高压二氧化碳浸渍速冻胡萝卜片工艺及产品品质的研究

郭蕴涵，汪政富，赵翠萍，刘沫茵

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工开放重点实验室，北京100083）

高压二氧化碳浸渍速冻胡萝卜片工艺及产品品质的研究

郭蕴涵，汪政富*，赵翠萍，刘沫茵

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，国家果蔬加工工程技术研究中心，农业部果蔬加工开放重点实验室，北京100083）

研究运用高压二氧化碳浸渍技术（High pressure carbonic maceration freezing，HPCMF）速冻胡萝卜片，探讨了HPCM冻结工艺对胡萝卜片中心温度的影响以及四种不同冻结方式（HPCM、液氮、-80℃、-18℃）冻结降温曲线，并且测定了解冻后胡萝卜片的pH、色泽、多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）的残余酶活及总酚含量（TP）、α-和β-胡萝卜素含量。结果表明，HPCM速冻胡萝卜片工艺参数条件为反应釜设定压力6～10MPa、初始温度5～10℃，保压时间5min，卸压时间2～4min时物料中心温度可以达到-18℃以下。HPCMF可以很好地保持食品色泽和营养物质胡萝卜素的含量，与热烫处理相比除了pH、RA-POD、α-和β-胡萝卜素含量有下降（p＜0.05），RA-PPO、总酚含量均没有显著变化（p＞0.05），但是在几种冻结方式中HPCM冻结处理保存了最高含量的α-和β-胡萝卜素。HPCMF技术可以应用于工业生产，具有良好的前景。

高压二氧化碳浸渍速冻（HPCMF），胡萝卜片，降温曲线，速冻工艺参数，酶活，品质

Abstract：High pressure carbonic maceration freezing technology（HPCMF） was applied to the quick freezing process of carrot slices.The effect of HPCMF parameters （treatment pressure，initial temperature，retention time and decompression time） and four different freezing curves（HPCMF、liquid nitrogen、-80℃ and-18℃ freezing protocols）were investigated.The results showed that the needed central temperature （-18℃）of carrot slices can be attained when treatment pressure，the initial temperature，retention time and decompression time were 6～10MPa，5～10℃，5min，and 2～4min，respectively.Compared with blanched samples，carrot slices frozen by HPCM presented a noticeable decrease in pH，RA-POD，α-，β-carotene contents（p＜0.05），but this novel technology maintained better color and highest α-，β-carotene contents retention than other three freezing protocols.HPCMF technology can be applied to industrial production which has a good prospect.

Key words：high pressure carbonic maceration freezing；carrot slices；freezing curves；freezing processing parameters；enzymic activity；quality

食品速冻技术能最大限度地保持食品原有的新鲜程度、色泽风味、营养成分，是目前国际公认的最佳食品贮藏技术[1]。以新鲜食品为原料的速冻需要在低温下30min内快速通过最大冰晶带（-1～-5℃），中心温度降至-18℃以下，生成的冰晶要小于100μm[2]。而国内市场的速冻食品基本停留在传统的氟里昂、氨的速冻技术上，难以满足生产要求，因此，二氧化碳（CO2）这种环境友好型、自然的制冷剂，引起了越来越多的关注[3]。与鼓风隧道式冻结或平板式冻结相比，液态CO2速冻装置构造简单、操作方便，冻结速度快、冻结食品品质好，几乎不发生干耗；与液氮冻结相比，液态CO2具有来源广泛、制造成本低、能耗小的特点[4]。樊建等人采用喷雾式流态化液态CO2冻结双孢菇，研究了风速、食品层高和不同冻结温度对双孢菇流化状态的影响。Peters等使用了CO2喷雾冷冻加工技术，提供了使食品充满CO2的可行性[6]。谭熙耀等研究了高压二氧化碳（HPCD）速冻香菇、双孢菇的工艺以及冻后产品感官评价，对速冻工艺的优化没有考虑卸压因素的影响，对于冻后食品的品质变化也没有进行深入的研究[7-8]。和喷淋冻结方式相比，HPCM冻结方式CO2渗透进入物料内部，随着压力释放物料快速、均匀地冻结，减少或消除了由内外温差产生的应力带来的产品组织结构的断裂，使HPCM冻结方式更加具有研究应用的价值。胡萝卜（carrot）是一种质脆味美、营养丰富的家常蔬菜，但外皮保水能力差，易失水而影响新鲜度。胡萝卜经速冻贮藏，可长期保持原有营养成分、风味和品质，延长上市时间，有利于提高经济效益。因此实验采用胡萝卜为速冻蔬菜的代表来研究高压二氧化碳浸渍速冻技术（HPCMF）冻结胡萝卜片工艺。本实验在研究胡萝卜四种不同冻结方式的基础上，利用HPCD装置，研究反应釜设定压力、初始温度、保压时间和卸压时间等工艺参数对胡萝卜片中心温度的影响，测定解冻后胡萝卜片的理化品质，为HPCMF的工业化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

