不同聚合度糖渗透对苹果片干燥特性及品质的影响

肖 敏,易建勇,毕金峰*,彭 健,张 彪,高 琨

(中国农业科学院农产品加工研究所,农业部农产品加工重点实验室,北京 100193)

摘 要:渗透作为果蔬干燥预处理方式,能减少干燥时间、提高产品质量。为探究不同聚合度糖渗透对苹果片热风-压差闪蒸联合干燥特性及产品品质的影响,采用单糖(果糖、葡萄糖)、二糖(蔗糖、麦芽糖)、三糖(棉子糖)、四糖(水苏糖)对苹果片进行渗透和热风-压差闪蒸联合干燥实验。对渗透苹果片热风干燥特性曲线进行干燥动力学模型拟合,选择热风干燥至水分比为0.1的样品进行压差闪蒸处理,并对所得苹果脆片质构和色泽进行分析。结果表明:除麦芽糖外,随着渗透所用糖的聚合度增加,渗透效率降低;Page模型能准确地(R2>0.998)描述渗透后苹果片的热风干燥规律;与未渗透处理的对照组样品相比,实验所选不同聚合度糖能显著提高苹果脆片的硬度,其中棉子糖和水苏糖对脆度提高作用最显著;此外,渗透可以保护苹果片色泽,但不同糖液渗透后苹果片的Δ E差异并不显著。本研究可为果蔬干燥渗透预处理的糖种类的选择提供理论依据。

关键词:苹果;渗透;干燥特性;品质

我国是世界上最大的苹果生产国和消费国,苹果产量在2015年已超过4 000万 t,占世界总产量一半左右。苹果中含有高达87 g/100 g(mf)的水分,易腐败变质。果蔬干燥是一种有效减少水分、提高产品稳定性、延长货架期的重要加工途径[1]。目前苹果的干燥方式研究主要有热风干燥[2]、真空冷冻干燥[3]、压差闪蒸干燥[4]等,热风干燥操作简便,但产品品质差;真空冷冻干燥能较好保留苹果片营养物质,但产品口感酥软且耗能大。压差闪蒸干燥(instant controlled pressure drop,DIC)[5]结合了热风干燥和真空冷冻干燥的优点,原理是将除去部分水分的果蔬原料放在闪蒸罐中升温加压,保温保压一段时间后瞬间卸压,物料内部水分“闪蒸”,物料瞬间膨胀,在真空状态下脱水干燥,产生疏松多孔结构,形成酥脆口感。

渗透是指将物料置于高渗溶液中,由于水分梯度和浓度差,会同时发生物料中水分渗出和溶液中溶质渗入物料两个过程[6]。作为在热风干燥前最常见的一种预处理方式,渗透可以减少干燥时间和提高干燥产品品质[7]。近年来,渗透作为一种预处理方式受到越来越多的关注[8-11],在苹果渗透方面,Simal等[12]研究了蔗糖渗透对苹果片热风干燥特性的影响,Falade等[13]比较了不同浓度的蔗糖溶液对干燥苹果片感官得分的影响,Azarpazhooh等[14]发现微波-渗透可以降低热风干燥苹果片的硬度,提高其脆度。渗透液的种类对渗透过程中物质传递及后期干燥过程中干燥速率和产品品质都有显著影响,果蔬渗透的研究中,常用的糖液主要包括果糖、葡萄糖、蔗糖、海藻糖等。对于消费者来说,糖的过量摄入不利于人体健康,因此选择一种合适的糖渗透液,在保持产品感官品质的同时,还具有功能性作用,具有十分重要的意义。棉子糖和水苏糖分别是天然的三糖和四糖,甜度均为蔗糖的22%左右,具有良好的稳定性[15-16]。这两种糖均是双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌极好的营养源和有效增殖因子,可改善人体消化道内环境。本研究以苹果片为原料,探究了几种不同聚合度的糖(单糖:葡萄糖、果糖;双糖:蔗糖、麦芽糖;三糖:棉子糖;四糖:水苏糖)对苹果片渗透特性、后期干燥特性和产品品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果(品种:秦冠;产地:陕西静宁)购于北京清河小营市场,含水量(87.0±0.3) g/100 g(以鲜质量计),经去皮、去核后,切成厚度10 mm、直径20 mm的圆柱备用。葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、棉子糖和水苏糖(食品级) 山东圣协生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

