果蔬采后呼吸强度大,贮藏期短且不耐碰撞,不利于流通运输和长期保存[1];而干燥技术能抑制微生物繁殖、钝化酶活,从而延长货架期[2-3]。冻干-压差膨化联合干燥(freeze-drying combined expansion puffing drying,FP)是先通过真空冷冻干燥(freeze-drying,FD)将物料中的冷冻冰直接从固相升华为水蒸气,脱除物料中大部分自由水,形成高孔隙骨架结构;再经压差膨化干燥(explosion puffing drying,EPD)使物料中的水分瞬间汽化,快速脱除剩余的自由水和部分结合水,促使物料形成具有更高酥脆度的多孔隙结构[4]。

质构是衡量果蔬脆片品质的关键指标。对于薄壁果蔬,微观结构的变化直接影响物料的力学特性及质构。在干燥过程中由于水分脱除,细胞结构相应发生变形和塌陷,常通过糖、大分子物质等浸渍预处理提高果蔬内容物含量,防止细胞结构干燥变形,以形成均匀的多孔隙结构,进而改善果蔬脆片酥脆质构。渗透处理通过改变初始孔隙状态,直接影响干燥过程中的结构演变路径。Wang等[5]使用赤藓糖醇、葡萄糖、麦芽糖和曲哈糖作为渗透剂对桃片进行渗透处理,结果发现糖浸渍可以抑制样品在干燥过程中大空腔结构的形成,使样品具有均匀的孔隙结构从而提升脆度。Liu等[6]使用大分子物质作为渗透剂对草莓片进行浸渍处理,结果发现大分子物质会积聚在细胞间隙及细胞壁周围,增加细胞壁厚度,干燥中随水分去除孔隙会形成特定结构进而提升草莓片弹性模量与硬度,改善产品质构。

新鲜果蔬的孔隙率较低,随着干燥过程的进行,物料中水分发生迁移进而从物料中脱除,从而会在果蔬内部形成更多的孔隙,促使内部水分通过孔隙向表面扩散,且孔隙尺寸会随着干燥进程逐渐增加[7-8]。干燥过程中,在毛细管吸附力的作用下,果蔬内部组织微观结构会发生皱缩、坍塌等,孔隙结构也会不断变化,造成物料物理性质和质构、口感的变化[9]。Mahiuddin等[10]分析孔隙结构会影响物料的收缩率与膨化度,从而影响干燥产品的质构;Zhu等[11]使用热风结合二氧化碳膨化干燥对苹果片进行干燥处理,发现干燥过程中的细胞脱水和不同的压力会导致苹果片的结构产生不同程度的膨胀,使样品呈现低收缩率和高脆度的特点。但对于果蔬干燥过程中的孔隙演变规律及其与物料力学特性和质构特性的关系还不清晰。

本研究以水蜜桃为对象,分别采用蔗糖(SUC)与低聚木糖(xylooligosaccharides,XOS)进行浸渍预处理,探究FD和FP过程中水蜜桃片微观结构、孔隙结构、应力-松弛参数、TPA相关指标的变化,分析干燥过程中水蜜桃片孔隙结构对力学特性及质构的影响,旨在为果蔬干燥制品的功能性设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

水蜜桃,江苏省农科院国家果蔬种植桃资源圃。由于新鲜水蜜桃的收获和贮藏期都很短,常采用冷冻桃作为进一步深加工的原料。新鲜水蜜桃收获后运送至实验室,清洗、去皮、去核,制成直径为25 mm、厚度为5 mm的桃片,沸水烫漂60 s,冷却后放入-20 ℃冰箱中冷冻过夜,获得实验所需的水蜜桃片原料。

SUC(食品级)和XOS(食品级),山东圣协生物科技有限公司;甲醛-乙酸-乙醇混合( FAA )固定液(纯度≥70%),北京百旺通达科技有限公司;二甲苯(纯度≥99%)、无水乙醇(纯度≥95%)等,国药集团化学试剂有限公司;分化液(纯度≥99%)、返蓝液(纯度≥99%)、苏木素染液(纯度≥99%),武汉塞维尔生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

BLK-FD-0.5型真空冷冻干燥设备,江苏博莱客冷冻科技发展有限公司;QDPH-5型压差膨化干燥设备,天津市勤德新材料科技有限公司;CT3-25K型质构仪,美国Brookfield公司;H-7650型透射电子显微镜,上海铸金分析仪器有限公司。BS224S型电子分析天平,北京赛多利斯科学仪器公司;HZQ-F100型全温度振荡培养箱,太仓市华美生化仪器厂;JJ-12J型脱水机、JB-P5型包埋机,武汉俊杰电子有限公司;Nikon Eclipse E100型正置光学显微镜、Nikon DS-U3型成像系统,日本尼康株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

1) FD。将解冻后水蜜桃片分别用质量分数为20%的SUC溶液或XOS溶液真空浸渍1 h,浸渍压力为0.08 MPa。浸渍后水蜜桃片摆放到冷冻盘上,将冷冻盘放入真空冷冻干燥设备中,在常压、-35 ℃条件下预冻4 h。待冷阱温度降至-35 ℃后,开启真空泵使干燥室压力维持在100 Pa以下。FD的分段升温程序为-30 ℃保持2 h,每2 h升温10 ℃(-20、-10、0、10、20、30、40 ℃各2 h),逐步升温至50 ℃并维持4 h,获得FD水蜜桃片样品,分别标记为SUC+FD和XOS+FD,以未浸渍处理作为对照,标记为CK+FD。

2) FP。将解冻后水蜜桃片分别用质量分数为20%的SUC溶液或XOS溶液真空浸渍1 h,浸渍压力为0.08 MPa。浸渍后水蜜桃片摆放到冷冻盘上,放入冷冻仓里,开启真空泵,FD至水分含量达到60%;接着放入4 ℃冰箱均湿过夜,将均湿的样品在FP设备中加热至80 ℃,保持0.2 MPa压力。真空干燥温度为65 ℃,干燥至水分含量为5%,获得FP水蜜桃片样品,分别标记为SUC+FP和XOS+FP,以未浸渍处理作为对照,标记为CK+FP。

