響應面法優化崗稔果汁脫澀工藝研究

劉國凌,馮曉冰,郭紅輝,郭麗珊

(韶關學院食品科學與工程學院,廣東韶關 512005)

響應面法優化崗稔果汁脫澀工藝研究

劉國凌,馮曉冰,郭紅輝*,郭麗珊

(韶關學院食品科學與工程學院,廣東韶關 512005)

采用活性炭-超聲波聯合處理脫除法與明膠脫除法兩種方法對崗稔果汁進行脫澀處理。以單寧脫除率及花色苷保留率為指標,比較兩種方法的脫澀效果。并在單因素實驗的基礎上,應用響應面法優化脫澀工藝條件。結果表明:明膠脫除法的單寧脫除率、花色苷保留率均高于活性炭-超聲波聯合處理脫除法,其最佳脫澀工藝條件為:明膠添加量為1.2%,作用溫度51℃,處理42min,此時單寧脫除率達到48.72%,花色苷的保留率為53.11%。

崗稔,脫澀,單寧,花色苷

崗稔(Rhodomyrtustomentosa(Ait.)Hassk)是桃金娘科,桃金娘屬常綠小灌木,在福建、廣東、海南、廣西等省份廣泛分布,其資源非常豐富,而且當中絕大多數生長于野生狀態[1]。崗稔果實有比較全面的營養成分,含有豐富的糖類、氨基酸(尤其是天門氡氨酸)、維生素、有機酸,礦物質,同時含有酚類和黃酮類,是高錳富集的植物,其具有很高的食用價值和一定的醫療保健價值[2],而且崗捻果實質地柔軟,多汁,是果汁的優良原料。目前很多研究者將崗稔加工為果酒、香檳酒和果汁等產品[3]。但在崗稔加工產品中,尤其是崗稔果汁,存在較大的苦澀味,影響其品質,限制其開發利用。果汁的澀味大多是因為感官收斂性,其源于蛋白質分子與單寧分子兩者間相互作用,在崗稔果汁中,單寧的含量較高,因此,降低崗稔果汁中的單寧含量,將可以減少果汁的澀味[4]。有學者對果汁中的脫澀方法進行研究,但效果不是很理想[5-8],為了改善崗稔資源的深加工增值開發利用,增加天然食品飲料的新品種,滿足國內外市場需要,促進山區經濟的發展,本文研究了活性炭-超聲波聯合法及明膠脫除法對崗稔果汁中單寧成分含量及花色苷成分含量的影響,同時探討脫除崗稔果汁中單寧的最佳工藝條件,以期為崗稔果汁品質提升提供有效的技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

崗稔果 購于韶關市農貿市場;果膠酶(10U/mg)、纖維素酶(10U/mg)、檸檬酸、無水醋酸鈉、氯化鉀、單寧酸、鎢酸鈉、磷鉬酸、無水碳酸鈉、磷酸均為分析純;明膠、活性炭均為食用級。

BL-B11榨汁機 韶關德爾實驗儀器有限公司;JA5003電子分析天平、BS210S單盤電子天平均為北京賽多利斯有限公司;SK8210LHC超聲波清洗器 上海科導超聲儀器有限公司;HH-S28S電熱恒溫水浴鍋 金壇市大地自動化儀器廠;WAY-80阿貝折射儀 上海光學五廠;722N可見光分光光度計 上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 崗稔果汁的制備工藝 鮮崗稔果→挑選、清洗→榨汁→果漿→加0.3%(g/v)復合酶(果膠酶∶纖維素酶=2∶1)酶解(50℃,1.5h)→鈍酶(85℃,15min)→迅速冷卻至室溫→抽濾→灌裝→4℃冷藏備用。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 活性炭-超聲波聯合處理脫除法 活性炭添加量對崗稔果汁脫澀效果的影響,分別添加0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%(g/v)活性炭于崗稔果汁中,搖勻,在超聲功率為220W、50℃下作用100min后,測其單寧及花色苷含量。