CL50蔬菜水果切片机 法国Robot Couple公司;hhhDHG-9203电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;QDPH10-1果蔬压差闪蒸设备 天津勤德新材料科技有限公司;TA-XT2i质构仪 英国Stable Micro System公司;S-570扫描电子显微镜、MASTER-2α手持阿贝折光仪 日本日立公司;MCR301流变仪 奥地利Anton Paar有限公司;CM-700d1色彩色差仪 日本柯尼卡美能达公司。

1.3 方法

1.3.1 渗透脱水预处理

分别配制40ºBrix的单糖(葡萄糖、果糖)、二糖(蔗糖、麦芽糖)、三糖(棉子糖)、四糖(水苏糖)溶液,将20 g苹果片置于装有糖液的烧杯中,料液比1∶8(m/V),温度为25 ℃,渗透时间180 min,每隔15 min用玻璃棒手动搅拌1次,转速约1 r/s。渗透结束后,将苹果片置于漏勺中,然后放入装有1.6 L蒸馏水的烧杯中1 s(漏勺中苹果片离液面约10 cm)后拿起用蒸馏水快速冲洗,重复上述步骤3 次,并用滤纸拭干表面水分。

1.3.2 热风-压差闪蒸干燥

将渗透后苹果片进行热风干燥(干燥温度70 ℃,风速2.1 m2/s)至水分比为0.1。将预干燥后的苹果片置于自封袋中,4 ℃均湿18 h,再进行压差闪蒸干燥。压差闪蒸干燥的条件参考王雪媛等[17]的方法略作改动,具体参数设置为:闪蒸温度90 ℃,停滞时间10 min,抽真空温度70 ℃,抽真空时间2 h。

1.3.3 渗透液黏度的测定

采用流变仪进行测定,探头型号为CP50-1-SN12929,温度设定为25 ℃,固定剪切速率为50 s-1,测定时间2 min,共测定20 个点,取平均值作为渗透液的黏度。

1.3.4 苹果片水分损失率、固形物增加率、脱水效率指数的计算

苹果片渗透过程中水分损失率(water loss,WL)、固形物增加率(solids gain,SG)、脱水效率指数(dehydration efficiency index,DEI)计算见公式(1)~(3)[11]

式中:Mo、Mt为样品渗透初始时刻和t时刻的质量/g;Xwo、Xwt分别为渗透初始和t时刻干基含水量/(g/g);Xso、Xst为渗透初始和t时刻固形物含量/(g/g)。

1.3.5 干燥数学模型分析

水分比(moisture ratio,MR)为物料在一定条件下的剩余含水率。和物料含水率比较,平衡含水率Me很小,在MR计算中可忽略不计,即Me≈0,计算公式如式(4)所示。

式中:M为任意时刻的干基含水率/(g/100 g);Me为样品平衡时干基含水率/(g/100 g);Mo为样品初始干基含水率/(g/100 g)。

数学模型有助于预测和模拟干燥特性,进而帮助更好地理解干燥机理。为了选出能更好预测渗透后苹果片热风干燥特性的数学模型,本实验选用了4 个模型公式[18],具体如下:

表1 热风干燥曲线分析数学模型
Table1 Mathematical models for hot-air drying curves

注:MR表示水分比;t表示时间;k、a、g表示相应模型的方程系数。

1.3.6 水分扩散系数计算

水分扩散系数可以用来预测水分散失过程,干燥的降速阶段,可用菲克第二定律描述其干燥特性。假设初始物料内部水分分布均匀,水分移动的阻力可忽略不计,方程[19]具体如式(5)所示。

只考虑一维扩散,上式可简化为式(6)。

式中:MR为水分比;L表示物料厚度的一半/m;t为干燥时间/s;Deff为水分有效扩散系数/(m2/s)。作ln(MR)与t的对应关系图,得到斜率F,由式(7)计算求出Deff

1.3.7 硬度和脆度的测定

硬脆度采用质构仪测定。探头型号采用HDP/BSW,测试条件为:前期测试速率2.0 mm/s,检测速率1.0 mm/s,后期检测速率2.0 m m/s,触发力度100 g,检测距离为10 mm。每个处理取8 次平行。硬度用峰的最大值表示;脆度用峰的个数表示,峰数 越多,脆度越大[20]

