钙盐结合糖溶液渗透脱水处理对四种小浆果反复冷冻融化品质的影响

谢浩鹏，刘帮迪，郭雪霞，焦文晓，赵韩栋，江利华

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北 邯郸 056038；2.农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3.农业农村部产地初加工重点实验室，北京 100121；4.齐鲁工业大学食品科学与工程学院，山东 济南 250353）

小浆果泛指果实较小且多汁的一类由子房或联合其他花器发育成柔软多汁的小型肉质果，主要包括草莓、蓝莓、树莓、枸杞、黑加仑、沙棘等。由于它们普遍含有较高的生物活性物质并且具有独特的酸甜口味，逐渐成为食品加工业的热门果蔬加工原料[1]。随着市场需求量的增大，我国小浆果已经逐渐从局部种植的特色水果变成大面积推广的主要经济作物。但小浆果产收季节较为集中，采收时受夏秋季高温影响，采后呼吸作用、果实表皮水分残留和微生物均易导致果实腐烂，贮藏周期极短[2]。因此全年加工的小浆果企业需要对浆果原料进行冷冻贮藏，以此来最大限度地保持原料品质。

然而，目前-20 ℃传统冷冻和-38 ℃以下低温速冻两种冷冻技术虽然能够达到延长果蔬原料贮藏期的目的，但由于果蔬细胞含水量高，缓速冷冻和低温速冻过快均会对细胞造成不可逆的机械损伤，造成融化后的果实外观品质劣变和生物活性物质损失[3-5]。渗透脱水冷冻（Osmotic-dehydration freezing）作为一种新型果蔬冷冻技术，能通过降低水分含量提高冻结速率，减少大型尖状冰晶形成，保护物料的组织结构，进而减缓理化品质的下降[6-7]。但若使用不当，脱水预处理的小浆果在冷冻融化后仍然存在质地、色泽劣变和生物活性物质被破坏的问题。因此亟需将其他提升果蔬品质的技术协同应用于脱水冷冻，以提升小浆果的贮藏品质。

在发酵、干燥等果蔬加工领域大量研究表明，钙盐处理能够靶向性地提升果蔬质地品质。钙盐进入果蔬细胞后，可以与果蔬细胞内的果胶相结合，形成以氢键相连的果胶钙物质，稳定果蔬细胞壁结构，抵抗在加工过程中由理化因素导致的果蔬质地瘫软现象。因此，将钙盐处理与糖溶液渗透脱水冷冻技术相结合，有助于保护小浆果的细胞壁结构，缓解冷冻解冻对小浆果的破坏。

本研究以4种小浆果为试材，研究钙盐结合糖溶液渗透脱水技术对4 种小浆果反复冻融后品质的影响，以期为解决果蔬冷冻加工行业中，蓝莓、草莓、枸杞、沙棘等小浆果原料贮藏时不耐冷冻问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

蓝莓：品种为蓝丰蓝莓，购于山东烟台；草莓：品种为红颜草莓，购于北京；沙棘：品种为中国沙棘，购于山西吕梁；枸杞：品种为宁夏枸杞，购于宁夏中宁。

果糖-葡萄糖溶液，广州双桥有限公司；抗坏血酸检测试剂盒、植物总酚检测试剂盒，南京建成生物工程研究所；碳酸钙、氯化钙、丙酸钙均为食品级，河南万邦实业有限公司；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、愈创木酚、Triton X-100、过氧化氢溶液、磷酸二氢钠、邻苯二酚、二硫苏糖醇（DTT）均为分析纯，北京试剂有限公司；无水乙醇、冰乙酸均为分析纯，上海麦克林生化科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

LQ-C5002 实验室精密电子天平，深圳市飞亚衡器有限公司；TGL-16gR 高速冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂；Rapid-TA质构仪，上海腾拔仪器科技有限公司；UV-2100 紫外可见分光光度计，上海化科实验器材有限公司；DNM-9602 型酶标仪，普朗医药仪器有限公司；DW-86L388J 低温保存冰箱，青岛海尔医疗股份有限公司；BC/BD-300DT调温冷藏箱，美菱股份有限公司；A11 basic 液氮研磨机，广州IKA 公司；DDS-11A 型电导仪，上海鹏顺科学仪器有限公司；THZ-C 恒温振荡器，豪城实验仪器制造有限公司；NR110色差仪，3NH科技有限公司；Nikon D800相机，日本尼康公司；HH-6数码恒温水浴锅，江苏省金坛市熔化仪器制造有限公司，KQ5200E超声清洗仪，昆山市超声仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品的制备及处理

