響應(yīng)面法優(yōu)化草莓漿酶解工藝

劉興艷，蒲 彪，鞠從榮，姚 佳

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014)

響應(yīng)面法優(yōu)化草莓漿酶解工藝

劉興艷，蒲 彪，鞠從榮，姚 佳

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014)

采用果膠酶酶解草莓漿，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇果膠酶用量、酶解溫度、酶解時間，進行三因素三水平Box-Behnken試驗設(shè)計，采用響應(yīng)面法分析3個因素對響應(yīng)值(出汁率)的影響，從而對草莓漿的酶解工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明：酶用量13.38mg/L、酶解時間5h、酶解溫度45℃為最優(yōu)酶解條件，其預(yù)測出汁率為84.69%，實測出汁率為84.75%，兩者基本相符，說明回歸方程與實際情況擬合好。

草莓漿；響應(yīng)面法；果膠酶；出汁率

草莓(Fragaria spp)，為多年生常綠草本植物，屬薔薇科(Rosaceae)草莓屬(Fragaria)多年生漿果。草莓漿果芳香多汁，酸甜適口，營養(yǎng)豐富，素有“水果皇后”的美稱。在常見各種果樹中，草莓的VC和磷、鈣、鐵的含量很高，其他營養(yǎng)物質(zhì)如VB1、蛋白質(zhì)、脂肪等含量也較豐富[1]。尤其富含VC，其VC的含量比蘋果、西瓜、葡萄高10倍，比柑橘也高2～3倍，在臺灣草莓被稱為“活的維生素丸”[2]。草莓味甘、酸，性涼，有潤肺生津、健脾和胃、補血益氣、涼血解毒的功效是滋補老人、孩子和體虛者的佳品，被譽為“春季第一果”[3]。自20世紀80年代以來，我國草莓產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，2006年全國草莓栽培面積達到7.93萬hm2，產(chǎn)量達187.57萬t，栽培面積及產(chǎn)量均居世界首位[4]；在漿果中，其總產(chǎn)量和總面積僅次于葡萄[5]。但草莓作為一種漿果，極易腐敗，國內(nèi)除用其加工成草莓醬、速凍草莓外，一些廠家還用草莓制汁，以滿足人們對天然果汁的需求[6]。但草莓本身含有較多纖維素、果膠類物質(zhì)，破碎后又成膠黏狀態(tài)，直接榨汁出汁率較低[7]。

近年來，隨著果蔬汁加工業(yè)的興起，人類已開發(fā)出應(yīng)用于果蔬汁中的多種酶類，如果膠酶、果膠酯酶、纖維素酶、鼠李糖苷酶、中性蛋白酶、半乳甘露聚糖酶、液化葡萄糖苷酶等，其中使用最多的是果膠酶[8-9]。果膠酶主要由黑曲霉產(chǎn)生，按作用方式的不同分為兩大類，酯酶和解聚酶，后者包括水解酶和裂解酶，已被廣泛應(yīng)用于果汁的提取和澄清、改善果汁的通量以及植物組織的浸漬和提取。在果汁生產(chǎn)過程中，可將出汁率提高10%～35%[10-11]。因此可通過果膠酶處理草莓漿，把果膠最后水解成可溶性的多聚半乳糖醛酸，破壞果膠在草莓漿中形成的穩(wěn)定體系，使草莓漿得以澄清，提高其出汁率。

目前，我國對果膠酶酶解草莓漿的研究已有報導(dǎo)，但其酶解工藝參數(shù)的研究停留在單因素或簡單正交試驗方面[3,12-13]。而單因素及簡單正交試驗的最大缺點即忽略了酶解過程中各因素間的交互作用[14]。當多種因素交互影響同一響應(yīng)值時，響應(yīng)面法(response surface metho dology，RSM)是一種優(yōu)化反應(yīng)條件的有效工具[15]。響應(yīng)面法是以回歸方法作為函數(shù)估算的工具，將多因子試驗中因子與試驗結(jié)果的相互關(guān)系，用多項式近似把因子與試驗結(jié)果(響應(yīng)值)的關(guān)系函數(shù)化，依此可對函數(shù)的響應(yīng)值進行分析，研究因子與響應(yīng)值之間、因子與因子之間的相互關(guān)系及其主效應(yīng)和交互效應(yīng)，并進行優(yōu)化的實驗方法[16]。目前，響應(yīng)面法已廣泛應(yīng)用于果蔬制汁工藝參數(shù)優(yōu)化研究中，如黑莓、石榴、芒果、香蕉等[17-20]。