将CK+FD、SUC+FD、XOS+FD、CK+FP、SUC+FP、XOS+FP 6组样品分别在干燥前、干燥至水分含量60%、45%、30%、5%时取样,用来进行孔隙结构、力学特性及质构特性指标的测定。

1.3.2 二维孔隙结构测定

过碘酸-希夫(PAS)染色:将不同水分含量的水蜜桃片中心部分切成1 cm×1 cm×0.5 cm的小块,用体积分数70%乙醇的FAA固定液常温保存。样品经石蜡切片后,依次进行高碘酸染色15 min、蒸馏水清洗、雪弗染色30 min(避光)、流水冲洗5 min、苏木素染色、分化液分化、返蓝液返蓝、脱水,最后用中性树脂封片,显微镜镜检并采集图像。参考杨佳琪[12]的方法,采用CaseViewer 2.4软件截取相同放大倍数的PAS染色图并加深颜色,利用Image J 1.8.0软件进行灰度转化、二值化处理以孔隙边缘轮廓识别、孔隙内杂质消除;通过Adobe Photoshop 2020填补孔隙间孔隙、修复破裂孔隙边缘,调整对比度及亮度,获得最终图像。基于处理后的图像,计算二维孔隙参数,包括平均孔隙横截面面积、周长、当量直径及孔隙圆度。

1.3.3 三维孔隙结构测定

参照Zielinska等[13]和曹梦丹等[14]的方法并稍加修改,测定不同水分含量水蜜桃片的体积密度和颗粒密度并计算其孔隙度。体积密度采用排棕榈油法:将水蜜桃片浸入熔融蜡液使其被完全包裹,随后浸入棕榈油测定体积,采用电子天平测得的质量计算体积密度。颗粒密度测定采用比重瓶法:将样品于105 ℃干燥12 h后研磨成粉,取2.00 g样品装入50 mL比重瓶,依次测定空瓶质量、装满无水二甲苯后质量、样品与空瓶质量及样品加二甲苯后的总质量,计算颗粒密度。

1.3.4 应力-松弛特性曲线测定

参照孔凡婷等[15]、Zhu等[16]方法对不同水分含量下水蜜桃片的应力-松弛特性进行测定。用游标卡尺测量不同水分含量水蜜桃片的厚度,运用PS软件计算不同水分含量水蜜桃片的面积。采用质构仪进行应力-松弛曲线的测定,将样品平放在质构仪操作台上,探头为TA25/1000,目标值为形变量20%,触发点负荷0.098 N,测试速度为1 mm/s。实验过程中力-时间曲线分为压缩段和松弛段两部分。随着形变量的增加,受力F值增加,当压缩达到形变量为20%时受力达到最大,记录为Fmax。

压缩段应力与应变数值按式(1)～式(3)计算,运用式(4)拟合载荷部分的应力-应变曲线。

(1)

(2)

(3)

σ(ε)=Eε+dεp。

(4)

式(1)～式(4)中,σ为应力,MPa;F为负荷,N;A为样品的横切面面积,cm2;σmax为最大应力,MPa;Fmax为最大负荷,N;ε为应变,%;ΔL为位移或距离(厚度改变量),mm;L为样品压缩前原始厚度,mm;E为弹性模量,MPa;p为黏性指数;d为黏弹性参数,MPa。

松弛段曲线用Maxwell三元流变模型进行拟合,此流变模型由 2 个虎克体和一个阻尼体组合而成,多数农业物料的应力-松弛特性都可以用此流变模型来描述,其数学模型计算见式(5)、式(6)。

(5)

η=TE1。

(6)

式(5)、式(6)中,F(t)为物料承受的载荷,N;t为松弛实验时间,s;D0为定变形量,mm;E0为平衡弹性系数,N/mm;E1为衰变弹性系数,N/mm; T为松弛时间,s;η为阻尼体黏滞系数,N·s/mm。

不同水分含量的水蜜桃片平行测定10次,并运用非线性拟合对原始数据进行拟合求解,取其平均值,得到压缩段σmax、E和松弛段E0、E1 、T、η参数。

1.3.5 质构特性测定

参照Li等[17]方法,运用质构仪对不同水分含量的水蜜桃片样品进行测定,将样品平放在质构仪操作台上选用TA25/1000探头,目标值为形变量20%,触发点负荷0.098 N,测试速度为1 mm/s,选择 TPA 模式进行二次压缩。每种样品进行10次测量,去除最大值与最小值后,计算出硬度、咀嚼性、胶着性和弹性各指标的平均值。其中硬度是指在仪器测定或者感官咀嚼固体食物时,断裂所需最大的力;咀嚼性是将食物从固体状态咀嚼到可吞咽状态时牙齿所用的功,咀嚼性越大,则样品越难被嚼碎,也就越缺乏酥脆的口感;胶着性为样品的黏性强度,计算公式为硬度与黏聚性的乘积,其中黏聚性为2次压缩正峰面积的比值;弹性是指压缩至目标形变量后,样品可恢复的程度。

1.4 数据处理

微观结构参数采用Image J 1.8.0软件计算,其余实验数据由Excel 2023、IBM SPSS Statistics 25软件进行分析。运用Duncan方法进行显著性分析,P<0.05表示差异性显著。采用Origin 2021软件进行主成分分析与相关性分析并绘图,实验结果以平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 水蜜桃片干燥过程中二维孔隙结构变化分析

