核桃(Juglans regia L.)属于胡桃科胡桃属植物,原产于欧洲东南部、西亚和南亚,当前在全球各地均有栽种与分布[1]。核桃仁中含有大量的不饱和脂肪酸、蛋白质、维生素E、酚类等具有促进人体健康的功能性化学成分,是世界各地公认的高营养食品[2]。然而,由于大量不饱和脂肪酸以及酚类物质的存在,在贮藏、加工、运输过程中,核桃仁易发生脂质氧化、颜色褪变、质构劣变以及营养物质的损失,影响其食用品质,甚至对人体产生有毒害的物质[3]。
含水量是影响核桃的质构、食用体验、货架期的重要因素[4],为保证核桃有一定的货架期,通常需要将其水分控制在安全含水量(8%)(8% 及以上含水量为偏高水分核桃)[5]。但是,为减少经济损失,工业上通常将核桃水分控制在5% 以下(干制核桃)。在室温下,干制核桃通常有6~12 个月的保质期,低温(-18 ℃)条件甚至能有18 个月的保质期[6],但干制核桃硬度较高、咀嚼体验差、口感干劣苦涩[7]。近年来,含水量高于20% 的鲜食核桃因其口味新奇、硬度较低、口感细腻,越来越受到人们的喜爱。但鲜食核桃货架期短,即使贮藏于-1~0 ℃条件下,也只有1 个月的保质期[8]。因此,如何对核桃进行适度干燥,使其含水量控制在适宜水平,实现既不影响其贮藏品质,又能保持其良好口感,无疑是核桃生产者、加工者与消费者的共同目标。
红外辐射(infrared radiation,IR)属于电磁辐射,红外线是介于可见光和微波之间的电磁波,波长为 0.78~1 000 μm,通过表面反射、表面吸收和穿透吸收等方式作用于物料,物料吸收红外线而产生独特的热效应,如脱水干燥、杀虫灭菌、抑制脂质氧化、钝化酶活性等[9-10]。研究表明,IR 预处理使开心果脱水的同时,能够降低屎肠球菌细胞数量[11];IR 预处理带壳高水分(43%)核桃3~4 min,相当于常规热风干燥3 h,使其含水量减少7%,而对核桃的色泽和过氧化值没有不良影响[12]。前期研究发现,IR 漂烫碧根果仁,能够抑制碧根果仁褐变,提高其贮藏稳定性[13];IR 预处理新鲜带壳碧根果2 min,使新鲜碧根果热风干燥时间缩短了25%~35%、总酚含量增加了5%~19%,抑制了碧根果贮藏期苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶活性,延缓了新鲜碧根果褐变[14]。
本研究以热风干燥为对照,通过IR 预处理联合热风干燥技术,对带壳新鲜核桃进行适度干燥,使其含水量为4%~16%,获得干制核桃和偏高水分核桃,分析它们在贮藏期间质地、感官等食用品质、微观结构、脂质氧化指数、总酚和可溶性醌含量以及脂氧合酶和多酚氧化酶活性等变化,探究IR 预处理提升偏高水分核桃食用品质的作用机制,以期为制备口感好、品质高、满足消费者需要的偏高水分核桃提供理论基础与技术支持。
新鲜核桃[品种为‘温185’,初始含水量为(36.81±1.65)%]:洽洽食品股份有限公司;磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、碳酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、邻苯二酚、无水乙醇、没食子酸、福林酚试剂、亚油酸(均为分析级):上海麦克林生化科技股份有限公司。
DHG-9070A 电热鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司;HSR/1 中红外加热器:德国Elstein 公司;Hei-VAP ML 旋转蒸发仪:德国Heidolph 公司;TA-XTPlus 质构仪:英国Stable Micro System 公司;G1-20G-Ⅱ离心机:上海安亭科学仪器厂;FD-1B-50 真空冷冻干燥机:北京博医康实验仪器有限公司;300 扫描电子显微镜:德国卡尔蔡司光学有限公司;UA22 超声清洗器:维根技术(北京)有限公司。
1.3.1 核桃的适度加工
