不同干燥方法对苹果片品质及微观结构的影响

邢娜，万金庆,2,3*，厉建国，梁志鑫，杨帆,冷争争

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(上海水产品加工及贮藏技术研究中心，上海，201306) 3(农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室，上海，201306)4(安徽宜康高新农业科技有限公司，安徽 六安，237200)

苹果属于蔷薇科植物，所含营养成分可溶性大，易被人体吸收，是人们最喜爱的食品之一[1]。苹果的水分含量极高，易褐变，在贮藏保鲜及运输中易腐败变质，产品风味和商品价值受到严重影响，除部分鲜食外，大部分用于加工[2],其中苹果片是在保持其原有品质基础上加工而成的一种休闲食品，通过干燥工艺，可以去掉果蔬中的绝大部分水分，可以防止微生物生长，延长保质期，方便运输[3]。

真空干燥速率较高、温度较低并且氧化少，在干燥期间，食物一直处于低于大气压力的环境中[4]。真空冷冻干燥近年来在食品工业中得到越来越多的应用，主要是因为其干制品在各方面的品质都较好[5]，但是因为其能耗高，导致成本高限制了其发展。冰温真空干燥是物料温度在干燥过程中始终维持在冰温带(0 ℃以下，冻结点以上)的新型干燥技术，在冰温带内的物料可以维持原有的特性，避免冷冻引起的蛋白质变性，可使果蔬组织细胞在鲜活状态下被快速干燥,不会产生冰晶破坏物料细胞结构，能够在最大程度上保持食品的鲜度，消除常压下产生的食品表面硬化现象，克服热风干燥产生的热敏失散现象,而且复水后保持了与生鲜品相近的风味和色泽[6]，因此冰温真空干燥既可维持物料原有的活体特性,又能在干燥后有效地保存物料原有风味及营养成分。

YAN等[7]研究了热风、冷冻和红外辐射3种不同干燥方法对苦瓜片的品质以及生物活性多糖的影响。结果表明，不同的干燥方式对苦瓜片的品质及生物活性有非常显著的影响，冷冻干燥得到的苦瓜片品质最为优良。SAMOTICHA等[8]研究了冷冻、真空、对流干燥、微波和组合干燥对苦莓品质的影响，结果表明，与其他干燥方式相比，冷冻干燥能够使生物活性化合物含量和抗氧化活性保持得最好。DJEKIC等[9]采用质量指标法研究了超临界CO2、空气和冷冻3种不同干燥方法对苹果品质的影响，结果表明干燥后苹果片的整体质量指数有明显的差异。果蔬干制品品质的好坏对市场销量有很大的影响[10]。冰温真空干燥在草莓、猕猴桃和菠菜等果蔬中都有一些相关的研究[11-13]，但是在苹果中未见报道。因此本实验对苹果片的真空干燥、冰温真空干燥、冷冻真空干燥3种方式进行研究，比较干制后的品质和微观结构方面的差异，以分析不同干燥方式的利弊，从而为苹果的干燥工艺提供理论参考，对苹果干燥的工业化生产有现实的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果，购于上海市浦东新区农工商超市，品种为红富士(实验测得含水量为(84.7%±0.5)%)，3种干燥方式选择的都是同一批苹果，大小、成熟度等基本一致，去皮去核切片(厚度5 mm左右)干燥；干燥后立即进行真空包装。

三氯乙酸、硫代巴比妥酸、NaOH(分析纯)、无水草酸、Vc、NaHCO3、邻苯二甲酸氢钠、酚酞、无水乙醇、H3PO4、HCl、甲醇、丙二醛,国药提供。

1.2 仪器与设备

冰温真空干燥机，本实验室自行研制[14]； BOC EDWARDS冷冻真空干燥机，世友创业科技有限公司；BPZ-系列真空干燥机，上海一恒科学仪器有限公司；HITACHI S-3400N Ⅱ型扫描电子显微镜，苏州佐藤仪器有限公司；PQ 001型台式脉冲核磁共振分析仪，上海纽迈电子科技有限公司；DZFC-1型电能综合分析测试仪,上海存昊电子技术有限公司；UV-1102型紫外可见分光光度计，上海天美仪器有限公司；CR-400型色彩色差计，日本柯尼卡美能达公司；BPZ-系列真空包装机，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 指标测定方法

