浸漬冷凍對皇冠梨質地的影響

張曉敏，年 蕊，王 婭，熊雪鳳，尤開艷，朱丹實，趙國蒼，李 偉，曹雪慧,*

（1.渤海大學食品科學與工程學院，遼寧錦州 121013；2.云南會澤縣道成開發投資集團有限公司，云南曲靖 654200）

梨被譽為百果之宗，不僅風味濃郁，爽脆多汁，而且營養豐富，深受人們喜愛[1]?；使诶媸呛颖笔×挚圃弘s交培育而成的優良品種，屬白梨系統（Pyrus bretschneideriRehd），果實呈橢圓形或圓形，肉質潔白細膩，爽口多汁，風味濃郁[2]，且營養豐富，含有多種人體必需的營養物質[3-4]，深受消費者歡迎。但皇冠梨貯藏期短、易軟化、常溫下貯藏20 d 便會導致商品及食用價值降低[5]。低溫是延長果蔬采后貯藏期的有效方法之一，但隨著貯藏時間的延長，果皮表面會出現淡褐色病斑和果心褐變等問題，嚴重影響梨的品質，造成商品價值損失[6-8]。

冷凍是水果長期保存的常用方法，被廣泛應用于食品加工行業[9]。冷凍過程中，隨著食品溫度的降低，食品基質中的細胞溶液被冷卻到初始冰點，溫度進一步下降，促使水分子形成冰晶。結晶過程中水分子的遷移導致滲透壓升高，進一步增強了細胞膜的滲透性，從而引起冷凍產品的微觀結構改變。解凍后造成細胞壁斷裂、塌陷，導致組織膨脹和軟化，食品品質的降低。尤其是水分含量較高的水果，凍融后，水果的質地品質明顯降低[10]。冷凍食品品質與冷凍速率密切相關。因緩慢凍結過程形成較大的細胞外冰晶體，導致食品組織細胞微觀結構損壞更加嚴重，極大降低食品品質[11]；而快速凍結因較高的傳熱傳質速率、較小的水遷移率和低滲透壓，使細胞內外產生分布均勻且細小的冰晶，對食品微觀結構破壞較小[9,12]。

浸漬冷凍（immersion freezing，IF）技術是基于熱傳導從產品中除去熱量的速凍技術[13]，冷凍速率遠高于空氣凍結[14-15]。在整個食物冷凍過程中實現瞬時和均勻的成核，形成細小冰晶，降低對食品的損傷，而浸漬液中的溶質一定程度上可以影響產品的感官特性。LIANG 等[15]研究表明，荔枝浸漬冷凍速度是空氣凍結的10 倍，同時浸漬冷凍樣品果實微觀結構完整。YANG 等[16]研究結果表明-30 ℃浸漬冷凍速率分別比-18 ℃和-50 ℃空氣凍結速率高11.5 和4.7倍，微觀結構、質地和持水能力等各項物理指標上均接近液氮冷凍。浸漬冷凍技術依托于載冷劑，載冷溶液的選擇是浸漬冷凍技術的關鍵環節。鹽類、糖類和醇類物質通常被用作浸漬凍結的載冷劑。鈣鹽能夠減緩果膠和半纖維素多糖的解聚，維持果蔬的硬度[17-20]。海藻糖是常用做冷凍保護劑，聚賴氨酸是一種綠色安全的食品保鮮劑[21]。

本實驗以皇冠梨為研究對象，通過改變冷凍溫度及浸漬液種類，探究浸漬冷凍對鮮切皇冠梨質地的影響。對硬度、果膠等物質變化情況以及微觀結構的分析，揭示浸漬冷凍過程中，凍結溫度及浸漬液種類對梨果實質地的影響，為進一步提高冷凍水果品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

