冷等离子体联合真空浸渍预处理对黄冠梨冷冻加工过程中水分迁移的影响

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Effects of cold plasma combined with vacuum impregnation pretreatment on water migration in ‘Huangguan’ pear during freeze processing

　　

摘要

冷冻是长期保存果蔬的有效方法，但冰晶形成会导致严重的细胞结构损伤，从而影响解冻后的品质。本研究探讨了冷等离子体（CP）、海藻糖真空渗透（VI）及其组合处理（CPVI）作为预处理对梨在冷冻过程中水分迁移和细胞损伤的影响。结果表明，CPVI预处理的样品通过最大冰晶形成区的时间比单一处理方式快了84.09%。冷冻循环后，CPVI组的可冻结水含量最低，其DSC熔融峰最窄且最早出现，表明形成的冰晶更小且分布更均匀。LF-NMR赝彩色图像显示，VI组和CPVI组的水分分布更为均匀，且游离水信号保持更好。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察发现，CPVI组细胞的细胞壁边界更清晰，质膜完整性更好，优于对照组。然而，CPVI组的平均细胞面积比VI组大19.6%，MDA含量也更高。相关性分析证实，最大冰晶形成区的持续时间与水分流失和膜损伤指标呈显著正相关。综上所述，冷等离子体与真空渗透的组合预处理能够加速冷冻、细化冰晶、改善水分分布，为果蔬低损伤冷冻技术的开发提供了理论基础。

引言

新鲜果蔬通常含有80–90%的水分，且富含营养，这些条件有利于微生物的污染、增殖和酶促反应的发生（P. Zhao等，2022）。这些条件导致采后储存性差、组织软化加速，以及对腐烂和变质的易感性增加，从而显著缩短了货架期和储存寿命。冷冻是保存果蔬最有效的方法之一。在低温条件下，产品内部的微生物、内源酶和生化反应活性受到显著抑制。冷冻速率是影响冷冻果蔬品质的关键工艺参数。在缓慢冷冻条件下，水分容易在细胞间隙中积聚并形成大冰晶。这些大冰晶会引起细胞壁和质膜的机械损伤，破坏细胞区室化，导致解冻时水分流失、质地软化和营养降解。与此同时，冷冻加工是高能耗的工业操作，降低冷冻环境的设定温度会导致系统能耗按比例增加，这与当前食品行业追求的节能、减碳和可持续发展相矛盾（Zhou等，2024）。研究表明，通过预冷冻脱水部分去除材料中的水分，可以显著调控冰晶形成、缩短冷冻时间并减轻解冻时的汁液流失，从而提高冷冻后的产品质量（Alharaty & Ramaswamy, 2023; Cheng等，2023; Xiong等，2026）。Alabi等（2025）研究了渗透脱水辅助高压冷冻处理鲜切苹果。其结果表明，在蔗糖溶液中进行30分钟的预脱水步骤，可将汁液流失减少93%，增加可溶性固形物含量，并在240 MPa压力下更好地保持苹果的颜色、甜度、风味、质地和微观结构。Yang等（2024）发现渗透脱水可有效减轻杏的冻致褐变。

常见的脱水方法通常包括直接渗透脱水、超声辅助渗透脱水、微波辅助渗透脱水和磁场辅助渗透脱水。真空渗透是一种非热预处理技术，涉及在减压条件下部分去除细胞间气体，从而诱导植物组织内的水分迁移。恢复常压后，特定溶液在产生的压差驱动下快速渗透至组织内部，从而改变样品的溶质组成和水分状态（Saleena等，2024）。海藻糖等冷冻保护剂因其较高的玻璃化转变温度和对细胞膜的稳定作用，被广泛应用于渗透体系中（Monalisa等，2025）。渗入组织的糖物质提高了细胞内液的溶质浓度，从而降低其冰点，进而调控冰核形成和晶体形成。冷等离子体介质阻挡放电（DBD）产生的高能粒子在电场加速下轰击样品表面，在微观尺度上产生物理蚀刻效应。这种轰击可以断裂材料表面的化学键，导致表面粗糙度增加、微孔暴露和细胞壁表面的结构重组（Zhang等，2026）。同时，冷等离子体介质放电产生的活性氧等活性物种，并引入极性官能团，从而调控样品的亲水性或疏水性（Shokrollahi Yancheshmeh等，2026）。对于果蔬组织而言，这种表面蚀刻和化学修饰可以改变细胞壁的通透性和界面性质，从而影响水分吸附行为和冰核形成位点的空间分布（S. Liu等，2025）。

