浸泡保脆工艺的优化对老山芹解冻后品质的影响

李笑梅,赵廉诚,邢竺静,王如梦,高飞雪,马 娜,张 娜

(哈尔滨商业大学食品科学与工程学院,黑龙江省食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨 150076)

老山芹(HeracleummoellendorffiiHance)是东北地区特有的山野菜之一,富含膳食纤维、氨基酸和维生素等[1]。其中,维生素C含量最为丰富,是普通蔬菜的十几倍[2]。其颜色青绿、滋味清香、口感挺脆,常用于清炒、炝拌、馅料、烧肉辅料,深受人们的欢迎。老山芹仅在每年4～5月份成熟[3],收获期短,无法常年供应,也造成天然野生资源的浪费。因此,研究老山芹的保藏方法至关重要。

季节性蔬菜的保藏加工技术有干制保藏、腌渍保藏、罐藏、速冻保藏等[4-8]。随着近年山野菜的速冻保藏加工技术市场需求持续增加[9-10],国内外对于速冻保藏工艺的研究亦成为热点,但该技术的关键是要解决解冻后脆度明显降低的问题。刘卫等[5]研究得出,腌渍蔬菜加入一定量钙盐可以有效地保持其脆度;另外,采用低温漂烫可以提升果胶甲酯酶50%的活性,以此在保脆工艺中产生增效作用。而在国外也有类似研究,Rico等[11]发现利用金属离子可以激活内源性果胶甲酯酶,并促使金属离子在内部反应生成果胶酸盐,而果胶酸盐属于凝胶物质[12-16],在植物细胞壁与细胞膜之间具有很好的附着效果,能够防止细胞皱缩[17]。Shannon等[18]的研究发现,加热也可以激活果胶甲酯酶,并通过与金属离子反应生成果胶酸盐,进而给植物组织提供良好的支撑作用[19-20],从而使蔬菜解冻后仍保持理想的口感。关于蔬菜保藏的研究逐年增多,但是由于不同原料所达到的保脆效果是不同的,工艺参数也有所差别,同时关于老山芹速冻保脆的相关研究未见报道。

因此,本文以老山芹为原料,在速冻前采用复配金属盐浸泡并优化其工艺条件,以获得老山芹速冻前预处理保脆关键技术,旨在解决老山芹在解冻后组织状态变软、口感变差的问题,以期为冷冻食品企业山野菜速冻保藏提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

老山芹 黑龙江省备案东升食品有限公司;盐酸、硝酸、过氧化氢 分析纯,天津市大陆化学试剂厂;海藻酸钠、氯化钙、乳酸钙 食品级,浙江一梦生物科技有限公司。

TDL-4A型台式离心机 上海菲恰尔分析仪器有限公司;HJ-GW30型高温灰化炉 东莞恒骏仪器设备有限公司;ZEEnit 700P型原子吸收分光光度计 德国耶拿分析仪器股份公司;TA.new plus型质构分析仪 美国Isenso智能科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 老山芹保绿保脆工艺流程 新鲜老山芹→清洗→可食部切段→50 ℃保脆液浸泡→凉水冷却至室温→漂烫灭酶(90 ℃,料液比1∶11,180 s)→凉水冷却至室温→速冻(-18 ℃,风速3.5 m/s)→解冻(室温解冻)

1.2.2 老山芹保脆工艺研究

1.2.2.1 保脆剂筛选 实验中保脆剂均配制为浓度4 g/L的保脆液,其中复配保脆剂比例设为1∶1,样品与保脆液的料液比为1∶11。

选取氯化钙、乳酸钙、海藻酸钠、氯化钙-乳酸钙、氯化钙-海藻酸钠、乳酸钙-海藻酸钠六种保脆剂,以溶出钙含量为指标,筛选保脆剂。同时做未加保脆剂对照试验(n=3)。

1.2.2.2 保脆剂处理方式对样品钙含量变化的影响 不同的实验组设计见表1,采用老山芹中溶出钙含量衡量6组实验组不同设计的保脆效果。

表1 不同处理方式及评价指标 Table 1 Different treatments methods and evaluating indicator

1.2.2.3 老山芹保脆工艺单因素实验 将老山芹切成4 cm左右小段样品浸泡于50 ℃保脆液中,在一定保脆剂复配比、保脆剂浓度、浸泡时间下进行,然后用去离子水冲洗样品以除去多余的保脆剂,分别考察各因素不同水平对解冻后老山芹中溶出钙含量及品质指标的影响。