带壳新鲜核桃清洗、晾干表面水分后分为两组。一组进行IR 预处理(红外辐射功率700 W,辐射时间2 min,红外辐射源离极板距离14 cm)后立即取出,自然冷却至室温,此时含水量为(30.22±1.33)%;随后用63 ℃热风分别干燥7、8、10、13 h,获得含水量分别为16%、12%、8%的偏高水分核桃和含水量4%的干制核桃,分别命名为IR16%、IR12%、IR8%、IR4%。另一组直接通过63 ℃热风干燥8、9、11、14 h,作为对照组,分别命名为CK16%、CK12%、CK8% 和CK4%。最后将所有核桃样品装入自封袋中,于25 ℃、55%~65%湿度条件贮藏90 d,每隔30 d 取样,将核桃手工去除外壳,取核桃仁,进行质构、感官等分析。
1.3.2 核桃质构测定
核桃的质构特性使用质构仪测定[15]。选择P/36R探头,力量感应单元为30 kg,采用全质构分析(texture profile analysis,TPA)模式,检测速度为50 mm/s,形变量50%,2 次压缩,记录核桃仁的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性。
1.3.3 核桃感官评价
20 名评估员通过9 点享乐测试(1 最低,9 最高)对核桃的颜色、克度、质地、风味和总接受度感官特性进行评分[16]。
1.3.4 核桃仁的微观结构观察
将核桃仁切成大约1 mm3 的块状,加入2.5%(体积分数)戊二醛固定液并于4 ℃条件下过夜固定。随后使用0.1 mol/L pH7.2 磷酸盐缓冲液冲洗样品3 次(每次10 min),然后在乙醇系列溶液(10%、30%、50%、70%、90%、100%)中脱水,然后使用真空冷冻干燥机冷冻干燥。样品横截面镀金,然后用扫描电子显微镜观察其微观结构[17]。
1.3.5 核桃脂质氧化指数测定
酸价、过氧化值、丙二醛含量分别依据GB 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》、GB 5009.227—2023《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》和GB 5009.181—2016《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》中的方法进行测定。
1.3.6 核桃总酚、可溶性醌含量测定
核桃仁中总酚和可溶性醌含量参考Gao 等[18]的方法进行测定。将1 g 碾碎的核桃仁加入50 mL 70%甲醇溶液中,置于100 W 超声清洗器中超声辅助提取30 min;提取液在4 ℃、10 000×g 条件下离心20 min,收集上清液,用于总酚和可溶性醌含量分析。取1.0 mL 上清液放入试管中,依次加入0.5 mL 福林酚试剂和1.0 mL 22% Na2CO3 溶液,充分涡旋后放置室温120 min,然后测定765 nm 波长处吸光度,总酚含量以没食子酸当量(gallic acid equivalent,GAE)表示(单位为mg GAE/g),可溶性醌含量以上清液在437 nm 波长处的吸光度表示(OD437/g)。
1.3.7 核桃脂氧合酶、多酚氧化酶活性测定
1.3.7.1 酶的提取
取2 g 液氮研磨的核桃仁浆,加入10 mL 蒸馏水和10 mL 含有1.5 g 聚乙烯吡咯烷酮的0.1 mol/L pH5.8 磷酸盐缓冲液,4 ℃浸提30 min,然后在4 ℃、12 000 r/min条件下离心20 min,收集上清液即为酶液[19]。
1.3.7.2 脂肪氧合酶(lipoxygenase,LOX)活性测定
取0.3 mL 预热酶液置于试管中,加入2 mL 预热的亚油酸底物,混匀后放入30 ℃水浴并开始计时,反应3 min 后加入5 mL 无水乙醇终止反应,然后加入5 mL 蒸馏水混匀并在234 nm 处测定吸光度,以1 min内3 mL 反应体系在234 nm 处吸光度增加0.001 作为一个酶活力单位(U),LOX 活性以U/g 核桃仁表示[20]。
1.3.7.3 多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)活性测定
将0.5 mL 酶液与2.5 mL 0.2 mol/L 邻苯二酚溶液(溶于pH6.8、0.05 mol/L 磷酸盐缓冲液中)混合,置于室温下反应15 min。15 min 反应期内,测量反应液在410 nm 波长处的吸光度变化[19]。以1 min 内反应体系吸光度变化0.001 作为一个酶活力单位(U),PPO 活性以U/g 核桃仁表示。