新鲜胡萝卜（品种为五寸参，含水率约为92.1%±0.5%）中国农业大学蔬菜市场；CO2（纯度99.5%）北京分析仪器公司；所用其他试剂 均为分析纯。

UV-1800型紫外可见分度计、LC-20AT型高效液相色谱仪 日本岛津SHIMADZU公司；T6型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；GL-20G-Ⅱ型冷冻离心机 上海安亭科学仪器厂；868型pH计 美国奥立龙公司；HR2860型组织捣碎机 荷兰PHILIPS公司；Hunter Lab Scan@XE色差计 美国亨特工程公司；VC-306B型Fluke62手持红外测温仪（±1.5%） 深圳海旭仪器仪表有限公司；CH5000-R型无纸记录仪 北京金万祥自动化科技有限公司。

本实验所用速冻装置中国农业大学研制的高压二氧化碳装置（CAU-HPCD-1，专利号：ZL200520132590.X），如图1所示[9]。高压二氧化碳装置主要包括CO2气瓶、过滤器、低温冷却槽和CO2高压调频泵。样品放入反应釜内，从气瓶出来的CO2由过滤器过滤除菌，再经过低温冷却槽降温液化。在高压调频泵的作用下形成较高压强的CO2，待反应釜温度达到设定值时，开始通入CO2，密封的反应釜形成高压CO2处理环境，维持恒定压力和温度，达到保压时间后卸压，取出样品。卸压时，液体CO2迅速膨胀汽化，吸收大量热量，使胡萝卜片温度迅速降低，短时间内即可通过最大冰晶生成区达到速冻的目的[10]。

图1 高压二氧化碳装置Fig.1 Apparatus of high pressure carbon dioxide

1.2 实验方法

1.2.1 冻结温度曲线的测定 将胡萝卜进行选择、清洗，切成直径3cm×高度0.5cm的胡萝卜片，然后在（95±5）℃蒸汽漂烫1min，迅速置于冰水混合物中冷却5min，沥干水后进行HPCM、液氮、-18、-80℃四种冻结方法处理。

取单个胡萝卜片（重约5g），把一个数字温度计的探针插入胡萝卜片中央（沿胡萝卜片最外层往内部插入1cm左右），数字温度计连接无纸记录仪用来记录在冻结过程中胡萝卜片中心温度的变化。HPCM冻结卸压后取出物料，其最终中心温度采用手持红外测温仪测定。每个速冻方式做3个重复，取平均值。

1.2.2 HPCM速冻工艺研究 设定好反应釜的初始温度和设定压力，然后将经（95±5）℃蒸汽漂烫1min、冰水混合物中冷却5min沥干水后的胡萝卜片（约（30±5）g）放入处理釜中，密闭升压，达到设定压力后保压5min后进行卸压操作，在控制面板上对应的温度显示界面观察并记录产品中心温度的变化。

