荔枝(Litchi chinensis Sonn.)风味独特、营养丰富,但极不耐贮,采后在微生物和酶的双重作用下易腐败变质[1]。果汁是提高其采后经济价值的一种重要加工产品。浓缩汁是果汁的一种重要流通形式,而且可以作为糕点、果酒、果酱等进一步加工产品的原料。目前的浓缩方式主要包括:蒸发浓缩、真空浓缩、薄膜浓缩、冷冻浓缩等,其中前两者为当前工业上主要采用的方式,然而蒸发浓缩温度较高,并不适合荔枝这种热敏性极强的物料,易导致品质劣变、产生蒸煮异味等[2];真空浓缩(vacuum concentration,VC)即真空联合较中低温的条件下进行浓缩,保证浓缩率和浓缩效率的同时,可显著减轻热浓缩导致的褐变问题[3];膜浓缩易造成孔径堵塞导致内部污染,致使膜通量大幅下降,增加了使用成本,限制了可持续的使用,阻碍果汁行业应用[4];冷冻浓缩主要分为渐进式、悬浮式2种,前者存在溶质损失严重,夹带率高等问题[5],后者存在设备成本高、操作复杂等问题[6]。DINCER等[7]比较分析了真空浓缩和间歇式微波浓缩对浓缩汁的粒度影响,发现前者粒度小于后者,说明前者较后者能够提高果汁稳定性以防止相分离。LOHRASBI-NEJAD等[8]研究发现低压微波辅助真空浓缩较蒸发浓缩能够较好地保护小檗子浓缩汁的花色苷、总酚、抗氧化活性和色泽等品质。郑亚军等[9]研究指出真空浓缩(真空度0.75,45 ℃,60 min)较常压蒸发浓缩(90 ℃,120 min)能够显著保护浓缩椰浆的感官品质、质构特性以及贮藏稳定性。
浓缩汁在冻藏前,需要进行速冻处理,以降低冻结对其品质的损伤,最大程度保证冻藏期的品质。液氮喷雾速冻(liquid nitrogen freezing,NF)是一种新型的快速冻结处理方式,通过液氮的气化相变,与物料直接接触吸收大量潜热和显热,快速通过最大冰晶生成带,具有传热系数高、冻结速度快、形成冰晶小、耗时短,最大限度保存物料的品质特性的优势,而且其设备操作简单;近几年在我国工业上应用迅速[10-12]。而传统冻结方式的缓慢冻结形成较大的冰晶,严重损伤细胞组织,不能很好地保护果汁的品质特性和挥发性成分[13-14]。液氮喷雾速冻常用于肉类、水产等肉制品方面[15-17],然而近几年,随着液氮喷雾速冻技术的成熟及推广,逐渐应用于果蔬速冻中,ZHU等[12]研究发现液氮喷雾速冻较常规风冷对枸杞品质的保护具有明显的提升效果,且提出NF的环温是一个显著的影响因素。ALHAMDAN等[18]比较发现液氮低温速冻较以空气为介质的单体速冻和常规慢冻能够显著保护枣的冻结品质和贮藏稳定性。因此,本论文采用真空浓缩联合液氮喷雾速冻处理的加工模式,重点考察加工过程中的不同浓缩、速冻温度对浓缩汁品质的影响,以期获得优质的冻结荔枝浓缩汁。研究结果将对提高荔枝的附加值具有实际指导意义,同时为冻结浓缩汁加工技术的改进提供进一步理论支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
荔枝(怀枝),采购于广州省广州市水果批发市场;福林酚、NaNO2、Al(NO3)3、NaOH等都为分析纯试剂,天津市科密欧化试剂有限公司;正构烷烃(C7-C40),LGC公司。新鲜荔枝汁基本理化指标见表1。
表1 新鲜荔枝汁基本理化指标
Table 1 Main physical and chemical indexes of fresh litchi juice
指标维生素C/(μg/mL)FRAP/(mmol/L)ABTS/(μmol/L)总酚/(mg/L)可溶性糖/(mg/mL)可溶性固形物/°Brix粒径/nm数值31.47±0.261.434±0.11 030.28±28.58551.99±0.37776.77±21.9215.36±0.01397.57±12.58
1.2 仪器与设备