糖溶液的制备：将含糖量85%（质量分数）的果糖-葡萄糖浆加入适量的水稀释至含糖量65%。

钙盐果糖-葡萄糖混合溶液制备：分别添加等量的氯化钙、碳酸钙、丙酸钙于上述含糖量65%的果糖-葡萄糖溶液中，使钙离子的质量浓度为15 g/L。

选择低成熟度、大小一致、外观无机械损伤的蓝莓、草莓、枸杞和沙棘果实，挑选完的果实经清水洗净、沥干待用。试验设置3 个组：普通缓冻组（CK组），糖溶液渗透脱水冻结处理组，钙盐结合糖溶液渗透脱水冻结处理组。

普通缓冻组（CK）：将新鲜蓝莓、草莓、枸杞、沙棘果实用0.03 mm厚聚乙烯包装袋（20 cm×14 cm）密封包装后置于-18 ℃冰箱冷冻。每袋果实300 g，每种果实3袋，下同。

糖溶液渗透脱水冻结（Sugar osmosis dehydration，SOD）处理组：使用针头对单个新鲜蓝莓、草莓、枸杞、沙棘进行穿刺（针头型号为4.5 号）。蓝莓、草莓、枸杞每个果实穿刺3个孔，深度为3 mm左右，沙棘每个果实穿刺1～2个孔，深度为1 mm，然后将其以料液比1∶3（g/mL）的比例置于含糖量65%的果糖-葡萄糖溶液中渗透脱水6 h（渗透脱水条件为前期预试验结果），然后用蒸馏水清洗果实表面糖溶液，并用纸巾拭干表面水分，之后用聚乙烯包装袋密封包装后放入-18 ℃冰箱中保存。

钙盐结合糖溶液渗透脱水冻结（Sugar osmosis dehydration-calcium，SOD-Ca）处理组：使用与SOD组相同的处理方法将新鲜蓝莓、草莓、枸杞和沙棘穿刺后，将果实置于钙离子质量浓度为15 g/L的钙盐果糖-葡萄糖溶液（样品和渗透溶液的比例为1∶3（g/mL））中渗透脱水6 h，完成后用蒸馏水清洗果实表面糖溶液，并用纸巾小心拭干表面水分，之后用聚乙烯包装袋密封包装后放入-18 ℃冰箱中保存。

冻融处理方法：将分装好的蓝莓、草莓、枸杞、沙棘4种果实置于-18 ℃的冰箱中贮藏3 d，取出后在室温（25±0.5）℃条件下解冻12 h，作为1 次冻融，再放回-18 ℃下进行冷冻贮藏，重复上述步骤，共冻融3次，并分别在冻融1、2、3次后取样测定相关指标。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 硬度

参照Liu 等[8]的方法，使用质构仪测定。将果实置于质构仪平台上，采用P/38 平板圆柱探头对试样进行TPA 测试。测试参数为：检测速度10 mm/min，压缩程度30%，起始力0.5 N。

1.2.2.2 色泽

参照刘帮迪等[9]的方法，使用色差仪对不同组别样品的L*、a*、b*值进行测定。其中L*代表亮度值，a*代表红绿值，b*代表黄蓝值。每组样品随机选取10个果实测定，结果取平均值。

1.2.2.3 汁液流失率及相对电导率

参照冯欣欣等[10]的方法进行测定和计算。

1.2.2.4 总酚和抗坏血酸含量

参考Feng 等[11]的方法，使用南京建成生物工程研究所的检测试剂盒进行测定。总酚和抗坏血酸含量单位分别为μmol/g和μg/mL。

1.2.2.5 多酚氧化酶（Polyphenoloxidase，PPO）活性和过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性

