桑葚冻结过程中的温度变化特性

王 丹， 孙 蕾， 孙家正， 鲁墨森

(1.山东省果树研究所，山东 泰安 271000;2.山东省林业科学研究院，山东 济南 250000)

桑葚又名桑果，为聚花浆果，是桑科桑属落叶乔木桑树的果实，每年4～6月份成熟。在中国新疆尤其南疆地区的桑葚种植面积较广，品种较多，主要分为白葚、红葚、黑葚［1-2］。山东省夏津县黄河故道生态森林公园，素有小杂果之乡的美誉，这里的桑葚以白葚为主，不仅品种独一无二，古葚树群的树龄、数量在全国也是首屈一指，是不可复制的独有资源。1993年，国家卫生部就把桑葚列为既是食品又是药品的农产品之一。桑葚不但味美多汁，而且中医认为桑葚具有补血滋阴、生津止渴等功效［3］。现代研究证实，桑葚不仅含有赖氨酸、组氨酸、VE等多种氨基酸和维生素，还含有铁、钙、胡萝卜素、果糖等成分［4-6］，常吃桑葚能显著提高人体的免疫力，故桑葚被医学界誉为21世纪的最佳保健果品。

桑葚成熟后非常不耐贮藏，皮薄易破，水分含量在70%以上［7］，常温下12～18 h变色、变味、腐烂，在非冻结的冷藏条件下，其商品贮藏期也不超过5 d［8-10］，因此，桑葚的长期保鲜、延长供应期研究具有学术价值和生产意义。初步研究结果表明，通过冷冻储藏桑葚可达到周年供应并可作为加工原料长期保藏。本试验试图研究桑葚在冷冻过程中的温度变化，探讨其在冷冻过程中关键温度点的数值范围以及冰点温度与可溶性固形物含量的相关性，为进一步研究桑葚的冻藏及冰温贮藏奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桑葚2012年5月采自山东省夏津县黄河故道森林公园，果实品种为白葚。

1.2 试验方法

试验采用自制的热镀锡膜铜-康铜热电偶作为测温装置［11-12］，温度自动记录时间间隔1 s，精度为0.1℃，同时测头热惰性极小、反应灵敏，可以最小限度的损坏被测组织的原始状态。利用由LU-R/C2100无纸记录仪改制的高灵敏度多通道微伏级数据采集处理器进行温度数据的采集、存储，采样周期为1 s，可以准确灵敏的记录温度的微变过程，然后通过相关软件将温度数据在计算机上作进一步分析处理。以下具体步骤均采用此种方法。

1.2.1 桑葚果实在冻结过程中的温度测定 将待测样品置于不同待定温度(－26.4～－18.2℃)的密闭低温恒温箱中，测头刺入桑葚果实的果肉处，记录数据。并针对出现频率较为高的一类典型曲线进一步比较其在不同介质温度下的冻结曲线，即将桑葚果实置于同一冰柜(－26.2～－18.6℃)的不同层级(不同空气介质温度)下进行测定。

1.2.2 桑葚果实在解冻过程中的温度测定 将样品从低温恒温箱拿出后，于室温下自然化冻时，测头刺入桑葚果实的果肉处测定。

1.2.3 桑葚果汁在冻结过程中的温度测定 桑葚果汁冰点温度的测定是将果肉放入榨汁钳进行挤压过滤取汁，滤液倒入小玻璃试管中，将测头悬空深入果汁，注意测头不要接触试管壁，试管口处密封固定。

1.2.4 空气介质温度的测定 将测头悬空于低温恒温箱的一定位置，并将其固定以防止测头触碰到低温恒温箱内壁上。

1.2.5 可溶性固形物含量和含水量的测定 利用阿贝折射仪2WAJ测定可溶性固形物含量，每个试样重复3次。

含水量为果实冷冻之前的质量与冻后经干燥箱烘干之后的质量之比，重复3次。

2 结果

2.1 桑葚果实在冻结过程中的温度变化曲线

通过桑葚千余条冻结曲线的归类总结，在－26.4～－18.2℃介质温度条件下，共得出3种比较典型的冻结曲线。图1A是桑葚冻结中较为为典型的一类曲线，可以分为 3个阶段:在 －23.4～－18.2℃空气介质温度中，首先是初始阶段，样品从初温11.1℃经387 s到达过冷点(a)－6.1℃，在过冷点(a)冰核开始形成，此阶段为释放显热阶段，降温速率快，曲线较陡;中间阶段，由过冷点(a)－6.1℃经 22 s急速上升至第一个拐点(b)－4.6℃即初始冰点，此阶段是潜热释放阶段，a点与b点的温度差值反映了过冷现象的显著性，此后，温度呈小幅下降，此过程中最为集中、曲线最平缓的温度点为平衡冰点(c)，当曲线斜率开始明显增大、温度大幅下降时，结冰过程完成，中间阶段结束，在此阶段，冰晶大量生成，正在冻结部分潜热释放的速率与已冻结部分冷却的速率不分上下，因此，温度曲线比较平缓，或呈一定斜率的下降趋势，而且随空气介质温度升高曲线愈趋向于平缓;终阶段，d点即终止冰点之后，显热释放，温度加速下降，最终接近空气介质温度。图1B经初始冰点(b)后，进入了一段明显较陡的下降阶段，随后以较为平缓的趋势缓慢下降。图1C反映的是无过冷点出现的一类曲线，此类情况在桑葚的冻结试验中出现的频率较少。

