胡蘿卜脆片凍干過程中水分、微觀結(jié)構(gòu)及品質(zhì)變化

朱洪梅，王禹心，劉喻心，張倩，孫江麗

（山西師范大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030031）

胡蘿卜是傘形科胡蘿卜屬的二年生草本植物[1-2]，有食物“皇后”和“小人參”之稱[3]，在全國各地廣泛栽培且全年供應(yīng)，是我國的主要蔬菜之一。胡蘿卜營養(yǎng)豐富，主要含有胡蘿卜素、糖、蛋白質(zhì)、脂肪、鈣、鐵、磷及各種維生素等成分，有消食、除脹、下氣定喘、防止血管硬化、促進(jìn)兒童生長、增強(qiáng)免疫功能、益肝明目、通便等功效[4-5]。近年來，因真空冷凍干燥技術(shù)能最大限度地保持食品營養(yǎng)成分和風(fēng)味，且符合現(xiàn)代人們對非膨化、非油炸、高纖維、低脂肪等食品的追求[6]，已經(jīng)成為果蔬加工領(lǐng)域中一項(xiàng)高新的技術(shù)。真空冷凍干燥后的果蔬脆片能最大限度地保存其色、香、味，對蛋白質(zhì)、維生素C等的保存效果較好，所獲得的產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值不變，脫水徹底，干制品質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)輸方便[7-9]，且口感酥脆，符合國內(nèi)零食市場發(fā)展趨勢。

為研究胡蘿卜片內(nèi)部水分變化，應(yīng)用低場核磁共振的橫向弛豫時(shí)間（T2）反演譜分析胡蘿卜切片在干燥過程中內(nèi)部水分的變化[10-13]。顯微結(jié)構(gòu)觀察是一種簡單快捷測量技術(shù)，從微觀角度解釋干燥樣品脫水過程的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。質(zhì)構(gòu)作為果蔬品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀可以客觀準(zhǔn)確反映果蔬硬度與果蔬脫水程度相關(guān)性[14-15]。本研究利用真空冷凍技術(shù)加工胡蘿卜脆片，從水分、微觀結(jié)構(gòu)及品質(zhì)變化等方面著手，為提高胡蘿卜片干制品的質(zhì)量提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

胡蘿卜：市售，挑取沒有損傷、沒有病害、大小及粗細(xì)均勻、外表光滑的胡蘿卜清洗表皮后，截取直徑相當(dāng)、組織結(jié)構(gòu)相似的胡蘿卜段，切成厚度為3 mm的薄片，及時(shí)用保鮮膜封存防止水分流失。

1.2 儀器與設(shè)備

752N紫外可見分光光度計(jì)：上海元析儀器有限公司；NH310高品質(zhì)電腦色差儀：深圳市三恩馳科技有限公司；NMI20-025V-I核磁共振成像分析儀：上海紐邁電子科技有限公司；TA.XT plus物性測試儀：北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司；萊卡EZ4D體視顯微鏡：北京中顯恒業(yè)儀器儀表有限公司；SCIENTZ-10N真空冷凍干燥機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

新鮮胡蘿卜→挑選→清洗→切片→預(yù)凍→冷凍干燥→胡蘿卜片→品質(zhì)測定

1.3.2 胡蘿卜脆片的冷凍干燥處理

將新鮮胡蘿卜切為厚度3 mm的胡蘿卜片放入冰箱冷凍層-18℃預(yù)凍。冷肼溫度為-30℃以下，將預(yù)凍胡蘿卜片放入真空冷凍干燥機(jī)中，保證胡蘿卜無堆疊。依次開啟真空泵，每隔 2 h 取樣，0、2、4、6、8、10、12 h 分別取出30片胡蘿卜片密封并放入冰箱凍藏。每次計(jì)時(shí)以真空降至50 Pa為標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 胡蘿卜脆片干燥過程中水分的變化

用核磁共振成像分析儀分析軟件中的自由感應(yīng)衰減（free induction decay，F(xiàn)ID）進(jìn)行水分測定，再使用CPMG脈沖序列測樣品中的橫向弛豫時(shí)間T2，將胡蘿卜片放于永磁場的射頻線圈的中心進(jìn)行橫向弛豫時(shí)間T2采集。核磁共振軟件采集自旋回波串峰值并自動(dòng)生成pea文件保存[13-14]。將該文件導(dǎo)入核磁共振T2反演軟件進(jìn)行反演，得到T2反演譜[15]。

