番茄去皮技术研究进展

周良付，赵茜茜，曲文娟，马海乐，潘忠礼，师俊玲

（1.西北工业大学生命学院，陕西 西安 710072；2.西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西 杨凌 712100；3.江苏大学食品物理加工研究院，江苏 镇江 212013；4.美国加州大学戴维斯分校生物与农业工程系，美国加利福尼亚 戴维斯 95616）

0 引言

番茄是世界重要的蔬菜作物，我国是番茄制品生产大国，产量位居全球第三。番茄中含有番茄红素、维C等多种营养物质，具有抗氧化、抗衰老、预防癌症等功效[1-2]；加工产品主要有番茄酱、番茄汁、去皮番茄等[3]。去皮是番茄产品加工的必要和重要环节，也是决定番茄加工效率和产品营养价值的重要因素。提高去皮效率、降低去皮环节耗水量和能耗水平、减少废弃物产量等具有十分重要的产业意义。

番茄去皮的难易程度与其皮中主要组分和内部结构有关。有研究表明，组成番茄皮的主要成分是纤维素、半纤维素、果胶、结构蛋白及其他组分。这些组分的含量会因番茄品种、成熟、果实大小和形状，以及种植区域和收获时气候等因素的不同而有所差异。这些因素将影响番茄皮与番茄果肉的剥离难易程度[4]。目前报道和应用的番茄去皮技术可以主要分为物理法和化学法2种[5]。物理方法主要有热烫去皮、功率超声去皮、欧姆加热去皮、红外辐照去皮，化学法去皮主要是碱液去皮。其中，热烫去皮和碱液去皮是工业化生产中最常用的2种传统方法；而功率超声去皮、欧姆加热去皮、红外辐照去皮则是近些年发展起来的新技术，尚处于研究阶段[4]。

1 传统的番茄去皮技术

1.1 热烫去皮

番茄热烫去皮和碱液去皮示意图见图1。

图1 番茄热烫去皮和碱液去皮示意图

由图1（a）可知，该技术的去皮机制为番茄在经热水或热蒸汽（≥98℃）处理15～60 s的过程中，可导致果皮中果胶和多糖组分发生部分水解，果皮细胞的细胞壁结构受到破坏，使其易与果肉发生分离，达到去皮作用[6]。经热烫处理后，辅助一些搅拌或摩擦等机械方式，可进一步提高番茄皮的去除率；同时，辅助使用冷水喷淋、冷风、真空冷却等技术可以迅速降低果肉温度，防止加热过度，在一定程度上提高果肉产品中营养成分含量与产品质量[7]。热烫处理曾被认为是一种简单、经济、安全、环保的去皮方法而得到广泛使用。但存在由于热烫不足或者不均匀而导致的去皮困难或热烫过度，进而导致的果肉质地软化、营养物质损失、产品质量下降等问题[8]。

1.2 碱液去皮

由图1（b）可知，该技术的去皮机制为60～100℃的8%～25%NaOH溶液处理15～60 s可以裂解番茄皮表面的果胶类物质，破坏果皮中纤维素-半纤维素的网络结构，从而导致果皮破坏脱落[9]。番茄外果皮的细胞壁较薄，果胶和半纤维素物质含量也低于果肉。因此，碱液处理首先裂解的是番茄外果皮中果胶物质，而果肉中果胶物质则受损较少，从而实现外果皮与果肉间分离，达到皮层脱落的效果。

为了进一步提高番茄的碱液去皮效率，有人提出在用碱液处理之前，先用乙酸乙酯等剥离助剂对番茄进行预处理。可以减少番茄表皮的蜡质层，使其表面产生裂纹，有助于后续碱液处理能够更加充分地渗透进番茄表皮，使剥皮更加彻底，提高脱皮效率[10]。但是，增加预处理工序会增加产品的加工时间，也会存在有毒助剂的残留问题，从而限制了这种方法的应用。

由于碱液去皮在效率和产品质量方面均优于热烫去皮，其在美国中西部的番茄加工中得到了大规模应用。然而，碱液去皮会排放出大量的NaOH废液，即使经HCl中和处理后，也含有大量钠离子，从而导致土壤盐碱化，环境污染问题严重。为了降低NaOH溶液引起的土壤环境污染，Das D J等人[11]提出，用KOH代替NaOH，将其使用质量分数从18%降至12%，可以减轻由于NaOH碱液废水造成的土壤盐碱化问题。

2 新兴的番茄去皮技术

由于上述2种传统去皮技术存在一定缺点，研究人员陆续开发了功率超声、欧姆加热和红外辐照等新型番茄去皮技术。与上述常规去皮方法相比，这些新兴技术对产品品质影响较少，更为环保。

2.1 功率超声去皮

作为一种新型的食品加工技术，超声波在食品的干燥、杀菌、解冻、提取等方面得到了广泛研究与应用。

番茄功率超声去皮技术示意图见图2。

图2 番茄功率超声去皮技术示意图

由图2可知，功率超声去皮的原理为20～100 kHz超声波振动产生的机械效应、空化效应和热效应等作用会导致番茄果皮组织中的半纤维素和果胶发生降解，从而导致果皮与果肉发生分离[12]。此外，这种频率的超声波功率较小，不会引起食品材料性能的改变。

