催化红外干烫漂胡萝卜切片表面结壳机制：水分迁移、膜透性、细胞形态与细胞壁成分的作用解析

《LWT》：Mechanisms of surface crust formation in carrot slices during catalytic infrared dry-blanching: Roles of moisture migration, membrane permeability, cellular morphology, and cell wall composition

本研究探讨了催化红外（CIR）干烫漂过程中，胡萝卜切片表面硬化的细胞与分子机制。研究人员通过结合水分状态分析、电化学阻抗谱、细胞形态学观测以及细胞壁组分研究，系统揭示了CIR处理引发的快速脱水导致细胞膜完整性丧失、细胞严重收缩变形以及细胞壁多糖（特别是果胶）重组的耦合过程。研究阐明了表面结壳（“外硬内软”）现象的形成机理，为红外加工果蔬的质构控制提供了新的理论见解。

　　

吃胡萝卜时，你是否注意过经过热烫处理的胡萝卜片有时会变得“外硬内软”？这种表面结壳的现象不仅影响口感，也是果蔬干燥加工中普遍存在的技术难题。传统的水烫漂虽然能灭酶护色，但容易导致水溶性营养素流失和废水问题。催化红外（Catalytic Infrared, CIR）干烫漂作为一种新兴的无水、高效热加工技术，因其能耗低、热效率高而备受关注。然而，与许多干热处理一样，CIR处理也常常导致果蔬失水和微观结构变化，引发收缩和质构劣化，尤其是表面硬壳的形成。这种“表面硬化”在脱水动力学中通常被称为“表面硬化”（case-hardening），它会阻碍内部水分向外迁移，影响整体干燥效率和最终产品品质。因此，深入探究CIR处理下胡萝卜表面硬化的微观机理，对于优化加工工艺、提升产品品质具有重要意义。

为了揭示这一机理，江苏大学的研究团队在《LWT - Food Science and Technology》上发表了一项研究。他们以胡萝卜切片为模型，系统研究了CIR干烫漂过程中表面结壳的成因。研究从两个核心层面展开：一是细胞膜完整性丧失及其与细胞水分传输行为的关系，利用电化学阻抗谱（EIS）进行分析；二是细胞壁成分，特别是结壳区与非结壳区果胶的含量和结构特征的变化。通过整合宏观质构测量与微观结构观测，该工作从细胞和分子水平全面解读了CIR烫漂-脱水如何诱导组织硬化。

本研究主要采用了以下关键技术方法：使用定制化的催化红外装置对三种厚度（3、5、7毫米）的胡萝卜切片在不同辐射距离和时间下进行干烫漂处理，并将样品分离为“结壳”和“非结壳”两部分进行对比分析。通过低场核磁共振（LF-NMR）测定水分状态和分布，利用电化学阻抗谱（EIS）及修正的Hayden模型分析细胞膜完整性相关参数（细胞膜电容C_m、胞外电阻R_e、胞内电阻R_i）。通过石蜡切片、图像拼接及处理技术定量分析细胞形态参数（面积、周长、圆度、伸长因子、分形维度）。采用化学提取法获得醇不溶物（AIR），并测定纤维素、半纤维素含量。通过顺序提取法分离水溶性果胶（WSP）、螯合剂溶性果胶（CSP）和碳酸钠溶性果胶（NSP），进而利用高效液相色谱（HPLC）分析其单糖组成和糖比例，采用尺寸排阻色谱-多角度激光光散射（SEC-MALLS）测定分子量及其分布，并利用原子力显微镜（AFM）观察果胶的微观形貌。

3.1. 水分状态和分布

通过低场核磁共振分析发现，CIR处理诱导了胡萝卜组织内水分的重新分布。自由水（对应T₂₃和M₂₃）快速流失，而不易流动水（对应T₂₂和M₂₂）在初期相对含量有所增加，表明水分从细胞内迁移至细胞壁和细胞间隙并暂时积聚。随着处理进行，所有状态的水分含量均呈下降趋势，表明持续的脱水过程。

3.2. EIS分析

电化学阻抗谱分析表明，CIR烫漂过程中，胡萝卜组织的科尔-科尔图弧直径逐渐减小，总阻抗下降，相位角曲线变得平坦。这表明细胞膜作为绝缘屏障的结构和功能完整性遭到破坏，电容特性丧失。定量参数显示，细胞膜电容（C_m）持续下降了约70.9%，胞外电阻（R_e）持续下降，反映出由于膜结构降解和细胞内容物泄漏，细胞外液电解质浓度增加。

3.3. 组织阻抗特性

基于修正Hayden模型的分析进一步揭示了细胞结构的逐步破坏。C_m的降低表明烫漂严重损害了膜完整性。R_e的持续下降与细胞膜和细胞壁的结构降解密切相关。胞内电阻（R_i）呈现阶段性变化，反映了早期有限的离子泄漏、严重损伤导致的电解质外流以及后期细胞内水流失导致的电解质浓缩等过程。综合表明，烫漂初期（0-7分钟）是细胞结构破坏和内容物泄漏的关键阶段。

