《食品科學》：蘭州理工大學任海偉教授等：果膠-鈣離子-糖液協同作用對低糖獼猴桃果脯硬化的影響

獼猴桃（Actinidia spp.）作為呼吸高峰躍變型漿果，隸屬獼猴桃科獼猴桃屬，因其獨特的酸甜風味和豐富的營養構成備受消費者青睞。其果實不僅富含VC、膳食纖維及多種必需氨基酸，更含有黃酮類化合物和抗氧化活性物質，在鮮食與加工領域均具有重要價值。隨著現代食品加工技術的發展，獼猴桃深加工產品已從傳統果醬、果汁延伸至果脯、果干等休閑食品領域，其中低糖果脯因其符合健康飲食潮流而備受關注。

果脯加工中的硬化處理是影響產品質構特性的關鍵工序。本研究針對工業化生產中原料季節性與品質異質性問題，采用-40 ℃速凍工藝進行原料標準化處理。冷凍處理雖可有效維持原料基礎品質，但冰晶形成導致的細胞結構損傷會加劇后續加工過程中的水分流失和質地劣變。對此，果脯加工中的硬化處理技術尤為重要：一方面通過鈣離子介導的果膠交聯反應可增強細胞壁結構強度，防止熱燙和糖漬過程中的組織潰爛；另一方面，硬化處理形成的致密結構可調控滲透壓梯度，在低糖工藝條件下促進糖分均勻滲透，同時提升產品透明。這一機制源于植物細胞壁中原果膠的化學特性——在成熟或酸性條件下，原果膠經酶解生成可溶性果膠導致組織軟化，而Ca2+通過與果膠酸羧基的特異性結合形成三維網狀果膠酸鈣結構，可顯著提升組織機械強度（約增加30%～50%），且不影響終產品的適口。該技術體系為開發符合現代健康需求的低糖獼猴桃果脯產品提供了關鍵工藝保障。黃俊生研究表明2% CaCl2溶液硬化處理2.5 h蓮霧果實對其硬度有較好的保持作用；孫紐、樊丹敏、梁嬌、王順民等均研究發現CaCl2在果脯的研制中有較好的硬化作用。

已有研究證實，蘋果果膠相較于其他親水膠體展現出更優的凝膠形成能力。其硬化機理主要基于低甲氧基果膠分子鏈上的羧基（—COO-）與Ca2+通過離子交聯形成的“蛋盒”模型三維網絡結構。該模型中，Ca2+作為橋接離子與羧基形成穩定離子鍵，顯著增強凝膠體系的機械強度和結構穩定性。

在應用研究方面，郭曉恬等創新性地采用真空輔助鈣鹽與果膠甲酯酶協同處理技術，證實該工藝能有效維持貯藏過程中果實硬度。王撼辰等針對鈣離子添加量的優化研究顯示：當添加量為復配體系總質量的0.3%時，復配物樣品的彈性、咀嚼性等衡量食品口感的重要指標都達到最佳。苗鐘化等通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察結構發現，當Ca2+濃度達到9 μmol/mL時，低酯果膠/海藻酸鈉復合凝膠形成最致密和有序的空間網狀結構。在質構參數優化方面，胡文玥等建立四元二次回歸模型（R2＝0.916），確定酰胺化低酯果膠的最佳成膠條件為：果膠添加量1.3%、蔗糖添加量20%、Ca2+含量35 mg/g、pH 3.6。

甜菊糖苷是從菊科草本植物甜葉菊中提取的極甜的非糖類物質，是經國家衛生健康委員會批準的繼甘蔗、甜菜糖之外的第三種極具開發價值和保健功能的天然甜味劑，被國際上譽為“世界第三糖源”。近幾年，國際市場上甜菊糖苷的消費量一直保持天然甜味劑第一位且持續呈現強勁增長趨勢，在食品飲料行業尤為顯著。例如，“可口可樂”（美國）、“通用磨坊”（法國）、“喬巴尼”（美國）等大型的食品飲料企業都使用甜菊糖苷作為甜味劑。李偉民等添加甜菊糖研制出一種紅棗生姜低糖飲料；張麗芳等在蓮藕戚風蛋糕中添加甜菊糖以代替部分蔗糖，降低總糖的含量；李東華等研究發現甜菊糖苷與其他甜味劑復配使用，制作出的風味生姜絲口感更佳。值得注意的是，現有研究多集中于傳統甜味劑體系，而對新型天然代糖的復配應用關注不足。甜菊糖成本低，在飲料食品中以及家庭食品中可代替40%～60%的蔗糖。甜菊糖通常指甜菊糖苷，其相對分子質量約為804.87，遠高于蔗糖（相對分子質量342.3），在相同質量濃度下，甜菊糖的分子數量更少，因此產生的滲透壓顯著低于蔗糖。吳娜娜等添加甜菊糖3%以優化山楂核超微粉固體茶飲配方，蘭州理工大學生命科學與工程學院的蔡雨真、任海偉*和中國農業科學院農產品加工研究所的金鑫等對于甜菊糖的使用并非直接添加，而是滲透。基于其較低的滲透壓和較大的分子質量，選擇10%甜菊糖進行滲透。甜菊糖苷是一種零熱值高甜度天然甜味劑，甜菊糖在果脯中最大添加量為3.3 g/kg，其與果膠-Ca2+體系的協同作用機制及其在果脯滲透硬化中的應用潛力尚待系統探究，這為開發低糖高纖維功能食品提供了新的研究方向。

