固态渗透预处理对冻干芒果加工过程减排、资源消耗及产品品质的影响

张凤娟，滕建文*，韦保耀，黄 丽，夏 宁

（广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004）

联合国可持续发展目标9[1]、12[2]要求产业提高资源利用效率，更多采用清洁和环保技术开发农业食品潜能；采用可持续的消费和生产模式。消费者挑选产品时已将可持续消费视为一种道德要求[3]。为做好我国碳达峰、碳中和工作，食品加工产业需进一步实施节能减排，全面推进清洁生产[4]。基于此，食品加工产业必须采取行动，使2030年之前实现可持续发展目标成为可能。

芒果是深受消费者喜爱的热带水果[5]，除鲜食外，芒果加工产品的种类日益丰富。真空冷冻干燥芒果可以较好地保持色泽、风味和营养成分[6]，冻干芒果片能够更好地保持芒果的原有特性（即高保真），携带方便、口感酥脆且保质期较长，广受消费者喜爱[7]。然而，冻干工艺本身属于高能耗的干燥加工方式[8]，为降低耗能，相关研究人员开发了组合脱水干燥新技术。Bozkir等[9]采用超声-渗透脱水-对流干燥联合处理柿子，该方法显著缩短了干燥时间，提高了干燥效率并提升了复水率和总酚含量。Prosapio等[10]研究表明渗透-冻干组合处理有助于保持产品特性，如质地和微观结构。

渗透脱水是将植物组织浸入高浓度渗透剂中，基于浓度差使植物组织水分渗出，达到脱水效果，渗透脱水无需加热，所得产品品质稳定。目前，果蔬加工的渗透处理以液态渗透为主，即将待处理果蔬浸渍于渗透剂溶液中保持一段时间。该方式能够稳定高效地脱去部分水分，但在实际应用中可能带来一些环境问题：1）废液排放量大[11]，且废液中存在较多的有机污染物，化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）高，需经复杂处理后才能排放，环境治理成本高；2）渗透剂用量大，造成资源的浪费。此外，长期浸渍处理会导致原料组织疏松，活性物质损失，造成产品品质缺陷。

本课题组前期研究表明，相比液态渗透，固态渗透加工脱水效率更高，产生的废液更少，更加节能环保[12]。但固态渗透在冻干预处理中的作用尚不清晰，故本研究以芒果块为原料，设置液态渗透预处理为对照，研究固态渗透预处理过程的资源消耗、废液产生状况及联合冻干加工过程的能源消耗、碳排放情况和产品品质，为可持续食品工业进一步发展提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘凯特芒’芒果 南宁海吉星批发市场。

蔗糖 南宁市东凯冠超市；L-半胱氨酸（优级纯）北京索莱宝科技公司；十六烷基三甲基溴化铵（色谱纯） 成都化夏化学试剂有限公司；甲醇（色谱纯）天津市大茂化学试剂厂；L(＋)-抗坏血酸标准品（纯度≥99%） 上海源叶生物科技有限公司；其他试剂均为国产分析级。

1.2 仪器与设备

WYA-2S数字阿贝折射仪 上海仪电物理光学仪器有限公司；e2695高效液相色谱仪（含紫外检测器） 美国Waters公司；ZORBX SB-C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm） 美国Agilent公司；Infinite M200 PRO酶标仪 帝肯（上海）贸易有限公司；RE-52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；CenLee18R高速冷冻离心机 湖南湘立科学仪器有限公司；TA-XT plus物性测定仪 英国Stable Micro Systems公司；Pilot10-15M冷冻干燥机北京博医康实验仪器有限公司；F16502 扫描电子显微镜 荷兰PHENOM公司；5B-3B(V8)型多参数水质测定仪 北京连华永兴科技发展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 芒果预处理与渗透处理

挑选果皮完整、色泽均一、固形物质量分数在13.0%～15.9%之间的芒果，彻底清洗干净后去皮。取两片平行于果核的切片，然后切成20 mm×20 mm×5 mm的果块，水分质量分数为（84.38±1.88）%。

固态渗透组：取切分好的芒果块，分装在250 mL透明塑料瓶中，每瓶加入100 g芒果块，然后加入芒果质量30%、40%的蔗糖（分别记为S30、S40），室温下用筷子轻轻搅拌蔗糖颗粒，同时抖动塑料瓶，使蔗糖与果块混合均匀。液态渗透组：取100 g切分好的芒果块浸没在等质量的质量分数分别为60%、50%的蔗糖溶液中（分别记为L60、L50），室温下用筷子搅拌均匀。

