《食品科学》：陕西科技大学王栋博士等：烫漂预处理对苹果干燥过程中微观结构及质构品质的影响

苹果富含多种营养成分，如果胶、有机酸和VC，深受消费者喜爱。鲜苹果被采摘后水分含量高、呼吸强度大，采后贮运和分销环节腐败风险高、营养成分损失大，将其加工成干制品既可提高苹果的附加值，又可方便贮藏与食用及保留营养成分。

近年来，显微技术与图像处理技术相结合被广泛用于测定干燥后果蔬细胞的微观结构参数。在现有烫漂预处理的研究中，基本采用热水、微波和常压蒸汽烫漂预处理，近些年随着计算机技术的快速发展，越来越多的学者利用计算机技术研究干燥过程中物料的微观结构变化。

陕西科技大学机电工程学院的王栋、赵一凡、邓志宁等将深入探讨该技术对微观结构的影响，揭示烫漂预处理后微观参数如何具体影响宏观特性，通过对苹果片进行热水烫漂和真空蒸汽脉动烫漂预处理，之后对苹果片进行热风干燥，采用显微技术对果蔬组织的细胞形态进行直观、定性观察，并与图像处理技术相结合，以实现对细胞结构参数的定量检测，同时对苹果片的宏观指标进一步分析评价。对微观结构变化与宏观指标之间进行对比分析，以探究微观组织结构参数随宏观复水比的变化规律，并通过拟合方法建立烫漂预处理后热风干燥的苹果干细胞微观结构参数与复水比的函数关系，简化获取参数的过程，旨在为后续相关烫漂工艺的优化以及烫漂设备的设计提供参考。

1 不同烫漂方式对比分析

1.1 不同烫漂方式下苹果的品质特性

如表2所示，在热水烫漂的不同实验条件下热风干燥后的苹果片复水比最高为2.64 g/g，在真空蒸汽脉动烫漂的不同实验条件下热风干燥的苹果片复水比最高为4.844 g/g，最低为3.845 g/g，表明真空蒸汽脉动烫漂预处理后热风干燥的苹果片复水比均高于热水烫漂，且在真空蒸汽烫漂的实验条件为真空度0.07 MPa、烫漂2 次和烫漂时间3 min时干燥时间最短，为180 min；硬度、黏度和咀嚼性最佳，分别为1 061.9 g、-18.8 Pa·s和374.76。这可能因为真空蒸汽脉动烫漂时，反复的真空与蒸汽交替作用增加了蒸汽的穿透性和烫漂的均匀性，更大程度地影响细胞结构状态，使细胞质膜破裂，细胞壁在热效应作用下逐渐降解和断裂，压力周期性变化加剧初级细胞壁结构载体（纤维素-半纤维素网络）的崩解，于是进一步导致质地软化和干燥时间缩短，有利于水分挥发形成多孔结构，从而导致干燥时间变短，复水比增加，黏度和咀嚼性更好。

1.2 变异系数法品质评价

使用变异系数法对各项指标的算数平均值、标准差、变异系数和权重进行计算，结果见表3。品质评价指标中成本、复水比、咀嚼度和硬度所占权重较大表明该指标对品质影响较大，分别占比30.84%、19.27%、17.54%和16.48%，干燥时间、细胞面积、细胞周长、孔隙率、细胞圆度所占权重较小，表明这些指标对品质的影响小，因为微观参数为物料内部结构，肉眼很难看出区别，宏观指标间接体现微观影响。根据不同指标所占权重，对不同烫漂方式所得样品的指标值进行标准化处理，结果如表4所示，计算综合评分（综合评分＝指标标准化值×权重），结果如表5所示。真空蒸汽脉动烫漂评分为0.174，热水烫漂评分为0.086，真空蒸汽脉动烫漂相较于热水烫漂评分高0.088，表明真空蒸汽脉动烫漂的综合评价较好，真空蒸汽脉动烫漂预处理后进行热风干燥的苹果干品质较好。

2 不同烫漂方式对苹果微观参数的影响

2.1 热水烫漂下苹果微观参数变化

2.1.1 烫漂时间对微观结构的影响

图3为苹果片在不同烫漂时间（2、3、4 min）的细胞结构参数分布曲线，细胞面积分布范围在120～45 000 μm 2 （图3a），细胞周长分布范围在50～2 100 μm（图3b），细胞当量直径分布范围为5～210 μm（图3c）；随着烫漂时间的延长，细胞周长、面积和当量直径均呈现增大的趋势，这可能是因为随着烫漂时间的延长，细胞壁和细胞膜的通透性增加，更容易吸收周围的水分。原料吸收的水分逐渐增多，细胞因水分充盈而膨胀，这也会导致细胞周长、面积和当量直径的增大。