改变HPCD处理的反应釜设定压力、处理时间和温度，研究不同HPCM速冻条件对胡萝卜片中心温度的影响。实验方法如下：控制反应釜初温为10℃、保压时间5min，卸压时间为4min，反应釜设定压力为4、6、8、10、12MPa；控制反应釜设定压力8MPa、保压时间5min、卸压时间为4min，反应釜初温为5、10、15、20、25℃；控制反应釜设定压力为8MPa、初温为10℃，卸压4min，保压时间为0、3、5、7、9min；控制反应釜设定压力为8MPa、初温为10℃，保压5min，卸压时间为2、4、6、8、10min。单因素实验处理水平见表1。各实验结果均为3次实验平均值。

表1 单因素实验处理水平Table 1 Factors and levels of the single factor test

1.2.3 酶活的测定方法

1.2.3.1 粗酶液的提取 酶液的提取与测定参照取Bi等[11]的方法并稍作修改。10g胡萝卜片与pH=6.8的0.2mol·L-1磷酸盐缓冲液按照1∶2（w/v）匀浆，并加入1g的交联聚乙烯吡咯烷酮（PVPP），浆液在4℃冷库中放置10h充分提取，提取液过四层纱布，再将滤液在4℃下8000×g离心20min，所得上清液即为粗酶液。

1.2.3.2 PPO活性的测定 0.4mL粗酶液与2.4mL0.5mol·L-1的邻苯二酚（由pH=6.8的0.2mol·L-1磷酸盐缓冲液配制）在25℃下反应，扫描反应体系在420nm下的3min的吸光值。反应曲线直线部分斜率即为PPO酶活（Abs·min-1）。

PPO残存酶活（RA-PPO）=解冻后的PPO活性/新鲜胡萝卜的PPO活性

1.2.3.3 POD活性的测定 0.4mL的粗酶液与1.6mL 0.05%的愈创木酚（由pH=6.8的0.2mol·L-1磷酸盐缓冲液配制）在30℃水浴中平衡5min，再加入0.8mL 0.09%的过氧化氢（由pH=6.8的0.2mol·L-1磷酸盐缓冲液配制），扫描反应体系在470nm下5min的吸光值。反应曲线直线部分斜率即为POD酶活（Abs·min-1）。

POD残存酶活（RA-POD）=解冻后的POD活性/新鲜胡萝卜的POD活性

1.2.4 理化品质测定

1.2.4.1 pH 取20g胡萝卜和20mL蒸馏水打浆，胡萝卜汁在4℃下8000×g离心20min，上清液用0.45μm的微孔滤膜过滤，采用pH计测定滤液pH。

1.2.4.2 色泽的测定 采用色差仪对胡萝卜片的色值进行测定，采用CIELAB表色系统，以反射模式测定样品。其中L值表示亮度，范围在0～100之间，L0值越高表明样品表面越白。a0＞0表示红值、a0＜0表示绿值，b0＞0表示黄值、b0＜0表示蓝值。色差值△E反映了色泽的总体变化，△E越大表示颜色变化越大。△E=[（L-L0）2+（a-a0）2+（b-b0）2]1/2式中L0、a0、b0为新鲜胡萝卜片的值，L、a、b为处理胡萝卜片的值。每次测定样品八个重复三个平行，取平均值[12]。

1.2.4.3 总酚含量的测定 参考Singleton等[13]的方法，采用Folin-ciocalteu’s法测定总酚含量并略作修改。取10g胡萝卜片加入60mL无水甲醇，超声30min，在4℃下8000×g离心10min，上清液过滤定容至100mL。Folin-ciocalteu试剂用蒸馏水稀释10倍，取0.4mL样品提取液与2mL稀释的Folin-ciocalteu试剂混合后，加入1.8mL 7.5%的Na2CO3溶液，常温下避光保持1h，用紫外分光光度计测定765nm处的吸光值，总酚含量以每100g样品含有多少克焦性没食子酸表示。