皇冠梨 采摘于遼寧省錦州市三屯梨園。運送至實驗室后，挑選無損傷，無病蟲害的梨，存放在4 ℃條件下冷藏48 h 后進行處理，使其初始冷凍溫度保持一致；海藻糖、聚賴氨酸、無水氯化鈣 食品級，河南萬邦實業有限公司；硝酸 分析純，錦州古城化學試劑有限公司；30%過氧化氫 分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司；無水乙醇 分析純，福晨（天津）化學試劑有限公司；硫酸 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；咔唑 分析純，天津化學試劑廠；半乳糖醛酸、溴化鉀（KBr） 分析純，阿拉丁試劑公司；冰乙酸 分析純，天津市恒興化學試劑有限公司；無水乙酸鈉 分析純，天津光復精細化工研究所。

BCD-408WBPBUI 冰箱 海爾電器有限公司；DW-86L 828J Haier 超低溫冰箱 海爾生物醫療股份有限公司；TP700-8 數據記錄儀 深圳市拓普瑞電子有限公司；TA-XT-plus 物性測試儀 英國Stable Micro Systems 公司；海能SH220F 石墨消解儀 海能未來技術集團股份有限公司；ICPE 9820 型電感耦合等離子體發射光譜 日本島津；Evolution 201 紫外-可見分光光度計、Biofuge Stratos 高速冷凍離心機 美國Thermo；HH-4 型數顯恒溫水浴鍋 上海力辰邦西儀器科技有限公司；FT-IR650 型傅里葉紅外變換光譜儀 天津港東科技有限公司；XE-70 原子力顯微鏡 韓國Park Systems 公司；S-4800 型場發射掃描電鏡 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 分組及處理 實驗所用載冷劑分為2 種：單一浸漬液為30% CaCl2；復合浸漬液為30% CaCl2+4%海藻糖+0.05%聚賴氨酸。浸漬液置于-20 ℃和-40 ℃冰箱中。

隨機選取冷藏保存的皇冠梨，使用切割器手工切割成長寬高約為1.5 cm 左右的果塊。果塊浸入浸漬液中進行浸漬冷凍，將電熱偶插入果塊的中心，記錄整個冷凍過程中果塊的溫度變化。當果塊中心溫度達到-18±1 ℃時，凍結完成。將凍結完成的果塊表面浸漬液擦干，裝入密封袋中并做好標記，放入-20±1 ℃冰箱保存72 h。在4 ℃恒溫箱中解凍6 h后進行指標測定。圖1 所示是本試驗處理方式示意圖。本試驗有4 種不同處理方法：-20IF（-20 ℃單一浸漬液冷凍）；-20IF-T（-20 ℃復合浸漬液冷凍）；-40IF（-40 ℃單一浸漬液冷凍），-40IF-T（-40 ℃復合浸漬液冷凍）。另取4 ℃冷藏的新鮮皇冠梨進行同樣切割處理，作為對照組，即CK。

圖1 處理方法示意圖Fig.1 Processing method diagram

1.2.2 凍結曲線測定 使用TP 700-8 數據記錄器測量果塊中心的溫度變化。將探針插入果塊中心，記錄整個冷凍過程中果塊的溫度變化[15]。當果塊的中心溫度達到-18±1 ℃時，冷凍完成。

1.2.3 硬度測定 參考XU 等[22]的方法略有修改。采用TA-XT-plus 物性測試儀測定解凍后梨塊硬度。參數設置如下：P/50 探頭，測前、測試和測后速度均為1.00 mm/s，觸發力5 g，壓縮量30%。

1.2.4 鈣含量測定 采用電感耦合等離子體發射光譜ICPE 9820 進行測定。參考SILVA 等[23]方法略有修改。取1 g 研磨均勻的樣品放入300 mL 消化管中，加入4 mL HNO3，冷消化2 h 后，加1 mL 30%H2O2，放入石墨消解儀中180 ℃消解30 min，直至樣品完全消解。消解液用超純水定容至50 mL，進行后續測定。ICP OES 參數包括：等離子體氣體流量10 L/min，輔助氣流量0.6 L/min，載氣流量0.7 L/min，射頻功率為1.2 kW，測定波長369.847 nm。

1.2.5 果膠含量測定 參考曹建康等[24]方法測定。

1.2.6 傅里葉紅外光譜測定 參考潘潤森等[25]方法略有修改，采用傅里葉紅外變換光譜儀分析果膠官能團的變化。將1 mg 冷凍干燥后的水溶性果膠樣品與100 mg 干燥后的KBr 混合并研磨均勻。取混合樣品，用壓片機壓制成薄膜，在波長范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1下進行掃描。