1.3.8 色泽的测定

色泽采用色差仪测定,依据CIELAB表色系统测定苹果片的明度值L、红绿值a、黄蓝值b,并计算总色差ΔE值,ΔE值越小,说明与鲜样颜色越接近,色泽越好。计算公式如式(8)所示[10]

式中:ΔL表示不同糖液渗透处理后压差闪蒸苹果脆片L与鲜样L的差值;Δa表示不同糖液渗透后压差闪蒸苹果脆片a与鲜样a的差值;Δb表示不同糖液渗透后压差闪蒸苹果脆片b与鲜样b的差值。

1.4 数据分析

采用SPSS 21.0软件进行数据分析和Origin 9.0软件进行模型拟合,采用决定系数R2、卡方检验值χ2和均方根误差(root mean square error,RMSE)对模型拟合评价。R2越大、χ2和RMSE越小,拟合的效果越好,则模型能很好地反映苹果片热风干燥过程中水分变化规律[21]

2 结果与分析

2.1 不同渗透液对WL和SG的影响

表2 不同渗透液对WL和SG的影响
Table2 Effect of different osmotic solutions on WL and SG

注:同列中不同肩标字母表示差异显著(P<0.05)。表5、6同。水分含量是指不同糖溶液渗透4 h后,苹果片的干基含水率。

如表2所示,不同渗透液对苹果片WL和SG的影响不同,且WL远大于SG,原因是水分子的分子质量比糖低,分子迁移时所受阻碍更小。总体而言,苹果片WL、SG随着渗透糖聚合度的增加而下降,其中葡萄糖溶液渗透的苹果片WL最大,为22.97 g/100 g,果糖溶液渗透的SG最大,为5.75 g/100 g。这是由于聚合度低的糖分子质量小,而相同甜度的糖液,分子质量小则具有较大的渗透压,因此低聚合的糖有利于渗透的进行。但麦芽糖的WL和SG分别为8.35、2.57 g/100 g,都显著低于其他糖液渗透组,这可能与麦芽糖黏度高有关。表2中相同甜度的6 种渗透液黏度呈现显著性差异(P<0.05),其中麦芽糖黏度最大,为11.70 mPa•s,其他糖的黏度随着聚合度的增加而增大,果糖黏度最小,为4.88 mPa•s。这进一步说明了黏度对渗透过程的物质迁移影响显著,因为高黏度的糖溶液会减少样品与渗透液的接触,从而降低溶质迁移速率。类似结果在Ito[22]和An Kejing[23]等的研究中也有出现。高黏度导致麦芽糖的脱水效率指数低,仅为3.0,渗透脱水4 h后,麦芽糖处理组苹果片含水率为5.09 g/g,显著高于其他糖液渗透处理组。综合以上可以分析得出,糖聚合度和糖溶液黏度共同影响WL和SG,即糖聚合度越大、黏度越高,WL和SG越小,脱水效率也越低。

2.2 苹果片渗透脱水-热风干燥模型

表3 渗透后苹果片热风干燥模型数据拟合结果
Table3 Statistical results of drying models for apple slices subjected to osmotic dehydration

渗透苹果片的热风干燥模型拟合结果如表3所示,R2越高、χ2和RMSE越小,说明模型拟合效果越好。所用4 种干燥模型对不同糖液渗透后苹果片干燥模拟所得R2都大于0.99,说明4 种模型均可用于渗透后苹果片的热风干燥拟合且拟合度高。其中Page模型所得R2、χ2和RMSE的均值分别为0.999 376、0.001 029、7.383 9×10-5,拟合效果最好,Page模型可以准确地预测渗透处理后苹果片热风干燥过程。Revaskar[24]、Goyal[25]等分别在洋葱、芒果干燥中也得到类似的结果。

图1是不同渗透液处理后苹果片在热风干燥过程中水分比随时间变化实际值和Page模型拟合结果。由图1可知,Page模型能准确地拟合渗透后苹果片热风脱水过程。苹果片的水分比随着干燥时间的延长而下降,干燥速率在初始阶段最大,随着时间的延长逐渐降低,整个干燥过程属于降速干燥。说明苹果片干燥过程中水分扩散是影响质量传递的主导因素,这与王雪媛等[26]研究的中短波红外干燥苹果片干燥特性一致。由图1还可以看出,热风干燥至水分比为0.1以后,干燥速率变缓慢,可以此为水分转换点,利用压差闪蒸干燥作为苹果片后续干燥方式。

