水苏糖渗透对压差闪蒸联合干燥苹果片品质的影响

肖 敏 易建勇 毕金峰 吴昕烨 周 沫

（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）

我国是世界上最大的苹果生产国和消费国，苹果总产量在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%（湿基）的水分，代谢活性高，不易贮藏。干燥是一种可以降低水分含量，抑制微生物生长，延长货架期的传统加工方式[1]，被广泛用于果蔬加工中。常见的果蔬脱水加工方式主要有热风干燥、真空冷冻干燥、压差闪蒸联合干燥等。热风干燥加工的产品皱缩率大，营养保留率低；真空冷冻干燥加工的产品营养保留率高，具有较好的外观结构，口感绵软，并且真空冷冻干燥是一个高能耗的加工过程[2]。苹果脆片作为一种脱水果蔬产品，因其具有营养丰富、纤维素含量高[3]、口感酥脆等特点，是一种理想的健康休闲食品。热风-压差闪蒸联合干燥 （hot air coupled with instant controlled pressure drop drying，HA-ICPDD） 可用于生产高品质苹果脆片，该技术是一种非油炸干燥技术，物料先经热风预干燥至水分含量30%左右，再利用气体热压效应和瞬间相变，物料内部瞬间抽真空，引起水分闪蒸，组织瞬间膨化[4]，产生疏松多孔的结构，形成酥脆口感。

果蔬原料在进行压差闪蒸联合干燥过程中，往往需要利用热风干燥先脱除部分水分，以便物料在压差闪蒸后水分降到较低水平，实现物料的定型，然而，苹果等果蔬原料在热风干燥过程中易发生褐变，预干燥时间较长。渗透是一种干燥前常见的预处理方式，可保持脱水果蔬色泽，减少后续干燥时间[5]。渗透是将物料置于高渗溶液中，利用水分梯度和浓度差，使物料中水分渗出和溶液中溶质渗入[6]。然而，常温、常压条件下渗透是一个耗时较长的过程[7]，通过控制渗透条件，可在提高渗透速率的同时，保持干燥产品品质。渗透过程中的质量传递与渗透液种类、浓度、温度等因素有关，渗透液浓度增加，温度提高，物质传递效率增加[8]。在果蔬渗透研究中，常用的渗透液原料主要包括果糖、葡萄糖、蔗糖、海藻糖等，然而目前市场上对低糖产品的需求非常迫切。水苏糖是一种天然四糖，甜度仅为蔗糖的22%，稳定性高，是双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌的有效增殖因子，可改善人体消化道内环境[9]。本文以苹果为原料，探究水苏糖渗透液温度、渗透时间对苹果片渗透特性、热风干燥特性和压差闪蒸联合干燥产品品质的影响，为苹果片渗透条件优化及开发功能性果蔬加工产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料

苹果（品种：红富士；产地：陕西洛川）购于北京清河小营市场，含水量（6.55 ± 0.31）kg/kg（干基），经去皮、核后，切成厚度10 mm、直径20 mm的圆柱，备用。

1.2 仪器与设备

质构仪（TA-XT2i），英国Stable Micro System公司；扫描电镜（S-570），日本日立公司；分光测色计（CM700D），日本柯尼卡美能达；手持阿贝折光仪 （MASTER-2α），日本日立公司；水分活度仪（Series 4TE），美国AquaLab 公司；蔬菜水果切片机（CL50），法国Robot Couple 公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9203），上海-恒科技有限公司；果蔬压差闪蒸设备（QDPH10-1），天津勤德新材料科技有限公司；离心机（3K15），德国Sigma 公司。

1.3 方法

1.3.1 渗透脱水预处理 配制40°Brix 的水苏糖溶液，将20 g 苹果片置于装有糖液的烧杯中，料液比1∶8。渗透结束后，将苹果片置于漏勺中，放入装有1.6 L 蒸馏水的烧杯中（漏勺中苹果片离液面约10 cm）1 s 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。试验因素设计：温度40，60，80 ℃，时间5，10，15，30 min。

