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苹果液氮降温排氧打浆技术研究赵国建1,3，杨公明2(1 山西师范大学食品科学与工程系，临汾 041000；2 华南农业大学食品科学与工程学院，广州 510642；3 西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌 712100)摘 要：为了抑制苹果制汁过程中的褐变，提高产品的质量，该文首次采用自行设计的液氮降温排氧打浆机对苹果打浆工艺进行了初步研究。具体研究了打浆时添加液氮后苹果浆温度、溶解氧含量、果浆颜色以及多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)活力等的变化。结果表明：添加1%2%液氮后，苹果浆温度迅速降低为原来温度的50.7%，氧气含量降低为对比组的47.7%；L值为53.96，较对比组的L值高44.1%；同时可减少维生素C损失，提高苹果出汁率。关键词：苹果；液氮；打浆；护色中图分类号：TS225.44 文献标识码：A 文章编号：0收稿日期：2005-12-30 修订日期：2007-04-19项目基金：国家“十五”重大科技专项 (2001BA501A21); 广东省农业攻关项目(2005B20601007) 作者简介：赵国建（1972），男，山西临汾人，博士生，研究方向为食品加工新技术与设备。临汾 山西师范大学食品科学与工程系，041000。E-mail: 通讯作者：杨公明（1950），男，教授，陕西富平人，博士生导师，主要从事食品加工新技术与设备。广州 华南农业大学食品科学与工程学院，510642 引 言据中国农业部统计显示，2005年中国的苹果产量达到2401.1万t，居世界第1位。近十年来，中国苹果加工业迅速发展，目前浓缩苹果汁是苹果深加工的最主要途径，2005年中国浓缩苹果汁出口量达到67.3万t1，居世界第1位。在苹果汁生产过程中，新鲜苹果经过破碎、压榨后，快速发生褐变，严重影响果汁质量。目前工业上采用树脂吸附、活性碳吸附等补救措施解决2，但这些方法易引起果汁风味、营养的损失。褐变是果蔬保鲜、加工过程中久攻未克的难题，不仅影响产品的感官品质、风味和营养价值，而且影响果汁的商品价值，因此研究抑制褐变的新方法有重要的意义。酶促褐变和非酶促褐变是引起苹果褐变的主要因素，尽管有关苹果多酚氧化酶（PPO）的特性已有不少研究2-6。通常仍采用添加护色剂等方法防止褐变，但容易引起食品安全性问题，防止褐变方法始终是一个亟待解决的难题。有些研究指出大于80%的酶促褐变发生在破碎和打浆的阶段7；打浆过程中空气进入很多，会加剧酶促褐变、氧化等化学反应的发生。本试验采用液氮降温排氧打浆、微波进行灭酶进行护色。微波灭酶过程中，在交变电场作用下进行高速取向运动，产生摩擦热使蛋白质变性，从而使酶失活。在微波灭酶过程中热效应和非热效应同时作用8。氮气作为大气层的主要成分，有以下性质：一是氮气属窒息性惰性气体，无色、无味、无臭，化学性质为“零活性”。使用氮气可以排除氧气，减缓氧化。由于氮气具有窒息性，对细菌和其它微生物有窒息和抑制作用。二是氮气在水、油脂中的溶解度很小，是性能优良的食品防腐保鲜气体。三是氮气的液态温度很低，在常压状态下为-195.8的透明液体。液氮的以上性质可用来降低果蔬的温度，减小酶促褐变中多酚氧化酶的活性及其它化学反应速率，同时隔氧排氧。特别是液氮作为空气液化分离的最大宗产品，随着人们对氧气需求量的增加，液氮作为副产品，价格直线下降，已从十年前的每升20多元降为规模使用的1.0元左右，为商业利用提供了空间9。当前在食品工业中液氮主要用于惰性化处理、食品制冷、果蔬保鲜、低温粉碎以及充气饮料等10。在果蔬汁的生产中，通常采用室温条件下11破碎方式，加入液氮打浆的方法尚未见报道。