水蜜桃片干燥过程中二维孔隙结构变化如图1。由图1可知,干燥前未浸渍的水蜜桃片细胞大小基本一致,排列均匀;经过SUC与XOS浸渍后的水蜜桃片组织结构存在明显差异,SUC浸渍后细胞整体孔隙结构更加紧密,且边缘清晰,更为饱满,这是由于SUC渗入细胞,使桃片均匀结构被破坏,细胞间隙被SUC占据,细胞膨胀[18];XOS浸渍后水蜜桃细胞略有增大,大小不一,排列较为杂乱。CK+FD组随着干燥的进行,形成的孔隙结构逐渐变大;水分含量为45%和30%时,水蜜桃中孔隙大小差异较大,产生结构较大的孔隙;水分含量为5%时孔隙结构边缘清晰,孔隙大小无太大差异,较均匀。SUC+FD组孔隙结构变化较小,随着干燥的进行,有较大孔隙出现,但对原有孔隙结构保持较好;干燥结束后,孔隙大小较均匀,边缘清晰,这是由于SUC在干燥过程中可保护细胞膜和蛋白质结构,通过降低膜相变温度和维持蛋白质构象稳定性,减少细胞损伤。Wang等[5]研究表明,糖浸渍的样品具有均匀的孔隙结构,与本研究结果相似。XOS+FD组随着干燥的进行,孔隙逐渐增大,在水分含量为45%时,孔隙变化较为明显,产生较大的孔隙结构,但孔隙大小不一,在干燥结束后孔隙间断裂现象较为严重。

CK+FP组膨化过程中孔隙大小随着水分含量降低逐渐增大,个别孔隙结构较大,但多数孔隙大小变化不大;干燥结束后孔隙大小不一,多为较小的孔隙,同时,孔隙间隔发生较为明显的断裂,产生较多空腔。这是由于FP过程中瞬间泄压产生的膨化力,造成孔壁破裂,破碎孔隙组织结合,形成连续的多孔结构,产生较大孔隙[19]。SUC或XOS浸渍后再进行FP,孔隙结构变化较一致,水分含量为45%与30%时,较大孔隙个数明显减少,孔隙断裂现象明显改善,干燥结束后孔隙大小相对均匀。由图1可知,糖浸渍可以维持细胞结构完整性,抑制干燥过程中较大孔隙的形成,使水蜜桃片呈现出良好的孔隙结构。SUC浸渍可以固化细胞壁,填充细胞基质,促进小孔隙的形成[20];XOS可以通过增加凝胶强度,形成具有高黏度的网络结构,从而形成更小的孔隙结构[21];同时由于β键使其与半纤维素紧密连接,增加了孔隙结构的稳定性[22]。

2.2 水蜜桃片干燥过程中二维孔隙结构参数变化

采用软件计算处理图1后得到水蜜桃片在干燥过程中二维孔隙结构参数变化(表1)。由表1可知,干燥前SUC+FD、SUC+FP的孔隙截面面积显著小于CK+FD、CK+FP(P<0.05),XOS+FD、XOS+FP的孔隙截面面积显著大于CK+FD、CK+FP(P<0.05)。这可能是由于水蜜桃片浸渍在SUC溶液中时,由于细胞内液的渗透压低于SUC溶液的渗透压,细胞内的水分会向SUC溶液一侧扩散。随着水分的流失,细胞内的物质含量相对升高,细胞会发生皱缩,从而导致产生的孔隙体积减小,孔隙截面面积也就相应变小。XOS能够在细胞表面形成一层保护膜,减少水分的蒸发,这有助于在干燥前保持细胞的膨胀状态,使产生的孔隙具有更大的截面面积[23]。FD过程中,随着水分含量的降低,CK+FD、SUC+FD、XOS+FD的孔隙截面面积逐渐增加并存在显著性差异(P<0.05);SUC+FD、XOS+FD的孔隙截面面积要显著低于CK+FD的孔隙截面面积(P<0.05)。FD结束后,CK+FD的孔隙截面面积显著高于SUC+FD、XOS+FD的孔隙截面面积(P<0.05),说明SUC浸渍与XOS浸渍会对孔隙结构起到保护作用。FP过程中,水分含量为45%和30%时,SUC+FP、XOS+FP孔隙结构较小且排列紧密,孔隙结构参数显著低于CK+FP(P<0.05),并且SUC+FP的孔隙小于XOS+FP的孔隙。干燥结束后,CK+FP、SUC+FP、XOS+FP的孔隙差异较大;CK+FP的孔隙断裂严重,大小不一,说明糖浸渍可以加强细胞壁结构,减少大孔隙的形成,很好地改善了孔隙断裂情况[24]。对比FD与FP可以看出,SUC+FD和XOS+FD组的水蜜桃脆片的孔隙截面面积要大于SUC+FP和XOS+FP组,糖浸渍对于FD处理和FP处理的水蜜桃片原有孔隙结构均具有保护作用。

孔隙截面周长与孔隙当量直径的变化情况与孔隙截面面积的一致。在孔隙截面周长与孔隙当量直径方面,水分含量为45%时,SUC+FD、XOS+FD组差异显著(P<0.05);水分含量为45%和30%时,SUC+FP、XOS+FP组的孔隙周长与当量直径无明显差异(P>0.05);干燥结束后,CK+FD、SUC+FD、XOS+FD组的孔隙周长与当量直径比CK+FP、SUC+FP、XOS+FP组的要大,并且SUC+FP与XOS+FP组的孔隙周长与当量直径之间无明显差异(P>0.05)。从孔隙圆度上看,CK+FD、CK+FP组的孔隙圆度要略高于SUC+FD、XOS+FD、SUC+FP、XOS+FP组;在干燥过程中,各组之间的孔隙圆度变化无明显差异(P>0.05)。

2.3 水蜜桃片干燥过程中三维孔隙结构变化分析

水蜜桃片干燥过程中体积密度、颗粒密度与孔隙度的变化见表2。由表2可知,CK+FD、CK+FP组的体积密度无显著性差异(P>0.05),经SUC浸渍后SUC+FD、SUC+FP组的体积密度有所增加,XOS浸渍后XOS+FD、XOS+FP组的体积密度降低。这是由于糖液的浸入与水分的脱除使水蜜桃片的体积在一定程度上发生改变,导致体积密度变化[25]。FD过程中,随着水分含量的降低,样品体积密度逐渐降低;FD结束后,样品质量显著降低,但体积变化较小,因此FD结束后体积密度达到最低。FP过程中,体积密度也随着干燥的进行逐渐降低,由于FD对物料形态保持较好,物料收缩率较低[26],因此在干燥结束后FD处理得到的桃脆片的体积密度要显著低于FP处理(P<0.05)。颗粒密度是颗粒的质量除以不包括孔隙在内的颗粒体积。通过对比发现,FD与FP过程中,颗粒密度随着水分含量的降低呈现出先升高后降低的趋势;FD过程中,SUC+FD、XOS+FD组的颗粒密度要显著低于CK+FD组(P<0.05)。FP结束时,SUC+FP、XOS+FP组的颗粒密度要显著高于CK+FP组,且SUC+FP组要显著高于XOS+FP组(P<0.05)。