王丽娟等人[13]的研究结果表明，功率超声去皮（95℃，40 kHz，2 700 W，60 s）能够降低番茄去皮难度，减少去皮过程引起的产品质量下降，同时能够有效提高番茄果实的亮度和消费者的接受程度，还可以减少去皮过程中番茄红素降解率，提高最终产品中番茄红素含量。提高功率强度对番茄去皮难易程度无显著影响，但是适当延长超声去皮处理时间可以有效提高番茄去皮的容易程度，但超过45 s后提高作用有限。功率超声处理时间对去皮质量的影响呈抛物线型：处理时间过短，番茄果皮与果肉分离不完全；处理时间过长，则会导致果肉损失增大；以处理时间为60 s时的果肉损失量最小。综合考虑，用40 kHz功率的超声波在270 W/L，95℃条件下处理60 s时的番茄去皮效果和产品质量最佳[12]。

Rock C等人[14]指出，将功率超声（20 kHz，1 500 W）与低浓度碱液（2%）联合作用，不仅可以提高剥离效果，还可以降低去皮损失。高瑞萍[15]发现，先用碱液处理（97℃，4%）30 s，再辅以功率超声（密度31.97 W/L，70℃）处理50 s，能够有效提高番茄去皮效率和去皮番茄的产品质量。作为一种环境友好的新型食品加工技术，功率超声将在果蔬去皮加工中得到更为广泛的应用。

2.2 欧姆加热去皮

欧姆加热是一种新型的食品热加工技术。在食品物料两端施加电场时，食品物料由于自身的介电特性而在电流作用下产生热量,导致食品温度升高。

番茄欧姆加热去皮示意图见图3。

图3 番茄欧姆加热去皮示意图

由图3可知，当番茄浸入到一定浓度的导电介质溶液时，电流的电穿孔效应和热效应会导致果皮破裂，从而达到去皮作用。加热温度、导电介质的溶液成分、电场强度、食品物料的种类等都会影响番茄皮的剥离性能。同时，欧姆加热技术还具有加热迅速均匀、热效率高和环境友好等优点。

Wongsa-ngasri P等人[16]的研究发现，欧姆加热处理能够加速碱液在番茄皮中的扩散，缩短番茄的破皮时间；提高电场强度和导电介质溶液的电导率，均可以缩短番茄果皮破裂所需的时间。导电介质（NaCl溶液）浓度相同时，电场强度越高，在果皮上产生裂纹所需时间越短。因为较高的NaCl溶液温度（40℃）和较快的升温速率都会加速果皮表面蜡质融化，加快番茄果皮的开裂速度。但是，升温速率过高会使温度难以控制，导致番茄果肉的质地发生迅速软化，导致产品品质下降。研究发现，电场强度为8 060，9 680 V/m、导电介质为0.01%的NaCl溶液，以及电场强度为6 450，8 060 V/m、导电介质为0.03%NaCl溶液时，均能达到较好的番茄去皮效果。此外，导电介质的组成和浓度也会影响番茄果皮的剥离效果：电场强度为1 450 V/m、导电介质为0.01%NaCl和1.0%NaOH混合溶液时，番茄果皮破裂所需时间最短，去皮后产品的质量也高于同浓度的NaCl和NaOH的单一溶液[17]。经欧姆加热联合NaCl/KOH混合溶液进行去皮加工后，再将电场与CaCl2溶液联合处理，可提高去皮产品的硬度；但是，将3种溶液直接混合使用，则会形成Ca（OH）2而影响产品质量。总体而言，电场与多种导电介质溶液联合处理，是通过欧姆加热法进行番茄去皮的最佳工艺[18]。

2.3 红外去皮

红外线是一种波长范围处于0.76～1 000μm的电磁波，可以用于加热处理。其作用原理在于食品物料在受到红外线照射时，其中的分子能够吸收红外线能量，并将其转换为物料分子热运动的动能，从而使物料温度升高[19]。与传统加热方式相比，红外辐照技术具有能量利用率高、安全环保等多种优势，在食品灭酶、杀菌、果蔬干燥和去皮等加工领域中得到了广泛应用。

番茄红外去皮是一种干法去皮方法。其作用原理是，番茄在暴露于红外辐照时，能够通过红外加热原理破坏果皮的果胶结构，达到去皮的目的。在红外辐照加工过程中，番茄果实会均匀受热，但是热量传递只发生在番茄果皮表面，其优点是热传递能力高、加热速率快、产品品质破坏低，且能够减少水和碱液的使用量，是一种去皮效果好、环境友好的去皮方法[20]。

