超高壓處理對胡蘿卜壓差膨化效果的影響

盧亞婷，羅倉學

（陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西 西安 710021）

近年來，隨著我國果蔬休閑食品行業的快速發展，胡蘿卜脆片、脆條等營養健康的休閑食品受到越來越多的關注[1]。質構是影響胡蘿卜脆片品質和消費者可接受度的重要因素。壓差膨化干燥技術作為加工果蔬脆片、脆條的重要技術手段之一，可有效提高物料膨化度并使膨化后的多孔結構迅速硬化，形成多孔酥脆結構[2]。胡蘿卜，組織結構較為堅硬，細胞排列緊密，細胞壁較一般果蔬厚，在采用壓差膨化制備胡蘿卜脆片的過程中，通過簡單的預干燥脫水，很難形成疏松多孔的理想產品[3-5]。因此，在采用壓差膨化技術前，對胡蘿卜原料進行必要的預處理，可以有效提高產品在外觀、色澤、口感以及風味等方面的品質。“超高壓”又稱“超高冷等靜壓”，是溫度低于100℃，壓力范圍在100 MPa～800 MPa的一種加工技術[6]。大量的研究表明，物料在超高壓條件下會發生蛋白質變性、可溶性成分溶出以及細胞整體形變等變化，影響到最終產品的品質[6-10]。而有關超高壓預處理對胡蘿卜膨化產品品質影響的研究相對較少，因此，針對胡蘿卜原料的特性，探討超高壓預處理對壓差膨化胡蘿卜品質的影響，以期為穩定和改善果蔬脆片品質提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

胡蘿卜原料：市售。

1.2 主要儀器設備

TA-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工藝實驗室自行研制；CM-5分光測色儀：日本柯尼卡美能達公司；HHP-3L型立式超高壓設備：天津華泰森淼生物工程技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 壓差膨化工藝參數

取直徑約為30 mm，大小相當的胡蘿卜，清洗去泥沙，徑向切分為3 mm厚的薄片，（92±1）℃溫度下漂燙2 min后，在冷卻水中冷卻，瀝干后裝入耐壓真空袋，按照試驗設計方案進行超高壓試驗，超高壓處理之后進行壓差膨化干燥，壓差膨化參數為：膨化溫度（98±2）℃，膨化壓力為（0.3±0.02）MPa，抽真空干燥溫度為（75±2）℃，抽真空干燥時間為（70±5）min，原料量為（5±0.1）kg/m2。

1.3.2 試驗設計

1.3.2.1 胡蘿卜超高壓處理單因素試驗

結合前人研究和試驗條件，在預試驗的基礎上，分別研究 100、200、300、400、500、580 MPa不同壓力處理條件對胡蘿卜片膨化產品的影響；研究25、30、35、40、45、50、55、60 ℃不同超高壓處理溫度對胡蘿卜片膨化產品的影響; 研究不同保壓時間 5、10、15、20、25、30 min對胡蘿卜片膨化產品的影響。

1.3.2.2 超高壓處理工藝的優化

在單因素試驗的基礎上，采用Design expert7.0進行三因子二次回歸中心組合設計，進一步優化超高壓處理工藝，研究各因子之間的協同作用。試驗因素水平編碼見表1。

1.3.3 脆度的測定

采用質構分析（texture profile analysis，TPA）測定法。分析儀參數設置如下：測前速度為1.0 mm/s，測試速度為1.0 mm/s，測后速度10.0 mm/s，測試下壓距離為3 mm，數據采集速率200次/s，探頭為P/0.25 s。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。

1.3.4 色澤的測定

色澤采用CM-5分光測色儀進行測定。L值表示色澤的明亮度，L值的范圍是從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。色差ΔE越小，色澤變化程度越小，胡蘿卜膨化脆片的色澤保持越好。

