脉冲电场处理对金桔质构影响及其机理研究

曾新安 周黎贞 林松毅 刘仲华 黄华学 胡博涵

(1.华南理工大学 食品科学与工程学院，广东 广州 510640；2.大连工业大学 食品学院 国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁 大连 116034；3.湖南农业大学 国家植物功能成分利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410125；4.湖南华诚生物资源股份有限公司，湖南 长沙 410205)

金桔[1- 2](Kumquat)属于云香科，又名金橘、金枣等。富含维生素、锌、多糖、多酚、果胶等营养成分，具有抗癌、止咳、抑菌、调节免疫力、预防心脑血管疾病等效果，深受消费者喜爱，常被加工成金桔蜜饯。金桔表皮结构致密，在金桔加工成蜜饯过程中耗费长达15 d的浸渍时间，传统工艺采取手工扎孔和刀划手段促进浸渍[3- 4]，效率低，人工成本高。脉冲电场(PEF)最优脉冲预处理参数条件下比传统工艺组缩短6～7 d的浸渍时间[5]，同时还会对金桔质构特性(硬度、咀嚼性、弹性等)造成影响，质构特性与果蔬品质具有相关性[6]，因此，开展PEF处理对金桔质构特性的影响研究很有意义。

早期研究表明，纤维素、半纤维素和果胶物质结构和性质影响可食用果蔬质构特性[7- 8]。文中通过研究金桔纤维素、半纤维素、果胶物质结构及性质变化，分析PEF影响金桔品质的规律。纤维素是由葡萄糖结构单元结合起来的直链状高分子不溶性碳水化合物，柔顺性差[9- 10]；纤维素晶体的刚性应该源于平行(反平行)链间氢键的协同增强效应，其存在状态决定细胞壁的弹性、伸缩强度和可塑性[11]。半纤维素主要结合在纤维素的微纤维表面，起到粘连纤维素作用，其多羟基、羧基结构具有亲水性，赋予细胞壁润胀性和弹性。果胶以原果胶、果胶和果胶酸形式存在于细胞壁初生壁及胞间层，主要起粘连细胞壁和缓冲作用，在植物细胞结构及硬度方面也起着关键作用。

目前，PEF技术在食品非热加工中的应用研究[12]较广泛，王冉[13]研究表明，PEF强度是影响果蔬物性的主要因素，随着强度提高，果蔬物性(硬度、弹性、咀嚼性等)呈下降趋势，最佳处理强度区间为：1.1～1.3 kV/cm。张全国等[14]研究了高压静电预处理对番茄的保鲜影响，发现处理后番茄表面抗压强度提高，保鲜贮藏时间更长。因此，以金桔为例，研究了PEF处理对金桔的质构特性(硬度、咀嚼性和弹性等)的影响及其作用机理，拓宽PEF的应用领域，并为PEF辅助制作金桔蜜饯的参数选择及工艺优化方面提供参考。

1 材料与设备

1.1 材料

脆皮小金桔，产自广西，从广州市场上当季购买；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇、溴化钾、硫酸以及5%次氯酸钠均购自广东广式试剂科技有限公司，分析纯。

1.2 仪器与设备

本研究使用的主要仪器设备有质构仪(TA.XT plus)，英国Table Micro Systems Ltd 公司；扫描电镜(EVO18)，德国蔡司公司；傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS10)，美国Thermo Scientific公司；X射线衍射仪(X′PertPro)，荷兰PANalytical公司；旋转粘度计，Brookfield公司DV3T Rheometer型，转轴HA5(05)；脉冲电场设备，SY- 50型，广州派虎科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 金桔样品质构分析方法

挑选直径为3.0 cm，新鲜、无病害、无破损的广西脆皮小金桔30颗，均分成5组，每组6颗，编号：1-5组。第1组金桔无处理；2-5组样品分别置于脉冲电场设备处理室中，添加蒸馏水将金桔浸没，将电极调至接触液面，经PEF强度为0.5、1.0、1.5、2.0 kV/cm处理30个脉冲，备用。在最大场强PEF(2.0 kV/cm)处理30个脉冲条件下，体系温度从27 ℃上升到28 ℃，温差仅为1 ℃。可以排除温度对后续试验的影响。

