周新群，馮欣欣,3，孫 潔，孫 靜，范新光，江利華，劉幫迪,*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地初加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100121；3.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；4.魯東大學(xué)食品工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

紫薯（Ipomoea batatas(L.) Lam）屬旋花科番薯屬草本植物，因其果肉呈紫色或深紫色，又稱黑薯。紫薯含有多種生物活性成分，如花青素、膳食纖維、維生素、微量元素、類胡蘿卜素等，具有抗氧化、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力等功能。2019年中國(guó)紫薯種植面積為18.5萬(wàn) hm2，總產(chǎn)量為455.1萬(wàn) t[1]。中國(guó)作為紫薯生產(chǎn)大國(guó)，以紫薯為原料的加工產(chǎn)品除涉及全粉、粉絲粉條等傳統(tǒng)品類外，還有多種新型食品產(chǎn)品，如紫薯飲料、速凍薯塊、速凍薯泥、淀粉糖等。此外，由于紫薯富含花色苷，具有抑菌性、調(diào)節(jié)腸道菌群和抗氧化等功能性，被開(kāi)發(fā)為多種功能性產(chǎn)品。并且相較于藍(lán)莓、葡萄、桑葚等小漿果原料花色苷，紫薯中花色苷在加工和貯藏過(guò)程中更穩(wěn)定[2]，因此，從紫薯中提取花色苷的產(chǎn)業(yè)正逐年擴(kuò)大。目前，從紫薯中提取的花青素已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域。2012—2017年，中國(guó)紫薯提取的花青素產(chǎn)量由1 201 t增長(zhǎng)至5 662 t，產(chǎn)值在紫薯加工行業(yè)中的占比超過(guò)15%[3]。

花青素又稱花色素，是一種天然色素，大多以糖苷的形式存在，單個(gè)糖苷形式的花青素稱為花色苷。常見(jiàn)的花色苷有矢車菊色素（cyanidin，cya）、天竺葵色素（pelargonidin，pel）、飛燕草色素（delphindin，del）、芍藥色素（peonidin，peo）、牽?；ㄉ兀╬etunidin，pet）和錦葵色素（malvidin，mal）?；ㄇ嗨刈鳛樗苄陨?，屬于類黃酮化合物，具有多種生物功效[4]，但是花青素在食品加工和貯藏過(guò)程中極易受熱、光照、氧化等條件的影響而發(fā)生變色和降解[5]。因此，提升花青素在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

紫薯是甘薯的特殊品種，在中國(guó)華南地區(qū)廣泛種植，主要采收季節(jié)在7月底至8月初，由于采收時(shí)環(huán)境濕度和溫度高、微生物代謝活躍，且收獲過(guò)程中易造成機(jī)械損傷導(dǎo)致受微生物侵染，因此易出現(xiàn)生理病害和腐爛現(xiàn)象[6]。此外，受環(huán)境濕度和溫度的影響，夏季采后的紫薯呼吸強(qiáng)度和體內(nèi)代謝水平較高，在窖藏過(guò)程中紫薯營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物活性物質(zhì)大量被消耗[7]。這些問(wèn)題都容易造成紫薯花青素在貯藏中大量損失，從而降低紫薯花青素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，為了延長(zhǎng)紫薯花青素提取加工的周期，保證紫薯原料的花青素含量，目前經(jīng)常采用冷凍貯藏的方式進(jìn)行原料貯藏[8]。