在渗透开始时添加芒果果块质量0.02%的山梨酸钾抑制微生物生长。分别在渗透0.5、1、2、3、4 h取15 g芒果样品，用蒸馏水快速冲洗样品表面，并用吸水纸吸干表面水分备用。每组设3 个平行。

1.3.2 冻干芒果制备

取各种渗透方式渗透处理0.5 h后的芒果块和未经渗透处理的鲜芒果块（记为O）置于－40 ℃冰箱中预冻约36 h，然后进行冻干，冻干温度35 ℃，冷凝器－80 ℃，气压5 Pa。当样品温度接近冻干温度，在一定时间内温度不再上升并保持平稳约3 h后结束冻干，记录各组样品的冻干时间并称质量。此外，收集并记录渗透0.5 h后产生的废液质量和体积。

1.3.3 芒果水分质量分数的测定

取鲜芒果块、不同渗透时间的芒果果块和冻干后的芒果果块样品，参考GB 5009.3－2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[13]中的恒质量法测定不同渗透时间及冻干后样品的水分质量分数。

1.3.4 芒果可溶性固形物质量分数的测定

取不同渗透时间的芒果果块样品，用4 层滤布挤压过滤，将滤液滴于阿贝折射仪上测定可溶性固形物质量分数，每个样品重复测量3 次。

1.3.5 芒果渗透过程中干基固增率、失水率计算

取不同渗透时间的芒果样品，参考文献[14]计算干基固增率（式（1））和失水率（式（2））。

式中：t为渗透时间/h；m0、mt分别为渗透初始、t时刻的样品质量/g；Xs0、Xst分别为渗透初始、t时刻的样品固形物质量分数/%；Xw0、Xwt为分别为渗透时间初始、t时刻的样品水分质量分数/%。

1.3.6 冻干芒果能耗计算

参考式（3）计算处理100 g芒果块原料时各组冻干芒果能耗比。

1.3.7 废液化学需氧量的测定

废液的COD值使用5B-3B(V8)型多参数水质测定仪进行测定。各渗透方式得到的渗透糖液经布氏漏斗抽滤，滤液于－20℃冰箱中贮藏12 h备用。测定前进行解冻，参考仪器操作指导书测定每升废液的COD，按照式（4）计算处理100 g芒果块原料产生废液的COD，按照式（5）计算各组与L60组相比COD减少比例。

式中：COD0为每升废液的COD/（g/L）；V为渗透处理100 g原料产生的废液体积/mL。

1.3.8 碳排放量的计算

依据《食品、烟草及酒、饮料和精制茶 企业温室气体排放核算方法与报告指南》[15]中的方法按式（6）～（8）计算碳排放量。

按照式（9）计算碳减排量。

1.3.9 不同加工阶段芒果样品VC保留率测定

采用高效液相色谱法[16]测定渗透0.5 h前后、冻干后芒果块干基中VC含量，单位为mg/100 g干基。按式（10）计算与原料相比渗透0.5 h后及冻干后的芒果VC保留率，按式（11）计算冻干阶段样品的VC保留率。

1.3.10 不同加工阶段芒果样品总酚保留率的测定

参考王俊涛[12]的方法提取渗透0.5 h前后、冻干后芒果块中的总酚得到总酚提取液，采用福林-酚法测定果块总酚含量，以没食子酸为标准品制作标准曲线。取400 μL总酚提取液于5 mL离心管中，再加2.000 mL体积分数10%福林-酚试剂，摇匀后3～8 min内加入1.600 mL质量分数7.5% Na2CO3溶液，于室温下避光反应60 min，测定765 nm波长处吸光度，代入标准曲线方程计算总酚含量，单位为mg/100 g干基。按式（12）计算与原料相比渗透0.5 h后及冻干后的芒果总酚保留率，按式（13）计算冻干阶段样品的总酚保留率。

1.3.11 冻干芒果微观结构观察

参考文献[17]的方法，取适量的冻干芒果样品用导电胶固定，经喷金处理后，将样品固定在工作台上，使用扫描电子显微镜观察样品微观结构，加速电压10 kV，放大倍数200 倍。

