凍融處理對胡蘿卜膨化效果的影響研究

盧亞婷，羅倉學，張 雯，史 超（.陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安7002；2.陜西農產品加工技術研究院，陜西西安7002；.軍空工程大學，陜西西安7005）

凍融處理對胡蘿卜膨化效果的影響研究

盧亞婷1，2，羅倉學1，張 雯1，史 超3
（1.陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安710021；2.陜西農產品加工技術研究院，陜西西安710021；3.軍空工程大學，陜西西安710051）

以胡蘿卜為原料，結合壓差膨化技術，研究凍融前處理對胡蘿卜膨化效果的影響。以膨化后產品的脆度和色澤為指標，通過對冷凍溫度、冷凍時間、融凍溫度、凍融次數及其協同作用影響因素的實驗分析，來探究凍融處理對胡蘿卜膨化效果的影響，確定胡蘿卜壓差膨化凍融前處理工藝參數。結果表明：冷凍溫度和冷凍時間對脆度均具有顯著影響（p＜0.05）；凍融次數對脆度的影響較為顯著。優選胡蘿卜凍融處理參數為：冷凍溫度-18℃，時間120min，融凍溫度（80±2）℃時融凍一次，膨化后產品的脆度均值達到211.1N/s，明亮度L*值為46.99，產品品質較好。

胡蘿卜脆片，凍融，壓差膨化

變溫壓差膨化干燥技術是近幾年興起的一種新型果蔬干燥技術，它是利用相變和氣體的熱壓效應原理，使被加工物料內部的液體迅速升溫汽化、增壓膨脹，并依靠氣體的膨脹力帶動組織中高分子物質的結構變化，從而使之成為具有網狀結構特征且定型的多孔狀物質[1]。變溫壓差膨化干燥技術結合了真空冷凍干燥產品品質好的優點，克服了真空低溫油炸膨化不耐貯藏的缺點，膨化后的產品具有較高的優越性[2]。隨著膨化干燥產品市場需求量的不斷增大，有關變溫壓差膨化干燥技術方面的研究也成為時下研究的熱點。目前的研究概括起來主要集中在改善產品品質方面，其中國內學者畢金峰、何新益及國外學者Nath A等在2006～2013年間先后針對不同的果蔬如蘋果、土豆、哈密瓜、大棗等開展了工藝優化、關鍵因素探析、前處理對品質結構影響等研究[2-8]，在一定程度上推動了變溫壓差膨化干燥技術的進步。其中變溫壓差膨化技術用于胡蘿卜脆片方面的研究也并不少見[9-10]，但是膨化后產品的品質并不理想，其原因主要在于胡蘿卜的結構和組分不同于其他易脫水的果蔬，這種致密的結構和高淀粉含量影響了膨化產品的品質[11]。凍融包括凍結和解凍兩個過程，可用于改善壓差膨化產品的品質[12]。郭婷[13]、黃宗海等[14]發現凍融處理有利于提高甘薯的脆度和色澤，還可以提高干燥速率[12]。因此，本研究以胡蘿卜為對象，較為系統地探討了凍融處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響，旨在改善胡蘿卜脆片的品質，為變溫壓差膨化果蔬脆片關鍵技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

胡蘿卜原料 適合于加工的三紅品種，購于西安市未央區祥云果品批發市場。

TA-XT PLUS 21/50型物性分析儀 英國Stable Micro System公司；變溫壓差膨化干燥設備 自行研制；CM-5型分光測色儀 日本柯尼卡美能達；BC/ BD-428A型冷凍柜 海爾公司；1000B型掃描電子顯微鏡 中科院儀器廠；Fw-400型萬能粉碎機 北京中興偉業有限公司。

1.2 變溫壓差膨化干燥工藝參數

實驗中，胡蘿卜原料清洗去泥沙，橫向切片2～4mm，按照實驗設計方案進行凍融實驗，凍融處理之后進行變溫壓差膨化干燥，干燥具體參數為：膨化溫度（98±2）℃，膨化壓力（0.3±0.02）MPa，抽真空干燥溫度（75±2）℃，抽真空干燥時間（70±5）min，原料量（5± 0.1）kg/m2。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 脆度的測定 T.P.A測定法。TA-XT PLUS 21/50型分析儀參數設置如下：測前速度1.0mm/s，測試速度1.0mm/s，測后速度10.0mm/s，測試下壓距離3mm，數據采集速率200次/s，探頭為P/0.25s。儀器自動測定應力的變化，給出應力時間變化曲線。脆度值：曲線上最大力的峰值與達到最大力所用時間的比值，單位為“N/s”，數值越大，脆性越好。