所有试验至少重复3 次,试验结果以平均值±标准差表示,使用Excel 2021 和SPSS 25.0 对所得数据进行方差分析(analysis of variance,ANOVA)和邓肯检验(P<0.05),使用Origin 2021 软件绘图。
核桃的质地是核桃品质的重要指标,影响着消费者的购买意愿。不同含水量核桃的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性如图1 所示。
图1 IR 预处理对偏高水分核桃质构的影响
Fig.1 Effect of IR pretreatment on texture of walnuts with relatively higher moisture
由图1 可知,无论是CK 组还是IR 组,随着含水量的升高,核桃的硬度呈现下降的趋势,弹性和内聚性整体呈现上升的趋势,而咀嚼性呈现先上升后下降的趋势。随着贮藏时间的延长,同一含水量核桃的硬度逐渐上升,含水量4% 的干制核桃的弹性整体呈现先上升后下降的趋势。经过IR 预处理后,相同含水量核桃的质构没有明显变化,这表明核桃的质构变化主要是由含水量变化引起的。随着核桃中含水量的升高,细胞开始膨胀,细胞壁柔韧性增大,宏观上则表现为硬度降低,弹性增大;并且随着含水量的增加,有助于形成新的氢键,提高核桃的内聚性,这也表明核桃需要更多的能量来咀嚼,表现为咀嚼性的提高[21]。但是在本研究中,含水量为12%~16% 时,咀嚼性反而会下降,这可能是因为含水量过高时组织细胞间结合力变弱,口腔咀嚼所需的能量减小[22]。
不同含水量核桃的感官评价如图2 所示。
图2 核桃的感官评分
Fig.2 Sensory evaluation of walnuts
由图2 可知,在贮藏初期(第0 天),与CK 组核桃颜色感官评分(7.00~7.10)和克度感官评分(6.70~6.85)相比,IR 组核桃的颜色分数增加7.04%~9.29%,克度分数增加10.22%~13.43%,风味和总接受度与颜色的趋势相同;含水量主要影响核桃的质地分数,干制核桃(4%)质地分数最低,为6.80~6.90,偏高水分核桃(8%~16%)质地分数(7.20~7.35)没有明显差异,但均大于干制核桃的质地分数。贮藏90 d 后,除质地分数外,所有IR 组的感官评分均大于CK 组,并且各感官评分均随着含水量的上升而下降。总体上,与对照组(16.20~34.80)相比,IR 预处理组(17.65~37.35)核桃的感官评分明显更高,这可能是因为IR 预处理使PPO 与LOX 活性降低,抑制了核桃的褐变与氧化。IR8%组核桃具有最好的咀嚼性(图1),质地评分最高(图2),表明IR 预处理制备的含水量8%的偏高水分核桃食用品质最好。
贮藏初期(0 d),IR8% 偏高水分核桃与CK8% 偏高水分核桃的微观结构如图3 所示。
图3 核桃的微观结构
Fig.3 Microstructure of walnuts
由图3 可知,两组核桃子叶组织中的细胞都有不同程度的细胞壁皱缩与油脂溢出,这可能是因为在IR预处理以及热风干燥的过程中产生高温与水分流失,导致细胞中的蛋白质变性,细胞蛋白骨架被部分破坏[23]。但是与CK8% 相比,IR8% 的细胞结构更加完整,并且油脂溢出较少,而CK8%大量油脂溢出,并覆盖在细胞表面,这可能是因为IR 预处理使水分快速散失,缩短了后续热风干燥的时间,从而使IR8%的核桃子叶细胞蛋白骨架受损更弱。可见,IR 预处理有助于核桃油体结构的维持,从而具有更高的氧化稳定性。
核桃仁内部存在大量的油脂,在贮藏过程中易受温度、光等影响而发生氧化,对核桃的品质产生不良影响。酸价(acid value,AV)、过氧化值(peroxide value,POV)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)是油脂氧化劣变的代表产物,可以表征核桃氧化变质的程度,其结果如图4 所示。
图4 IR 预处理对偏高水分核桃脂质氧化的影响
Fig.4 Effect of IR pretreatment on lipid oxidation of walnuts with relatively higher moisture