果蔬凍藏是指采用－18 ℃普通冷凍（緩凍）或低于－38 ℃的快速冷凍（速凍）方法將果蔬物料凍結(jié)，并在－38～18 ℃低溫條件下貯藏的方法[9]。凍藏可以延長(zhǎng)果蔬的貯藏期，最大程度保持果蔬食用品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，達(dá)到果蔬加工標(biāo)準(zhǔn)和滿足食用需求[10-11]。但也有大量研究表明，水分含量高的果蔬在－18 ℃緩凍結(jié)晶過(guò)程中，其細(xì)胞溶液水分凝結(jié)成大型的尖狀冰晶，對(duì)果蔬細(xì)胞膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)造成不可逆破壞，使果蔬在冷凍融化后出現(xiàn)汁液流失的現(xiàn)象，并出現(xiàn)以氧化褐變?yōu)榇淼囊幌盗辛幼兎磻?yīng)，從而使其喪失加工和食用價(jià)值[12]。在速凍條件下，當(dāng)凍結(jié)速度過(guò)快時(shí)，果蔬細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)由于低溫?cái)嗔熏F(xiàn)象受到破壞[13]。此外，由于速凍成本高、能耗大，果蔬產(chǎn)業(yè)的實(shí)際加工過(guò)程中多采用普通緩凍[14]。脫水冷凍是一種新型的果蔬凍結(jié)貯藏方式，它是指先采用不同的物理方式對(duì)果蔬進(jìn)行脫水處理，達(dá)到理想的水分含量后再進(jìn)行冷凍貯藏。脫水冷凍作為一種新型協(xié)同冷凍技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被廣泛研究，其中滲透脫水作為冷凍前預(yù)處理方式因具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究[15-16]。滲透脫水能夠降低果蔬物料含水量，可以明顯保護(hù)果蔬原有細(xì)胞結(jié)構(gòu)；同時(shí)滲透脫水能夠縮小產(chǎn)品體積，降低包裝、配送和儲(chǔ)存成本；滲透脫水還能夠降低冷凍過(guò)程的熱負(fù)荷，從而節(jié)約能源[17]。此外，許多研究表明，滲透脫水可以顯著地保護(hù)果蔬物料冷凍和解凍循環(huán)中的感官、物理、化學(xué)性質(zhì)和生物活性物質(zhì)[18]。張雅麗等[19]的研究表明，串枝紅杏通過(guò)低溫真空干燥脫水預(yù)處理凍融加工成杏干后，在色澤、質(zhì)地和生物活性等指標(biāo)顯著高于其他處理組。Fong-In等[20]研究了滲透脫水對(duì)荔枝冷凍后品質(zhì)的影響，結(jié)果表明滲透脫水預(yù)處理顯著降低了荔枝的含水量、汁液流失率和微生物負(fù)荷，提高了荔枝的硬度和可溶性固形物的含量。但有關(guān)富含花青素果蔬原料的脫水冷凍技術(shù)還缺乏詳細(xì)研究。

花青素提取行業(yè)是典型的高價(jià)值農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景和極高的利用價(jià)值，紫薯塊作為提取花色苷的原料，貯藏過(guò)程中保持花色苷較高的保留率很重要，因此需要考慮預(yù)處理對(duì)貯藏過(guò)程中花色苷的保留能力。但是目前對(duì)于紫薯塊凍藏過(guò)程中花色苷損失規(guī)律方面缺乏研究，亟需一種能提高花色苷保留率的技術(shù)來(lái)指導(dǎo)行業(yè)發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)以紫薯為研究對(duì)象，探究紫薯塊在不同的脫水預(yù)處理后、冷凍貯藏后等加工階段花青素的損失情況，并分析其主要損失原因，以期能夠?yàn)榛ㄇ嗨靥崛⌒袠I(yè)的原料貯藏提供一些基礎(chǔ)理論和技術(shù)可行性支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮越南紫薯，購(gòu)自北京新發(fā)地果蔬批發(fā)市場(chǎng)。

果糖-葡萄糖溶液 廣州雙橋有限公司；花青素檢測(cè)試劑盒 上海信帆生物科技有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力試劑盒、總抗氧化能力試劑盒、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）和多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）試劑盒 南京建成生物工程研究所；甲醇（色譜純） 德國(guó)Merck公司；甲酸（色譜純） 美國(guó)Sigma-Aldrich公司；鹽酸（優(yōu)級(jí)純）信陽(yáng)市化學(xué)試劑廠；花青素標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；TGL-16gR高速冷凍離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；Rapid-TA質(zhì)構(gòu)儀 上海騰拔儀器科技有限公司；HH-2A電熱恒溫水浴鍋 上海貝侖儀器設(shè)備有限公司；THZ-C恒溫振蕩器 豪城實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；UV-755B紫外分光光度計(jì) 上海佑科儀器儀表有限公司；PAL-1糖度儀浙江托普儀器有限公司；NR110色差儀 深圳3NH科技有限公司；D800相機(jī) 日本尼康公司；A11 basic液氮研磨機(jī) 德國(guó)IKA公司；DW-86L388J低溫保存箱青島海爾醫(yī)療股份有限公司；BC/BD-300DT調(diào)溫冷藏箱美菱股份有限公司；LAC-350 HPY-2 人工氣候箱上海龍躍儀器設(shè)備有限公司；QTRAP 6500+液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀 美國(guó)SCIEX公司；5424R離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf公司；MM400球磨儀 德國(guó)Retsch公司；MIX-200多管渦旋振蕩器 上海凈信實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；KQ5200E超聲清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備及處理