1.3.2 热风-压差闪蒸干燥 取40 ℃（15，30 min）、60 ℃（10、30 min）、80 ℃（5、10 min） 条件下渗透后的苹果片进行热风干燥（干燥温度70 ℃，风速2.1 m/s） 至含水率为 （0.43 ± 0.03）kg/kg（干基）。将预干燥后的苹果片置于自封袋中，4 ℃均湿18 h，压差闪蒸干燥。压差闪蒸干燥的条件：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 水分损失率（Water loss，WL）、固形物增加率（Solids gain，SG）的计算

苹果片渗透过程中WL、SG 计算公式：

式中：WL、SG——水分损失率（kg/kg）、固形物增加率（kg/kg）；Mo、Mt——样品渗透初始时刻和t 时刻的质量（kg）；Xwo、Xwt——渗透初始和t 时刻干基含水率（kg/kg）；Xso、Xst——渗透初始和t 时刻固形物含量（kg/kg）。

1.3.4 水分比和干燥速率 水分比（moisture ratio，MR）表示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：

式中：MR——水分比，kg/kg；M——任意时刻的干基含水率，kg/kg；Me——样品平衡时干基含水率，kg/kg；Mo——样品初始干基含水率，kg/kg。

干燥速率（drying rate，DR）计算公式：

式中：DR——干燥速率，kg/（kg·min）；Mt1和Mt2——分别为干燥到t1和t2时样品的干基含水率，kg/kg；t1和t2——对应的干燥时间，min。

1.3.5 模型分析和有效水分扩散系数 数学模型有助于预测和模拟干燥特性，进而帮助理解干燥机理。为了选出能更好地预测渗透后苹果片热风干燥特性的数学模型，选用4 个模型型公式[10]，具体如下：

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

水分扩散系数（moisture effective diffusivity，Deff）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[11]如下：

只考虑一维扩扩散，上式可简化为：

式中：MR——水分比；L——物料厚度的一半，m；t——干燥时间，s；Deff——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，计算Deff：

1.3.6 微观结构 参考丁媛媛[12]方法，取适量样品粘贴在样品台上，喷金覆盖，然后置于扫描电镜观测台上，调节聚光焦距进行拍照。

1.3.7 硬度和脆度 硬脆度采用质构仪测定。探头型号采用HDP/BSW，测试条件：前期测试速度2.0 mm/s，检测速度1.0 mm/s，后期检测速度2.0 mm/s，触发力度100 g。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[13]。

1.3.8 色泽 色泽采用色差仪测定，每个处理取8 次平行。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，计算总色差ΔE 值，ΔE 值越小，与鲜样颜色越接近，色泽越好。计算公式[14]：

式中，ΔL——不同渗透条件处理后压差闪蒸苹果脆片L 与鲜样L 的差值；Δa——不同渗透条件处理后压差闪蒸苹果脆片a 与鲜样a 的差值；Δb——不同渗透条件处理后压差闪蒸苹果脆片b与鲜样b 的差值。

1.3.9 总酚含量 样品提取参考Turk 等[15]方法。将样品磨碎，取1.00 g 苹果粉置于带盖离心管中，加入10 mL 80%甲醇，轻轻搅拌，超声提取30 min，于4 ℃条件下避光提取16～24 h。在离心力9 839 g 条件下离心10 min，取上清测定，置4 ℃条件下，24 h 内用。

标准曲线制作：用10 mL 80%甲醇溶液溶解0.5 g 没食子酸，定容100 mL，得到5 mg/mL 标准液。移取1 mL 到100 mL 容量瓶中，用蒸馏水定容得到50 μg/mL 标准使用液。按照测定方法测定，绘制标准曲线。

