蓝莓液氮式流态化速冻工艺研究

张庆钢，陶乐仁，邓 云，郑志皋，蔡梅艳

（1.上海理工大学低温与食品研究所，上海200093；2.哈尔滨商业大学制冷空调研究所，黑龙江哈尔滨150028；3.上海交通大学食品科学与工程系，上海200240）

蓝莓（Vaccinium corymbosum L.），通常称为越橘果，风味独特，营养丰富[1]。可促进视网膜“杆细胞”生成，改善眼部肌肉疲劳[2]。能防止自由基的氧化作用，具有强力抗氧化和抗过敏功能，可保护脑神经不被氧化，稳定脑组织功能[3-4]。蓝莓属多水分浆果，果实成熟期在6～8月份的高温多雨季节[5]。

易腐烂，不宜贮存。如何在采收后长期保存蓝莓，成为了蓝莓产业发展中一项关键技术。现在贮存蓝莓的方法有高氧[6]、气调[7]、紫外线照射[8]、臭氧[9]、壳聚糖涂膜[10]等方式。

流态化速冻以其冻结速度快，解冻后食品质量高的特点逐渐发展成为单体速冻食品产品的重要工业冻结方法之一[11]。当前，应用液氮式流化床速冻蓝莓技术国内外报道较少。本项研究是利用液氮式流化床速冻的方式对蓝莓进行加工，检测不同实验条件下蓝莓的多项指标，确定液氮式流化床速冻蓝莓适宜的工艺条件。并总结流态化速冻工艺参数对蓝莓多项指标的影响规律，为进一步优化蓝莓的流态化速冻工艺提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蓝莓 采自于上海市青浦现代农业园，成熟度、生长条件一致，分拣工作在冷库整理间中完成，挑选无病虫害及机械损伤的蓝莓，单颗蓝莓的平均直径为（12±2.5）mm；2，6—二氯靛酚、纤维素酶（活力大于10000U/g）、二甲苯、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六氰合铁酸钾、DPPH（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）均为分析纯。

NR-C25EM1型冰箱 日本松下；DS-1高速组织捣碎机 上海标本模型厂；101-1型烘箱 上海市实验仪器总厂；TDL-5型离心机 上海安亭科学仪器厂；UV-2000型紫外可见分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司；ZWA-J型阿贝折光仪 上海光学仪器厂；DK-S22型电热恒温水浴锅、FA1604型电子天平 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置 实验所用液氮流化床速冻机结构如图1所示，装置主要由液氮喷淋预冻与流态化速冻两部分组成。其冻结流程如下：首先，食品经过输送带的输送后进入液氮喷淋预冻段，在该段里液氮由液氮喷嘴5喷出；预冻后的食品进入流态化速冻阶段；完成冻结后的冻品最终从出料口出料。高压氮气瓶1对液氮灌2加压至0.2～0.3MPa，由喷嘴12喷出的雾状液氮，在风道11内和送风迅速换热蒸发，同时将风道11中的空气冷却。被冷却后的空气向上经过物料，使其在流态化状态下迅速降温冻结。

图1 荔枝酒酿造工艺流程Fig.1 Brewing process of litchi wine

1.2.2 实验设计 将蓝莓清洗、晾干。将样品分成十组，依据不同条件在液氮式流化床上速冻（具体条件见表1）。为较全面的考察因素的水平范围，同时尽可能的降低实验次数，选用均匀实验方法安排实验。考虑到回归方程的可靠性，选择U10（104）（偏差D＝0.1277），实验次数10次，将五水平重复一次，按自由度分析（误差自由度＝5），其误差有足够的自由度（≥5），回归方程更可靠。优化的均匀实验方案如表1所示。每次实验用三个热电偶感温探头分别测3个不同的蓝莓中心温度，通过温度采集仪显示温度，当中心温度达到-15℃，实验结束。记录时间和电子秤显示的液氮罐减少质量，即测量出每组样品冻结时间及液氮耗量。并对速冻完成的样品进行指标检测，根据实际生产要求采用主观赋权法进行不同权重的设置，然后根据计算所得的综合值进行回归分析，以确定蓝莓最佳的液氮流化床速冻工艺参数。主观赋权法中指标观测值的评分值与加权综合指标值的具体算法如下：

计算各指标观测值的评分值按公式y′ij=×100计算。设每个指标的最大值yjmax对应y′ij=100分，最小值yjmin对应y′ij=0分。

计算加权综合指标值按公式yi*=∑wj·y′ij计算。对越小越好的指标前为“－”号，综合指标越大越好。

其中：y′ij—各指标观测值的评分值；yij—各指标观测值；yjmax—每个指标的最大值；yjmin—每个指标的最小值；yi*—加权综合指标值；wj—权重；i、j—下脚标，i表示实验号1 ～10、j表示指标1 ～6。