FD过程中,SUC+FP、XOS+FP组的孔隙度要显著低于CK+FP组(P<0.05)。这是由于FD升华阶段,孔隙形成方式主要是冷冻过程中形成的冰晶在后续干燥过程中升华,糖可以降低形成冰晶的大小,控制形成孔隙的尺寸。通过孔隙度对比可以看出,在FD过程中,随着水分含量的降低,孔隙度逐渐上升,并在干燥结束后达到最大值,本研究中孔隙度随干燥进程增加的趋势与Tan等[9]的研究结果一致,即水分脱除导致孔隙结构逐渐形成。FP后,SUC+FP组水蜜桃脆片的孔隙度与CK+FP和XOS+FP组水蜜桃脆片呈显著性差异(P<0.05);CK+FP、XOS+FP组水蜜桃脆片的孔隙度差异不显著(P>0.05)。

2.4 水蜜桃片干燥过程中应力松弛特性分析

一般来说,大多数食品属于黏弹性物料,应力松弛特性可以很好地反映物料内部的结构,也可以预测食品黏弹状态[27]。水蜜桃片干燥过程中压缩参数见表3。E表示固体样品的刚性特征,E值越高,表明样品的刚性越强[28-29]。

由表3可知,干燥前SUC+FD、XOS+FD、SUC+FP、XOS+FP组的E值要显著低于CK+FD、CK+FP组(P<0.05)。这可能是因为水蜜桃片在糖浸渍过程中,糖分渗透和细胞内外渗透压的平衡调节,使细胞壁和细胞内的水分发生重新分布。这种水分的变化可能导致孔壁的结构变得更为松弛,从而降低了水蜜桃片的刚性特征。FD过程中,E值先降低后升高,在水分含量为60%时降至最低,干燥完成后达到最大。这可能是由于在水蜜桃片冷冻阶段,冰晶的生成与扩展会对细胞结构造成一定程度的破坏。这种破坏会进一步影响后续的干燥过程。在干燥前期,因冰直接升华去除桃片中的部分水分,导致细胞结构松散,其刚性特征也随之降低[30]。在干燥的后期,随着水分的不断减少,物料会发生干燥收缩。这种收缩会使物料的结构变得更加紧致,分子间的相互作用力增强,从而导致刚性特征值的进一步升高[31]。FP组的 E 值显著高于FD组(P<0.05),且E值随着FP的进行呈逐渐升高的趋势。这可能是由于EPD阶段水蜜桃片从高压环境释放至低压环境,桃片内部的水分迅速蒸发并产生大量的气体,导致物料体积快速膨胀,使物料内部的孔隙结构更加发达,从而增加了物料的刚性;同时,EPD的真空干燥阶段,FD过程形成的一些开放孔逐渐闭合,这不仅增加了闭合孔的数量,更在桃片的表面形成了一层硬壳。糖浸渍均可提升水蜜桃片的E值,且XOS+FP组显著大于SUC+FP组。在σmax方面,σmax的大小与硬度有关。干燥前CK+FD、CK+FP组的σmax值最大,XOS+FD、XOS+FP组的σmax值最小。这可能是由于桃片本身因内部水分充沛而维持较高的孔隙膨压,加之其固有纤维结构与果胶物质形成的支撑体系使σmax值最大;而糖浸渍后会脱除物料中一部分水分,造成物料应力下降。在干燥过程中水分含量为60%时,σmax值最低,并随着干燥的进行逐渐上升,在干燥完成后达到最大值。FP组σmax值要明显高于FD组,与CK相比,SUC 、XOS 浸渍后能够显著提升σmax值。在FD中,SUC浸渍的效果更加显著,XOS+FD与CK+FD组得到的σmax值无明显差异(P>0.05);FP后XOS+FP组σmax值显著高于SUC+FP组(P<0.05)。

表4为水蜜桃片干燥过程中的松弛特性指数。干燥后水蜜桃片水分含量均为5%,此时脆片水分含量过低,体现出较高的酥脆性,无法测得此状态下的松弛特性。E0代表果实果肉的弹性,其值越大,细胞壁弹性越强,果肉的硬度越高;T与η代表果实果肉的黏性部分,其值越大,代表果肉的黏性越低[32]。由表4可知,干燥前CK+FD、CK+FP组的E0值显著高于SUC+FD、XOS+FD、SUC+FP、XOS+FP组,该结果与表3结果一致。FD过程中,CK+FD、SUC+FD、XOS+FD组的E0值随着水分含量的降低逐渐升高。这可能是由于FD过程中,随着水分含量的降低果蔬片内部会形成疏松多孔的海绵状结构。这种结构使得果肉在受到外力作用时能够更好地吸收和分散应力,从而表现出更高的弹性。FP过程中CK+FP、SUC+FP、XOS+FP组的E0值随着水分含量的降低逐渐降低,这可能是由于EPD通过高温加压后瞬间泄压,破坏了果肉原有的细胞紧密排列,使细胞无规则变形,体积变大,部分细胞甚至出现塌陷,细胞膨压改变,果肉弹性降低[33]。干燥前CK组水蜜桃片E1值显著高于糖浸渍后,且三者之间存在显著性差异(P<0.05)。SUC+FD、XOS+FD、SUC+FP、XOS+FP组水蜜桃片的T值要高于CK组,其中XOS+FD、XOS+FP组的T值最高,且SUC+FD、 SUC+FP组与CK+FD、CK+FP组之间无显著性差异(P>0.05);在干燥过程中,T值变化趋势为先减后增,且在水分含量为60%时降至最低。FP过程中,T值小于FD。在η值方面,与CK+FD、CK+FP组相比,SUC+FD、XOS+FD、SUC+FP、XOS+FP组可以明显降低干燥过程中的η值,且SUC+FD、 SUC+FP组与XOS+FD、XOS+FP组无显著性差异(P>0.05);FD过程中,η值逐渐上升;FP过程中,3个处理组的η值呈逐渐下降趋势。