1 固形物增加率變化

表1為不同處理下獼猴桃片固形物含量以及固形物增加率。不同處理方式對獼猴桃切片固形物含量及其增量均有顯著影響（P＜0.05）。新鮮獼猴桃的固形物含量測定值低于經過冷凍-解凍過程后的樣品，這主要源于水分形態和分布的根本性改變，而非固形物質量的絕對增加，凍融處理通過破壞細胞結構、改變水分存在形式，從而提高了可析出水分的比例，造成了固形物含量升高的表觀現象。空白組固形物質量分數均值為12.73%，而1%果膠處理組顯著提升至14.86%，證實果膠分子可通過滲透作用進入果肉基質并促進固形物積累。當復合添加0.3% CaCl2時，固形物質量分數為15.84%，這主要歸因于Ca2+與果膠分子形成的三維網絡結構增強了水分截留能力，同時離子梯度差促進了溶質向薄壁細胞的深層滲透。同時，添加20%蔗糖的復合處理組（果膠+CaCl2+蔗糖）表現出最優效果，固形物質量分數達16.45%，說明高濃度蔗糖通過建立滲透壓梯度顯著增強了傳質效率。相比之下，10%甜菊糖替代組的固形物質量分數為16.03%，證實甜菊糖作為功能性甜味劑在滲透調節方面具有等效潛力。甜菊糖在果脯中最大添加量為3.3 g/kg，實驗結果在國家允許添加量的最大范圍內。劉紹軍等研究表明在草莓罐頭中加入0.1 g/kg的海藻酸鈉于40 ℃條件下進行真空滲透處理，然后再加入0.04 g/kg的氯化鈣于20 ℃條件下進行真空滲透處理可以顯著提高草莓罐頭固形物的硬度。

經分析，復合處理組的增效機制可能涉及：1）糖類物質通過滲透壓誘導細胞發生滲透脫水（質壁分離現象），增大細胞膜通透性；2）Ca2+與果膠羧基的螯合作用穩定細胞壁結構；3）三元體系的協同效應改變了溶液活度系數，從而強化了溶質遷移驅動力。

2 干燥曲線

2.1 中心溫度曲線

如圖1所示，使用熱電偶監測不同處理下獼猴桃果脯的中心溫度，在獼猴桃果脯干燥實驗中，將干燥箱設定溫度控制為60 ℃，實際監測箱內溫度波動范圍為（58±2）℃。不同處理條件下獼猴桃果脯在干燥過程中的中心溫度呈現出顯著差異。以空白組的溫度變化曲線作為基準參照，用于系統評估各實驗組的處理效果。

各處理組獼猴桃果脯在干燥8 h后，中心溫度上升速率顯著減緩并逐漸趨于穩定狀態。空白組由于初始含水量較高，其中心溫度的上升速率明顯快于其他處理組；在干燥5 h后，該組中心溫度增加速率顯著降低，近乎保持恒定。這一現象與水分蒸發速率隨含水量下降而減緩的傳熱傳質理論相符。添加1%果膠的實驗組中，果脯最終中心溫度明顯更低，這一現象可歸因于果膠分子獨特的親水性和保水特性。果膠形成的膠體網絡結構能夠束縛水分，減緩水分蒸發速率，進而降低因水分相變導致的熱量傳遞效率。在此基礎上，當同時添加0.3% CaCl2時，Ca2+與果膠分子中的羧基通過離子鍵交聯形成凝膠結構。這種凝膠網絡不僅增強了對水分的束縛能力，還改變了物料內部的傳熱路徑，進一步降低了熱量傳遞效率，使得中心溫度變化更為平緩。在引入20%蔗糖或10%甜菊糖的處理組中，高濃度糖類物質通過降低體系水分活度，減少水分的可移動性，同時增加物料黏度，阻礙熱量在物料內部的傳導與對流過程。這種雙重作用機制導致該處理組果脯的中心溫度上升過程顯著延緩。這與于宛加等的研究結果一致，即傳質阻力越小，水分從物料內向外遷移速率越快。

