超聲-熱處理鮮切蓮藕貯藏期間品質(zhì)變化的研究

羅麗，王順民，徐為雯，潘文潔

(安徽工程大學 生物與食品工程學院，安徽 蕪湖，241000)

蓮藕(lotus roots)是重要的水生植物，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素C等多種對人體有益的成分[1]。在鮮切果蔬產(chǎn)品市場前景廣闊的今天[2]，鮮切蓮藕因其天然、新鮮、營養(yǎng)和方便的特點備受國內(nèi)外市場青睞。然而，由于鮮切蓮藕在加工過程中極易發(fā)生褐變、營養(yǎng)價值降低和微生物腐敗等品質(zhì)劣變。通常使用熱處理的方法使食品原料中天然存在的酶及微生物失活以防止變質(zhì)反應，但熱處理會導致香氣損失，并對與質(zhì)地和顏色相關(guān)的感官特性產(chǎn)生負面影響，同時也會破壞食物中的熱敏型營養(yǎng)成分(如維生素、多酚等)，使新鮮果蔬營養(yǎng)成分降低[3]。而降低熱處理溫度則無法達到滅酶和滅菌的要求，達不到保鮮效果。

目前超聲-熱處理技術(shù)在果蔬飲料中應用較多，例如LIAO等[6]發(fā)現(xiàn)較于傳統(tǒng)熱處理，超聲-熱處理可以保護火龍果果汁內(nèi)的生物活性成分。但超聲-熱處理技術(shù)應用于鮮切果蔬保鮮的研究較少，因此應用該技術(shù)處理鮮切蓮藕能更好地減少蓮藕劣變，更好地保持原有品質(zhì)，延長貨架期。本實驗采用水浴式超聲設(shè)備，具有操作簡便、經(jīng)濟實惠等優(yōu)點，更適合工業(yè)化使用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鄂蓮7號蓮藕，購自蕪湖當?shù)匾患沂卟顺?，大小和成熟度一致的無瑕蓮藕被選購作為實驗原料。

試驗所需藥品、試劑均為分析純，主要有鄰苯二酚、愈創(chuàng)木酚、β-巰基乙醇、L-苯丙氨酸、沒食子酸、福林酚、三氯乙酸、硫代巴比妥酸等，國藥集團化學試劑有限公司；DPPH試劑，美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

KS-500DE型液晶超聲波清洗器，昆山潔力美超聲儀器有限公司；UV-5800PC型紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；CF15RN型冷凍離心機，日本工機控股株式會社；TA.new plus質(zhì)構(gòu)儀，上海保圣實業(yè)發(fā)展有限公司；HP-C210-精密型手持色差儀，上海米遠電氣有限公司；S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；GCMS-2020 NX型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，日本島津公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗方法

(1)預處理 將蓮藕清洗去皮后切成0.3 cm的薄片。去皮器、切刀、和切板在使用前應消毒。

(2)處理方法 將所有蓮藕片混合并隨機選擇，樣品與去離子水按樣品∶水=1∶3(g∶mL)的比例置于燒杯中。試驗條件的設(shè)置如表1所示，Heat+US的處理條件由前期護色實驗結(jié)果優(yōu)化得出，同時與單一Heat和US處理一同比較。US及Heat+US處理通過使用臺式超聲波清洗儀(500 mm×300 mm×150 mm)進行，并對作用參數(shù)(功率強度、作用時間、作用溫度)進行調(diào)節(jié)，超聲恒定頻率為40 kHz。通過恒溫裝置來保持超聲浴的溫度不變。以無菌蒸餾水處理作為對照(CK)。處理后取出藕片晾干表面水分，置于聚乙烯密封袋(8 cm×12 cm)中包裝，后放入4 ℃環(huán)境中模擬冷藏貨架。每隔3 d測定1次相關(guān)的生理指標。

表1 不同處理方式Table 1 Different processing methods

1.3.2 色差測定

使用色差儀測定鮮切蓮藕切片的L*、a*、b*值，并計算貯藏期間L*、a*、b*值的變化值(ΔL*、Δa*、Δb*)，ΔE表示樣品總色差，計算如公式(1)所示:

(1)

1.3.3 硬度測定

采用質(zhì)構(gòu)儀的P5圓柱型測試探頭。測定參數(shù)為：壓縮比30%；2次間隔時間2 s；觸發(fā)力5 g；測前速度2 mm/s，測試速度2 mm/s，測后速度2 mm/s，位移10 mm，硬度單位用g表示。