1.3.12 冻干芒果质构特性分析

取适量的冻干样品采用TA-XT plus物性测定仪进行质构分析。仪器参数：P/0.5S球形探头；100 N感应元；测试速率120 mm/min；起始力0.05 N；形变30%。最高峰值力和第1个峰值力分别定义为硬度和脆度。每种样品重复测定10 次。

1.4 数据处理与分析

实验设置3 个平行，结果以平均值±标准差表示。采用统计SPSS 22.0软件进行数据统计、Perason相关性分析和单因素方差分析，采用Waller-Duncan检验进行显著性分析，P＜0.05表示差异显著。采用Origin 2021b软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同渗透方式对芒果块脱水、固增效果研究

相比液态渗透，固态渗透过程利用样品组织内部脱出的水分作为溶剂溶解固态蔗糖，因此渗透过程中糖液黏度呈骤增缓降趋势。这与常用的渗透动力学模型拟合的稳态渗透传质动力学曲线存在本质区别，不能满足稳态渗透的前提：渗透溶液稳定[18]，故本实验采用样品失水率和干基固增率表征渗透过程。

由图1A可知，相同渗透时间，固态渗透芒果块失水率均高于液态渗透组。这是由于渗透脱水速率受渗透压影响，而渗透压与溶液中溶质浓度成正比。固态渗透初期芒果表面的渗透类似于饱和蔗糖溶液中的液态渗透，故初始渗透压明显高于液态渗透组，因此脱水效率更高。随着渗透的进行，芒果逐渐脱水，芒果表面附着的固态蔗糖逐渐溶解，并随着脱水量增大，蔗糖浓度逐渐下降。此外，固态蔗糖与芒果的质量比越大，溶解和稀释蔗糖需要的水分就越多，即芒果表面的蔗糖浓度下降速率越慢，芒果脱水速率越快。本研究表明相较于传统液态渗透，固态渗透处理的脱水效率明显提高。

图1 不同渗透方式下芒果失水率（A）、干基固增率（B）与渗透时间的关系Fig.1 Relationship between water loss rate (A) and dry base solid growth rate (B) and osmosis time of mango fruit under different osmotic dehydration treatments

此外，渗透脱水过程中还存在部分渗透溶质附着在组织表面或者内部的情况[19]。因此在渗透过程中，芒果果块本身水分的减少及部分糖溶质附着的双重作用，促使芒果果块的可溶性固形物含量增加。由图1B可知，渗透2 h后固态渗透组样品的干基固增率逐渐超过液态渗透L50组。这可能是由于固态渗透初期，渗透剂流动性低、黏度过高阻碍溶质渗入组织内部[20-21]。随着芒果脱水，渗透2 h后固态糖基本溶解完全，局部糖液浓度甚至高于L50、L60样品组；并且此时L50、L60样品组因芒果内部水分流出使得糖液浓度较初始时有所下降。因此不同渗透方式的样品干基固增率的变化速率随时间延长出现转折点，渗透2 h之后固态渗透组的干基固增率增加速率超过液态渗透组。渗透过程中失水率高于干基固增率，这是由于水分子比蔗糖分子运动速率更快[22]。渗透0.5 h时，不同渗透方式的最高干基固增率约10%，而失水率则达到了25%以上，可在品质保真与实现预脱水效果两方面达到了较好平衡，故本研究以渗透0.5 h后的芒果样品为冻干实验对象。如图1所示，渗透0.5 h，固态渗透样品失水率高于液态渗透，而干基固增率低于液态渗透。固态渗透具有高脱水、低固增的特点，这恰好符合真空冷冻干燥通过前处理保持产品原料品质的目的，对于需要更好保持原料自然特性的工艺有一定的借鉴价值。

2.2 不同渗透方式对冻干芒果节能及减排的影响

真空冷冻干燥能够保持产品原料的原有真实特性，但通常能耗较高。冻干前预渗透在降低耗能的同时，还可能引起冻干产品的品质变化。表1中显示，各渗透方式每处理100 g芒果块需要消耗的蔗糖原料质量依次为S30＜S40＜L50＜L60。其中液态渗透消耗的蔗糖量显著高于固态渗透，但渗透相同时间，芒果失水率反而低于固态渗透，即单位失水率下，液态渗透比固态渗透需要更多的蔗糖，这对于蔗糖原料的利用效率明显不利。