1.2.7 原子力顯微鏡測定 采用XE-70 原子力顯微鏡進行測定。參考ZHANG 等[19]方法。吸取10 μL制得的水溶性果膠樣品溶液滴在清潔干凈的載波片上，待完全干燥后采用非接觸模式測定樣品的微觀形貌。

1.2.8 微觀結構測定 采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀結構檢測。將冷凍干燥后的梨片用導電膠固定在鋁制的圓盤上，進行鍍金處理。將鍍金完成后樣品放入掃描電子顯微鏡中進行測定。

1.3 數據處理

實驗數據為3 次重復試驗的平均值，結果以平均值±標準差表示。采用IBM SPSS 25.0 軟件對數據進行Duncan 檢驗和單因素方差分析（ANOVA），使用Origin 2021 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 浸漬冷凍對梨凍結曲線的影響

凍結速率是影響冷凍產品的關鍵因素之一[15]。緩慢凍結會形成分布不均的細胞外大冰晶而造成食品結構損傷；而快速凍結在較高的凍結速率下，更易形成細小且分布均勻的冰晶，對食品微觀結構破壞較小。圖2 顯示了梨在 -20IF、-20IF-T、-40IF 和 -40IF-T浸漬冷凍期間的中心溫度-時間分布曲線。從圖2可以看出，凍結曲線可分為三個階段：預冷階段（4～-2 ℃）；相變階段（-2～-5 ℃）；深凍階段（-5～-18 ℃）[26]。相變階段是最大冰晶形成區，在此階段去除果實中的潛熱，80%的水會在該階段形成冰晶[27]。其中，-20IF 樣品的冷凍時間最長，為475 s，-40IF-T 樣品的凍結時間最短。與-20IF 處理組相比，-40IF-T 的凍結時間縮短了69.47%。在圖2 中可以觀察到，-20IF 及-20IF-T 處理組的相變階段比-40 ℃溫度下浸漬凍結處理組的持續時間更長，這也導致-20 ℃溫度下樣品冷凍時間更長。較低的凍結溫度產生更快的傳熱，從而提升了凍結速率[28]。細胞內外冰晶的形成主要取決于冷凍速率，快速的凍結速率可以使細胞內的溫度急劇下降，導致細胞內溶液與平衡濃度顯著不同，從而增加了細胞內成核的概率，產生許多細小的冰晶，縮短了凍結時間[29]。在相同浸漬冷凍溫度下，各處理組間凍結時間無顯著差異（P＞0.05），但復合浸漬冷凍組凍結時間較單一浸漬冷凍處理組低。這可能是浸漬液中添加的海藻糖和聚賴氨酸有助于凍結速率的提高。表明在不改變凍結溫度前提下，使用多元浸漬液在一定程度上能夠縮短凍結時間。