(1)可滴定酸：参照NY/T 1841—2010中酸度测量方法，称取混合均匀的苹果片10.0 g，磨碎，转移到100 mL容量瓶中，定容至刻度摇匀，静置30 min后过滤，用移液管吸取20 mL滤液，加入2滴1%的酚酞指示剂，用已标定的0.1mol/L的NaOH溶液进行滴定，滴定至溶液初现粉色，并在30s内不褪色(pH=8.1～8.3)，记录消耗的0.1mol/L的NaOH溶液的体积，同时以蒸馏水作为空白，按照同样的方法进行滴定，做3组平行试验。

(2)抗坏血酸： 2，6-二氯酚靛法(2,6-dichlorophenolindophenol) 滴定法[15]。称取10.0 g苹果片置于研钵中，加入少量20 g/L的草酸溶液，在冰浴条件下研磨成浆状，转移到100 mL容量瓶中，用20 g/L的草酸溶液冲洗研钵后也倒入容量瓶中，再用20 g/L的草酸溶液定容至刻度，摇匀，提取10 min收集滤液，用移液器吸取10 mL滤液，用已标定的2,6-二氯酚靛酚溶液滴定至出现微红色，15 s不褪色，记下染料用量，同时以10 mL 20 g/L的草酸溶液作为空白，按照同样的方法进行滴定，重复3次实验。

(3)总酚含量：准确称取2.0 g苹果片样品，加入少许经过预冷的1% HCl-甲醇溶液，在冰浴条件下研磨匀浆后，转入20 mL刻度试管中，用1%HCl-甲醇溶液冲洗研钵，一并转入试管中，定容至刻度，混匀，于4 ℃避光提取20 min，期间摇动数次，然后过滤收集滤液，以1%HCl-甲醇溶液作为空白参比调零，取滤液分别于波长280，325，600，530 nm处测定溶液的吸光度值，重复3次以上[16]。

(5)可溶性固形物：参照NY/T 2637—2014折光仪测定法[17]。称取2 g干样，按照1∶10(g∶mL)加入蒸馏水，沸水浴30 min，不时用玻璃棒搅动，冷却至室温后过滤，取滤液用数显折光仪测定。

(6)复水比：用蒸馏水浸泡充分吸水后捞出沥干表面的水分，按式(2)计算，每组样品至少重复测定3次，取其平均值。

(2)

式中：R1,复水比；m1,复水前苹果片质量，g；m2,复水后苹果片质量，g。

(7)水分变化分析：低场核磁共振T2谱测定：取大小一致的苹果片切成方形(2.5 cm×1.5 cm)，然后放入直径为70 mm的核磁检测管中。测试条件：使用CPMG序列，采样频率SW为200 Hz，模拟增益RG1为15，数字增益DRG1为3，重复采样次数TW为8 500 ms，累加次数NS为8，回波时间TE为0.600，回波个数NECH为17 000。用上海纽迈科技有限公司提供的分析软件进行迭代反演得到T2图谱[18]。

(8)微观结构：用2.5%的戊二醛浸泡4 h以上，然后采用0.1 mol/L，pH=7.0的磷酸缓冲液冲洗，每次10 min，30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%以及无水乙醇脱水，干燥，掰断然后对断面进行喷金处理，电镜扫描拍照[19]。

(9)含水率：采用GB 5009.3—2016 食品安全国家标准中水分的测定(恒重法) 方法测定样品中水分含量,重复3次,取平均值。

(10)共晶点：采用电阻法进行测量，将温度采集仪的T型热电偶以及万用表的探头插入去皮去核苹果片的中心部位，测量温度为0～-40 ℃，将装置放在-40 ℃冰箱中进行测量，电阻忽然变到无穷大的点对应的温度就是共晶点温度[20]。

(11)冰点：将温度采集仪的T型热电偶插入到去皮去核的苹果片中心部位，取3组平行，放置在-18 ℃的冰箱中进行冷冻，每10秒记录1次温度，直到冻结结束，绘制冻结曲线，温度先下降后平稳的拐点即为冰点[21]。