作用時間對崗稔果汁脫澀效果的影響:在超聲功率為220W、50℃下,添加2%活性炭于崗稔果汁中置于超聲波清洗器中,分別作用10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120min后,測其單寧及花色苷含量。

作用溫度對崗稔果汁脫澀效果的影響:添加2%活性炭于崗稔果汁中,置于超聲功率為220W的超聲波清洗器中分別在20、30、40、50、60℃下作用100min后,測其單寧及花色苷含量。

1.2.2.2 明膠脫除法 明膠添加量對崗稔果汁脫澀效果的影響:分別添加0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%(g/v)明膠于崗稔果汁中,30℃下處理30min后,測其單寧及花色苷含量。

作用時間對崗稔果汁脫澀效果的影響:添加0.8%的明膠于崗稔果汁中,在30℃下分別處理10、20、30、40、50、60min后,測其單寧及花色苷含量。

作用溫度對崗稔果汁脫澀效果的影響:添加0.8%明膠于崗稔果汁中,分別在20、30、40、50、60℃下處理30min后,測其單寧及花色苷含量。

1.2.3 響應面優化實驗 根據單因素實驗的結果,選取明膠添加量A(1%、1.2%、1.4%)、處理溫度B(40、50、60℃)和作用時間C(30、40、50min)為考察因素,利用軟件Design Expert,用中心組合實驗Box-Behnken設計方案以及三因素三水平的響應面分析方法求取優化的工藝參數。

表1 響應面因素水平編碼表

1.2.4 檢測方法

1.2.4.1 單寧的測定 采用鎢酸鈉-磷鉬酸比色分光光度法[9]測定果汁中單寧含量(mg/mL),并按下式計算單寧脫除率。

式中:C為崗稔果汁處理后的單寧的含量(10-2mg/mL);C0為崗稔果汁處理前的單寧的含量(10-2mg/mL)。

1.2.4.2 花色苷含量的測定 采用pH示差法[10]測定果汁中的花色苷含量(mg/L),并按下式計算花色苷保留率。

式中:C為崗稔果汁處理后的花色苷含量(mg/L);C0為崗稔果汁處理前的花色苷含量(mg/L)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 活性炭-超聲波聯合處理脫除法 圖1為活性炭-超聲波聯合脫澀處理各因素對崗稔果汁中單寧脫除效果及花色苷含量的影響。由圖1a可知,單寧脫除效果隨活性炭添加量增加而增加,當添加量增至2%后有趨于平衡的趨勢;但隨著活性炭添加量的增加,崗稔果汁中的花色苷含量呈迅速下降趨勢,如活性炭添加量增為2%時,果汁中花色苷含量(35.19mg/L)僅為添加量為0.5%時(127.47mg/L)的27.6%。圖1b表明,活性炭-超聲波聯合處理時間在30min以內,作用時間延長將會顯著增強單寧脫除效果,30min時,單寧脫除率達到34.75%;但處理時間超過30min后變化較為平緩。由圖1c可知,活性炭-超聲波聯合處理的溫度為20～50℃時,單寧脫除率隨溫度的升高而增大,50℃時,脫除率為46.5%,此時花色苷含量(38.05mg/L)僅為20℃時(95.7mg/L)的39.8%。從結果上看,活性炭-超聲波聯合處理對崗稔果汁脫澀具有一定效果,但這種脫澀方法會損失果汁所含有的大量花色苷。因此,本文嘗試使用另外一種方法脫澀。

圖1 活性炭添加量、時間及溫度對單寧脫除及花色苷含量的影響Fig.1 Influence of addition of activated carbon,time,and temperature on the removal rate of tannins and anthocyanin content