圖2 浸漬冷凍對梨凍結曲線的影響Fig.2 Effect of immersion freezing on freezing curve of pear

2.2 浸漬冷凍對梨硬度的影響

冷凍食品的質地與冷凍過程中形成的冰晶大小密切相關。凍結過程中形成的冰晶尺寸越小，分布越均勻，對組織細胞的微觀結構破壞越小，質地保存的會更好[30]。圖3 顯示了皇冠梨凍融后的硬度值，以此來反映其質地的變化。由圖3 可知，經冷凍處理后，果實硬度值較CK 組相比顯著降低（P＜0.05），且各浸漬冷凍處理組間硬度值存在顯著性差異（P＜0.05）。凍融后梨塊的硬度值大小為 -40IF-T 組 ＞-40IF 組＞-20IF-T 組＞-20IF 組。表明在凍結過程中，較低的環境冷凍溫度，能降低凍結過程中結晶和再結晶對梨組織微觀結構的影響，有效保持冷凍食品的硬度。SOUSA 等[31]也指出冷凍速率在維持冷凍食品質地方面的重要作用。較低的凍結溫度能夠加速食品中熱量傳遞，提高凍結速率，縮短凍結時間，從而促進更加細小且分布均勻的冰晶產生，對細胞組織產生更小的傷害。其解凍后，能夠保持較高的硬度值。同時浸漬液中Ca2+也會滲透進樣品內部，Ca2+能與去甲基酯化的果膠骨架相互作用，促進果膠-Ca2+網絡的形成，從而增強細胞壁的力學性能，增強果實的質地[32-33]。同一冷凍溫度下復合浸漬液浸漬冷凍處理組硬度值均高于單一浸漬液浸漬冷凍處理組。這可能是由于復合浸漬液中添加的海藻糖與聚賴氨酸起到保護質地的作用。在浸漬冷凍過程中，樣品與浸漬液直接接觸，浸漬液中海藻糖和聚賴氨酸會附著及滲透進樣品內部。冷凍保護劑通過保護脂膜的完整性[34]，降低體系中水分的流動，抑制大冰晶的形成，起到維持冷凍產品質地的作用。

圖3 浸漬冷凍對梨硬度的影響Fig.3 Effect of immersion freezing on hardness of pear

2.3 浸漬冷凍對梨鈣含量的影響

鈣離子在果實的營養和生理過程中起著重要的作用。使用含鈣鹽的浸漬溶液不僅可以維持產品品質，還可提高食品中鈣含量。鈣鹽廣泛應用于果蔬食品加工，鈣離子是植物細胞壁中必需的礦物成分之一，它與植物組織細胞壁上的果膠相互作用，形成果膠酸鈣復合物，增強細胞結構，賦予細胞壁抗性并防止其降解，用于維持產品的微觀結構特征[32,35]。而Ca2+大量滲透可能會造成細胞間隙、細胞壁和細胞腔內可見鈣的沉積，導致細胞結構的破壞。圖4 所示，是浸漬冷凍處理后梨塊中鈣離子含量的變化情況。與CK 組相比，浸漬冷凍處理后皇冠梨中鈣含量顯著升高（P＜0.05）。這是由于在浸漬冷凍過程中樣品與含鈣浸漬液直接接觸，浸漬液中的溶質滲透進梨果實內部，從而引起樣品中鈣含量明顯的升高。-40IF 及-40IF-T 處理組中鈣含量顯著低于-20IF 及-20IF-T處理組樣品中鈣含量（P＜0.05）。其中，-40IF-T 處理組鈣含量最低，較-20IF 及-20IF-T 處理組鈣含量分別降低了50.73%、48.01%。這可能是由于-40 ℃的凍結溫度更低，凍結速率更快，縮短了樣品與浸漬液的接觸時間，從而降低了鈣離子向樣品中的遷移。鈣離子可以增加細胞結構的硬度，但在冷凍過程中，凍結速率對食品細胞結構的損傷程度更為主要，因此，-20℃浸漬處理組硬度更低一些。而同一凍結溫度下，復合浸漬液浸漬冷凍樣品與單一浸漬液浸漬冷凍樣品中鈣含量也存在較小的差異。這可能是由于復合浸漬冷凍處理組中海藻糖及聚賴氨酸的添加與Ca2+搶占滲透通道，在一定程度上抑制了Ca2+向果實內部的滲入；同時，海藻糖和聚賴氨酸的添加也加速了凍結速率，減少了傳質時間。研究表明[36]，使用三元或更復雜的溶液來代替二元溶液可以限制溶質增益。