本研究结合生产实际，应用自己设计的液氮降温排氧打浆机，能够准确控制苹果浆的温度，首次实现了液氮降温排氧打浆工艺。通过其对红富士苹果浆理化特性及护色效果影响的研究，表明添加液氮对褐变具有良好的抑制作用，为易褐变果蔬的加工提供了新的方法和思路，具有广阔的发展前景。1 材料与方法1.1 试验材料苹果：选取无伤害、成熟度好的红富士苹果为试验材料；愈创木酚、双氧水、95%乙醇、丙酮、邻苯二酚、磷酸、磷酸氢钠等均为分析纯试剂；液氮：广州市粤港气体工业有限公司。1.2 仪器752紫外分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）；PL203电子天平（上海精密科学仪器有限公司）；DS-1高速组织捣碎机（上海标本模具厂）；JPB-607溶解氧仪（上海雷磁创益仪器仪表有限公司）；G8023CTL型微波炉（广东格兰仕集团有限公司）；TC-PG全自动测色色差计（北京光学仪器厂）；himac cr21G高速冷冻离心机（日立公司）等。1.3 打浆设备（液氮降温排氧打浆机）工作原理自行设计的液氮降温排氧打浆机工作原理如图1所示。清洗合格的果蔬预冷后，经过传送带进入打浆机，先经辊刀切碎，同时与液氮喷施装置喷施的液氮相混合，使物料温度降低，特别是破碎块表面温度急剧下降，实现低温打浆；由于液氮在汽化过程中体积瞬间膨胀，可排除打浆机中的氧气。通过进料系统排出多余氮气同时可预冷物料，进料系统为密闭空间，在原料预冷的同时避免了空气进入打浆机，减小了酶促褐变中多酚氧化酶的活性、非酶促褐变、氧化等化学反应速率，减缓和防止打浆过程中褐变的发生。在打浆过程中通过出料口的传感器显示果浆的溶氧量和温度，根据果蔬品种的不同确定其最佳打浆温度和相应的液氮喷施量，实现自动化控制。打浆刀具转速可调，以适应不同物料。图1 液氮降温排氧打浆机结构示意图Fig.1 Schematic of grinding equipment withliquid nitrogen injection1.4 试验方法1.4.1 过氧化物酶（POD）活性测定酶活性测定方法参照蒋益虹等的方法12,13并略有改进。以0、4、10、20不同打浆条件下所得果浆过滤后所得果汁作为粗酶液。POD活性的测定：依次向试管中加入0.05mol/L、pH6.5的磷酸缓冲液2.9mL、0.05mol/L愈创木酚l.0 mL和2%H2O21mL，摇匀后采用冰水和30水浴调节温度为对应打浆温度。再加入0.1mL粗酶液，于波长470nm处比色测定OD值，酶液加入后开始计时，每分钟记录一次吸光度OD值，共记录6min，对照不加酶液。酶活性以1minOD值每增加0.001为一个活力单位。每次处理重复3次（下同）。1.4.2 不同打浆温度对苹果浆中POD活力的影响分别在0（冰水调节温度）、4（采用冰水调节温度）、10（添加1%2%液氮，下同）和20（室温，对照）条件下打浆，水与果肉比值均为1:1（质量比，下同），对苹果浆中POD活力进行研究。由于液氮添加量不易精确控制，衡量液氮添加量的指标以苹果浆温度为参照，本试验中控制苹果浆温度为101（下同）。由于POD具有很高的热稳定性，本试验的酶失活程度以POD为指标，如果POD大部分失活，就表明苹果浆中其它酶都已失活14,15。1.4.3 不同打浆温度对苹果浆色泽的影响分别在不同温度条件下打浆，对苹果浆的色泽变化进行研究，采用L值的大小表示护色效果，L值大说明护色效果好。1.4.4 不同打浆温度对苹果浆灭酶前后色泽的影响苹果中PPO的最适温度为28，调节温度特别是低温条件能有效抑制酶的活性11。在800W、60s的条件下对苹果浆进行微波灭酶，然后研究其色泽变化，采用L值的大小表示护色效果。1.4.5 加液氮打浆对果汁可溶性固形物含量和出汁率的影响比较室温条件下打浆与添加液氮打浆，对苹果汁中可溶性固形物含量和出汁率的影响进行研究。