DJL-QF型液氮喷雾速冻机,深圳市德捷力冷冻科技有限公司;RFM3400阿贝折光仪,英国Bellingham+Stanley;PB-10型PH计,赛多利斯公司;Infinite M200PRO型酶标仪,瑞士TECAN公司;Ultra Scan VIS型全自动色差仪,美国Hunter Lab公司;UV1800型紫外可见分光光度计,日本岛津公司;冰箱[BCD-213TM(E)],美的有限公司;JW-1042型离心机,安徽嘉文仪器装备有限公司;CR22GⅢ高速冷冻离心机,日本日立公司;HWS-24电热恒温水浴锅,上海-恒科学仪器有限公司;LC-20AT 高效液相色谱仪,日本岛津公司;Zetasizer Nano ZSE纳米粒度及Zeta电位仪,英国马尔文仪器有限公司;7890B-5977B气相色谱-质谱联用仪, 美国Agilent科技公司;57330-U三相(PDMS/DVB/CAR)固相微萃取头,美国Supelco公司;Z292036样品顶空瓶、27375 PTFE/硅胶隔垫顶部开口式钳口铝瓶盖,美国Sigma-Aldrich公司;1 cm磁力搅拌转子、HWS24恒温磁力搅拌器,上海一恒科学仪器有限公司;HP-5MS非极性毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm;0.25 μm),美国Restek、Bellefonate公司;T型热电偶、TC-08数据采集器,美国Omega Engineering 公司。
1.3 试验方案
荔枝汁在真空度0.005 MPa、转速50 r/min、不同温度(35、45、55、65 ℃)下进行浓缩,浓缩后采用不同环温(-30、-50、-70、-90 ℃)液氮喷雾速冻进行冻结处理,处理方式如表2所示,冻结终点为样品核心温度达-20 ℃,冷冻完成后,置于-20 ℃冰柜冻藏。
表2 不同浓缩、速冻温度的处理方式和时间
Table 2 Different concentrate temperature,freezing temperature method and time
序号处理组处理方式浓缩时间/min液氮喷雾速冻时间/minG1VC35 ℃-NF-30 ℃35 ℃真空浓缩联合(-30 ℃)液氮喷雾速冻6939.30G2VC35 ℃-NF-50 ℃35 ℃真空浓缩联合(-50 ℃)液氮喷雾速冻6939.30G3VC35 ℃-NF-70 ℃35 ℃真空浓缩联合(-70 ℃)液氮喷雾速冻6939.30G4VC35 ℃-NF-90 ℃35 ℃真空浓缩联合(-90 ℃)液氮喷雾速冻6939.30G5VC45 ℃-NF-30 ℃45 ℃真空浓缩联合(-30 ℃)液氮喷雾速冻41.5110G6VC45 ℃-NF-50 ℃45 ℃真空浓缩联合(-50 ℃)液氮喷雾速冻41.5110G7VC45 ℃-NF-70 ℃45 ℃真空浓缩联合(-70 ℃)液氮喷雾速冻41.5110G8VC45 ℃-NF-90 ℃45 ℃真空浓缩联合(-90 ℃)液氮喷雾速冻41.5110G9VC55 ℃-NF-30 ℃55 ℃真空浓缩联合(-30 ℃)液氮喷雾速冻29.2719.32G10VC55 ℃-NF-50 ℃55 ℃真空浓缩联合(-50 ℃)液氮喷雾速冻29.2719.32G11VC55 ℃-NF-70 ℃55 ℃真空浓缩联合(-70 ℃)液氮喷雾速冻29.2719.32G12VC55 ℃-NF-90 ℃55 ℃真空浓缩联合(-90 ℃)液氮喷雾速冻29.2719.32G13VC65 ℃-NF-30 ℃65 ℃真空浓缩联合(-30 ℃)液氮喷雾速冻40.989.52G14VC65 ℃-NF-50 ℃65 ℃真空浓缩联合(-50 ℃)液氮喷雾速冻40.989.52G15VC65 ℃-NF-70 ℃65 ℃真空浓缩联合(-70 ℃)液氮喷雾速冻40.989.52G16VC65 ℃-NF-90 ℃65 ℃真空浓缩联合(-90 ℃)液氮喷雾速冻40.989.52
1.4 试验方法
1.4.1 冷冻浓缩汁的制备
将新鲜荔枝(怀枝),剥皮去核后榨取荔枝汁。在35、45、55、65 ℃条件下真空浓缩至可溶性固形物为40 °brix左右,随后在-30、-50、-70、-90 ℃的环温中进行液氮喷雾速冻,用热电偶测温,并通过数据采集器采集数据,以样品核心温度达到-20 ℃为终点。各处理组时间如表2所示。
1.4.2 真空浓缩果汁浓缩比计算
果汁中的可溶性固形物含量在真空浓缩过程中增加。浓缩比计算如公式(1)所示:
(1)
式中:Cj,1,浓缩荔枝汁可溶性固形物含量,°Brix;Cj,0,荔枝原汁可溶性固形物含量,°Brix。
由表1和公式(1)可知,浓缩比约为2.64。以下化学指标的含量,都除以浓缩比,折算成新鲜荔枝汁浓度的含量。
1.4.3 色差测定
全自动色差仪在反射模式下对果汁样品的色泽进行测定,以蒸馏水为参比样,结果以L*、a*、b*和△E*表示[19]。总色差按公式(2)计算:
(2)
1.4.4 可溶性糖的测定