這些結果表明，果膠、CaCl2和糖類的添加對干燥過程中的傳熱效率與溫度分布具有顯著調控作用，進而可影響果脯的最終品質和干燥效率。

2.2 水分變化曲線

根據2.2.1節可知，經硬化劑處理干燥8 h后果脯含水量變化減慢，接近于穩定，故監測60 ℃干燥9 h過程中的獼猴桃片質量變化，參考孫麗婷、潘真清、Huzova等研究確認獼猴桃果脯的含水率在（20±5）%。

圖2為獼猴桃果脯在不同處理條件下的含水率變化曲線，研究結果表明，在60 ℃干燥條件下，若需將獼猴桃果脯的含水率降至20%左右，干燥時間約需5 h。

初始含水率的差異反映了不同處理組間固形物含量的變化。根據滲透平衡原理，添加糖類的處理組由于溶質濃度較高，形成的滲透壓促使水分外移，因而表現出較低的初始含水率。在干燥過程中，空白組的含水率下降速率最快，表明其水分保持能力較弱；相比之下，添加1%果膠的實驗組，由于果膠形成的膠體網絡結構對水分子具有較強的束縛作用，顯著延緩了水分蒸發速率。進一步添加0.3% CaCl2后，果膠分子中的羧基與Ca2+發生交聯反應，形成穩定的凝膠網絡結構。這種凝膠體系不僅增強了對水分的物理截留作用，還通過降低水分子的遷移率，使含水率變化曲線更為平緩。Forand等研究發現在純果膠體系中，鈣能減少水分流失，外源鈣的應用增加了蔥屬植物的黏度和抗剪切力，表明形成了鈣交聯（“蛋盒”結構），意味著果膠與鈣離子復配在一定程度上減緩了含水率的變化。

值得注意的是，添加20%蔗糖或10%甜菊糖的處理組表現出更為緩慢的干燥動力學特征。這可能歸因于糖類物質通過降低水分活度、增加體系黏度等多重機制，有效抑制了水分的蒸發。綜合實驗結果顯示，由果膠、氯化鈣和糖類組成的復合處理體系，通過協同調控水分遷移過程，顯著降低了獼猴桃果脯的水分蒸發速率。這種復合處理策略不僅有助于優化干燥工藝參數，提高干燥效率，還能通過控制水分流失速率改善果脯的質地特性，為工業化生產提供理論依據和技術支持。

3 質構

如表2所示，不同處理對獼猴桃切片切斷所需力存在顯著影響（P＜0.05）。空白組樣品表現出最高切斷力（（5 563.78±556.56）g），這可能與熱加工過程中自由水過度蒸發導致的組織收縮有關。失水造成的細胞壁塌陷形成致密結構，需施加更大剪切應力以破壞其剛性框架。而單獨添加1%果膠顯著降低了切斷力（（3 667.06±258.45）g），該現象可通過果膠的凝膠化機制解釋：果膠分子滲透進入細胞間隙，通過氫鍵與纖維素網絡結合形成三維凝膠基質，進而軟化組織降低其機械強度。1%果膠、0.3% CaCl2和20%蔗糖復配硬化對切斷力無顯著影響（（4 241.53±295.94）g），但引入10%甜菊糖后，切斷力顯著增至（5 915.71±341.53）g，推測甜菊糖可能通過增強細胞壁剛性或與果膠-Ca2+體系產生協同強化效應，揭示了果膠和Ca2+離子以及甜菊糖復配后，不僅達到了低糖效果，同時增加了果脯的硬度，對于果脯的支撐性明顯，同時提高了果脯的彈性和咀嚼性。崔國梅等以硬度為主要指標，通過單因素試驗和響應面試驗分析硬化保脆劑及其添加量對香菇片質構特性的影響，發現工藝優化組硬度提高了73.2%，彈性提高了26.3%，黏附性顯著低于對照組，這與本研究結果一致。

