细胞壁多糖对真空冷冻干燥再造型苹果脆片质构的影响

杜茜茜，易建勇，毕金峰*，马有川，赵圆圆

（1 大连工业大学食品学院 辽宁大连 116034 2 中国农业科学院农产品加工研究所 农业农村部农产品加工综合性重点实验室 北京 100193）

水果和蔬菜富含多种营养成分和活性物质，它们是维持人体膳食平衡、增强机体免疫力的重要食品成分。苹果中富含大量的膳食纤维、多酚、维生素等，苹果脆片作为一种新型健康零食，具有营养丰富、口感酥脆、方便即食、易于储运等优势，近年来市场发展迅速[1-2]。真空冷冻干燥利用真空状态下水分的升华达到物料干燥，可最大限度保持果蔬脆片的营养物质和天然风味，是目前制备果蔬脆片的重要干燥方式[3-5]。

质构特征是果蔬脆片的核心感官品质，决定其酥脆口感，显著影响消费者的感官接受度。真空冷冻干燥过程中冰晶在原位直接升华，水分脱除后细胞壁物质保留组织的刚性框架，形成均匀的多孔结构，孔的大小和孔壁的物质组成是物料质构和口感的形成基础[6-7]。然而，果蔬原料在打浆、破碎和再造型等加工过程中细胞破裂并发生汁液重组，失去基质间的胶黏状态，导致冻干果肉表现出硬度低和易碎的产品特征[8-9]。此外，冻干食品在低水分含量下属于高度无定形结构，易吸湿增塑，从稳定的玻璃态过渡到不稳定的橡胶态，这种相变直接与变质反应速率的增加和结构崩溃有关[10]。为避免食品的刚性损失和质地的劣化变软，蛋白质、抗性淀粉、糖类等生物聚合物与果浆重组被用来改变冻干果蔬干物质组成，提高共混物体系的玻璃化转变温度，发挥结构支撑作用，降低产品的吸湿性，提高贮藏稳定性[11-12]。细胞壁多糖物质是构成冻干果蔬刚性结构的基本组成成分，形成不同的交联网络结构，影响冻干后脆片产品的力学特性和吸湿特性[13]。调控冻干果蔬脆片干物质组成及其相互聚集作用，是改善脆片质地的有效方法。目前，基于小分子糖渗透和聚合物添加对质构的影响较为明晰[11，14]，而以细胞壁多糖作为研究的物质基础，在果蔬脆片质构形成中的影响，特别是细胞壁物质不同组分对质构的贡献有待进一步探讨。

本研究采用分步提取法，分别获得苹果细胞壁的醇不溶性物质、不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维多糖组分，通过调节这3 种细胞壁多糖组分在再造型苹果脆片中的相对含量，探究这些组分及其与金属离子相互作用在质构形成中的作用，以及细胞壁物质基础对冻干再造型苹果脆片微观结构和吸湿特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

富士苹果（Malus domestica），幸福荣耀（北京）超市有限公司，选择成熟度一致，大小均一，无机械损伤和病虫害的苹果为试验原料。

GalA·H2O、3-苯基苯酚、三氟乙酸，Sigma-Aldrich 公司；其它试剂均为国产分析纯级。

1.2 仪器与设备

ZX-015YTHG 高温热泵烘干机，东莞市正旭新能源设备科技有限公司；SB25-12DTn 超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司；ICS-3000离子色谱仪，美国戴安公司；UV-1800 紫外分光光度计，日本岛津公司；CL50 蔬菜水果处理机，法国Robot Couple 公司；MCKZ-JD6 电器两用蒸饭柜，滨州市美厨厨业有限公司；ULT1386-3-V41 超低温冰箱（-80 ℃），赛默飞科技有限公司；LG-1.0 真空冷冻干燥机，沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司；VolScan Profiler 300 食品体积测定仪、TA.HD plus 物性测试仪，英国Stable Micro System公司；P14F0114 动态水分吸附仪，英国SMS 公司；DSC 8000 差示量热扫描仪，美国PE 公司；SU8010 电子扫描显微镜，日本日立公司；YC-80旋转混匀仪，杭州米欧仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 细胞壁多糖组分的分级提取 醇不溶性物质（Alcohol-insoluble residue，AIR）的制备参照Peng 等[15]的方法并稍作修改：苹果去皮、去核后切成厚2 mm 的薄片，用高温热泵烘干机在60 ℃下干燥至恒重，干燥苹果片制成粉末后与6 倍体积95%乙醇溶液混合后均质，悬浮液抽滤，残余物用95%乙醇洗涤2 次并抽滤，得到白色粉末状固体，烘干至恒重得到AIR 干物质。