参考YANG等[20]方法略作修改,采用热水浸提法提取多糖,具体实验步骤为:取荔枝样品5 g,加入45 mL蒸馏水,90 ℃水浴4 h,趁热抽滤,8 000 r/min离心15 min,取上清液,定容至50 mL。采用苯酚-硫酸法在490 nm下测定吸光度,葡萄糖法制作标准曲线。
1.4.5 维生素C测定
参考朱敏等[21]的方法略作修改,采用高效液相色谱进行测定,色谱条件:C18色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),柱温30 ℃,维生素C检测波长254 nm;流动相质量分数为0.1%的(NH4)2HPO4,pH值2.7;流速1 mL/min;进样量10 μL。
1.4.6 总酚含量测定
参考KWAW等[22]的方法并略作修改。取稀释后的样品0.5 mL,加入1 mL Folin-Ciocalteu试剂,振荡混合,再加入1 mL质量分数为10% Na2CO3溶液,避光放置1 h,测定760 nm处的吸光值。
1.4.7 铁离子还原能力(ferric reducing antioxidant power,FRAP)的测定
采用FRAP法测定还原能力,参考WU等[23]的方法略作修改。取适当稀释倍数后的样品0.5 mL,加入0.1 mL 0.2 mol/L PBS(pH 6.6)和0.75 mL质量分数为0.3%铁氰化钾,振荡混匀,在50 ℃水浴锅中避光水浴20 min后,放入冷水中迅速冷却并加0.5 mL质量分数10%的三氯乙酸,振荡混匀后3 000 r/min离心10 min,取上清液1 mL加入0.25 mL质量分数为0.3% FeCl3溶液混匀,再加1.5 mL纯水,摇匀,测定波长700 nm处的吸光度。以Trolox为标准品,样品的铁还原能力用Trolox的当量来表示(mmol/L)。
1.4.8 ABTS阳离子自由基清除能力测定
参考ESPOSTO等[24]的方法并略作修改,将7 mmol/L的ABTS溶液(50 mL)和140 mmol/L的K2S2O8溶液(0.88 mL)混合,在室温、避光的条件下静置过夜,形成ABTS储备液。使用前用无水乙醇稀释至734 nm波长处吸光度为0.7±0.02。
取适当稀释后的样品10 μL,加入200 μL ABTS溶液,旋涡振荡30 s,室温条件下避光反应6 min,用酶标仪测定波长734 nm处吸光度。以Trolox为标准品,样品的ABTS阳离子自由基的清除能力用Trolox的当量来表示(μmol/L),
1.4.9 粒径测定
采用动态光衍射法测定荔枝浓缩汁粒径分布,参考蔡天[25]的方法略作修改。对样品统一稀释后,加样10～15 mL,确保样品量被仪器检测得到。
1.4.10 荔枝汁挥发性物质定性定量分析
参考AN等[26]的方法。固相微萃取样,GC选取的是HB-5MS弹性毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),MS采用的是全扫描模式,定性是使用C7～C40的系列正构烷烃计算各挥发性成分的保留指数,采用内标(己酸乙酯)法进行定量分析。
1.4.11 数据统计与分析
所有样品都设置3个平行,测定结果以平均值±标准差来表示。采用Origin 2018软件绘图,通过SPSS 24.0进行主成分分析,真空浓缩温度和液氮速冻温度对荔枝汁理化品质的影响采用一般线性模型进行双因素方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同浓缩-速冻温度对荔枝浓缩汁维生素C的影响
维生素C是果汁中重要的营养物质之一。不同浓缩-速冻温度对荔枝汁维生素C的含量如图1 所示。各处理组与未处理组对比维生素C含量皆下降,这主要是由于加热诱导氧化反应的发生,从而降解了浓缩荔枝汁中的维生素C含量[27]。由组内、组间显著性分析可知G7处理组显著高于其他处理组;从组间显著性分析可知,除G12处理组外,相同速冻温度下(-70℃、-90 ℃),真空浓缩温度为55 ℃、65 ℃处理组在组间显著低于45 ℃浓缩组,这主要是由于温度过高加快维生素C的分解[28];从组间显著性分析结果可知,真空浓缩为35 ℃时,除G4、G8、G12、G16、G6、G15处理组外,维生素C含量在组间显著低于其他处理组,这可能是因为35 ℃热浓缩过程,温度较低,时间较长,维生素C发生了有氧分解和无氧分解[28-29]。