质构测定实验。将样品置于质构仪，在P36R探头下做TPA试验[15]。参数设置为：测前速度2.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度 2.0 mm/s，2次压缩中间停顿5 s，压缩距离5 mm，触发力值0.049 N。每组做2个平行实验，取平均值。

1.3.2 金桔纤维素、半纤维素、果胶提取与分离方法

金桔的纤维素、半纤维素和果胶提取流程如图1所示，由于新鲜金桔含水量高，不易控制提取料液比，将PEF处理后的金桔及对照样去籽烘干，粉碎，过50目筛，按1：20(g/mL)的料液比加0.1 mol/L盐酸溶液于70 ℃恒温水浴处理2 h，每 30 min 搅拌一次，然后采用2层纱布加1层定性滤纸抽滤。

图1 样品处理流程图

将除果胶的滤渣按1：20(g/mL)的料液比加入10 g/100 g的NaOH溶液，85 ℃恒温水浴处理4 h，不时搅拌，定性滤纸抽滤，滤液浓缩至20 mL，加入至3倍体积的95%(体积分数，下同)无水乙醇中，搅拌均匀，静置1 h，过滤得半纤维素，95 %乙醇溶液洗至中性，60 ℃干燥至恒重，备用。

滤渣按料液比1：20(g/mL)加体积分数为6.0%的H2O2溶液，调节pH值至11左右[16]，在30 ℃水浴条件下反应30 min，蒸馏水洗涤至中性，95%的酒精浸泡2 h，脱脂脱色、抽滤、滤渣60 ℃干燥至恒重，得金桔纤维素。

1.4 金桔纤维素、半纤维素结构表征

1.4.1 红外波谱(FT-IR)测试

取1 mg干燥样品，加入100 mg的干燥KBr粉末充分混合，并研磨1～2 min，取适量混合粉末压制成透明薄片，以KBr空白压片做参比，红外光谱仪扫描。

1.4.2 X射线衍射(XRD)测试

采用荷兰PANalytical生产的X′PertPro型X射线衍射仪进行检测，测试条件[17- 18]为：CuKα为X光光源(λ=0.154 nm)，管电压为40 kV，管电流为200 mA，扫描速度为5°/min，步宽为0.02°，衍射角2θ= 5°～50°，样品研磨成320目的粒度，约为40 μm，取5 mg～3 g样品置于样品台，用盖玻片推平，测定。

采用X射线衍射法和红外光谱法相结合测定纤维素的结晶度，根据式(1)计算纤维素结晶指数(Icr)：

(1)

式中：I002为2θ=22°的衍射强度，表示结晶区的衍射强度；Iam为2θ=18°处的衍射强度，对应于无定形区。

1.4.3 金桔果胶粘度测定

分别称取0.50 g PEF处理强度为0.0、0.5、1.0、1.5和2.0 kV/cm的金桔果胶于100 mL烧杯中，智能磁力搅拌器处理至颗粒完全溶解，配成质量分数1.0%的果胶溶液；采用粘度计测定粘度，测定温度20 ℃，转速250 r/min，测定30 s。

1.4.4 扫描电镜(SEM)观察

样品干燥、研磨，过200目筛，用导电胶将需要观测的样品固定在样品台上，用擦镜纸轻轻刮样品，并用洗耳球将未固定在导电胶上的样品吹干净、喷金、上样、扫描、取景。

2 结果与分析

2.1 PEF处理对金桔质构的影响

2.1.1 脉冲强度对金桔硬度、粘着性和咀嚼性影响

如图2所示，新鲜金桔硬度高达2 796.29，随着PEF处理强度的提高，金桔硬度逐渐减小，当PEF处理强度为2.0 kV/cm时硬度降至590.55，减小了78.89%；粘着性和咀嚼性也越来越小，其中粘着性由1 050.68降至304.05，降低了71.06%；咀嚼性从367.63降至157.46，说明PEF处理后将样品咀嚼成可吞咽的稳定状态所需能量减少57.17%。