可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维 （Insoluble dietary fiber，IDF）的制备参照Wang 等[16]的方法并稍作修改：将得到的细胞壁物质AIR 与稀盐酸溶液（固液比=1∶40）混合，调节溶液pH 值至2.0，70 ℃水浴超声条件下浸提2 h，趁热抽滤，得到的滤饼用热水洗涤至中性条件，冻干至恒重得到IDF。合并滤液和洗涤热水，用旋转蒸发仪浓缩液体，冻干至恒重得到SDF。

1.3.2 样品制备 富士苹果用蔬菜水果处理机切成厚度为2 mm 的薄片，蒸汽热烫120 s 并打成匀浆，加入不同细胞壁多糖组分后用分散机混合均匀，将苹果浆倒入长宽高为2 cm×2 cm×1.4 cm 的硅胶模具中。细胞壁多糖组分的添加方法见表1。

表1 真空冷冻干燥再造型苹果脆片的配方和添加物质量分数Table 1 The formula and additive mass fraction of vacuum freeze-dried restructured apple chips

1.3.3 真空冷冻干燥 完成入模的苹果浆在-80℃冰箱预冻24 h 后真空冷冻干燥。冷肼温度为-40 ℃，真空度为60 Pa，一次干燥隔板温度为25 ℃，二次干燥隔板温度为60 ℃。物料干燥至水分含量低于4%，并置于干燥器中均湿48 h 后测定各项指标。

1.3.4 半乳糖糖醛酸含量和中性糖组成测定 细胞壁多糖组分的糖醛酸含量参照Peng 等[15]的方法，采用分光光度法，以GalA·H2O 作为标准物质测定。

细胞壁多糖组分的中性糖测定参照曹风等[17]的方法并稍作修改：称取约10 mg 样品于水解管中，加入4 mol/L 的三氟乙酸4 mL，每个样品充氮1 min，于120 ℃烘箱内水解1.5 h，冷却后氮吹至干，用超纯水复溶，并定容至10 mL，稀释至合适浓度，过0.2 μm 滤膜后进样。分析柱为CarboPac PA20，流动相A 为超纯水，流动相B、C 分别为0.25 mol/L 氢氧化钠和1 mol/L 醋酸钠，流速0.5 mL/min，进样体积10 μL，柱温35 ℃，检测器为脉冲安培检测器。

1.3.5 表观密度的测定 冻干样品用天平精确称量其质量M，之后放入食品体积测定仪中测得其体积V，测量重复6 次后取平均值。表观密度按公式（1）计算。

式中，ρa——样品的表观密度（g/cm3）；M——样品质量（g）；V——样品体积（cm3）。

1.3.6 硬脆度 参考Peng 等[15]的方法，硬脆度测定采用TA.HD plus 物性测试仪。采用P / 0.25S球形探头，设置测试条件为：前期测试速度2.0 mm/s，检测中速度1.0 mm/s，后期检测速度2.0 mm/s，触发力和穿透距离分别为10 g 和30.0 mm。其中，果蔬脆片硬度采用测试过程中力的最大峰值表示（单位：g）；脆性采用测试过程中峰的个数表示（单位：个）。每个处理做10 次平行，去除最大值和最小值后取平均值。

1.3.7 状态图 水分吸附测定采用宋慧慧等[18]的方法并稍作修改：称量样品（20～30 mg）置于动态水分吸附仪中，放置在温度25 ℃，氮气流速200 sccm、相对湿度（Relative humidity，RH）0%的环境下，干燥至质量恒重。环境RH 以10%增量自0%升至90%，设置每一阶段的dm/dt 值（m——样品质量，mg；t——时间，min）为0.005%/m，此时质量几乎不随时间而变化，样品达到吸湿平衡【此时环境相对湿度可以视为样品的水分活度（aw），质量变化即为样品的水分含量（We）】，设定自动记录样品质量时间间隔为1 min。以水分活度为横坐标，以不同水分活度下平衡水分含量为纵坐标，绘制吸附等温线。