综合说明低温-长时间、高温-短时间的真空浓缩都不适合热敏性荔枝汁。相同真空浓缩处理后,速冻温度对荔枝浓缩汁维生素C保留效果的影响总体可分为2组,低温组(-30和-50 ℃)和超低温组(-70和-90 ℃),后者的保留效果显著优于前者,这主要是由于相对较高温度的速冻,冻结速度慢,导致维生素C的分解时间变长[30],亦说明较低的速冻温度有利于保护荔枝浓缩汁的维生素C含量。然而,NF-70 ℃较NF-90 ℃处理,维生素C的保留率提高了 38.24%～56.81%,说明并不是冻结温度越低对果汁中的维生素C保护效果越好,需选择适宜的速冻温度,-70 ℃是荔枝浓缩汁的适宜冻结温度,这可能是因为45、55、65 ℃的真空浓缩温度同-70 ℃的液氮速冻温度,产生了新的交互作用,使-70 ℃较-90 ℃的液氮速冻对维生素C有更好的保护效果。
图1 不同浓缩-速冻温度对浓缩荔枝汁维生素C含量的影响
Fig.1 Effect of different concentrate temperature, freezing temperature on vitamin C content of concentrated litchi juice
注:不同字母表示显著性差异(P<0.05),小写字母为组内分析,大写字母为组间分析(下同)。
综上,45 ℃真空浓缩联合-70 ℃液氮喷雾速冻是保护荔枝汁维生素C含量的适宜处理模式。值得注意的是,35 ℃真空浓缩处理后,速冻温度越低对维生素C的保护效果越好,各速冻组之间的差异梯度为1.5～3 μg/mL;而65 ℃真空浓缩处理后,并未表现出类似的趋势,NF-30 ℃与NF-50 ℃无差异显著性,NF-70 ℃保留效果最好,但较其他组差异梯度仅为1～2 μg /mL,这说明浓缩温度和速冻温度在荔枝浓缩汁维生素C的影响上可能存在一定的耦合效应。
2.2 不同浓缩-速冻温度对浓缩荔枝汁总酚含量及其抗氧化活性的影响
浓缩荔枝汁含有大量酚类活性物质,与浓缩汁的抗氧化活性、色泽等品质特性息息相关。不同浓缩-速冻温度对荔枝汁总酚的含量如图2-a所示。不同组之间差异显著:G12处理组总酚保留效果最好,这主要是由于浓缩荔枝汁经过55 ℃较高温度的真空浓缩,导致内源酶失活,使其不能通过内源酶来加速酚类物质的降解,此外较高温度诱导不稳定化合物水解释放单体和二聚体,使酚类物质无法聚合,阻遏酚类物质参与褐变反应[2,31]。除G4处理组外,G12处理组总酚含量在组内和组间显著高于其他处理组,这主要是由于温度过高(65 ℃)加快酚类化合物的分解,从而导致总酚含量下降;温度较低(35、45 ℃)时浓缩时间较长,因为酚类物质具有热不稳定的特性,长时间的真空浓缩会导致总酚含量下降[32-33],说明低温长时间、高温短时间的真空浓缩都不适合热敏性荔枝汁。相同真空浓缩处理后,速冻温度对荔枝浓缩汁总酚含量保留效果总体可分为两组,低温组(-30、-50 ℃)和超低温组(-70、-90 ℃),后者的保留效果显著优于前者,这主要是由于在低温环境下,多酚氧化酶保留一定的活性,速冻温度越高,冻结速率越低,氧化反应和酶促褐变的时间变长[30]。不同浓缩处理后,NF-90 ℃较NF-70 ℃冻结处理,总酚的保留率提高了3.31%～84.09%;亦说明越低的速冻温度越有利于保护荔枝浓缩汁的总酚含量,-90 ℃是荔枝浓缩汁的适宜冻结温度。
a-总酚含量;b-FRAP;c-ABTS
图2 不同浓缩、速冻温度对浓缩荔枝汁总酚及其抗氧化活性的影响
Fig.2 Effect of different concentrating temperature, freezing temperature on total phenols content and antioxidant activity of concentrated litchi juice