1.2.2.3.1 保脆剂复配比对溶出钙含量及脆度和咀嚼性的影响 在保脆剂浓度4 g/L、浸泡时间30 min的条件下,分别考察保脆剂复配比(氯化钙∶海藻酸钠,g∶g)为1∶0.25、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶4对溶出钙含量、脆度及咀嚼性的影响。

1.2.2.3.2 保脆剂浓度对溶出钙含量及脆度和咀嚼性的影响 在复配比1∶2，浸泡时间30 min的条件下,分别考察保脆剂浓度1、2、3、4、5 g/L对溶出钙含量、脆度及咀嚼性的影响。

1.2.2.3.3 浸泡时间对溶出钙含量及脆度和咀嚼性的影响 在保脆剂浓度4 g/L，复配比1∶2条件下,分别考察热处理时间10、20、30、40、50 min对溶出钙含量、脆度及咀嚼性的影响。

1.2.2.4 响应曲面法确定最优保脆工艺条件 以保脆剂浓度、保脆剂复配比例、浸泡时间为自变量,以溶出钙含量为指标,设计响应曲面法优化保脆工艺试验。因子编码及水平见表2。并采用多元回归分析,拟合二次多项式回归模型的Box-Behnken设计试验[1],进行结果分析,得最优保脆工艺条件,并采用此条件做验证试验。

表2 Box-Behnken试验设计因素及水平Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiment design

1.2.3 指标的测定

1.2.3.1 老山芹中总钙含量测定 老山芹中总钙含量测定参照食品安全国家标准 食品中钙的测定 火焰原子吸收法(GB 5009.92-2016)。其中总钙含量计算公式如式(1)。

式(1)

式中:X-老山芹灰化液中总钙的含量,mg/100 g;C-老山芹灰化液中钙的质量浓度,mg/L;n-老山芹匀浆灰化液的稀释倍数;V-老山芹匀浆灰化液的定容体积,mL;m-吸取老山芹灰化液的质量,mg。

1.2.3.2 老山芹中溶出钙含量测定 因为经过复配的钙盐浸泡保脆处理,进入植物组织中的钙是可以被NaCl溶出的,将解冻后的老山芹匀浆化,并取一定量的匀浆,用1 mol/L NaCl溶液提取溶出钙并定容过滤,以原子吸收法定量,溶出钙含量的计算公式如式(2)。

式(2)

式中:V-NaCl定容体积,mL;其他各项同于式(1)。

表3 不同处理方式下老山芹中钙含量的变化Table 3 Changes in calcium content in Heracleum moellendorffii under different treatments

注:*表示多重比较差异显著(P<0.05)。

按表1分组测定钙含量,评价样品经保脆剂处理,对样品钙含量变化的影响,并计算得出钙增加量,计算公式如式(3)。

M=M1-M2

式(3)

式中:M-老山芹中钙增加量,mg/100 g;M1-老山芹中总钙含量,mg/100 g;M2-老山芹中溶出钙含量,mg/100 g。

1.2.3.3 老山芹解冻后品质指标及测定 老山芹解冻后品质指标选定为:溶出钙含量和与口感相关的脆度、咀嚼性,其中使用TA.new plus型质构仪选择Volodkevich-bite探头穿刺样品以模拟门牙测定脆度,使用P/0.5探头以形变方式测定咀嚼性。探针的前后速度为2.00 m/s,触发力为5.0 g,时间间隔为5 s。待测样品的茎部均处理成1 cm3的小方块。

1.2.4 溶出钙与脆度、咀嚼性的相关性分析 采集单因素实验中全部溶出钙与脆度、咀嚼性的数据,利用SPSS 13.0进行相关性分析,测得溶出钙与脆度、咀嚼性的相关系数。

