超聲波輔助滲透脫水處理及其對西蘭花凍結品質的影響

陳 童 ， 張 慜 ， 陳晶晶

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；2.海通食品集團有限公司，浙江 寧波 315300；3.揚州冶春食品生產配送股份有限公司，江蘇 揚州 412026）

西蘭花屬于十字花科植物，人們主要食用花蕾的嫩莖，含有豐富的蛋白質、維生素以及礦物質等營養元素[1，2]。研究表明，西蘭花具有增強機體免疫力等功效[3]。新鮮西蘭花的保藏期較短，而冷凍是維持果蔬品質的重要技術，能夠使果蔬在較長時間里不變質[4]。但是果蔬含水量比較多，冷凍時會產生大量冰晶，對細胞組織造成嚴重的破壞，致使果蔬解凍后汁液流失增多、色澤變差、硬度降低以及營養品質的變化。

為保證冷凍產品的質量，可以對物料先脫去一部分水分然后再進行冷凍，這樣不僅能降低水分含量，物料的組織結構在凍結過程中遭受的冰晶體破壞也減小，進而減緩理化品質的下降。目前，脫水冷凍技術以應用于黃瓜、芒果、獼猴桃、胡蘿卜、番茄等果蔬中，并且可以有效改善冷凍果蔬的品質。滲透脫水是其中一種脫水方法，即將樣品放入高滲透壓的鹽或者糖溶液中，在細胞膜兩側壓力差的推動下，使得物質轉移，除去物料中的水分[5，6]。并且滲入的高滲物質也是冷凍保護劑，可以改善物料在凍藏期間的品質。但是滲透脫水是以分子自由擴散為基礎，脫水速率較慢，比較耗時，過程中會伴隨著色素、維生素、礦物質等天然成分的損失，所以需要采取一定的技術提高脫水的速率。

近些年來，超聲波技術在食品加工過程中得到迅速的發展，在固-液體系滲透脫水過程中，超聲波能夠產生空穴效應、微射流效應、海綿效應和聲波擾動等，進而加快滲透過程中的質量傳遞[7]。作者選取西蘭花為研究對象，通過單因素和正交試驗得到超聲波輔助滲透脫水的最佳條件，并研究了滲透脫水對物料冷凍效率和凍藏品質的影響，為提高冷凍果蔬的品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮的西蘭花：購于無錫市濱湖區歐尚超市。

1.2 儀器與設備

HH-S型水浴鍋：鄭州長城科技工貿有限公司產品；超聲波輔助速凍機：寧波新芝生物科技股份有限公司產品；UT325型熱電偶：上海優利得電子有限公司產品；超低溫冰箱：海爾公司產品；Sigma-16PK冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠產品；TAXT2i型質構儀：英國 Stable Micro Systems公司產品；NMI120低場核磁分析儀：上海紐邁電子科技有限公司產品；CR-400色差儀：日本美能達公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的處理 將西蘭花清洗干凈，切成大小一致的小花球，花蕾直徑為2 cm，花徑長為2.5 cm，并在90℃下漂燙3 min，料液質量體積比是1 g∶10mL，漂燙結束后迅速冷卻瀝干。然后將西蘭花浸泡在30℃的海藻糖滲透液中進行滲透處理，料液質量體積比為1 g∶4 mL，滲透處理結束后，用蒸餾水沖洗，然后瀝干放入-80℃超低溫冰箱中進行速凍。用熱電偶記錄樣品的中心溫度，當溫度達到-18℃時結束速凍。然后用聚乙烯袋包裝并貯藏，貯藏溫度為-18℃，貯藏時間為6個月，每隔一個月將西蘭花用4℃冰箱解凍后測定其品質。

1.3.2 超聲波輔助西蘭花滲透脫水單因素試驗 分別以超聲波功率、超聲波時間和滲透液濃度為變量，研究其對西蘭花的水分流失和西蘭花凍結-解凍后硬度影響規律，為后續正交試驗設計做基礎。

1.3.3 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上，以超聲波功率、超聲波時間、滲透液濃度為主要影響因素，以西蘭花水分流失和西蘭花凍結-解凍后的硬度為考察指標，進行正交試驗L9（34），確定西蘭花滲透脫水的最佳工藝條件，正交試驗因素與水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.4 普通滲透脫水試驗 將燙漂后的西蘭花放入盛有質量分數50%海藻糖溶液中，滲透溫度為30℃，滲透時間為4 h，每隔1小時取一次樣品，然后計算西蘭花的水分流失和凍結-解凍后的硬度。