實(shí)驗(yàn)前24 h將新鮮紫薯表面污泥洗凈，自然條件下晾干備用。使用刀具將新鮮紫薯切成半徑為（2.0±0.1）cm、厚度為（1.5±0.1）cm的均勻扇形紫薯塊，為避免氧化褐變，切塊后的紫薯及時(shí)進(jìn)行后續(xù)脫水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理組：普通緩凍組（CK組）、自然風(fēng)干處理組（VD組）、熱風(fēng)干燥處理組（HD組）、滲透脫水處理組（OD組）、真空冷凍干燥處理組（FD組），使用不同脫水方式將紫薯塊統(tǒng)一脫掉原有水分含量的30%，具體處理方法如下。

CK組：紫薯塊不進(jìn)行任何處理；VD組：將紫薯塊置于托盤內(nèi)，放進(jìn)條件為模擬常溫25 ℃狀態(tài)下環(huán)境的人工氣候箱進(jìn)行自然風(fēng)干；HD組：將紫薯塊置于托盤的鐵網(wǎng)上，在溫度55 ℃、風(fēng)速1.0 m/s條件下進(jìn)行熱風(fēng)干燥脫水；OD組：將紫薯塊放入容器（料液比1∶5、體積分?jǐn)?shù)為45%果糖-葡萄糖溶液）中，置于（25±1）℃水浴鍋內(nèi)進(jìn)行滲透脫水，滲透脫水的樣品在到達(dá)數(shù)據(jù)測(cè)定點(diǎn)時(shí)，將樣品撈出，使用蒸餾水沖洗表面糖液，并用紙巾拭干；FD組：紫薯塊切分好之后進(jìn)行低溫預(yù)凍，處理?xiàng)l件為：溫度－80 ℃、時(shí)間1 h。FD的條件為：溫度（－52±1）℃、真空度為1 Pa。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，要先將機(jī)器進(jìn)行0.5 h的預(yù)冷，再將要進(jìn)行脫水處理的樣品放入其中，進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)。

在冷凍前，CK組以鮮樣形式進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，VD組、HD組、OD組、FD組預(yù)處理脫水后部分樣品直接進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)；各組樣品用聚乙烯包裝袋密封包裝后置于－18 ℃冰箱凍藏，6 個(gè)月后取出，于（25.0±0.5）℃水浴鍋中充分解凍后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 花色苷含量的檢測(cè)

1.3.2.1 樣品前處理

將各處理組液氮磨粉的樣品融化并渦旋混勻后，移取50 μL（相當(dāng)于50 μg），溶解于950 μL提取液（50%甲醇-水溶液，含0.1%鹽酸）中，渦旋5 min、超聲5 min，離心（12 000 r/min、3 min），吸取上清液，用微孔濾膜（0.22 μm）過(guò)濾，并保存于進(jìn)樣瓶中，用于液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析。

1.3.2.2 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜條件

色譜條件：色譜柱：ACQUITYBEHC18（2.1 mm×100 mm，1.7 μm）；柱溫 40 ℃；流動(dòng)相A為超純水（加入0.1%的甲酸），流動(dòng)相B為甲醇（加入0.1%的甲酸）；流速0.35 mL/min。

質(zhì)譜條件：電噴霧離子源（electrospray ionization，ESI），溫度550 ℃，正離子模式下質(zhì)譜電壓5 500 V，氣簾氣壓力35 psi。根據(jù)優(yōu)化的去簇電壓（declustering potential，DP）和碰撞能（collision energy，CE），對(duì)每個(gè)離子對(duì)進(jìn)行掃描檢測(cè)。

1.3.2.3 花色苷含量的計(jì)算

樣品中的花色苷含量按公式（1）計(jì)算。

式中：ρ為樣品積分峰面積比值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得到的質(zhì)量濃度/（ng/mL）；V為提取時(shí)所用溶液的體積/μL；m為移取的樣品質(zhì)量/mg。

