*

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,湖北武漢 430064; 2.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430064; 3.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東廣州 510642)

草莓是夏季最受歡迎的漿果之一,色澤鮮艷,味道鮮美。草莓富含多種生物活性化合物,包括類黃酮、多酚、花青素和維生素等,這些物質(zhì)對人體健康有益[1]。然而,新鮮草莓很容易腐敗,容易發(fā)生機(jī)械損傷,這主要是由于其較高的呼吸強(qiáng)度且柔軟質(zhì)地,這對草莓的營銷帶來了一定的挑戰(zhàn)[2]。

干燥不僅顯著延長了食品的貨架期,還使產(chǎn)品更加多元化[3]。冷凍干燥可以最大限度地保持食品原有特性,如活性、風(fēng)味和形狀,但成本較高[4]。另外,脫水產(chǎn)品的質(zhì)量不僅取決于干燥條件,還取決于干燥前采用的預(yù)處理[5]。因此,近年來,在果蔬脫水中采用了不同的預(yù)處理方法,如超高壓、超聲波、脈沖電場、滲透、漂燙預(yù)處理,通過減少產(chǎn)品初始含水量,改變組織結(jié)構(gòu),促進(jìn)水的流動(dòng),避免了真空冷凍干燥能耗高、干燥效率低、成本高的缺點(diǎn)[6]。

超聲波所產(chǎn)生的表面張力使水分保持在果實(shí)的毛細(xì)管中,從而形成減少水分去除的微通道[7-8]。Colucci等[9]采用超聲波輔助常壓冷凍干燥茄子,當(dāng)超聲功率為25 W時(shí),平均水分?jǐn)U散系數(shù)比非超聲輔助干燥提高了380%。Gabriella等[10]指出,在超聲波作用下,甜瓜在熱風(fēng)干燥中的水有效擴(kuò)散率提高了25%,總干燥時(shí)間由47 min縮短至41 min。超聲的熱機(jī)制、機(jī)械(力學(xué))機(jī)制和空化機(jī)制作用可以發(fā)生各種物理、化學(xué)或生物反應(yīng),降低酶促及非酶促褐變,從而影響色澤。經(jīng)過70 ℃超聲處理5 min的黃花菜b*為61.26,而對照組b*為46.86,表明超聲處理后黃色加深[11]。Nowacka等[12]也觀察到,經(jīng)超聲處理后,獼猴桃色度角(h°)增加,即變綠。超高壓能較好的保留食品的顏色、風(fēng)味和活性物質(zhì),并引起結(jié)構(gòu)脆性材料的一些結(jié)構(gòu)變化,如細(xì)胞變形[13]。當(dāng)水果和蔬菜用高壓預(yù)處理時(shí),細(xì)胞滲透可促進(jìn)擴(kuò)散并提供較高的干燥速率,這增強(qiáng)了細(xì)胞滲透性以及代謝物的擴(kuò)散[14-16]。Yucel等[17]報(bào)道了將超高壓作為干燥前處理使用,壓力超過100 MPa可引起細(xì)胞滲透,導(dǎo)致更高的干燥速率,同時(shí)體積不變,但超聲和超高壓預(yù)處理達(dá)到一定的功率和壓力之后,干燥速率無明顯提高。

前期采用超聲、超高壓以及其聯(lián)合處理對草莓片進(jìn)行預(yù)處理,結(jié)果表明采用聯(lián)合預(yù)處理后能縮短20%的真空冷凍干燥時(shí)間,且總能耗降低了28%,干燥后草莓片色澤(a*)得到顯著提高[18]。為了進(jìn)一步探究超高壓結(jié)合超聲預(yù)處理如何促進(jìn)草莓片色澤和水分的變化,本文采用超聲結(jié)合超高壓對草莓片進(jìn)行預(yù)處理,再進(jìn)行真空冷凍干燥,探究超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理干燥前后草莓色澤、水分以及其組織結(jié)構(gòu)的變化差異,揭示超高壓結(jié)合超聲預(yù)處理對草莓片色澤、水分的作用機(jī)制,為今后脫水草莓的加工提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草莓 品種為紅馨,由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供,采收于2019年1月12日,6～7成熟,采收后置于4 ℃冰箱進(jìn)行預(yù)冷24 h。