2.5 水蜜桃片干燥过程中质构参数变化分析

质构特性是影响消费者选择的重要指标。水蜜桃片干燥过程中硬度、咀嚼性、胶着性、弹性变化见表5。由表5可知,在硬度方面,FD过程中,随着干燥的进行硬度呈现先降低后上升的趋势,在水分含量为60%时硬度最低,这与表3的结果一致;FD结束后,糖浸渍可以增加水蜜桃片的硬度(P<0.05),SUC+FD组桃片的硬度最大。FP过程中,糖浸渍后桃片硬度显著高于FD处理(P>0.05)。干燥完成后, FP处理的水蜜桃片硬度大于FD处理,SUC+FD、 SUC+FP组的硬度大于XOS+FD、XOS+FP组,且SUC+FP组与XOS+FP组所得桃片硬度无显著差异(P>0.05)。结果表明,微观结构的不同造成了样品硬度的不同[34-35]。

咀嚼性分析表明,糖浸渍能够降低水蜜桃片的咀嚼性。这可能是由于水蜜桃片在糖浸渍过程中,高浓度的糖溶液会使水蜜桃细胞中的水分向外渗出,造成细胞失水收缩。形成的孔隙结构改变使得水蜜桃片的质构发生变化,原本紧密的孔隙排列变得松散,从而降低了咀嚼时的阻力,导致咀嚼性下降[36]。FD过程中,随着干燥的进行,咀嚼性先降低后增加,在干燥结束后达到最大值。这可能是由于干燥后期,随着水分含量的进一步降低,食品产生一定的硬度来保持其形状和稳定性,干燥结束后食品硬度最大,因此咀嚼性达到最大值[37-38]。FD与FP过程中,胶着性变化无明显规律,但糖浸渍可以适当减小CK组的胶着性。这可能是由于糖类物质在干燥过程中发生玻璃化转变,形成玻璃态结构,固定桃片形态,减少了分子间相互作用,从而降低CK组的胶着性。通过对比发现,干燥结束后,SUC+FD组桃片胶着性显著高于CK+FD和 XOS+FD组(P>0.05)。

干燥过程中样品弹性均逐渐降低。FD、FP后,CK组桃片的弹性要明显高于糖浸渍组;其中CK+FD组得到的桃片弹性最高,XOS+FD 组次之,SUC+FD 与 CK+FP组桃片无显著性差异(P>0.05),SUC+FP与XOS+FP组之间不存在显著性差异(P>0.05)。

2.6 水蜜桃片干燥过程中力学特性与质构特性的关联分析

2.6.1 相关性分析

图2为干燥过程中不同处理水蜜桃片孔隙特性与质构特性指标的相关性分析。由图2可知,二维孔隙结构参数指标(孔隙截面面积、孔隙周长、当量直径)与体积密度呈极显著负相关(P<0.01),与三维孔隙结构呈极显著正相关(P<0.01);孔隙面积与弹性呈显著负相关(P<0.05),与E呈显著正相关(P<0.05);孔隙周长与硬度、胶着性、弹性、 η 呈极显著负相关(P<0.01),与咀嚼性、E0、E1、σmax 呈显著负相关(P<0.05),与E呈极显著正相关(P<0.01);当量直径与硬度、胶着性、弹性、η 呈显著负相关(P<0.05),与E呈显著正相关(P<0.05)。除E外的应力松弛特性指标均与TPA参数、体积密度呈显著(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01),与三维孔隙结构、颗粒密度呈显著(P<0.05)或极显著负相关(P<0.01),E与弹性呈极显著负相关(P<0.01),与体积密度呈显著负相关(P<0.05)。三维孔隙结构与孔隙截面面积、孔隙周长、当量直径、颗粒密度呈极显著正相关(P<0.01);与应力松弛指标、TPA参数、体积密度呈显著(P<0.05)或极显著负相关(P<0.01)。Renshaw等[39]研究发现,孔隙率是影响质构特性的关键参数。当孔隙率较低时,材料结构致密化导致断裂能耗增加,从而使口感偏硬。

2.6.2 主成分分析

水蜜桃片孔隙特性与质构特性主成分分析载荷图见图3。通过对干燥过程中微观结构、应力松弛、质构特性、孔隙度等指标进行主成分分析,能够评价干燥过程中孔隙与质构的相关关系[40]。