4 還原型AsA含量

依據AsA含量的檢測數據（表3），不同處理對獼猴桃果脯中VC含量產生了顯著影響。新鮮獼猴桃（鮮果組）的AsA含量最高，達到（42.64±1.50）mg/100 g。未經處理的對照組（空白組）AsA含量最低，僅為（8.24±0.19）mg/100 g，顯著低于其他處理組，這表明長時間在純凈水中浸泡會導致果肉中VC流失。而單一果膠處理組AsA含量（（11.82±0.76）mg/100 g）顯著高于空白組，這或歸因于果膠形成的凝膠結構抑制了AsA的氧化降解。在1%果膠基礎上添加0.3% CaCl2（（12.41±0.70）mg/100 g）或進一步添加20%蔗糖（（13.08±0.92）mg/100 g）的處理組，其AsA含量雖較單一果膠處理組略有提升，但三者間未呈現統計學顯著差異。值得注意的是，采用1%果膠+0.3% CaCl2+10%甜菊糖復合處理的組別表現出最優的保護效果，其AsA含量為（16.28±0.20）mg/100 g，顯著高于其他處理組，表明甜菊糖可能具備抗氧化活性，對VC起到保護作用。與Ma Tingting等關于未處理果實與獼猴桃干AsA含量的研究結果有相似之處。

5 低場核磁共振分析

低場核磁共振水分分布狀態圖和峰值以及峰面積表格如圖3和表4所示。空白組顯示縱向幅度峰值呈現持續下降趨勢，由初始26.17持續下降至7 h后的15.9（降幅達39.2%），揭示水分遷移活性呈現漸進性降低，這可能與沒有硬化處理使細胞結構松弛導致自由水向結合水轉化有關。

在復合滲透體系作用下（前4 h 0.3% Ca2+-20%蔗糖協同滲透，后3 h切換至1%果膠滲透），水分信號強度（峰面積）動態曲線呈現典型三階段特征：初始階段（0～2 h）從632.429急劇上升至700.015（增幅10.7%），反映蔗糖滲透引發的自由水增量效應；中期（2～4 h）驟降至570.017（降幅18.6%），對應Ca2+介導的細胞壁交聯作用增強導致水分排出；后期果膠滲透階段（4～7 h）經歷短暫回升后回落至542.673（總降幅4.8%），揭示果膠分子網絡對游離水的截留與重構機制，John等揭示了果膠凝膠的脫水-再水化行為可能有助于了解植物細胞的水分運輸和力學。這種非單調性波動特征本質上反映了滲透體系中離子強度、糖濃度與多糖特性的競爭性水合作用——蔗糖通過滲透脫水促進自由水遷移，而果膠則通過分子間作用力重構形成新型水合結構。

另一復合滲透體系作用下（前4 h 0.3% Ca2+-10%甜菊糖協同滲透，后3 h切換至1%果膠滲透），初始幅度峰值26.17，經3 h處理驟降至18.96（降幅27.5%），隨后出現反彈并于終點穩定在20.09（較最低值回升5.7%）。水分信號強度（峰面積）動態曲線顯示：前滲透期（0～3 h）呈現快速上升（632.429升至最高695.754，增幅10.0%）；果膠介入后（4～7 h）呈現先緩速降低（693.829降至634.027，降幅8.6%），最終小幅回升至643.692。該趨勢揭示水分遷移活性經歷“抑制-調節-再平衡”的動態過程。

整體結果揭示糖類添加對水分活度調控的關鍵作用：所有含糖處理組的幅度峰值及峰面積衰減速率均顯著低于空白對照，表明蔗糖/甜菊糖復配果膠-Ca2+體系表現出較優的持水穩定性。值得注意的是，甜菊糖處理組終點的幅度峰值（20.09）與峰面積（643.692）均顯著高于蔗糖組（19.76、542.673），其差異可能源于甜菊糖苷的特殊空間構型——該分子通過立體位阻效應增強果膠-Ca2+復合物的持水容量，同時其多羥基結構可形成更致密的水合層。

6 SEM觀察

基于SEM對不同處理條件下獼猴桃果脯顯微結構的觀察如圖4所示。空白組（圖4a1、a2）的細胞結構呈現松散狀態，可見明顯孔隙與斷裂特征，反映出其組織結構的脆弱性。在添加1%果膠的處理組（圖4b1、b2）中，與空白組相比，顯微結構表現出顯著致密化特征，且可清晰觀察到果膠形成的凝膠網絡結構彌散分布于獼猴桃果肉組織內。進一步添加0.3% CaCl2后（圖4c1、c2），出現大面積致密網狀結構，該結構在空白組及單一果膠處理組中均未出現。這一現象可歸因于Ca2+與果膠分子發生交聯反應，形成具有增強力學性能的三維網絡結構，顯著提升了組織的連續性與緊實度。在添加20%蔗糖（圖4d1、d2）或10%甜菊糖（圖4e1、e2）的實驗組中，果脯基質分布更為均勻，所形成的三維網絡結構較無糖處理組呈現出面積增大、分布范圍擴展及結構致密化的特征。該結構對破損的細胞壁起到支撐作用并修復受損的組織框架，有助于維持組織完整性。Ca2+與果膠羧基形成“蛋盒”結構時，甜菊糖的氫鍵網絡可作為輔助支撐，增強凝膠網絡的機械強度。在西班牙馬德里自治大學的研究中，甜菊糖替代蔗糖制備的果膠凝膠熱穩定性更高、結構更致密，這與氫鍵協同作用直接相關。綜上所述，果膠與CaCl2的復合處理可有效改善獼猴桃果脯的微觀結構，而糖類物質的引入則進一步優化了其質地特性，為提升果脯品質提供了理論依據與微觀層面的佐證。本研究結果與Wang Kunli、Bonora等的獼猴桃SEM研究成果有相似之處。