1.3.3 汁液流失率的測(cè)定

稱量?jī)霾睾蠼鈨銮皹悠返馁|(zhì)量（m0/g）和充分解凍后樣品的質(zhì)量（m1/g），按照公式（2）計(jì)算汁液流失率。

1.3.4 細(xì)胞膜透性的測(cè)定

參考孫文麗等[21]的方法，略作改動(dòng)測(cè)定細(xì)胞膜透性。果實(shí)膜透性用相對(duì)電導(dǎo)率來(lái)表征。稱取3 g紫薯塊，切成1 mm厚的薄片，放入50 mL離心管中并注入去離子水定容至25 mL，搖床110 r/min振蕩30 min，測(cè)定電導(dǎo)率（P1/（μS/cm））；煮沸10 min后迅速冷卻，加水至原刻度，再測(cè)定溶液電導(dǎo)率（P2/（μS/cm））；同時(shí)，測(cè)定去離子水的電導(dǎo)率（P0/（μS/cm））。相對(duì)電導(dǎo)率按公式（3）計(jì)算。

1.3.5 色澤的測(cè)定

選取不同處理組的紫薯塊，用色差儀測(cè)定凍融后（L*、a*、b*）和未冷凍樣品的色澤參數(shù)，其中L*值代表亮度，a*值代表紅綠度，b*值代表黃藍(lán)度，色差值ΔE計(jì)算如公式（4）所示。

1.3.6 過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶活力的測(cè)定

POD和PPO活力使用相應(yīng)試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

1.3.7 DPPH自由基清除能力和總抗氧化能力的測(cè)定

DPPH自由基清除能力和總抗氧化能力使用相應(yīng)試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次重復(fù)，采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖，利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析和多重差異顯著分析，P＜0.05表示具有顯著差異；利用Hiplot平臺(tái)（https://hiplot.com.cn/）進(jìn)行聚類熱圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫水預(yù)處理對(duì)凍融紫薯塊外觀的影響

紫薯塊在冷凍融化后的外觀如圖1所示，與新鮮紫薯相比主要是色澤發(fā)生變化。新鮮紫薯的外觀色澤鮮亮，飽和度較高。冷凍融化后HD和VD處理組紫薯塊出現(xiàn)明顯的褪色現(xiàn)象，部分果肉呈現(xiàn)白色，這可能是花色苷被降解和酚類物質(zhì)被氧化所致[22]，但OD和FD處理后紫薯塊色澤飽滿，與初始新鮮樣品色澤較為接近。

圖1 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊融化后外觀的影響Fig.1 Effect of dehydration pretreatment on appearance of frozen purple sweet potato cubes after melting

由表1可知，經(jīng)脫水處理后，紫薯塊的L*值相較于初始樣品有明顯提高，這可能是因?yàn)樽鲜韷K表面花色苷在不同脫水處理后出現(xiàn)降解或溶解于溶液中，導(dǎo)致色澤變淺。凍融后，CK組L*值顯著低于其他處理組且低于初始樣品，可能是因?yàn)閮鋈谶^(guò)程中冰晶細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，細(xì)胞內(nèi)花色苷和多酚類物質(zhì)接觸氧氣和相關(guān)酶的可能性加大，導(dǎo)致果蔬顏色發(fā)生較大的變化[23]。OD組脫水處理后和凍融后L*值均最高。

表1 不同處理下紫薯L＊、a＊、b＊值變化Table 1 Changes in L＊,a＊ and b＊ values of purple sweet potato under different treatments

與CK組相比，脫水處理和凍融后的OD組a*值和b*值最接近新鮮樣品，其次為FD組，表明滲透脫水處理和真空冷凍干燥處理對(duì)紫薯塊的色澤有良好的保持效果。HD組、VD組脫水處理后a*值和b*值變化較大，這是因?yàn)閮鋈诤笞鲜淼募?xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，細(xì)胞原有維持的區(qū)室狀態(tài)也受損，PPO和POD參與到花色苷的生物降解中，造成紫薯顏色變深[24]。孫利娜[25]在利用酶法生產(chǎn)草莓渾濁汁的研究中發(fā)現(xiàn)，多酚化合物的氧化縮合及抗壞血酸的氧化分解反應(yīng)是草莓汁色澤變化的主要原因。脫水處理和凍融后OD組色差值最小，分別為3.22和5.83，此處理組最接近新鮮樣品，其次為FD組。HD組、VD組脫水處理后的色差值較大，說(shuō)明色澤變化較大。

