近红外辅助冷冻干燥对菠萝与针叶樱桃混合果浆品质的影响

《Food Biophysics》：Effects of Near-Infrared Assisted Freeze-Drying on the Quality of Pineapple and Acerola Pulp Blends

　　

本研究采用常规冷冻干燥（FD）或近红外冷冻干燥（NIRFD）对菠萝果浆、针叶樱桃果浆及其混合物进行干燥处理。研究人员考察了脱水及复水果浆的理化性质、流变学特性、酚类化合物含量、维生素C含量及抗氧化能力。通过获取样品在冷冻、FD及NIRFD过程中的温度历史曲线，记录了样品的逐步升温过程，从而识别出一级干燥和二级干燥阶段及干燥时间。纯菠萝果浆表现出最低的初始冻结温度，而由50%菠萝与50%针叶樱桃组成的混合果浆因可溶性固形物含量差异而呈现最高的冷却速率。冷冻干燥后的果浆具有低水分活度（低于0.441）及诱人的黄色或红橙色色泽。新鲜及复水果浆均表现出非牛顿剪切稀化行为（流动指数n < 1），且针叶樱桃比例较高的样品具有更高的表观黏度。结果表明，NIRFD维持并在某些情况下增强了产品的营养潜力，例如提高了冷冻干燥果浆中酚类化合物水平、抗氧化能力及维生素C含量。NIRFD促进了天然抗氧化化合物的释放，这可能是由于结构破坏所致。NIRFD对样品产生了积极影响，形成了有利于复水的多孔微观结构。该研究证明了NIRFD在开发具有更高营养价值、稳定性和能源效率的食品配料方面的潜力。

一、研究背景与目的

菠萝（Ananas comosus L.）是一种热带及亚热带水果，风味宜人，与其他热带水果复配后可改善最终产品的营养与感官品质。针叶樱桃（Malpighia emarginata）富含花青素、类胡萝卜素等具有生理重要性的植物化学物质，其果浆中维生素C含量极高，使其在加工、工业化及储存过程中仍能保持高营养价值。然而，针叶樱桃果浆中的生物活性化合物稳定性受pH值、光照、氧气及温度等因素影响。干燥技术是克服这一问题的有效途径之一，可增加产品附加值并拓展其用途。

冷冻干燥（freeze-drying, FD）通过在低温真空条件下使冻结水升华来实现物料干燥。尽管该方法被广泛接受，但其能耗高、处理时间长，导致成本高于其他干燥技术。为克服FD的固有局限，将红外辐射（infrared, IR）加热与FD相结合成为一种有前景的策略。近红外（near-infrared, NIR）波长范围为0.76至2 μm。近年来，研究者已将FD与红外辐射结合（IRFD）。该方法兼具两者优势，使IRFD在干燥效率及果蔬品质特性保持方面优于传统FD。此外，联合干燥可获得复水能力更强、色泽更鲜艳的产品。IRFD技术包含与传统FD相同的步骤：冷冻、一级干燥和二级干燥。已有研究表明，同步施加红外辐射的IRFD比顺序干燥更为高效，后者可能导致表面细胞结构塌陷并降低复水性，而同步方式则能改善香气保留。

然而，关于利用天然原料复配生产具有增强功能特性的冷冻干燥粉末，同时缩短处理时间并考察IR应用对高营养价值成分保护效果的研究尚不多见。因此，本研究的目的是评估不施加和施加近红外辐射（NIRFD）的FD对菠萝、针叶樱桃及混合果浆的脱水及复水果料理化性质、流变行为及营养潜力的影响，包括酚类化合物含量、维生素C含量及抗氧化能力。

二、主要关键技术方法

研究人员采用以下关键技术方法：1）将菠萝和针叶樱桃分别制备成果浆，并按五种比例混合（100%菠萝、75%菠萝+25%针叶樱桃、50%菠萝+50%针叶樱桃、25%菠萝+75%针叶樱桃、100%针叶樱桃）；2）所有样品先在超低温冰箱中于-75°C冷冻24小时，随后分别进行常规FD（-24°C，真空压力0.998 mbar，48小时）和NIRFD（在干燥室顶部安装150瓦近红外灯，距样品30 cm，提供2.0 W/m2热强度，使室内温度维持在30-35°C）；3）通过插入样品几何中心的热电偶监测冷冻、FD及NIRFD过程中的温度变化；4）采用Power Law模型拟合剪切应力与剪切速率数据，分析流变行为；5）利用扫描电子显微镜（SEM）观察冻干粉末的微观结构。