水蜜桃片3个主成分的载荷图见图3(a)。各主成分指标的载荷量绝对值越大,代表该指标对相应的主成分影响越大。第一主成分(PC1)的累计贡献率为59.70%,其中σmax、松弛特性指标、硬度、咀嚼性、胶着性、体积密度、孔隙度的载荷绝对值较高,由此可知,质构特性指标和孔隙特性参数对PC1影响较大。结合图2相关性分析可知,硬度与σmax、E0、E1、T、η、咀嚼性和胶着性呈极显著正相关(P<0.01),可以作为质构特性的代表性指标;孔隙度与σmax、E0、E1、T、η、咀嚼性、胶着性和体积密度呈极显著负相关(P<0.01),与弹性呈显著负相关(P<0.05),与颗粒密度呈极显著正相关(P<0.01);因此选取硬度作为质构相关指标的代表,孔隙度作为三维孔隙特性指标的代表。由图3(b)可知,硬度等质构相关指标、松弛特性相关指标、体积密度主要分布于PC1的正轴上,孔隙度、颗粒密度、孔隙结构等指标主分布于PC1的负轴上,因此PC1主要反映了干燥过程中水蜜桃片在质构方面的综合指标,其中孔隙度作为三维孔隙指标对硬度代表的质构特性指标影响较大,呈显著负相关性(P<0.01)。第二主成分(PC2)的累计贡献率为17.3%,主要影响指标有孔隙截面面积、孔隙周长、当量直径、E、弹性。结合图3(c)发现,除弹性、颗粒密度、体积密度位于PC2负半轴之外,其余指标均位于PC2正半轴上。结合相关性分析可知,孔隙周长与松弛特性、TPA参数呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关,与孔隙度、E呈显著正相关(P<0.05),因此PC2主要反映了二维孔隙结构对质构特性的影响,其中孔隙周长主要与硬度等质构特性指标呈显著负相关(P<0.01)。第三主成分(PC3)的累计贡献率为10.1%,主要影响指标为孔隙圆度、弹性、E、T等;且弹性、咀嚼性、孔隙度、孔隙结构参数及应力松弛特性指标位于PC3正半轴上,孔隙圆度、E、硬度、胶着性等位于PC3负半轴上。综合PC1～PC3可知,前三个主成分累计解释了87.10%的信息量,能够较全面表征干燥过程中孔隙结构与质构特性的耦合变化。其中,PC1体现孔隙度与质构强度的对立关系:孔隙度及孔隙结构相关指标沿PC1负向载荷增大时,硬度、σmax及松弛特性等质构强度指标沿PC1正向增强,说明三维孔隙度是驱动硬度变化的关键结构因子;PC2进一步揭示二维孔隙尺度特征对力学响应的贡献,孔隙周长等参数变化会改变样品受力传递路径与断裂行为,从而影响硬度与弹性模量;PC3则强调孔隙形态与弹性、黏弹响应之间的差异性关联,提示孔隙形状的规则化有助于改善回弹特性。

3 结 论

通过对水蜜桃片干燥过程中二维孔隙结构、三维孔隙结构、质构特性进行分析,探究了FD、FP过程中孔隙形成与质构特性的关系。研究发现,FD过程中,二维孔隙截面面积、孔隙截面周长、孔隙当量直径随水分含量降低逐渐增大,三维孔隙度随干燥进程逐渐升高,而体积密度逐渐降低;干燥结束后,FD处理样品体积密度显著低于FP处理样品。FD过程中,桃片孔隙结构完整性、弹性模量、最大应力和TPA参数数值均高于FP组。与未浸渍相比,糖浸渍可以明显改善细胞结构,促进较小孔隙的形成,孔隙结构更加稳定,对孔隙形态保持效果更好;经糖浸渍后水蜜桃片的E0、E1、η、咀嚼性显著低于未浸渍组(P<0.05),弹性模量、最大应力、硬度、胶着性、弹性与未浸渍组相比明显增加(P<0.05)。SUC浸渍与XOS浸渍相比,SUC浸渍可以增加水蜜桃片孔隙刚性、硬度,降低黏弹性;XOS浸渍对样品松弛特性与弹性方面的改善要优于SUC浸渍。通过对孔隙特性、力学特性及质构相关指标进行相关性分析发现,孔隙度与质构特性呈显著负相关(P<0.05),与孔隙结构完整性、弹性模量呈显著正相关(P<0.05);根据主成分分析可知,三维孔隙结构(孔隙度)对样品硬度影响较大;二维孔隙结构(孔隙周长)对样品硬度、弹性模量的影响较大,二维孔隙结构(孔隙圆度)对弹性影响较大。孔隙结构与硬度、弹性模量等质构特性密切相关,糖浸渍联合FP可通过调控孔隙结构显著改善水蜜桃片的质构特性。XOS作为SUC的替代品可赋予产品优良的质构性能。

参考文献：

[1] KASUNMALA I G G, NAVARATHNE S B, WICKRAMASINGHE I. Effect of drying methods on antioxidant activity of Syzygium caryophyllatum (L.) fruit pulp[J]. International Journal of Fruit Science, 2021, 21(1): 634-644.

[2] KUMAR G, KUMAR N, PRABHAKAR P K, et al. Foam mat drying: recent advances on foam dynamics, mechanistic modeling and hybrid drying approach[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2023, 63(26): 8275-8291.

[3] 刘丹阳, 周昊, 颜洋洋, 等. 不同干燥方式对马蓝叶的β-葡萄糖苷酶活性和药效成分的影响[J]. 生物质化学工程, 2023, 57(6): 32-36.LIU D Y, ZHOU H, YAN Y Y, et al. Effects of different drying methods on the glycosidase activity and effective components of Baphicacanthus cusia[J]. Biomass Chemical Engineering, 2023, 57(6): 32-36.

[4] 吴雨豪, 吕瑞玲, 周建伟, 等. 真空冷冻干燥技术在果蔬类食品加工中的应用现状[J]. 包装工程, 2023, 44(7): 85-95.WU Y H, LÜ R L, ZHOU J W, et al. Application status of vacuum freeze drying technology in fruit and vegetable processing[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(7): 85-95.

[5] WANG F Z, BI J F, LYU M Y, et al. Insight into the effect of osmosis agents on macro- and micro- texture, water distribution, and thermal stability of instant controlled pressure drop drying peach chips[J]. Food Chemistry, 2024, 440: 138236.

[6] LIU C J, XIANG K X, ZHANG B, et al. High-pressure-microjet homogenized macromolecules on texture formation of strawberry chips during freeze-drying[J]. Drying Technology, 2025, 43(9): 1407-1417.

[7] 谭礼斌. 果蔬多孔介质干燥热质传递及应力应变研究[D]. 西安:陕西科技大学,2017:58-92.TAN L B. Study on heat-mass transfer and stress-strain of fruit and vegetable porous media during drying process[D]. Xi’an: Shaanxi University of Science &Techno-logy, 2017: 58-92.

[8] 徐英英, 刘欣, 袁越锦, 等. 果蔬多孔介质干燥传热传质过程的孔道网络模拟及试验[J]. 陕西科技大学学报, 2017, 35(6): 135-139.XU Y Y, LIU X, YUAN Y J, et al. Pore network study of heat and mass transfer process for drying of fruit and vegetable porous media[J]. Journal of Shaanxi University of Science &Technology, 2017, 35(6): 135-139.