圖4 浸漬冷凍對梨鈣含量的影響Fig.4 Effect of immersion freezing on calcium content of pear

2.4 浸漬冷凍對梨果膠含量的影響

果實軟化與細胞壁多糖的變化密切相關，而果膠是組成細胞壁的重要成分之一。果膠成分發生的一系列變化及降解會導致細胞壁結構的松動和減弱，從而導致果實的硬度降低[37]。原果膠分解為可溶性果膠及果膠酸等物質會導致果實軟化。圖5 顯示了鮮梨及不同浸漬冷凍條件下果實中果膠含量的變化情況。從圖5 中可知，各凍結處理組的果膠含量均存在顯著性差異（P＜0.05）。與CK 組相比，經浸漬冷凍處理后，各處理組的原果膠及總果膠含量顯著下降（P＜0.05），水溶性果膠含量顯著上升（P＜0.05）。這表明凍結處理對梨果實中果膠有顯著的影響，冷凍導致果實的細胞壁受到損傷，造成細胞壁結構降解及果膠損失。原果膠向水溶性果膠及果膠酸等物質轉變，使得水溶性果膠含量升高。同時果膠含量的變化與凍結樣品硬度值的變化趨勢相一致，這也說明了果實軟化與果膠物質變化密切相關。凍結處理組中，-40IF-T原果膠和總果膠含量最高，分別為16.16%、18.30%；其次是-40IF 處理組，分別為15.36%、17.67%；與-20IF 相比，-40IF-T 水溶性果膠含量降低了31.85%。這表明，凍結速率的提高能夠有效降低組織細胞的損傷，抑制原果膠的降解及果膠物質的流失，保持細胞壁的堅挺狀態，維持解凍后果實硬度品質。冷凍草莓研究結果也表明，快速凍結在一定程度上抑制了原果膠分解[38]。同一凍結溫度下，較單一浸漬冷凍處理組相比，復合浸漬冷凍組的原果膠含量較高，水溶性果膠含量較低。這表明使用多元載冷劑或在載冷劑中添加冷凍保護劑在一定程度上可以抑制細胞壁多糖的降解。

圖5 浸漬冷凍對梨果膠含量的影響Fig.5 Effect of immersion freezing on gum content of pear

2.5 浸漬冷凍對梨水溶性果膠紅外光譜及顯微結構的影響

傅里葉紅外光譜是分析多糖分子結構的重要工具，分子結構的變化會在吸收峰的位置及強度上有所體現。新鮮及不同浸漬冷凍處理后梨水溶性果膠傅里葉紅外光譜如圖6 所示。在3300～3500 cm-1處的寬拉伸峰代表了羥基的振動，在2929 cm-1左右處觀察到的小吸收峰是由于C-H 伸縮振動產生的[39]。在1747 cm-1處的吸收峰由于酯羰基的C=O 鍵的伸縮振動，1610 cm-1處的是不對稱羧基（COO-）伸縮振動，這兩處的吸收峰面積可以來預測甲酯化程度[40]。在鈣浸漬處理草莓[25,41]研究中指出，低酯化度有利于鈣離子與水溶性果膠交聯，從而抑制其分解。1400 cm-1處吸收峰表示C-H 鍵的伸縮振動，在1101 cm-1處的吸收峰是由于果膠糖基殘基的吡喃糖環的拉伸振動[42]。圖6 顯示了不同處理組的水溶性果膠的特征吸收峰。經凍結處理后2929 cm-1處吸收峰較CK 組有所減小，3435 cm-1處的峰沒有明顯變化。與CK 組1101.35 cm-1處吸收峰相比，浸漬冷凍處理組在該處的吸收峰均向左偏移，同時峰強度有所減弱。與CK 組相比，-20IF、-20IF-T、-40 F 和-40IF-T 處理組1747 cm-1處只能觀察到微弱的吸收峰，近乎趨近于直線增長，但各冷凍處理組紅外光譜圖未有新增的峰。這表明浸漬凍結處理后對梨果實中水溶性果膠結構沒有影響。各處理組之間水溶性果膠紅外光譜圖沒有明顯的差異。這表明不同溫度冷凍處理及海藻糖和聚賴氨酸的添加對水溶性果膠的結構沒有明顯的影響。冷凍梨解凍后發生軟化，且伴隨汁液損失，導致各果膠含量發生變化。但傅里葉紅外光譜測定水溶性果膠化學結構中各官能團吸收峰與新鮮樣品中并無區別，可能凍結沒有改變梨水溶性果膠的化學結構。

圖6 不同浸漬冷凍條件下梨水溶性果膠傅里葉紅外光譜圖Fig.6 Fourier infrared spectra of water-soluble pectin of pear under different immersion freezing conditions