1.3.5 水分流失的測定 西蘭花滲透脫水后的水分流失具體公式如下：

式中：WL為西蘭花水分流失率，（%）；M0為滲透脫水前樣品質量 （g）；M為滲透脫水后樣品質量（g）；m0為滲透脫水前樣品干物質質量（g）；m為滲透脫水后樣品干物質質量（g）。

1.3.6 硬度的測定 西蘭花的硬度用TA-XT2i質構儀進行測定。將西蘭花的花莖切成直徑為1 cm，莖長1 cm的圓柱體，然后選用P/36R探頭測定，測試模式選擇“Measure force in compression”，測試參數為：測前速度為2.00 mm/s，測試速度為1.00 mm/s，測后速度是3.00 mm/s，壓縮變形量是50%，觸發力是5.0 g，以最大峰值作為西蘭花的硬度，每組樣品重復測試10次。

1.3.7 水分狀態的測定 采用PQ001型低場核磁共振儀（LF-NMR）對不同處理組樣品水分狀態的變化進行檢測。稱取大約3 g的西蘭花花莖置于直徑為15 mm的檢測管中，進行自旋自旋弛豫時間T2的測定。采用低場核磁成像儀（LF-NMRI）對西蘭花的水分分布進行成像。

1.3.8 凍結時間的測定 采用熱電偶記錄西蘭花凍結過程中溫度變化，將探頭插入樣品的中心位置，每隔5 s記錄一次溫度數值，然后繪制西蘭花的凍結曲線。從樣品的初始溫度5℃下降到-18℃所用的時間為總的凍結時間，溫度從-1℃降低到-5℃過程為最大冰晶生成區。

1.3.9 汁液流失的測定 汁液流失率通常用來表示冷凍樣品的持水能力，將凍結西蘭花取出稱重，然后置于4℃冰箱，待其解凍后，擦去表面的水分，然后再稱重。每組樣品重復測定5次，解凍汁液流失率計算方法如下：

式中：DL為西蘭花汁液流失率（%）；W1為解凍前樣品質量（g）；W2為解凍后樣品質量（g）。

1.3.10 抗壞血酸質量分數的測定 采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定抗壞血酸質量分數。稱10 g西蘭花置于研缽中，加入質量濃度為20 g/L的草酸溶液，采用冰浴研磨，磨成漿狀后轉移到100 mL容量瓶中定容，過濾。準確吸取10 mL的濾液，用2，6-二氯酚靛酚進行滴定，直到溶液出現粉紅色，且15 s內不褪色，另取10 mL草酸溶液做空白試驗。計算方法如下：

式中：X為抗壞血酸質量分數，（mg/hg）；V為樣品提取液總體積 （mL）；V1為樣品消耗染料的體積（mL）；V0為空白消耗染料的體積（mL）；ρ為每毫升的染料相當于抗壞血酸的質量 （mg/mL）；Vs為滴定時所取樣品溶液的體積（mL）；m為樣品質量（g）。

1.3.11 色澤的測定 將解凍后的西蘭花花頭上的小花蕊剪下，平鋪在底部貼有黑色紙的培養皿中，然后用色差計測定樣品色澤，測定時選培養皿6個不同的位置，記錄測定結果a*。a*表示樣品的紅綠色度，正值越大代表樣品越偏向紅色，負值越小代表樣品越偏向綠色。

1.3.12 數據分析 采用SPSS中ANOVA及Duncan’s測試，對不同處理組之間的差異進行統計分析，圖和表中不同字母表示差異顯著，記為P＜0.05。

圖1 超聲波的功率對西蘭花滲透脫水及凍結品質的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on osmotic dehydration and quality of frozen broccoli

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 超聲波的功率對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響 不同超聲波功率對西蘭花水分流失以及西蘭花凍結-解凍后硬度如圖1所示，從圖中可以看出，隨著超聲波功率的增加，水分流失也增加，這可能是超聲波的空穴效應引起的，大量的空化氣泡瞬間破裂，產生較大的氣壓，加快了細胞內外物質的擴散，超聲波產生的微孔道也可以促進水分的散失和固形物的增加[8]。但是當超聲波的功率為360 W時，水分流失略有下降，但是差異不顯著（P＞0.05）。質構是評價果蔬品質最重要的指標之一，滲透脫水預處理在一定程度可以抑制樣品解凍后硬度的下降。因為滲透脫水可以減少樣品中的水分，加快冷凍速率，減緩冰晶對細胞結構的損傷，提高樣品解凍后的質地[9]。隨超聲波功率的增大，西蘭花凍結-解凍后的硬度也逐漸增加，當功率為240W時，硬度出現最大值。當功率大于240 W時，西蘭花的硬度出現下降趨勢，這可能是因為高功率的超聲波能引起細胞結構的坍塌，進而導致西蘭花硬度的下降。考慮到失水率以及西蘭花凍結-解凍后的質地，超聲波的功率范圍選擇180～300 W較好。