KQ5200DE型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;HPPL2-600MPa/2L超高壓實(shí)驗(yàn)機(jī) 天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司;CR-400色差儀 柯尼卡美能達(dá);FD-1000冷凍干燥機(jī) 東京理化器械株式會(huì)社;UV-3802分光光度計(jì) 上海尤尼科儀器有限公司;Eclipse E200光學(xué)顯微鏡 日本東京尼康;D5000數(shù)碼相機(jī) 日本東京尼康。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 草莓片的制備 將草莓用自來水清洗干凈后,切成5～6 mm的薄片。對照組:未進(jìn)行預(yù)處理;超聲預(yù)處理組:將草莓片置于蒸餾水(料液比1∶2)中,進(jìn)行超聲預(yù)處理,采用冰袋將超聲溫度控制在20～25 ℃,超聲條件為40 kHz、300 W下處理30 min(經(jīng)前期優(yōu)化所得最佳超聲條件);超高壓預(yù)處理組:超高壓條件為100 MPa/200 MPa,5 min;超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理組:將草莓片先進(jìn)行超聲預(yù)處理(40 kHz,300 W,30 min),再進(jìn)行超高壓預(yù)處理(100 MPa/200 MPa,5 min)。最后將各組草莓片分別置于-40 ℃冷凍48 h,再進(jìn)行真空冷凍干燥(冷阱溫度-60 ℃,絕對壓力:10 Pa),當(dāng)草莓水分含量為10%以下取出。

1.2.2 色澤和花色苷的測定 采用CR-400色差儀測量草莓的顏色,結(jié)果以a*值(紅度)表示?；ㄉ蘸坎捎肅orrea-Betanzo等[19]描述的pH示差分法測量,結(jié)果以矢車菊-3-葡萄糖苷當(dāng)量的百分比表示。樣品取自草莓的中心部位,如圖1所示。

圖1 取樣部位Fig.1 Sampling site

1.2.3 色素體分布 用剃須刀刀片取新鮮和干燥樣品中心部位,固定在玻璃載玻片上,用光學(xué)顯微鏡放大10倍進(jìn)行觀察。樣品取自草莓的中心部位,如圖1所示。

1.2.4 水分含量和水分分布的測定 水分含量的測定采用直接干燥法進(jìn)行測定,將樣品置于105 ℃烘箱,干燥至恒重。

自旋-自旋弛豫特性分析:將樣品置于永久磁場中心位置的射頻線圈中心檢測,利用CPMG 脈沖序列測定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間(T2)。CPMG 試驗(yàn)參數(shù):P90(μs)=17,P180(μs)=3400,TD=1120160,SW(kHz)=100,RG1=3,NS=32,TW(ms)=1000,TE(ms)=0.300,NECH=2000,使用PQ001分析軟件及CPMG序列采集樣品T2信號(hào),每個(gè)樣品重復(fù)3個(gè)平行。

利用自旋回波(SE)成像序列獲得草莓樣品的T1和T2加權(quán)圖像。T1加權(quán)圖像的回波時(shí)間(TE)和重復(fù)時(shí)間(TR)分別為20 ms和700 ms,T2加權(quán)圖像的回波時(shí)間分別為50 ms和3000 ms。

1.2.5 組織結(jié)構(gòu)觀察 參考Zhang等[20]的方法,簡述為:新鮮組織固定于4%多聚甲醛24 h以上。將組織從固定液取出，在通風(fēng)櫥內(nèi)用手術(shù)刀將目的部位組織修平整,將修切好的組織和對應(yīng)的標(biāo)簽放于脫水盒內(nèi),分別進(jìn)行脫水、包埋、切片、石蠟切片脫蠟至水等處理。然后進(jìn)行番紅染色、脫色、固綠染色、透明封片等處理,最后進(jìn)行顯微鏡鏡檢以及圖像采集分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值,用SPSS 19軟件進(jìn)行多重差異顯著性分析采用Duncan’s法,P<0.05表示差異顯著,P>0.05表示差異不顯著;采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片花色苷含量和色澤的影響