1.2.4.4 α-和β-胡萝卜素含量的测定 参考Hymavathi[14]的提取方法，采用高效液相色谱法测定α-、β-胡萝卜素含量。取15g胡萝卜加入30mL丙酮中，超声（60W）提取15min，重复2次合并提取液并定容至100mL。将50mL 25%KOH-甲醇溶液加入到上述提取溶液中混匀，45℃水浴皂化1h后，取出立刻冷却到室温。将皂化液移入250mL分液漏斗，加入100mL的石油醚振荡萃取后静置分层，水相按上述方法反复提取，合并有机相（用水洗至近中性）。有机相经过加入无水Na2SO4的砂芯漏斗过滤脱水，滤液收入500mL烧瓶于旋转蒸发器上在（40±2）℃的条件下蒸至近干。用正己烷溶解残渣并转移至50mL容量瓶中定容。HPLC条件：乙腈∶甲醇∶二氯甲烷=6∶2∶2（V∶V∶V），等速洗脱，流速1mL·min-1，进样量20μL，波长445nm，温度30℃。

2 结果与分析

2.1 不同冻结方式降温曲线

图2 HPCM冻结曲线Fig.2 Freezing curve of HPCM protocol

图3 液氮冻结曲线Fig.3 Freezing curve of liquid nitrogen protocol

图4 -18℃冻结曲线Fig.4 Freezing curve of－18℃ protocol

图5 -80℃冻结曲线Fig.5 Freezing curve of－80℃ protocol

通过食品冻结降温曲线的测定，可以了解食品冻结速度和冻结质量。不同冻结方式的胡萝卜冻结曲线如图2～图5所示。从冻结温度曲线可以看出，四种不同冻结方式的初阶段（从初始温度到0℃）所经历的时间不同，LN冻结最短为3s，-80℃冻结60s，HPCM冻结方式是100s左右，-18℃冻结方式最长为2～3min，此阶段放出的是显热，数值较小，温差大，所以降温较快且曲线较陡。而中阶段（从冻结点到-5℃）经历的时间HPCM和液氮冻结都为20s左右，-18、-80℃分别为30、5min。四种不同冻结方式中HPCM和液氮冻结方式的中阶段不明显，-18、-80℃终阶段的曲线都较平坦，表明胡萝卜的大部分水分在此阶段结成冰，冰的潜热大，整个冻结过程中绝大部分热量在此阶段放出，故降温慢。终阶段是显热、潜热同时放出，由于数量不大，故降温较快，但曲线不及中阶段的曲线陡。HPCM冷冻方式的三个阶段区分不明显，从通过最大冰晶带的时间可以判断，HPCM、液氮和-80℃冻结方式属于快速冻结，-18℃冻结方式属于缓慢冻结方式。速冻形成的冰晶多且细小均匀，不会对细胞造成大的机械损伤。冷冻中未被破坏的组织细胞，在适当解冻后水分能保持在原来的位置，并发挥原有的作用，有利于保持食品原有的营养品质。缓慢冻结形成的较大冰晶会刺伤细胞，破坏组织结构，解冻后汁液流失严重，影响食品的价值[15]。

2.2 高压二氧化碳冻结实验

影响HPCD处理效果的因素主要有压强、温度、时间、处理系统、气体组分、CO2状态、卸压速率、循环处理、添加剂和搅拌等，其中几乎在所有的文献中都研究了压强、温度和时间对处理物料的影响。

Mohammad研究发现，对保持果蔬质量而言，-18、-24℃都为较好的贮藏温度，但从节约能源、冻结食品品质和成本考虑，胡萝卜冻结的最终中心温度应低于贮藏温度（-18℃）。如果果蔬冻结的最终中心温度高于-18℃，可能会出现食品的缓慢冻结，组织内部未冻结的水分会生成大而不均匀的冰晶，从而导致组织结构破坏、蛋白质变性、汁液流失增加、褐变等现象，影响速冻食品的外观和食用品质[16]。因此，在探讨HPCM新型速冻胡萝卜片工艺时以最终中心温度能否到达-18℃为标准。

2.2.1 反应釜设定压力对速冻胡萝卜片的影响 由图6可知，物料一定的情况下，反应釜的压力在4～8MPa时，胡萝卜片的最终中心温度温随压力的增加而显著下降，而大于8MPa时胡萝卜片的终温变化不明显。这可能是因为反应釜压力控制CO2的溶解速率和CO2在介质中的溶解性，因此，较高的压强提高了CO2的溶解程度从而促进了浸泡在液态CO2中胡萝卜片的酸化。可是当压力大于8MPa时CO2溶解在媒介中达到饱和，CO2汽化使部分CO2液体形成了干冰包裹住胡萝卜片表面，反而阻碍了温度的进一步降低，胡萝卜片的中心温度就不会再无限下降了[17]。因此，合理的反应釜设定压力为6～10MPa。