1.3.2 干燥方法

(1)真空干燥

设置加热温度20℃,真空度500～600 Pa，定期测量含水率，达到含水率(8±0.5)%时停止干燥。

(2)冷冻真空干燥

先将苹果片(实验测得共晶点为-25 ℃)置于-30 ℃ 的速冻机中进行预冻5 h(达到-30 ℃后维持2 h)， 预冷结束后快速放入已经降温到设定温度的冷冻真空干燥机中，设置的冷阱温度-50 ℃,真空度20～30 Pa，升华干燥阶段搁板温度设置为-30 ℃，解析干燥阶段温度设置为20 ℃，定期测量含水率，达到含水率(8±0.5)%时停止干燥。

(3)冰温真空干燥

冷阱温度设置在-15 ℃，加热板温度由PLC程序自行根据物料温度控制，真空度500～600 Pa进行真空干燥，物料温度始终控制在0 ℃以下到冰点(实验测得苹果的冰点为-1.7 ℃)之间，冰温真空干燥系统的测控装置可以自行计算并且显示含水率，达到含水率(8±0.5)%时停止干燥。

1.4 数据处理

以上指标均重复3次或者以上，数据用平均值±标准差表示，营养成分的各指标测定值均为干基含量，采用Origin 8.5作图，SPSS 17.0进行统计及差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方法对复水性的影响

复水性是评价产品干燥后外观形态恢复至原来状态的产品重要属性之一,复水性的大小可以衡量苹果片内部的疏松程度，疏松程度又影响了产品的口感。由图1可以看出，真空干燥复水值很小主要原因可能是真空过程中水分发生内扩散，并最终在表面气化，使得干燥后的苹果片发生皱缩硬化，因此使苹果片的复水更难。冷冻真空干燥的复水值明显大于真空干燥(P<0.05)，可能是因为在冻干的过程中水分以冰晶态气化升华，固体骨架变化很小，所以干燥和复水都比较快，感官形态上最接近新鲜苹果的状态，易被消费者接受,这与徐明亮等[22]的研究一致。冰温真空干燥得到的苹果片复水值介于真空干燥和冷冻真空干燥之间，主要原因可能是冰温真空干燥的温度低于真空干燥，组织形变小，所以要优于真空干燥的复水性，另外，冷冻真空干燥过程中有冰晶形成，冰晶体积膨胀并损伤细胞，造成苹果片内部表面积增大孔隙增多，致使其吸水性增强，所以冰温真空干燥比冷冻真空干燥的复水性低。

图1 不同干燥方法对复水性的影响Fig.1 Effect of different drying methods on rehydration注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

2.2 不同干燥方法对色差的影响

产品色泽是产品品质评价的重要因素，干燥方式会影响产品的色泽，用精密色差分析仪进行测量。由表1可以看出，虽然这3种干燥方式都是真空的状态下运行，但是色泽还是有一定的差异，真空干燥温度高，糖类和蛋白质发生美拉德反应的褐变指数较高，这与夏学进等[23]研究结果一致。总色差值△E：真空干燥>冷冻真空干燥>冰温真空干燥，冰温真空干燥和冷冻真空干燥值都显著小于真空干燥(P<0.05)，这2种方式色泽基本接近(P>0.05)，说明与新鲜苹果片的色泽相比波动较小，能较好地保持苹果片的原有色泽。

表1 不同干燥方法对苹果片色差的影响Table 1 Effect of different drying methods on color difference of apple slices

注：同列肩标小写字母不同表示差异显著(P < 0.05),下同。—表示无。

2.3 不同干燥方法对可滴定酸的影响

果蔬中有机酸的种类和含量对果蔬的口味、风味和贮藏性等都具有重要的影响。由图2可以看出，不同的干燥方式对酸度的影响非常大，冰温真空干燥的为1.28 g/100 g和冷冻真空干燥的，基本与新鲜苹果的酸度1.305 g/100 g接近(P>0.05)，真空干燥的最低酸度为0.96 g/100 g，风味变化较大(P<0.05)，有机酸是呼吸反应的中间产物或底物，随着温度的升高,下降趋势加快，低温可以显著抑制可滴定酸含量的下降[24]，真空干燥的整个过程以及冷冻干燥的解析升华阶段都处于相对比较高的温度下，所以可滴定酸的含量明显下降，这说明冰温真空干燥能够很好地保存食品风味。