三、研究结果

冷冻与干燥曲线

冷冻温度曲线显示，纯菠萝果浆（处理A）因可溶性固形物含量最高而表现出最低的初始冻结温度。50%菠萝与50%针叶樱桃混合果浆（处理C）冷却速率最高，而处理B（75%菠萝+25%针叶樱桃）冷却速率最低，冻结时间最长。在干燥过程中，处理A的二级干燥启动延迟（FD中约1250分钟，NIRFD中约1500分钟），归因于高糖含量导致的宏观结构损失及蒸汽传递阻力增大。含针叶樱桃比例越高的处理，水分去除率越高，这与固体含量较低、结构塌陷较少有关。NIRFD普遍增加了样品的水分减少百分比，其中处理B在水分去除率和理论能量消耗上显著提高（p < 0.05）。

冻干及复水样品的理化性质

冻干粉末的产率随针叶樱桃比例增加而降低，NIRFD进一步降低了产率。水分活度（a_w）范围为0.198至0.441，NIRFD处理中处理B和E的a_w更低，有利于抑制化学反应和微生物生长。颜色方面，纯菠萝呈淡黄色，添加针叶樱桃后呈红橙色。NIRFD未引起美拉德褐变反应，多数样品的L值有所升高，b值在部分处理中显著降低，整体上IR辐射保留了产品色泽。复水果浆的pH值与鲜果相似（3.35-3.66），但NIRFD复水果浆的可溶性固形物含量低于鲜果和FD复水果浆。

维生素C、酚类化合物及抗氧化能力

以干基计，鲜果的维生素C含量、磷钼络合物法测定的抗氧化能力及Trolox等效抗氧化能力（TEAC）与其相应FD或NIRFD处理之间无显著差异，表明两种干燥技术均能保留果浆的营养特征。与FD相比，NIRFD显著提高了酚类化合物含量和DPPH自由基清除法测得的抗氧化能力，这归因于红外辐射通过分子振动直接传热至食物基质内部，加速水分去除并可能断裂共价结构，释放低分子量天然抗氧化剂。针叶樱桃比例越高，维生素C含量越高。

流变特性

所有新鲜及复水果浆均为非牛顿假塑性流体（流动指数n < 1），表观黏度随剪切速率升高而降低。含针叶樱桃比例越高的样品，表观黏度和稠度指数（k）越高，这与针叶樱桃中高度水合分子、种子碎片及纤维的存在有关。NIRFD未改变果浆的流变行为，表明对果胶结构影响极小。Power Law模型拟合良好（R2 ≥ 0.951，RMSE ≤ 0.646）。

微观结构

SEM图像显示，冻干粉末呈不规则粗糙表面结构，伴有冰升华形成的孔隙。FD样品的孔隙率为0.29%-4.09%，NIRFD样品为3.05%-3.84%。含针叶樱桃比例较高的样品孔隙率更高，而纯菠萝因高糖含量导致结构损伤和收缩。NIRFD处理的样品表面孔隙率普遍高于FD，这是因为红外辐射促进快速加热，使未升华的水转化为蒸气，引起轻微膨胀并产生新孔隙，有利于复水。

四、讨论与结论

讨论部分指出，NIRFD在保持果浆品质的同时提高了干燥效率。虽然产率略有下降，但产品在营养成分（尤其是酚类化合物和抗氧化能力）方面得到增强或维持。颜色、pH和流变行为的变化较小，表明NIRFD对产品感官和质构特性影响有限。微观结构分析证实NIRFD促进了多孔结构的形成，有助于复水性能的提升。

研究结论：将红外辐射引入冷冻干燥过程，相较于常规FD，提高了干燥效率并保持了果浆的品质特性。这种混合方法获得了维生素C含量得以保存且抗氧化能力更强的产品。这些现象可通过NIRFD加工粉末微观结构变化（孔隙率增加）来解释。两种加工方法之间的颜色参数变化很小。复水后，果浆的pH值、流变行为（非牛顿、假塑性）及可溶性固形物含量也得以保持。所得粉末水分活度低（低于0.441），表明具有良好的储存稳定性和诱人的色泽。通过NIRFD获得的针叶樱桃与菠萝混合果浆粉末，维持并在某些情况下增强了产品的营养潜力。干燥过程的效率提升可通过干燥过程中的温度历史、降低的水分活度、增加的孔隙率以及复水后性质的保持得到验证。