1.3.4 失重率測定

采用稱量法，蓮藕失重率計算如公式(2)所示：

(2)

式中：m1為貯藏前質(zhì)量，g；m2為取樣時質(zhì)量，g。

1.3.5 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)分析

固相微萃取樣品制備：參照韓小苗等[7]的方法稱取100 g預處理過的蓮藕，與30 g氯化鈉一起攪拌成泥狀。稱取30 g藕泥放入帶蓋螺口瓶中。加入正戊烷振蕩過濾；取濾液放入80 ℃冰箱中冰凍。在凍好的濾液中加入適量無水硫酸鈉，搖晃靜置過濾后，使用氮吹儀將濾液吹至0.5 mL，得到蓮藕的風味物質(zhì)提取液。

色譜和質(zhì)譜條件：色譜柱(DB-5，30 m×0.5 mm×0.5 mm)，始溫40 ℃，保持5 min，后以5 ℃/min升溫至70 ℃，保持5 min，再以3 ℃/min升溫至180 ℃，保持3 min，最后以5 ℃/min升溫至240 ℃，保持10 min。汽化室溫度250 ℃；載氣He；流速1 mL/min；分流比10∶1。質(zhì)譜條件設(shè)置：電離方式為EI；電子能量70 eV；離子源溫度200 ℃；發(fā)射電流200 μA；接口溫度250 ℃；檢測電壓350 V。

1.3.6 氧化酶及總酚含量測定

多酚氧化酶(polyphenol oxidases，PPO)活性采用鄰苯二酚法，參照YEOH等[8]并稍作改動。PPO活性用U/g表示；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用采用愈創(chuàng)木酚法，參照KOCHBA等[9]的方法略做修改。PPO活性用U/g表示；L-苯丙氨酸解氨酶(L-phenylalanin ammonia lyase，PAL)活性采用采用苯丙氨酸法，按照WU等[10]的方法對PAL進行測定。PAL活性用U/g表示；總酚含量采用采用Folin-Ciocalteu法測定[11]。以沒食子酸(0～1.6 μg/mL)作為標準物建立標準曲線y=0.096x-0.002 4(R2=70.999 4)，結(jié)果以每毫升溶液中沒食子酸當量(gallicacide quivalents，GAE)表示測定樣品中總酚含量。

1.3.7 丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量測定

MDA含量測定采用硫代巴比妥酸比色法，參照QIAO等[12]的方法測定。

1.3.8 DPPH自由基清除率測定

DPPH自由基清除能力根據(jù)FALGUERA等[13]的方法略作修改：用0.1 mL ddH2O代替0.1 mL多酚提取物作空白，測定在517 nm處吸光值。

1.3.9 掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)分析

參照王遠等[14]的方法略作修改，取5 mm3大小的蓮藕組織塊，用體積分數(shù)為2.5%戊二醛(0.2 mol/L磷酸緩沖液，pH 7.2)4 ℃下固定20 h，再用體積分數(shù)為20%～100%乙醇梯度脫水，冷凍干燥。鍍金后掃描電鏡觀察。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組實驗重復3次，采用Origin 8及SPSS 22進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果用平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對鮮切蓮藕感官品質(zhì)的影響

圖1-a顯示CK樣品中的褐變隨著貯存時間的延長而變強，且Heat+US處理蓮藕外觀優(yōu)于單一處理和CK組。表2得到CK和處理組的L*值均隨貯存時間的延長而降低，貯藏第9天，Heat+US處理樣品的L*值顯著高于其他處理且是對照的1.15倍(P<0.05)。L*值被認為是反映褐變的度量，較低的L*值通常代表較深的顏色。a*和b*值都呈增加趨勢，但Heat+US處理能延遲增加，CK組則增加最快。同時，Heat+US處理的ΔE值(表2)及褐變度(圖1-b)顯著低于其他處理(P<0.05)，貯存9 d后鮮切蓮藕的總色差比對照低55.22%(P<0.05)。單一US和熱處理也能抑制蓮藕褐變，但顯著低于聯(lián)合處理(P<0.05)。這可能是由于超聲空化與熱效應的結(jié)合，可以更好地破壞多肽鏈的氫鍵，抑制氧化酶活性。研究表明，單一熱處理不能很好地延緩褐變[3]。由此，Heat+US處理比單一Heat或US處理具有更好的褐變控制和顏色保持能力。

