渗透脱水预处理对蓝莓冷冻融化后品质的影响

冯欣欣，刘帮迪，杨雪峰，金柱锋，童 颖，江利华

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；
2.农业农村部规划设计研究院，北京100125；
3.农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100121；
4.杭州创灶莓满科技有限公司，浙江 杭州 310000；
5.浙江蓝美生物技术有限公司，浙江 绍兴 312000）

蓝莓（Vacciniumspp.）是杜鹃花科越橘属多年生低灌木，果实富含多酚、花青素、抗坏血酸等生物活性物质，具有改善视力、增强免疫力、抗癌、抗氧化、抗衰老等多种医疗保健价值，被誉为“浆果之王”。20世纪80年代，蓝莓首次被引种到我国，近年来在我国栽培面积和产量得到大幅提升，2011—2021年蓝莓种植面积从1.2万hm2增长至8.77万hm2，2021年我国蓝莓产量高达49.95万t，已逐步成为我国常见日销水果[1-2]。蓝莓是一种典型的季节性水果，大部分蓝莓品种集中在6—8月成熟，时值夏季高温多雨季节，受田间热的影响，容易导致果实呼吸旺盛、表皮残留水分，极易遭受微生物的侵染[3]，这也导致新鲜蓝莓贮藏周期很短。大量研究指出，蓝莓在实验室低温贮藏条件下的保鲜期最长仅有不到2周[4]。因此，除了极少部分鲜食蓝莓进行直接销售和短期保鲜外，大多数蓝莓均经过冷冻初级加工后进行冻藏，等待后续加工、储运和销售。据美国农业部统计，美国95%以上机械化生产的蓝莓、蔓越莓均通过冷冻技术进行贮藏。

冷冻技术是延长蓝莓贮藏周期的最重要方式，冷冻处理可以抑制微生物的生长繁殖、果实酶活性和易损营养物质的氧化反应[5]，极大程度地保持蓝莓的感官、食用、销售和可加工品质。在产业加工上，蓝莓多采用普通缓冻（-18～-10℃）的方式进行冻结，但蓝莓是一种典型的大细胞浆果，细胞组织中含水量较高，自由水比例也相应较高，冷冻过程中细胞溶液水分凝结成冰晶[6]，导致冻融后果品的质地、色泽、营养风味等劣变，不能达到加工标准和食用需求。

脱水冷冻是一种新型的果蔬冻结贮藏方式，是指先采用不同的物理方式对果蔬进行预脱水处理，除去果蔬中极少量水分后再进行冷冻，可以提高冻结速率，使冻结物料形成的冰晶更细小，降低冷冻冰晶对果蔬细胞组织的损伤破坏[7]。张雅丽等[8]以串枝红杏为试材，选择传统热风干燥、低温真空干燥、渗透脱水和冷冻干燥4种不同的脱水预处理方式对杏果实冻融化后的食用品质和加工性能影响进行研究，发现经过低温真空干燥脱水预处理冻融加工成杏干后，产品在色泽和质地上优于其他组别。Fong-in等[9]发现：利用超声波对荔枝脱水后可以提高荔枝脱水过程中的传质速率，并保持了荔枝在冻融过程中的品质，降低了微生物负荷，使荔枝果实的硬度、可溶性固形物等指标得到提高。目前，脱水冷冻技术已在芒果[10]、猕猴桃[11]、胡萝卜[12]等果蔬中得到广泛应用，并且有效提升了冷冻果蔬的品质。

渗透脱水作为冷冻前的一种预处理方式，主要通过减少果蔬中的水分含量改变水态分布，从而保护果蔬的质地、色泽等品质，增强其营养特性[13]。在渗透脱水过程中，主要涉及两个物理过程：一是果蔬细胞组织中的水向外渗出；
二是外源高渗溶液中的溶质渗透到细胞组织中[14]。但蓝莓是一种表皮具有蜡质层的浆果，而表皮蜡质层会阻断渗透过程中水和溶质的传导，部分研究提出应使用一些外源物理手段辅助蓝莓渗透脱水的过程。Alfaro等[15]指出：蓝莓在液氮中预处理10 s可增加蓝莓表皮的渗透性，有利于蓝莓渗透脱水过程中水分子和糖分子的扩散，从而提高蓝莓的品质。