图2 PEF处理对金桔硬度、粘着性、咀嚼性的影响

PEF处理导致细胞膜通透性增大，胞内水分流出，细胞膨压下降[19]，纤维素、半纤维素结构变化，纤维素结晶指数减小导致[20]咀嚼性、硬度减小；果胶分子量越小，粘着性越小[21]，在文中未展开详细研究。

2.1.2 脉冲强度对金桔弹性、内聚力、回复性影响

如图3所示，随着PEF处理强度的提高，金桔样品的弹性、内聚力和回复性均呈现先提高后趋于平缓趋势。在PEF处理强度为1.5 kV/cm，处理30个脉冲时，3个指标均达到最大值，其中弹性提高50.86%，内聚力提高60.37%，回复性从0.149增大到0.305，提高了104.70%。

图3 PEF处理对金桔弹性、内聚力、回复性的影响

膨压与弹性模量成正比例关系，膨压减小，弹性减小[22]。PEF处理导致细胞穿孔、出水、膨压减小。图3结果表明，PEF处理后金桔弹性提高，说明膨压下降不是导致金桔弹性改变的原因，可能跟纤维素或者半纤维素结构变化有关。

内聚力是指同种物质内部分子间相互吸引力，文献表明：植物细胞中水分子的内聚力高达-300×105Pa，叶片蒸发失水，内聚力增大[23]。故PEF处理导致细胞失水，是内聚力增大的原因。

回复性是指样品在第1次压缩过程中回弹的能力，是第1次压缩循环过程中返回时样品所释放的弹性能与压缩时探头的耗能之比。由于PEF处理后金桔弹性提高，相应回复性也有所增大。

2.2 纤维素结晶度分析

图4为在不同的PEF处理强度条件下提取所得金桔中纤维素的X射线衍射对比图。可以看出，金桔纤维素在2θ=24.6°处有较宽衍射峰；12°～17°间和34.5°处出现不太明显的肩峰，均为纤维素的特征衍射峰。

图4 金桔纤维素X射线衍射光谱图

由表1可见，随着PEF处理强度提高，金桔纤维素结晶指数(Icr)也随之减小。纤维素的结晶度减小，则抗张强度、弹性模量、硬度、密度及尺寸稳定性等均随之减小；而伸长率、强韧性、柔软性及化学反应性等均提高[24]。因此，PEF处理使得金桔硬度和咀嚼性减小。

表1 PEF强度对金桔纤维素结晶度影响

2.3 金桔纤维素扫描电镜观察

图5为经PEF处理后金桔的纤维素形态放大 5 000 倍的扫描电镜图，如图5(a)所示，纤维素断裂面处呈锯齿形“韧性断裂”，表面质地致密，层与层间较紧实，表面较平滑。图5(b)纤维素表面较图5(a)粗糙，断裂面呈“脆性断裂”，表面凹凹凸凸，出现较多裂痕，层与层间较蓬松，有丝状结构暴露出来，应该是大原纤维内氢键作用力减弱，导致微原纤维束状结构松散、无序，从而裸露，也可能是纤维素的非z结晶区；图5(c)所示纤维素表观结构松散，表面高低不平，层间空隙较多，图5(a)、5(b)、5(c)中纤维素均为多层纤维团聚在一起。图5(d)所示PEF处理强度为1.5 kV/cm时，金桔纤维素结构更加疏松，以条状结构呈现，且条与条间距离较大。图5(e)中纤维素呈簇状结构，但是相比图5(a)、5(b)、5(c)，图5(e)纤维素表面产生很多孔洞，伴有较多小突起，表观粗糙，层与层间缝隙较多，质地蓬松。由此可以得出结论：PEF处理导致纤维素结构更松散，从而导致金桔刚性减弱，硬度减小。