不同浓缩-速冻温度对荔枝汁还原能力FRAP和ABTS阳离子自由基清除能力的影响如图2-b和2-c所示,两种指标的结果趋势基本一致,蒋侬辉等[34]对35种新鲜荔枝进行抗氧化活性评价, 还原能力FRAP介于1.18～10.10 μmol/g,曾庆帅等[35]对黑叶荔枝果肉进行了多酚提取和抗氧化比较,ABTS清除能力为592.14 μg/mL,与实验结果基本相同。还原能力FRAP由组内、组间显著性差异结果可知,除G7处理组与G11处理组无显著性差异,G7处理组在组内、组间显著高于其他处理组;还原能力FRAP由组间显著性差异结果可知,相同速冻温度下(-30/-50/-70/-90 ℃),除G4处理组无显著性差异,真空浓缩为35、65 ℃处理组在组间显著低于45 ℃浓缩组;还原能力FRAP由组间显著性结果可知, G6、G10和G7、G11分别在组间无显著性差异,同总酚含量变化趋势相似,这主要是由于水果中的多酚含量和抗氧化活性之间存在一定线性关系[36-37],但不完全同步,因为热处理使得多酚种类或形态结构发生变化,使其抗氧化活性增强[38]。此外抗氧化活性可能与美拉德反应有关,由于加热破坏了细胞壁,使一部分多酚类物质溶出,从而提高了酚含量[32,39-40]。
综上,55 ℃的真空浓缩联合-90 ℃的液氮喷雾速冻是保护荔枝汁总酚含量的适宜处理模式,此外,在图2-a中,45 ℃浓缩处理后,总酚含量并未表现出其他浓缩处理后,速冻温度越低对总酚的保护效果越好的类似趋势,由组内显著性差异分析可知,在45 ℃处理组中NF-50 ℃显著高于NF-70 ℃处理组,NF-90 ℃保留效果最好。因此推测浓缩温度和速冻温度在荔枝浓缩汁总酚的影响上可能存在一定的协作效应。结合总酚含量变化,45 ℃的真空浓缩联合-70 ℃的液氮喷雾速冻是保护荔枝汁抗氧化能力的适宜处理模式。
2.3 不同浓缩-速冻温度对荔枝浓缩汁可溶性糖的影响
可溶性糖含量是衡量荔枝汁营养价值和风味成分的指标之一。不同温度的浓缩-速冻处理后荔枝汁可溶性糖含量的变化如图3所示,由组内、组间显著性差异分析可知,G3处理组在组内和组间显著高于其他处理组;由组间显著性差异可知,相同速冻温度下(-50/-70 ℃),真空浓缩温度为45、55、65 ℃显著低于35 ℃浓缩组,这主要是由于较高温度的真空浓缩中,果肉细胞的蛋白质分解为氨基酸,同羰基化合物(还原糖类)发生美拉德反应,导致可溶性糖含量下降[41-42]。进一步佐证说明高温-短时间的真空浓缩不适合热敏性荔枝汁。35、65 ℃的真空浓缩处理后,NF-70 ℃较NF-90 ℃处理组,可溶性糖的保留率提高了14.23%～28.36%,说明并不是冻结温度越低对果汁中的可溶性糖保护效果越好,这主要是由于冷冻过程通过最大冰晶生成带的时间对冰晶尺寸起主要作用,NF-70 ℃较NF-90 ℃处理组,冷冻温度较高,冷冻时间较长,穿过最大冰晶生成带的时间变长,形成的冰晶尺寸大,细胞间隙变大,导致荔枝浊汁中的果肉细胞汁液不能重新回到细胞内,大部分可溶性糖和胞内营养物质流出[41],因此相对于NF-90 ℃处理组,NF-70 ℃处理组可能间接提高了可溶性糖的提取率。NF-30/-50 ℃可溶性糖含量较低,说明较高的速冻温度,不利于保护可溶性糖,需选择适宜的温度,-70、-90 ℃是荔枝浓缩汁的适宜冻结温度。
图3 不同浓缩、速冻温度对浓缩荔枝汁可溶性糖含量的影响
Fig.3 Effect of different concentrate temperature,freezing temperature on the souble sugar of concentrated litchi juice
综上,35 ℃的真空浓缩联合-70 ℃的液氮喷雾速冻是保护荔枝汁可溶性糖含量的适宜处理模式。此外,55 ℃浓缩处理后,速冻温度越低对可溶性糖的保护效果越好,各速冻组之间的差异梯度为113.1～241.4 mg/L;而45 ℃处理后,并未表现出类似的趋势,NF-70 ℃处理组显著低于NF-30 ℃和NF-50 ℃处理组,NF-90 ℃处理组保留效果最好,这说明浓缩温度和速冻温度在荔枝浓缩汁可溶性糖的影响上可能存在一定的耦合效应。
2.4 不同浓缩-速冻温度对荔枝浓缩汁的色泽的影响
果汁的色泽是评价果汁褐变程度最直观的指标之一,不同温度的浓缩-速冻处理后浓缩荔枝汁色差值变化如表3所示。
表3 浓缩荔枝汁色差值
Table 3 Effects of various concentrate temperature, freezing temperature on the color of concentrated litchi juice
注:(1)△E表示色泽变化值,本实验以蒸馏水为标样;(2)不同字母表示显著性差异(P<0.05),小写字母为组内(相同浓缩温度处理组)分析,大写字母为组间(相同速冻温度处理组)分析。