1.3.2 色澤的測定 CM-5分光測色儀進行測定。L*值表示色澤的明亮度，L*值的范圍為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，表示褐變越嚴重。a*表示紅綠，+表示偏紅，-表示偏綠。b*表示黃藍，+表示偏黃，-表示偏藍。

1.3.3 電子顯微鏡（SEM）觀察 膨化干燥后的樣品粉碎、過200目篩后，按照四分法取樣約0.01g，把樣品均勻的粘在導電膠上，去除多余的樣品，然后把導電膠貼在托盤上放進真空艙中抽真空，抽完真空后噴金，噴金結束進行電子顯微鏡觀察。

1.4 實驗設計

1.4.1 冷凍溫度的選擇 在查閱大量文獻的基礎上，以室溫（23±2）℃的樣品為對照，選擇冷凍溫度為-3、-18、-25℃，冷凍480min后，在預熱的膨化罐中自然融凍一次，溫度（80±2）℃，時間為5min。

1.4.2 冷凍時間的選擇 結合胡蘿卜特點，查閱文獻，在冷凍溫度為-25℃下，冷凍50、80、120、240min之后在預熱（80±2）℃的膨化罐中融凍一次，時間為5min。

1.4.3 融凍條件的選擇 融凍一次：-25℃條件下凍結480min的原料，分別在-3、0、25、（80±2）℃條件下自然完全解凍；融凍二次：融凍1次后的原料在-25℃條件下再次凍結480min之后，在融凍溫度為-3、0、25、（80±2）℃下再次完全解凍。

1.4.4 凍-融條件的驗證 結合單因素實驗結果，以未經過凍融處理的胡蘿卜為對照，按照冷凍溫度-18℃，冷凍120min后，（80±2）℃下融凍到完全解凍（約5min），置于膨化罐中加壓膨化，做三組驗證實驗。

1.5 數據處理

各條件下的實驗結果測量5次，實驗數據采用SPSS17.0統計軟件進行單因子方差分析，Duncan式多重比較，各表中數值以平均值±標準差表示，以p＜0.05作為差異顯著性判斷標準。

2 結果與分析

2.1 冷凍溫度對膨化效果的影響

冷凍過程本質上是冰界面與細胞之間的耦合傳熱傳質過程，因為物料在凍結過程中，隨著水分的凍結和遷移，物料內部溶質濃度發生變化，從而引起物料內部組分在細胞間的擴散，導致細胞微觀結構的變化[15]。冷凍溫度直接影響著冷凍速率，因此實驗中研究了不同冷凍溫度處理后產品的膨化效果。

表1 不同冷凍溫度對膨化效果的影響Table 1 Effect of freezing temperature on the puffing

由表1可以看出，當冷凍溫度在-3～-18℃時，產品的脆度隨溫度的降低顯著增大，而亮度值逐漸降低，a*值和b*值均為正，且在低于0℃之后隨著溫度的降低而增大，其原因在于胡蘿卜的理論共晶溫度為-18℃[16-17]，當冷凍溫度處于其預凍溫度范圍內時，胡蘿卜片內部開始出現水分的凍結形成晶核，直至全部凍結。凍結過程中水由液態轉變為固態，在胡蘿卜組織內部出現因晶體膨脹而體積增大，融凍膨化后的胡蘿卜片，水分迅速逸出，因此脆度增大。凍結過程中水由液態轉變為固態[18]，體積的增大破壞了原料內部的結合力，結晶體的存在破壞了物料內部的組織結構和酶系，當膨化升溫時加速了物料的褐變，紅綠值a*和黃藍值b*緩慢增大，因此亮度值逐漸降低。而當冷凍溫大于-3℃時，因為該溫度沒有達到開始凍結的溫度點，物料體積和狀態均無顯著變化，當冷凍溫度在-25℃時，物料已經處于完全凍結狀態，即在共晶點附近，物料體積不會隨著溫度的持續降低而有明顯的變化，因此溫度大于-3℃和小于-18℃時，脆度變化幅度較小。經過擬合，脆度與冷凍溫度之間的擬合方程為：y=108.31x0.5644，其中R2=0.9306；亮度值與溫度之間的擬合方程為y=54.73e-0.0584x，其中R2=0.9608。結合多重比較的結果可以看出，冷凍溫度為-18℃時，對脆度的影響顯著（p＜0.05）。因此，在冷凍時間為480min時，選擇冷凍溫度為-18℃為宜。