2.2 紫薯塊在脫水冷凍過(guò)程中花色苷組分的變化

紫薯塊在凍融后的色澤變化主要是細(xì)胞內(nèi)富含的花色苷變化所致。如表2所示，新鮮紫薯塊中共鑒定出6 類含有花色苷官能團(tuán)的物質(zhì)，分別是芍藥花色素、矢車菊素、天竺葵素、矮牽牛素、飛草燕素和錦葵色素。其中，紫薯塊中花色苷含量大于5 μg/g的有6 種，分別是芍藥花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷、芍藥花色素-3-(咖啡酰葡萄糖基葡萄糖苷)-5-葡萄糖苷、芍藥花色素-3-O-半乳糖苷、芍藥花色素-3-O-阿魏酰-槐糖苷-5-葡萄糖苷、芍藥花素-3-O-對(duì)羥基苯甲?；碧?5-葡萄糖苷和矢車菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷，這6 種花色苷占紫薯塊總花青素含量的90.76%。

表2 紫薯加工過(guò)程中花色苷成分含量的變化Table 2 Changes in anthocyanin contents during purple potato processing

通常來(lái)說(shuō)，花青素在冷凍貯藏過(guò)程中十分穩(wěn)定，許多研究指出藍(lán)莓、黑莓、樹(shù)莓的花青素在冷凍過(guò)程中含量基本不變化[26-28]。這主要是由于冷凍過(guò)程植物組織和內(nèi)溶物質(zhì)十分穩(wěn)定，但脫水和凍融均可能導(dǎo)致花青素被氧化分解[29]。紫薯塊預(yù)處理和凍融后各組分花色苷損失率如表3所示，27 種花色苷在脫水預(yù)處理和凍融過(guò)程中都出現(xiàn)不同程度的損失。在脫水凍融后，除OD組外，其他組別都呈現(xiàn)出大幅度下降的趨勢(shì)。從表3可以看出，脫水處理后VD組、HD組、FD組花色苷總量損失率分別為41.01%、33.58%、34.19%。熱風(fēng)干燥處理在脫水過(guò)程中伴隨較高的加工溫度，花色苷在55 ℃高溫下穩(wěn)定性受到較大的影響，降解速率增加，反應(yīng)速率加快，造成花色苷含量下降[30]。真空冷凍干燥是一種能夠有效保護(hù)植物化合物和生物活性物質(zhì)的脫水方式[31]，但本研究中的真空冷凍干燥處理后花色苷損失率較高，可能是因?yàn)檎婵绽鋬鲞^(guò)程破壞了紫薯塊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。Mujumdar等[32]的研究表明，果蔬物料沒(méi)有充分預(yù)凍時(shí)，可能造成植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)被大冰晶破壞，導(dǎo)致抗氧化活性、生物活性物質(zhì)損失。凍融后VD、HD、FD組花色苷的損失率相較于脫水后分別增加了39.78、35.90、22.58 個(gè)百分點(diǎn)，而OD組樣品在凍融后的花色苷損失率較脫水處理后僅增加了5.00 個(gè)百分點(diǎn)，研究結(jié)果說(shuō)明滲透脫水處理可以最大程度地保護(hù)紫薯花色苷在凍融過(guò)程中的損失。

表3 紫薯加工過(guò)程中花色苷損失率Table 3 Loss rates of anthocyanins in purple sweet potato during processing

對(duì)紫薯塊中最主要的6 種花色苷損失率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，脫水處理后，紫薯塊中主要花色苷在VD組損失率最高，OD組損失率最低。CK組凍融后大部分花色苷損失率高于50%，這是由于冷凍會(huì)誘導(dǎo)冰晶的形成，冰晶生長(zhǎng)造成細(xì)胞損傷，凍融后花色苷隨汁液流失流出紫薯塊組織外，造成大量損失[33]。OD組凍融后大部分花色苷組分損失率均在60%以下，趙東宇[34]的研究表明添加單糖、還原性糖能夠很大程度上抑制花色苷的降解。FD組凍融后有4 種芍藥花色素和4 種矢車菊素類花色苷損失率高于90%，而天竺葵素-3-O-葡萄糖苷、二氫楊梅黃酮、原花青素B3則全部損失。這可能是凍融過(guò)程中，果蔬細(xì)胞破裂促使POD、PPO、花色苷和其他酚類（如兒茶酚、綠原酸、咖啡酸）充分接觸，在此條件下，PPO開(kāi)始分解花色苷，POD能將介質(zhì)中的酚氧化為醌，醌與花色苷反應(yīng)產(chǎn)生褐色縮合物[34]。除OD組外，其他處理組紫薯塊中含量最高的兩種花色苷（芍藥花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷和矢車菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷）在經(jīng)過(guò)脫水預(yù)處理和冷凍融化后損失率均超過(guò)40%。