試樣與標樣（未經過超高壓處理的膨化產品）之間的總色差值以ΔE表示，公式如下。

式中：L*、a*、b*以標準白色板為標準測得的對照品測定值。

1.3.5 電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察

對膨化干燥后的樣品斷面進行觀察，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 數據處理

試驗數據采用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 處理壓力對膨化效果的影響

脆度和色差值是評價膨化產品品質的指標，常用來定量衡量產品的感官指標。不同壓力處理后膨化胡蘿卜的脆度值和色差值檢測結果見表2。

表2 不同壓力對膨化效果的影響Table 2 Effect of different pressure on the puffing

由表2可以看出，在300 MPa～580 MPa范圍內時，脆度在300 MPa～400 MPa顯著增大，在400 MPa～580 MPa增幅減緩。原因在于超高壓處理技術遵循的原理之一就是勒夏特列原理（Le Chatelier）即：樣品體積減小引起的變化，隨著壓力的提高而加強，壓力迫使食品向體積減小的方向轉變[6，9]。而300 MPa以內的壓力還不足以使樣品發生體積的收縮，因此，脆度增幅較小。而300 MPa～580 MPa時，外部施加的壓力遠大于細胞內部的壓力，壓力的增大提高了細胞的滲透壓，并導致體積的形變，在一定程度上打破了原有致密的組織結構[7-8]，有利于后期膨化時水分的逸出，干燥松散的結構有利于脆度提高[9]。與胡蘿卜鮮樣相比，經過預處理后的樣品的L值有所下降。干燥過程胡蘿卜的褐變會導致亮度的降低，而a值和b值的變化是胡蘿卜素降解的結果。在300 MPa～500 MPa色差值ΔE減小到3.53，色澤的保留率相對較好。

2.2 超高壓處理溫度對膨化效果的影響

不同溫度下超高壓處理后產品的品質，結果見表3。

表3 不同溫度對膨化效果的影響Table 3 Effect of different temperature on the puffing

由表3可以看出，溫度在25℃～60℃范圍內增大時，產品的脆度和色差ΔE變化幅度較小，在此溫度范圍內，脆度稍有增加，原因在于影響脆度的因素主要是體積的形變、水分含量的多少以及松散程度。在300 MPa壓力條件下，壓力不足以使胡蘿卜的致密結構發生形變和破壞，因此，當溫度在25℃～60℃范圍變化時，溫度的變化并不有利于水分的逸出[10-11]，因此產品脆度增幅不大。影響產品色澤的主要因素是內源性酶及非酶褐變，而胡蘿卜中影響產品色澤的酚類物質相對較少[12-14]，因此，300 MPa條件下不同溫度對脆度和色差影響不顯著，色差值ΔE相較鮮樣在40℃～55℃范圍內較好。

2.3 超高壓處理時間對膨化效果的影響。

不同時間處理后膨化產品的脆度和色差值，結果見表4。

表4 不同時間對膨化效果的影響Table 4 Effect of different time on the puffing

由表4中數據可以看出，保壓時間對脆度的影響隨著保壓時間的延長，產品的脆度值逐漸增大，脆度值變幅較大，脆度范圍為：111.12 N/s～232.98 N/s。保壓時間10 min與保壓時間15 min，及保壓時間25 min與保壓時間30 min之間，沒有顯著性差異。保壓時間20 min與15 min和25 min之間均有顯著性差異，在保壓20 min時產品脆度均值達到210.03 N/s。不同的保壓時間對膨化產品的亮度值L和藍、綠值a、b表現出不同的差異性，但沒有明顯規律。隨著保壓時間的延長，色差值ΔE先減小后增大，在保壓時間20 min時，產品的色差值最小為3.95。色差值ΔE對保壓時間表現不同的差異性，在5 min～20 min之間有顯著差異，在25 min和30 min之間沒有顯著差異。結合試驗結果，分析原因為300 MPa的壓力遠大于正常的大氣壓，在一定程度上會引起相變、分子構相變化、化學反應甚至是分子序列的重排，具有迫使物料向體積縮小的方向轉變的趨勢[6]。但是，以上的變化并不是建立在某一特定壓力下瞬間完成的，這一變化是隨時間轉變的。壓力一定，保壓時間從無到有的過程中，物料會引起宏觀上的形變[7]，表現為產品脆度值逐漸增大，且對時間表現出顯著的差異性，如試驗加壓5min與10min之間和15 min與20 min之間有顯著差異。隨著加壓時間持續增長，物料表現出汁液的滲透、顏色的變化等[8-12]，體積的形變達到極值，表現為產品脆度值隨保壓時間持續延長而沒有顯著差異。