表2 不同冷凍時間對膨化效果的影響Table 2 Effect of freezing time on the puffing

2.2 冷凍時間對膨化效果的影響

冷凍的耦合傳熱傳質過程是建立在時間體系上的二維過程[15]，因此冷凍時間的影響不容忽視。

由表2可以看出，當冷凍時間在80～120min時，物料的脆度隨著時間的延長顯著增強，亮度值顯著降低，當冷凍時間大于120min時，物料的脆度隨著時間的延長增幅減小，亮度值降低幅度減小。其原因在于：-25℃低于胡蘿卜共晶溫度以下7℃，因此，物料能夠在較短的時間內完全凍結，物料中的水分由液態轉變為固態，隨著冷凍程度的推進，細胞內的水分逐漸向外遷移，細胞經歷著膨脹和高的滲透壓作用[15]，因此膨化后的脆度顯著增大，體積的增大損傷到細胞，導致色澤劣變，因此亮度值顯著降低。而當物料全部凍結之后，物料中的水已經是固態的，不會隨著凍結時間的延長而有顯著變化。因此脆度增幅較小，亮度值降低幅度減小。表中a*值和b*均為正，其中紅綠值a*隨冷凍時間變化的幅度相對于b*值變化幅度小，表明冷凍時間對產品黃藍值b*的影響大于紅綠值a*的影響。

經過擬合，脆度與冷凍時間之間的擬合方程為：y=58.238ln（x）+134.13，其中R2=0.925；亮度值與冷凍溫度之間的擬合方程為：y=-2.495x+54.975，其中R2= 0.9203。結合多重比較的結果可以看出，在冷凍溫度為-25℃條件下，冷凍時間為120min時，對脆度的影響顯著（p＜0.05）。因此，選擇冷凍時間為120min為宜。

2.3 融凍溫度和次數對膨化效果的協同影響

圖1 融凍溫度和次數對膨化脆度的協同作用Fig.1 Synergistic effect of thawing temperature and frequency on the friability

融凍是原料解除冷凍狀態的一個復雜過程，融凍速率的快慢，取決于凍結時的狀態、融凍外部條件和原料的特性。由圖1比較物料經過一次融凍后的脆度和二次融凍后的脆度可以看出，在-3～0℃融凍范圍內，二次比一次的脆度略有增大，在0～（80±2）℃范圍內，一次融凍后的脆度顯著大于二次融凍脆度。原因在于：-3～0℃是物料解凍的最適溫度[19]，對物料的損傷如汁液的滲漏[18]，組織的坍塌等是最小，因此經過二次融凍后，脆度略有增大。0～（80±2）℃遠離物料的共晶溫度，盡管能夠在最快的時間內解凍，但是短時間內的細胞驟縮帶來的損傷較大，細胞內的液體也不能在短時間內達到動態平衡，導致汁液外漏，而膨化中，水分是膨化過程的內部動力，因此二次融凍后的物料因為組織坍塌，水分滲漏而導致脆度顯著小于一次融凍。在處理溫度相同的條件下，對不同融凍次數后的產品脆度進行單因素方差分析，結果表明：融凍次數對產品脆度的影響較為顯著（p＜0.05）。

圖2 融凍溫度和次數對色澤的協同作用Fig.2 Synergistic effect of thawing temperature and frequency on the color