2.1.2 超聲波的時間對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響 如圖2所示，西蘭花的水分流失隨著超聲時間的延長而增多，這是因為超聲時間越長，強化傳質的時間越長，水分流失就越多[10]。但是當超聲時間超過40 min以后，水分流失趨于平緩。并且長時間的超聲波處理會對細胞組織產生不可逆的破壞，造成西蘭花細胞中的一些物質流失到滲透液中，導致西蘭花冷凍-解凍后的質地變軟，影響感官品質，綜合考慮，超聲處理時間以20～40 min為宜。

圖2 超聲波的時間對西蘭花滲透脫水及凍結品質的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on osmotic dehydration and quality of frozen broccoli

2.1.3 滲透液的質量分數對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響 圖3顯示不同滲透液質量分數對西蘭花水分流失以及西蘭花凍結-解凍后硬度影響，在20%～50%范圍內，隨著滲透液質量分數的提高，西蘭花水分流失逐漸增多。因為溶液的濃度梯度決定了滲透過程的擴散速率，濃度梯度越大，擴散速率越快，水分流失也越多。但當滲透液質量分數超過50%時，西蘭花水分流失增加不顯著（P>0.05），可能是滲透液質量分數過高導致粘度增加，在物料表面形成阻力，進而導致水分滲出減少[11]。西蘭花凍結-解凍后的硬度值隨著溶液濃度的增大而增大，這是因為海藻糖通過細胞膜進入西蘭花組織中，可以作為一種冷凍保護劑，加強組織結構完整性，提高西蘭花的硬度。當滲透液質量分數為60%時，會出現明顯皺縮現象，細胞失水，隨之產生細胞膜變形瓦解以及硬度的下降。綜合考慮，滲透液海藻糖的質量分數選擇30%～50%適宜。

圖3 滲透液質量分數對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響Fig.3 Effect of sugar concentration on osmotic dehydration and quality of frozen broccoli

表2 正交試驗結果及極差分析Table2Orthogonalexperimentresultsandanalysisofrange

2.2 正交優化試驗

根據單因素試驗的結果，采用正交試驗對西蘭花滲透脫水工藝進一步優化，考察A（超聲波功率）、B（超聲波時間）以及C（滲透液的質量分數）對西蘭花滲透效果的影響，設計正交試驗。試驗結果見表2。由表可知，以西蘭花的水分流失為指標的極差分析結果表明，各因素的影響順序為：B＞A＞C，即超聲波的時間＞超聲波功率＞滲透液的質量分數。以西蘭花凍結-解凍后的硬度為指標的極差分析結果表明，各因素的影響順序為：A＞B＞C，即超聲波的功率＞超聲波的時間＞滲透液的量分數。考慮到西蘭花解凍后質地口感，超聲波輔助滲透脫水最佳工藝條件為A2B2C3，即超聲波功率為240 W，時間為 30 min，滲透液量分數為50%，在此工藝條件下，西蘭花水分流失為1.26，凍結-解凍后硬度為39.59 N。然后在此工藝條件的基礎上，后期探究超聲波輔助滲透脫水對西蘭花凍結品質的影響。

2.3 普通滲透脫水對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響

從圖4中可以看出，在滲透初期（2 h以內），西蘭花的水分流失隨著滲透時間的延長而增加，2 h以后，滲透效果有所減緩。這可能是初期滲透液與西蘭花之間的滲透壓差比較大，使得水分流失速率快。但是隨著時間的延長，滲透液很容易在西蘭花的表面富集或者在西蘭花的毛細管內填充，增加了滲透的阻力，使得水分難以滲出。并且長時間的滲透會導致西蘭花凍結-解凍后的硬度下降，所以綜合考慮，普通滲透脫水處理2 h（OD）的滲透效果較好，以此作為后期研究的對照，來探究超聲波輔助滲透脫水對西蘭花凍結品質的影響。

