番茄(Lycopersicon esculentum)是世界上最受欢迎的蔬菜之一,具有重要的营养价值和经济价值。番茄中富含类胡萝卜素(番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素等)、多酚、有机酸、维生素等活性物质,食用番茄及其制品能有效降低乳腺癌、前列腺癌、心血管疾病、肥胖等慢性疾病的发病风险。目前,番茄年产量约1.7亿吨,已成为全球产量第二的蔬菜。除少部分番茄作为鲜食蔬菜外,每年约有80%的番茄被加工为不同类型的产品,包括去皮番茄、番茄酱、番茄汁、番茄沙司、番茄粉、番茄红素等。据FAO公布的最新数据显示,我国的番茄产量已经跃居世界第一。但我国番茄制品主要以浓缩番茄酱的形式出口,形式比较单一、附加值较低。另外,由于当前番茄制品主要以热加工为主,加工技术较为传统、加工精度较低,这不仅造成了原料大量损失,也导致产品质量较差、环境污染等问题。近年来,采用新兴技术来替代或辅助传统加工技术是食品加工中的研究热点。超声技术作为一种新兴的非热技术,具有成本低、能耗低和环境友好等优点,在食品加工中具有广阔的应用前景。因此,本研究选取去皮番茄、番茄酱和番茄汁这三类主要的番茄制品为研究对象,以超声技术为主线来探究超声辅助加工对这些制品的组分结构和品质特性的影响及其机制。主要研究内容包括:超声辅助番茄碱法去皮技术及其工作机制研究;冷超声辅助鲜榨番茄汁加工技术及其工作机制研究;超声辅助番茄酱冷破技术及其工作机制研究。(1)通过研究超声辅助碱法去皮建立了一种能降低碱液浓度、提高产品得率及改善产品品质的番茄去皮方法。(1)建立超声辅助碱法去皮的方法。选取672个质量范围为15.64-126.66 g的三个不同品种的番茄建立去皮评价方法,得出番茄的质量(m)和表面积(A)之间具有较好的线性相关性(A=0.810m+11.5,R~2=0.965),本研究中通过称重即可准确预测番茄总表面积大小,进而可以对去皮率进行准确的量化;对三个不同质量范围(30-40 g、50-60 g、70-80 g)的番茄进行去皮研究,结果发现番茄质量大小对去皮效果没有显著性影响(p>0.05),在去皮研究中不需要对番茄进行预先分级;在相同的去皮条件下,仅超声处理、仅碱液处理、先超声再碱液处理和先碱液再超声处理得到的去皮率分别为10.72-11.75%、30.31-34.10%、63.39%和95.44%,这表明先碱液处理再超声处理是超声技术对番茄碱法去皮的最佳辅助方式,其中碱液和超声不是简单的加合作用而是协同作用。(2)在确定先碱液处理再超声处理的番茄去皮方式后,对超声处理参数(19.13-51.92W/L,30-50 s)和碱处理参数(4-12%,10-30 s)进行优化。确定该两步超声辅助番茄碱法去皮的最优条件为:将番茄通过4%(w/v)-97℃-30 s的碱溶液处理后,进一步通过31.97 W/L-70℃-50 s的超声处理。(3)在达到100%去皮率的条件下,超声辅助碱法去皮方式得到的去皮得率(92.12-94.12%)显著高于传统碱法去皮方式得到的去皮得率(82.77%),番茄红素含量(15.52-16.78 mg/100 g)显著高于传统碱液处理(8.70 mg/100 g);传统碱法去皮导致番茄表面有大量黄色维管束暴露,而超声辅助碱法去皮保留了番茄的大部分红层。(4)通过水溶性染料渗透、结构解析、细胞壁物质降解、生物力学特性等研究共同证实了碱液和超声处理具有化学-机械协同作用,其中热碱主要以化学方式起作用,而超声主要以机械方式起作用。概括来讲:首先,热碱能够溶解番茄表面蜡质层以及角质层中的蜡质;其次,碱溶液以点状扩散模式通过脱蜡的角质层;然后,渗透的碱降解了表皮细胞和皮下细胞的胞间层细胞壁物质,致使两层之间产生缝隙;最后,超声通过空穴效应产生的机械作用导致表皮细胞层和皮下细胞层间的缝隙增大,并使得皮裂开,最终使得表皮细胞层从番茄上分离。本研究不仅提供了一种新型的改善环境及提高产品品质的番茄去皮方法,也为传统热碱去皮机理研究提供了新线索。(2)通过冷超声处理来改善鲜榨番茄汁的物理稳定性、营养特性和安全性。