图6 反应釜设定压力对胡萝卜片中心温度的影响Fig.6 Effect of treatment pressure on central temperature of carrot slices

2.2.2 初始温度对速冻胡萝卜片的影响 总的来说，反应釜初始温度越低，胡萝卜片的终温越低，由图7可知，在反应釜初始温度高于15℃时产品的终温已经难以保证达到速冻需要温度。较高的温度有利于CO2的扩散和溶解，却不利于速冻食品的品质。同时，从操作方便、成本投入（水、电费等）方面考虑，在保证速冻食品质量的前提下应适当提高反应釜的初始温度来降低制冷的消耗[18]。因此，反应釜初始温度的合理范围为5～10℃。

图7 初始温度对胡萝卜片中心温度的影响Fig.7 Effect of initial temperature on central temperature of carrot slices

2.2.3 保压时间对速冻胡萝卜片的影响 从图8可知，保压时间为0～5min时，胡萝卜片的中心温度随着保压时间的增加而不断下降，大于5min后保持稳定的趋势。这可能是因为，在保压过程中，时间越长CO2渗透进入物料内部越充分，在卸压的过程时汽化吸热使物料降温更充分，但是二氧化碳渗透程度在5min以上时达到饱和，因此再增加保压时间物料终温也不会有明显变化。因此，保压时间选择在5min比较合理。

图8 保压时间对胡萝卜片中心温度的影响Fig.8 Effect of retention time on central temperature of carrot slices

2.2.4 卸压时间对速冻胡萝卜片的影响 卸压时HPCM速冻处理的物料中心温度从内到外均匀地降低，内外温差比较小，会使由内外温差产生的应力带来的伤害减小，而液氮速冻处理物料的内外温差比较大，当液氮接触物料从表面开始冻结会造成物料的表面碎裂，这些现象在实验中可以清楚地观察到。从图9可知，卸压时间在2～4min时可以保证达到食品冻结需要的温度，而超过4min时胡萝卜片终温却难达到标准。这可能是因为理论上在一定时间内卸压越快HPCM速冻胡萝卜片中心温度降温越快；卸压过慢的时候，反应釜与环境存在的热交换可能会使反应釜内温度难以降到标准温度。

图9 卸压时间对胡萝卜片中心温度的影响Fig.9 Effect of decompression time on central temperature of carrot slices

综上所述，HPCM冻结方式速冻胡萝卜片时合理的工艺条件应为：反应釜设定压力为6～10MPa，反应釜初始温度范围为5～10℃，压时间选择5min，卸压时间范围选为2～4min，在这种条件下可以达到速冻标准。

2.3 不同冻结方式对胡萝卜片理化品质的影响

从表2可知，四种冻结方式解冻后胡萝卜片pH显著下降（p＜0.05），HPCM冻结方式处理的胡萝卜片pH和-18℃、液氮、-80℃冻结方式相比显著偏低，这可能是因为HPCM处理过程中CO2溶于胡萝卜片表面形成碳酸，碳酸进一步解离出H+，使胡萝卜片解冻后pH低于其他冻结方式处理组[19]。

解冻后HPCM冻结处理与-80℃、液氮冻结处理L值没有显著差异，-18℃冻结处理后L值显著低于其他处理组。与热烫组相比除了-18℃冻结组a值出现上升其他处理组均是微微下降，b值除了HPCM组没有显著性变化其他处理组均显著上升（p＜0.05）。L、a、b值的变化与Mastrocolad[20]研究结果相似，L、a值的下降主要是由于酶的不完全钝化以及解冻后VC、胡萝卜素等营养物质的损失[21-22]。加工过程中由褐变导致的总色差的稳定程度是决定产品是否被接受的重要指标[23]，解冻以后总色差△E＞3时颜色的变化就可以观察到，除了HPCM组其他处理组均△E＞3表明其处理后胡萝卜片的颜色发生显著性变化。HPCM速冻处理胡萝卜片颜色变化不明显可能是和降温的均匀性以及速冻过程中对组织结构的破坏比较小有密切的关系。