参照刘帮迪等[12]的方法，略作修改。以每克鲜重果实样品每分钟吸光度变化值增加1 为1 个PPO活性单位（U），以每克鲜重果实样品每分钟吸光度变化值增加1 为1 个POD 活性单位（U）。重复测定3 次，取平均值。

1.2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 软件对数据进行处理，SPSS 22.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 钙盐协同糖溶液渗透脱水技术对四种小浆果反复冷冻融化后外观品质的影响

2.1.1 四种小浆果反复冻融后的外观变化

4种小浆果经过3次冻融循环后，外观出现明显变化，随着冻融循环次数的增加，草莓、蓝莓、枸杞和沙棘的果皮和果肉色泽均逐渐加深且果实皱缩程度逐渐增大，尤其在第3次冻融循环后最为严重。这是由于冰晶破坏了细胞结构，造成汁液流失使细胞失水，且果实和果皮暴露在空气中被氧化，造成褐变现象的发生[13]。SOD组和SOD-Ca组果实经过冻融循环后，外观状态均优于CK组，且SOD-Ca组优于SOD组，说明糖溶液渗透脱水处理和钙盐结合糖溶液渗透脱水处理对上述4种小浆果的外观品质均能起到较好的保护作用。

2.1.2 四种小浆果反复冻融后硬度的变化

硬度是反映果实冻融后品质的主要指标[14]。由图1 可知，随着冻融循环次数的增加，各组果实硬度呈现下降趋势。在冷冻过程中，小浆果胞内自由水冻结后产生的大冰晶会对细胞造成机械损伤，导致解冻后的草莓、蓝莓、枸杞和沙棘的硬度下降[15]。在第1 次和第2 次冻融循环中，SOD 组和SOD-Ca 组果实硬度显著高于CK 组（P＜0.05），且SOD-Ca 组硬度显著高于SOD组（P＜0.05）。这可能是由于渗透脱水处理使小浆果的水分含量降低，减少了冰晶对细胞结构的损伤，从而使果实保持较好的硬度。在第3次冻融循环后，草莓和沙棘SOD-Ca组与SOD组硬度值无显著差异，这是因为随着冻融次数的增加，冰晶损伤对浆果细胞破坏程度逐渐加深，细胞壁破坏程度严重，无法起到支撑细胞强度的作用，导致SOD-Ca组与SOD组的果实硬度下降到相同水平。研究结果说明，钙盐结合糖溶液渗透脱水冻结处理可在一定程度上提高细胞支撑强度，起到维持果实硬度的作用。但糖溶液渗透脱水处理和钙盐结合糖溶液渗透脱水处理对3 次以上冻融循环的果实均无法起到缓解其冻融损伤的作用。

图1 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后硬度的影响Fig.1 Effects of three dewatering treatments on the hardness of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

2.1.3 四种小浆果反复冻融循环后色泽的变化

色泽是判断果实成熟度以及果实品质的重要指标之一[16]。L*值表示果实的亮度，a*值表示红绿值，由负值到正值表示果皮颜色由绿色到红色的转变，b*值表示黄蓝值，由负值到正值表示果皮颜色由蓝色到黄色的转变。如表1 所示，随着冻融循环次数的增加，草莓、蓝莓、枸杞和沙棘L*值逐渐降低。可能是由于小浆果在冻结过程形成冰晶而造成细胞损伤，使酶与底物接触而导致果实发生褐变。CK组L*值显著低于SOD 组和SOD-Ca 组（P＜0.05），SOD-Ca 组L*值最高，说明两种处理均可有效抑制果实褐变，维持果实色泽稳定，且钙盐结合糖液渗透脱水处理效果优于糖溶液渗透脱水。

表1 脱水处理方式对草莓、蓝莓、枸杞、沙棘反复冻融后色泽的影响Table 1 Effect of dewatering treatment on color of strawberry,blueberry,wolfberry and sea buckthorn after three freeze-thaw cycles