[9] TAN L B, YUAN Y J, ZHAO Z, et al. Insights in mecha-nism of drying shrinkage by pore-scale modeling of heat-moisture and stress-strain distribution for high-moisture porous media[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2023, 188: 108226.

[10] MAHIUDDIN M, KHAN M I H, KUMAR C, et al. Shrinkage of food materials during drying: current status and challenges[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2018, 17(5): 1113-1126.

[11] ZHU J X, LIU Y, ZHU C H, et al. Effects of different drying methods on the physical properties and sensory characteristics of apple chip snacks[J]. LWT-Food Science and Technology, 2022, 154: 112829.

[12] 杨佳琪.果蔬干燥过程微观组织结构变化的实验研究[D]. 西安:陕西科技大学,2020: 52-78.YANG J Q. Experimental study on microstructure changes of fruits and vegetables during drying[D]. Xi’an: Shaanxi University of Science &Technology, 2020: 52-78.

[13] ZIELINSKA M, SADOWSKI P, BASZCZAK W. Freezing/thawing and microwave-assisted drying of blueberries (Vaccinium corymbosum L.)[J]. LWT-Food Science and Technology, 2015, 62(1): 555-563.

[14] 曹梦丹, 张雪霞, 任文庭, 等. 干燥方式对毛竹细胞壁孔隙结构的影响[J]. 林业工程学报, 2021, 6(6): 58-65.CAO M D, ZHANG X X, REN W T, et al. Effect of drying methods on the cell wall pore structure of Phyllostachys edulis[J]. Journal of Forestry Engineering, 2021, 6(6): 58-65.

[15] 孔凡婷, 吴腾, 陈长林, 等. 籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建[J]. 农业工程学报, 2021, 37(7): 53-60.KONG F T, WU T, CHEN C L, et al. Mechanical properties and construction of constitutive model for compression and stress relaxation of seed cotton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Enginee-ring, 2021, 37(7): 53-60.

[16] ZHU R, SHEN J, LAW C L, et al. Combined calcium pretreatment and ultrasonic/microwave drying to dehydrate black chokeberry: novel mass transfer modeling and metabolic pathways of polyphenols[J]. Innovative Food Science &Emerging Technologies, 2023, 83: 103215.

[17] LI Y, ZHAO H, XIANG K X, et al. Factors affecting chemical and textural properties of dried Tuber, fruit and vegetable[J]. Journal of Food Engineering, 2024, 365: 111828.

[18] LYU J, YI J Y, BI J F, et al. Effect of sucrose concentration of osmotic dehydration pretreatment on drying characteristics and texture of peach chips dried by infrared drying coupled with explosion puffing drying[J]. Drying Technology, 2017, 35(15): 1887-1896.

[19] 于宛加, 金鑫, 胡丽娜, 等. 预干燥过程水分分布对热风-真空冷冻干燥桃脆片微观结构与质构的影响[J]. 食品科学, 2023, 44(15): 69-79.YU W J, JIN X, HU L N, et al. Effect of water distribution during pre-drying on the microstructure and texture properties of peach crisps produced by hot air-vacuum freeze drying[J]. Food Science, 2023, 44(15): 69-79.

[20] GUO J, LIU C J, LI Y, et al. Effect of sucrose and citric acid on the quality of explosion puffing dried yellow peach slices[J]. Drying Technology, 2022, 40(13): 2783-2793.

[21] MARTINS M, SGANZERLA W G, FORSTER-CARNEIRO T, et al. Recent advances in xylo-oligosaccharides production and applications: a comprehensive review and bibliometric analysis[J]. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2023, 47: 102608.

[22] ANARADO C E, CHUKWUBUEZE F M, OBUMSELU O F, et al. Production, properties and applications of xylooligosaccharides (XOS): a review[J]. Asian Journal of Applied Chemistry Research, 2022, 12(2): 1-10.

[23] 杨柳, 陈宇飞, 王磊, 等. 低聚木糖对米糠面包贮藏期间保水性的影响研究[J]. 粮食与油脂, 2016, 29(6): 33-35.YANG L, CHEN Y F, WANG L, et al. Effect of xyloo-ligosaccharide on water-retaining property of rice bran bread during storage[J]. Cereals &Oils, 2016, 29(6): 33-35.

[24] FARNETI B, KHOMENKO I, AJELLI M, et al. Ethy-lene production affects blueberry fruit texture and storability[J]. Frontiers in Plant Science, 2022, 13: 813863.

[25] SCHUDEL S, PRAWIRANTO K, DEFRAEYE T. Comparison of freezing and convective dehydrofreezing of vegetables for reducing cell damage[J]. Journal of Food Engineering, 2021, 293: 110376.

[26] CHEN B L, JANG J H, AMANI M, et al. Numerical and experimental study on the heat and mass transfer of kiwifruit during vacuum freeze-drying process[J]. Ale-xandria Engineering Journal, 2023, 73: 427-442.

[27] 卢丹. 基于流变特性和介电特性的猕猴桃品质检测技术 [D]. 西安:陕西师范大学,2019: 55-88.U D. Kiwifruit quality detection technology based on rheological and dielectric properties[D]. Xi’an: Shaanxi Normal University, 2019: 55-88.

[28] 钮怡清, 胥义. 哈斯鳄梨应力松弛力学特性及货架期预测模型[J]. 食品与发酵工业, 2017, 43(11): 75-80.NIU Y Q, XU Y. Research on stress relaxation properties and shelf life prediction of ‘Hass’ avocado[J]. Food and Fermentation Industries, 2017, 43(11): 75-80.

[29] SINHA A, BHARGAV A. Young’s modulus estimation in food samples: effect of experimental parameters[J]. Mechanics &Industry, 2020, 21(4): 404.

