磁場輔助凍結(jié)對馬鈴薯塊凍結(jié) 及貯藏特性影響

龍 超,吳子健,宋健飛

(天津市制冷技術(shù)重點試驗室，天津商業(yè)大學(xué),天津 300134)

許多研究表明,磁場可影響冰核的生成率及冰晶大小,增大過冷度。晶核生成率越大,形成的冰晶越小，更易均勻地分布[1-5]。同時,直流磁場能夠降低水結(jié)晶溫度,增大過冷度,提高結(jié)晶生長速度,推遲成核時間[6]。張玉春[7]研究發(fā)現(xiàn)水在0.2T交變磁場的影響下顯示出明顯的磁化特性,過冷度增大1 ℃,冰點降低1 ℃。通過對不同磁場(旋轉(zhuǎn)磁場、方波疊加正弦波磁場、50 Hz交變磁場)的研究結(jié)果表明,交變磁場對溶液的結(jié)晶過程最為顯著,且利于鹽溶液分布的均勻性,從而可避免造成細(xì)胞脫水死亡,有利于生物材料低溫?zé)o損保存[8-9]。同時,磁場處理有助于產(chǎn)品品質(zhì)保持。葡萄經(jīng)不同強(qiáng)度的交流磁場處理,大大降低了其腐爛率、脫果率、出糖率[10];低頻磁場對微生物生長繁殖也會產(chǎn)生一定的促進(jìn)或抑制作用,并且低頻磁場作為食品的一種物理處理手段具有明顯的優(yōu)點[11]。

近年人們對高壓、超聲、微波、電磁場等技術(shù)手段來輔助食品凍結(jié)過程進(jìn)行了一定研究[12-19]。日本ABI有限公司推出了一種名為細(xì)胞存活系統(tǒng)(Cell Alive System)的凍結(jié)系統(tǒng),采用了靜磁場和振蕩磁場[20],利用磁場發(fā)生器可以產(chǎn)生分布均勻的磁場,可以保持食品的口感和新鮮程度。直流磁場輔助凍結(jié)洋蔥細(xì)胞,可減少相變時間,避免形成較大冰晶,有利于保持細(xì)胞結(jié)構(gòu),減少營養(yǎng)成分的流失[21]。

目前磁場輔助冷凍方式在果蔬速凍方面的研究還比較少,因此,本文主要研究不同直流磁場強(qiáng)度輔助凍結(jié)對馬鈴薯塊貯藏品質(zhì)的優(yōu)劣影響,為馬鈴薯塊在磁場作用下的速凍保藏技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯,品種“中薯5號” 天津市北辰區(qū)韓家墅海吉星農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場,挑選大小均勻、無機(jī)械損傷、成熟度一致、無病蟲害。所有切塊的尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，備用。

SD-100隧道式速凍機(jī) 天津七星速凍有限公司;PEM-260臥式水冷磁場發(fā)生器、PEX-045USB型特斯拉計 綿陽力田磁電科技有限公司;BX51低溫顯微鏡 日本奧林巴斯株式會社;TAXTplus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systenms公司;MX100數(shù)據(jù)采集儀 日本YOKOGAWA公司;SPX-100B-D振蕩培養(yǎng)箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DDS-307A電導(dǎo)率儀 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;HK-1D恒溫水浴鍋 南京南大萬和科技有限公司;BCD-218冰箱 博西華家用電器有限公司;CM1100切片機(jī) 德國Leica公司;聚乙烯薄膜袋,規(guī)格:150 mm×240 mm 臨沂德源包裝制品有限公司;HCP 75-50直流電源 揚州華泰電子有限公司;FA2004A電子天平 上海精天電子儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 磁場輔助速凍系統(tǒng) 如圖1所示,整個系統(tǒng)分為速凍和磁場發(fā)生系統(tǒng)兩部分,前者采用SD-100隧道式速凍機(jī);后者采用PEM-260臥式水冷磁場發(fā)生器,將磁場發(fā)生器放置在速凍機(jī)的結(jié)晶腔兩側(cè),通過調(diào)節(jié)直流電源的電流大小便可得到試驗所要求的磁場強(qiáng)度。采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線與試驗用計算機(jī)相連接,將采集到的試驗數(shù)據(jù)實時傳送至計算機(jī)端。

圖1 試驗臺裝置系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system注：1.速凍機(jī);2.磁場發(fā)生器;3.冷卻水循環(huán)機(jī);4.直流電源。