草莓經(jīng)超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后以及干燥后的色澤和花色苷含量如圖2和圖3所示。由圖2A可知,經(jīng)超聲和超高壓預(yù)處理后,草莓片a*值顯著增加(P<0.05)。干燥前對照組草莓片a*值為-1.65,單獨(dú)超聲預(yù)處理和超高壓預(yù)處理(100 MPa超高壓處理組,200 MP超高壓處理組)時(shí)草莓片色澤分別為-1.32、1.46和1.89,但采用超聲結(jié)合超高壓處理(超聲-100 MPa超高壓、超聲-200 MPa超高壓)后,草莓片a*值分別為2.38和2.60(圖2A)。由圖2B可知,經(jīng)超聲-200 MPa超高壓預(yù)處理后的凍干草莓片a*最高,其值為8.68。

圖2 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片色澤的影響Fig.2 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on the color of strawberry slices注:A:干燥前,B:干燥后;1～6依次為對照組、超聲處理組、100 MPa超高壓組、200 MPa超高壓組、超聲-100 MPa超高壓組、超聲-200 MPa超高壓組。圖3,圖6同。

圖3 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片花色苷含量的影響Fig.3 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on anthocyanin content in strawberry slices

草莓片經(jīng)超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后,花色苷含量變化趨勢與a*值一致(圖3A、3B),經(jīng)超聲-200 MPa超高壓的草莓片花色苷含量最高,達(dá)到0.36%(干燥前)、0.55%(干燥后)。在超聲波處理過程中,超聲波所產(chǎn)生擴(kuò)張和收縮的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致植物基質(zhì)細(xì)胞壁破裂,有利于溶劑的滲透和化合物的轉(zhuǎn)移,從而使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)更有效地釋放[21]。而高壓導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生破裂,花色苷滲入細(xì)胞間隙,草莓表面呈現(xiàn)強(qiáng)烈的紅色。Bao等[22]和Xia等[23]也證實(shí)了,超高壓處理導(dǎo)致細(xì)胞膜滲透性增加,促進(jìn)了色素向物料中心的擴(kuò)散。當(dāng)采用超聲波與超高壓相結(jié)合時(shí),產(chǎn)生了協(xié)同作用,效果更加明顯。之前的研究結(jié)果也表明,在真空冷凍干燥之前使用超高壓和超聲預(yù)處理,對抑制凍干草莓片抗氧化活性成分降解有積極的作用[18]。超高壓鈍化多酚氧化酶和過氧化物酶,抑制花色苷的降解;而超聲波處理降低了草莓中的氧含量,抑制了花色苷的氧化分解。

2.2 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片色素分布的影響

圖4顯示了預(yù)處理后草莓片的色素體形態(tài)及分布,草莓片色素體呈深紫色橢圓形,這些色質(zhì)體中含有一些花色苷的載體。Zhang等[20]通過光學(xué)顯微鏡在南瓜中觀察到典型的橙色小圓狀色素聚集體。由圖4可見,未經(jīng)預(yù)處理的草莓片中心表皮細(xì)胞存在極少數(shù)色素體(圖4a),但經(jīng)預(yù)處理后的草莓片色素體逐漸變多,主要表現(xiàn)為紫色的球狀,這是由于經(jīng)預(yù)處理后,草莓片細(xì)胞壁被破壞,色素從細(xì)胞中逐漸流出[18]。如圖4b所示,當(dāng)超聲處理時(shí),球狀的色素結(jié)晶聚集體呈現(xiàn)一個(gè)逐漸增大的輕微染色區(qū)。當(dāng)超聲與超高壓處理同時(shí)作用于草莓片時(shí),觀察到含有花色苷晶體的色素體充滿整個(gè)細(xì)胞,表明細(xì)胞壁被破壞,花色苷以液晶狀態(tài)累積(圖4c、4d)。然而,在超聲結(jié)合超高壓條件為超聲-200 MPa超高壓處理的草莓片中(圖4d),花色苷簇以紫色簇的形式出現(xiàn),逐漸加深并變大。

圖4 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片色素分布的影響Fig.4 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on pigment distribution in strawberry slices注:a:對照組、b:超聲處理組、c:100 MPa超高壓處理組、d:200 MPa超高壓處理組、e:超聲-100 MPa超高壓處理組、f:超聲-200 MPa超高壓處理組；圖5、圖8、圖9同。

