《食品科学》：农业农村部刘帮迪教授等：脱水预处理对冷冻紫薯花色苷损失的影响

紫薯富含花色苷，具有抑菌性、调节肠道菌群和抗氧化等功能性，被开发为多种功能性产品。并且相较于蓝莓、葡萄、桑葚等小浆果原料花色苷，紫薯中花色苷在加工和贮藏过程中更稳定。花青素作为水溶性色素，属于类黄酮化合物，具有多种生物功效，但是花青素在食品加工和贮藏过程中极易受热、光照、氧化等条件的影响而发生变色和降解。目前经常采用冷冻贮藏的方式进行原料贮藏。

农业农村部规划设计研究院的周新群、冯欣欣、刘帮迪*等以紫薯为研究对象，探究紫薯块在不同的脱水预处理后、冷冻贮藏后等加工阶段花青素的损失情况，并分析其主要损失原因，以期能够为花青素提取行业的原料贮藏提供一些基础理论和技术可行性支撑。

1 结果与分析

1.1脱水预处理对冻融紫薯块外观的影响

紫薯块在冷冻融化后的外观如图1所示，与新鲜紫薯相比主要是色泽发生变化。新鲜紫薯的外观色泽鲜亮，饱和度较高。冷冻融化后热风干燥HD和自然风干VD处理组紫薯块出现明显的褪色现象，部分果肉呈现白色，这可能是花色苷被降解和酚类物质被氧化所致，但渗透脱水OD和真空冷冻干燥FD处理后紫薯块色泽饱满，与初始新鲜样品色泽较为接近。

由表1可知，经脱水处理后，紫薯块的亮度L*值相较于初始样品有明显提高，这可能是因为紫薯块表面花色苷在不同脱水处理后出现降解或溶解于溶液中，导致色泽变浅。冻融后，CK组L*值显著低于其他处理组且低于初始样品，可能是因为冻融过程中冰晶细胞结构发生破坏，细胞内花色苷和多酚类物质接触氧气和相关酶的可能性加大，导致果蔬颜色发生较大的变化。OD组脱水处理后和冻融后L*值均最高。

与CK组相比，脱水处理和冻融后的OD组 红绿度 a* 值和 黄 蓝度 b* 值最接近新鲜样品，其次为 FD 组，表明渗透脱水处理和 真空冷冻干燥处理对紫薯块的色泽有良好的保持效果。 HD 组、 VD 组脱水处理后 a* 值和 b* 值变化较大，这是因 为冻融后紫薯的细胞结构被破坏，细胞原有维持的区室 状态也受损， PPO 和 POD 参与到花色苷的生物降解中， 造成紫薯颜色变深。脱水处 理和冻融后 OD 组色差值最小，分别为 3.22 和 5.83 ，此处理组最接近新鲜样品，其次为 FD 组。 HD 组、 VD 组脱水 处理后的色差值较大，说明色泽变化较大。

1.2紫薯块在脱水冷冻过程中花色苷组分的变化

如表2所示，新鲜紫薯块中共鉴定出6 类含有花色苷官能团的物质，分别是芍药花色素、矢车菊素、天竺葵素、矮牵牛素、飞草燕素和锦葵色素。其中，紫薯块中花色苷含量大于5 μg/g的有6 种，分别是芍药花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷、芍药花色素-3-(咖啡酰葡萄糖基葡萄糖苷)-5-葡萄糖苷、芍药花色素-3-O-半乳糖苷、芍药花色素-3-O-阿魏酰-槐糖苷-5-葡萄糖苷、芍药花素-3-O-对羟基苯甲酰槐糖-5-葡萄糖苷和矢车菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷，这6 种花色苷占紫薯块总花青素含量的90.76%。