游离脂肪酸的含量以酸价表示,由图4(a)可知,在贮藏初期(0 d),对照组核桃的酸价为1.51~1.79 mg/g,而IR 组核桃酸价降低了4.79%~10.15%,其中,IR8%酸价最低,为1.35 mg/g。随着贮藏时间的延长,所有核桃的酸价都不断增大,IR 组的增大量小于CK 组。贮藏末期,IR 组的酸价(1.86~2.61 mg/g)同样低于CK组(2.01~2.74 mg/g)。贮藏期间,核桃的酸价随着其含水量的升高而升高,当含水量为12%和16%时,核桃酸价显著高于4%和8%核桃,这是因为随着含水量的升高,甘油三酯水解成游离脂肪酸的速率加快。根据GB 19300—2014《食品安全国家标准 坚果与籽类食品》,在整个贮藏期内核桃的酸价均低于3 mg/g 的限定标准。
过氧化值反映着脂质过氧化物的含量,由图4(b)可知,随着贮藏时间的延长,含水量为4%和8%核桃的过氧化值快速增大,而含水量为12%和16%核桃的过氧化值缓慢增大;但是,整个贮藏期间,相同含水量的CK 组核桃的过氧化值明显高于IR 组核桃,与CK 组核桃(0.04~0.16 mmol/kg)相比,IR 组核桃的过氧化值降低了45.96%~72.48%;4%和8%核桃的过氧化值显著高于12%和16%核桃的过氧化值。含水量高的核桃过氧化值反而上升较慢,这可能是因为过氧化物极不稳定,在生成的同时也会发生分解。在整个贮藏期内,所有核桃的过氧化值均低于2.5 mmol/kg 的限定标准。
丙二醛是脂质氧化的次级氧化产物,由图4(c)可知,丙二醛含量的变化趋势与过氧化值变化趋势类似。贮藏初期,与CK 组核桃(0.11~0.13 mg/kg)相比,IR 组的丙二醛含量降低了14.07%~32.79%,为0.07~0.11 mg/kg,并且随着含水量的升高而下降。丙二醛是油脂氧化产生的主要醛酮类产物,具有很强的生物反应活性。在高含水量下,过氧化物与丙二醛分解的速率可能较快[24],同时高水分含量可能阻碍了氧气与脂质的接触[25],因此,过氧化值与丙二醛含量随含水量升高而降低。
综上,IR 预处理明显延缓了核桃在贮藏期的脂质氧化,偏高水分核桃(IR8%)的脂质氧化能够被控制在限定范围内。
基于核桃贮藏过程中酸价的变化,使用一级动力学方程进行回归分析,得到核桃的酸价动力学模型,如表1 所示。
表1 基于酸价的一级动力学方程与货架期预测
Table 1 First-order kinetic equations and shelf-life prediction based on acid value
注:回归方程中y 表示酸价,mg/g;x 表示贮藏时间,d。
样品CK4%IR4%CK8%IR8%CK12%IR12%CK16%IR16%回归方程y=1.668 2e0.002 1x y=1.537 1e0.002 1x y=1.508 9e0.003 9x y=1.355 8e0.003 6x y=1.788 4e0.004 0x y=1.712 3e0.003 6x y=1.557 3e0.006 5x y=1.479 9e0.006 5x R2 0.995 9 0.987 7 0.986 1 0.998 5 0.983 8 0.992 5 0.995 3 0.994 7货架期预测值/d 280 318 176 221 129 156 101 108
由表1 可知,所有组别核桃酸价的一级动力学回归模型的R2 值均大于0.9,表明方程具有较好的拟合精度。从回归方程可以看出,经过IR 预处理后,酸价的变化速率降低,说明IR 预处理对核桃脂质氧化劣变的抑制作用。根据GB 19300—2014《食品安全国家标准 坚果与籽类食品》中的规定,当核桃的酸价低于3 mg/g 时,其品质是可以接受的,根据此临界值,可以计算出所有组别核桃的货架期(表1),对于偏高水分核桃(8%),经过IR 预处理后,其货架期延长了25%。
所有组别核桃的总酚与可溶性醌含量如图5 所示。
图5 IR 预处理对偏高水分核桃多酚氧化的影响
Fig.5 Effect of IR pretreatment on polyphenol oxidation of walnuts with relatively higher moisture