圖5為經(jīng)預(yù)處理再真空冷凍干燥的草莓片,經(jīng)超聲-200 MPa超高壓處理后的草莓片凍干后,呈現(xiàn)較均勻的紅色,而未處理的草莓中心呈白色,這與2.2中草莓片a*和花色苷含量結(jié)果一致。由此可見,超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理能改善草莓片色澤,促進(jìn)草莓中花色苷向其中心及表明遷移。

圖5 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理干燥后草莓片F(xiàn)ig.5 Ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment for dried strawberry slices

2.3 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片水分含量的影響

水分含量是衡量脫水果蔬品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),由圖6A可知,草莓片初始水分含量為93.30%,預(yù)處理能顯著降低草莓片初始水分含量(P<0.05),當(dāng)采用超聲-200 MPa超高壓處理的草莓片水分含量為90.92%。且經(jīng)相同的真空冷凍干燥時(shí)間,處理組水分含量顯著低于未處理的草莓片,尤其以超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理效果最為顯著(P<0.05),經(jīng)超聲-200 MPa超高壓處理的凍干草莓片最終水分含量僅為對照組的63.79%(圖6B)。在超聲波處理過程中,空化氣泡的形成、增長和劇烈破裂以及由此引發(fā)的一系列理化效應(yīng),有助于除去與物料結(jié)合緊密的水分。高壓處理提高了細(xì)胞的滲透性,進(jìn)而增加了水的傳遞。此外,在高壓處理中,水和代謝物會(huì)在細(xì)胞內(nèi)外形成更多的運(yùn)動(dòng)。Vega-Galvez等[24]發(fā)現(xiàn),超高壓技術(shù)可以加快物料干燥速率,提高水分?jǐn)U散系數(shù)。Yucel等[25]研究表明,處理壓力超過100 MPa時(shí),物料的干燥時(shí)間顯著縮短,且細(xì)胞通透性增強(qiáng),傳質(zhì)傳熱過程加快。由此可見,經(jīng)超聲-200 MPa超高壓處理能降低草莓片水分含量。

圖6 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片水分含量的影響Fig.6 Effects of ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment on moisture content of strawberry slices

2.4 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片水分分布的影響

一般來說,水的弛豫時(shí)間T2與其分子動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。通過弛豫時(shí)間可以觀察到樣品中水分狀態(tài)分布,觀察到三種T2組分,即T21(0～10 ms)、T22(10～100 ms)和T23(>100 ms),分別代表了結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水。水分流動(dòng)性越強(qiáng),干燥過程中水分越容易擴(kuò)散,即自由水越多,越易干燥。如圖7A所示,未干燥的草莓以自由水為主,經(jīng)預(yù)處理后草莓片中自由水的峰面積明顯增加,且預(yù)處理后的樣品中自由水橫向弛豫時(shí)間明顯縮短,表明水分子的遷移率逐漸降低,而超高壓和超聲波處理促進(jìn)了水的流動(dòng)性。超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理過程主要是液泡中自由水變化過程,結(jié)合水與內(nèi)部物質(zhì)分子呈化合狀態(tài),性質(zhì)穩(wěn)定,不易去除[26]。經(jīng)預(yù)處理后凍干的草莓片中自由水低于對照組,結(jié)合水峰面積高于對照組(圖7B)。Xin等[27]研究發(fā)現(xiàn),西蘭花經(jīng)超聲處理后,液泡中的自由水向細(xì)胞質(zhì)移動(dòng),從而導(dǎo)致不易流動(dòng)水所占比例升高。高壓處理會(huì)使物料中大量的水在較短的時(shí)間內(nèi)排出,高壓促進(jìn)了物料水分的擴(kuò)散,增加了滲透期間的水分損失和溶質(zhì)吸收[28]。

圖7 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對水分分布的影響Fig.7 Effect of ultrasound and ultra-high pressure pretreatment on water distribution

