《食品科学》：兰州理工大学任海伟教授等：果胶-钙离子-糖液协同作用对低糖猕猴桃果脯硬化的影响

猕猴桃（Actinidia spp.）作为呼吸高峰跃变型浆果，隶属猕猴桃科猕猴桃属，因其独特的酸甜风味和丰富的营养构成备受消费者青睐。其果实不仅富含VC、膳食纤维及多种必需氨基酸，更含有黄酮类化合物和抗氧化活性物质，在鲜食与加工领域均具有重要价值。随着现代食品加工技术的发展，猕猴桃深加工产品已从传统果酱、果汁延伸至果脯、果干等休闲食品领域，其中低糖果脯因其符合健康饮食潮流而备受关注。

果脯加工中的硬化处理是影响产品质构特性的关键工序。本研究针对工业化生产中原料季节性与品质异质性问题，采用-40 ℃速冻工艺进行原料标准化处理。冷冻处理虽可有效维持原料基础品质，但冰晶形成导致的细胞结构损伤会加剧后续加工过程中的水分流失和质地劣变。对此，果脯加工中的硬化处理技术尤为重要：一方面通过钙离子介导的果胶交联反应可增强细胞壁结构强度，防止热烫和糖渍过程中的组织溃烂；另一方面，硬化处理形成的致密结构可调控渗透压梯度，在低糖工艺条件下促进糖分均匀渗透，同时提升产品透明。这一机制源于植物细胞壁中原果胶的化学特性——在成熟或酸性条件下，原果胶经酶解生成可溶性果胶导致组织软化，而Ca2+通过与果胶酸羧基的特异性结合形成三维网状果胶酸钙结构，可显著提升组织机械强度（约增加30%～50%），且不影响终产品的适口。该技术体系为开发符合现代健康需求的低糖猕猴桃果脯产品提供了关键工艺保障。黄俊生研究表明2% CaCl2溶液硬化处理2.5 h莲雾果实对其硬度有较好的保持作用；孙纽、樊丹敏、梁娇、王顺民等均研究发现CaCl2在果脯的研制中有较好的硬化作用。

已有研究证实，苹果果胶相较于其他亲水胶体展现出更优的凝胶形成能力。其硬化机理主要基于低甲氧基果胶分子链上的羧基（—COO-）与Ca2+通过离子交联形成的“蛋盒”模型三维网络结构。该模型中，Ca2+作为桥接离子与羧基形成稳定离子键，显著增强凝胶体系的机械强度和结构稳定性。

在应用研究方面，郭晓恬等创新性地采用真空辅助钙盐与果胶甲酯酶协同处理技术，证实该工艺能有效维持贮藏过程中果实硬度。王撼辰等针对钙离子添加量的优化研究显示：当添加量为复配体系总质量的0.3%时，复配物样品的弹性、咀嚼性等衡量食品口感的重要指标都达到最佳。苗钟化等通过扫描电子显微镜（SEM）观察结构发现，当Ca2+浓度达到9 μmol/mL时，低酯果胶/海藻酸钠复合凝胶形成最致密和有序的空间网状结构。在质构参数优化方面，胡文玥等建立四元二次回归模型（R2＝0.916），确定酰胺化低酯果胶的最佳成胶条件为：果胶添加量1.3%、蔗糖添加量20%、Ca2+含量35 mg/g、pH 3.6。

甜菊糖苷是从菊科草本植物甜叶菊中提取的极甜的非糖类物质，是经国家卫生健康委员会批准的继甘蔗、甜菜糖之外的第三种极具开发价值和保健功能的天然甜味剂，被国际上誉为“世界第三糖源”。近几年，国际市场上甜菊糖苷的消费量一直保持天然甜味剂第一位且持续呈现强劲增长趋势，在食品饮料行业尤为显著。例如，“可口可乐”（美国）、“通用磨坊”（法国）、“乔巴尼”（美国）等大型的食品饮料企业都使用甜菊糖苷作为甜味剂。李伟民等添加甜菊糖研制出一种红枣生姜低糖饮料；张丽芳等在莲藕戚风蛋糕中添加甜菊糖以代替部分蔗糖，降低总糖的含量；李东华等研究发现甜菊糖苷与其他甜味剂复配使用，制作出的风味生姜丝口感更佳。值得注意的是，现有研究多集中于传统甜味剂体系，而对新型天然代糖的复配应用关注不足。甜菊糖成本低，在饮料食品中以及家庭食品中可代替40%～60%的蔗糖。甜菊糖通常指甜菊糖苷，其相对分子质量约为804.87，远高于蔗糖（相对分子质量342.3），在相同质量浓度下，甜菊糖的分子数量更少，因此产生的渗透压显著低于蔗糖。吴娜娜等添加甜菊糖3%以优化山楂核超微粉固体茶饮配方，兰州理工大学生命科学与工程学院的蔡雨真、任海伟*和中国农业科学院农产品加工研究所的金鑫等对于甜菊糖的使用并非直接添加，而是渗透。基于其较低的渗透压和较大的分子质量，选择10%甜菊糖进行渗透。甜菊糖苷是一种零热值高甜度天然甜味剂，甜菊糖在果脯中最大添加量为3.3 g/kg，其与果胶-Ca2+体系的协同作用机制及其在果脯渗透硬化中的应用潜力尚待系统探究，这为开发低糖高纤维功能食品提供了新的研究方向。