2.2 钙盐协同糖溶液渗透脱水技术对四种小浆果反复冷冻融化后细胞破坏程度的影响

汁液流失现象是水果、蔬菜、畜产、水产等农产品原料在冷冻融化后均会出现的劣变现象，其极大地影响了农产品的商品销售性和加工性[17-18]。小浆果是一种典型的高水分含量水果，其冻融后的汁液流失现象比其他水果更加严重。如图2所示，在3次冻融循环过程中，草莓、蓝莓、枸杞和沙棘的汁液流失率均逐渐升高，并且在每一次冻融循环中，4 种小浆果CK 的汁液流失率均最高，说明SOD 和SOD-Ca处理均能起到降低果实汁液流失率的作用。这可能是因为溶液中的糖分子进入细胞后，对组织中的水分子起到了一定的束缚作用，增强了小浆果的持水力。此外钙离子也能与细胞壁上的果胶酸结合形成果胶酸钙，并对其起到一定的保护作用，从而维持了细胞壁的结构，降低了汁液流失率[19]。第3次冻融循环后，SOD-Ca 组的草莓、蓝莓和枸杞汁液流失率最低，分别为13.8%、23.1%、25.6%。说明SOD-Ca 处理对抑制小浆果汁液流失的效果最佳。这一结果与硬度相对应，钙通过与果胶分子中带负电荷的羧酸基团结合形成的“钙桥”结构对细胞壁有一定的支撑作用，从而降低了汁液流失率，提高了果实硬度。

图2 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后汁液流失的影响Fig.2 Effects of three dewatering treatments on juice loss of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

相对电导率反映果蔬组织细胞内电解质的渗漏情况。果蔬细胞组织受损后，会导致细胞膜内的电解质出现外渗现象，导致相对电导率上升[20]。4 种小浆果在反复冻融中相对电导率变化与细胞膜透性变化相似。如图3 所示，3 次冻融循环过程中，各组草莓、蓝莓、枸杞和沙棘相对电导率均持续上升，CK 组始终显著高于SOD组和SOD-Ca 组（P＜0.05）。钙盐处理可减轻冷冻贮藏过程中冰晶造成的细胞膜损伤，维持细胞的完整性和功能性，从而保护解冻后果蔬的品质，故钙盐结合糖溶液渗透脱水处理效果优于糖溶液渗透脱水，其减轻了细胞冰晶损伤，更好地保护了细胞膜结构。SOD-Ca组与SOD组的沙棘果实间相对电导率无明显差异，说明钙盐渗透脱水处理仅可对部分小浆果起到保护细胞，维持结构完整的作用。

2.3 钙盐协同糖溶液渗透脱水技术对四种小浆果反复冷冻融化后生物活性物质的影响

小浆果富含花青素、抗坏血酸、多糖和黄酮类物质，是重要的植物源功能性食品开发的原料之一[21-25]。抗坏血酸为还原剂，具有强抗氧化性，但由于在果蔬加工过程中较容易损失，因此抗坏血酸是衡量果实抗氧化品质和生物活性的最重要指标。由图4可知，随着冻融循环次数的增加，各组小浆果抗坏血酸含量均逐渐降低。CK组抗坏血酸含量始终显著低于SOD 组和SOD-Ca 组（P＜0.05），SOD-Ca 组抗坏血酸含量最高。结果表明，钙盐结合糖溶液渗透脱水处理与糖溶液渗透脱水处理相比可更有效维持解冻后小浆果的抗坏血酸含量。这可能是由于钙离子对细胞壁的作用，延缓了细胞中酶促反应的进行，从而保护了抗坏血酸免受氧化。与冻融循环1次相比，SOD-Ca组的草莓、蓝莓、枸杞和沙棘抗坏血酸含量在第3次冻融循环后分别减少22.4%、31.5%、23.7%和32.2%，这可能是由于蓝莓、沙棘的含水量更高，冰晶造成了更大的细胞损伤，导致冻融过程中抗坏血酸大量损失。

图4 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后抗坏血酸含量的影响Fig.4 Effects of three dehydration treatments on ascorbic acid content of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