由圖1-c可知，蓮藕經(jīng)切分后受到機械損傷，呼吸加快，細胞結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部汁液溢出，水分蒸發(fā)，失重率增加[15]。貯藏前3 d，CK與處理組間沒有顯著差異(P>0.05)，貯藏第6～9天，Heat和對照組的失重率明顯低于US和Heat+US組(P<0.05)。單一的熱處理會導致蓮藕完整性喪失和失水過多。本研究發(fā)現(xiàn)超聲處理能夠抑制鮮切蓮藕的呼吸作用，這與葛枝等[16]的研究結(jié)果一致。因此超聲-熱處理能很好地減少蓮藕的失水。由于細胞呼吸和蒸騰作用的影響，組織失水，加強水解作用，進而對細胞壁造成破壞，導致蓮藕細胞結(jié)構(gòu)特性改變和硬度下降，因此鮮切蓮藕的硬度在各處理中均逐漸降低(圖1-d)。第3天起，Heat+US處理樣品的硬度值顯著高于對照組(P<0.05)，與失重率相似。單一熱處理失水過多，細胞結(jié)構(gòu)破壞較大，硬度進一步下降。Heat+US處理抑制蓮藕硬度的下降，可能因為是超聲-熱處理能加大對果膠酯酶的滅活作用[17]，從而減緩果蔬原果膠的水解，延緩老化。

表2 不同處理鮮切蓮藕貯藏期間色差變化Table 2 Changes in color difference of fresh-cut lotus roots with different treatments during storage

a-外觀;b-褐變度;c-失重率;d-硬度圖1不同處理蓮藕貯藏期內(nèi)外觀、褐變度、失重率和硬度變化Fig.1 Changes in appearance, browning degree, weight loss, and hardness of lotus roots with different treatments during storage注：不同字母代表差異顯著(P≤0.05)(下同)

2.2 不同處理對鮮切蓮藕風味物質(zhì)的影響

蓮藕的風味是決定蓮藕品質(zhì)的主要因素之一。通過GC-MS分析得到處理后的鮮切蓮藕其香氣物質(zhì)成分見表3。蓮藕的香氣成分十分復雜，不同處理的相對含量差異較大。已鑒定出34種風味物質(zhì)成分(表3)，主要包括烷烴類13種、酯類10種、醛類2種、酮2類、醚類2種及其他種類。由表3可知，各組風味物質(zhì)中烷烴類物質(zhì)種類最多且相對含量最高，但在風味物質(zhì)中，烴類物質(zhì)對風味的貢獻率最小。蓮藕中的醛類、酯類、酮類等成分相對含量及種類均較少，但對蓮藕的風味影響很大，在蓮藕的香氣中起重要作用，閾值較低且敏感[18]。酯類物質(zhì)的相對含量僅低于烷烴類物質(zhì)，經(jīng)Heat、US及Heat+US處理后酯類物質(zhì)含量從15.05%降低到1.81%、5.99%、12.52%，但經(jīng)Heat+US處理后降低的最少，同時其醛類物質(zhì)相對含量最高為3.66%(P<0.05)。酮類物質(zhì)的相對含量在有超聲參與的處理中得到增加。酯類、醛類、酮類成分在CK組檢出8種，占總檢出物質(zhì)的19.72%，Heat處理組中檢出2種，占總檢出物質(zhì)的3.24%，US處理中檢出5種，占總檢出物質(zhì)的11.64%；Heat+US處理中檢出6種，占總檢出物的18.21%。聯(lián)合處理下酯類、醛類和酮類成分損失較少，相對含量是對照組的92.34%。事實證明，單一較高的溫度導致蓮藕主要揮發(fā)性香氣成分的損失更大，但是US能夠在很大程度上減少食品中熱敏性香氣物質(zhì)的損失，適當?shù)臏囟锐詈蟄S能更好地保持蓮藕的原始香氣[19]。蓮藕中風味成分的變化，間接影響了食品中芳香物質(zhì)的含量，從而影響香氣，這可能歸因于超聲空化產(chǎn)生的自由基加速羥醛縮合等化合反應[20]。

2.3 不同處理對鮮切蓮藕氧化酶活和多酚含量的影響

PPO是負責酶促褐變的關(guān)鍵酶。圖2-a顯示PPO活性隨時間增加，在Heat+US處理下活性最低。第9天，超聲-熱處理中的PPO活性為22.97 U/g，比對照組低41.64%(P<0.05)。US和Heat單一處理在一定程度上控制了PPO的積累，但減少效果不如聯(lián)合處理。與SULAIMAN等[21]實驗結(jié)果一致，超聲結(jié)合熱處理能夠有效滅活梨、蘋果和草莓果泥中氧化酶活性，抑制果蔬病害的發(fā)生，提高果蔬品質(zhì)。說明超聲-熱處理能夠通過抑制PPO活性來提升蓮藕品質(zhì)。