上述蓝莓渗透脱水辅助技术的研究主要集中在蓝莓果脯、果干的加工中，但对于渗透脱水增强冷冻融化蓝莓品质的研究较少。本试验以蓝莓为研究对象，研究静置渗透脱水和超声波辅助渗透脱水两种渗脱方式对蓝莓长时间冻藏和融化后品质的影响，以期为冷冻蓝莓加工产业技术的更新提供基础的理论数据和技术支持。

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

新鲜蓝莓：直接从北京郊区采摘园采摘，未经过冷藏保鲜。

果糖-葡萄糖溶液：广州双桥有限公司；
花青素检测试剂盒：上海信帆生物科技有限公司；
POD试剂盒：南京建成生物工程研究所；
聚乙二醇（Polyethlene glycol,PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl pyrrolidone,PVP）、乙酸钠、三水化合物、邻苯二酚、Triton X-100、冰乙酸：上海麦克林生化科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

LQ-C5002实验室精密电子天平：深圳市飞亚衡器有限公司；
TGL-16gR高速冷冻离心机：上海安亭科学仪器厂；
Rapid-TA质构仪：上海腾拔仪器科技有限公司；
UV-2100紫外可见分光光度计：上海化科实验器材有限公司；
PAL-1糖度仪：浙江托普仪器有限公司；
DW-86L388J低温保存冰箱：青岛海尔医疗股份有限公司；
BC/BD-300DT调温冷藏箱：美菱股份有限公司；
A 11 basic液氮研磨机：广州IKA公司；
NR110色差仪：3NH科技有限公司；
Nikon D800相机：日本尼康公司；
YET-610热电偶测温记录仪：兴化市苏玛电器仪表有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品的制备及处理

选择大小一致、外观无物理损伤的蓝莓果实，用清水清洗干净并沥干。试验设置4个组别，其中普通缓冻组（CK组）、超低温速冻组（QF组）为对照组，静置渗透脱水冷冻处理组（OD组）、超声渗透脱水冷冻处理组（UOD组）为试验组。

CK组：将新鲜蓝莓用聚乙烯包装袋密封包装后置于-18℃冰箱冷冻。每袋蓝莓200 g，共3袋，下同。

QF组：将新鲜蓝莓用聚乙烯包装袋密封包装后置于-80℃冰箱冷冻，待样品完全冻结后转入-20℃冰箱中保存。

OD组：使用针头对单个新鲜蓝莓进行穿刺，每个蓝莓穿刺3个孔，深度为3 mm左右（针头型号为4.5号），然后将其置于料液比1∶3（g/mL）、质量分数为60%的果糖-葡萄糖溶液中渗透脱水6 h（渗透脱水条件为前期预试验得出结果），完成后用蒸馏水清洗果实表面糖液，并用纸巾小心拭干表面水分，之后用聚乙烯包装袋密封包装后放入-18℃冰箱中保存。

UOD组：使用与OD组相同的处理方法将新鲜蓝莓穿刺后放入烧杯（样品和渗透溶液的比例为1∶3）中，然后将其置于25℃、超声频率40 kHz条件下超声波辅助渗透脱水2 h（超声渗透脱水条件为前期预试验得出结果），完成后用蒸馏水清洗果实表面糖液，并用纸巾小心拭干表面水分，之后用聚乙烯包装袋密封包装后放入-18℃冰箱中保存。

各组蓝莓冻藏1个月后取出，于（25±0.5）℃室温下解冻4 h后进行各项指标的测定。

1.2.2 冻结曲线的绘制

使用YET-610热电偶测温记录仪进行测定。将探针插入蓝莓物料中心，同时放入冰箱并记录温度变化，待温度下降至-18℃时停止监测。QF组每隔3 s记录1次数据，其他组每隔1 min记录1次数据。

1.2.3 测定项目与方法

1.2.3.1 汁液流失率

参考陈童等[16]的方法测定。蓝莓从冰箱中取出后称重并记录，室温下解冻4 h后小心拭去表面水分再次称重，每组重复测试5次。按照下列公式计算汁液流失率。

式中：m1为解冻前样品质量，g；
m2为解冻后样品质量，g。

1.2.3.2 硬度

冻融后蓝莓质构用Rapid-TA质构仪进行测定。测定条件：探头型号为P/10柱形探头；
模式为TPA；
压缩量为30%；
测试速率为1 mm/s；
触发点负荷为100 g。每组样品选取15个果实进行测定。

