二氧化碳在胡蘿卜壓差膨化中的應用

王森浩，羅倉學，張春芳

(陜西科技大學 食品與生物工程學院，西安 710021)

壓差膨化干燥技術作為一種新型的加工技術，為果蔬的深加工提供了廣闊的空間，為果品蔬菜初級產品的轉化增值提供了方向。它利用相變和氣體的熱壓效應，將被加工的果蔬內部的液體迅速升溫氣化、增壓膨脹，并依靠氣體的膨脹帶動物料組織中物質結構的變性，從而使物料形成均勻的、具有一定膨化度和脆度的疏松結構。壓差膨化干燥技術發展于真空干燥技術，因其產品具有綠色天然、品質優良、食用方便、易于貯存等特點，市場需求不斷增大，有關壓差膨化干燥技術的研究也成為研究熱點[1-6]。

合適的預處理可以有效地改變果蔬內部的結構和特性，從而對其后期壓差膨化產生有利的影響。而對于胡蘿卜，由于其致密的組織結構及高淀粉含量，較難進行壓差膨化[7]。目前對胡蘿卜預處理方式的研究相對較少，主要包括糖漿浸泡和冷凍處理兩種。黃宗海等[8]研究了麥芽糖漿濃度、冷凍處理和水分含量對胡蘿卜膨化效果的影響。畢金峰等[9]也探討了預處理對胡蘿卜膨化干燥的影響。糖漿浸泡處理增加了產品的糖含量，降低了壓差膨化產品綠色天然的特點；凍融處理也存在能耗過大的問題。針對這些問題，本試驗擬探索全新的處理方式，為壓差膨化技術的進一步改進和完善提供了理論依據。

CO2作為一種廉價、無毒、安全的氣體，具有優良的滲透性，其使用后在食品中無殘留，近年來在食品領域使用頻繁[10-12]。結合壓差膨化原理，本試驗旨在探討CO2處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響，優化胡蘿卜的膨化工藝，為壓差膨化技術更廣泛的應用提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

新鮮胡蘿卜：購于西安未央區祥云果品批發市場；碳酸氫鈉(分析純)：天津市大茂化學試劑廠；二氧化碳：西安市航飛供氣站。

1.1.2 儀器設備

JA-XT Plus 21/50物性分析儀 英國Stable Micro System 公司；壓差膨化設備 陜西科技大學食品與生物工程學院自行研制；CM-5分光測色儀 日本柯尼卡美能達公司；BC/BD-428A海爾冷凍柜 海爾股份有限公司；電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 方法

本試驗中，二氧化碳的來源分化學方法和物理方法兩種。

物理方法：將胡蘿卜放入加壓艙，通過使用CO2進行加壓處理，使得CO2擴散進入胡蘿卜。

1.2.1 單因素和正交試驗

胡蘿卜經清洗去泥，橫向切片(5±1) mm，于沸水中熱燙5 min后用冷水冷卻，之后進行單因素試驗及正交試驗。壓差膨化工藝具體參數為：膨化溫度(90±2) ℃，膨化壓力(0.2±0.02) MPa，停滯時間10 min，抽真空干燥溫度(75±2) ℃，抽真空干燥時間3 h，原料量(5±0.1) kg/m2。

1.2.2 驗證試驗

在單因素試驗基礎上，選取最佳NaHCO3溶液濃度、NaHCO3溶液浸泡時間、CO2加壓比例、CO2加壓時間，胡蘿卜經清洗去泥，橫向切片(5±1) mm，于沸水中熱燙5 min后用冷水冷卻，分別采用NaHCO3溶液處理、CO2加壓處理及兩者協同處理對胡蘿卜進行CO2處理，并進行壓差膨化。壓差膨化工藝參數同1.2.1。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 脆度的測定

T.P.A.測定法。采用TA-XT Plus 21/50型分析儀進行測定，具體參數設置如下：探頭型號P/0.25 s，測試速度1 mm/s，測試下壓距離2 mm，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[13-15]。