1 固形物增加率变化

表1为不同处理下猕猴桃片固形物含量以及固形物增加率。不同处理方式对猕猴桃切片固形物含量及其增量均有显著影响（P＜0.05）。新鲜猕猴桃的固形物含量测定值低于经过冷冻-解冻过程后的样品，这主要源于水分形态和分布的根本性改变，而非固形物质量的绝对增加，冻融处理通过破坏细胞结构、改变水分存在形式，从而提高了可析出水分的比例，造成了固形物含量升高的表观现象。空白组固形物质量分数均值为12.73%，而1%果胶处理组显著提升至14.86%，证实果胶分子可通过渗透作用进入果肉基质并促进固形物积累。当复合添加0.3% CaCl2时，固形物质量分数为15.84%，这主要归因于Ca2+与果胶分子形成的三维网络结构增强了水分截留能力，同时离子梯度差促进了溶质向薄壁细胞的深层渗透。同时，添加20%蔗糖的复合处理组（果胶+CaCl2+蔗糖）表现出最优效果，固形物质量分数达16.45%，说明高浓度蔗糖通过建立渗透压梯度显著增强了传质效率。相比之下，10%甜菊糖替代组的固形物质量分数为16.03%，证实甜菊糖作为功能性甜味剂在渗透调节方面具有等效潜力。甜菊糖在果脯中最大添加量为3.3 g/kg，实验结果在国家允许添加量的最大范围内。刘绍军等研究表明在草莓罐头中加入0.1 g/kg的海藻酸钠于40 ℃条件下进行真空渗透处理，然后再加入0.04 g/kg的氯化钙于20 ℃条件下进行真空渗透处理可以显著提高草莓罐头固形物的硬度。

经分析，复合处理组的增效机制可能涉及：1）糖类物质通过渗透压诱导细胞发生渗透脱水（质壁分离现象），增大细胞膜通透性；2）Ca2+与果胶羧基的螯合作用稳定细胞壁结构；3）三元体系的协同效应改变了溶液活度系数，从而强化了溶质迁移驱动力。

2 干燥曲线

2.1 中心温度曲线

如图1所示，使用热电偶监测不同处理下猕猴桃果脯的中心温度，在猕猴桃果脯干燥实验中，将干燥箱设定温度控制为60 ℃，实际监测箱内温度波动范围为（58±2）℃。不同处理条件下猕猴桃果脯在干燥过程中的中心温度呈现出显著差异。以空白组的温度变化曲线作为基准参照，用于系统评估各实验组的处理效果。

各处理组猕猴桃果脯在干燥8 h后，中心温度上升速率显著减缓并逐渐趋于稳定状态。空白组由于初始含水量较高，其中心温度的上升速率明显快于其他处理组；在干燥5 h后，该组中心温度增加速率显著降低，近乎保持恒定。这一现象与水分蒸发速率随含水量下降而减缓的传热传质理论相符。添加1%果胶的实验组中，果脯最终中心温度明显更低，这一现象可归因于果胶分子独特的亲水性和保水特性。果胶形成的胶体网络结构能够束缚水分，减缓水分蒸发速率，进而降低因水分相变导致的热量传递效率。在此基础上，当同时添加0.3% CaCl2时，Ca2+与果胶分子中的羧基通过离子键交联形成凝胶结构。这种凝胶网络不仅增强了对水分的束缚能力，还改变了物料内部的传热路径，进一步降低了热量传递效率，使得中心温度变化更为平缓。在引入20%蔗糖或10%甜菊糖的处理组中，高浓度糖类物质通过降低体系水分活度，减少水分的可移动性，同时增加物料黏度，阻碍热量在物料内部的传导与对流过程。这种双重作用机制导致该处理组果脯的中心温度上升过程显著延缓。这与于宛加等的研究结果一致，即传质阻力越小，水分从物料内向外迁移速率越快。