1.2.3.3 色泽

使用色差仪对不同组别和新鲜蓝莓样品的色泽参数（L*、a*、b*值）进行测定。其中L*代表亮度值，a*代表红绿值，b*代表黄蓝值。

1.2.3.4 可溶性固形物含量

使用PAL-1糖度仪进行测定。取20 g蓝莓果实，用纱布包裹挤压出汁，测定汁液中的可溶性固形物含量。

1.2.3.5 花青素含量

使用花青素检测试剂盒进行测定。

1.2.3.6 过氧化物酶（POD）活性

使用POD试剂盒进行测定。

1.2.3.7 多酚氧化酶（PPO）活性

参考刘帮迪等[17]的方法，并稍作修改。以每克鲜重蓝莓果实样品每分钟吸光度变化增加1时为1个多酚氧化物酶活性单位，以ΔOD420/（min·g）表示。重复测定3次。

式中：△OD420为反应混合液的吸光度变化值；
△t为酶促反应时间，min；
V为样品提取液总体积，mL；
Vs为测定时所取样品提取液体积，mL；
m为样品质量，g。

1.2.4 数据处理

试验数据为多次测定后的平均值，采用SPSS中ANOVA及Duncan’s对不同处理组之间的差异进行统计分析。

2.1 脱水预处理对蓝莓冷冻性能的影响

速冻是一种使食品快速冻结的保藏方法，它可以使物料迅速通过最大冰晶生成带，当冻结速率越快时，冰晶形成的冰核越细小，从而对冻结物料的品质影响越小[18]。物料的冻结曲线可以分为3个阶段：预冷阶段（4～0℃）、相变阶段（-1～-5℃）和低温冷却阶段（-5～-18℃）[19]。如图1所示，蓝莓在不同处理方式下的冻结曲线中，QF组冻结速率最快，总冻结时间最短，其次依次为OD、UOD、CK组。由图1中还可以看出，各处理组在冻结过程中出现了过冷现象。大量的试验结果证明，过冷是果蔬冷冻结晶过程中一种常见的热物理学特性，这种现象的出现与冰核的生长速率、物料的尺寸大小、环境温度等相关[20]。蓝莓过冷和冻结过程各阶段的相关参数如表1所示。在预冷阶段，各处理组的预冷时间存在明显的差异，其中CK组的预冷时间最长。CK、QF、OD、UOD处理组的相变时间分别为1 202.60、436.60、856.40、989.00 s，QF组相变时间最短，UOD组和OD组的相变时间比CK组分别缩短了28.8%和17.8%。这说明渗透脱水预处理缩短了蓝莓的相变时间，可以更快地通过最大冰晶带，形成细小的冰晶，减少对细胞组织结构的破坏。总冻结时间的排序为：CK＞UOD＞OD＞QF。

图1 不同处理下蓝莓果实的冻结曲线Fig.1 Freezing curves of blueberry fruits under different treatments

表1 不同处理方式下蓝莓果实冷冻参数Table 1 Freezing parameters of blueberry fruits under different treatments 单位：s

2.2 脱水预处理对冻融后蓝莓果实汁液流失率的影响

汁液流失现象是冷冻物料在冻藏融化后最明显的现象，这个现象极大地影响食品的食用加工品质，并使营养物质随汁液流失大量流出。与缓冻技术相比，速冻技术可以更好地抑制汁液流失[21]。细胞持水能力的强弱与汁液流失率相关，汁液流失率越低，细胞持水能力较强，证明了果蔬细胞受冷冻冰晶的破坏越小，冻融后的果蔬口感越佳、品质越好。脱水预处理对蓝莓汁液流失率的影响如图2所示。QF组的汁液流失率最低，约为1.74%，这是因为QF组在超低温下冻结，其冻结速率快，形成的冰晶体细小且能够均匀地分布在细胞组织中，在解冻时可减少汁液的流失。OD组的汁液流失率显著低于CK组（P＜0.05），这是由于糖分子的渗入可作为冷冻保护剂进入蓝莓组织内部，对蓝莓果实组织中的水分子起到了一定的束缚作用，增强了蓝莓果实的持水力[22]。UOD组的汁液流失率与CK组之间无显著性差异，可能是超声波辅助脱水虽然加速了传质，提高了脱水效率（OD组渗透脱水时间6 h，UOD组渗透脱水时间2 h），但是使蓝莓细胞组织结构遭到破坏。Zhang等[23]研究表明，受超声波的影响，樱桃番茄的细胞壁结构变得疏松，细胞会形成微孔通道，造成组织内孔隙增大，降低细胞持水能力。