序列參數(shù)設(shè)置：主頻SF1=21 MHz，偏移頻率O1=749 972.47 kHz，90°脈沖時(shí)間 P90=11 μs，180°脈沖時(shí)間P180=21.52 μs，采樣點(diǎn)數(shù) TD=1 000 090，重復(fù)時(shí)間 TR=5 000 ms，累加次數(shù) NS=2，回波時(shí)間 TE=1.0 ms，回波數(shù)NECH=5 000。冷凍干燥條件下每隔2 h測1次。

1.3.4 胡蘿卜脆片干燥過程中顯微結(jié)構(gòu)的變化

將不同冷凍干燥時(shí)間的樣品沿橫斷面切成小薄片，放在樣品臺(tái)上，使用連續(xù)變倍體視顯微鏡，觀察其內(nèi)部水分移動(dòng)的情況和微孔結(jié)構(gòu)。

1.3.5 胡蘿卜脆片干燥過程中質(zhì)構(gòu)的變化

利用物性測試儀中的穿刺力來檢測不同凍干時(shí)間的胡蘿卜脆片硬度。采用位移為1.0 mm，觸發(fā)力為5.0 g P/2探頭。在穿刺測試中，每片胡蘿卜樣品芯部和外部各取3個(gè)測試點(diǎn)，取穿刺曲線最大值作為每個(gè)測試點(diǎn)的穿刺力值（gf），并取3個(gè)測試點(diǎn)的平均值作為每片樣品的穿刺力值；每組至少取4片樣品進(jìn)行測試。

1.3.6 胡蘿卜脆片干燥過程中體積的變化

利用谷糠法測量胡蘿卜脆片的體積。分別取凍干時(shí)間為 0、2、4、6、8、10、12 h 的兩片胡蘿卜脆片，豎直放入試管中，然后加入谷糠直至裝滿10 mL試管。取出胡蘿卜片，測量米糠體積，測定添加樣品前后高度差。根據(jù)公式計(jì)算得到體積差即為胡蘿卜片體積。

式中：V為體積，cm3；r為試管半徑，cm；h為高度，cm；π取3.14。

1.3.7 胡蘿卜脆片干燥過程中復(fù)水比的變化

各干燥時(shí)間梯度每次取3片凍干樣品，將胡蘿卜片浸泡到溫度為40℃的恒溫蒸餾水中進(jìn)行復(fù)水比試驗(yàn)。恒溫水浴30 min，用濾紙拭干表面水分后分別稱重，取平均值計(jì)算每組單個(gè)樣品的復(fù)水比。計(jì)算公式如下，每組試驗(yàn)重復(fù)至少3次。

式中：R為胡蘿卜片的復(fù)水比；M1為胡蘿卜片復(fù)水前質(zhì)量，g；M2為胡蘿卜片復(fù)水后質(zhì)量，g。

1.3.8 胡蘿卜脆片干燥過程中色差值的變化

利用全自動(dòng)色差儀分別測試不同干燥時(shí)間樣品的L*值、b*值以及a*值。其中L*值表示物質(zhì)的亮度；b*值表示有色物質(zhì)的黃藍(lán)偏向，正值越大黃色越明顯；a*值表示紅綠偏向，正值越大紅色越明顯[16]。

1.3.9 胡蘿卜脆片干燥過程中胡蘿卜素含量的變化

取不同干燥時(shí)間梯度0.1 g凍干胡蘿卜樣品，研磨后，用石油醚浸提50 min，計(jì)算各組樣品中胡蘿卜素含量公式如下。

式中：E為浸提液在451 nm處的吸光值；E1為胡蘿卜素451 nm處平均吸收系數(shù)2 500；V為石油醚浸提液定容體積，mL；W為被浸提的樣品質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算出3組數(shù)據(jù)的平均值，SPSS26軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05）；運(yùn)用Origin2018、GraphPad Prism5.0進(jìn)行作圖以及數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同冷凍干燥時(shí)間胡蘿卜脆片水分含量的變化

真空冷凍干燥的胡蘿卜脆片有3種形態(tài)的水分，它們與物料結(jié)合的緊密程度不同，橫向馳豫時(shí)間T2越短，說明水分的自由度越小且與物料結(jié)合越緊密，在干燥過程中越難被脫除，反之則越容易[17]。結(jié)合水的橫向馳豫時(shí)間最短，半結(jié)合水次之，自由水最長。根據(jù)T2把水分分為結(jié)合水T21（0.1 ms～0.5 ms），半結(jié)合水T22（0.5 ms～40 ms）和自由水T23（40 ms～1 000 ms），且分別由T2反演譜曲線上的3個(gè)～5個(gè)波峰表示，根據(jù)不同弛豫時(shí)間信號(hào)幅值變化來反映樣品真空冷凍干燥過程中水分變化的情況[18-19]。T2反演譜的不同波峰代表水分的狀態(tài)，波峰所覆蓋范圍信號(hào)幅值的總值代表該狀態(tài)水分的相對含量[8]。