称取6.0 mg 苹果粉末于铝盘中，敞口放置在用凡士林密封的盛有饱和盐溶液（LiCl，CH3COOK，MgCl2，K2CO3，NaBr）的扩散皿中，室温下对应RH 的范围在11.3%～57.6%之间，48 h 后取出铝盘，加盖密封，随即用于玻璃化转变温度的测定。

样品的玻璃化转变温度 （Glass transition temperature，Tg） 采用差示量热扫描仪进行测定[19]：试验中一个空铝盘被用作参照，取吸附平衡48 h 后的苹果粉末进行Tg测定，仪器扫描程序为：以10 ℃/min 的速度从30 ℃冷却到-70 ℃，平衡5 min，同样的速度加热到100 ℃。采用仪器自带软件分析热流密度曲线，得到初始点、中点及终点的玻璃化转变温度，取其中点处的温度作为玻璃化转变温度Tg。

1.3.8 模型拟合 为了预测样品的水分吸附行为，采用BET 模型（式2）对吸附曲线进行拟合，样品的Tg在水分活度0.113～0.576 之间进行测定[20]。

式中，aw——水分活度；We——平衡时的干基含水率 （g 水/g 干基）；W0——单层水分吸附值（g水/g 干基）；C——吸附热相关的能量常数。

为了预测玻璃化转变温度与水分活度之间的关系，利用公式（3）进行线性拟合[21]。

式中，Y 和Z——拟合模型的常数；Tg——发生玻璃化转变的中间温度（℃）。

1.3.9 微观结构 参考Yi 等[22]的方法切取苹果片断面进行微观结构分析，取苹果脆片断面粘在样品台的导电胶上，喷金处理，再利用扫描电子显微镜在40 倍下拍照、分析。

1.3.10 振荡破碎率 破碎试验在旋转混匀仪上进行，角设定范围为0°，转速设定为15 r/min。冻干的苹果脆片放置在一个高143 mm、口径67 mm的铝盖直筒瓶中，并将两个直筒瓶固定在旋转面板的左右两侧，仪器旋转时随之做圆周运动，每隔10 min 称量一次产生碎屑的质量，总振荡破碎时间为60 min。振荡结束后按公式（4）计算振荡破碎率[23]。

式中，P——碎屑百分比；M——初始苹果脆块的质量（g）；Mt——t 时刻碎屑的质量（g）。

1.3.11 统计分析 结果的显着性检验使用方差分析（ANOVA）和Duncan 多范围检验，显着性为95%，使用Origin 9.0 进行数据的绘图及拟合分析。

2 结果与分析

2.1 细胞壁多糖组分的结构表征

细胞壁多糖组分AIR、IDF 和SDF 的中性糖和糖醛酸的物质的量比例如表2所示。其中，SDF组分糖醛酸的物质的量百分比最高，达到53.32%，同时其半乳糖和鼠李糖含量丰富，说明水溶性果胶是构成SDF 的主要组分。此外，SDF 中含有较多的葡萄糖，表明苹果原料中可能存在一定含量的淀粉[24]。

表2 细胞壁多糖组分的成分分析Table 2 Composition analysis of cell wall polysaccharide fraction

IDF 组分木糖、葡萄糖、阿拉伯糖等中性糖物质的量比明显高于SDF 组分，说明IDF 中包含较多木葡聚糖（Xyloglucan）、葡萄糖醛酸阿拉伯糖基木聚糖（Glucuronoarabinoxylan）等半纤维素，以及纤维素组分。IDF 的糖醛酸含量高达47.49%，加上较高含量的阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖，表明IDF中仍存在较多富含RG-I 支链结构的果胶组分，这些果胶与纤维素和半纤维素紧密结合而难溶于水[15，25]。