表1 不同渗透方式下渗透芒果块的蔗糖消耗、废液产生状况和加工过程节能、减排状况比较Table 1 Comparison of sucrose consumption,waste liquid production,energy saving and emission reduction of mango fruit under different osmotic dehydration treatments

有学者指出渗透后的溶液最多可以重复利用5 次[23]，且经过处理之后才可排放，以免废液中有机物、无机物等对水环境治理增加负担。COD可以表征水体受还原性物质（有机物、硫化物和盐类等）污染的程度。COD越大，水体受有机物的污染越严重。与L60相比，S30的COD减少了60.13%。本实验结果表明相比液态渗透方式，固态渗透方式可极大地减少废液量和COD。

由表1可知，产品加工的能源消耗量依次为固态渗透组合干燥＜液态渗透组合干燥＜未渗透干燥。本研究渗透冻干组合工艺的碳减排量在7.03%～12.21%。另有研究根据生命周期评估法计算得出渗透预处理冻干草莓过程比单一冻干过程可减少25%的CO2排放量[24]。该研究中渗透处理后草莓的水分质量分数（18.8%）远低于本研究中渗透处理后芒果块（69.22%～79.74%），这种差别的存在可能导致本研究中碳减排量少于该研究中的结果。

综上，相比于液态渗透L60，固态渗透S30、S40可分别减少50.01%、33.24%的蔗糖消耗，废液产生量分别减少了61.00%、51.71%，废液COD分别减少了60.13%、41.83%。此外，相比于未经渗透处理直接冻干的样品，渗透冻干组干燥加工过程的碳排放量显著减少（P＜0.05），且固态渗透碳排放量显著低于液态渗透（P＜0.05）。相比于未渗透样品，固态渗透S30、S40和液态渗透L50、L60样品生产过程的碳排放量分别减少了10.59%、12.21%和7.03%、8.80%。由此可知，固态渗透比液态渗透在资源消耗、节能、环保方面具有显著的优势，固态渗透预处理更加符合当前亟须建立的可持续生产模式，顺应目前的可持续发展趋势。

2.3 不同渗透方式下渗透对冻干芒果品质的影响

2.3.1 冻干芒果的总酚保留率和VC保留率

本研究选取总酚和VC两种活性物质，分析二者在渗透0.5 h后、冻干后及冻干阶段的保留率（图2）。在渗透过程中，果蔬中酚类物质损失的因素主要有：酚类物质随果蔬内水分流失到外部渗透剂中；与酚酶及氧气接触被氧化为醌类物质[25]。固态渗透的芒果总酚保留率低于液态渗透（图2A），可能的原因为：1）固态渗透比液态渗透失水率更高，渗透期间芒果失水更多的同时总酚流失更多，渗透0.5 h后果块总酚保留率和失水率呈极显著负相关（P＜0.01）（表2）；2）固态渗透期间果块与氧气接触机率比液态渗透果块更大，酚类物质氧化损失更多。然而该结果与Sette等[26]研究结果并不一致，该研究采用蔗糖添加量78.7%的固态渗透与质量分数61%蔗糖溶液的液态渗透（固液质量比1.00∶2.78，而本研究中固液质量比为1∶1）对覆盆子进行10 d渗透预处理直至渗透达到平衡，渗透10 d后覆盆子总酚保留率受到渗透平衡过程中覆盆子内外酚类物质浓度差的影响。其中的差异可能是由于渗透时间、固液质量比不同。固态渗透果块中的酚类物质在渗透初期被氧化并随水分流失至渗透糖液中，而固态渗透糖液量少，酚类物质的少量溶出即可使渗透液呈现出较高浓度酚类状态，果内外酚类物质浓度差较小易达到渗透平衡[12]。液态渗透过程中，由于果块被浸没导致接触氧机率更少，氧化损失更少，一部分酚类物质随水分流失至渗透糖液中，由于渗透糖液质量大，果内外酚类浓度差较大，达到平衡需要的酚类物质更多，进而导致液态渗透果中酚类物质损失更多[26]。经固态渗透预处理的芒果块冻干阶段的总酚保留率高于液态渗透芒果块，证明固态渗透相对于液态渗透能够在冻干阶段更好地保留活性物质，减少冻干损失。这可能是由于固态渗透样品的水分质量分数小，且冻干时间更短。

表2 渗透后果块失水率与活性物质保留率的相关性分析结果Table 2 Correlation analysis between water loss rate and nutrient retention rate of osmosed mango fruit