1.3 数据处理

实验取3次平行测得平均值,均以mean±sd表示。采用Excel、SPSS Statistics 17.0软件对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 适宜保脆剂的筛选

保脆剂筛选结果见图1。由图1可知,海藻酸钠组与未加保脆剂的鲜样品对照组无显著差异,溶出钙含量最低,但是与其他几组相比具有显著差异(P<0.05)，说明单一的海藻酸钠浸泡对样品钙的含量及溶出量均没有影响;其次乳酸钙组溶出钙含量也较低,说明通过浸泡乳酸钙可以进入植物原料组织中,但相对较少;而氯化钙、乳酸钙-氯化钙、乳酸钙-海藻酸钠三组之间的溶出钙含量无显著性差异(P>0.05),且溶出钙含量相对较高,这是因为此类钙盐可以更有效地激活果胶甲酯酶活性[19],并生成果胶酸钙,使得溶出钙含量显著增多(P<0.05),Rico等也证实氯化钙可以更好地促进果胶甲酯酶的激活,以致样品品质更佳[11]。氯化钙-海藻酸钠组的溶出钙含量显著高于其他各组(P<0.05),综合分析氯化钙比乳酸钙的作用有效,海藻酸钠虽然自身没有作用,但是与钙盐复合有明显的增效作用,而且与氯化钙复配的效果协同增效作用最好,其原因是因为海藻酸钠具有稳定性、溶解性、粘性,并且与钙有很好的亲和性,可进一步增加黏度与附着性,更易于与果胶生成果胶酸钙。因此,选取氯化钙-海藻酸钠作为保脆剂。

图1 保脆剂的筛选Fig.1 Screening of crisp-keeping agents 注:标注的不同字母表示多重比较 差异显著(P<0.05),图2～图7同。

2.2 保脆剂处理方式对样品钙量变化的影响

保脆剂处理方式对样品钙量变化的影响结果见表3。

由表3可知,与对照组1比较,采用复配保脆剂浸泡样品后,引起组3总钙量显著增加70.55 mg/100 g(P<0.05),与对照组2比较,组4钙增加量显著增加(P<0.05)，很好地说明了样品中钙含量增加是保脆剂浸泡的结果。组5与对照组2的溶出钙比较,其溶出钙含量无显著差异(P>0.05);组6与组4的溶出钙比较,其钙增加量无显著差异(P>0.05),说明保脆剂浸泡效果不会受到后续漂烫、速冻、解冻工艺的影响,因此,认为选用氯化钙—海藻酸钠复配浸泡样品,钙可以进入老山芹组织结构中并稳定存在。

2.3 老山芹保脆工艺单因素实验

2.3.1 保脆剂不同复配比对溶出钙含量、脆度与咀嚼性的影响 由图2可知,在氯化钙质量固定的情况下,增加海藻酸钠的比例(1∶0.25～1∶2)溶出钙量显著增加(P<0.05),增加到1∶2时达到最大;之后再增加溶出钙量显著下降(P<0.05)。这是由于当海藻酸钠加入量较低时,对于Ca2+激活果胶甲酯酶活性与果胶酸的反应有增效作用[21]。但是当海藻酸钠加入量过多时,会导致海藻酸钠在浸泡水溶液中凝胶性增强,附着在样品上会阻碍Ca2+进入植物组织细胞间,所以溶出量越少[22]。

图2 保脆剂复配比对溶出钙含量的影响Fig.2 Effect of the proportion of the crisp-keeping agent on the dissolved calcium content

由图3可知,复配比<1∶2时,随复配比增加(1∶0.25～1∶2)老山芹的脆度与咀嚼性均呈现显著上升(P<0.05);超过1∶2时,脆度与咀嚼性同时显著性下降(P<0.05)。此质构仪测定量化的感官结果与上述钙溶出量结果相符,是植物组织细胞间微观变化在宏观的体现,更说明了采用氯化钙-海藻酸钠复配浸泡样品达到了改善老山芹解冻后品质的目的。因此,适宜复配比为1∶2。