3.4. 细胞形态

形态学分析显示，CIR处理导致胡萝卜细胞发生广泛的收缩和不规则变形。细胞面积在初期显著减小（7分钟时最大面积减少约39.4%），细胞圆度增加（从1.59增至2.35），伸长因子分布右移，分形维度增加，表明细胞边界变得更加复杂和不规则。这些形态变化从样品表面向内部呈梯度减弱，表面细胞的严重塌陷和变形驱动了硬壳的形成。

3.5. 胡萝卜中细胞壁不溶物的分布

烫漂显著促进了样品表层醇不溶物（AIR）的富集，在结壳区尤为明显。例如，3毫米样品处理12分钟后，结壳部分的AIR得率比新鲜样品增加了266%，而非结壳部分仅增加79%。这表明CIR烫漂过程中细胞壁材料发生了区域特异性转化。

3.6. 细胞壁纤维素和半纤维素

纤维素含量在所有处理组中保持相对稳定。半纤维素含量则表现出波动，并与处理条件和取样位置相关。在较厚的样品（5和7毫米）和较长烫漂时间下，半纤维素含量总体呈上升趋势，且结壳区的含量始终高于非结壳区。这表明CIR加热破坏了细胞壁内纤维素与半纤维素之间的氢键和原始网络结构，促进了半纤维素的释放和重新分布，并在切片表面积累。

3.7. 果胶组分含量

果胶组分分析表明，WSP和CSP在结壳区比非结壳区更丰富，而NSP则呈现相反模式。随着处理时间延长，WSP含量先增后减，NSP含量持续显著下降。在果胶的相对组成中，烫漂后WSP和CSP的比例增加，NSP比例下降，其中非结壳区NSP的损失率高达47.68%。NSP降解并部分转化为WSP和CSP是细胞壁内关键的组成变化。

3.8. 果胶的单糖组成和糖比率分析

单糖组成分析显示，半乳糖（Gal）、阿拉伯糖（Ara）和半乳糖醛酸（GalA）是所有果胶组分中的主要单糖。比较发现，非结壳部分的GalA含量始终显著高于结壳部分，并随着烫漂时间延长而逐步降低。糖比率分析表明，所有处理组的WSP的比率1（GalA/中性糖）显著增加，CSP的比率1显著下降且比率2（Rha/GalA）增加，NSP的比率2快速增加。这表明果胶的同型半乳糖醛酸（HG）骨架发生广泛降解，产生了中性糖片段，并破坏了钙桥交联网络，同时最稳定的细胞壁结构区发生断裂，富含鼠李糖（Rha）的RG-I骨架大量暴露。

3.9. 果胶组分的分子量分布

分子量分析显示，CIR烫漂显著影响了果胶的大分子结构和组织。对于WSP，重均分子量（M_w）和数均分子量（M_n）增加，但回转半径（R_g）迅速减小，表明分子构象更加紧凑，可能是由于果胶骨架部分解聚所致。CSP的M_w和M_n显著增加，同时R_g增大，表明分子伸展性增强，可能发生了有序的交联或聚合反应。区域差异在CSP上更为明显，非结壳部分的聚合程度高于结壳部分。

3.10. 果胶的微观结构形态

原子力显微镜观察直观展示了果胶的形貌差异。新鲜样品中，WSP呈分散形态，CSP主要为链状形态，NSP表现为粗糙的果胶链网络。CIR烫漂后，结壳区的WSP高度增加，呈现聚集态；CSP链发生明显断裂，形成致密堆积的聚集体；非结壳区的NSP网络则被破坏，结构有序性降低。这印证了前述果胶结构的降解和转变。

3.11. 潜在机制

基于上述结果，研究提出了CIR干烫漂胡萝卜切片表面结壳的机制。在CIR加热过程中，快速脱水导致膨压急剧下降，引起细胞收缩和变形，且从表面到内部变形强度递减。同时，细胞膜在热应力下结构受损，完整性丧失，透性增加。在细胞壁水平，纤维素和半纤维素网络变得松散，果胶组分发生显著的结构转变和重组，包括长链果胶的解聚和交联度的增加。NSP部分转化为WSP和CSP。非结壳区WSP和NSP的降解更为显著，促进了内部组织的软化；而结壳区更高的CSP比例（与硬度正相关）则促进了表层的逐渐硬化。水分迁移、膜破裂、细胞塌陷和细胞壁多糖的区域特异性重组共同作用，形成了“外硬内软”的特征性质构。

综上所述，本研究通过多尺度分析系统阐明了CIR干烫漂诱导胡萝卜表面结壳的细胞和分子机制。核心结论是：CIR处理通过引发快速水分迁移和蒸发，导致早期细胞膜崩溃和细胞收缩变形；在细胞壁层面，诱导了醇不溶物和半纤维素在表层的富集，以及果胶组分的结构性重组（WSP和CSP增加，NSP减少）；非结壳区果胶呈现更高的聚合度，而结壳区则形成更致密的果胶网络，从而引发表面硬化。这些耦合过程共同塑造了最终产品的质构特征。该研究不仅为理解红外加工果蔬的表面硬化现象提供了深入的理论见解，也为通过调控加工参数（如时间、温度、样品厚度）来优化产品质地、减少不良质构提供了科学依据。尽管该研究在机理阐释上取得了进展，但作者也指出未来需要在更大样本量的微观统计分析、结合热质传递模型模拟内部应力分布、以及探索与超声等预处理技术联用以减轻过度硬化等方面进行更深入的探索。