多酚在植物中广泛分布,是植物响应环境胁迫的代谢产物,对核桃的营养品质亦起着重要作用[26]。由图5(a)可知,整个贮藏期,除IR16%核桃外,相同含水量的其他IR 组核桃的总酚含量(78.08~98.52 mg GAE/g)显著高于CK 组核桃的总酚含量(63.64~76.85 mg GAE/g)(P<0.05),提高了22.70%~31.37%,这表明IR预处理可以促进酚类化合物的释放。IR 预处理提高菊花[27]、碧根果[13]酚类化合物也已经报道。贮藏初期,CK 组核桃总酚含量随着含水量的增加而增加,但是,IR 组核桃总酚含量随着含水量的增加而增加,12%含水量时达到最大值(98.52 mg GAE/g),含水量继续增大到16%时,IR16%总酚含量下降。随着贮藏时间的延长,4%核桃和8%核桃的总酚含量降低速率低于12%核桃和16%核桃,这表明高含水量加速了多酚的降解。
醌是多酚氧化产生的高反应活性的中间产物,可以与多酚、氨基酸等物质继续反应生成色素,影响品质[28]。由图5(b)可知,整个贮藏期,相同含水量的所有IR 组核桃的可溶性醌含量(0.20~1.01 OD437/g)显著低于CK 组核桃的可溶性醌含量(0.32~1.20 OD437/g)(P<0.05);同时,随着贮藏时间的延长,所有核桃可溶性醌含量都增大,但是,4% 核桃和8% 核桃的可溶性醌含量降低速率低于12% 核桃和16% 核桃,这可能与高含水量促进总酚水解与氧化有关。
综上,IR 预处理可以提高促进核桃中酚类物质的释放、抑制可溶性醌的生成,同时,IR4% 干制核桃、IR8%偏高水分核桃的多酚保留量比含水量为12%和16%核桃的多酚保留量更高。
所有组别核桃的LOX 与PPO 活性如图6 所示。
图6 IR 预处理对偏高水分核桃酶活性的影响
Fig.6 Effect of IR pretreatment on enzyme activities of walnuts with relatively higher moisture
LOX 是核桃脂质酶促氧化劣变的重要酶类,并且会导致核桃产生异味。由图6(a)可知,在整个贮藏期,所有相同含水量的IR 组核桃的LOX 活性(27.7~123.5 U/g)明显低于CK 组核桃(68.6~180.3 U/g),表明IR 预处理的钝酶效应,IR 预处理抑制碧根果LOX 活力也有报道[13]。贮藏初期,不同含水量CK 组核桃的LOX 活性(133.6~136.0 U/g)没有显著差异(P>0.05),不同含水量IR 组核桃的LOX 活性(65.0~70.0 U/g)也没有显著差异(P>0.05),但随着贮藏时间的延长,含水量为12%和16%核桃的LOX 活性显著低于IR4%干制核桃、IR8%偏高水分核桃的LOX 活性,与前文中核桃过氧化值与丙二醛含量的变化规律类似,这可能是因为低含水量下核桃水的单层膜包围的大分子变得不连续,LOX 更易于脂质接触[29],进而发生氧化。
PPO 是核桃在贮藏过程中导致酶促褐变的主要酶类。由图6(b)可知,与IR 预处理对LOX 的抑制作用相似,在整个贮藏期,所有相同含水量的IR 组核桃的PPO 活性(3.5~8.5 U/g)都显著低于CK 组核桃(5.0~11.4 U/g),表明IR 预处理也抑制PPO 的活性,这可能与IR 预处理的热效应与非热效应破坏PPO 的结构而使其失活有关[30]。随着贮藏时间的延长,所有核桃的PPO 活性呈现先上升后下降趋势,第60 天达到最大值(4.9~11.4 U/g)。含水量对核桃PPO 活性存在明显的影响,PPO 活性随着含水量的降低而降低。周新群等[31]也发现脱水处理可以降低紫薯的PPO 活性。
IR 预处理2 min 再热风干燥是制备硬度较低、贮藏品质较好的偏高水分核桃的有效措施。IR 预处理通过抑制偏高水分核桃的脂氧合酶、多酚氧化酶的活性,抑制脂质氧化,减少游离脂肪酸、过氧化物与丙二醛的生成;并且通过抑制多酚氧化,提高总酚含量,减少可溶性醌的生成,抑制色泽劣变。8%含水量核桃不仅具有更好的质构与口感,而且具有一定的货架期,这可能与IR 预处理促进酚类物质溶出及抑制脂氧合酶和多酚氧化酶活性有关。本研究结果为偏高水分核桃的加工与利用提供了一定的理论支持。
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