1 交互效應(yīng)分析

2.4.1.1 壓力、溫度、保壓時間對產(chǎn)品脆度的影響

根據(jù)3個交互效應(yīng)模型分別繪制相應(yīng)曲面圖，見圖 1～圖3。

圖1 壓力與溫度對脆度的交互作用Fig.1 Synergistic effect of pressure and temperature on friability

圖2 壓力與時間對脆度的交互作用Fig.2 Synergistic effect of pressure and time on friability

圖3 溫度與時間對脆度的交互作用Fig.3 Synergistic effect of temperature and time on friability

由交互作用的響應(yīng)曲面和等高線形狀可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產(chǎn)品脆度影響顯著。

2.4.1.2 壓力、保壓時間、溫度對產(chǎn)品色澤的影響

根據(jù)3個交互效應(yīng)模型分別繪制相應(yīng)曲面圖，見圖 4～圖 6。

圖4 壓力與溫度對色差的交互作用Fig.4 Synergistic effect of pressure and temperature on degree of browning

圖5 壓力與時間對色差的交互作用Fig.5 Synergistic effect of pressure and time on degree of browning

圖6 溫度與時間對色差值的交互作用Fig.6 Synergistic effect of temperature and time on degree of browning

由交互作用的響應(yīng)面和等高線形狀可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產(chǎn)品色差值影響顯著。

2.4.2 最優(yōu)工藝參數(shù)的確定

在單因素和中心組合試驗(yàn)設(shè)計的基礎(chǔ)上，以膨化后產(chǎn)品的脆度范圍在180 N/s～281N/s之間，色差在3.7～6之間為期望值。以胡蘿卜膨化產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)回歸方程為模型，得到優(yōu)化后預(yù)測的超高壓處理參數(shù)為：壓力480 MPa，溫度34℃，超高壓處理時間20 min，預(yù)測產(chǎn)品脆度為195 N/s，色差值4.7。

模型驗(yàn)證：以優(yōu)化后的超高壓處理參數(shù)做驗(yàn)證試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 胡蘿卜超高壓處理驗(yàn)證結(jié)果Table 7 Verification results of optimal process

由驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)值與預(yù)測值相對誤差均在5%以內(nèi)，說明優(yōu)化的參數(shù)可信度高，采用回歸分析法建立的模型擬合度好，能很好地指導(dǎo)超壓預(yù)處理胡蘿卜膨化過程和預(yù)測結(jié)果。

2.4.3 胡蘿卜SEM圖

胡蘿卜壓差膨化SEM圖見圖7。

圖7 胡蘿卜壓差膨化SEM圖Fig.7 Scanning electron microscope images of carrot with puffing

由圖7可以看出，經(jīng)過超高壓預(yù)處理之后膨化的胡蘿卜脆片的微觀結(jié)構(gòu)孔隙分布和尺寸比較均勻，而不經(jīng)過超高壓預(yù)處理的胡蘿卜脆片的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層狀疊加，孔隙分布不均且孔隙尺寸不等。從直觀上體現(xiàn)了超高壓處理對胡蘿卜膨化效果的促進(jìn)和改善。

3 結(jié)論

針對處理壓力、保壓時間和處理溫度及其交互作用對胡蘿卜膨化效果的影響進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)處理壓力及保壓時間對產(chǎn)品脆度和色差值的影響較為顯著，而溫度對胡蘿卜膨化效果影響不顯著。預(yù)處理壓力和保壓時間對胡蘿卜脆度和色澤的交互作用顯著。在超高壓預(yù)處理壓為480 MPa，處理溫度為34℃，保壓時間為20 min條件下預(yù)處理后的胡蘿卜脆片品質(zhì)較好，脆度可達(dá)到203 N/s，色差相較鮮樣為4.7。