2.3 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊汁液流失率和細(xì)胞膜透性的影響

汁液流失率是評(píng)價(jià)食品凍融后的一項(xiàng)重要品質(zhì)，冷凍食品在凍融后由于細(xì)胞被破壞存在明顯的汁液流失現(xiàn)象，極大程度影響了食品的食用、加工品質(zhì)，并且在融化過(guò)程中會(huì)伴隨著花色苷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流出[35]。由圖2可知，CK組汁液流失率最高，為16.74%，OD組汁液流失率顯著低于其他處理組，這是因?yàn)镃K組紫薯塊水分含量高于其他脫水預(yù)處理組，且普通緩凍凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，冷凍速率低，在冷凍過(guò)程中生成的冰晶大且分布不均勻，導(dǎo)致凍融后紫薯塊的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得疏松，組織內(nèi)空隙增大，弱化了細(xì)胞的持水能力，提高了汁液流失率，而OD預(yù)處理組汁液流失率最低。陳童等[36]研究發(fā)現(xiàn)，滲透脫水預(yù)處理可以在很大程度上保護(hù)西蘭花在冷凍融化過(guò)程中細(xì)胞的完整性，可能是因?yàn)樘欠肿舆M(jìn)入細(xì)胞組織內(nèi)部，有效束縛了水分子，增強(qiáng)了果蔬組織的細(xì)胞剛性，減少了汁液流失。HD和VD組汁液流失率無(wú)顯著差異。

圖2 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊汁液流失率的影響Fig.2 Effect of dehydration pretreatment on juice loss rate of frozen purple sweet potato cubes

果實(shí)細(xì)胞受到損傷后會(huì)影響細(xì)胞膜透性，細(xì)胞膜透性越高說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲越嚴(yán)重，細(xì)胞膜功能性就越弱。在冷凍過(guò)程中果實(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)被冰晶尖刺結(jié)構(gòu)破壞，細(xì)胞膜也會(huì)受到一定程度的損傷[37]。Parniakov等[38]的研究表明，冷凍前脫水是有效減少冰晶對(duì)細(xì)胞破壞的手段，但也有研究指出不當(dāng)?shù)拿撍^(guò)程可能會(huì)在預(yù)處理加工環(huán)節(jié)破壞果蔬細(xì)胞[39]。如圖3所示，紫薯塊經(jīng)不同脫水預(yù)處理后細(xì)胞膜透性均有所升高，其中FD組紫薯在脫水預(yù)處理后細(xì)胞膜透性最高，相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)11.22%，顯著高于其他3 個(gè)脫水處理組（P＜0.05）。凍融后，未經(jīng)脫水預(yù)處理的CK組相對(duì)電導(dǎo)率高達(dá)48.21%，說(shuō)明果肉細(xì)胞電解質(zhì)大量外滲，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增加，這與CK組汁液流失和花色苷損失結(jié)果相印證。脫水預(yù)處理可以有效抑制紫薯塊凍融后細(xì)胞膜透性的降低，其中OD組效果最好，凍融后相對(duì)電導(dǎo)率僅為13.52%，顯著低于其他組別（P＜0.05）。

圖3 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊細(xì)胞膜透性的影響Fig.3 Effect of dehydration pretreatment on cell membrane permeability of frozen purple sweet potato cubes

2.4 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊PPO和POD活力的影響

果蔬在加工過(guò)程中極易發(fā)生生物活性物質(zhì)損失的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象通常與酶促氧化反應(yīng)有關(guān)[40]。PPO和POD是造成酶促氧化褐變的主要酶類，因此果蔬加工中通常使用多種物理化學(xué)方式對(duì)以PPO和POD為代表的酶進(jìn)行活性抑制處理，從而保護(hù)色澤、質(zhì)地和生物活性物質(zhì)等[40]。如圖4所示，和鮮樣相比，HD、OD和FD脫水處理均能夠有效抑制PPO和POD的活力。但VD脫水處理后紫薯的POD、PPO活力分別為364.55、300.44 U/g，顯著高于鮮樣和其他脫水處理組（P＜0.05）。這可能是因?yàn)樽匀伙L(fēng)干的狀態(tài)下，紫薯塊除頻繁與氧氣接觸外，還易受到外界環(huán)境刺激，如微生物侵染，導(dǎo)致紫薯塊發(fā)生一系列生化代謝反應(yīng)，從而提高了POD、PPO活力[41]。而OD脫水的高滲透壓環(huán)境、HD脫水的高溫環(huán)境和FD脫水的低溫低壓環(huán)境均能夠有效抑制紫薯塊中的酶活性。