1.2.2 凍結(jié)方法 首先用自來水清洗馬鈴薯,然后手工去皮,并切成10 mm×10 mm×10 mm的馬鈴薯丁,選擇大小均一切口完好的組織,在恒溫水浴鍋中用90 ℃熱水漂燙5 min后,立即放在流動水槽中進(jìn)行冷卻至4 ℃,放置在吸水紙上20 min除去多余的水分,待速凍機(jī)的預(yù)冷腔溫度達(dá)到-20 ℃,結(jié)晶腔和深冷腔溫度達(dá)到-30 ℃時,風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz,調(diào)節(jié)直流電源得到0、4.6、9.2、18、36 Gs五種不同的磁場強(qiáng)度,將馬鈴薯塊放到速凍機(jī)鏈條上進(jìn)行速凍試驗。

1.2.3 貯藏方法 將速凍至-18 ℃的馬鈴薯塊用聚乙烯薄膜袋等量(每袋20個馬鈴薯塊)包裝貯藏至-18 ℃的冰箱中,進(jìn)行為期70 d的貯藏。

1.3 測定指標(biāo)和方法

1.3.1 溫度 將T型熱電偶放置在樣品的中心,測定馬鈴薯塊凍結(jié)過程的中心溫度,并實時傳入數(shù)據(jù)采集器中,直至溫度降至-18 ℃。每個處理測定10個重復(fù),取其平均值,如此便得到馬鈴薯塊在試驗范圍內(nèi)5種磁場強(qiáng)度下的凍結(jié)溫度曲線。

1.3.2 汁液流失率 參考劉春泉等[22]的方法并稍作修改。取10個馬鈴薯凍結(jié)塊稱重(W1),用吸水紙將解凍流失的汁液除去,再次稱重(W2)。每個處理測定3個重復(fù),取其平均值。解凍汁液流失率按照下式計算:

TL(%)=[(W1-W2)/W1]×100

式中:W1為解凍前樣品質(zhì)量,g;W2為解凍后樣品質(zhì)量,g。

1.3.3 細(xì)胞膜透性 將馬鈴薯塊通過切片機(jī)切成2 mm的薄片,稱取5 g后,用去離子水清洗3次,將50 mL去離子水加入三角瓶中,25 ℃下振蕩浸泡1 h,振蕩速度150 r/min,攪拌均勻后用電導(dǎo)率儀測定浸提液的電導(dǎo)率C1,然后將三角瓶放入沸水浴中煮沸15 min,自然冷卻至25 ℃,再次測定滲透率C0。以初始電導(dǎo)率與全滲電導(dǎo)率的比值作為細(xì)胞質(zhì)膜透性變化的指標(biāo),每個處理測定3個重復(fù),取其平均值。

細(xì)胞膜透性:Lee(%)=C1/C0×100

1.3.4 硬度與咀嚼度 使用物性測定儀進(jìn)行測定[22]。探頭型號P/2,直徑2 mm。測前速度為2 mm/s,測中速度為0.5 mm/s,測后速度為5 mm/s,測試深度為5 mm,取5個相同的樣本在中心位置進(jìn)行測定,取平均值,硬度單位為g,咀嚼度單位為g·mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用OriginPro 8.0軟件作圖。以 SPSS 19.0軟件分析對照組與各磁場處理組間的差異,差異水平p<0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁場強(qiáng)度對馬鈴薯凍結(jié)特性影響

如圖2所示,36 Gs的凍結(jié)曲線與對照組尤其在結(jié)晶段與降溫段高度重合;4.6、9.2 Gs磁場作用下的馬鈴薯塊凍結(jié)曲線在預(yù)冷段和結(jié)晶段的重合度較高,且相較于對照組,冰點和相變溫度均明顯降低,整體呈下降趨勢。

圖2 不同磁場強(qiáng)度下馬鈴薯塊的凍結(jié)過程曲線Fig.2 Freezing curves of potato blocks under different magnetic field intensity

隨著凍結(jié)過程的進(jìn)行,馬鈴薯組織中的水分從生成冰晶開始到80%被凍結(jié),這一溫度變化范圍稱為最大冰晶生成帶。不同的磁場強(qiáng)度下,各組通過最大冰晶生成帶所需要的時間也是不同的。由圖2和表1可知,各組通過最大冰晶生成帶的速率從大到小依次是:18 Gs>4.6 Gs>9.2 Gs>0 Gs>36 Gs,18 Gs條件下的通過最大冰晶生成帶的速度最快,過冷度程度最大,冰晶成核速度快且生長時間短,生成的晶體小而均勻[23],對馬鈴薯細(xì)胞組織的破壞程度較小。

表1 馬鈴薯塊的在不同磁場強(qiáng)度下凍結(jié)的相關(guān)參數(shù)Table 1 The relevant freezing parameters of potato blocks under different magnetic field intensity