经过烫漂，细胞形状发生变化，圆度也发生相应变化，由图3d可知，干燥后的细胞圆度分布在0.08～0.90之间。相比烫漂3 min和4 min，烫漂2 min时的细胞圆度峰值向右偏移，峰值出现在0.6处，分布频率达到0.433 2。这是因为烫漂2 min时对细胞的破坏较小，细胞的结构没有发生变形，形态保存完整，则细胞的圆度较大。图3e的粗糙度因子分布范围为1～3.29；尽管峰值因烫漂时间而异，但分布频率相对均匀。2 min的分布曲线位于3 min和4 min曲线的下方，且频率较低，表明较短时间的处理（如2 min）可能不足以使细胞壁发生显著的物理或化学变化，因此褶皱程度较轻。随着处理时间的延长，细胞壁受到的热应力逐渐增加，导致其结构发生更大的变化，褶皱程度也随之增加。

2.1.2 烫漂温度对微观结构的影响

由图4a可知，在不同烫漂温度条件下细胞面积的分布范围无明显差异，均在500～50 000 μm 2 之间，且在5 000～15 000 μm 2 较为集中；由图4b可知，细胞横截面周长的分布范围为26～2 400 μm，峰值处分布频率由大到小依次为80 ℃组＞90 ℃组＞100 ℃组；由图4c可知，细胞当量直径分布范围为8～400 μm，与周长的变化趋势一致，这是因为温度越高，对细胞壁的通透性影响越大，导致细胞吸水量变大。由图4d可知，相较于90 ℃和100 ℃，80 ℃的细胞圆度曲线整体右移且分布频率较低，这说明烫漂温度低，对细胞的破坏程度相对较小，细胞形状不规则，细胞圆度相对较小。由图4e可知，细胞壁面的粗糙度因子分布区间为1.1～2.99，80 ℃时的分布频率曲线在90 ℃和100 ℃下方，细胞褶皱程度较小，温度越低对细胞破坏程度越小。

2.2 真空蒸汽脉动烫漂下苹果微观参数变化

2.2.1 烫漂真空度对微观结构的影响

苹果片在不同烫漂真空度（0.03、0.05、0.07 MPa）条件下干燥的细胞结构参数分布如图5所示，由图5a～c可知，不同烫漂真空度条件下细胞横截面面积的分布范围无明显差异，均在75～45 000 μm 2 之间，周长的分布范围为32～2 400 μm，峰值处分布频率由大到小为0.05 MPa组＞0.07 MPa组＞0.03 MPa组。细胞当量直径分布范围为10～180 μm，随着真空度的增大，细胞当量直径在峰值处的分布频率增大，与面积变化趋势相对应，这可能是因为当真空度为0.03 MPa时，细胞会因为内部压力而破裂，真空度为0.07 MPa时细胞没有达到最佳的状态，而真空度为0.05 MPa时细胞膜的稳定性和通透性达到最佳状态。细胞圆度的分布曲线逐渐右移（图5d），粗糙度因子分布区间为1.12～3，由图5e可以明显地看出0.05 MPa的分布曲线一直位于0.03 MPa和0.07 MPa上方，与细胞周长的趋势相同，说明0.05 MPa造成细胞褶皱程度较大，使细胞的形变发生显著变化，在细胞微观结构方面就体现在细胞壁面粗糙度上。

2.2.2 烫漂时间对微观结构的影响

苹果片在不同烫漂时间（2、3、4 min）干燥的细胞结构参数分布频率曲线如图6所示。在不同烫漂时间下，细胞横截面面积的分布范围无明显差异，均在136～55 000 μm 2 之间（图6a）；细胞横截面周长分布范围在25～1 800 μm（图6b），细胞圆度分布范围为0.096～1.013，峰值均在0.6处，随着烫漂时间延长，细胞圆度在峰值处的分布频率逐渐减小（图6d），这是因为在真空蒸汽脉动烫漂中，随着烫漂时间的延长，细胞壁中的果胶和其他多糖成分发生降解，细胞壁无法有效支撑细胞形态，导致细胞皱缩较为严重，从而导致细胞横截面面积和横截面周长减小，进而使细胞圆度在峰值处的分布频率也减少。在图6e中，细胞壁面粗糙度因子分布区间为1.08～2.5，4 min的分布曲线总体位于2 min和3 min上方且曲线整体右移，此现象是由于烫漂时间越长，细胞壁的变形程度越大，壁面越褶皱。