不同干燥時(shí)間胡蘿卜脆片水分含量的變化見圖1，胡蘿卜脆片不同形態(tài)水分總峰面積見表1。

圖1 胡蘿卜脆片橫向馳豫時(shí)間T2反演譜Fig.1 Inversion spectrums of transverse relaxation time of carrot chips

表1 胡蘿卜脆片不同形態(tài)水分總峰面積Table 1 Total moisture peak area of carrot chips

由表1和圖1可知，在整個(gè)干燥過程中，3種水分均有變化，且胡蘿卜片在0～2 h內(nèi)，圖譜波動(dòng)幅度最大，水分變化最大，水分總峰面積在此期間減少最大，自由水大幅度減少，結(jié)合水變化明顯，說明干燥時(shí)間在2 h內(nèi)，升華的主要是自由水。干燥時(shí)間在2 h～8 h內(nèi)，隨著干燥時(shí)間的推移，T23峰明顯減小，自由水和結(jié)合水則不停波動(dòng)。8 h～12 h時(shí)，自由水變化不明顯，主要減少的是結(jié)合水和自由水。

2.2 不同冷凍干燥時(shí)間條件下胡蘿卜脆片低場核磁共振分析水分移動(dòng)情況

由低場核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）成像得到的偽彩圖可以清晰直觀地看到真空冷凍干燥胡蘿卜片內(nèi)部水分變化的情況，在胡蘿卜脆片脫水過程中，不同顏色表示各區(qū)域相對含水量高低，圖像清晰度表現(xiàn)為含水量的多少，圖像亮度表現(xiàn)為氫質(zhì)子活躍度。不同冷凍干燥時(shí)間的胡蘿卜脆片水分移動(dòng)情況直觀見圖2。

圖2 真空冷凍干燥過程中胡蘿卜脆片MRI圖Fig.2 MRI images of carrot chips during vacuum freeze drying

由圖2可知，胡蘿卜脆片各個(gè)區(qū)域中水分信號(hào)強(qiáng)弱顯著不同，與0 h相比，干燥2 h的胡蘿卜片體積明顯減小，這是由于水分升華導(dǎo)致。2 h內(nèi)胡蘿卜片周邊水分蒸發(fā)較多，中心部位水分升華少且有部分周邊水分遷移至胡蘿卜片中央部分，內(nèi)部水分含量明顯提高。4 h時(shí)，胡蘿卜片輪廓開始模糊，說明表皮水分先脫除。6 h時(shí)，胡蘿卜片圖像綠色減弱明顯，胡蘿卜片輪廓越來越不清晰。圖片的背景藍(lán)色與0 h相比亮度變低，圖像亮度表現(xiàn)為氫質(zhì)子活躍度，說明胡蘿卜片總體水分升華較多，胡蘿卜片中心部位仍是整個(gè)胡蘿卜片水分含量較高的部位，說明水分干燥過程不僅涉及水分存在形式變化，而且還有水分遷移過程，這可能與胡蘿卜結(jié)構(gòu)有關(guān)。胡蘿卜韌皮部較薄，水分易脫除。胡蘿卜片中央部分組織結(jié)構(gòu)較為致密，組織含有大量纖維素，纖維素與水分的結(jié)合較為緊密，半結(jié)合水含量在該時(shí)間段達(dá)到最多。8 h時(shí)，偽彩圖胡蘿卜片輪廓形狀全部消失，中央綠色面積越來越小。各部位水分含量均有下降，此時(shí)自由水大量減少，結(jié)合水含量基本降至最低，半結(jié)合水開始被脫除。干燥至10 h時(shí)，水分進(jìn)一步減少，整個(gè)圖片的清晰度大幅降低且亮度也急劇變差，圖片亮度越差的區(qū)域說明氫質(zhì)子的活躍度越低，圖像亮度低但是此時(shí)可以大致分辨出胡蘿卜片的位置及形狀，隨著干燥的進(jìn)行，半結(jié)合水量進(jìn)一步被脫除。12 h時(shí)，胡蘿卜片形狀位置消失，消失部分與圖片混為一體，無法辨別，水分完全脫除。