圖4 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊POD（A）和PPO（B）活力的影響Fig.4 Effect of dehydration pretreatment on POD (A) and PPO (B)activity of frozen purple sweet potato cubes

冷凍融化過(guò)程能夠明顯激活紫薯的POD和PPO，所有組別紫薯塊在凍融后的這兩種活力均高于脫水處理后的紫薯塊。大量果蔬冷凍的相關(guān)研究均表明，冷凍過(guò)程中冰晶破壞植物細(xì)胞，釋放并激活位于不同細(xì)胞器內(nèi)的酶[42]。CK組凍融后POD和PPO活力較冷凍前分別上升45.16%和189.84%。OD脫水處理可以最有效地抑制紫薯凍融后的PPO和POD活力上升現(xiàn)象。OD組凍融后POD和PPO活力最低，是因?yàn)闈B透脫水可以保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，降低PPO和POD與氧氣、底物接觸的概率，從而有效抑制酶活力。de Ancos等[43]對(duì)‘Rubi’和‘Zeva’兩個(gè)品種紅樹(shù)莓進(jìn)行冷凍研究發(fā)現(xiàn)，有效減少凍融中氧化還原系統(tǒng)酶（PPO）的釋放，可以減少紅樹(shù)莓花青素的降解。FD處理雖然可以抑制紫薯塊PPO活力在凍融后上升，但卻無(wú)法抑制POD活力。

2.5 脫水預(yù)處理冷凍對(duì)紫薯塊抗氧化活性的影響

抗氧化活性是評(píng)價(jià)食品營(yíng)養(yǎng)性和功能性的一項(xiàng)指標(biāo)，許多果蔬冷凍研究指出果蔬的總抗氧化能力、花青素含量和冷凍品質(zhì)之間存在極高的相關(guān)性[44-46]。果蔬的抗氧化活性主要來(lái)源于體內(nèi)的抗氧化酶系和非酶生物活性物質(zhì)[47]，因此抗氧化活性可以良好地反映紫薯在脫水預(yù)處理、冷凍融化過(guò)程對(duì)紫薯花色苷的保護(hù)能力。

從圖5A中可以看出，經(jīng)過(guò)4 種脫水預(yù)處理后紫薯的DPPH自由基清除能力均顯著低于鮮樣（P＜0.05）。脫水處理后VD組和HD組DPPH自由基清除能力最小，無(wú)顯著性差異，OD組和FD組DPPH自由基清除能力相對(duì)較強(qiáng)，略低于鮮樣。說(shuō)明滲透脫水處理和冷凍干燥處理均能夠有效保護(hù)紫薯塊的活性氧清除系統(tǒng)，從而減少在脫水預(yù)處理過(guò)程中紫薯花色苷被氧化的可能性。在冷凍融化后，OD組DPPH自由基清除能力最強(qiáng)，達(dá)到226.73 μg/g；VD組和CK組DPPH自由基清除能力大幅度下降，與鮮樣相比，損失率分別為34.71%、47.17%。

圖5 脫水預(yù)處理對(duì)冷凍紫薯塊DPPH自由基清除能力（A）和總抗氧化能力（B）的影響Fig.5 Effect of dehydration pretreatment on DPPH free radical scavenging ability (A) and total antioxidant capacity (B) of frozen purple sweet potato cubes

紫薯塊的總抗氧化能力整體變化趨勢(shì)和DPPH自由基清除能力相同（圖5B）。經(jīng)脫水處理后，OD處理組和FD處理組樣品的總抗氧化能力最強(qiáng)，且沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）。HD脫水處理由于熱環(huán)境對(duì)紫薯總抗氧化活性影響最大，總抗氧化能力降低最多，和鮮樣相比下降了53.97%。仇勝囡[48]的研究指出，植物的活性氧清除體系酶活性通常較低且不穩(wěn)定，因此HD熱處理會(huì)導(dǎo)致活性氧清除體系中的酶活性大幅降低，不利于保護(hù)紫薯花青素。除HD處理組外，其余各組在凍融后，總抗氧化能力繼續(xù)下降，但FD和OD組抗總氧化能力顯著高于其他組別（P＜0.05）。Santarelli等[49]對(duì)冷凍蘋果的研究也指出，在冷凍前增加預(yù)處理可以有效減緩蘋果的抗氧化活性損失。