結 論

本研究通過復配果膠、鈣離子及糖對獼猴桃果脯進行硬化處理，結果表明，果膠和鈣離子經過一定比例的復配可以促進獼猴桃果脯的硬化，改善其在解凍和干燥過程中因為水分流失過快軟化的現象。微觀結構分析顯示，果膠-鈣離子交聯網絡與糖形成的共滲透體系共同維持了細胞壁結構完整性。當果膠添加量為1%、鈣離子添加量為0.3%（以氯化鈣計）、蔗糖添加量為20%或者甜菊糖添加量為10%時，果脯產品可獲得最佳硬化效果。添加蔗糖或者是甜菊糖，在各方面表現各有千秋，低添加量蔗糖也有助于人們對于健康生活的需要，而作為天然代糖的甜菊糖，更加滿足糖尿病患者以及肥胖患者的食用。糖（代糖）的加入不僅起到協同硬化作用，還能有效平衡口感，為低糖果脯質構改良提供了可行技術路徑。

作者簡介

通信作者：

任海偉 教授

蘭州理工大學生命科學與工程學院 院長

任海偉，博士（后），教授，博士生導師，現為蘭州理工大學生命科學與工程學院院長，甘肅省食藥資源開發與生物制造行業技術中心主任。甘肅省領軍人才，首批隴原青年英才，甘肅省青年教師成才獎獲得者，甘肅省高等學校創新創業教育名師，隴原青年創新創業人才，第十五批“西部之光訪問學者”，中科院“西部青年學者”，甘肅省科技特派員，甘肅省首批知識產權專家庫專家，甘肅省省級食品檢查員，金城首席科普專家。兼任中國治沙暨沙業學會文冠果及木本油料專業委員會副主任委員，中國食用菌協會羊肚菌產業分會副主任委員，《食品工業科技》青年編委，《食品研究與開發》《保鮮與加工》編委，甘肅省黃河流域生態保護和高質量發展專家庫專家等。主持完成國家自然科學基金、中國博士后科學基金（特別資助和一等面上資助）、甘肅省自然科學基金重點項目等20余項課題，參與國家863計劃、國家國際科技合作專項等課題5 項，公開發表學術論文120余篇，其中SCI/EI收錄50余篇，授權發明專利16 件，授權實用新型專利和軟件著作權40余件，獲甘肅省科技進步二等獎、甘肅省教學成果二等獎、甘肅省高等學校科學研究優秀成果一等獎、甘肅省高校教師教學創新大賽二等獎等獎勵。

第一作者：

蔡雨真 碩士研究生

蘭州理工大學生命科學與工程學院

蔡雨真，碩士研究生，生物工程專業。研究方向：果蔬產品加工、干燥。

引文格式：

蔡雨真, 金鑫, 畢金峰, 等. 果膠-鈣離子-糖液協同作用對低糖獼猴桃果脯硬化的影響[J]. 食品科學, 2026, 47(1): 69-76. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250705-032.

CAI Yuzhen, JIN Xin, BI Jinfeng, et al. Synergistic effect of pectin-calcium ion-sugar combination on the hardening of lowsugar preserved kiwifruit[J]. Food Science, 2026, 47(1): 69-76. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250705-032.

實習編輯：福州大學生物科學與工程學院 林安琪；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為系統提升我國食品營養與安全的科技創新策源能力，加速科技成果向現實生產力轉化，推動食品產業向綠色化、智能化、高端化轉型升級，由北京食品科學研究院、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業大學、安徽農業大學、安徽省食品行業協會、安徽大學、合肥大學、合肥師范學院、北京工商大學、中國科技大學附屬第一醫院臨床營養科、安徽糧食工程職業學院、安徽省農科院農產品加工研究所、安徽科技學院、皖西學院、黃山學院、滁州學院、蚌埠學院共同主辦的“ 第六屆食品科學與人類健康國際研討會 ”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到） 在 中國 安徽 合肥 召開。

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