2.3 不同冷凍干燥時(shí)間下胡蘿卜脆片微觀結(jié)構(gòu)分析

胡蘿卜脆片冷凍干燥過程中，水分的脫除改變了胡蘿卜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隨凍干時(shí)間延長胡蘿卜脆片的微觀結(jié)構(gòu)變化見圖3。

圖3 真空冷凍干燥過程中胡蘿卜脆片微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Microstructure images of carrot chip chips during vacuum freeze drying

如圖3所示，干燥0h時(shí)，新鮮的胡蘿卜片表面完整且光滑水潤。在干燥2h后，因水分流失，胡蘿卜切片整體體積減小，表皮出現(xiàn)干皺現(xiàn)象，說明表皮水分先脫除，但中心仍呈現(xiàn)水潤狀態(tài)，可能是因?yàn)榇藭r(shí)胡蘿卜片周邊水分蒸發(fā)較多，中心部位水分升華少且有水分內(nèi)遷的情況，內(nèi)部水分含量明顯提高，這與偽彩圖得出的結(jié)果一致。4 h時(shí)，胡蘿卜片輪廓開始模糊，這與胡蘿卜結(jié)構(gòu)有關(guān)，胡蘿卜韌皮部較薄，水分易脫除。干燥6h時(shí)，胡蘿卜片體積減小，因水分揮發(fā)時(shí)動(dòng)力不能帶動(dòng)干物質(zhì)移動(dòng)，水分升華后干物質(zhì)出現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)且逐漸增加。12 h時(shí)可以明顯看到出現(xiàn)了較大的孔隙，大范圍組織已經(jīng)被干燥完畢并布滿許多大小不均一的孔徑，但除了體積減小外，其輪廓幾乎沒有發(fā)生改變，因?yàn)槔鋬龈稍锸抢帽A的原理，在高度真空的環(huán)境下，將已凍結(jié)了的胡蘿卜片的水分不經(jīng)過冰的融化直接從冰固體升華為氣體，水分是在固態(tài)下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的[8]。

2.4 不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片硬度的影響

果蔬干制品制作過程中，水分的大量脫除對果蔬的硬度有較大影響，胡蘿卜脆片在不同冷凍干燥時(shí)間下硬度的變化如下圖4。

圖4 不同干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片硬度的影響Fig.4 Effects of different drying time on the hardness of carrot chips

如圖4所示，硬度隨干燥時(shí)間的延長逐漸下降，因?yàn)樵谡婵绽鋬龈稍锵拢M織中的水被均勻凍結(jié)成固態(tài)的冰，真空條件下直接升華，組織中會(huì)形成多孔狀結(jié)構(gòu)，且不會(huì)因水分遷移產(chǎn)生硬膜，胡蘿卜片的硬度減小。0～2 h內(nèi)，硬度隨干燥時(shí)間的延長顯著下降，因?yàn)檎婵绽鋬龈稍镌谠撾A段脫去的水分量最多，細(xì)胞中的自由水升華后，胡蘿卜片內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松排列，硬度顯著降低。在2 h～12 h，胡蘿卜片逐漸完全干燥，水分減少，硬度并沒有顯著差異。

2.5 不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片體積和復(fù)水比的影響

果蔬脆片的體積和復(fù)水比決定干制品的品質(zhì)，不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片體積和復(fù)水比的影響見圖5。

圖5 不同干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片體積和復(fù)水比的影響Fig.5 Effects of different drying time on the volume and the rehydration rate of carrot chips

由圖5可知，干燥初期胡蘿卜片含水量較高，胡蘿卜片0 h時(shí)體積最大，干燥2 h時(shí)，胡蘿卜片水分脫除較多，體積顯著減小，干燥6 h過程中，冷凍干燥去除了胡蘿卜片中的大量水分，胡蘿卜片體積呈下降趨勢。干燥8 h后，胡蘿卜片水分仍在減少，但對胡蘿卜片體積影響較小，這與胡蘿卜片顯微結(jié)構(gòu)圖一致。水分降溫凍結(jié)成冰，在真空條件下冰直接升華而對果蔬形狀影響較小[20]，因此凍干胡蘿卜片能最大程度保持凍結(jié)前的體積形狀。由圖5可知，鮮切胡蘿卜片的體積與干燥后各時(shí)間段的體積均有顯著性差異，2 h～12 h時(shí)胡蘿卜片體積無顯著性差異，基本不變。