样品测定参考Chan 等[16]方法。取0.1 mL 稀释后的样品，加蒸馏水至2 mL，加入1 mL 体积分数10%的Folin-Ciocalteu 显色剂，放置6 min，加入2 mL 7.5%碳酸钠溶液，定容10 mL，75 ℃水浴10 min，于波长765 nm 处测定其吸光度。每个浓度做3 次平行，取平均值。

2 结果与分析

2.1 渗透条件对苹果片WL 和SG 的影响

水苏糖渗透的温度和时间对苹果片WL、SG的影响如图1所示。在相同条件下渗透，苹果片的WL 远大于SG，这主要是由糖分和水分的分子大小差异引起的[8]，水分子的分子质量小于水苏糖，水分具有更高的运动速率[17]，且更容易通过细胞膜进行扩散。物料在渗透过程中，WL 随着温度的升高和时间的延长而增加，40，60 ℃和80 ℃条件下渗透30 min，WL 值分别达到12.06×10-2，12.7×10-2和24.9×10-2kg/kg，这可能是因为温度升高，分子热运动速率加快，水分向渗透溶液中扩散的速度增加。同WL 变化趋势类似，SG 也随温度的升高和时间的延长逐渐增加。温度升高在提高水分扩散速度的同时，也提高了水苏糖向苹果组织细胞内扩散的速度；此外，随着温度的上升，渗透液黏度降低[18]，这是导致溶质扩散速率加快的重要原因。从图1可看出，渗透5 min 的条件下，40，60 ℃和80 ℃处理组的SG 分别为0.55×10-2，0.79×10-2kg/kg 和0.14×10-2kg/kg，80 ℃处理组的SG 显著低于40 ℃和60 ℃处理组，可能是80 ℃处理5 min，苹果外层细胞被破坏，细胞膜失去半透膜特性，渗透时间短，水苏糖只有少量或者并未进入苹果内层具有活性的细胞，导致蒸馏水冲洗时，停留在外层死细胞周围或内部的水苏糖随蒸馏水被冲走。

2.2 渗透条件对苹果片热风干燥特性的影响

图1 不同温度和时间条件下水苏糖渗透对苹果片WL（a）和SG（b）的影响Fig.1 WL（a） and SG（b） of apple slices immersed in stachyose solutions at different temperature and time

图2是不同温度和时间条件下水苏糖渗透后，苹果片在热风70 ℃条件下的干燥特性曲线和干燥速率曲线。随着时间的延长，苹果片含水率降低；未经渗透的苹果片，水分含量随时间的延长下降最快，干燥曲线最陡。对于未渗透处理组、40 ℃处理组、60 ℃/10 min 处理组的苹果片，在干燥初始阶段（t＜30 min），干燥速率增加，随后随着时间的增加而下降，以降速干燥为主。可能的原因是40 ℃处理组和60 ℃/10 min 处理组的苹果片在干燥前的初始干基含水率范围为5.74～7.38 kg/kg（干基），这使得干燥初始阶段自由水含量较高，水分移出所受阻碍较少，因此水分蒸发速度加快[19]。对于60 ℃/30 min 和80 ℃处理组，苹果片干燥前的初始干基含水率较低，范围5.33～5.50 kg/kg（干基），使得自由水含量低，整个干燥过程均属于降速干燥。

图2 不同条件渗透对苹果片热风干燥水分比及干燥速率的影响Fig.2 Effect of different osmotic conditions on the moisture ratio and drying rate of apple slices under hot air drying

2.3 苹果热风干燥过程模型拟合及水分扩散系数

表2为不同条件渗透后，Page 模型拟合干燥过程的各参数以及有效水分扩散系数。决定系数R2越高、卡方χ2和均方根标准差RMSE 越小，说明模型拟合效果越好。与Newton、Henderson and pabis 和Verma 等模型（R2均值分别为0.998，0.997，0.997） 拟合相比，Page 模型可更准确地拟合渗透后苹果片的热风干燥过程，其R2均值为0.999。由表1可知，与未渗透的样品相比，除80 ℃/5 min 条件渗透后热风干燥的干燥速率常数k 无显著变化外，其它处理组渗透后均显著下降，说明渗透后苹果片干燥速率下降，k 值代表物料水分扩速率[20]。一方面是因为初始水分含量低，后续干燥脱水更加困难；另一方面是因为渗透的糖在物料苹果表面结晶，水分移动困难。