图2 不同干燥方法对可滴定酸含量的影响Fig.2 Effect of different drying methods on titratable acid content

2.4 不同干燥方法对可溶性固形物的影响

水果的甜度取决于可溶性固形物，因为水果的大部分可溶性固体都是糖[25]。可溶性固形物(主要是可溶性糖)是衡量苹果耐贮藏性和品质的一个重要指标，测量复水后的可溶性固形物含量。由图3可以看出，冰温真空干燥>冷冻真空干燥>真空干燥，冰温真空干燥的最高质量分数为12.57 %，其他2种干燥方法风味变化较大，分析原因可能是真空干燥的整个过程以及冷冻干燥的解析升华阶段都处于相对比较高的温度下，所以美拉德反应较大[18]，说明冰温真空干燥能够得到更好的品质和风味。

图3 不同干燥方法对可溶性固形物的影响Fig.3 Effect of different drying methods on soluble solids

2.5 不同干燥方法对抗坏血酸(Vc)的影响

人体中所需的Vc大多由新鲜的水果和蔬菜供给,由于Vc在空气中很容易被氧化而损失,因此测定果蔬中Vc的含量对人们日常通过膳食补充Vc具有科学的指导意义，在较高温度下容易发生氧化反应而导致VC含量的减少[26]。由图4可以看出，真空和冷冻干燥的Vc含量都较低，原因可能是因为真空和冷冻解析干燥阶段的高温导致其发生氧化作用而流失。冰温真空干燥的温度一直处于冰温带，对Vc的保留率提供很好的条件，保留率高达80.95 %，比真空干燥高43.65 %，比冷冻真空干燥高40.32 %，另外冰温真空干燥中可溶性固形物等大分子物质流失的非常少，对于Vc的保留可能也有一定的作用。

图4 不同干燥方法对抗坏血酸的影响Fig.4 Effect of different drying methods on ascorbic acid

2.6 不同干燥方法对总酚含量的影响(干基)

酚类物质、类黄酮类和花青素等植物代谢产物，它们与果蔬的色泽、品质和风味、组织褐变、抗逆性和抗病性代谢等作用密切相关，对果蔬的贮藏、加工性能、营养价值和医疗保健作用都具有重要影响[16]，郭泽美等[27]的实验结果表明，各酚类物质含量均与抗氧化性呈正相关。总酚和总黄酮属于生物活性物质，它们的化学性质不稳定，受热、与氧气接触和遇光都易使其分解，这与NTACATALINA等[28]的研究结果一致，在高于冰点的温度下，干燥温度越高，降解越多，在-10 ℃的条件下，也会有降解，因为冷冻的冰晶会导致细胞损伤，因此，冰温真空干燥的苹果片总酚含量最高，抗氧化性也最好。

表2 不同干燥方法对总酚、类黄酮及花青素的影响Table 2 Effect of different drying methods on total phenols, flavonoids andanthocyanins

2.7 不同干燥方法对水分变化的影响

水分是苹果中的重要组分，它的存在状态和分布情况与其品质的好坏有着密切的关系，横向豫驰时间T2的结果显示,新鲜苹果的组织中水分有3种存在状态：结合水、不易流动水、自由水[29]，豫驰时间越长说明流动性越强。由图5可以看到，对应的弛豫时间分别为T21(3～20 ms)，T22(80～300 ms)，T23(450～2 000 ms)，可以分别求出A21、A22、A23，即为3种水分状态的信号量，由此可以推断各个状态的水分量，由结果可以看到新鲜的苹果中A23最大，说明自由水占绝大部分，随着干燥的进行，自由水的成分逐渐降低，不易流动水和结合水逐渐成为主体，干燥的最终，苹果的含水率在8 %左右，通过水分的划分，可以判定为少量的结合水信号A21和极少量的不易流动水A22。干燥最终阶段，剩余总水分信号以结合水为主，随着干燥过程的进行,样品内酶和营养物质分解使部分结合水向弱结合水迁移从而导致结合水含量下降。由于结合水分子主要与蛋白质、糖类、维生素等大分子结合[30]因此冰温真空干燥的苹果片结合水稍微高于其他2种方法。

A-新鲜苹果的内部水分；B-干燥后苹果的内部水分图5 不同干燥方法处理后苹果内部水分变化的T2图谱Fig.5 Map of water changes in apples treated with different drying methods