選用果膠酶對草莓進行酶解，通過單因素試驗，確定果膠酶用量、酶解溫度和酶解時間3個因素的取值范圍，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，利用響應(yīng)面法對草莓漿的酶解條件進行優(yōu)化，將酶用量、酶解溫度和酶解時間作為自變量，草莓漿的出汁率作為響應(yīng)值，充分研究酶解過程中各因素的交互作用，獲得具有較高出汁率的草莓汁的優(yōu)化條件，擬為草莓清汁的深度開發(fā)和利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

草莓購自雅安市雨城區(qū)蒼坪路農(nóng)貿(mào)市場，購買后立即用清水清洗，瀝干水分，采用螺旋打漿機打漿，置于—18℃中保存，使用前在4℃冰箱中解凍。

果膠酶(10萬U/g) 寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

LZ-105型螺旋打漿機 張家港市白熊韓東飲料機械有限公司；UV-2000型紫外-可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司；冷凍高速離心機 美國Thermo Electron公司；DNP-9162型恒溫培養(yǎng)箱 上海精宏試驗設(shè)備有限公司；BT124S電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.3 指標測定方法

參照曹輝等的方法[16]測定草莓出汁率。

式中：m1為酶解后上清液質(zhì)量/g；m2為酶解前草莓漿的質(zhì)量/g。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 單因素試驗

1.4.1.1 最佳酶用量的確定

取5支試管，每支稱取草莓漿20.0g，分別加入1、5、10、15、20mg/L的果膠酶1mL并充分混合均勻，在50℃條件下酶解4h，同時設(shè)置對照。酶解后，滅酶、冷凍離心分離上清液，對上清液稱量并測定其出汁率。以未加酶的草莓漿作為對照，同時設(shè)計2組平行，以出汁率為評價指標確定最佳酶用量。

1.4.1.2 最佳酶解時間的確定

取5支試管，每支稱取草莓漿20.0g，在50℃條件下，各加入10mg/L的果膠酶1mL并充分混合均勻，分別酶解1、2、3、4、5、6h，同時設(shè)置對照。其他處理同1.4.1.1節(jié)。

1.4.1.3 最佳酶解溫度的確定

取5支試管，每支稱取草莓漿20.0g，每支試管均加入10mg/L果膠酶1mL并充分混合均勻，分別置于40、45、50、55、60℃條件下酶解4h。其他處理同1.4.1.1節(jié)。

1.4.2 響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以酶用量、酶解時間、酶解溫度3個因素與出汁率進行響應(yīng)面試驗設(shè)計，優(yōu)化草莓酶解工藝。通過Design-Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，預(yù)測最優(yōu)工藝參數(shù)。在分析得到的最佳提取工藝條件下，做3組平行試驗驗證響應(yīng)面分析法的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酶用量對草莓出汁率的影響

圖1 酶用量對草莓出汁率的影響Fig.1 Effect of enzyme concentration on juice yield

由圖1可以看出，與對照相比，添加果膠酶后，草莓漿的出汁率明顯增加。當酶用量低于10mg/L時，草莓漿的出汁率隨著酶用量的增加而迅速增加，而當酶用量達到10mg/L后，出汁率基本不變化。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是果膠酶可以有效地切裂并降解果肉和果膠的復(fù)雜分子鏈結(jié)構(gòu)，從而降低果汁中的果膠物質(zhì)含量[21]，從而使出汁率升高。而當酶用量達到10mg/L時，已經(jīng)足以分解漿中的果膠物質(zhì)，故隨著酶用量的進一步增加，出汁率基本保持不變。由表1可看出，酶用量為10mg/L時，對草莓出汁率效果較佳，且經(jīng)濟合理。故選取10mg/L為最佳酶用量。