脱水和冻融均可能导致花青素被氧化分解。紫薯块预处理和冻融后各组分花色苷损失率如表3所示，27 种花色苷在脱水预处理和冻融过程中都出现不同程度的损失。在脱水冻融后，除OD组外，其他组别都呈现出大幅度下降的趋势。从表3可以看出，脱水处理后VD组、HD组、FD组花色苷总量损失率分别为41.01%、33.58%、34.19%。热风干燥处理在脱水过程中伴随较高的加工温度，花色苷在55 ℃高温下稳定性受到较大的影响，降解速率增加，反应速率加快，造成花色苷含量下降。真空冷冻干燥是一种能够有效保护植物化合物和生物活性物质的脱水方式，但本研究中的真空冷冻干燥处理后花色苷损失率较高，可能是因为真空冷冻过程破坏了紫薯块的细胞结构。冻融后VD、HD、FD组花色苷的损失率相较于脱水后分别增加了39.78、35.90、22.58 个百分点，而OD组样品在冻融后的花色苷损失率较脱水处理后仅增加了5.00 个百分点，研究结果说明渗透脱水处理可以最大程度地保护紫薯花色苷在冻融过程中的损失。

对紫薯块中最主要的6 种花色苷损失率进行分析发现，脱水处理后，紫薯块中主要花色苷在VD组损失率最高，OD组损失率最低。CK组冻融后大部分花色苷损失率高于50%，这是由于冷冻会诱导冰晶的形成，冰晶生长造成细胞损伤，冻融后花色苷随汁液流失流出紫薯块组织外，造成大量损失。OD组冻融后大部分花色苷组分损失率均在60%以下。

还原性糖能够很大程度上抑制花色苷的降解。FD组冻融后有4 种芍药花色素和4 种矢车菊素类花色苷损失率高于90%，而天竺葵素-3-O-葡萄糖苷、二氢杨梅黄酮、原花青素B3则全部损失。这可能是冻融过程中，果蔬细胞破裂促使POD、PPO、花色苷和其他酚类（如儿茶酚、绿原酸、咖啡酸）充分接触，在此条件下，PPO开始分解花色苷，POD能将介质中的酚氧化为醌，醌与花色苷反应产生褐色缩合物。除OD组外，其他处理组紫薯块中含量最高的两种花色苷（芍药花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷和矢车菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷）在经过脱水预处理和冷冻融化后损失率均超过40%。

1.3 脱水预处理对冷冻紫薯块汁液流失率和细胞通透性的影响

由图2可知，CK组汁液流失率最高，为16.74%，OD组汁液流失率显著低于其他处理组，这是因为CK组紫薯块水分含量高于其他脱水预处理组，且普通缓冻冻结时间长，冷冻速率低，在冷冻过程中生成的冰晶大且分布不均匀，导致冻融后紫薯块的细胞壁结构变得疏松，组织内空隙增大，弱化了细胞的持水能力，提高了汁液流失率，而OD预处理组汁液流失率最低。HD和VD组汁液流失率无显著差异。

如图3所示，紫薯块经不同脱水预处理后细胞膜透性均有所升高，其中FD组紫薯在脱水预处理后细胞膜透性最高，相对电导率达11.22%，显著高于其他3 个脱水处理组（P＜0.05）。冻融后，未脱水预处理的CK组相对电导率高达48.21%，说明果肉细胞电解质大量外渗，导致细胞膜透性增加，这与CK组汁液流失和花色苷损失结果相印证。脱水预处理可以有效抑制紫薯块冻融后细胞膜透性的降低，其中OD组效果最好，冻融后相对电导率仅为13.52%，显著低于其他组别（P＜0.05）。

1.4 脱水预处理对冷冻紫薯块PPO和POD活力的影响

如图4所示，和鲜样相比，HD、OD和FD脱水处理均能够有效抑制PPO和POD的活力。但VD脱水处理后紫薯的POD、PPO活力分别为364.55、300.44 U/g，显著高于鲜样和其他脱水处理组（P＜0.05）。这可能是因为自然风干的状态下，紫薯块除频繁与氧气接触外，还易受到外界环境刺激，如微生物侵染，导致紫薯块发生一系列生化代谢反应，从而提高了POD、PPO活力。而OD脱水的高渗透压环境、HD脱水的高温环境和FD脱水的低温低压环境均能够有效抑制紫薯块中的酶活性。

冷冻融化过程能够明显激活紫薯的POD和PPO，所有组别紫薯块在冻融后的这两种活力均高于脱水处理后的紫薯块。CK组冻融后POD和PPO活力较冷冻前分别上升45.16%和189.84%。OD脱水处理可以最有效地抑制紫薯冻融后的PPO和POD活力上升现象。OD组冻融后POD和PPO活力最低，是因为渗透脱水可以保持细胞结构的完整性，降低PPO和POD与氧气、底物接触的概率，从而有效抑制酶活力。FD处理虽然可以抑制紫薯块PPO活力在冻融后上升，但却无法抑制POD活力。