1.4.6 不同打浆方法对果浆中维生素C含量的影响维生素C测定方法见参考文献16。1.5 评价方法由于酶促褐变能使果汁的值降低17。本试验苹果果浆褐变度用色差值L表示，用色差计测定。2 结果与分析2.1 不同打浆温度对苹果中POD活性的影响从图2中可以看出随着打浆温度的降低，POD活性也在降低，但添加液氮进行打浆后， POD活性降低的幅度尤为突出，仅为室温（20）条件下酶活性的45%。方差分析表明，经过液氮处理的苹果浆与其它处理的POD活性差异达到极显著水平(P0.01)。表明不同打浆条件对苹果浆中POD活性的均有影响，其中以液氮处理为最好。主要是由于液氮的温度为-196，添加液氮进行打浆，苹果浆的溶氧量降为室温打浆时苹果浆溶氧量的47.7%；其温度也降至室温条件下苹果浆的50.7%，降低了POD和PPO的活性，故能有效减缓酶促褐变和氧化反应。图2 不同打浆条件对苹果中POD活性的影响Fig.2 Effect of different grinding conditions on POD activity of apple2.2 不同打浆温度对苹果浆颜色的影响苹果打浆时不添加液氮，苹果中PPO的活性随着温度（030）的变化而变化，温度降低其活性也降低。从图3可以看出，在0、4条件下得到的苹果浆的颜色略好于室温打浆时的颜色，说明仅通过调节温度进行苹果浆护色，因受环境温度等因素的影响而效果不明显。经液氮处理的苹果浆与其它处理的L值的差异达到极显著水平(P0.01)，表明在苹果打浆过程中，液氮迅速使苹果浆降温的同时，排除了打浆机中苹果周围的空气，避免了苹果浆中混入氧气，因此能有效抑制苹果浆发生褐变。图3 不同温度打浆后果浆的颜色Fig.3 The color of slurry after different treatments2.3 不同打浆温度对微波灭酶后苹果浆颜色的影响图4表明，未添加液氮进行处理的苹果浆颜色随着打浆温度的升高，其颜色逐渐变深。经液氮处理后的苹果浆，与其它处理的L值差异达到极显著水平(P0.01)，说明经液氮处理后对后续处理的护色效果有明显改善。试验过程中发现，在打浆后苹果浆中会有许多气泡产生，主要是在打浆的过程中混入大量气体的缘故。微波处理能使苹果浆在短时间内迅速升高至85左右后灭酶，在温度和氧气的协同作用下苹果浆在酶完全钝前会发生酶促褐变和氧化反应等。对比图3和图4，每组处理的苹果浆在微波灭酶后其颜色都会变深，但苹果浆颜色加深的程度不同，其中添加液氮处理的苹果浆经微波处理后L值仍为最大，苹果浆颜色保持的最好。图4 微波处理后果浆的颜色Fig. 4 The color of slurry after microwave treatment2.4 不同打浆方法对苹果果汁可溶性固形物含量和出汁率的影响 从表1可以看出，采用加液氮打浆出汁率高于室温打浆；液氮处理后的苹果汁中可溶性固形物含量高于室温打浆处理，主要是原因可能是液氮喷洒在物料表面时，使物料温度在短时间内迅速下降到，细胞壁内表面温度变化比外表面的变化要慢得多，使细胞壁两侧产生很大的温差，从而产生热应力，引发细胞壁断裂，使大部分内容物得以释放，从而可溶性固形物含量增加，同时提高了苹果的出汁率。表1 打浆条件对果汁可溶性固形物含量和出汁率影响Tab. 1 Effect of different grinding treatment on physical parameters on apple juice出汁率/%可溶性固形物含量/Bxo加液氮打浆93.39.5室温打浆 打浆方法对果浆中维生素C含量的影响从表2可以看出，随着打浆温度的降低苹果浆中维生素C的含量逐渐升高，说明打浆时的降温处理有利于维生素C的保留。经液氮处理后维生素C保存量明显高于其它处理，说明降温排氧处理比单一的降温处理更有利于维生素C的保留。