样品L∗a∗b∗△E未处理组36.59±0.71-0.44±0.05-1.66±0.151.43±1.15G129.27±0.52Aa1.4±0.3Ab3.62±0.30Aa7.70±0.46DbG523.69±0.51Ca1.63±0.19Aa1.66±0.04Ba12.87±0.49BdG921.81±0.49Da1.64±0.04Aa1.03±0.16Cb14.73±0.49AaG1327.39±0.04Ba1.27±0.2Ab3.32±0.21Aa9.37±0.10CdG220.88±0.70Cb2.07±0.17Aa1.09±0.17Bb15.71±0.72AaG622.63±0.04Bb1.60±0.15Ba0.93±0.24Bc13.91±0.03BbG1021.89±0.14Ba1.65±0.11Ba1.05±0.10Bb14.65±0.13BaG1425.64±0.02Ab1.54±0.14Bb3.01±0.13Aa11.05±0.02CcG329.5±0.67Aa1.37±0.10Bb3.61±0.16Aa7.46±0.63CbG721.64±0.17Cc2.05±0.14Aa1.37±0.06BCb14.95±0.18AbG1121.74±0.20Ca1.92±0.15Aa0.74±0.24Cb14.85±0.22AaG1523.28±0.39Bc2.18±0.21Aa1.71±0.65Bb13.38±0.41BbG419.98±0.12Bb1.96±0.10Aa1.44±0.12Ca16.59±0.13AaG819.43±0.19Bd1.94±0.24Aa1.2±0.19Cb17.13±0.15AaG1222.19±0.83Aa1.83±0.12Aa1.93±0.14Ba14.39±0.83BaG1622.34±0.13Ad1.57±0.07Ab2.46±0.05Aa14.23±0.14Ba
新鲜荔枝汁L*值最高,色泽鲜亮,液氮喷雾速冻浓缩-速冻后,L*值显著下降,a*、b*值均有显著上升(P<0.05),这跟荔枝汁经过浓缩后,观察到果汁颜色变深的现象相符,果汁颜色变深的机制主要有非酶促褐变和酶促褐变2种,美拉德反应和焦糖化反应的非酶促褐变是导致颜色加深的根本原因[43]。通过表3和组内、组间显著性差异分析可知,除G1处理组外,G3处理组在组内和组间L*值显著高于其他处理组,最接近未处理原汁;由组内显著性差异分析和图2-a总酚含量变化可知, NF-90 ℃处理组在35、45、55、65 ℃的浓缩处理组组内总酚含量显著高于其他组,NF-30 ℃处理组在35、45、55、65 ℃的浓缩处理组内总酚含量显著低于其他组,说明总酚含量与L*值变化呈负相关性,这可能是因为总酚含量越高越容易使果汁浑浊而沉淀导致L*值下降[44]。由组间显著性差异分析可知,除G2、G4处理组,35 ℃浓缩处理组中G1、G3的b*值在组间显著高于其他组,此外,除G13、G15处理组,65 ℃浓缩处理组G14、G16的b*值在组间显著高于其他处理组。说明长时间低温真空浓缩或者短时间高温真空浓缩,对浓缩荔枝汁的品质影响较大,这跟维生素C、总酚、可溶性糖、FRAP的结论相同。ΔE*值越小,代表荔枝浓缩汁颜色变化越小。G3处理组ΔE*值最小,经真空浓缩和液氮喷雾速冻联合处理后颜色变化最小。因此,VC35 ℃-NF-70 ℃可被认为是对荔枝浓缩汁色泽保护效果较优的处理模式。
2.5 不同浓缩-速冻温度对荔枝浓缩汁粒径的影响
粒径是对果汁稳定性进行评价的重要指标之一,粒径值越小,果汁越稳定。不同温度的浓缩-速冻处理后浓缩汁的粒径和聚合物分散性系数(polymer dispersity index,PDI)变化如图4所示。各处理组(除G10、G16)与原汁相比粒径值均有所降低(5.70%～112.91%),这可能是因为真空热浓缩温度有降低浓缩汁粒径的作用。这与MAPELLI-BRAHM等[45]的研究结果类似,巴氏杀菌热处理后的橙汁相比于液氮冷冻-冰箱解冻、液氮冷冻-室温解冻、超冷冻-微波解冻以及未处理组粒径值最小。NF-30 ℃包括的4个处理组(G1、G5、G9、G13)和NF-90 ℃包括的3个处理组(G4、G8、G12)粒径呈现缓慢下降的趋势,G13处理组粒径值最低、G16处理组粒径值最高。
a-粒径值;b-PDI
图4 不同浓缩、速冻温度对浓缩荔枝汁粒径和PDI的影响
Fig.4 Effects of various concentrate temperature, freezing temperature on the size of concentrated litchi juice