AIR 组分占到苹果干物质的11.70%（数据未列出），其中包含IDF 和SDF 组分，因此，其糖醛酸和中性糖物质的量比是两者的综合体现。综合分析AIR、SDF 和IDF 三者的单糖组分，IDF 和SDF 中均富含果胶组分，可通过计算果胶结构单糖比例（R1、R2、R3）分析其分子线性度信息[26]。由表2可知，SDF 的糖比例1 为IDF 的5.54 倍，表明SDF 中果胶的半乳糖醛酸聚糖（HG）结构单元远高于IDF。此外，IDF 的糖比例2 和糖比例3 分别为SDF 的2 倍和1.76 倍，表明不溶性纤维中所含的果胶具有更多的支链结构，且支链包含较多阿拉伯聚糖和半乳聚糖侧链，这与SDF 中含有更多的HG 单元一致。IDF 和SDF 在内部多糖组分及其结构上的差异，是造成两者对质构影响差异的基础。

2.2 细胞壁多糖组分对苹果脆片表观密度的影响

不同细胞壁多糖添加量的苹果脆片的表观密度如图1所示。表观密度通过计算物料的质量体积比得到，其中体积包含了物料体积和开口、闭口孔隙体积，在一定程度上反应了多孔物体的紧实度和多孔性。从图1可知，随着AIR、IDF 和SDF组分的添加，所有处理组脆片的表观密度较对照组均呈现上升趋势，可能是由于细胞壁多糖组分的加入一方面增大了单位体积内样品的干物质含量，另一方面未显著增加果浆的体积，由此冻干后物料的密度显著提高。添加AIR、IDF 和SDF 组分苹果脆片的密度均随添加量的增加而增加，而添加可溶性膳食纤维和钙离子（S-Ca）组的脆片密度虽然都高于对照组，但密度却随着钙离子浓度的增加呈下降趋势，这可能是由于体系中果胶与钙离子相互作用的空间结构受到钙离子浓度的影响，钙离子浓度过高时，不利于蓬松的网络结构的形成[27]。

图1 细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥再造型苹果脆片表观密度的影响Fig.1 Effects of different cell wall polysaccharide fraction on the apparent density of vacuumfreeze-dried restructured apple chips

2.3 细胞壁多糖对苹果脆片质构的影响

细胞壁多糖组分对苹果脆片硬脆度的影响如图2所示。AIR、IDF 和SDF 添加后脆片硬度提高了0.56%～214.13%，在相同浓度下它们对硬度的提升作用为I-S＞IDF＞AIR 顺序。其中，同时添加2%IDF 和2%SDF（2I-2S）对脆片质构的影响最为显著，硬度增加214.13%。不同程度硬度的增加与3 种细胞壁多糖的结构差异有很大关系，纤维素分子质量大，易于结晶而形成微纤维，是细胞壁刚性的主要贡献者，由此也可能对脆片硬度有显著影响，果胶在天然细胞壁中通过将纤维素、半纤维素胶粘，起到维系细胞整体性以及提供黏弹性的作用，其支链的阿拉伯糖和半乳糖等也可与半纤维素、纤维素共价结合，形成的交联网络在受到剪切力时，缠结不易被破坏[8]。此外，细胞壁多糖与其它组分（蛋白质、淀粉、酚类）的相互作用也贡献了基质抵抗外界机械压力的能力[28]。研究表明，果胶多糖水平的增加与连接区数量的增加直接相关，HG 主链中离解的羧基（-COOH）可通过钙离子等二价阳离子相互交联，“蛋盒” 模型是描述这种结合的经典模型[12]。同时可以看出，S-Ca 处理组中钙离子质量分数的升高降低了脆片硬度的增加，钙离子质量分数为0.5%和1%时，苹果脆片的硬度值急剧下降。钙离子的质量分数较低时，可显著提升复合物的胶凝性、内聚性和黏弹性，然而高钙离子浓度则不利于上述作用，导致脆片硬度值显著降低[27]。

图2 细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥再造型苹果脆片质构特性的影响Fig.2 Effects of different cell wall polysaccharide fraction on the texture characteristics of vacuum freeze-dried restructured apple chips