2.2.3 烫漂次数对微观结构的影响

不同烫漂次数（1、2、3 次）苹果片的结构参数分布曲线如图7a所示，不同烫漂次数细胞横截面面积分布范围无明显差异，均在145～60 789 μm2之间，峰值处的分布频率随着烫漂次数的增多而降低；周长分布范围在22～3 300 μm之间（图7b）；细胞当量直径分布范围在10～180 μm，烫漂1 次的峰值在40 μm处，分布频率为0.539 6，烫漂2 次和3 次的峰值均在60 μm处（图7c），烫漂次数越多，细胞剧烈变形的数量越多，细胞周长越大，细胞当量直径越大，对细胞壁的破坏越严重，使细胞壁的通透性更好，相比较之下细胞分布更均匀，大体积的细胞数量相对更多；在图7d中，细胞圆度分布范围为0.07～0.93，分布频率曲线随着烫漂次数逐渐增高，峰值分布频率增大且曲线左移，这也许是烫漂次数越多，细胞受到的压力变动次数越多，导致破坏程度越大，细胞的变形程度越大，圆度越小；在图7e中，细胞壁面粗糙度因子分布区间为1.14～2.7，峰值均在1.5处，且分布较为均匀，在细胞粗糙度因子大于1.8后，烫漂1 次的曲线位于2 次和3 次上方，这是因为烫漂1 次的细胞面积较小，数量较多，相较而言粗糙度因子大的细胞数量更多。

3 不同烫漂方式对苹果微结构孔隙率的影响

由图8a可以看出，随着烫漂时间的延长和烫漂温度的升高，孔隙率逐渐增大，这是因为高温和长时间的烫漂会促进细胞壁和细胞膜的降解，使得细胞内的水分和其他小分子物质更容易流失，从而在细胞内外形成更多的孔隙，导致孔隙率增大。烫漂温度相比烫漂时间对细胞的破坏更大一些，细胞孔隙率变化也随之更大，细胞孔隙率在100 ℃时达到0.426 2，这与2.2.1节中不同烫漂时间和温度对细胞微观参数的影响结果一致。

由图8b可以看出，随着烫漂时间延长和烫漂真空度的增加，孔隙率逐渐增大，在烫漂的过程中，真空蒸汽脉动的蒸汽具有高压的作用，使细胞壁对毛细管力的抵抗力更强，导致多孔结构具有更高的孔隙率。但随着烫漂次数的逐渐增多，孔隙率变化很小；烫漂次数、烫漂时间和烫漂真空度3 个实验因素相比，烫漂真空度对孔隙率的影响最大，与2.2.2节真空蒸汽脉动烫漂苹果微观参数变化中的细胞微观参数变化结果相印证。在真空度0.07 MPa时，细胞孔隙率为最大值（0.420 2），这是由于真空度越大在同等时间和温度条件下对细胞的压力越大，通蒸汽时的压力越大，细胞膜两侧的压差越大越易使细胞破裂，且会加强细胞结构对毛细管力的抵抗力，导致细胞孔隙率逐渐增大，细胞内的水分更易析出，进行热风干燥时，水分更容易挥发，有利于缩短干燥时间。

由图8可知，热水烫漂温度为100 ℃时的孔隙率最高，除此之外真空蒸汽脉动烫漂的孔隙率普遍高于热水烫漂，这是因为热水烫漂通常是将苹果片浸泡在高温水中处理，会导致细胞结构严重破坏，微观结构参数产生较大的变化，细胞横截面面积、周长等分布不均匀使苹果细胞间的孔隙率增加，苹果片的结构变得不均匀导致水分的分布也变得不均，在后续热风干燥过程中难以均匀蒸发，从而延长了干燥时间。热水烫漂也会导致苹果片的细胞组织的结构和功能发生变化，造成其在复水时不能有效地吸收和保留水分，因此复水比低。真空蒸汽脉动烫漂是通过真空与蒸汽的交替，产生高温高湿环境，蒸汽能够在真空条件下均匀地穿透细胞，可以在短时间实现高效的烫漂，增强烫漂的均匀性和穿透性，减少对苹果片细胞结构的破坏，所以真空蒸汽脉动烫漂预处理样品细胞横截面面积、周长等分布均匀，也保持较好的纤维结构提高复水比。