在NF-30 ℃处理组发现65 ℃的真空浓缩温度粒径值都较其他处理组低,这可能是由于65 ℃的真空浓缩中荔枝汁体系温度升高,颗粒能量增加,颗粒之间结合交联的概率降低,浓缩汁体系的网状结构被破坏,水与颗粒结合的作用增加,使得粒径降低[45-46]。G13处理组较G3、G7、G12处理组粒径降低13.17%～74.81%,这可能是由于真空浓缩温度的提高,使得粒径值不断降低[46]。YU等[47]也发现香蕉汁在经过45～60 ℃的热处理后,随着处理温度提高,果汁中的粒径值越小。
结合PDI值进一步分析,一般PDI越大,分子量分布范围越宽,PDI越小,分子质量分布越均匀,G13、G16处理组PDI值分别为0.34、0.83,因此可知G13处理组比G16处理组的果汁体系更稳定。这说明在65 ℃的真空浓缩温度下,NF-30 ℃能够显著降低浓缩汁的粒径大小, NF-90 ℃却显著提高了粒径值,这可能是由于前者较低的冷冻速率形成的大冰晶,在融解过程中,将聚集的大分子物质分散。综上,G13(VC65 ℃-NF-30 ℃)是提高荔枝汁稳定性的适宜处理模式。
2.6 不同浓缩-速冻温度荔枝浓缩汁的理化评价指标主成分分析和聚类热图分析
为了深入分析浓缩-速冻温度对荔枝浓缩汁品质的影响,首先进行了双因素方差分析,发现真空浓缩、液氮速冻温度以及二者的交互作用对维生素C含量、FRAP、可溶性糖含量、粒径值以及Pdi皆具有极显著影响(P<0.01),在总酚含量上分别具有显著和极显著的影响(P<0.05、P<0.01), 综合证明浓缩和速冻温度之间确实存在显著的耦合功效。进一步对不同浓缩-速冻温度的荔枝浓缩汁10个理化指标数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和聚类热图分析(cluster analysis,CA)。
PCA结果如表4所示,第一主成分得分最高的是G12,第二主成分得分最高的是G16,第三主成分得分最高的是G12。在综合得分中,G12处理组得分最高,为1.43,因此G12处理组理化品质最好。
表4 标准化后主成分综合得分
Table 4 Principal component composite score after normalization
注:F代表主成分,理化指标标准后主成分分析表明,共有3个主成分。
处理组F1F2F3F排序G1-2.340.05-2.19-1.2616G2-0.361.410.130.209G3-1.60-0.700.26-0.7014G42.21-0.431.751.043G50.31-1.48-1.93-0.5613G61.52-0.090.190.587G71.22-0.66-0.330.258G82.37-0.101.421.122G9-0.04-0.30-1.70-0.3911G101.210.520.320.626G111.430.251.530.864G122.92-0.202.141.431G13-0.99-1.00-0.91-0.7515G14-0.31-0.49-1.42-0.4812G15-0.20-0.30-0.16-0.1710G16-1.055.06-0.450.645原汁-6.31-1.531.36-2.4517
为了进一步验证PCA的结果,结合聚类热图(图5),其通过变量值和聚类结果的树状图2部分组成,颜色不同的色块对应不同的变量值,参考色标进行分析,如图5所示,CA将17组荔枝汁分为6大组,分别以I～ VI表示,其中G9、G5聚为一组(I组);G14、G1和G13聚为一组(II组);G16、G2、G10聚为一组(III组);G11、G8、G4、G12聚为一组(IV组);G6、G7、G15聚为一组(V组);G3、原汁聚为一组(VI组)。热图显示,IV组总酚、FRAP、可溶性糖显著高于其他组,L*相对较低, G12处理组总酚、FRAP、可溶性糖的色块较原汁深,说明G12在以上4个评价显著高于原汁,因此在主成分分析的综合得分也相对较高,VI组G3与原汁聚为一类且色块分布相似。
图5 不同浓缩-速冻温度条件下荔枝浓缩汁的聚类热图
Fig.5 Heatmap of the quality of concentrated litchi juice under different concentrate-freezing temperature