基于图 1(A)类型出现的频率较高，在－26.2～－18.6℃范围内冰柜的不同层级(不同空气介质温度梯度)分别进行测定，从图2中可以看出，介质温度越低，过冷点与冰点越早出现，最大冰晶生成区越早结束，即冻结速率越快，而且中间阶段随介质温度的降低，有平缓逐渐变陡的趋势;介质温度越高，过冷点与冰点的温度差即过冷现象越显著。

图1 桑葚果实的几种典型冻结曲线Fig.1 Typical freezing curves of mulberry

图2 不同空气介质温度下桑葚果实的冻结曲线Fig.2 Freezing curves of mulberry fruit at different temperatures of air

表1反映的是不同空气介质温度中多次测得的冻结参数的平均值。可以发现，空气介质温度越低，过冷点及冰点出现时间越早;过冷点温度、平衡冰点温度随空气介质温度的降低有升高趋势，且过冷点与平衡冰点温度的差值随空气介质温度的下降逐渐减小。

表1 桑葚果实在不同介质温度中的冻结参数Table 1 Freezing parameters of mulberry fruit in different temperature of static air conditions

2.2 桑葚果实在解冻过程中温度变化曲线

由图3可以看出，解冻过程呈现几个斜率不同的平滑曲线段，首先，刚拿出低温恒温箱时，随空气介质温度的急速上升，桑葚果实内部温度的升温幅度也较大，当气温达到最高不变时，桑葚果实内部温度的升温速度略微放缓，当桑葚果实内部温度通过0℃一小段时间后，升温又开始加速，直至到达一定温度后保持不变。

图3 桑葚果实冻结-解冻曲线Fig.3 Freezing-thawing curves of mulberry fruit

2.3 桑葚果汁在冻结过程中温度变化曲线

从图4可以看出，与果实一样，果汁的冻结曲线同样分为3个阶段。一方面，果汁的冰点一般在－4.5℃以上，较果实高;另外，在低于－12℃的空气介质温度中，果汁的过冷现象不够明显;另一方面，在一定空气介质温度下，不同桑葚汁液的冻结曲线差异性不显著，这也是区别于桑葚果实的一个方面，原因可能是桑葚活组织的复杂性决定了其个体差异性，而打成汁液后组织结构遭到破坏，因此，组织内 部的差异被掩盖。

表2反映了桑葚汁液多次冻结过程测得的参数平均值。可以看到，与果实一样，汁液的过冷点与平衡冰点出现时间随空气介质温度的降低提前到来。与果实不同的是，桑葚汁液过冷温度与平衡冰点温度以及两者的差值在空气介质温度不同的情况下并没有出现显著变化，且果汁过冷现象均较果实不明显。

表2 桑葚果汁在不同空气介质温度下的冻结参数Table 2 Freezing parameters of mulberry juice at different temperatures of air

2.4 果实平衡冰点温度与可溶性固形物含量、含水量的关系

图5、图6分别反映的是桑葚的平衡冰点温度与可溶性固形物含量、含水量的关系。果实的可溶性固形物含量为9%～26%，含水量为72% ～88%，冰点温度为 －3.0～ －7.5℃，平衡冰点温度与可溶性固形物含量呈负相关、与含水量呈正相关。将可溶性固形物含量、含水量(x)与平衡冰点温度(Y)进行线性回归，其相关系数R2分别为0.312 5、0.222 7，由此可见，无论从可溶性固形物含量、含水量、平衡冰点温度，桑葚都表现了较大的个体差异性。

图5 平衡冰点温度与可溶性固形物含量的相关性Fig.5 Correlation between freezing point and soluble solid content

图6 冰点温度与含水量的相关性Fig.6 Correlation between freezing point and water content

3 讨论

介质温度的差异导致桑葚冻结速率的不同，从冻结曲线上可以看出，随介质温度降低，过冷点及冰点出现时间越早，最大冰晶生成区趋势越陡，越提早结束;另外，介质温度越高，过冷现象越显著。

果汁与果实的差异性，即死组织与活组织的区别，可能是由于活组织的细胞膜结构对冻结有一定阻碍作用，而相反，死组织可能由于机械损伤或冻融损伤等因素，细胞遭到破坏，因此较容易冻结，冰点温度也较活组织高。

桑葚的平衡冰点温度、可溶性固形物含量、含水量的个体差异较大，这可能是与桑葚的固有特点决定的，桑葚个体较小，使光照面积差异明显，导致成熟度等指标有很大区别。另外，桑葚平衡冰点温度与可溶性固形物含量、含水量呈现一定相关性，但不显著，与前人的研究存在一定差别［13-15］，这说明其平衡冰点温度除与可溶性固形物含量有关外，果实的某些生理状态、组织结构以及生化指标同样构成了果实冷冻的特点，这些问题都还有待深入研究。

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