果蔬组织冻品品质下降在很大程度上归因于水分相变引起的细胞结构塌陷。同时，水分状态的分布和含量是决定水分相变过程和冰晶损伤程度的关键因素（Alabi等，2020）。尽管冷等离子体（CP）和真空渗透（VI）在改善冷冻果蔬品质方面已分别进行了探索，但两者的顺序组合，尤其是先进行CP再实施VI的处理方式，仍鲜有研究。近期的研究采用CP作为预处理来修饰表面微观结构，并在后续加工过程中提高干燥效率或传质速率。例如，Yue等（2025）报道，等离子体活化水和等离子体射流预处理改变了猕猴桃的微观结构，促进了多孔结构的形成，并改善了真空冷冻干燥过程中的复水特性。另一方面，使用海藻糖等冷冻保护剂进行VI已被证明可通过提高细胞内溶质浓度和降低冰点来减轻冷冻过程中的冰晶损伤（Sun等，2024; Xuan等，2025）。然而，鲜有研究系统考察当等离子体处理与渗透处理组合使用时，等离子体诱导的表面蚀刻和极性官能团的引入是否能通过改善组织通透性和传质途径来促进后续渗透。与常规渗透或渗透脱水相比，等离子体辅助真空渗透通过活性物种诱导的细胞壁多糖结构修饰、微观水分分布改变及其协同效应来抑制冰晶损伤和质地劣化的内在机制尚缺乏充分阐释。本研究以"黄冠"梨为实验材料，系统研究了预处理对冻融梨水分状态和分布的影响机制。研究综合了冷冻曲线分析与含水率、可溶性固形物含量、可冻结水含量、电导率、丙二醛（MDA）含量、低场核磁共振（LF-NMR）弛豫分析和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察。研究结果旨在为开发冷冻预处理技术提供理论基础。为此，设计了四个处理组，以实现单一与组合预处理效应的直接比较。

章节摘要

材料

"黄冠"梨购自辽宁省锦州市某水果批发市场，于4 °C下储存不超过24小时。新鲜样品的总可溶性固形物含量为11.1 ± 0.2%，滴定酸度为0.13 ± 0.006%。实验前，将梨在室温（20–25 °C）下平衡3小时。将梨切割成约1.5 × 1.5 × 1.5 cm³的均匀无机械损伤、颜色和大小的样品，

冷冻曲线

冷冻曲线直观地反映了样品冷冻过程中过冷度、相变平台和冰核形成行为的变化，是分析预处理如何调控冷冻过程的重要依据（Rahman等，2002）。冷冻速率是决定冰晶形态、大小、分布和细胞损伤程度的关键因素。当冷冻速率较高时，样品快速通过最大冰晶

结论

本研究系统探讨了冷等离子体处理、真空渗透及其组合预处理对"黄冠"梨在冷冻过程中水分迁移行为和细胞损伤的影响。结果表明，冷等离子体与真空渗透的组合预处理显著改善了"黄冠"梨的冷冻行为：样品通过最大冰晶形成区所需的时间缩短了84.09%，

作者贡献声明

苏晋凯：方法学、数据整理、论文撰写—审阅与编辑、论文撰写—初稿。刁东宇：调查、数据整理。王子怡：数据整理。王园园：方法学、调查。曹雪辉：指导、方法学、论文撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究未获得任何资金支持。

苏晋凯|刁东宇|王子怡|王园园|曹雪辉

渤海大学，食品科学与工程学院，国家及地方联合生鲜农水产品储藏加工与安全控制工程技术研究中心，辽宁锦州121013，中国