除40 ℃/15 min 处理组渗透后干基含水率较低外，其它渗透处理组无显著区别，可能是因为温度较低，时间较短的条件下，水分移出的速率较慢，移出的水分量少。Deff由菲克第二定律通过干燥过程中水分比计算得出，未渗透和渗透后苹果片的有效水分扩散系数为13.5103×10-9m2/s，8.24128～12.6321 m2/s。不同条件渗透处理组中，Deff的变化趋势与k 值相同，40 ℃和60 ℃处理组的Deff值均较低，80 ℃处理组的k 值和Deff较高，可能的原因是80 ℃/5 min 和80 ℃/10 min 可溶性固形物增加少，干燥过程水分移动所受阻碍较少，也有可能是80 ℃处理导致组织结构破坏，水分更易蒸发。

表2 苹果热风干燥过程page 模型拟合结果及水分扩散系数Table 2 Page’s equation parameters and Deff for hot drying process of apple slices

2.4 不同渗透条件对苹果脆片微观结构的影响

由图3可知，经过不同温度和时间的水苏糖渗透前处理后，HA-ICPPD 苹果脆片的微观结构呈现明显差异。未渗透和40 ℃/15 min 处理组样品内部呈现均匀多孔状结构，40/15 min 样品孔隙之间连接的壁更厚，可能是因为渗入的水苏糖与纤维素、果胶等细胞壁多糖成分结合所致[21]。80 ℃/5 min 处理组样品，组织细胞破坏，产生少量不规则的小孔洞。与未渗透组相比，60 ℃/10 min 和80 ℃/10 min 处理组HA-ICPPD 苹果脆片呈现不规则、更大的孔隙结构。可能的原因是这两个处理组在渗透过程中，长时间的高温液体环境，导致液体与细胞壁中间层接触，果胶的溶解性增加[22]，引起组织支撑作用下降，物料黏弹性和可塑性增加，闪蒸瞬间，水分散失速度较快，易形成多孔结构。而40℃/30 min 和60 ℃/30 min 处理组条件下，过多水苏糖渗入，使更大比例的孔隙被填满，SEM 图表现出更少的孔隙结构。

图3 不同渗透条件对HA-ICPPD 苹果脆片微观结构的影响Fig.3 Effect of osmotic conditions on SEM of HA-ICPPD apple chips

2.5 渗透条件对苹果脆片质构的影响

脱水果蔬的硬度和脆度是影响消费者选择的重要指标之一，其受物料细胞基质、组织中化学成分及其与水分的相互作用等因素的影响。表3显示不同条件渗透对苹果片质构及含水率的影响。不同渗透处理后苹果脆片的水分含量范围（2.63～3.39）×10-2kg/kg（干基），与未渗透前处理组相比，60 ℃/30 min 处理组硬度显著增加，80 ℃/10 min处理组硬度显著降低，其它组无显著差异。渗透处理后，HA-ICPPD 苹果脆片的脆度显著增加，干基含水率显著下降。60 ℃/30 min 处理组样品硬度显著增加，是因为相比于其它处理组，60 ℃/30 min条件下渗进的水苏糖最多，水苏糖随着干燥的进行部分迁移到物料表面，加热后在表面结晶形成硬壳，而且内部的水苏糖与苹果片的组分结合，形成对苹果片组织的支撑作用，因此60 ℃/30 min 处理后得到的HA-ICPPD 苹果脆片硬度最大。所有经渗透条件处理后，HA-ICPPD 苹果片的脆度均显著增加，且不同处理组间无显著差异，可能是因为渗透后苹果片的皱缩率增加，产生更大内部应力，闪蒸瞬间更易失去水分，导致最终产品的干基含水率比对照组低，表现为脆度较高。