与热烫处理相比，除了-18℃冻结方式使解冻以后胡萝卜片的残余酶活显著上升，其他冻结处理POD残余酶活显著下降（p＜0.05），PPO残余酶活没有太大的变化。多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）是引起果蔬酶促褐变的主要原因，HPCM、-80℃和液氮冻结方式属于速冻，在保证细胞完整性的情况下较好的保存胡萝卜片中钝化的PPO、POD活性，从而有效抑制了褐变反应。-18℃冻结方式属于缓慢冷冻，形成的冰晶大而且不均匀，在解冻过程中会损伤胡萝卜组织结构从而导致残余PPO和POD被激活，进而发生褐变、黄化现象[24]，这和结果中解冻后-18℃冻结组残余的PPO和POD活性最高是一致的。

总酚含量变化与热烫胡萝卜相比，除了-18℃速冻方式处理解冻后含量上升外其他冻结方式处理均下降，主要是因为多酚是酶促反应的底物，虽然冻结过程中酶活受到了抑制但是反应一直进行所以总酚含量在不断下降；-18℃处理组总酚含量的上升可能是由于冻结过程中机械损伤和组织破坏诱导细胞内的酚类化合物含量上升来抵御外界环境的变化和微生物入侵[25]，所以总酚含量较其他组表现出升高的趋势。

胡萝卜素含量在解冻后均呈现下降现象，除了HPCM速冻方式处理保存了高达74.3%的α-胡萝卜素含量和89.8%的β-胡萝卜素含量，-80℃冰箱也保存了较高的α-胡萝卜素含量外，其他速冻处理解冻后α-、β-胡萝卜素含量均显著性下降。这种现象可能一方面HPCM速冻过程中胡萝卜片处于CO2的环境中没有与空气接触氧化反应缓慢，其他速冻处理在光和氧气存在的环境中加速了氧化反应的速度；另一方面随着压力升高胡萝卜素比较稳定，所以8MPa条件下卸压不会加速对胡萝卜素含量的萃取[26-27]。HPCM速冻处理胡萝卜素含量的高保存率也表明了HPCM对物料组织结构造成的损伤会比较小，能较好的保存营养物质。不过，由于食品是复杂的体系，总酚含量的变化与残余酶活甚至营养物质（VC）、色素（胡萝卜素）变化的关系还需要进一步地验证研究。

3 结论

3.1 HPCM速冻胡萝卜片可以达到冷冻食品的需要温度（-18℃），是一种快速、高效的冻结方式。

3.2 HPCM冻结胡萝卜片的工艺参数为反应釜设定压力为6～10MPa，初始温度为5～10℃，保压时间5min，卸压时间为2～4min左右，此时胡萝卜片的中心温度均达到要求。

3.3 解冻以后的胡萝卜片品质HPCM冻结方式pH、RA-POD、α-、β-胡萝卜素含量显著下降（p＜0.05），总色差变化最小，可以较好保持食品颜色；总酚含量与热烫胡萝卜相比变化不明显。但是HPCM冻结处理α-、β-胡萝卜素含量有最高的保存率（分别为74.3%、89.8%），可以较好地保存营养物质。

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Study on high pressure carbonic maceration（HPCM）freezing process and quality of carrot slices

GUO Yun-han，WANG Zheng-fu*，ZHAO Cui-ping，LIU Mo-yin
（Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing，Ministry of Agriculture，National Engineering Research Center for Fruits and Vegetables Processing，College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

TS255.1

B

1002-0306（2012）16-0240-06

2012－02－27 *通讯联系人

郭蕴涵（1987-），女，硕士，主要从事果蔬冷冻和干燥方面的研究。

国家高技术研究发展计划（2011AA100802）；低温果蔬制品加工关键技术与装备开发及示范 （2011BAD39B01）；国家重点基础研究发展计划（2012CB720805）。