这些结果表明，果胶、CaCl2和糖类的添加对干燥过程中的传热效率与温度分布具有显著调控作用，进而可影响果脯的最终品质和干燥效率。

2.2 水分变化曲线

根据2.2.1节可知，经硬化剂处理干燥8 h后果脯含水量变化减慢，接近于稳定，故监测60 ℃干燥9 h过程中的猕猴桃片质量变化，参考孙丽婷、潘真清、Huzova等研究确认猕猴桃果脯的含水率在（20±5）%。

图2为猕猴桃果脯在不同处理条件下的含水率变化曲线，研究结果表明，在60 ℃干燥条件下，若需将猕猴桃果脯的含水率降至20%左右，干燥时间约需5 h。

初始含水率的差异反映了不同处理组间固形物含量的变化。根据渗透平衡原理，添加糖类的处理组由于溶质浓度较高，形成的渗透压促使水分外移，因而表现出较低的初始含水率。在干燥过程中，空白组的含水率下降速率最快，表明其水分保持能力较弱；相比之下，添加1%果胶的实验组，由于果胶形成的胶体网络结构对水分子具有较强的束缚作用，显著延缓了水分蒸发速率。进一步添加0.3% CaCl2后，果胶分子中的羧基与Ca2+发生交联反应，形成稳定的凝胶网络结构。这种凝胶体系不仅增强了对水分的物理截留作用，还通过降低水分子的迁移率，使含水率变化曲线更为平缓。Forand等研究发现在纯果胶体系中，钙能减少水分流失，外源钙的应用增加了葱属植物的黏度和抗剪切力，表明形成了钙交联（“蛋盒”结构），意味着果胶与钙离子复配在一定程度上减缓了含水率的变化。

值得注意的是，添加20%蔗糖或10%甜菊糖的处理组表现出更为缓慢的干燥动力学特征。这可能归因于糖类物质通过降低水分活度、增加体系黏度等多重机制，有效抑制了水分的蒸发。综合实验结果显示，由果胶、氯化钙和糖类组成的复合处理体系，通过协同调控水分迁移过程，显著降低了猕猴桃果脯的水分蒸发速率。这种复合处理策略不仅有助于优化干燥工艺参数，提高干燥效率，还能通过控制水分流失速率改善果脯的质地特性，为工业化生产提供理论依据和技术支持。

3 质构

如表2所示，不同处理对猕猴桃切片切断所需力存在显著影响（P＜0.05）。空白组样品表现出最高切断力（（5 563.78±556.56）g），这可能与热加工过程中自由水过度蒸发导致的组织收缩有关。失水造成的细胞壁塌陷形成致密结构，需施加更大剪切应力以破坏其刚性框架。而单独添加1%果胶显著降低了切断力（（3 667.06±258.45）g），该现象可通过果胶的凝胶化机制解释：果胶分子渗透进入细胞间隙，通过氢键与纤维素网络结合形成三维凝胶基质，进而软化组织降低其机械强度。1%果胶、0.3% CaCl2和20%蔗糖复配硬化对切断力无显著影响（（4 241.53±295.94）g），但引入10%甜菊糖后，切断力显著增至（5 915.71±341.53）g，推测甜菊糖可能通过增强细胞壁刚性或与果胶-Ca2+体系产生协同强化效应，揭示了果胶和Ca2+离子以及甜菊糖复配后，不仅达到了低糖效果，同时增加了果脯的硬度，对于果脯的支撑性明显，同时提高了果脯的弹性和咀嚼性。崔国梅等以硬度为主要指标，通过单因素试验和响应面试验分析硬化保脆剂及其添加量对香菇片质构特性的影响，发现工艺优化组硬度提高了73.2%，弹性提高了26.3%，黏附性显著低于对照组，这与本研究结果一致。