(1)在冷超声处理(87.52 W/cm~2,10℃,0-30 min)过程中,随着处理时间延长至15 min,鲜榨番茄汁的稳定性得到大幅提高,随后基本保持不变;而番茄汁的表观黏度逐渐增加,随后呈现降低趋势。(2)通过微观结构观察及粒径测定发现,在冷超声处理的第一阶段(≤15 min),番茄汁中的细胞结构受到超声空穴效应的破坏从而使得粒径减小,对番茄汁起到了均质作用,当超声时间大于15 min后,超声对颗粒不再起作用;通过流变学特性的研究发现当冷超声处理达到第二阶段(≥20 min)时,由于番茄汁具有较强的抵抗剪切变稀的能力而使得该阶段表观黏度降低而稳定性保持稳定;通过对上清相中果胶的理化特性研究,发现冷超声处理第二阶段(≥20 min)中由于超声导致果胶分子的主链发生降解促使鲜榨番茄汁出现剪切变稀抵抗。(3)从冷超声处理的时间尺度(0-30 min)来看,番茄汁中的总酚含量持续增加;菌落总数呈现降低趋势;类胡萝卜素总量在超声处理时间增加至10min时达到最大值,随后呈现降低趋势;抗坏血酸在超声处理5 min内迅速增加,随后保持恒定。(4)冷超声处理对鲜榨番茄汁的物理稳定性、营养特性的影响具有时空特性。在冷超声处理第一阶段(≤15 min),超声主要通过空穴作用产生的机械场对番茄汁颗粒相中的颗粒产生破坏作用,使得颗粒变小并释放细胞内物质到上清相中;当超声时间延长至20-30 min时,冷超声对颗粒相不再起作用,而进入到主要以机械和化学场对上清相中果胶起作用的第二阶段,该阶段导致上清相中果胶物质和类胡萝卜素分别被解聚和降解。在冷超声处理的第一阶段,累积的大量的自由基会导致第二阶段中类胡萝卜素被更快的降解。同时,由于类胡萝卜素的降解消耗大量的自由基,又使得抗坏血酸、多酚物质免受自由基导致的氧化降解。(5)本研究初步证实了超声对两相作用的转折点,即当番茄汁中粒径约为160μm的粒子被超声完全破坏时就由主要对粒子相起作用转变为主要对上清相起作用。(3)通过超声辅助冷破灭酶来制备高黏度和高营养价值的番茄酱。(1)冷破、热破、超破和超声辅助冷破处理后使浓缩前的番茄汁中果胶甲酯酶的活性分别减少37.26、100、8.28和76.70%,多聚半乳糖醛酸酶活性分别减少22.44、100、5.16和63.96%。这表明,超声辅助冷破是一种比冷破更为有效的灭酶方式。(2)四种灭酶方式得到的冷破酱(CBP)、热破酱(HBP)、超破酱(UBP)和超声辅助冷破酱(CUBP)的黏度分别为1295.13、2906.34、3788.57和5287.62 mPa·s。(3)四种番茄酱的流变特性中屈服应力、稠度系数、线性黏弹行为、非线性黏弹行为和类固体特性的大小顺序均为CUBP>UBP>HBP>CBP,结构恢复能力没有显著性差异(p>0.05)。(4)基于两相变化来探究番茄酱的黏度和流变学特性的差异。从颗粒相的角度来看,颗粒的粒径大小为CUBP<UBP<HBP<CBP,这表明超声导致颗粒粒径减小的程度大于热处理,且热和超声对粒径的减小具有协同作用;从上清相中果胶含量及理化特性变化的角度来看,番茄酱上清相中水溶性果胶含量为CUBP>UBP>HBP>CBP;果胶的甲氧基化度、重均分子量以及代表主链的半乳糖醛酸的摩尔比为HBP>CUBP>CBP≈UBP。整体而言,随着粒径减小、上清相中果胶含量增加以及果胶主链长的增加,番茄酱的黏度、屈服应力、稠度系数、线性黏弹行为、非线性黏弹行为和类固体特性均逐渐增大。与酶导致体系中果胶发生降解相比,超声导致细胞壁被破坏使得颗粒粒径减小和果胶物质释放对体系的黏度和流变特性影响更大。(5)与传统热处理灭酶方式相比,超声辅助冷破灭酶能提高番茄酱的营养价值。CBP、HBP、UBP和CUBP中抗坏血酸含量分别为113.93、83.52、83.25、133.98 mg/100 g DW,总酚含量分别为419.76、444.3、494.23、456.55μg/g DW,总类胡萝卜素含量分别为138.08、132.28、153.13、153.38 mg/100 g DW,顺式类胡萝卜素含量分别为21.15、23.64、25.31、25.73 mg/100 g DW。四种番茄酱的总抗氧化能力为UBP>CUBP>HBP≈CBP。本研究表明,超声辅助冷破灭酶是一种生产高黏度和高营养价值番茄酱的方法。