1.5脱水预处理对冷冻紫薯块抗氧化活性的影响

从图5A中可以看出，经过4 种脱水预处理后紫薯的DPPH自由基清除能力均显著低于鲜样（P＜0.05）。脱水处理后VD组和HD组DPPH自由基清除能力最小，无显著性差异，OD组和FD组DPPH自由基清除能力相对较强，略低于鲜样。说明渗透脱水处理和冷冻干燥处理均能够有效保护紫薯块的活性氧清除系统，从而减少在脱水预处理过程中紫薯花色苷被氧化的可能性。在冷冻融化后，OD组DPPH自由基清除能力最强，达到226.73 μg/g；VD组和CK组DPPH自由基清除能力大幅度下降，与鲜样相比，损失率分别为34.71%、47.17%。

从图5B中可以看出，紫薯块的总抗氧化能力整体变化趋势和DPPH自由基清除能力相同。经脱水处理后，OD处理组和FD处理组样品的总抗氧化能力最强，且没有显著差异（P＞0.05）。HD脱水处理由于热环境对紫薯总抗氧化活性影响最大，总抗氧化能力降低最多，和鲜样相比下降了53.97%。除HD处理组外，其余各组在冻融后，总抗氧化能力继续下降，但FD和OD组抗总氧化能力显著高于其他组别（P＜0.05）。

1.6脱水预处理和冷冻过程对紫薯块花色苷损失影响的相关性热图分析

图6是对各组紫薯中检测出的27 种花色苷损失率与其他指标变化率之间的相关性分析热图，色块颜色越接近，表示指标间的相关性越强；红色越深，表示花色苷损失率越高。紫薯块在冻融过程中花色苷更容易损失，冻融后仅有OD组位于鲜样的右方，属于花色苷损失较少的组别。FD、VD、HD和CK组的花色苷损失主要受POD活力、PPO活力、汁液流失率、DPPH自由基清除能力的影响。FD组融化后（FD-R）花色苷的损失率主要受POD、PPO活力的影响。VD和FD处理不能有效地抑制紫薯块冻融后的PPO和POD活力，导致紫薯块花色苷在冻融过程中出现较多的酶促氧化损失。CK组花色苷在冻融过程中损失受汁液流失率的影响较大，由于普通缓冻冷冻时间长，形成体积过大且不规则的冰晶，冰晶在生长过程中刺破细胞膜，导致冻融后细胞结构不再完整，同时加剧汁液流失。因此紫薯块中的花色苷可能随汁液流失或被氧化分解。OD处理相对于其他处理组在冻融后最有效地保留了花色苷组分，可能是渗透脱水处理过程中糖溶质和紫薯块细胞组织中水分进行置换，起到了冷冻保护剂的作用，可以抑制冰晶在细胞间形成，减少花色苷随着汁液流失流出。此外，渗透进入紫薯内的少量糖也可能改变花色苷共存物性质，从而保护花色苷活性。

结 论

OD预处理可以有效减少紫薯块花色苷在脱水预处理过程中和冷冻融化后的损失，有效抑制紫薯块中含量最高的两种花色苷（芍药花色素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷和矢车菊素-3,5,3’-O-三葡萄糖苷）的损失。OD预处理可以通过降低紫薯细胞被破坏程度和汁液流失率，从而降低冻融过程中的酚酶与氧气、底物接触的几率，进而有效抑制PPO、POD的活力，保护紫薯块的DPPH自由基清除能力和总抗氧化活力，在冻融过程中增强紫薯块花色苷的抗氧化能力。因此，渗透脱水是4 种脱水预处理中最有效保护花色苷的方式，适合以提取花青素为目的紫薯的长期贮藏。但渗透脱水如何通过改变紫薯细胞间水态分布从而减少冰晶对细胞的破坏机制尚待进一步研究。

本文《脱水预处理对冷冻紫薯花色苷损失的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第13期32-41页，作者：周新群,冯欣欣,孙洁,等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220621-215。点击下方 阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：美娟；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

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