脆片崩解过程中峰的个数反映脆度。与对照组相比，添加细胞壁多糖后脆片的脆度下降了21.67%～65.14%。AIR 处理组的脆度值随添加量的升高呈增加趋势，可能是高添加量条件下，体系密度增加，使得物性测试仪探测到更多的断裂峰。当添加4%的不溶性膳食纤维 （4IDF） 或同时添加IDF 和SDF（I-S）时，脆片脆度值最低。研究表明，果胶的存在有利于果蔬脆片多孔结构的形成，这得益于果胶在基质中与其它多糖组分的结合作用和其自身的黏弹特性[29]，此外，钙离子在低浓度下可与果胶形成良好的连续型凝胶体系结构，高浓度时则转变为颗粒型结构[27]，导致更多崩解峰的孔隙可被物性测试仪探头检测到，体现为脆度的升高。

2.4 状态图分析

状态图描述了固体食品不同相和水分含量在水分活度基础上的函数关系图，当食品在不同温度和水分状态下加工或存放时，它可以用来表示食品的质量稳定性[30]。通过状态图，可以获得不同水分下材料的相变和关键控制点，已经被广泛应用于干制果蔬食品加工品质及其贮藏稳定性评估[10，31]。

图3为添加不同细胞壁多糖组分后苹果脆片的状态图，图中拟合的BET 吸附曲线用来预测水分含量和水分活度之间的关系。根据Brunauer[32]对固体基质吸附种类的分类，可以将所有样品的吸附曲线定义为Ⅲ型典型曲线，这可由表3中BET 参数C 值（0.155-0.654）<2 确定，与在其它水果中观察到的结果一致。在恒定温度下，添加细胞壁多糖组分在整个aw为0.113～0.576 范围内均降低了苹果脆片的吸湿性，且与添加的细胞壁多糖组分的含量相关。AIR 不同添加量对脆片吸湿性的影响差异不显著，IDF 和I-S 组分可显著降低脆片的水分吸附能力，且4IDF 处理组吸湿性的降幅超过2I-2S 组。其中原因一方面可能与样品中强疏水性IDF 组分的相对含量有关，另一方面，可能是4IDF 处理组中较低的表观密度对应脆片较低的比表面积，限制了水分结合位点的数量，导致水分吸附能力降低[33]。

图3 细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥苹果脆片水分含量-水分活度-Tg 相关关系的影响Fig.3 Effects of different cell wall polysaccharide fraction on the relationships between water content-water activity-Tg of vacuum freeze-dried apple chips

表3 真空冷冻干燥再造型苹果脆片水分含量-水分活度-Tg 数据拟合的BET（W0，C）和线性Tg（Y，Z）模型的参数Table 3 Parameters of BET （W0，C） and linear （Y，Z） models fitted to water content-water activity-Tg data of vacuum freeze-dried restructured apple chips

玻璃化转变温度涉及食品在“玻璃态”与“橡胶态”之间的转变，当Tg低于环境温度则不利于食品的贮藏，容易导致食品质量下降，例如：氧化变质、营养物质降解、结构塌陷等[21]。由图3可知，随着水分活度的增加，苹果脆片的Tg线性下降，这归因于水分的迁移和增塑作用，增大了聚合物的自由体积[33-34]，同等水分活度下，细胞壁多糖组分的添加，提高了脆片的Tg。AIR 添加后脆片Tg显著升高，且添加量越大温度越高。IDF 和I-S 处理的样品与对照组相比，Tg在低水分活度时较低，在高水分活度时升高优势明显。细胞壁多糖添加后脆片Tg升高，一方面与多糖作为生物大分子具有较高的Tg有关，另一方面，添加这些大分子后形成的分子间作用力降低了体系的流动性，宏观上体现为Tg的升高。钙离子添加在高水分活度状态时降低了样品的Tg，而已有文献表明，钙离子与基质内成分发生相互作用强化了网络结构，降低了体系中物质的流动性，通过抗塑化作用提高了体系的玻璃化转变温度[35]。