方差分析表明，液氮处理后维生素C保留效果与其它处理间的差异达到极显著水平(P0.01)，主要是由于液氮的降温和排氧作用，有效抑制止了维生素C的氧化。表2 不同打浆方法对果浆中维生素C含量的影响Tab.2 Effect of different grinding treatments on the content of ascorbic acid in slurry温度/果汁中维生素C含量/mgmL-100.0368士0.001840.0362士0.0010100.0425士0.0012200.0305士0.00122.6 液氮的打浆成本分析液氮与被冷冻的食品相接触时，能吸收的蒸发潜热为198.9 kJ/kg，然后氮蒸汽升温至10，其平均比热18以1.047 kJ/kg 计，则能吸收417.6kJ/kg（设苹果的进料温度为20）。液氮升温至10吸收热能：Q吸198.9+1.047（198.9+10）417.6kJ苹果的比热18：3.85 kJ（kgK)-1 Q放cpMt3.8511038.5 kJ式中 cp比热，kJ（kgK)-1；M质量，kg；t温度差，K。液氮需要量为：38.5/417.60.092 kg，据调查目前液氮的市场价格为8501000元/m3，那么苹果浆降温至10时平均约需106元/t。如果在进料过程中利用打浆过程中排出的氮气对苹果进行预冷处理，所需液氮量将会减少，那么因添加液氮所引起的成本也会随之降低。3 结论 1）在苹果打浆过程中直接添加1%2%的液氮，使果浆温度迅速降低为对比组的50.7%；果浆中的溶氧量远小于传统的室温打浆，氧气含量降低为对比组的47.7%；液氮处理的苹果浆L值（53.96）与新鲜苹果果肉的L值（57.77）最接近，经微波处理后苹果浆的L值也远高于其它对比组；同时苹果汁中维生素C含量为0.0425mgmL-1，高于其它对比组。2）方差分析表明，添加液氮能有效抑制打浆过程中的酶促褐变和氧化反应，明显改善苹果浆的护色效果。3）经预算因添加液氮引起的成本将增加106元/t，但与所得高质量苹果产品的增值相比，消费者是可以接受的。参 考 文 献 1 杜卫东.我国苹果采后技术研究现状与未来发展J.中国果菜，2006（6）：4. 2 章金英. 苹果汁加工工艺中果汁褐变控制D. 北京：中国农业大学食品科学与营养工程学院，2004. 3 郝慧英，赵光鳌，徐 岩，等. 苹果中多酚氧化酶的性质J. 无锡轻工大学学报，2003（1）：711. 4 黄建韶，张洪，田宏现. 苹果中多酚氧化酶的性质J.食品与机械，2001（3）：2122. 5 李佩艳，仇农学. 浓缩苹果汁酶促褐变及其控制J.河南科技大学学报(农学版)，2004（1）：3336. 6 也兰春，孙建设，辛蓓，等. 苹果果实酶促褐变底物及多酚氧化酶活性的研究J. 园艺学报，2004（4）：502504. 7 赵光远，王 璋，许时婴. 混浊苹果汁加工过程中的酶促褐变及其防止的研究J. 食品工业科技，2003（10）：5761. 8 余 恺，胡卓炎，黄智洵，等. 微波杀菌研究进展及其在食品工业中的应用现状J. 食品工业科技，2005（7）：185189. 9 姚春臣. 浅谈液氮在材料热处理中的应用J. 机械工人热加工，2005（9）：78. 10 郭旭峰，陶乐仁, 华泽钊，等. 液氮冻结装置中液氮耗量与冷冻能力的分析J. 低温与特气，2002（5）：811. 11 兰社益. 番茄原汁饮料生产新技术J. 食品研究与开发，2001（5）：3738. 12 蒋益虹. 百合褐变与多酚氧化酶和过氧化物酶活性关系的研究J.浙江大学学报，2003（5）：518522. 13 赵国建. 香蕉深加工关键技术研究D. 杨凌：西北农林科技大学食品科学与工程学院，2006. 14 杨放琪，高福成. 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