[30] 王海鸥, 王前菊, 闫秋菊, 等. 多元糖浸渍处理对真空冷冻干燥苹果片品质及微观孔隙结构的影响[J]. 食品与发酵工业, 2020, 46(16): 43-48.WANG H O, WANG Q J, YAN Q J, et al. Effect of polysaccharide impregnating treatment on the quality and microstructure of vacuum freeze-dried apple slices[J]. Food and Fermentation Industries, 2020, 46(16): 43-48.

[31] LI D M, ZHU Z W, SUN D W. Effects of freezing on cell structure of fresh cellular food materials: a review[J]. Trends in Food Science &Technology, 2018, 75: 46-55.

[32] LIU C J, LIU J X, LI D J, et al. Cell wall components, cell morphology, and mechanical properties of peach slices submitted to drying[J]. Drying Technology, 2020, 38(13): 1776-1789.

[33] 储亚萍. 食品真空冷冻干燥技术研究概述[J]. 安徽农学通报, 2020, 26(18): 193-194.CHU Y P. Overview of food vacuum freeze-drying technology[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2020, 26(18): 193-194.

[34] 于笑颜, 吕健, 毕金峰, 等. 基于果胶特性改变的罐藏黄桃质构软化机制[J]. 食品科学, 2020, 41(19): 45-52.YU X Y, LÜ J, BI J F, et al. Mechanism for texture softening of canned yellow peaches based on modification of pectin characteristics[J]. Food Science, 2020, 41(19): 45-52.

[35] HE Y Q, BOSE S K, WANG W X, et al. Pre-harvest treatment of chitosan oligosaccharides improved strawberry fruit quality[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2018, 19(8): 2194.

[36] LV J H, ZHENG T, SONG Z L, et al. Strawberry proteome responses to controlled hot and cold stress partly mimic post-harvest storage temperature effects on fruit quality[J]. Frontiers in Nutrition, 2022, 8: 812666.

[37] LV W Q, ZHANG M, BHANDARI B, et al. Analysis of drying properties and vacuum-impregnated qualities of edamame (Glycine max (L.) Merrill)[J]. Drying Technology, 2017, 35(9): 1075-1084.

[38] 张嗣伟, 吕健, 毕金峰, 等. 渗透脱水循环处理对糖液及桃片理化特性的影响[J]. 食品科学技术学报, 2022, 40(4): 127-137.ZHANG S W, LÜ J, BI J F, et al. Effect of cycle treatment of osmotic dehydration on physicochemical characteristics of sugar solution and peach slices[J]. Journal of Food Science and Technology, 2022, 40(4): 127-137.

[39] RENSHAW R C, ROBINSON J P, DIMITRAKIS G A, et al. Characterisation of potato crisp effective porosity using micro-CT[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2016, 96(13): 4440-4448.

[40] WANG J, MUJUMDAR A S, DENG L Z, et al. High-humidity hot air impingement blanching alters texture, cell-wall polysaccharides, water status and distribution of seedless grape[J]. Carbohydrate Polymers, 2018, 194: 9-17.

Effect of Pore Formation on Mechanical Properties and Texture of Honey Peach Slices During Drying Process

ZHANG Bo1,2, ZHAO Han1,2, LAI Xinzhu1,2, WANG Junxiao1,2, LI Dajing1, LIU Chunju1,2,*, NIU Liying1, MA Yanhong1, LÜ Chunmao2

(1.Institute of Agricultural Products Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2.Food Science College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China)

Abstract：The evolution of pore structures during drying plays a critical role in shaping the mechanical and textural properties of fruit and vegetable slices. The impact of pore formation on the mechanical properties and texture of honey peach (Prunus persica) slices dried by freeze-drying (FD) and freeze-drying combined with expansion puffing drying (FP) process was investigated. Changes in pore micro-structures and texture parameters were characterized, and correlations between pore formation and mechanical behavior and texture of honey peach slices were systematically analyzed. The results showed that FD induced noticeable cellular explosion , while sucrose impregnation preserved pore integrity and promoted the formation of smaller, more uniform pores. In the FP process, with the decrease in moisture content, non-impregnated samples exhibited progressive pore enlargement, leading to the formation of macropores. In contrast, sucrose-treated samples maintained cellular structure during FP, effectively reducing brittle fracture. Sucrose impregnation enhanced cellular stiffness and slice hardness while decreasing viscoelasticity, whereas xylooligosaccharide impregnation improved stress relaxation behavior and elasticity. Correlation and principal component analysis revealed that porosity (three-dimensional pore parameter) was the dominant factor influencing hardness, while two-dimensional parameters such as pore perimeter significantly affected hardness and elastic modulus, and pore roundness exerted a significant effect on elasticity. The results showed that the pore structure formed during the drying process of honey peach slices directly affected their mechanical properties and texture. Sugar impregnation combined with FP could regulate the pore structure to improve the texture quality of honey peach slices. This study aimed to provide theoretical reference and technical support for the quality optimization of dried fruit and vegetable products.

Keywords：honey peach slices; pores; drying; mechanical properties; texture

中图分类号：TS255.5

文献标志码：A

收稿日期：2025-06-09

基金项目：江苏省重点研发计划(现代农业)项目(BE2023316);安徽省重点研发项目(2023n06020005);新疆维吾尔自治区重点研发专项项目(2023B02028)。

Foundation: Key Research and Development Program (Modern Agriculture) of Jiangsu Province (BE2023316); Key Research and Development Project of Anhui Province (2023n06020005); Special Key Research and Development Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region (2023B02028).

第一作者：张 博,女,硕士研究生,研究方向为果蔬加工与品质调控。

*通信作者：刘春菊,女,副研究员,主要从事果蔬加工与品质调控方面的研究。

doi：10.12301/spxb202500309

文章编号：2095-6002(2026)01-0180-15

引用格式：张博,赵邯,赖新竹,等. 水蜜桃片干燥过程中孔隙形成对其力学特性和质构的影响[J]. 食品科学技术学报,2026,44(1):180-194. ZHANG Bo, ZHAO Han, LAI Xinzhu, et al. Effect of pore formation on mechanical properties and texture of honey peach slices during drying process[J]. Journal of Food Science and Technology, 2026,44(1):180-194.

(责任编辑：张逸群)