4 还原型AsA含量

依据AsA含量的检测数据（表3），不同处理对猕猴桃果脯中VC含量产生了显著影响。新鲜猕猴桃（鲜果组）的AsA含量最高，达到（42.64±1.50）mg/100 g。未经处理的对照组（空白组）AsA含量最低，仅为（8.24±0.19）mg/100 g，显著低于其他处理组，这表明长时间在纯净水中浸泡会导致果肉中VC流失。而单一果胶处理组AsA含量（（11.82±0.76）mg/100 g）显著高于空白组，这或归因于果胶形成的凝胶结构抑制了AsA的氧化降解。在1%果胶基础上添加0.3% CaCl2（（12.41±0.70）mg/100 g）或进一步添加20%蔗糖（（13.08±0.92）mg/100 g）的处理组，其AsA含量虽较单一果胶处理组略有提升，但三者间未呈现统计学显著差异。值得注意的是，采用1%果胶+0.3% CaCl2+10%甜菊糖复合处理的组别表现出最优的保护效果，其AsA含量为（16.28±0.20）mg/100 g，显著高于其他处理组，表明甜菊糖可能具备抗氧化活性，对VC起到保护作用。与Ma Tingting等关于未处理果实与猕猴桃干AsA含量的研究结果有相似之处。

5 低场核磁共振分析

低场核磁共振水分分布状态图和峰值以及峰面积表格如图3和表4所示。空白组显示纵向幅度峰值呈现持续下降趋势，由初始26.17持续下降至7 h后的15.9（降幅达39.2%），揭示水分迁移活性呈现渐进性降低，这可能与没有硬化处理使细胞结构松弛导致自由水向结合水转化有关。

在复合渗透体系作用下（前4 h 0.3% Ca2+-20%蔗糖协同渗透，后3 h切换至1%果胶渗透），水分信号强度（峰面积）动态曲线呈现典型三阶段特征：初始阶段（0～2 h）从632.429急剧上升至700.015（增幅10.7%），反映蔗糖渗透引发的自由水增量效应；中期（2～4 h）骤降至570.017（降幅18.6%），对应Ca2+介导的细胞壁交联作用增强导致水分排出；后期果胶渗透阶段（4～7 h）经历短暂回升后回落至542.673（总降幅4.8%），揭示果胶分子网络对游离水的截留与重构机制，John等揭示了果胶凝胶的脱水-再水化行为可能有助于了解植物细胞的水分运输和力学。这种非单调性波动特征本质上反映了渗透体系中离子强度、糖浓度与多糖特性的竞争性水合作用——蔗糖通过渗透脱水促进自由水迁移，而果胶则通过分子间作用力重构形成新型水合结构。

另一复合渗透体系作用下（前4 h 0.3% Ca2+-10%甜菊糖协同渗透，后3 h切换至1%果胶渗透），初始幅度峰值26.17，经3 h处理骤降至18.96（降幅27.5%），随后出现反弹并于终点稳定在20.09（较最低值回升5.7%）。水分信号强度（峰面积）动态曲线显示：前渗透期（0～3 h）呈现快速上升（632.429升至最高695.754，增幅10.0%）；果胶介入后（4～7 h）呈现先缓速降低（693.829降至634.027，降幅8.6%），最终小幅回升至643.692。该趋势揭示水分迁移活性经历“抑制-调节-再平衡”的动态过程。

整体结果揭示糖类添加对水分活度调控的关键作用：所有含糖处理组的幅度峰值及峰面积衰减速率均显著低于空白对照，表明蔗糖/甜菊糖复配果胶-Ca2+体系表现出较优的持水稳定性。值得注意的是，甜菊糖处理组终点的幅度峰值（20.09）与峰面积（643.692）均显著高于蔗糖组（19.76、542.673），其差异可能源于甜菊糖苷的特殊空间构型——该分子通过立体位阻效应增强果胶-Ca2+复合物的持水容量，同时其多羟基结构可形成更致密的水合层。