圖4 普通滲透脫水對西蘭花滲透脫水以及凍結品質的影響Fig.4 Effectofosmoticdehydrationonosmoticdehydration and quality of frozen broccol

2.4 超聲波輔助滲透脫水對西蘭花水分分布的影響

為了更加直觀的觀察滲透脫水前后樣品水分狀態的變化，采用低場核磁技術對西蘭花的橫向弛豫時間（T2）進行測定。根據橫向弛豫時間的不同，可以分為3個區域，T20代表的是細胞壁中的水分，與細胞壁中的多糖類物質結合緊密，流動性非常弱；T21代表的是細胞質中的水分，能夠和細胞質中的酶、蛋白質和細胞骨架物質等相結合；T22代表的是液泡中的水分，能夠和糖類及小分子物質相結合，流動性最強。從圖5中可以看出，西蘭花體系中的水分可以分為T20（1～20 ms），T21（20～200 ms），T22（200～800 ms）。表3顯示了不同樣品的橫向弛豫時間T20，T21，T22以及相對應的峰面積。結果顯示，滲透處理可以明顯的縮短T21和T22的弛豫時間，這是因為滲透脫水增加了液泡中的溶質以及生物聚合物的含量，增加了體系粘度，因此水的流動性減弱，弛豫時間縮短[12]。T21的水分比例增加，而T22的水分比例降低，這可能是因為滲透壓的作用使細胞內的水分重新分布，液泡中具有較強流動性的T22水進入粘度較高的細胞質中，變為流動性較弱的T21水。與OD相比，UOD可以更明顯的縮短T21的弛豫時間，增加T21的水分比例，即UOD可以在30 min中內達到OD在較長時間內的滲透效果，降低西蘭花的水分流動性。

圖5 不同處理組西蘭花的橫向弛豫時間分布Fig.5 Transverse relaxation spectra of samples with different treatments

表3 不同處理組西蘭花的橫向弛豫時間（T2）和相對峰面積（M2）Table 3 Proton transverse relaxation times （T2）and relative areas in samples with different treatments

核磁共振成像成像是一種無損、高效的檢測技術，通過任意層面成像以及多參數成像可以更加直觀的檢測到物料內部的水分分布和變化情況。物料體系內的水分質量分數與核磁共振成像圖譜上信號強度成比例關系，水分質量分數越高，信號越強，圖像越亮，反之，水分質量分數越低，信號越弱，圖像越暗[13]。

圖6是檢測的不同處理條件下西蘭花花莖的低場核磁成像圖，圖片上的色度條從下到上呈現了不同的顏色，代表的是水分含量逐漸增加。不同處理組西蘭花的顏色分布有顯著的區別，新鮮的西蘭花樣品圖像比較明亮，色度值高，說明水分質量分數比較多，尤其是邊緣部位，信號最強，呈現一條明亮的水帶，說明花徑的外側部分的含水量比內部高。經過滲透脫水的樣品四周也有水帶，但是水帶比較細，整體視野也比較暗，說明西蘭花花莖中心的水分由于滲透壓的存在逐漸向外側轉移。相比普通滲透脫水，超聲波輔助滲透脫水樣品的水帶變細變短，視野更暗，說明水分質量分數更低。

圖6 不同處理組西蘭花的低場核磁成像圖Fig.6 LF-NMR images of samples with different treatments

2.5 超聲波輔助滲透脫水對西蘭花冷凍時間的影響

圖7為不同處理組樣品的凍結曲線，可以看出，滲透脫水前處理能顯著樣品縮短凍結時間，這是因為經過滲透脫水，樣品水分質量分數減少，可凍結的水分降低，進而釋放的熱量減少，因此使得整個凍結過程縮短。當溫度從-1℃下降到-5℃為“最大冰晶生成帶”，一般用通過該溫度區域所用的時間來表示冷凍速率，冷凍速率關系著冷凍食品的品質。經過“最大冰晶生成帶”的時間越短，冷凍速率越快，物料內形成的冰晶粒徑越小，對西蘭花的品質破壞越小。相反，時間越長，速率越慢，在物料內形成的冰晶體就比較大，進而對細胞組織結構造成一定的破壞，影響西蘭花的品質。與未經過滲透脫水的西蘭花相比，UOD和OD處理組樣品的冷凍速率分別提高了21%和26%，這與李娟等人研究結果一致，他們發現經過滲透脫水處理的樣品具有更短的冷凍時間和更快的冷凍速率[14]。