图1 不同渗透液处理后苹果片在热风70 ℃条件下水分比及Page模型拟合
Fig.1 Experimental moisture ratio versus drying time fi tted with the Page model at drying air temperature of 70 ℃

2.3 不同渗透液对苹果片热风干燥水分扩散系数的影响

表4 不同糖液渗透苹果片热风干燥70 ℃条件下的水分扩散系数
Table4 Effective water diffusion coef fi cients of osmotically dehydrated apple slices at hot air drying temperature of 70 ℃

注:时间是指不同处理组苹果片热风干燥至MR=0.1时所需时间。

运用菲克第二定律计算出渗透苹果片热风干燥水分扩散系数,结果如表4所示。未渗透的苹果片Deff最大,为4.660 8×10-9m2/s;麦芽糖渗透的苹果片Deff最小,为3.512 5×10-9m2/s。水分扩散系数主要与干燥温度、物料含水率、物料组织结构等因素有关。 渗透后的苹果片水分含量降低,自由水含量低,导致水分移动更困难;同时,渗透导致物料内部和表面固形物增加,增加了水分移动阻力,这两方面的因素共同导致了渗透后的苹果片水分扩散系数下降。

通过Page模型拟合公式,可以得出不同处理组苹果片热风干燥至MR为0.1时所需干燥时间,结果如表4所示。与对照组相比,除麦芽糖外,其他糖渗透后预干燥时间缩短了9%~31%。可能是因为渗透脱水后,苹果片的固形物含量增加,水分含量降低,所以,虽然水分扩散系数降低,但也缩短了干燥时间。而麦芽糖渗透后苹果片预干燥时间并未显著减少,可能是麦芽糖黏度大(表2),渗透脱水能力弱,导致预干燥初始水分含量高;水分扩散系数小,干燥过程脱水效率低,导致预干燥时间与对照组无显著差异。但苹果片可通过渗透除麦芽糖以外实验所用糖,缩短干燥时间,其中单糖干燥时间最短,这与单糖渗透过程中水分散失能力最强有关。2.4 不同渗透液对压差闪蒸干燥苹果脆片质构的影响

表5 不同渗透液对压差闪蒸苹果脆片硬度和脆度的影响
Table5 Effect of different penetrants on hardness and crispness of DIC apple chips

硬度和脆度是评价脆片产品的重要感官指标。将不同糖液渗透后苹果片热风70 ℃条件下干燥至水分比为0.1后,进行压差闪蒸干燥得到苹果脆片,不同渗透液对苹果片硬脆度、水分的影响如表5所示。与未渗透组相比,渗透组压差闪蒸苹果脆片的硬度显著增加,原因可能是干燥过程中水分从物料内部往外部迁移的过程中,带动了物料内部糖分的移动,物料表面糖组分浓度增加,干燥加热过程使糖组分结晶化,引起表面形成坚硬的壳;另一方面,糖分与苹果自身组分通过羟基的氢键相互作用[27],使组织结构硬度增加。对于葡萄糖和果糖渗透的物料,固形物增量较其他渗透实验组高,因此硬度也比其他渗透组的压差闪蒸苹果脆片高[28]。与未渗透组相比,渗透后的压差闪蒸干燥苹果脆片干基含水率显著降低,这可能是影响最终苹果脆片质构的因素之一。葡萄糖和果糖渗透后的压差闪蒸干燥苹果脆片的干基含水率显著低于未渗透组,但脆度无显著性差异,说明可溶性固形物增量也会影响苹果脆片的脆度。葡萄糖和果糖渗透后的压差闪蒸干燥苹果脆片的脆度与未渗透组无显著性差异,其他糖液渗透后的脆度显著增加。可能的原因是相比于单糖,苹果片经二糖、三糖和四糖渗透后固形物增量小,预干燥至水分比为0.1时,皱缩率更大,产生更大内部应力,导致细胞壁破坏[29],经压差闪蒸处理后,更易形成疏松多孔结构,因此脆度更大。与对照组相比,麦芽糖、棉子糖、水苏糖渗透处理后的苹果脆片虽然硬度增加,但在可接受范围内,且整体酥脆性增加。