果实中酚类物质具有多种生理活性，影响着果实的色泽风味和营养品质[26]。如图5 所示，在3 次冻融循环中，各组草莓、蓝莓和沙棘3 种小浆果的总酚含量均呈先升高后降低的趋势，而枸杞的总酚含量呈逐渐下降的趋势。3 种小浆果前两次冻融后酚类物质增加可能是由于一些结合态酚类物质在冰晶破坏下，随汁液流失析出，短暂增加了酚类物质的可检测值[27]。冻融导致枸杞中酚类化合物浓度下降可能是由于枸杞内PPO 和POD 活性增强，酚类物质氧化导致总酚含量减少[28]。SOD组和SOD-Ca组果实总酚含量显著高于CK组（P＜0.05），说明两种处理均能抑制冻融循环过程中4种小浆果酚类物质的损失，且第1 次冻融循环结束时，除枸杞外，其余3 种小浆果SOD-Ca 组的总酚含量均高于SOD 组，说明在1 次冻融循环处理下，钙盐结合糖溶液渗透脱水处理优于糖溶液渗透脱水处理，对果实总酚含量有更好的维持效果。

图5 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后总酚含量的影响Fig.5 Effects of three dehydration treatments on total phenol content of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

2.4 钙盐协同糖溶液渗透脱水技术对四种小浆果反复冷冻融化后POD活性和PPO活性的影响

多酚氧化酶和过氧化物酶是引起果蔬酶促褐变的关键酶，也是果蔬加工过程中需要进行酶活性抑制的指示性酶。果蔬在加工前，常利用漂烫、热蒸汽等方法对POD和PPO等与氧化相关的酶类进行钝化处理，以保持果蔬品质[29-30]。如图6和图7所示，随着冻融循环次数的增加，各组草莓、蓝莓、枸杞和沙棘POD 和PPO 活性均随冻融次数增加逐渐升高。反复冷冻融化过程会严重损伤浆果细胞，导致原本处于细胞器中的酶从组织中渗出，大量接触氧气、底物，从而激活PPO和POD等酶活性[27]。SOD组和SOD-Ca组果实的PPO和POD活性始终显著低于CK组（P＜0.05），且SOD-Ca处理可以更有效地降低POD和PPO活性。综上，钙盐结合糖溶液渗透脱水处理可有效抑制4种小浆果的PPO和POD活性，保持细胞完整性，维持果实色泽，提升果实贮藏品质和食用价值。

图6 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后多酚氧化酶活性的影响Fig.6 Effects of three dewatering treatments on polyphenol oxidase activity of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

图7 脱水处理方式对草莓（A）、蓝莓（B）、枸杞（C）、沙棘（D）反复冻融后过氧化物酶活性的影响Fig.7 Effects of dewatering treatments on peroxidase activity of strawberry(A),blueberry(B),wolfberry(C)and sea buckthorn(D)after three freeze-thaw cycles

3 结论

本研究发现，通过钙盐结合糖溶液渗透脱水和糖溶液渗透脱水处理后的草莓、蓝莓、枸杞和沙棘4种小浆果经过3次冻融循环后，其各项品质指标均优于普通缓冻组，且钙盐结合糖溶液渗透脱水处理效果最佳，可显著降低4种小浆果的细胞膜透性和汁液流失，维持小浆果硬度，同时减少了4 种小浆果的抗坏血酸和酚类等生物活性物质的损失。在第2 次冻融循环后，草莓、蓝莓和枸杞的总酚含量有一个明显的增长，这可能是因为随着冻融循环次数的增加，3种小浆果受到更大的冷冻胁迫，环境刺激果实自身产生更多酚类物质，以减少自身氧化损伤所致。另外，钙盐结合糖溶液渗透脱水处理还可有效抑制4种小浆果的多酚氧化酶和过氧化物酶活性，减少果实暴露在空气中所发生的酶促褐变和氧化损伤，维持小浆果加工和营养品质。但在前两次冻融循环中，钙盐结合糖溶液渗透脱水处理可有效提升浆果质地品质，但在第3次冻融循环后，SOD组和SOD-Ca组之间无显著差异，这可能是冰晶对浆果细胞过度破坏造成的。本研究将钙盐处理和渗透脱水两种果蔬贮藏技术有机结合，为解决小浆果原料不耐冷冻提供了技术支撑和理论依据。