2.8 不同干燥方法对微观结构的影响

为了研究3种干燥方式对苹果细胞水平的影响，对真空干燥、冰温真空干燥和冷冻真空干燥进行了相同倍数的扫描电子显微镜观察[31](图6)。图6-a、图6-b、图6-c、图6-d分别是新鲜、真空干燥、冰温真空干燥和冷冻真空干燥的放大100倍的微观组织结构，比较4组样品的微观结构，可以发现不同工艺下产品的微观结构有显著的不同，新鲜苹果组织结合紧密并保持完整的结构，呈较为规则的孔状结构，真空过程中水分发生内扩散，并最终在表面气化，使得干燥后的苹果片发生皱缩塌陷。冷冻真空干燥得到的苹果组织相对较好，但是与冰温相比,有一定程度的塌陷，冻干的过程中水分以冰晶态气化升华，固体骨架变化较小，但是冰晶的产生会导致细胞膜和细胞壁有一定程度的破坏。冰温真空干燥的苹果片与新鲜苹果片的结构极为接近，具有组织良好,有序的结构，由清晰的细胞区室和细胞间隙组成，这说明在这种状态下得到的苹果片的硬度、脆度以及质地都较好。

a-新鲜；b-真空干燥；c-冰温真空干燥；d-冷冻真空干燥图6 不同干燥方法处理后苹果组织结构扫描电子显微镜照片Fig.6 Scanning electron micrograph of apple tissue structure after different drying methods

3 讨论

为了提高苹果片的干燥品质、干燥效率，降低干燥的能耗，近年来的研究逐渐转向进行不同方面的预处理或者联合干燥等[19],但是在干燥的过程中需要时刻关注干燥的含水率，达到转换的含水率时换成另外一种干燥方式，而且还需要去探索合适的转换点，如果提前或者推迟都能能导致品质下降，转换时也不能保证真空度，在这个过程中苹果可能会吸收水分或者在室温下氧化等情况发生，需要严格把关这一过程，所以这些方式在提高品质的同时，更多的是对工序的投入，繁杂的工序不仅增加了工业的投入成本，也在人力物力方面增加了投入，本研究的冰温真空干燥得到的苹果片，品质可与王海鸥等[32]研究中加了前处理的冷冻干燥的苹果片相媲美，他们用超声波处理的品质是最好的，现用其超声波处理组与冰温真空干燥比较，虽然其总色差8.76比冰温真空干燥的10.3略高，但是可溶性固形物约8.4比冰温真空干燥的12.57相差甚远，微观结构也不如冰温真空干燥的组织好，冰温真空干燥各个方面的品质都与新鲜苹果非常接近，也不需要复杂的前处理以及联合其他的干燥方式，在能耗问题并不突出，各方面品质又能保证优质的情况下可广泛地投入应用生产，虽然已经能够实现物料温度控制在冰温带及含水率的实时检测显示，但是干燥后期速率较慢，考虑是否可以借鉴冷冻干燥的解析干燥阶段，对于品质的影响后续会着重考虑，另一个问题是扩大生产，加入工业化生产进程需要跟进。

3 结论

本研究结果表明，不同的干燥方式对于苹果片的品质及微观结构影响差异显著。冰温真空干燥得到的苹果片与新鲜苹果各个方面的都品质非常的接近，在可溶性固形物(12.57%,新鲜的为13.8%)、可滴定酸(1.28g/100g，新鲜的为1.305、g/100g)等风味物质的保留率、对Vc的保留率高达80.95%，比真空干燥高43.65%，比冷冻真空干燥高40.32%，冰温真空干燥的复水性介于真空干燥和冷冻真空干燥之间，说明该种方式得到的苹果片疏松程度良好。其他营养品质方面以及微观结构的完整性都具有明显的优势，具有非常广阔的应用前景；冷冻真空干燥所有方面的品质也都优于真空干燥苹果片，但是从经济性方面考虑，能耗问题日渐突出，降低冷冻真空干燥的能耗，缩减工业投入的成本将会更加有利于推广应用；真空干燥设备没有制冷系统，所以能耗是最低的，最具有经济性，但是各个方面的品质都有待提高。综合考虑后认为冰温真空干燥为最佳的干燥方式。