胡萝卜冷、热加工后力学性能变化及与水状态关系的研究

摘要

胡萝卜中含有丰富的类胡萝卜素、维生素、矿物质等营养成分，色泽鲜亮，是中外调理食品中主要的原料。在蒸煮、热烫和冻结等调理加工中，胡萝卜不但营养成分会严重损失，其质构品质也会发生明显变化，严重影响最终产品的价值。本研究以胡萝卜作为根、茎类蔬菜代表，针对其质构品质变化，采用动态力学分析方法研究了不同温度/速率下胡萝卜存储模量（G′）、损耗模量（G″）、损耗因子（Tanδ）和硬度等力学性能参数和细胞结构的变化信息，建立了胡萝卜组织中水分状态、力学性能及玻璃化转变间的定量回归关系。研究结果为改善贮藏、加工品质提供基础性数据。本文包含以下几方面的内容：
　　（1）利用动态热机械分析（DMA）方法，在30℃~90℃范围内对胡萝卜连续升温扫描。结果显示样品的G′、G″、Tanδ和模量的温度斜率负峰（反映弹性模量快速下降）均依赖于温度和升温速率。慢速升温（0.5℃/min）时，样品的Tanδ快速升高，温度斜率负峰出现在48℃~60℃低温区，而快速升温（2℃/min）时则出现在67℃~75℃高温区。相对于慢速升温，快速升温时样品的G′和G″值均明显升高，而Tanδ值明显下降。质构分析也显示，快速升温时最终所得样品的硬度和脆性均显著高于慢速升温时的值。
　　研究结果说明在胡萝卜蒸煮、烫漂等实际热加工时，快速加热有利于保持产品的脆性质构。
　　（2）采用流变仪、质构仪等方法研究了低温烫漂（60℃，40min）和高温烫漂（90℃，4min）预处理对胡萝卜蒸煮后的动态黏弹特性、蠕变行为、质构特性以及细胞结构的影响。获得了胡萝卜动态频谱响应特性，在0.1s-1~100 s-1内，随外力频率增大处理样品的Tanδ下降。所有样品的蠕变特性均可通过六元件的广义Kelvin-Voigt模型精确拟合，相关系数R2≥0.999。相对于高温烫漂，低温烫漂样品的硬度和内聚性等质构特性、G′和G″显著增加，而Tanδ、瞬时弹性柔量（J0）、延迟弹性柔量（J1和J2）、稳态黏性柔量（1/ηN）和延迟时间（λ2）显著下降。低温烫漂较好地保持了组织热处理后液泡、细胞间隙和细胞壁等细胞结构的完整性，是组织弹性强度和质构品质增加，黏性行为降低的直接原因。
　　偏最小二乘（PLS）线性回归分析结果显示热处理样品的机械参数与感官质构特性具有较强的相关性，证实了机械参数对感官质构预测的可靠性。
　　（3）研究了冻融温度和冻融循环对胡萝卜动态黏弹特性、质构特性、细胞膜透性和细胞结构的影响。获得胡萝卜的动态频谱响应特性，在1Hz~55Hz内，慢速（-20℃）冻结和慢速（4℃）解冻处理与冻融循环处理样品的Tanδ经过16Hz~30Hz中间频区明显的上升转折后，随外力频率增大而不断升高。而其它处理样品经过16Hz~45Hz中间频区 Tanδ峰后小幅度上升甚至出现下降趋势。结果表明前者处理样品黏性较高，在外力作用下组织内部损耗增加。相对其它处理，快速（-196℃）冻结和快速（18℃）解冻降低了样品的Tanδ，增加了其 G′、G″、硬度和脆性。第一次冻融循环条件是影响组织力学性能参数的关键因素。研究结果说明冷冻产品流通中经历第一次的温度波动（冻融）足以破坏其质构品质。冻融组织细胞膨胀压丧失和细胞壁结构的差异是导致组织黏弹行为和质构品质改变的直接原因。
　　（4）通过热风干燥和远红外辅助热泵干燥两种方法获得了不同脱水状态的胡萝卜组织，并研究了不同水分状态与组织的力学性能和玻璃化转变状态间的关系。干燥方式、干燥时间和干燥温度不同，组织剩余水分的状态也不同，其 Tanδ的动态频谱响应也明显不同。随干燥时间增加，组织的Tanδ随外力频率增大而升高的趋势越明显。组织的Tanδ值随干燥进行也一直呈升高趋势。这意味着组织黏性增大，在外力作用下组织内部损耗增加。核磁共振图谱显示，组织中自由水含量较高时，发生部分玻璃化转变，其玻璃化转变温度（T′g）基本相同。当组织中自由水全部脱除时，玻璃化转变温度（Tg）值均随半结合水含量的减少而升高。基于以上数据，本研究建立了胡萝卜组织中水分状态与力学性能和 Tg间的定量回归关系，并得出组织中自由水变化与 G′变化呈正相关，而与Tanδ变化呈负相关，半结合水则与G′变化呈负相关，而与Tanδ变化呈正相关。自由水变化对组织力学性能的变化起关键作用。组织中自由水全部脱除时，降低组织中半结合水的含量，可提高其Tg，有利于降低组织内部损耗，维持组织弹性强度。

目录

声明

中英文缩写词对照表

第一章 绪 论

1.1果蔬冷、热加工简介

1.2冷、热处理对果蔬力学性能的影响

1.3冷、热处理对果蔬水分状态及玻璃化转变的影响

1.4冷、热处理对果蔬细胞结构的影响

1.5果蔬水分状态、力学性能及玻璃态间关系的研究

1.6本文的研究内容

第二章 胡萝卜温度－模量关系研究

2.1材料与方法

2.2结果与讨论

2.3本章小结

第三章 烫漂热处理对胡萝卜力学性能和细胞结构的影响

3.1材料与方法

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 多次冻融对胡萝卜力学性能和细胞结构的影响

4.1材料与方法

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章 不同水分状态与胡萝卜力学性能和玻璃态关系的研究

5.1材料与方法

5.2结果与讨论

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3研究展望

参考文献

读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