2.4 超高壓處理交互作用

超高壓處理是一個能夠引起理化、生化變化的復雜過程，因此超高壓處理中壓力、時間等協同作用對于產品品質的改善不容忽視，試驗結果見表5。

表5 三因子二次回歸中心組合試驗結果Table 5 Results of three-factor quadratic regression center combinnation experiment

應用Design expert 7.0軟件對表中數據進行多元回歸擬合得到產品脆度（Y1）、色差（Y2）預測值對編碼自變量 X1、X2、X3的二次多項回歸方程如下：

回歸系數及變量分析見表6。

表6 回歸系數及變量分析Table 6 Regression coefficient and analysis of variance

對模型進行方差分析，Y1的二次回歸模型的F=2.06，Y2的二次回歸模型的 F=2.16，均小于 F0.99（9，5）=10.16，表明Y1、Y2模型具有高度擬合性，模型合適。Y1失擬項F=24.47，Y2失擬項的F=24.56，均大于F0.95（6，5）=10.67，各方程的決定系數 R2均大于 0.80，說明方程顯著。

由表6中各因素的分析可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產品脆度和色差影響顯著。

2.4.1 交互效應分析

2.4.1.1 壓力、溫度、保壓時間對產品脆度的影響

根據3個交互效應模型分別繪制相應曲面圖，見圖 1～圖3。

圖1 壓力與溫度對脆度的交互作用Fig.1 Synergistic effect of pressure and temperature on friability

圖2 壓力與時間對脆度的交互作用Fig.2 Synergistic effect of pressure and time on friability

圖3 溫度與時間對脆度的交互作用Fig.3 Synergistic effect of temperature and time on friability

由交互作用的響應曲面和等高線形狀可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產品脆度影響顯著。

2.4.1.2 壓力、保壓時間、溫度對產品色澤的影響

根據3個交互效應模型分別繪制相應曲面圖，見圖 4～圖 6。

圖4 壓力與溫度對色差的交互作用Fig.4 Synergistic effect of pressure and temperature on degree of browning

圖5 壓力與時間對色差的交互作用Fig.5 Synergistic effect of pressure and time on degree of browning

圖6 溫度與時間對色差值的交互作用Fig.6 Synergistic effect of temperature and time on degree of browning

由交互作用的響應面和等高線形狀可以看出，超高壓處理時間和超高壓壓力的交互作用對產品色差值影響顯著。

2.4.2 最優工藝參數的確定

在單因素和中心組合試驗設計的基礎上，以膨化后產品的脆度范圍在180 N/s～281N/s之間，色差在3.7～6之間為期望值。以胡蘿卜膨化產品各項指標回歸方程為模型，得到優化后預測的超高壓處理參數為：壓力480 MPa，溫度34℃，超高壓處理時間20 min，預測產品脆度為195 N/s，色差值4.7。

模型驗證：以優化后的超高壓處理參數做驗證試驗3次，試驗結果見表7。

表7 胡蘿卜超高壓處理驗證結果Table 7 Verification results of optimal process

由驗證試驗結果可以看出，試驗值與預測值相對誤差均在5%以內，說明優化的參數可信度高，采用回歸分析法建立的模型擬合度好，能很好地指導超壓預處理胡蘿卜膨化過程和預測結果。

2.4.3 胡蘿卜SEM圖

胡蘿卜壓差膨化SEM圖見圖7。

圖7 胡蘿卜壓差膨化SEM圖Fig.7 Scanning electron microscope images of carrot with puffing

由圖7可以看出，經過超高壓預處理之后膨化的胡蘿卜脆片的微觀結構孔隙分布和尺寸比較均勻，而不經過超高壓預處理的胡蘿卜脆片的微觀結構出現層狀疊加，孔隙分布不均且孔隙尺寸不等。從直觀上體現了超高壓處理對胡蘿卜膨化效果的促進和改善。

3 結論

針對處理壓力、保壓時間和處理溫度及其交互作用對胡蘿卜膨化效果的影響進行了研究，研究發現：預處理壓力及保壓時間對產品脆度和色差值的影響較為顯著，而溫度對胡蘿卜膨化效果影響不顯著。預處理壓力和保壓時間對胡蘿卜脆度和色澤的交互作用顯著。在超高壓預處理壓為480 MPa，處理溫度為34℃，保壓時間為20 min條件下預處理后的胡蘿卜脆片品質較好，脆度可達到203 N/s，色差相較鮮樣為4.7。