图3 保脆剂复配比对老山芹脆度与咀嚼性的影响Fig.3 Effect of the ratio of crisp-keeping agent on the brittleness and chewiness of Heracleum moellendorffii

2.3.2 不同保脆剂浓度对溶出钙含量、脆度与咀嚼性的影响 通过图4可知,当保脆剂浓度小于4 g/L时,老山芹中溶出钙的含量呈上升趋势。当浓度大于4 g/L时,溶出钙量较4 g/L出现显著下降(P<0.05)。当浓度较低时,氯化钙-海藻酸钠中的海藻酸钠可以顺利进入样品组织结构细胞间隙当中,恰到好处地形成凝胶网络结构[23],并携带小分子钙进入组织当中与果胶分解产生的果胶酸反应生成果胶酸钙[24],从而协同起到固定、支撑细胞壁的作用[25];反之,当浓度较大时,海藻酸钠会以凝胶态附着在样品组织表面无法进入内部,从而也阻挡了氯化钙进入内部的通道。

图4 保脆剂浓度对溶出钙含量的影响Fig.4 Effect of crisp-keeping agent concentration on the dissolved calcium content

由图5可知,随着保脆剂浓度的上升(1～4 g/L),老山芹的脆度和咀嚼性显著增加(P<0.05),当4 g/L时两指标达到最大,脆度为4656 gf,咀嚼性为2499.31 gf。当浓度超过4 g/L时,脆度和咀嚼性均出现显著下降(P<0.05)。李昌宝等[25]的研究显示,当氯化钙增多,番木瓜的脆度与咀嚼性出现先上升后下降的趋势;尹爽等[26]也发现,氯化钙对萝卜具有保脆作用,但过浓度高时也会出现脆度下降。因此,保脆剂浓度选择为4 g/L。

图5 保脆剂浓度对老山芹脆度与咀嚼性的影响Fig.5 Effect of crisp-keeping agent concentration on the brittleness and chewiness of Heracleum moellendorffii

2.3.3 浸泡时间对溶出钙含量、脆度与咀嚼性的影响 由图6可见,当浸泡时间低于30 min时,果胶甲酯酶逐渐被激活[18],因此,果胶去甲酯化程度亦增强,从而使老山芹中的溶出钙量显著升高(P<0.05);当时间超过30 min时,老山芹中的溶出钙量显著降低(P<0.05)。这是因为海藻酸钠与氯化钙进入组织内部并与果胶酸在果胶甲酯酶催化下的反应需要一定的时间,但是在50 ℃下,时间过长会抑制果胶甲酯酶的活性[17],酶丧失活性便无法促进果胶的产生,而影响与钙的结合。

图6 浸泡时间对溶出钙含量的影响Fig.6 Effect of soaking time on the dissolved calcium content

由图7得知,浸泡时间对老山芹的脆度与咀嚼性的影响拐点也为30 min,解冻后感官品质结果与溶出钙量一致,且作用效果显著(P<0.05)。这是因为当浸泡时间较少时,果胶甲酯酶没有被完全激活,所生成的溶出钙含量便不足,导致脆度及咀嚼性同样较低;浸泡时间超过30 min时,果胶甲酯酶的活性出现下降,因此脆度与咀嚼性也随之下降。Nissreen等在实验中证明:当热处理时间过长,破坏植物组织所需要的穿刺力与加热时间存在负相关关系[17],这与本实验相符。因此,浸泡时间选择为30 min。

图7 浸泡时间对老山芹脆度与咀嚼性的影响Fig.7 Effect of soaking time on brittleness and chewiness of Heracleum moellendorffii

2.4 老山芹保脆工艺响应曲面优化试验

基于单因素实验的结果,选取复配比、保脆剂浓度和浸泡时间为自变量,溶出钙含量为响应值,利用Design Expert 8.0软件进行三因素三水平的Box-Behnken中心组合设计试验，设计方案及结果如表4所示。