2.5 微观结构分析

添加不同细胞壁多糖组分的再造型苹果脆片的微观结构如图4所示。再造型苹果脆片（Control）呈现不规则的疏松组织结构，在添加了AIR和IDF 的处理组中也观察到了类似的微观结构，包括不规则的孔隙结构和堆积方式等，这可能是由于纤维素类多糖仅具有较弱的缠结作用[36]。随着多糖含量增加，可观察到有效视野范围内干物质密度随之增加，这与图1中苹果脆片的表观密度一致。图像表明，同时添加IDF 和SDF 以及SDF 单独存在时，能观察到典型的蜂窝状多孔结构 （图4中2I-1S、2I-2S、2S-0Ca 中方框部位所示），这种结构接近于果蔬直接冻干形成的均匀的蜂窝状多孔结构（Control-FD），说明SDF 是形成蜂窝状多孔结构必不可少的物质基础。随着SDF含量的增加，孔的排列更加有序、均匀，各细胞室之间的边界变得清晰，这也是产品结构更脆的原因（图2），这可能是由于细胞壁多糖组分中的果胶与纤维度之间形成稳定的分子间缔合结构，充当分子间交联位点以形成凝胶网络，冻干脱除水后，形成多孔结构框架所致[37]。

图4 细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥再造型苹果脆片微观结构的影响Fig.4 Effects of cell wall polysaccharide fraction on the microstructure of vacuum freeze-dried restructured apple chips

2.6 振荡破碎率

添加不同细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥再造型苹果脆片振荡破碎率的影响如图5所示。较高的脆度使得果蔬脆片在运输过程中容易破碎，感官品质和商品价值降低[38]。通过制造持续、均匀的振荡，模拟产品运输过程造成的物理崩解，可比较不同样品组的振荡破损率。由图5可知，添加AIR、IDF、SDF 和2S-0Ca 组分均显著降低了样品的破碎率，这与细胞壁多糖脆度下降一致。同时添加2%SDF 和1%钙离子（2S-1Ca）时，样品易碎程度超过对照组（44.37%），达到49.50%，表明添加SDF 和钙离子在降低脆度（图2）的同时增加了由振荡引发的破损率。整体来看，破碎率的变化趋势与苹果脆片的硬度变化呈负相关，而与脆度变化呈正相关（图2）。

图5 细胞壁多糖组分对真空冷冻干燥再造型苹果振荡破碎率的影响Fig.5 Effects of cell wall polysaccharide fraction on oscillation breaking rate of vacuum freeze-dried restructured apple chips

2.7 外观

添加不同细胞壁多糖组分的真空冷冻干燥再造型苹果脆片外观如图6所示。由图6可知，添加细胞壁多糖组分对冻干苹果脆片的色泽没有带来肉眼可见的变化，所有处理组样品与对照组表面颜色相近。有意思的是，添加多糖组分的2I-1S、2I-2S 及2I-0Ca 处理组的苹果脆片表面出现明显的裂缝。推测其原因可能是这几个产品的硬度值最高，产品组织结构刚性较强，缺乏柔韧性，水分脱出过程中，物料收缩应力差将物料表面撕裂。

图6 真空冷冻干燥再造型苹果脆片的表观图像Fig.6 Appearance image of vacuum freeze-dried restructured apple chips

3 结论

苹果的细胞壁物质主要由结构多糖分子组成，这些物质均为醇不溶性物质，按水溶性区分，可将其分为可溶性纤维和不溶性纤维。在冻干脱除水分之后，它们作为孔隙壁的物质基础支撑着多孔结构的刚性框架，其组成与比例在质构形成中起决定性作用。总体上，添加细胞壁多糖组分可显著提高再造型苹果脆片的硬度，降低产品脆度，减弱产品的持水性和吸湿性，同时增加体系的Tg。IDF 组分以纤维素、半纤维素和结合态果胶为主，该组分的主要作用是为多孔结构提供刚性骨架；SDF 组分包含大量水溶性果胶，它们通过自身及与纤维素、半纤维素形成交联，从而提高刚性结构的柔韧性，是再造型苹果脆片形成典型的蜂窝状均匀多孔结构的必要条件，对调控果蔬脆片的质构起到决定性作用。研究证实，细胞壁多糖组分的种类和比例是果蔬脆片质构形成的重要物质基础，其中可溶性膳食纤维和不可溶性膳食纤维因物质组成差异而对质构的影响不同，通过改变脆片的细胞壁多糖组成，可作为调控果蔬脆片质构的有效手段。