2.2 磁場強(qiáng)度對馬鈴薯塊的貯藏特性影響

2.2.1 對汁液流失率影響 如圖3所示,隨著貯藏時間延長,各組汁液流失率均呈上升趨勢。在整個貯藏過程中的汁液流失從大到小依次為:9.2 Gs>4.6 Gs>0 Gs>36 Gs>18 Gs。其中,到貯藏結(jié)束時(70 d),與其他組相比,9.2 Gs磁場強(qiáng)度輔助處理的馬鈴薯塊,汁液流失率在整個貯藏過程中一直呈較快上升趨勢;18 Gs磁場強(qiáng)度輔助凍結(jié)的馬鈴薯塊汁液流失率最低,與對照組相比差異顯著(p<0.05)。

圖3 馬鈴薯塊貯藏過程中汁液流失率變化Fig.3 The change of potato blocks drip loss during storage

2.2.2 對細(xì)胞膜透性影響 如圖4所示,經(jīng)過磁場輔助速凍處理的馬鈴薯塊膜透性除9.2 Gs組以外,其他組均低于對照組;隨著磁場強(qiáng)度的增加,70 d時細(xì)胞膜透性的值分別為:92.1%(0 Gs)、89.9%(4.6 Gs)、93.1%(9.2 Gs)、80.5%(18 Gs)、80.2%(36 Gs)。顯然在36、18 Gs時細(xì)胞膜透性顯著小于(p<0.05)對照組,磁場生物效應(yīng)表現(xiàn)較好,有效的保持馬鈴薯塊的細(xì)胞結(jié)構(gòu),延緩衰老,延長貯藏時間。

圖4 馬鈴薯塊貯藏過程中細(xì)胞膜透性變化Fig.4 The change of potato blocks membrane permeability during storage

2.2.3 對硬度的影響 如圖5所示,在前30 d的貯藏過程中,各組的硬度值均呈現(xiàn)下降趨勢。30 d以后,對照組以及經(jīng)過4.6、9.2 Gs磁場強(qiáng)度處理的馬鈴薯塊,硬度均有回升,且 9.2 Gs時高于對照組,在第70 d時達(dá)到了最大值,馬鈴薯塊后期變硬對貯藏是不利的;貯藏后期硬度值的升高,是由于馬鈴薯塊中的淀粉經(jīng)過90 ℃水燙過之后高度糊化,而貯藏過程中支鏈淀粉的回生作用會導(dǎo)致糊化后的淀粉凝膠逐步變硬,導(dǎo)致硬度的變化[24]。18、36 Gs磁場強(qiáng)度時的硬度值上下波動則較為平緩,有效抑制了淀粉的回生,維持了馬鈴薯塊的口感和可食用性。

圖5 馬鈴薯塊貯藏過程中硬度變化Fig.5 The change of potato blocks firmness during storage

2.2.4 對咀嚼度的影響 咀嚼度是指牙齒將馬鈴薯塊咀嚼成吞咽時的穩(wěn)定狀態(tài)所需要的能量,反映了馬鈴薯塊內(nèi)部分子作用力的大小。在整個貯藏階段4.6、9.2 Gs的咀嚼度變化趨勢與對照組基本一致,在貯藏前期咀嚼度值變化穩(wěn)定波動,后期均上升至較高的值;在第70 d時,咀嚼時所需要的能量達(dá)到了最大值,咀嚼所用的能量越大,咀嚼馬鈴薯塊就越困難,口感就越差。18、36 Gs時持續(xù)呈現(xiàn)波浪式變化,且咀嚼度值低于其他組;貯藏前后期咀嚼度值變化較小,能較好的保持口感。

3 結(jié)論

馬鈴薯塊在不同磁場強(qiáng)度下顯示出不同的凍結(jié)特性與貯藏特性。在凍結(jié)過程中,18 Gs時馬鈴薯塊通過最大冰晶生成帶的速率明顯高于比其他組,且過冷度大，形成的冰晶小而均勻，對細(xì)胞的損傷小，顯示出較好的凍結(jié)特性; 在貯藏試驗中，馬鈴薯塊的貯藏品質(zhì)并不隨著磁場強(qiáng)度的增加而顯示出規(guī)律性變化，但18、36 Gs 磁場強(qiáng)度時，馬鈴薯塊的各項指標(biāo)均優(yōu)于對照組; 在細(xì)胞膜透性、硬度以及咀嚼度指標(biāo)中兩組差別(＜0.33%) 較小，但在比較汁液流失率時，18 Gs 磁場強(qiáng)度比36 Gs 減少2.58%，有效的降低汁液及營養(yǎng)成分的流失，顯示出較好的磁場生物效應(yīng)。綜合考慮直流磁場對凍結(jié)過程與貯藏過程中各指標(biāo)的影響，在試驗中18 Gs 強(qiáng)度的直流磁場輔助凍結(jié)馬鈴薯塊的效果最好，更利于保持馬鈴薯塊的貯藏品質(zhì)。

圖6 馬鈴薯塊貯藏過程中咀嚼度變化Fig.6 The change of potato blocks chewiness during storage