原子力顯微鏡（AFM）作為一種成像工具可以來觀察水果和蔬菜中食物大分子和膠體的變化[43]。如圖7 所示是新鮮果實及不同浸漬冷凍處理條件下梨水溶性果膠的原子力顯微圖像。從圖7 可以觀察到云母片上的水溶性果膠聚合物是許多小的橢圓形。IMAIZUMI 等[44]報道了獼猴桃中水溶性果膠聚合物也是類似結構。與新鮮的皇冠梨相比，冷凍處理后AFM 圖中圓點分布更密集，更加聚集，但水溶性果膠高度略有降低。這可能是由于凍結處理導致果實軟化，在酶作用下原果膠向水溶性果膠轉化，造成樣品中水溶性果膠含量上升[45]，在顯微鏡下呈現成片聚集分布狀態。

圖7 浸漬冷凍條件下梨水溶性果膠原子力顯微圖Fig.7 AFM diagram of pear soluble pectin under immersion freezing condition

2.6 浸漬冷凍對梨微觀結構的影響

除物理化學性質外，細胞的微觀結構圖也可反映果實受到的機械損傷。緩慢的凍結速率會產生較大的冰晶對食物組織造成不可逆的損傷，而快速的凍結速率通?？梢酝ㄟ^產生細小且均勻的冰晶來保持食物的微觀結構。如圖8 可知，不同處理條件下，梨果實細胞的微觀結構存在明顯差異。新鮮梨（CK）的細胞結構分明，紋理清晰，細胞孔洞大小較為一致，排列規律，細胞結構完整。而經過冷凍處理后的各組細胞結構都受到一定的破壞，細胞孔洞呈現大小不一，細胞撕裂，還存在部分坍塌。經-20IF 處理的樣品微觀結構中細胞孔徑最大，組織塌陷、收縮最為嚴重，-20IF-T 處理組次之。-40IF 及-40IF-T 處理均具有比-20IF 及-20IF-T 處理組更完整的微觀結構。這可能是因為-40 ℃凍結條件下凍結速率快，相變時間短可以促進樣品中可凍結的水分快速轉化為冰晶[46]。較高的熱傳遞促進大量細小冰晶形成，對組織細胞造成的損傷較小。從而降低了因細胞壁改性引起的細胞壁損傷和組織撕裂等現象，因此，樣品的微觀結構較為完整?？梢?，凍結食品微觀結構的變化與凍結溫度密切相關。SOPHIE 等[10]研究了蘋果組織在三種不同溫度下冷凍后的細胞結構的變化，結果表明較低的凍結溫度下細胞損傷較小，在土豆[47]、蘿卜[48]等研究中顯示了相同的結果。在相同凍結溫度下，其凍結速率沒有較大差異，但復合浸漬冷凍處理組SME 圖像較單一浸漬冷凍組細胞結構完整，組織塌陷少。這表明所選用的復合浸漬液能保持冷凍食品的微觀結構。這可能是由于海藻糖能夠防止大冰晶的生長，保護細胞結構在冷凍過程中不受冰晶損傷。

圖8 浸漬冷凍對梨微觀結構的影響（130×）Fig.8 Effect of immersion freezing on microstructure of pear (130×)

3 結論

本試驗研究了浸漬冷凍對鮮切皇冠梨質地的影響。結果表明：-40 ℃復合浸漬凍結處理更好地維持梨果實的硬度，抑制原果膠的分解及水溶性果膠含量的升高，降低果實內部果膠的損失，維持了細胞壁原有的結構。-40 ℃浸漬冷凍處理組中，梨細胞的微觀結構更接近新鮮果實，細胞結構清晰，排布更為規律，無明顯細胞塌陷。同時能夠抑制凍結過程中浸漬液溶質向梨中的滲透。綜上所述，降低冷凍溫度及復合載冷劑的使用有利于抑制解凍后皇冠梨質地的軟化，維持果實細胞原有結構，降低冷凍過程中浸漬液溶質的大量滲透，減少過量外源物質對細胞的損傷。

? The Author(s) 2024.This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).