美国加利福尼亚大学戴维斯分校的潘忠礼团队对番茄红外去皮技术进行了广泛而深入的研究，发现红外去皮的果皮剥离效果和产品品质与碱液去皮方法相当，但在相同或较长处理时间下的果肉损失量较小；将红外去皮与低浓度碱液或果胶酶溶液预处理联合使用，并不能提高番茄果皮的剥离效果[20]。团队关于番茄红外去皮过程中传热特性的研究结果表明，红外加热过程中，番茄表面温度会发生迅速上升，番茄表面至0.6 mm处的温度可在60 s内升高至90℃，此时番茄中心温度不到30℃；通过构建和调整红外加热过程的数学模型，可以实现从红外发射功率、物料与发射器之间的距离，以及番茄大小等方面调控红外加热速率和均匀性[21-22]。

潘忠礼团队关于红外加热实现番茄果皮剥离的作用机理研究结果表明，红外辐照产生的热量是引起番茄果皮松弛和破裂的关键因素。因为红外加热可导致细胞外角质层重组、细胞壁热膨胀，以及部分细胞层塌陷，导致果皮松弛；同时，红外加热引起的番茄果皮表面迅速升温，会导致果皮下压强增大、果皮强度降低，从而导致果皮破裂。红外加热导致的番茄果皮微观结构变化，与使用热碱液或蒸汽去皮导致的变化有所不同[23]。红外加热30～75 s就可显著增加番茄果皮的脆性，降低果皮与果肉间的黏合性，使果皮更易剥离，使去皮损失率由12.9%～15.8%降低至8.3%～13.2%，脱去的番茄皮厚度由0.38～1.06 mm减少至0.39～0.91 mm；所得果肉品质也有显著提高[24]。

基于理论研究基础，潘忠礼团队在2015年设计，并构建了世界第一个中试规模的番茄红外去皮系统。系统主要包括红外加热管、真空室和压紧辊3个部分，各部分功能分别为红外加热使番茄表皮出现裂缝，真空处理使果皮破裂，压紧辊则通过机械方式去除果皮。利用中试红外系统处理125 s，可使番茄去皮率达到82%，脱掉的番茄皮平均厚度只有0.75 mm，所得去皮番茄果肉硬度高，表面完整性好，这些特性均显著优于蒸汽去皮法。小番茄的尺寸更为均匀，可以更迅速地吸收红外能量，也更易在表面产生裂纹，去皮率较高。无论番茄尺寸如何，在红外加热后再用真空处理，几乎可以使100%的番茄果皮产生裂纹，显著提高果皮裂纹的产生比例；较短的压紧辊也会限制番茄果皮的剥离效果，适当的压紧辊长度对保证果皮的高剥离率至关重要[25]。将该中试系统进行商业化，可使每小时番茄处理量达到10 t，不同大小和品种番茄的去皮率可达70%～85%，去皮损失率为16%～42%。用此系统生产的番茄果肉硬度显著高于蒸汽去皮，产品色泽与蒸汽去皮法相当；与碱液去皮和蒸汽去皮相比，红外脱皮的能源节约率可达到22%和28%，而且果皮中无化学物质残留，可用于加工成附加值更高的深加工产品[26]。

红外线的光谱特征和红外发生装置的发射功率会影响红外线的吸收率和穿透深度等，进而影响传热效率。潘忠礼团队对比了陶瓷槽式加热器、柱状石英加热器、石英钨加热器和石英卤素加热器用于番茄去皮的作用效果，结果发现4种红外装置发射的红外线峰值波长都处于中红外波段（2.5～25μm），波长小于催化式红外发生装置；4种装置表面的平均最高温度均高于催化式红外发生装置所能达到的最高温度，其中石英钨加热器的温度最高可达825±5.6℃；柱状石英加热器的发射功率和辐射效率最高，分别为37 kW/m2和94%，催化式红外发生装置的发射功率和辐射效率分别为26 kW/m2和52%；柱状石英加热器的加热速度最快，只需要10 s就可使番茄表面温度升高到最佳剥离温度（109～115℃）；相对而言，用柱状石英加热器处理时的番茄果皮可剥离性最为理想[27]。团队构建了4种加热装置用于番茄加热时，番茄表面和内部温度变化的数学模型，可用于指导番茄红外去皮工艺过程的优化[28]。

国内有关番茄红外去皮技术的研究较为少见。南京农业机械化研究所的刘自畅等人[29]指出，红外管功率、加热管与物料间距和加热时间会影响番茄的去皮率和表面温度；通过工艺优化，在红外管功率1.1 kW，加热管与物料间距6.32 cm、辐射加热时间4.78 min的条件下，可实现番茄的高效去皮。徐保国等人[30]指出，随着经外加热时间的延长，催化式红外的去皮效果呈现先升高后下降的趋势，当红外照射距离为30 cm，照射时间3 min时，番茄的去皮效果更佳。

番茄红外加热去皮中试装置示意图[25]见图4。

图4 番茄红外加热去皮中试装置示意图

3 结语

最大程度地减少番茄在去皮过程中的果肉损失，提高去皮后产品质量是所有去皮工艺的追求目标。近年来发展起来的功率超声去皮、欧姆加热去皮和红外去皮等能够有效避免加热去皮和碱液去皮的缺点，提高去皮效率与去皮后产品质量。其中，以催化式红外加热去皮方法的相关理论研究最为深入，效果最佳，有望发展为最有潜力的番茄去皮技术。