由圖2-b可知，隨著貯藏時間的延長，不同處理的蓮藕POD活性先升高后降低。蓮藕在切割后，酚-酶的區(qū)域化分布遭到破壞，酚類與酶反應，POD活性增強，褐變加速[22]，而后PPO活性呈降低趨勢，可能是由于冷抑制酶活性。第3天，Heat+US處理組的POD活性顯著低于其他處理(P<0.05)，是對照組的56%。單一使用US和熱處理可降低POD活性，而聯(lián)合處理可增強降低POD活性的能力，可能是超聲誘導水分解形成的自由基在POD滅活中起重要作用，而超聲-熱能加強這種分解。與GUO等[23]的實驗結(jié)果相似，超聲-熱處理顯著降低了鮮切胡蘿卜POD活性。

PAL通過催化苯丙氨酸途徑中底物的生成在酶促褐變中起著重要作用[24]。圖2-c顯示PAL活性首先迅速增加至峰值，然后緩慢下降。不同處理組PAL活性均在第3天時達最大，Heat+US處理組PAL活性最高，是CK組的1.22倍；單一US和Heat處理在貯藏3 d時也顯示出更高含量，但低于Heat+US處理(P<0.05)。在隨后的貯藏期間，各處理樣品的PAL活性均高于對照，但差異不顯著(P>0.05)。鮮切蓮藕PAL活性在貯藏初期呈上升趨勢，可能是由于切割和超聲對植物細胞造成的損害，產(chǎn)生應激反應；PAL活性在貯存3 d后下降，可能是由于總酚的過度積累所致。

貯藏期間酚類物質(zhì)含量呈下降趨勢(圖2-d)。第6天Heat+US處理組顯著高于其他處理(P<0.05)，與CK相比，其總酚含量增加了22.39%。與CK相比，Heat處理后總酚含量顯著減少，可能是因為熱敏酚類化合物的熱降解。貯藏6 d后，不同處理的總酚含量趨于相似。PPO活性在貯藏過程中趨于增加，因此總酚消耗量逐漸增加，故貯藏過程總酚含量呈現(xiàn)下降趨勢。與DO NASCIMENTO等[25]的研究相似，超聲處理降低百香果皮的總酚損失并提高抗氧化性能。研究表明經(jīng)超聲處理后的樣品顯示較高的酚類含量[23]。

PPO催化醌類化合物的生產(chǎn)以導致POD介導的多酚褐變，而超聲-熱聯(lián)合處理產(chǎn)生的物理和化學效應破壞了范德華力和多肽鏈的氫鍵，導致酶蛋白結(jié)構(gòu)破壞更大[26]。因此，超聲-熱聯(lián)合處理對蓮藕褐變的控制可能歸因于PPO和POD活性的降低。事實也證明，PPO和POD活性的抑制趨勢與總體抗褐變效果一致。盡管US對PPO和POD的完全失活效率有限，但這種處理在溫和溫度的漂燙下是有利的。同時PAL參與蓮藕對細胞內(nèi)活性氧的防御機制。O′DONNELL等[27]證實，US分解水產(chǎn)生的自由基會引起植物細胞系統(tǒng)的氧化應激，誘導PAL活性升高。PAL活性升高能夠誘導次生代謝物(如類黃酮等酚類化合物)在植物中的積累。酚類化合物含量越高，清除自由基越多，抗氧化能力越強。通常PAL活性的增加會導致植被褐變，主要是由于酚類化合物的積累增加，然而，由于超聲-熱聯(lián)合處理造成的PPO和POD活性低，使得褐變反應難以繼續(xù)。因此發(fā)現(xiàn)超聲結(jié)合低溫熱處理是保護鮮切蓮藕感官和營養(yǎng)特性的有效方法。

表3 不同處理鮮切蓮藕揮發(fā)性成分Table 3 Volatile components of fresh-cut lotus roots with different treatments

a-PPO活性;b-POD活性;c-PAL活性;d-總酚含量圖2 不同處理鮮切蓮藕貯藏期內(nèi)PPO、POD、PAL活性和總酚含量的變化Fig.2 Changes of PPO, POD, PAL activity, and total phenol content of lotus root with different treatments during storage