2.6 脫水預(yù)處理和冷凍過(guò)程對(duì)紫薯塊花色苷損失影響的相關(guān)性熱圖分析

圖6是對(duì)各組紫薯中檢測(cè)出的27 種花色苷損失率與其他指標(biāo)變化率之間的相關(guān)性分析熱圖，色塊顏色越接近，表示指標(biāo)間的相關(guān)性越強(qiáng)；紅色越深，表示花色苷損失率越高。紫薯塊在凍融過(guò)程中花色苷更容易損失，凍融后僅有OD組位于鮮樣的右方，屬于花色苷損失較少的組別。FD、VD、HD和CK組的花色苷損失主要受POD活力、PPO活力、汁液流失率、DPPH自由基清除能力的影響。FD組融化后（FD-R）花色苷的損失率主要受POD、PPO活力的影響。曹少謙等[49]在研究藍(lán)莓花色苷-PPO-鄰苯二酚的偶合氧化反應(yīng)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)PPO與酚類底物結(jié)合產(chǎn)生醌類物質(zhì)，這些物質(zhì)再通過(guò)耦合氧化反應(yīng)導(dǎo)致藍(lán)莓花色苷降解，從而最終導(dǎo)致果實(shí)或者相關(guān)產(chǎn)品的褐變。VD和FD處理不能有效地抑制紫薯塊凍融后的PPO和POD活力，導(dǎo)致紫薯塊花色苷在凍融過(guò)程中出現(xiàn)較多的酶促氧化損失。CK組花色苷在凍融過(guò)程中損失受汁液流失率的影響較大，由于普通緩凍冷凍時(shí)間長(zhǎng)，形成體積過(guò)大且不規(guī)則的冰晶，冰晶在生長(zhǎng)過(guò)程中刺破細(xì)胞膜，導(dǎo)致凍融后細(xì)胞結(jié)構(gòu)不再完整，同時(shí)加劇汁液流失[50]。因此紫薯塊中的花色苷可能隨汁液流失或被氧化分解。OD處理相對(duì)于其他處理組在凍融后最有效地保留了花色苷組分，可能是滲透脫水處理過(guò)程中糖溶質(zhì)和紫薯塊細(xì)胞組織中水分進(jìn)行置換，起到了冷凍保護(hù)劑的作用，可以抑制冰晶在細(xì)胞間形成，減少花色苷隨著汁液流失流出[51]。此外，滲透進(jìn)入紫薯內(nèi)的少量糖也可能改變花色苷共存物性質(zhì)，從而保護(hù)花色苷活性，曹雪慧等[52]研究表明糖分子進(jìn)入到藍(lán)莓組織內(nèi)部可以有效抑制花色苷的降解，對(duì)花色苷起到保護(hù)作用。

圖6 紫薯花色苷損失率與其他理化指標(biāo)變化率之間的相關(guān)性熱圖分析Fig.6 Heat map analysis between anthocyanin loss rate and other physicochemical index change rate of purple sweet potato

3 結(jié)論

OD預(yù)處理可以有效減少紫薯塊花色苷在脫水預(yù)處理過(guò)程中和冷凍融化后的損失，有效抑制紫薯塊中含量最高的兩種花色苷（芍藥花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷和矢車菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷）的損失。OD預(yù)處理可以通過(guò)降低紫薯細(xì)胞被破壞程度和汁液流失率，從而降低凍融過(guò)程中的酚酶與氧氣、底物接觸的幾率，進(jìn)而有效抑制PPO、POD的活力，保護(hù)紫薯塊的DPPH自由基清除能力和總抗氧化活力，在凍融過(guò)程中增強(qiáng)紫薯塊花色苷的抗氧化能力。因此，滲透脫水是4 種脫水預(yù)處理中最有效保護(hù)花色苷的方式，適合以提取花青素為目的紫薯的長(zhǎng)期貯藏。但滲透脫水如何通過(guò)改變紫薯細(xì)胞間水態(tài)分布從而減少冰晶對(duì)細(xì)胞的破壞機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。