2.1.2 酶解時間對草莓出汁率的影響

圖2 酶解時間對草莓出汁率的影響Fig.2 Effect of hydrolysis on juice yield

由圖2可以看出，當酶解時間在4h以內(nèi)時，草莓漿的出汁率隨酶解時間的延長而迅速增加，4h及以后，出汁率基本趨于平衡。主要的原因在于在4h前，草莓漿中還有大量的果膠，因此在果膠酶的作用下大量分解，從而使草莓漿的出汁率迅速增加。在到達4h時，果膠已基本被完全分解，故草莓漿的出汁率基本處于一個定值。故選擇最佳酶解時間為4h。

2.1.3 酶解溫度對草莓出汁率的影響

圖3 酶解溫度對草莓出汁率的影響Fig.3 Effect of hydrolysis temperature on juice yield

由圖3可以看出，草莓漿出汁率隨著酶解溫度的變化而呈現(xiàn)出不同的情況。當酶解溫度低于50℃時，草莓漿的出汁率隨著酶解溫度的升高而增加，當酶解溫度高于50℃以后，出汁率則隨著酶解溫度的增加而迅速下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是因為果膠酶本質(zhì)為蛋白質(zhì)，在反應(yīng)溫度上升時，酶解速度也在增加，當超過一定溫度后，蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致酶解速度減小[22]。由圖3得出酶解溫度在50℃時，草莓出汁率最大。故選擇50℃作為最佳酶解溫度。

2.2 響應(yīng)面試驗

2.2.1 試驗設(shè)計及結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過Design-Expert 8.0設(shè)計三因素三水平試驗進行響應(yīng)面試驗設(shè)計，各因素及水平見表1。試驗結(jié)果見表2。

表1 草莓漿酶解工藝Box-Behnken設(shè)計試驗因素水平及編碼Table 1 Variables and their coded values used in the Box-Behnken design for optimizing the hydrolysis conditions of strawberry pulp

表2 Box-Behnken設(shè)計方案及草莓漿出汁率的測定結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and response values of juice yield

2.2.2 模型的建立及顯著性檢驗

對表1中出汁率進行多元回歸擬合，獲得出汁率對編碼自變量X1、X2和X3的二次多項回歸方程：

Y＝83.52＋0.90X1＋0.61X2＋0.30X3－0.1X1X2－0.19X1X3－0.45X2X3－0.80X12－0.28X22＋0.32X32，R2＝0.9164

由回歸方程可以看出，X1(酶用量)對草莓出汁效果的影響較其他因素的影響略強，X2(酶解時間)對其影響次之，X3(酶解溫度)對其影響最小。在因素的交互作用中，X2(酶解時間)和X3(酶解溫度)的交互作用對響應(yīng)值影響最大，X1(酶用量)和X2(酶解時間)較弱。

二次響應(yīng)面回歸模型的方差分析表明：回歸模型高度顯著P＝0.0050＜0.01，失擬項不顯著P＝0.0822＞0.05，這表明模型的擬合性較好。從表中還可以看出，X1因素(酶用量)對試驗結(jié)果的影響極顯著P＝0.0006＜0.001，X2因素(酶解時間)次之P＝0.0054＜0.01，X3因素(酶解溫度)和因素之間交互影響對試驗結(jié)果的影響不顯著，此結(jié)果與擬合方程相吻合。

表3 出汁率回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis for juice yield with various hydrolysis conditions

2.2.3 因素之間的交互影響

圖4 各兩因素交互作用對草莓漿出汁效果影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the interactive effects of hydrolysis conditions on juice yield

從圖4a可以看出，酶用量和酶解時間不存在交互作用。當酶用量處于較低水平時，出汁率隨著時間的增長變化不大。當酶用量超過10mg/L以后，草莓出汁率隨著酶解時間的延長而增加的幅度較小，當酶用量處于高水平時，出汁率有所下降。當酶解時間較短時，出汁率隨著酶用量的增大而增加，當酶解時間高于4.5h以后，出汁率隨著酶用量的增加變化幅度逐漸變小，最后達到最大。得出酶用量在交互影響中占主導(dǎo)地位。