由圖5可知，干燥0～10 h之間，隨凍干時(shí)間延長，復(fù)水比逐漸增大。在10 h時(shí)復(fù)水比達(dá)到最大。這是因?yàn)樵谡婵绽鋬龈稍飾l件下，胡蘿卜片中含有的水分在凍結(jié)狀態(tài)下直接蒸發(fā)，隨凍干時(shí)間延長，水分逐漸脫除，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙逐漸增大，并沒有在胡蘿卜片表層出現(xiàn)硬膜，凍干10 h時(shí)水分基本脫除，復(fù)水比達(dá)到最大，與前幾個(gè)小時(shí)均有顯著性差異。12 h時(shí)，復(fù)水比有所下降。原因可能為此后胡蘿卜片水分含量較低，遠(yuǎn)低于空氣中水分活度，測定過程容易吸收空氣中的水分。

2.6 不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片色差值的影響

色差值是評估胡蘿卜脆片品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，胡蘿脆片的色差值隨冷凍干燥時(shí)間變化見圖6。

由圖6可知，隨凍干時(shí)間延長，L*值呈先下降再上升趨勢。表明干燥后水分被脫除，干燥12 h的胡蘿卜片顏色變亮，亮度變化差異顯著，說明冷凍干燥后可以提高胡蘿卜片的亮度。a*值和b*值整體趨勢一致。在干燥前期，a*值、b*值均呈下降趨勢，且存在顯著性差異，說明在此階段中，色素會(huì)隨著水分揮發(fā)失去水分保護(hù)，2個(gè)色差值均下降。與鮮切胡蘿卜片相比，在凍干8 h～10 h時(shí)，胡蘿卜片a*值、b*值整體較大，且均無明顯差異，該時(shí)間段胡蘿卜片已接近干燥，水分脫除，胡蘿卜紅度、黃度均變大。

圖6 不同干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片色差值的影響Fig.6 The color difference value of carrot chips under different drying time

2.7 不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片的胡蘿卜素含量影響

胡蘿卜中含有大量的胡蘿卜素，不同冷凍干燥時(shí)間對胡蘿卜素含量的影響見圖7。

圖7 不同干燥時(shí)間對胡蘿卜脆片胡蘿卜素含量的影響Fig.7 The carotene content of carrot chips under different drying time

由圖7可知，由于胡蘿卜片水分被大量脫除，在0～2 h內(nèi)胡蘿卜素含量呈增加趨勢，原因可能是胡蘿卜片大量脫水，單位質(zhì)量內(nèi)胡蘿卜素含量升高；隨凍干時(shí)間的延長，胡蘿卜素含量下降，4 h時(shí)胡蘿卜素含量下降顯著，原因可能是脫水后胡蘿卜片體積減小，與鮮胡蘿卜相比組織致密，部分胡蘿卜素不容易溶出。在4 h～12 h，由于凍干對胡蘿卜素影響較小，所以胡蘿卜素含量變化很小。

3 結(jié)論

真空冷凍干燥過程中，胡蘿卜脆片中自由水、結(jié)合水和半結(jié)合水均有流失，以自由水為主，結(jié)合水和半結(jié)合水次之，且在干燥過程中，3種狀態(tài)的水存在相互轉(zhuǎn)換，T21和T23會(huì)逐漸向T22靠攏。偽彩圖能夠直觀地看出隨著干燥時(shí)間的推移，胡蘿卜片水分不斷流失，圖片亮度逐漸變差，邊緣部分開始模糊，這與水分遷移以及胡蘿卜結(jié)構(gòu)有關(guān)，胡蘿卜韌皮部較薄，水分易脫除。在體視顯微鏡下可觀察到干燥后的胡蘿卜片呈現(xiàn)疏松多孔狀結(jié)構(gòu)，干燥2 h，胡蘿卜片體積和硬度顯著減小，2 h～12 h，二者沒有顯著性變化。隨著干燥時(shí)間的推進(jìn)，顏色亮度顯著增加，黃度和紅度也有所增加，在初始凍干過程中，由于水分被大量脫除，胡蘿卜素含量呈增加趨勢；隨凍干時(shí)間的延長，胡蘿卜素含量下降，原因可能是胡蘿卜片脫水后部分胡蘿卜素與細(xì)胞結(jié)合越來越緊密而不容易溶出。隨凍干時(shí)間延長，復(fù)水比會(huì)逐漸增大，且在10 h時(shí)復(fù)水比達(dá)到最大。冷凍干燥的胡蘿卜脆片水分大大減少，體積變小，脆片呈疏松多孔結(jié)構(gòu)，硬度較小，色澤更加明亮，產(chǎn)品復(fù)水性較好，很適合做休閑食品。