響應曲面法優化番茄汁加工工藝

顏 麗，馬永強，李春陽

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱150076；2.江蘇省農業科學院農產品加工研究所，江蘇南京210014）

響應曲面法優化番茄汁加工工藝

顏 麗1，2，馬永強1，李春陽2，*

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱150076；2.江蘇省農業科學院農產品加工研究所，江蘇南京210014）

為優化番茄汁加工工藝，以出汁率為指標，在單因素實驗基礎上，進行響應面實驗分析得到最佳工藝參數為：纖維素酶添加量0.08%，酶解時間79min，酶解pH4.0，酶解溫度54℃，此時番茄出汁率為90.08%。同時建立了番茄出汁率的二次數學模型，對出汁率具有很好的預測作用。

番茄汁，酶解法，出汁率，響應面法

番茄屬于茄科茄屬，一年生草本植物，在熱帶為多年生植物。番茄集營養保健于一身，內含13種維生素及17種礦物質，番茄紅素、谷胱甘肽等生物活性物質含量豐富，其中番茄紅素含量居各種果蔬之首[1-2]；番茄紅素作為一種功能性天然色素，具有抗氧化、抗癌防癌、提高免疫力、降血脂等多種生理活性功能[3-4]。近年來，番茄汁飲料因其獨特的風味、較強的營養保健功能日益受到人們的喜愛，是具有廣闊市場發展前景的制品之一。目前，番茄汁生產主要利用壓榨法，但出汁率較低，嚴重影響工業化生產效率[5]。酶解法作為一種新型的加工方法對提高出汁率具有顯著效果，已被廣泛的應用于各種果汁的提取及澄清中[6-8]，但對于酶解法生產番茄汁的研究正處于初步階段，目前還沒有形成系統、完整的加工工藝。本文采用生物酶解法，通過添加纖維素酶，破壞番茄細胞壁，使細胞內溶物釋放出來，有效提高番茄出汁率；同時在單因素實驗基礎上，進行響應面分析，對番茄汁酶解加工工藝進行優化，建立出汁率的二次數學模型。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮番茄 江蘇省南京市；纖維素酶（酶活19000U/g）、檸檬酸（分析純） 湖南尤特爾生化有限公司；無水碳酸鈉 分析純，南京化學試劑有限公司。

組織搗碎機 江陰市保利科研儀器有限公司；分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；HJ-4A恒溫多頭磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 金壇市維誠實驗器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 參考文獻[9]的方法。番茄預處理→打漿→85℃、30s熱破碎→冷卻→調pH→添加纖維素酶→酶解→85℃滅酶→過濾→番茄汁。

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 番茄預處理 挑選、清洗成熟新鮮番茄，放入100℃的沸水中浸泡5～10s，取出去皮、剔除番茄果蒂。

1.2.2.2 打漿、熱破碎 去皮后的番茄用組織搗碎機打漿，然后迅速攪拌加熱到85℃、保溫45s，再迅速將漿液冷卻至40℃。

1.2.2.3 生物酶解 番茄漿中加入適宜檸檬酸調整pH，然后添加適量的纖維素酶酶解1h左右，攪拌速度500r/m in。

1.2.2.4 滅酶、過濾 經80℃、15min滅酶后，用100目尼龍濾布過濾，得到番茄汁。

1.2.3 出汁率的計算

1.2.4 纖維素酶酶解單因素實驗

1.2.4.1 纖維素酶添加量對酶解效果的影響 調整纖維素酶添加量分別為0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%（重量比），在溫度50℃、pH 4下恒溫酶解60m in，經過濾得番茄汁，測定出汁率。

1.2.4.2 酶解時間對酶解效果的影響 添加0.07%的纖維素酶，在溫度50℃、pH4下分別恒溫酶解30、45、60、75、90m in，經過濾得番茄汁，測定出汁率。

1.2.4.3 酶解pH對酶解效果的影響 添加0.07%纖維素酶，在溫度50℃下恒溫酶解60m in，pH分別設定為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，經過濾得番茄汁，測定出汁率。

1.2.4.4 酶解溫度對酶解效果的影響 添加0.07%纖維素酶，在pH 4下恒溫酶解60m in，酶解溫度分別設定為40、45、50、55、60、65℃，經過濾得番茄汁，測定出汁率。

1.2.5 響應面法實驗設計 根據單因素實驗結果，以纖維素酶添加量（A）、酶解時間（B）、酶解pH（C）和酶解溫度（D）為實驗因子設計響應面實驗，以番茄出汁率為響應值[10-11]。實驗因素水平編碼見表1。

表1 響應曲面因素水平及編碼Table 1 The factors levels and coded values ofresponse surface analysis

1.3 數據處理

數據處理使Design-Expert 8.05b軟件完成。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 纖維素酶添加量對番茄出汁率的影響 由圖1可知，番茄出汁率隨纖維素酶添加量的增大而增大，當纖維素酶添加0.08%時，出汁率達到最大值87.87%。此時，繼續添加纖維素酶出汁率趨于平緩。這是因為纖維素酶可以降解纖維素，破壞細胞壁，使細胞內溶物釋放出來，有效提高出汁率；當纖維素酶添加量達到0.08%時，纖維素酶趨于飽和，繼續添加纖維素酶對出汁率沒有顯著影響。根據出汁率情況，選擇纖維素酶添加量0.07%～0.09%進行優化。

2.1.2 酶解時間對番茄出汁率影響 由圖2可知，隨著酶解時間的延長，出汁率先升高后降低。當酶解時間75m in時，出汁率明顯增大，達到88.53%；延長時間，出汁率略有降低。這是因為隨著酶解時間延長，細胞基本被破壞，細胞中內溶物釋放完全，出汁率趨于平緩。根據出汁率情況，選擇60～90m in進行優化。