由圖4b可以看出，等高線與X1因素(酶用量)的交點多于與X3因素(酶解溫度)的交點，因此酶用量、酶解溫度的交互作用中，酶用量對草莓出汁效果的影響較大，為主效應(yīng)因子。當酶解溫度低于50℃時，隨著酶用量的增加出汁率變化幅度在增加，此階段，酶用量在交互影響中為主效應(yīng)因子。當酶解溫度高于50℃以后，出汁隨著酶用量增加反而有所下降。 得出，酶用量在交互影響中占主導(dǎo)地位。

從圖4c可以看出，酶解時間、酶解溫度的交互作用對草莓漿出汁率影響非常顯著。1)X1(酶用量)一定，酶解時間在4h以前，溫度小于50℃時，X2(酶解時間)與等高線交點多余酶解溫度的交點，X2(酶解時間)、X3(酶解溫度)的交互影響中，X2(酶解時間)是主效應(yīng)因子；2)當酶解時間超過4h、溫度小于50℃，X2(酶解時間)與等高線的交點明略少于X3(酶解溫度)，此條件下X3(酶解溫度)在酶解效應(yīng)中略有影響。得出在此次交互影響中酶解時間在主導(dǎo)地位。

從以上分析可以得出，在各因素之間的交互影響中，3因素中酶用量對草莓漿出汁率響最大，酶解時間次之，酶解溫度最弱。此結(jié)果與方差分析表所反應(yīng)出的一致。在此基礎(chǔ)上，得出果膠酶對草莓漿出汁效果的影響的優(yōu)化條件參數(shù)為酶用量13.38mg/L、酶解時間5h、酶解溫度45℃。在此工藝條件下，草莓漿的出汁率為84.69%。

2.2.4 驗證實驗

從分析結(jié)果得知相關(guān)系數(shù)R2＝0.9164，說明擬合度較好。在優(yōu)化工藝條件下，對其進行驗證，3組平行試驗所測得的出汁率分別為84.78%、84.62%和84.85%，其平均值為84.75%，與模型預(yù)測值84.69%基本相符。

3 討論與結(jié)論

本實驗主要探討了響應(yīng)面優(yōu)化對草莓出汁率的影響，與孫利娜等[2]的研究相比，果膠酶用量和酶解溫度偏低，而酶解時間偏長，出汁率偏低；而與劉珊娜等[13]的研究相比，酶用量偏低，酶解時間偏長，酶解溫度相同，出汁率高得多。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因應(yīng)是由于所用原料，所用酶制劑的性質(zhì)不同等所導(dǎo)致。此外，本實驗僅探討了響應(yīng)面優(yōu)化對草莓出汁率的影響，若想全面評價酶解對草莓汁液品質(zhì)的影響，可結(jié)合濁度、黏度、色澤、香氣成分等進行研究[20,23]；而這也是本實驗下一步的研究方向。

綜上，本實驗采用響應(yīng)面法對果膠酶酶解草莓漿的工藝條件進行優(yōu)化，得出的優(yōu)化條件為果膠酶用量13.38mg/L，酶解時間5h、酶解溫度45℃，在此條件下，草莓漿預(yù)測出汁率為84.69%，而實測值為84.75%，回歸方程與實際情況擬合好。

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Optimizing Pectinase Hydrolysis Conditions of Strawberry Pulp by Response Surface Methodology

LIU Xing-yan，PU Biao，JU Cong-rong，YAO Jia
(College of Food Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

The aim of this study was to develop the best process for hydrolyzing strawberry pulp with pectinase. Based on one-factor-at-a-time experiments, a three-factor and three-level Box-Behnken central composite design coupled with response surface analysis was employed to explore the effects of enzyme concentration, hydrolysis temperature and hydrolysis time on the yield of strawberry syrup. The results indicated that the optimal extraction conditions were achieved hydrolysis at 45 ℃for 5 h with 13.38 mg/L of enzyme. Under these optimal conditions, the predicted value of juice yield was 84.69%, while the actual value was 84.75%, suggesting a good fitting between the developed regression equation and actual values.

strawberry pulp；response surface methodology；pectinase；juice yield

TS255.46

A

1002-6630(2012)16-0063-05

2011-06-23

劉興艷(1979—)，女，講師，碩士，研究方向為果蔬產(chǎn)品加工。E-mail：lxy05@126.com