图2 脱水预处理对蓝莓果实汁液流失率的影响Fig.2 Effects of dehydration pretreatments on drip loss of blueberry fruits

2.3 脱水预处理对冻融后蓝莓果实硬度的影响

硬度是衡量冻融后蓝莓品质的一项重要指标。由图3可以看出，CK组和UOD组果实的硬度无显著性差异，但均显著低于QF组和OD组（P＜0.05），这主要是由于冷冻前预处理和冷冻对蓝莓细胞造成了较大的损伤，蓝莓细胞中果胶降解，冻融后使蓝莓细胞壁中钙离子流失，支撑细胞的物理强度下降，导致冻融后蓝莓硬度下降[24]。OD组果实硬度较CK组提高了23.64 g，二者间呈显著性差异（P＜0.05）。这说明静置渗透脱水预处理（OD处理）对蓝莓果实细胞的破坏力更小，且糖分子进入到细胞组织内部有利于蓝莓果实硬度的保持。

图3 脱水预处理对蓝莓果实硬度的影响Fig.3 Effects of dehydration pretreatments on firmness of blueberry fruits

2.4 脱水预处理对冻融后蓝莓果实色泽的影响

蓝莓样品冻融后果肉色泽的变化如表2和图4所示。试验发现：新鲜蓝莓果肉颜色偏黄，亮度高。经过冻融后，CK组的蓝莓果肉中出现明显的褐变现象，通过L*值可以看出，CK组明显高于OD和UOD组。这是因为CK组蓝莓在冷冻、解冻过程中因温度的波动变化细胞被破坏，细胞内易褐变物质接触氧气和相关酶的可能性加大，导致酶促褐变[25]。OD和UOD组均没有发现褐变的现象，这与Fan等[26]的研究结果相似，可能是因为糖液中含有的葡萄糖对蓝莓果实的褐变起到了抑制作用。各处理组的a*值分布区间在10～33，均为正值，即蓝莓果肉的颜色偏红。

表2 脱水预处理对冻融后蓝莓果实色泽的影响Table 2 Effects of dehydration pretreatments on color of freezing-thawing blueberry fruits

图4 蓝莓样品经过脱水预处理和冷冻融化后的外观变化Fig.4 Appearance changes of blueberry samples after dehydration pretreatments and freezing-thawing process

试验还发现，由于蓝莓是一种表皮富含花青素的果实，果皮被破坏同样容易造成花青素内渗的现象。这种现象在QF组中十分明显。虽然张方方[27]的研究指出，超低温速冻对蓝莓细胞结构的伤害小，对蓝莓果皮的色泽保护优于普通缓冻，但是本研究发现超低温速冻对蓝莓果肉的色泽会带来不利影响。QF组的b*值显著低于其他3个组（P＜0.05），从图4可以看出，QF组颜色呈现饱和的深紫色。这都证明了QF组虽然在冻融过程中阻止了细胞内水分和溶质外渗，但向果肉细胞内的渗透现象却比OD和UOD组明显。由此可见，OD和UOD处理均可以有效缓解蓝莓冻融过程中氧化褐变和色素内渗的问题。

2.5 脱水预处理对冻融后蓝莓果实可溶性固形物含量的影响

可溶性固形物是指食品中所有溶解于水的化合物总称，主要包括糖、酸、维生素、矿物质等，是果蔬的重要品质之一。如图5所示，OD组蓝莓果实可溶性固形物含量显著高于其他处理组（P＜0.05），这是因为果糖-葡萄糖溶液的渗透压高于蓝莓组织内部，形成了渗透压差，糖分子受到压力的驱动作用进入蓝莓细胞组织中，提高了可溶性固形物含量[28]。Nowacka等[29]证实了使用质量分数为61.5%的蔗糖溶液对蔓越莓进行渗透脱水预处理，较其他处理组显著提高了蔓越莓的可溶性固形物含量。CK组、QF组和UOD组之间果实的可溶性固形物含量无显著差异。UOD组果实的可溶性固形物含量比OD组低1.38个百分点，这说明UOD的高强度超声处理容易导致在渗透过程中溶质外溢损失和细胞破坏后随汁液流失的损失。