综上,可得出G12处理组能够提高荔枝汁总酚、总黄酮、FRAP、可溶性糖的理化品质,G3处理组在L*、维生素C能够保留同新鲜荔枝汁相似的理化品质。
2.7 不同荔枝浓缩汁的挥发性物质变化
综上,G3、G7、G12处理组在荔枝浓缩汁理化品质保护上优于其他组,因此重点对这3组的风味变化展开分析。如图6所示,从原汁、G3、G7、G12中分别鉴定出41、24、21、21种挥发性成分,香气物质总含量分别为174.25、44.31、42.73、9.68 mg/L。由此可看出,随着真空浓缩温度的增加,风味物质种类和物质总含量都有逐渐减小的趋势。荔枝原汁主要风味成分是醇类、萜烯类和酯类物质,这些成分含量占到其总挥发性成分91.49%;其中醇类物质含量较多的异戊烯醇19.377 mg/L、1-辛烯-3-醇14.084 mg/L、香叶醇7.966 mg/L,香叶醇是典型的香气物质具有柑桔、水果的香味;酯类物质含量较多的(Z)-3,7-二甲基-2,6-辛二烯-1-醇甲酸酯65.184 mg/L;萜烯类物质含量较多的是月桂烯7.559 mg/L,月桂烯具有淡淡的脂香味;此外芳樟醇是常用的香料,具有典型甜香的木青香味,苯乙醇有典型的花香。荔枝原汁与3种不同处理的荔枝浓缩汁共有的香气物质有异戊烯醇、芳樟醇、苯乙醇、4-萜烯醇、α-松油醇、香叶醇、γ-松油烯。
a-挥发性物质种类组成;b-挥发性物质含量
图6 四种荔枝汁中各类挥发性物质的种类及含量
Fig.6 The contents and distribution of main classes of odorants in four litchi cultivars
与原汁相比,G3、G7、G123个处理组的浓缩汁的挥发性风味物质分别消失了20种、28种、31种,同时也分别产生10种、17种、8种新的挥发性物质,说明35 ℃较低温度的真空浓缩能够较好的保护挥发性物质。G3总物质含量分别是后2个处理组的4.41倍、4.58倍,香叶醇(荔枝中典型的香气物质[48])的含量也是最高的。其中原汁中异戊烯醇、(Z)-3,7-二甲基-2,6-辛二烯-1-醇甲酸酯、1-辛烯-3-醇等物质含量较高;G12中壬醛、伪柠檬烯、去氢白菖烯等物质含量较高,G3中异长叶烯、2-己醇、萜品油烯等物质含量较高,G7中对二甲苯、3-蒈烯、α,α-4-三甲基-1-环己烯-1-甲醇等物质含量较高。进一步定性定量分析发现,G12处理的荔枝浓缩汁产生了10种新的高级醇类、萜烯类物质、醛类、酮酸类、醚类物质,如:2,3-丁二醇α-蒎烯、(E)-β-金合欢烯等,这可能是因为荔枝汁在真空浓缩中发生了美拉德反应,生成了新的化合物使风物物质增多。综上,G3处理组对荔枝汁风味物质影响较小,新产生的风味物质少,能保护荔枝汁的原有风味。并对4种荔枝汁样品中的67种挥发性物质进行主成分分析,结果显示,荔枝汁香气品质由高到低排序依次为原汁、G3、G7、G12。综上,烯烃类、醇类、酯类物质是荔枝汁的主要挥发性物质,4个荔枝汁样品中原汁整体风味最佳,其次为G3。
3 结论
本实验以怀枝荔枝汁为对象,研究真空浓缩联合液氮喷雾速冻不同处理对浓缩汁品质特性的影响,以维生素C、总酚、可溶性糖、色差、FRAP、粒径、挥发性成分等作为评价指标并对其分析。通过主成分分析和聚类热图分析构建理化品质综合评价模型和挥发性物质综合评价模型,结果表明,不同组合的真空浓缩和液氮喷雾速冻处理对浓缩荔枝汁的品质影响存在显著性差异:高温-短时间(65 ℃)的真空浓缩不适合热敏性荔枝汁;液氮喷雾速冻能较好地保护浓缩荔枝汁的营养物质,可分为低温组(-30、-50 ℃)和超低温组(-70、-90 ℃),后者对营养物质保留效果显著优于前者;G12联合处理组在理化品质综合评价模型中综合得分最高,且部分活性成分如总酚、抗氧化能力、可溶性糖可得到较好的提升;G3处理组在挥发性物质综合评价模型中综合得分最高,因此判断其对浓缩汁挥发性风味物质方面保护效果最好,挥发性物质种类和含量在3个处理组中皆为最高,且消失的挥发性物质数目最少,因此认为VC55 ℃-NF-90 ℃和VC35 ℃-NF-70 ℃的联合处理在保护荔枝汁的品质特性方面各有优势,浓缩温度和速冻温度对浓缩汁品质影响显著,且二者之间存在显著的耦合效应;两者联合显著提高了浓缩荔枝汁的品质,具有一定的实际生产意义。
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