表1 U10（104）混合均匀实验方案Table 1 U10（104）uniform experimental design

1.2.3 指标检测 VC含量的测定，采用2，6-二氯靛酚滴定法[12]。水分损失率的测定，采用称重法。可溶性固形物的测定，采用GB12295-90[13]方法测定，用相对含量表示。花青素含量的测定，参考文献[14]和[8]配制缓冲溶液，通过示差法[15]测定。2，2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH）自由基清除率，参考[16-17]方法，在517nm处测定该溶液的吸光值AA及DPPH乙醇溶液的吸光值AB。样品清除自由基的能力用清除率表示：清除率（%）=[（AB-AA）/AB]×100。还原力的测定，依据[18]检测方法，在700nm处测定其吸光值，吸光值越大表示还原力越强（以上清液做空白）。所有检测均重复三次，取其平均值。

1.3 统计分析

用Matlab 7.0软件对数据进行回归处理。

2 结果与分析

2.1 不同条件蓝莓速冻时间与液氮耗量的研究

表2为10组不同工艺条件下，蓝莓液氮式流态化速冻的冻结时间和液氮消耗量的实验测量结果。

从表2可知，冻结温度在-30～-50℃之间时，随着温度的降低，蓝莓速冻时间缩短。液氮耗量受床层高度的影响显著，即受蓝莓质量多少的影响显著。虽然不能直接得出液氮耗量与冻结温度的影响关系，但随着冻结温度的降低，单位时间的液氮耗量基本为增加的趋势。第九组反常现象可能为实验误差因素引起。

表2 蓝莓流态化速冻时间及液氮耗量Table 2 Quick-frozen time and liquid nitrogen consumption for quick-freezing blueberries in LN2-spraying fluidized freezer

表3 蓝莓液氮流化床速冻实验结果Table 3 Experimental test results of blueberries’quick frozen in liquid nitrogen fluidized bed

2.2 蓝莓速冻工艺研究

表3为蓝莓液氮流化床速冻实验指标检测结果。可以看出，在蓝莓所有的10组实验中，失水率均低于3%，但在0.41%～2.71%范围差别较大；还原力几乎都在2左右，受不同冻结条件的影响不大；而花青素在-30～-50℃的低温下稳定性较好，差别亦不大。每项指标的标准差可以反映数值相对于平均值的离散程度，将标准差与平均值相比，其数值大小可以反映不同冻结条件对该指标的影响程度。从而便可比较不同冻结条件对不同指标影响程度：失水率（0.562）＞VC（0.164）＞可溶性固形物（0.143）＞花青素（0.115）≈还原力（0.118）≈DPPH·清除率（0.112）。

采用Matlab对以上实验数据进行回归拟合，结果表明：以冻结温度、风机风速和床层高度因素分别为X1、X2、X3进行线性拟合，所得结果与实际经验不吻合。因此，直接对VC含量等6项指标进行二次回归模拟拟合。其通式为：

分别以VC含量等6项指标为Y值，冻结温度、风机风速和床层高度因素分别为X1、X2、X3。利用逐步回归技术，求得6个回归方程如下：

a.VC含量（mg/100g）：

b.花青素（mg/100g）：

c.还原力：

d.可溶性固形物（%）：

e.失水率（%）：

f.DPPH·清除率（%）：

实际生产中6个实验指标的重要程度不一样。对于大多数经冷冻冷藏的蓝莓，作为普通加工原料，保证VC、可溶性固形物、失水率等指标较优，已基本可保证蓝莓质量。原料如有特殊要求，也可关注其他指标。

对U10（104）均匀实验的VC、花青素、还原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率评分。然后依据不同冻结条件对不同指标影响程度，对上述6项指标进行分值权重，VC、花青素、还原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率分别按2.5、1、1、2、2.5、1进行加权（把失水率与VC认为同等重要），加权后可得综合值，见表4。

回归结果：Y=-35.6182+1.7206X1+6.6531X2+46.8967X3-6.4885-5.9925-0.8064X1X2+0.338X1X3+4.073X2X3。

复相关系数R=0.9992，F=731.3467显著水平p=0.0286＜0.05，因此回归方程显著。由回归结果发现，Y与无关；在显著性影响的因素中，冻结温度（X1）和床层高度（X3）对液氮流化床速冻产品的以上6项指标影响显著，而风机风速（X2）的影响不显著。在交互项中，X1X2、X2X3、X1X3对产品指标有显著性影响。经过软件计算，当X1=-40，X2=4.5，X3=3.6时，Y取得最大值。与10组实验中的第三组条件吻合。最大值为Y=47.733，与实测评分值相差0.83%。从而得到冻结温度为-40℃，风机风速4.5m/s，床层高度3.6cm为最佳参数组合。