圖1 不同纖維素酶添加量對番茄出汁率的影響Fig.1 Effectof cellulase amount on juice yield of tomato

圖2 酶解時間對番茄出汁率的影響Fig.2 Effectof time on juice yield of tomato

2.1.3 酶解pH對番茄出汁率的影響 由圖3可知，酶解pH增大，出汁率先增大后減小，在pH4.0時出汁率達到最大值86.12%。這是因為酶解pH超過纖維素酶酶解最佳pH時，纖維素酶活性受到抑制，從而出汁率下降。根據出汁率情況，選擇pH 3.5～4.5進行優化。

圖3 酶解pH對番茄出汁率的影響Fig.3 Effectof pH on juice yield of tomato

2.1.4 酶解溫度對番茄出汁率的影響 由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，出汁率先上升后下降，在55℃時出汁率達到最大值86.88%。這是因為溫度升高時，分子熱運動劇烈，反應速度加快，55℃時達到纖維素酶酶解最適溫度，此時酶活性最強，出汁率最高；繼續升高酶解溫度，酶催化活力下降，酶解反應速度降低，出汁率隨之下降。根據出汁率情況，選擇50～60℃進行優化。

圖4 酶解溫度對番茄出汁率的影響Fig.4 Effectof temperature on juice yield of tomato

2.2 響應面優化結果與分析

2.2.1 模型的建立及顯著性檢驗 在單因素實驗基礎上，運用Design-Expert軟件，對番茄出汁率顯著影響因子進行分析優化。Box-Behnken實驗設計與結果見表2。

表2 Box-Behnken實驗設計與結果Table 2 Box-behnken design and results

由表2得到番茄出汁率（Y）的回歸方程：

Y=91.36+0.61A+0.69B+0.62C-0.45D-0.25AB+ 0.46AC+0.16AD+0.30BC-0.54BD+0.12CD-1.93A2-1.38B2-3.70C2-1.49D2

由表3可知，實驗模型極顯著（p＜0.0001），R2= 0.9624，且失擬項不顯著，說明該回歸方程擬合度和可信度高，可以用此模型分析和預測番茄出汁率；同時，A、B、C、D、AC、BD、A2、B2、C2、D2都是顯著的模型項，說明纖維素酶添加量與酶解pH、酶解時間與酶解溫度的交互作用顯著。

表3 回歸方程ANOVA分析結果Table 3 ANVOA analysis of regression equation

2.2.2 番茄出汁率響應面分析 由圖5可知，當固定纖維素酶添加量時，番茄出汁率先隨酶解pH的增大而增大，但酶解pH超過其酶解最佳pH時，纖維素酶活性下降，出汁率隨之下降；當固定酶解pH時，出汁率隨著纖維素酶添加量的增加而增大，纖維素酶的添加量達到飽和時，出汁率趨于平緩。由圖6可知，增加酶解時間可提高酶解效率，87m in時酶解反應基本完成，繼續延長酶解時間對酶解效率無顯著影響；固定酶解時間，出汁率隨溫度的升高先增加再下降，這是因為酶解溫度超過纖維素酶的最適溫度時，纖維素酶催化活性受到抑制，番茄出汁率下降。

圖5 纖維素酶添加量和酶解pH交互作用對番茄出汁率的影響Fig.5 The interactive effects of cellulase amountand pH on juice yield of tomato

圖6 酶解時間和酶解溫度交互作用對番茄出汁率的影響Fig.6 The interactive effects of time and temperature on juice yield of tomato

2.2.3 模型的驗證 通過軟件的分析，得到番茄的最佳酶解工藝為：纖維素酶添加量0.08%，酶解時間79.28m in，酶解pH 4.05，酶解溫度54.05℃，最佳酶解工藝條件下，番茄出汁率的預測值為91.5754%。為方便實驗將參數修改為：纖維素酶添加量0.08%，酶解時間79m in，酶解pH 4.0，酶解溫度54℃。按上述條件進行驗證實驗，3次實驗的平均出汁率為90.08%，基本與預測值保持一致，模型方程合適有效。

3 結論

番茄經纖維素酶酶解，番茄出汁率顯著提高。在單因素實驗的基礎上，通過響應面實驗分析，最終確定酶解番茄的最佳工藝參數為：纖維素酶添加量0.08%，酶解時間79m in，酶解pH 4.0，酶解溫度54℃；在此條件下，番茄出汁率為90.08%。通過驗證實驗證實此模型準確可靠，具有使用價值。

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Optim ization process parameters of tomato juice by response surface methodology

YAN Li1，2，MA Yong-qiang1，LIChun-yang2，*
（1.Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China；2.Institute of Farm Product Processing，Jiangsu Academy of Agriculture Science，Nanjing 210014，China）

This study was designed to op tim ize p rocess parameters of tomato juice.Based on the sing le fac tor experiments，the op timum p rocess parameters cond itions were determ ined by response surface methodology to be 0.08%cellulase added，enzymolysis time 79m in，pH4.0 and 54℃.Under the op timum conditions，the juice yield was 90.08%，which was consistentw ith the p redic ted yield of tomato.Thus，the fitted quad ratic reg ression modelwas valid.

tomato juice；enzymatic hyd rolysis；juice yield；response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306（2014）18-0268-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.18.051

2013－11－25 *通訊聯系人

顏麗（1988-），女，碩士研究生，研究方向：營養與功能食品。

2012年江蘇省農業科技自主創新資金項目（CX（12）3083）。