1.3.2 色澤的測定

采用CM-5分光測色儀進行測定。L*，a*，b*值：L*值表示色澤的明亮度，L*值的范圍在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。

對產品進行脆度測定后，使用萬能粉碎機進行磨粉并過100目篩，采用測色儀進行5次測定，記錄L*，a*，b*值，最后取平均值并記錄。

1.4 數據處理

采用SPSS 17.0統計軟件對試驗數據進行單因子方差分析，各處理間差異采用Duncan新復極差比較法分析。

2 試驗設計

2.1 單因素試驗

2.1.1 NaHCO3溶液濃度

熱燙處理過的胡蘿卜經冷水冷卻后，瀝掉表面水分，分別置于質量分數0.5%，1%，1.5%，2%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在55 ℃烘箱中進行預干燥至水分含量為65%，均濕，采用0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比加壓處理10 min后進行壓差膨化。

2.1.2 NaHCO3溶液浸泡時間

熱燙處理過的胡蘿卜經冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質量分數1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃分別浸泡6，12，18，24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進行預干燥至水分含量為65%，均濕，采用0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比加壓處理10 min后進行壓差膨化。

2.1.3 CO2加壓比例

控制加壓總壓力為0.2 MPa，采取CO2+空氣對胡蘿卜進行加壓處理。熱燙處理過的胡蘿卜經冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質量分數1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進行預干燥至水分含量為65%，均濕，按表1加壓比分別加壓處理10 min，進行壓差膨化(由于空氣中CO2含量僅占0.04%，故可忽略空氣中CO2占比)。

表1 CO2加壓比例Table 1 Pressurization ratio of CO2

2.1.4 CO2加壓時間

熱燙處理過的胡蘿卜經冷水冷卻后，瀝掉表面水分，置于質量分數1%的NaHCO3溶液中，于冰箱冷藏室，溫度(8±1) ℃浸泡24 h，用蒸餾水多次沖洗，在烘箱中于55 ℃進行預干燥至水分含量為65%，均濕，采取0.1 MPa CO2+0.1 MPa空氣加壓比分別加壓5，10，15，20 min，進行壓差膨化。

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上設計三因素三水平正交試驗，其因素及水平見表2。

表2 L9(33)正交試驗設計表Table 2 L9(33) orthogonal test designTable

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果分析

3.1.1 NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響

NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響見表3。

表3 NaHCO3濃度對胡蘿卜膨化效果的影響Table 3 Effect of NaHCO3 concentration on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

由表3可知，隨著NaHCO3濃度的增大，產品的脆度值逐漸降低。當NaHCO3濃度在0～1%時，隨著NaHCO3濃度的升高，產品的脆度值及亮度都逐漸降低；當NaHCO3濃度達到1%以上時，產品的脆度值及亮度基本保持不變。植物組織浸泡于鹽溶液中時，浸泡一定的時間，鹽溶液濃度的不同導致滲透進入植物組織中的溶質量不同。滲透進入胡蘿卜組織的NaHCO3量的不同，決定了其膨化時所釋放出的CO2量不同。綜合考慮，選取1%的NaHCO3為處理胡蘿卜的最佳濃度。

3.1.2 NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響

NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響見表4。

由表4可知，隨著浸泡時間的增長，胡蘿卜的脆度逐漸降低。當浸泡時間達到12 h以上時，產品的脆度不再發生顯著變化。隨著浸泡時間的增長，NaHCO3逐漸滲透進入胡蘿卜，達到一定時間后，胡蘿卜內部NaHCO3濃度會達到飽和，不再變化，繼而所能釋放出的CO2的量也不再變化。故選取NaHCO3的最佳浸泡時間為12 h。

表4 NaHCO3浸泡時間對胡蘿卜膨化效果的影響Table 4 Effect of soaking time of NaHCO3 on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.1.3 CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響

CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響見表5。

表5 CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響Table 5 Effect of CO2 pressurization ratio on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

通過使用CO2與空氣混合加壓，考察CO2加壓比例對胡蘿卜膨化效果的影響。由表5可知，在CO2壓力達到0.15 MPa之前，即CO2與空氣壓力比小于3∶1時，產品的脆度沒有發生明顯變化；CO2壓力達到0.15 MPa之后，即產品的脆度有一個上升的趨勢；當完全采用CO2進行加壓處理時，產品的脆度達到最高值。當加壓壓力及加壓時間一定時，CO2比例的不同，影響CO2擴散進入胡蘿卜片的量不同。而對于產品的L*值，其不隨CO2壓力的變化而變化，表明CO2加壓壓力對產品的亮度值沒有顯著性作用，即CO2加壓壓力不影響產品的褐變。故選取最佳CO2加壓比例為100%。

3.1.4 CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響

CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響見表6。

表6 CO2加壓時間對胡蘿卜膨化效果的影響Table 6 Effect of CO2 pressurization time on expansion effect of carrot

注：同一列的不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

由表6可知，產品的脆度值隨加壓時間的增長，有一個先上升后平穩的過程，當處理時間達到15 min時，產品的脆度不再發生明顯變化，基本穩定。CO2加壓處理胡蘿卜，CO2氣體在胡蘿卜內部和外部形成濃度差，CO2通過熱運動進入胡蘿卜，由于加壓壓力確定，隨著CO2加壓處理時間的增長，進入胡蘿卜的CO2逐漸增多，胡蘿卜內外CO2濃度差逐漸消失，當胡蘿卜內外CO2濃度相等時，進入胡蘿卜的CO2量不再變化，達到最大值。故選取最適CO2加壓時間為15 min。

3.2 正交試驗結果

根據CO2加壓比單因素試驗結果，選擇100% CO2進行加壓處理，正交試驗不再分析。以產品脆度為評價指標，綜合單因素試驗結果，設計三因素三水平正交試驗，結果見表7。

表7 正交試驗結果Table 7 Orthogonal test results

由表7可知，CO2處理胡蘿卜進行壓差膨化的最佳工藝為A3B3C2，即NaHCO3浸泡濃度為1.5% NaHCO3，浸泡時間為18 h，CO2加壓時間為15 min。由R值可以看出，3個因素對胡蘿卜膨化效果的影響大小順序為：B(NaHCO3浸泡時間)>C(CO2加壓時間)>A(NaHCO3浸泡濃度)。

3.3 驗證試驗結果

不同CO2處理方式對胡蘿卜壓差膨化效果的影響見圖1。

圖1 不同處理方式對胡蘿卜壓差膨化效果的影響Fig.1 Effect of different treatment methods on explosion puffying effect of carrot

由圖1可知，采用NaHCO3溶液浸泡和CO2加壓協同處理對胡蘿卜進行CO2處理的效果更好，其脆度值達到2548.6 N/s，遠高于單獨任意一種處理方式，故采用協同處理方式對胡蘿卜進行CO2處理效果更好。

4 結論

以胡蘿卜為原料，研究了CO2處理對膨化效果的影響，試驗結果表明：NaHCO3溶液濃度、NaHCO3溶液浸泡時間、CO2加壓比例及CO2加壓時間對膨化效果均有顯著影響(p<0.05)；使用化學方法和物理方法協同作用對胡蘿卜進行CO2處理效果更好；在使用100% CO2進行加壓處理的條件下，通過正交試驗確定影響膨化效果的因素依次為：NaHCO3溶液浸泡時間>CO2加壓時間>NaHCO3溶液浸泡濃度，得出最優工藝：NaHCO3溶液浸泡時間為18 h，CO2加壓時間為15 min，NaHCO3溶液浸泡濃度為1.5%。