為了更直觀地反映超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片水分變化,分析不同預(yù)處理草莓片的低場核磁共振成像情況,如圖8所示。從對照組草莓片偽彩圖中,可清楚地看到草莓片信號(hào)量致密而均勻,可知水分牢固且均勻的存在于草莓內(nèi)部(圖8(a))。經(jīng)超聲處理后草莓中水分開始遷移,由草莓內(nèi)部逐漸向外部擴(kuò)散,這種變化證實(shí)了部分自由水逐漸流失的趨勢(圖8(b))。草莓片經(jīng)超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后內(nèi)部存在部分空隙,這表明草莓內(nèi)部自由水較少,信號(hào)較低,尤其是經(jīng)超聲-200 MPa超高壓處理組。由此可見,經(jīng)超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理會(huì)使草莓內(nèi)部水分流失,這與草莓中水分含量數(shù)據(jù)一致。

圖8 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后草莓片的核磁成像Fig.8 Magnetic resonance imaging of strawberry slices after ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

2.5 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理對草莓片組織結(jié)構(gòu)的影響

圖9顯示了不同預(yù)處理后的草莓片的組織結(jié)構(gòu),在圖9(a)中可以觀察到具有完整的薄壁組織和完整膜的新鮮草莓樣品。圖9(b)顯示了經(jīng)超聲預(yù)處理的草莓片組織的顯微照片,細(xì)胞壁破裂和細(xì)胞分離清晰可見,這些破壞和分離導(dǎo)致了細(xì)胞間空間的增加。此外,經(jīng)超聲預(yù)處理的草莓片組織的某些區(qū)域,細(xì)胞出現(xiàn)撕裂、形狀不規(guī)則和組織變形。與圖9(a)相比,圖9(c)顯示超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后,大多數(shù)細(xì)胞壁破裂,少數(shù)剩余細(xì)胞壁嚴(yán)重扭曲(圖4)。當(dāng)細(xì)胞壁膜破裂,有效水?dāng)U散率增加時(shí),草莓內(nèi)部的水?dāng)U散變得更容易。圖9(d)表明,在樣品的某些區(qū)域,細(xì)胞破裂較嚴(yán)重,多個(gè)細(xì)胞破裂后,形成了一個(gè)較大的細(xì)胞,從而形成了微觀通道。物料中水分會(huì)優(yōu)先通過細(xì)胞壁途徑遷移出細(xì)胞,水分?jǐn)U散率的增加部分歸因于細(xì)胞壁對水通量阻力的降低[29]。細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的退化會(huì)降低其抗水分運(yùn)動(dòng)能力,從而提高干燥速度。這一結(jié)果證實(shí)了Fuente Blanco等[30]的觀察結(jié)果,超聲波預(yù)處理會(huì)影響水果組織,使水分在空氣干燥過程中更容易擴(kuò)散,表明微觀通道可能有助于提高水分?jǐn)U散率,這種現(xiàn)象可以用細(xì)胞壁膜的塌陷來解釋。預(yù)處理后草莓片組織結(jié)構(gòu)觀察的結(jié)果與前期研究的水分和色澤指標(biāo)分析具有一定的吻合度,從微觀結(jié)構(gòu)上對預(yù)處理后草莓水分降低,色素遷移等原因進(jìn)行了進(jìn)一步解釋和驗(yàn)證。

圖9 超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后草莓片組織結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of strawberry slices pretreated by ultrasound combined with ultra-high pressure pretreatment

3 結(jié)論

超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理能顯著提高草莓中心花色苷含量、a*值和色素的分布,降低草莓初始水分含量和凍干草莓片的水分含量。當(dāng)預(yù)處理?xiàng)l件為超聲-200 MPa超高壓處理時(shí),草莓片a*值為8.68,花色苷含量為0.55%,而對照組a*值和花色苷含量僅-0.26和0.05%。經(jīng)超聲結(jié)合超高壓預(yù)處理后,草莓片自由水弛豫時(shí)間均減小,且自由水含量明顯降低,而不易流動(dòng)水及結(jié)合水含量相對升高。因此,超聲和超高壓預(yù)處理改變草莓片的組織結(jié)構(gòu),從而促進(jìn)水分的擴(kuò)散,改善草莓片色澤,尤其是在40 kHz,300 W超聲處理30 min,再結(jié)合200 MPa超高壓處理5 min的條件下。