表4 响应面试验设计及结果Table 4 Design and results of response surface experiment

使用Design Expert 8.0软件对表4实验数据进行多元回归拟合,各实验因子对溶出钙含量指标的影响可用如下函数表示。

溶出钙含量(mg/100 g)=98.15-7.29A+9.96B-4.31C+2.75AB+5.07AC-0.18BC-16.42A2-25.09B2-20.84C2

2.4.1 老山芹保脆模型的建立及显著性分析 通过Box-Benhnken Design 响应面分析法对实验结果拟合的模型进行方差分析,结果见表5。

根据表5试验结果可知,模型F值为167.59,P值<0.0001,表示该模型具有显著性。失拟项F值为2.71,P值为0.1797>0.05,即失拟项差异不显著,该回归方程对实验拟合度好。F值反映了各因素对溶出钙含量的影响程度,F值越大表明对溶出钙含量的影响越大[27],由表5可知FA=82.70,FB=154.28,FC=28.95,即各因素对钙含量的影响程度的大小顺序为:保脆剂浓度>复配比>浸泡时间。模型一次项A、B、C,二次项A2、B2和C2,交互项AC对响应值影响均极显著(P<0.01),交互项AB显著(P<0.05),交互项BC对响应值的影响不显著(P>0.05)。

2.4.2 响应曲面的交互作用分析 由图a知,保脆剂浓度与海藻酸钠-氯化钙的复配比对响应值的交互作用显著。由图b知,浸泡时间与海藻酸钠-氯化钙复配比交互作用显著。

2.4.3 老山芹保脆工艺参数优化及验证结果 运用Design-Expert 软件,拟合方程分析得出最优条件为:保脆剂复配比1∶1.8,浓度4 g/L,浸泡时间29 min,溶出钙含量为100.23 mg/100 g。对理论最优条件进行3次平行验证试验,溶出钙的含量平均为98.93 mg/100 g,与理论值100.23 mg/100 g差异不显著(P>0.05),较新鲜未处理的样品溶出钙含量极显著增加(P<0.01),并测得此时脆度为4618 gf,咀嚼性为2402.19 gf,故该多元二次回归方程用于对老山芹保脆工艺条件的预测是可靠的。

表5 回归模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression equation

注:**表示差异极其显著,P<0.01;*表示差异显著,P<0.05。

图8 不同因素交互作用对溶出钙含量影响的响应曲面图Fig.8 Response surface graph of different factors interaction on dissolved calcium content

2.4.4 老山芹保脆优化结果钙含量与脆度、咀嚼性相关性分析 在老山芹保脆工艺中对溶出钙含量与脆度、咀嚼性三种指标进行相关性分析,结果表明,溶出钙含量与脆度、咀嚼性的相关系数均为0.792,为极显著正相关(P<0.01);脆度与咀嚼性之间的相关系数为0.930,为极显著正相关(P<0.01)。因此,一定程度上可以说明在老山芹保脆工艺实验中,溶出钙含量的变化与脆度、咀嚼性存在直接关联,也印证了溶出钙含量的提升可以增强老山芹的脆度与咀嚼性。

表6 溶出钙含量与脆度、咀嚼性的相关性分析Table 6 Correlation analysis between dissolved calcium content and brittleness and chewiness

注:**表示在0.01级别(双尾)相关性极显著。

3 结论

本实验以老山芹为原料,从六种保脆剂中筛选出适合老山芹的保脆剂:海藻酸钠-氯化钙复配型保脆剂,并通过测定老山芹在不同处理方式下的溶出钙增加量证明了筛选出的复配型保脆剂对老山芹具有保脆作用。通过实验研究,得到最佳工艺条件为:海藻酸钠与氯化钙复配比例1∶1.8,保脆剂浓度(以浸泡液计)4 g/L,浸泡时间29 min时,溶出钙的含量98.93 mg/100 g,脆度4618 gf,咀嚼性2402.19 gf,经验证该响应曲面模型合理可靠,能够很好地预测实验结果。经过相关性分析得出:溶出钙指标与表观咀嚼性和脆度的感官品质指标变化呈现极显著正相关(P<0.01,相关系数0.792)。试验探究优化得到的条件参数可以给予蔬菜冷冻企业技术支持。