2.5 不同渗透液对压差闪蒸干燥苹果脆片色泽的影响

表6 不同渗透液对压差闪蒸苹果脆片色泽的影响
Table6 Effect of osmotic treatments on color of DIC apple chips

不同渗透液对压差闪蒸苹果脆片色泽影响如表6所示,与鲜样相比,未渗透组苹果脆片亮度值(L值)明显下降,渗透处理组脆片的L值变化不明显。糖液渗透可以抑制苹果片的褐变,糖分的渗入,一方面阻止细胞壁被破坏,减少酶与底物的接触[30];另一方面,隔绝了氧气,有效地抑制了酶促褐变。与未渗透组和鲜样对比,渗透后苹果片的a值下降,表明鲜样和未渗透组的样品颜色更偏红。b值越高,表明样品越偏黄,未渗透组和水苏糖渗透后的苹果片偏黄,而其他组与鲜样无显著性差异。渗透后苹果脆片总色差值ΔE明显小于未渗透组(P<0.05),表明渗透糖液可以较好地保持苹果片原有色泽,且实验所选糖液对色泽的保护能力无显著差异(P>0.05)。

3 结 论

溶液黏度和溶质分子质量共同影响渗透后苹果片的WL、SG,糖聚合度的增加、渗透液黏度的增大均会降低苹果片脱水效率;Page模型可以较好地反映渗透处理后苹果片热风干燥过程;所选糖液能显著增加压差闪蒸干燥苹果脆片的硬度和脆度,且棉子糖和水苏糖对脆度增加作用最显著;渗透后压差闪蒸苹果脆片色泽保持良好,且实验所选不同糖液对苹果片色泽均能起到较好的保护作用。结合本研究结果及棉子糖和水苏糖作为新型功能性糖的优势,可将这两种低聚糖作为良好的渗透液替代品,制备口感酥脆、具有功能性的苹果脆片。

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Effect of Sugars with Different Degrees of Polymerization on Apple Hot-Air Drying Behavior and Physical Characteristics of Instant Controlled Pressure Drop Dried Apple Chips

XIAO Min, YI Jianyong, BI Jinfeng*, PENG Jian, ZHANG Biao, GAO Kun
(Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Abstract:Osmotic dehydration is a pre-treatment f or drying of fruits and vegetables, which can reduce the drying time and improve food quality. The effects of different osmotic pretreatments on apple hot-air drying behavior and physical characteristics of instant controlled pressure drop dried apple chips were investigated. Samples were immersed in monosaccharide (fructose, glucose), disaccharide (sucrose, maltose), trisaccharide (raff i nose), and tetrasaccharide (stachyose), respectively. Sugar gain and water loss were analyzed. The samples were further hot air-dried and the experimental data were fi tted successfully using the Page model. Compared with the untreated samples, osmotic dehydration using selected sugar solutions contributed to better texture and color retention. Samples pretreated by raff i nose and stachyose immersion exhibited the highest crispness. This study could provide a reference for the choice of osmotic solutions for pretreatment prior to drying of fruits and vegetables.

Key words:apple; osmotic dehydration; drying behavior; quality

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201709009

中图分类号:TS255.42

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)09-0053-06

引文格式:

肖敏, 易建勇, 毕金峰, 等. 不同聚合度糖渗透对苹果片干燥特性及品质的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(9): 53-58. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201709009. http://www.spkx.net.cn

XIAO Min, YI Jianyong, BI Jinfeng, et al. Effect of sugars with different degrees of polymerization on apple hot-air drying behavior and physical characteristics of instant controlled pressure drop dried apple chips[J]. Foo d Science, 2017, 38(9): 53-58. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201709009. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-12-14

基金项目:“十三五”国家重点研发计划重点专项(2016YFD0400200)

作者简介:肖敏(1991—),女,硕士研究生,研究方向为农产品加工及贮藏工程。E-mail:hmxiao1005@163.com

*通信作者:毕金峰(1970—),男,研究员,博士,研究方向为果蔬加工理论与技术。E-mail:bijinfeng2010@163.com