表4 U10（104）均匀实验综合评价结果Table 4 The evaluation values of experimental results

2.3 蓝莓速冻工艺参数对指标的影响

通过对回归方程降维，可进行参数对指标的影响规律分析。在回归方程中，令X2=4.5，X3=3.6，通过对X1离散化，就可以得到X1对Y的影响规律曲线。同理，分别可以得到X2和X3对Y的影响规律曲线。

2.3.1 工艺参数对失水率的影响 由失水率的回归方程（p＜0.05）可以看出，失水率与无关。通过降维分析，可以得出温度、风速和层高等工艺条件对失水率的影响。具体影响如图2所示。

图2中反映了失水率随着温度的升高、风速的增大和层高的增大而降低。说明在低温情况下，随着温度的降低，加大了冻结温差。温差的增大，加大了蓝莓失水动力，使失水量增大。正常情况下，风速提高，果蔬失水应该增加。但在当前流态化条件下，风速在一定范围内的适当提高，使蓝莓流态化效果增强，冻结时间缩短，使失水率降低。层高的加大，使蓝莓的密集程度加大，与空气的接触面积相对（层高较低时）减少；同时，流态化效果增强，冻结时间缩短，使失水率降低。

2.3.2 工艺参数对VC的影响 VC具有较强的还原性，一般作为保存食品营养价值多少的一个衡量指标。经测定本实验所用蓝莓在新鲜状态下VC含量为（13.56±0.15）mg/100g。经不同条件的流态化速冻后，对VC有不同的影响。由VC的回归方程（p＜0.05）可以看出，VC含量与X1X2无关，即温度和风速对VC含量没有交互作用。通过降维分析，可以得出温度、风速和层高等工艺条件对VC含量的影响。具体影响如图3所示。由图3看出，温度对VC含量影响不大。说明了虽然VC是热敏感性物质，其分解速度受温度影响，但在低温条件下，VC稳定性较好，有利于VC的保存。而风速和层高对VC含量影响较大，且均有影响最小点（即VC含量有极大值点），层高对VC含量影响最大。

图2 流态化速冻工艺参数对失水率的影响Fig.2 Influence on the water loss rate of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.3 工艺参数对花青素的影响 花青素是迄今为止所发现的最有效的天然水溶性自由基清除剂[19]，在（5±1）℃贮藏过程中的稳定性良好[20]。由花青素含量的回归方程（p＜0.05）可以看出，花青素含量与X32和X2X3无关。通过降维分析，可以得出温度、风速和层高等工艺条件对花青素含量的影响。具体影响如图4所示。由图4看出，花青素含量几乎不受层高的影响。虽然随着温度的升高稳定性下降，含量减少，但在-30 ～50℃的低温下变化也不大。每升高一度，变化不到0.1%。说明花青素在-30～-55℃的低温下稳定性也较好。受风速变化的影响相对明显：先是随着风速的提高，花青素含量降低；风速超过4.75m/s后，花青素含量又升高。

图3 流态化速冻工艺参数对VC的影响Fig.3 Influence on the Vitamin C of fluidization quick-freezing process parameters

图4 流态化速冻工艺参数对花青素的影响Fig.4 Influence on the anthocyanins of fluidization quick-freezing process parameters

2.3.4 工艺参数对DPPH·清除率的影响 DPPH在有机溶剂中是一种稳定的自由基，其孤对电子在517nm附近有强吸收。当有机清除剂存在时，孤对电子被配对，吸收消失或减弱，通过测定吸收减弱的程度，可评价自由基清除剂的活性[21]。蓝莓提取物对DPPH自由基的清除能力反映了蓝莓的抗氧化能力[2]。通过降维分析，可以得出温度、风速和层高等工艺条件对DPPH·清除率的影响。具体影响如图5所示。由图5看出，温度低于-35℃时，温度越低DPPH·清除率越高，高于-35℃时，DPPH·清除率同样有升高趋势；风速对DPPH·清除率的影响呈线性，风速越大，DPPH·清除率越高；而层高升高，DPPH·清除率基本是下降趋势。

3 结论

冻结温度、出风速度和床层高度三个因素对液氮式流态化速冻蓝莓不同指标影响程度是不同的。以蓝莓为对象，实验研究了冻结温度、出风速度和床层高度对其VC、花青素、还原力、可溶性固形物、失水率和DPPH·清除率等主要指标的影响。逐步回归分析表明，在显著性影响的因素中，冻结温度（X1）和床层高度（X3）对液氮流化床速冻产品的以上6项指标影响显著，而风机风速（X2）的影响不显著。在交互项中，X1X2、X2X3、X1X3对产品指标有显著性影响。均匀实验综合评价结果显示：冻结温度为-40℃，风机风速4.5m/s，床层高度3.6cm为蓝莓最适宜的液氮流态化速冻工艺条件。

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图5 流态化速冻工艺参数对DPPH·清除率的影响Fig.5 Influence on the DPPH radical scavenging of fluidization quick-freezing process parameters

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