4 不同烫漂方式下微观参数与复水比的关系

通过研究苹果在烫漂预处理后的热风干燥过程中的微观结构参数与宏观复水比之间的关系，进一步优化烫漂工艺，通过在烫漂过程中调节烫漂条件影响微观结构参数，从而影响宏观复水比，优化苹果干的口感，提升其营养价值，进一步提高干燥质量和效率。为了揭示物料微观参数与复水比的关系，将通过烫漂预处理后干燥得到的细胞各微观参数的平均值与其初始平均值（即参数平均值比）进行比较，其中包括细胞横截面面积比（A/A0）、横截面周长比（P/P0）、等效直径比（d/d0）、圆度比（SR/SR0）、壁面粗糙度因子比（r/r0）、孔隙率比（e/e0），考察它们与复水比的变化规律及关系。为方便拟合，将热水烫漂和真空蒸汽脉动烫漂预处理条件下的参数各取平均值，得到拟合点，通过分析软件，对各参数的平均比值与复水比的拟合关系进行曲线拟合，发现两者都不服从线性拟合关系。为了保证良好的拟合效果，并使拟合方程更简单易用，采用一个非线性关系公式进行表达，如式（9）所示：

由图9可以看出，细胞的横截面面积比、当量直径比与复水比的关系整体趋势呈先减后增，横截面周长比曲线呈下降趋势，这可能是由于材料内部大小细胞的分布不均匀，同时不排除实验测量误差。如图10所示，细胞的横截面面积比、横截面周长比和当量直径比与复水比的关系相似，整体呈下降趋势。然而，在壁面粗糙度因子比、孔隙率比和复水比的关系中，二者呈现的趋势并不是简单的增加或减少，因为干燥过程中复杂的传热传质现象，细胞的收缩、膨胀、破裂、融合等都会随时影响每个细胞的形状。

根据表6和图9、10可以看出，非线性函数可以充分描述烫漂预处理后热风干燥的苹果片微观参数平均比值与复水比之间的数学关系，而且决定系数R 2 均在0.8以上，说明具有很强的相关性，这意味着所建立的数学模型能够较好地预测细胞微观参数与复水比的关系。

3 结 论

本实验将热水烫漂和真空蒸汽脉动烫漂预处理的苹果切片经热风干燥，研究干燥后物料宏观测量指标的品质以及微观参数与宏观参数之间的关系。同时进一步分析了不同烫漂预处理下微观参数的变化，并探讨了这些变化与苹果片宏观指标之间的内在联系，得出以下结论：1）对热水烫漂和真空蒸汽烫漂的苹果片进行品质评价，发现真空蒸汽脉动烫漂预处理后热风干燥的苹果片复水比均高于热水烫漂，最高为4.844 g/g，且在真空蒸汽烫漂的实验条件为真空度0.07 MPa、烫漂2 次和烫漂时间3 min时干燥时间最短（180 min），硬度（1 061.9 g）、黏度（-18.8 Pa·s）和咀嚼性（374.76）最佳；2）对比不同烫漂方式下不同实验条件对苹果片6 种微观结构参数的分布频率曲线，发现随着不同实验条件的增强，烫漂预处理后热风干燥的苹果细胞会对应产生不同的变化，这些变化有利于后续干燥过程中的水分蒸发，缩短干燥时间；3）不同烫漂预处理后干燥的苹果片微观参数平均值比与复水率之间的数学模型采用非线性拟合关系，决定系数R2大都在0.8以上。对于不同的烫漂方式，模型的参数不同，通过建立烫漂预处理的物料宏观参数与微观参数的关系模型，可以指导优化烫漂工艺，提高产品的质量和生产效率。

作者介绍：

2015年毕业于中国农业大学工学院农业机械化工程专业，获工学博士学位，2015年7月至今在陕西科技大学工作，2020年9月至2021年8月在西北农林科技大学机械与电子工程学院访学1 年。研究领域及方向包括：热能利用与现代绿色干燥加工技术研究；农产品物理护色杀菌、高效低温浸渍技术研究；农产品加工智能控制系统研究等。近年来，在该领域获得2017年度陕西省科学技术一等奖等科技奖励5 项，主持或主研包括国家级、省部级和企业委托等各类科研项目15 项；出版学术著作1 部，第一或通信作者发表学术论文10余篇，申请专利20 件；主研开发的多型加工装备在企业实现推广应用，获得了一致好评。

本文《烫漂预处理对苹果干燥过程中微观结构及质构品质的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第22期207-218页，作者：王栋，赵一凡，邓志宁，孙浩媛，王勇，袁越锦。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240707-072。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；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

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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