6 SEM观察

基于SEM对不同处理条件下猕猴桃果脯显微结构的观察如图4所示。空白组（图4a1、a2）的细胞结构呈现松散状态，可见明显孔隙与断裂特征，反映出其组织结构的脆弱性。在添加1%果胶的处理组（图4b1、b2）中，与空白组相比，显微结构表现出显著致密化特征，且可清晰观察到果胶形成的凝胶网络结构弥散分布于猕猴桃果肉组织内。进一步添加0.3% CaCl2后（图4c1、c2），出现大面积致密网状结构，该结构在空白组及单一果胶处理组中均未出现。这一现象可归因于Ca2+与果胶分子发生交联反应，形成具有增强力学性能的三维网络结构，显著提升了组织的连续性与紧实度。在添加20%蔗糖（图4d1、d2）或10%甜菊糖（图4e1、e2）的实验组中，果脯基质分布更为均匀，所形成的三维网络结构较无糖处理组呈现出面积增大、分布范围扩展及结构致密化的特征。该结构对破损的细胞壁起到支撑作用并修复受损的组织框架，有助于维持组织完整性。Ca2+与果胶羧基形成“蛋盒”结构时，甜菊糖的氢键网络可作为辅助支撑，增强凝胶网络的机械强度。在西班牙马德里自治大学的研究中，甜菊糖替代蔗糖制备的果胶凝胶热稳定性更高、结构更致密，这与氢键协同作用直接相关。综上所述，果胶与CaCl2的复合处理可有效改善猕猴桃果脯的微观结构，而糖类物质的引入则进一步优化了其质地特性，为提升果脯品质提供了理论依据与微观层面的佐证。本研究结果与Wang Kunli、Bonora等的猕猴桃SEM研究成果有相似之处。

结 论

本研究通过复配果胶、钙离子及糖对猕猴桃果脯进行硬化处理，结果表明，果胶和钙离子经过一定比例的复配可以促进猕猴桃果脯的硬化，改善其在解冻和干燥过程中因为水分流失过快软化的现象。微观结构分析显示，果胶-钙离子交联网络与糖形成的共渗透体系共同维持了细胞壁结构完整性。当果胶添加量为1%、钙离子添加量为0.3%（以氯化钙计）、蔗糖添加量为20%或者甜菊糖添加量为10%时，果脯产品可获得最佳硬化效果。添加蔗糖或者是甜菊糖，在各方面表现各有千秋，低添加量蔗糖也有助于人们对于健康生活的需要，而作为天然代糖的甜菊糖，更加满足糖尿病患者以及肥胖患者的食用。糖（代糖）的加入不仅起到协同硬化作用，还能有效平衡口感，为低糖果脯质构改良提供了可行技术路径。

作者简介

通信作者：

任海伟 教授

兰州理工大学生命科学与工程学院 院长

任海伟，博士（后），教授，博士生导师，现为兰州理工大学生命科学与工程学院院长，甘肃省食药资源开发与生物制造行业技术中心主任。甘肃省领军人才，首批陇原青年英才，甘肃省青年教师成才奖获得者，甘肃省高等学校创新创业教育名师，陇原青年创新创业人才，第十五批“西部之光访问学者”，中科院“西部青年学者”，甘肃省科技特派员，甘肃省首批知识产权专家库专家，甘肃省省级食品检查员，金城首席科普专家。兼任中国治沙暨沙业学会文冠果及木本油料专业委员会副主任委员，中国食用菌协会羊肚菌产业分会副主任委员，《食品工业科技》青年编委，《食品研究与开发》《保鲜与加工》编委，甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展专家库专家等。主持完成国家自然科学基金、中国博士后科学基金（特别资助和一等面上资助）、甘肃省自然科学基金重点项目等20余项课题，参与国家863计划、国家国际科技合作专项等课题5 项，公开发表学术论文120余篇，其中SCI/EI收录50余篇，授权发明专利16 件，授权实用新型专利和软件著作权40余件，获甘肃省科技进步二等奖、甘肃省教学成果二等奖、甘肃省高等学校科学研究优秀成果一等奖、甘肃省高校教师教学创新大赛二等奖等奖励。

第一作者：

蔡雨真 硕士研究生

兰州理工大学生命科学与工程学院

蔡雨真，硕士研究生，生物工程专业。研究方向：果蔬产品加工、干燥。

引文格式：

蔡雨真, 金鑫, 毕金峰, 等. 果胶-钙离子-糖液协同作用对低糖猕猴桃果脯硬化的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(1): 69-76. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250705-032.

CAI Yuzhen, JIN Xin, BI Jinfeng, et al. Synergistic effect of pectin-calcium ion-sugar combination on the hardening of lowsugar preserved kiwifruit[J]. Food Science, 2026, 47(1): 69-76. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250705-032.

实习编辑：福州大学生物科学与工程学院 林安琪；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

为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。

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