图5 脱水预处理对冻融蓝莓果实可溶性固形物含量的影响Fig.5 Effects of dehydration pretreatments on soluble solids contents in blueberry fruits after freezing-thawing process

2.6 脱水预处理对冻融后蓝莓花青素含量的影响

花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性色素，属于生物类黄酮物质。研究表明，花青素是强有效的抗氧化剂，也是天然有效的自由基清除剂，具有保护视力、抗癌、软化血管等功效[30]。与黑枸杞、桑葚等相比，蓝莓中花青素含量相对较高，且主要存在于蓝莓表皮[31]。由图6可知，QF组和UOD组之间的花青素含量无显著性差异，分别为24.16 U/g和24.14 U/g，它们均显著高于其他处理组（P＜0.05）。虽然在对色泽的研究结果中发现QF组出现花青素内渗现象，但是并没有对花青素造成损失，QF处理依旧对花青素有良好的保持效果。OD组花青素含量显著低于QF和UOD组，而显著高于CK组（P＜0.05），这可能是长时间渗透脱水，糖液与蓝莓组织内部的渗透压差对蓝莓表皮有一定的破坏作用，导致蓝莓果实表皮花青素流失。

图6 脱水预处理对冻融蓝莓花青素含量的影响Fig.6 Effects of dehydration pretreatments on anthocyanins contents in blueberry fruits after freezing-thawing process

2.7 脱水预处理对冻融后蓝莓果实过氧化物酶和多酚氧化酶活性的影响

POD和PPO是果蔬体内普遍存在的氧化还原酶，这两种酶会作用于果蔬原料中的内源性多酚物质，使其氧化生成醌类物质，再聚合成黑色素，严重影响果蔬的营养、风味及外观品质，降低可食用性，进而影响生化代谢反应[32-33]。因此，抑制POD、PPO等氧化还原酶活性是大量果蔬加工中的重点研究方向之一。由图7和图8可以看出，UOD组和CK组果实的POD和PPO活性均显著高于其他两个处理组（P＜0.05），可能是这两个组的蓝莓在超声预处理、冷冻、融化过程中细胞组织受到损伤，破坏了细胞器内膜，使得POD和PPO由结合态转变为游离态，活性迅速升高[34]。OD组果实的POD和PPO活性最低，分别为1.89ΔOD470/（min·g）和0.14ΔOD420/（min·g）。试验结果表明：OD处理可以有效抑制蓝莓果实的POD和PPO活性，同时保持细胞组织结构的完整性，最大程度地提高冻融后蓝莓的新鲜度。这可能与OD组果实可溶性固形物含量高有关。

图7 脱水预处理对冻融蓝莓果实POD活性的影响Fig.7 Effects of dehydration pretreatments on POD activities of blueberry fruits after freezing-thawing process

图8 脱水预处理对冻融蓝莓果实PPO活性的影响Fig.8 Effects of dehydration pretreatments on PPO activities of blueberry fruits after freezing-thawing process

研究发现，经过OD和UOD渗透脱水处理后的冻融蓝莓果实的各项指标明显优于传统工业应用的普通缓冻（CK）。但UOD处理会活化蓝莓果实的POD、PPO活性，增加加工果实被氧化的可能性；
同时破坏果实的细胞结构，导致汁液流失率增高、硬度下降、可溶性固形物损失。OD组在蓝莓的质地、色泽、可溶固形物等指标上优于UOD组，但对花青素的保护能力不足，长时间渗透脱水导致花青素损失。研究结果表明：OD处理由于保护了果实更完整的外观和食用品质，更适用于果脯、速冻整果加工需求的蓝莓冻藏；
UOD处理能更好地保留花青素，接近能耗大、成本高的QF处理，适用于蓝莓花青素提取原料的长时间储藏。该结果为蓝莓加工业原料冻藏提供了基础性的研究结果和理论分析。但有关渗透脱水和冻藏过程中花青素损失因素的分析及深入探究渗透脱水改变蓝莓物料在冷冻过程中的热物理学特性变化，有待今后通过试验进一步完善。