表3 不同渗透条件对压差闪蒸联合干燥苹果脆片的硬度、脆度及含水率的影响Table 3 Effects of osmotic conditions on hardness，crispness and water content of apple chips by HA-ICPPD

2.6 渗透条件对苹果脆片色泽的影响

不同条件水苏糖渗透处理后，HA-ICPPD 苹果脆片的L 值、a 值、b 值和ΔE 值如表4所示。渗透处理后的干燥样品L 值（64.29～70.02）显著高于未渗透组（61.47），表明渗透处理后的HA-ICPPD脆片亮度增加，而80 ℃/10 min 处理组的HAICPPD 苹果脆片与鲜样的L 值分别为70.02 和71.67，两者之间无显著差异，表明80 ℃渗透10 min 的处理能较好地保持苹果片原有亮度。与未处理组相比，渗透处理后得到的HA-ICPPD 苹果脆片a 值显著降低，说明未渗透处理得到的样品颜色更偏红。水苏糖在所选条件下渗透均可减少苹果片的褐变。不同条件下水苏糖渗透处理后的HA-ICPPD 苹果脆片总色差值ΔE 均明显小于对照组，表明渗透可以较好地保持苹果片原有色泽，其中40 ℃/15 min、40 ℃/30 min、60 ℃/30 min 和80℃/10 min 处理组的色泽和鲜样较为相近，这些工艺制得的产品相互之间无显著性差异。

表4 不同条件渗透对压差闪蒸联合干燥苹果脆片色泽的影响Table 4 Effect of osmotic conditions on color of apple chips by HA-ICPPD

2.7 渗透条件对苹果脆片总酚含量的影响

不同温度和时间渗透后HA-ICPPD 苹果脆片总酚含量如图4所示。40 ℃条件下渗透30 min 的HA-ICPPD 苹果脆片总酚含量高于渗透15 min 处理组，总酚含量分别为967.29，1 185.31 mg/100 g。未渗透处理组的HA-ICPPD 苹果脆片总酚含量为1 062 mg/100 g，40 ℃处理组的总酚含量与未渗透组无显著下降。60 ℃和80 ℃条件的所有处理组，总酚含量均降低，且随着时间的延长，总酚含量降低。可能的原因是60 ℃和80 ℃条件下，苹果多酚发生了多酚氧化[23]，或者苹果的多酚结构被破坏，或者被转化成了非氧化形式[24]。40 ℃渗透处理30 min，可以避免因温度导致的HA-ICPPD 苹果片总酚含量下降，还有提高HA-ICPPD 苹果脆片总酚含量的趋势，而60 ℃和80 ℃渗透处理会降低HA-ICPPD 苹果脆片的总酚含量。

图4 不同渗透条件对苹果脆片总酚含量的影响Fig.4 Influence of different treatments on total phenols of apple chips in HA-ICPPD

3 结论与讨论

随着水苏糖渗透液温度的升高和时间的增加，WL 和SG 总体呈增加趋势，主要是因为温度提高了物质传递速率，降低了溶液的黏度。基于此，本研究选择40 ℃/15 min、40 ℃/30 min、60 ℃/10 min、60 ℃/30 min、80 ℃/5min 和80 ℃/10 min 作为渗透条件，探讨压差闪蒸对渗透后苹果脆片品质的影响。在质构方面，40 ℃渗透处理30 min 能显著提高HA-ICPPD 苹果片脆度；在色泽方面，40℃渗透处理30 min 后的HA-ICPPD 苹果片与鲜样较为接近；在营养保留方面，40 ℃渗透处理30 min 可以避免HA-ICPPD 苹果片总酚含量下降。综合考虑色泽、质构、营养等指标，将苹果片40 ℃条件下水苏糖渗透处理30 min 后再进行压差闪蒸干燥，可以提高苹果脆片的品质。