由圖2比較物料經過一次融凍和二次融凍后的亮度值可以看，二次融凍的亮度L值顯著低于一次融凍的亮度L*值。其中，隨著融凍溫度的升高，一次融凍后的亮度值逐漸降低達到42.69，之后出現增大的趨勢，但低于-3℃時的亮度值；二次融凍的亮度值隨著融凍溫度的增大逐漸劣變。原因在于，二次融凍過程中，未凍結時細胞外水分通過細胞膜進入細胞，凍結到一定程度后，細胞內水分又往外遷移，解凍過程中，細胞內水分也向外遷移，細胞既經歷膨脹又經歷濃縮，對細胞的損傷更大[15]。細胞的損傷促使了褐變的形成，因此二次融凍后的顏色劣變。一次融凍中，在溫度為（80±2）℃時亮度值有增大趨勢的原因可能在于，物料所需要的解凍時間小于水分遷移時間，使得水分還停留在物料內部，冷凍所導致體積膨脹的那一部分還被水分所充斥著，無法接觸到氧氣，因此亮度值略有增大，但低于-3℃時的亮度值，該推測還需進一步實驗驗證。

由以上分析可以看出，融凍一次的脆度和亮度值均優越于二次融凍，并且融凍時的溫度越接近膨化溫度，物料的顏色劣變越小，結合以上分析，選擇融凍一次，融凍溫度為（80±2）℃為宜。

2.4 凍-融條件的驗證

實驗結果見表3。

表3 凍-融條件下的驗證實驗結果Table 3 Verification experiment result

由表3可以看出，三組驗證實驗的脆度平均值為211.1 N/s，明亮度L*值的平均值為46.99，相對偏差均在5%以內，說明該凍-融條件處理后的膨化產品的品質均一，重現性好。與未經過處理的膨化產品相比較，其微觀結構圖見圖3、圖4。

圖3 未經凍融處理的膨化產品的SEM圖Fig.3 Puffed product SEM image of no freeze-thaw

圖4 凍融處理的膨化產品的SEM圖Fig.4 Puffed product SEM image of freeze-thaw

由圖3和圖4對比可以看出，經過凍融處理，膨化后的產品組織結構松散，有較多的空隙，因此，凍融處理對改善胡蘿卜脆片的組織結構具有一定的促進作用。

除了實驗中考察的以上因素之外，影響水分凍結效果的還有切片形狀、品種等。物料品種不同，其主要成分含量不同，凍結的溫度及效果不同[18]。切片形狀的不同決定著物料的比表面積，比表面積的大小影響著顯熱散失的快慢，決定著物料冷凍的速率，體現在物料凍結晶核的大小上，間接影響著產品的質量。因此，實驗中冷凍物料均以冷凍室單位面積冷凍量13～15kg/m2為準。

3 結論

以胡蘿卜為研究對象，針對凍融處理對膨化效果的影響進行了研究，實驗結果表明：冷凍溫度和冷凍時間對脆度均具有顯著影響（p＜0.05）；凍融次數對脆度的影響較為顯著。實驗中優選的胡蘿卜凍融前處理參數為：冷凍溫度為-18℃，時間為120min；融凍溫度為（80±2）℃時，融凍一次，膨化后產品的脆度均值達到211.1N/s，明亮度L*值為46.99，產品品質較好。

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Study on the effect of freeze-thaw on puffed carrot slices

LU Ya-ting1，2，LUO Cang-xue1，ZHANG Wen1，SHI Chao3
（1.College of Life Science&Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China；2.Shaanxi Research Institute of Agricultural Products Processing Technology，Xi’an 710021，China；3.Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The relative effect of freeze-thaw on the pre-treatment process of carrot slices was conducted at the puffing process.Four factors including freezing temperature，freezing time，thawing temperature，freeze-thaw frequency and the compound synergy were tested on carrot slices under the same puffing conditions by explosion puffing drying technology.Among the tests，the effect of four factors had been analyzed and the parameters of freeze-thaw processing about carrot slices had been optimized.The results showed that freezing temperature and freezing time had significant influences on friability（p＜0.05），thawing frequency had significant impact on friability，the optimized parameters of freezing and thawing processing were at the freezing temperature-18℃for 120min then at the thawing temperature of（80±2）℃for once，the puffed carrot slices showed a better quality，the friability was 211.1N/s，L*value was 46.99.

carrot slices；freeze-thaw；explosion puffing

TS201.1

A

1002-0306（2014）14-0170-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.029

2013-11-25 *通訊聯系人

盧亞婷（1979-），女，碩士研究生，工程師，研究方向：果蔬深加工及綜合利用。

咸陽市科技計劃項目（2012K06-08）；陜西省科技廳自然基金項目（2012JM2005）。