(a)对照组

(b)PEF强度=0.5 kV/cm

(c)PEF强度=1.0 kV/cm

(d)PEF强度=1.5 kV/cm

(e)PEF强度=2.0 kV/cm

2.4 金桔半纤维素的傅里叶变换红外光谱结果

由上述研究可以看到，PEF对金桔的质构和半纤维素的影响随场强的增大而增加。接下来，选择最大场强(2 kV/cm)，测试PEF对半纤维素的影响，进一步探究相关机理。由图6可见，半纤维素的特征峰为 3 433.34 cm-1波长处宽而强的吸收峰，是羧基或羟基中O—H的伸缩振动峰，PEF处理强度为 2.0 kV/cm 时，此吸收峰强度明显减弱，说明羟基间产生的氢键作用力减小；2 490.46 cm-1是O—D之间的拉伸振动吸收峰，PEF处理后该吸收峰增强，说明聚木糖分子间距可能变大；1 607.81 cm-1是吸附水的弯曲振动，相比对照组，PEF处理后该吸收峰明显减小，半纤维素中的亲水基团受破坏；1 170～1 000 cm-1之间的谱带出现聚木糖典型吸收峰，其中1 039.44 cm-1为C—O、糖苷键(C—O—C)和C—OH的伸缩振动吸收峰。从图6可见，经PEF处理后1 039.44 cm-1处吸收峰明显减小，说明相比对照组，PEF处理后C—O—C、C—OH偶极矩更小，分子间吸引力、氢键作用力减弱；波长在858.79 m-1左右为β-糖苷键的C1—H弯曲振动，PEF处理后吸收峰明显增强，进一步证实聚木糖中的C—O键断裂，导致半纤维素链变短，利于C1—H弯曲振动，从而导致金桔弹性增大。

图6 金桔半纤维素红外光谱图

2.5 半纤维素的扫描电镜(SEM)结果

图7为对照样与经2 kV/cm处理后金桔半纤维素放大5 000倍的扫描电镜图，可以看到图7(a)中未处理样半纤维素呈现有规则的环状链接形状，有部分针状半纤维素小块，而图7(b)中经PEF处理后半纤维素结构崩塌，结构混乱，支离破碎。由此证明PEF处理破坏了半纤维素结构，分子链变短，从而导致金桔润胀性、弹性和回复性增大。

(a)对照组

(b)PEF强度=2.0 kV/cm

2.6 脉冲电场处理对金桔果胶粘度的影响

酸提法提取金桔所得果胶分子量高达94 804 Da，PEF辅助酸提法所得果胶分子量仅8 771 Da，一般聚合物分子量越大，分子间联结和缠绕程度越高，溶液的粘度也就越大。如表2所示，随着PEF处理强度提高，果胶粘度值变小。说明PEF处理导致部分大分子不溶性果胶物质降解成小分子果胶酸形式，导致果胶粘度下降，从而导致金桔硬度和粘着性减小。

表2 不同PEF强度下果胶粘度测定值

3 结论

(1)随着PEF处理强度提高，金桔硬度、粘着性、咀嚼性降低，弹性、内聚力、回复性提高。

(2)1～2 kV/cm场强的PEF处理减小了金桔纤维素结晶度和纤维素刚性，纤维素微观结构明显随着PEF强度提高先变得粗糙，再出现簇状纤维聚集结构变为较分散的单链，“韧性断裂”变为“脆性断裂”，导致金桔硬度和咀嚼性减小。

(3)PEF处理后，半纤维素空间结构改变，分子链变短，易于分子链活动，脱离纤维素束缚，亲水性提高，润胀性更佳，导致新鲜金桔弹性和回复性提高。

(4)PEF处理导致初生壁层和胞间层中果胶分子量减小，细胞间粘着性减弱，细胞间缝隙增大，细胞出水，从而内聚力提高；此外，出水引起膨压下降，也是导致金桔硬度减小的因素之一。

PEF处理可明显减小果蔬硬度，利于切分，减少刀片磨损，在土豆、甘薯等硬度较大的果蔬生产加工领域应用价值较高。