2.5 不同處理對鮮切蓮藕膜完整性和抗氧化能力的影響

MDA含量是評價氧化程度的指標。一般而言，MDA含量越高，細胞膜損傷就越嚴重。如圖3-a所示，前3 d由于不同處理的蓮藕受到共同的切割損傷，導致MDA含量增加但無明顯區(qū)別，3 d后MDA含量迅速上升且不同處理間差異明顯。CK組在后續(xù)貯藏期間MDA含量最高(P<0.05)，Heat和US及聯(lián)合處理在不同程度上延緩了蓮藕細胞的后續(xù)損傷，降低MDA含量增加及對膜完整性的破壞。其中，Heat+US處理的MDA含量始終最低，貯藏第9天MDA含量比對照低38.78%(P<0.05)。而Heat處理的細胞損傷較大[23]，細胞膜的穩(wěn)定性對鮮切蓮藕保鮮起著重要作用。上述結(jié)果表明，Heat+US處理可以通過控制MDA積累來保持更好的膜完整性，從而可以抑制鮮切蓮藕品質(zhì)的下降。

a-丙二醛含量;b-DPPH自由基清除率圖3 不同處理蓮藕貯藏期內(nèi)MDA含量和DPPH自由基清除能力的變化Fig.3 Changes of MDA content and DPPH free radical scavenging ability of lotus roots under different treatments during storage

2.6 不同處理對鮮切蓮藕微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4顯示了對照及經(jīng)過熱燙、US和超聲-熱處理后的凍干蓮藕在不同倍數(shù)下掃描電子顯微鏡圖像。冷凍干燥過程保留了組織的結(jié)構(gòu)，允許進一步探索蓮藕的微觀結(jié)構(gòu)。CK組的蓮藕組織具有高密度和規(guī)則形狀，細胞結(jié)構(gòu)完整，但部分細胞膜受損，這可能是樣品前處理對蓮藕組織造成的影響；熱處理后蓮藕細胞結(jié)構(gòu)嚴重受損，細胞壁收縮，細胞變形，細胞質(zhì)溶出。主要原因是較高溫度對細胞產(chǎn)生破壞作用，使細胞變形破裂，導致組織結(jié)構(gòu)明顯損傷；經(jīng)超聲處理樣品細胞形狀發(fā)生扭曲變形，細胞完整性逐漸喪失，許多細胞受損或合并在一起形成更大空間，形成明顯的通道。超聲產(chǎn)生的空化效應改變了對細胞結(jié)構(gòu)的影響，研究表明，US可能會產(chǎn)生微通道[29]；超聲所產(chǎn)生的變化尤其在超聲-熱處理中被觀察到，但是超聲-熱處理的樣品細胞結(jié)構(gòu)更加扭曲變形，細胞間空隙增多，這是熱作用施加的影響。

綜上，熱處理工藝對蓮藕片的質(zhì)地影響最大，嚴重破壞細胞結(jié)構(gòu)和細胞壁，胞質(zhì)裂解導致質(zhì)地降低和營養(yǎng)流失。與熱處理相比，超聲能夠在相同的剪切應力下同時提供更大的抗變形能力，并且熱超聲比單獨超聲產(chǎn)生更高的致畸性。細胞壁和組織結(jié)構(gòu)完整性對果蔬的質(zhì)地起主導作用。有研究認為，US處理材料中產(chǎn)生的氣泡坍塌導致的強烈能量波和湍流是導致聚合物分子破裂的原因[30]。該結(jié)果也支持了DE LAFUENTE-BLANCO等[31]的觀察結(jié)果，US預處理影響水果組織，使水半透膜更容易形成，也影響水果孔隙度。

圖4 不同處理對鮮切蓮藕微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 The effect of different treatments on the microstructure of fresh-cut lotus root

3 結(jié)論

從研究結(jié)果中得到，超聲-熱具有對鮮切蓮藕護色保鮮的作用，并且是一種高效且綠色的處理方法，以非常合理的成本節(jié)省時間和能源。超聲-熱處理與對照組相比，不僅延緩了蓮藕感官品質(zhì)的下降，還降低了氧化酶PPO、POD的活性。此外還證明PAL活性以及總酚含量受Heat、US及其組合的控制。同時較低的MDA含量可能意味著更好的膜完整性，這有助于褐變消除，并且抗氧化能力得到增強。單獨或聯(lián)合使用熱和超聲處理也可以保鮮鮮切蓮藕，但是兩者聯(lián)合處理達到了最好的保鮮效果。因此超聲和熱處理聯(lián)合使用有望在鮮切果蔬等加工領(lǐng)域中廣泛應用。