圖7 不同處理組西蘭花的凍結曲線Fig.7 Freezing curves of samples with different treatments

2.6 超聲波輔助滲透脫水對凍藏期西蘭花汁液流失率的影響

不同處理組的西蘭花在貯藏過程中的汁液流失率如圖8所示，可以看出未經過滲透脫水西蘭花冷凍-解凍后的汁液流失率顯著高于經過滲透脫水凍結西蘭花的汁液流失率（P＜0.05），這是因為未處理的西蘭花含水量高，凍結過程中會在組織內形成大的冰晶體，導致細胞組織的破壞和塌陷，細胞的持水能力降低，因此汁液流失增加。滲透脫水處理降低了樣品可凍結水的含量，提高了凍結速率，冰晶對細胞組織的破壞小，因此汁液流失率相對較低。另外，海藻糖是比較好的冷凍保護劑，能夠增強對水的束縛性，使水分流動性降低，冰晶體的粒徑減小，進而樣品的汁液流失率下降。隨著貯藏時間的增加，西蘭花的汁液流失率都逐漸提高，可能是因為在貯藏過程中，冰晶出現重結晶的現象，造成冰晶尺寸增大，進而對細胞結構造成更嚴重的破壞。但是，未經過滲透處理的西蘭花樣品的汁液流失率的增加程度顯著高于經過滲透處理的西蘭花樣品（P＜0.05），這與趙金紅等人的結論一致[13]。

圖8 不同處理組西蘭花在凍藏期間汁液流失率變化Fig.8 The drop loss of samples with different treatments during frozen storage

2.7 超聲波輔助滲透脫水對凍藏期西蘭花抗壞血酸質量分數的影響

圖9顯示了不同的處理方法對冷凍西蘭花貯藏期間抗壞血酸質量分數的影響。由圖可以看出，在貯藏過程中UOD處理組西蘭花的抗壞血酸質量分數高于OD處理西蘭花。這可能是因為在滲透脫水過程中抗壞血酸會隨水分子從細胞內部轉移到滲透液中，而超聲波能夠提高滲透脫水的效率，進而縮短了西蘭花與滲透液的接觸時間，減少抗壞血酸的流失和氧化。雖然超聲波的熱效應、空穴效應會導致抗壞血酸發生降解，但是超聲波對抗壞血酸的保留作用大于降解作用，因此UOD處理組樣品解凍后抗壞血酸的質量分數更高。隨著貯藏時間的增加，抗壞血酸的含量都減少。但是滲透脫水凍結西蘭花抗壞血酸的含量高于普通凍結西蘭花樣品，這可能是因為經過滲透脫水后，西蘭花可凍結水的質量分數下降，凍結時間短，汁液流失率低，而抗壞血酸是一種水溶性維生素，易隨水分流失，所以滲透脫水處理一定程度上提高了抗壞血酸保留率。到第6個月時，抗壞血酸的質量分數減少到原來的68.27%到84.72%。

圖9 不同處理組西蘭花在凍藏期間抗壞血酸的變化Fig.9 Changes of ascorbic acid contents in samples with different treatments during frozen storage

圖10 不同處理組西蘭花在凍藏期間色澤的變化Fig.10 Changes of color coordinates a*of samples with different treatments during frozen storage

2.8 超聲波輔助滲透脫水對凍藏期西蘭花色澤的影響

不同處理方式對西蘭花貯藏期間色澤的影響如圖10所示，西蘭花經過漂燙處理之后-a*值為17.49，比較鮮綠，這可能是漂燙處理驅除了體系中的空氣，使樣品的透光性增強。在加工和貯藏過程中，西蘭花的色澤會從鮮綠色變為黃褐色，一方面可能是因為色素類物質的降解，另一方面就是由于解凍時產生汁液流失，色素類物質會隨之流失，最終導致西蘭花色澤的變化[15]。由圖可知，在貯藏期間，普通凍結西蘭花的色澤變化程度要明顯高于滲透脫水凍結的西蘭花，在貯藏末期，普通凍結西蘭花的-a*值為9.23，OD和UOD處理的樣品的-a*值分別為11.23和13.29，說明滲透脫水處理可以較好得保持西蘭花的色澤。

3 結語

超聲波輔助滲透脫水可以在短時間內達到普通滲透脫水長時間的效果，提高滲透脫水效率，有利于細胞結構的保持，并縮短了西蘭花后期凍結時間，減少西蘭花凍藏期間的汁液流失率，有利于抗壞血酸和色澤的保留。