图2 不同渗透方式下果块的总酚（A）和VC（B）保留率Fig.2 Retention rates of total phenol (A) and VC (B) in mango fruit under different osmotic dehydration treatments

如图2 B 所示，渗透后芒果块VC 保留率依次为L50＞L60＞S30＞S40。固态渗透S40与液态渗透相比VC含量明显减少，可能是固态渗透S40失水量最大导致的。VC在渗透失水过程中不断流失，且如表2所示，VC保留率与芒果渗透失水率呈极显著负相关性（P＜0.01）。前人研究证明了所用渗透剂的浓度是影响VC保留率的主要因素[27-28]。冻干后芒果块VC保留率依次为L50＞S30＞S40＞L60。此外，冻干阶段固态渗透芒果块总酚和VC保留率均高于液态渗透芒果块。这可能是由于经固态渗透处理的芒果块结构表面更加致密，组织内的氧气含量更少导致活性物质的氧化损失更少[29-30]，且固态渗透处理芒果块含水量更少、冻干时间更短，减少了冻干过程中样品的活性物质损失，更多地保留样品活性物质，具体的原因还需要进一步研究。

2.3.2 冻干芒果的微观形貌和外观

如图3A所示，鲜芒果冻干后结构均匀，孔隙较大，部分结构脱落；经渗透脱水处理的样品冻干后孔隙变小，收缩紧实，结构致密，细胞壁厚度变厚。刘佳新[31]也发现类似的结果，这可能是由于蔗糖作为介质进入芒果组织内，填补细胞间的孔隙，减缓了细胞壁松散。并且使用渗透剂浓度越高，结构越致密；这可能是由于渗透剂进入果块组织，冻干后填充了原有孔隙的位置，从而使孔隙变小。如图3B、C所示，固态渗透的样品比液态渗透样品收缩更加明显。固态渗透冻干芒果块的结构均匀、致密，而经液态渗透冻干芒果块的组织不规则，且孔隙大、局部坍塌、结构相对松散。这可能是由于液态渗透时芒果块全程处于被完全浸没状态，而固态渗透则是在30 min时固体果块才出现被完全浸没状态，导致液态渗透果块组织更疏松[12]，组织细胞壁中间层溶解较多[32]。

2.3.3 冻干芒果的质构特性

质构特性是衡量果蔬及其干制品品质的一项重要指标，而品质好坏直接影响到消费者对产品的喜爱程度。如表3所示，渗透后冻干芒果块硬度、脆度均显著高于未渗透样品（P＜0.05），其中冻干果块硬度依次为S40＞S30＞L60＞L50＞O，这与芒果微观结构孔隙尺寸（图3A）相互印证。冻干果块微观结构越致密，结构越紧实，硬度越大。由于蔗糖中的羟基与芒果组织的羟基形成氢键，使组织更坚固从而提高冻干果块硬度[22]。渗透预处理样品的脆度显著高于未处理样品，可能是收缩致密的小孔[33]以及渗入的糖结晶加强孔隙的刚性[34]，导致样品破裂需要更大的力。

图3 不同渗透方式芒果块冻干后的微观形貌（200×）（A）、样品俯视图（B）和侧视图（C）Fig.3 Microscopic morphology (200×) (A),top view (B) and side view (C) of mango slices with different osmotic dehydration treatments after freeze-drying process

表3 不同渗透方式加工后冻干芒果的水分质量分数和质构特性Table 3 Comparison of moisture mass fraction and textural properties of lyophilized mango fruit processed by different osmotic dehydration treatments

3 结论

采用固态渗透处理代替传统液态渗透方式作为真空冷冻干燥的前处理方式，能够进一步实现节能、降耗和减排，应进一步在可持续发展工业领域开展理论分析和应用研究。固态渗透在初期表现高脱水、低固增特点，有利于实现冻干果蔬等产品的高保真加工。固态渗透处理使果块微观结构紧致收缩，且增加了果片硬脆度，这为满足不同消费需求的个性化加工提供了一种参考。渗透过程中果块VC保留率及总酚保留率与失水率呈极显著负相关（P＜0.01），而在冻干阶段固态渗透组合工艺则比液态渗透组合工艺总酚和VC保留率更高，这丰富了果蔬加工过程中营养损失的理论，可进一步优化工艺设计，以期开发出生产过程符合可持续发展要求又高保真的个性化产品。