2.1.2 明膠脫除法 圖2為明膠脫除法中各因素對崗稔果汁中單寧脫除效果及花色苷含量的影響。由圖2a可以看出,隨著明膠添加量由0.2%增加至1.2%,單寧的脫除率也由4.76%上升至47.47%,其后再增加明膠用量,崗稔果汁中單寧脫除率反而下降至36.38%,這可能是由于明膠量的增加直接降低了與單寧分子結合的表面積,從而使脫除效果下降[11-13];崗稔果汁使用1.2%明膠處理30min后,其花色苷含量仍有117.62mg/L,為處理前的70.25%,花色苷有較多的保留。圖2b表明,隨著處理時間的延長(10～40min)單寧脫除率穩步上升,脫澀處理40min后,果汁中單寧脫除率達到25.12%,隨后呈下降趨勢。由圖2c可知,在一定溫度范圍內(20～50℃),單寧脫除率隨溫度升高而增大(16.57%～25.5%),而后增幅不大;同時,我們發現崗稔果汁使用0.8%明膠在60℃處理30min后,其花色苷保留率有74.16%(花色苷含量108.99mg/L)。由此可以看出,明膠脫除法具有較好的單寧脫除效果,同時又能保留大部分的花色苷。

圖2 明膠添加量、時間及溫度對單寧脫除及花色苷含量的影響Fig.2 Influence of addition of gelatin,time,and emperature on the removal rate of tannins and anthocyanin content

2.2 響應面優化實驗

2.2.1 響應面設計及結果 根據以上單因素實驗的結果,活性炭-超聲波聯合處理和明膠處理這兩種方法的單寧脫除率是比較高的,但是利用活性炭進行崗稔果汁的脫澀,去掉單寧分子的同時活性炭也會吸附大量的花色苷從而造成崗稔果汁營養價值大大降低。而用明膠脫除法時,單寧的脫除率并不低(如明膠1.2%處理30min,單寧脫除率為47.47%),而且果汁花色苷保留率較高(>50%)。因此,本文以單寧脫除率為響應值,選擇明膠添加量、處理溫度與處理時間為考察因素,利用Box-Benhnken中心組合設計原理,設計三因素三水平實驗進行工藝優化,響應面分析實驗設計與結果見表1,方差分析見表2。

2.2.2 回歸方程的建立及方差分析 根據表2的結果,利用Design-Expert 7.0軟件對明膠脫澀實驗數據進行回歸分析,得到單寧脫除率的回歸模型,二次多項回歸方程為:Y= 41.79-0.23A+0.72B+1.83C+0.38AB-0.15AC-1.17BC-3.84A2-2.64B2-3.90C2。

模型的可靠性可通過方差分析及相關系數來考察,見表3。由表3可知,模型的顯著水平p為0.0281,小于0.05,說明所選用的二次多項模型具有顯著性,該實驗方法是可靠的。該模型的決定系數R2為91.92%,說明此模型與實際實驗擬合較好,回歸方程能夠很好地模擬真實的曲面;因失擬項p=0.1491>0.05,說明實驗失擬項為不顯著,說明可以用此模型來函數化各因素值和響應值之間的關系。由表2可知,三因素中對脫澀效果影響程度依次為處理時間>處理溫度>明膠添加量。

2.2.3 響應面分析 分別將明膠添加量A、作用溫度B、作用時間C三因素的一個因素固定為0水平,求余下兩個因素的交互效應,得到3個因素交互效應對單寧脫除率Y影響的響應曲面圖。

表2 響應面分析實驗設計與結果

表3 回歸模型的方差分析

注:*為顯著(p<0.05);**為高度顯著(p<0.01)。

圖3～圖5直觀地反映出各個因素兩兩交互作用對崗稔果汁中單寧脫除率的影響。圖3反映的是當溫度為50℃時,明膠添加量與時間交互作用對崗稔果汁中單寧脫除率的影響。從圖3中可知,若明膠添加量不變,如1%時,單寧脫除率將隨著作用時間的延長而出現一定的增幅到達最大值,然后下降;若時間不變,單寧脫除率也將隨著明膠添加量的增加而增至最大值,而后下降。當處理時間為40min時,處理溫度與明膠添加量對崗稔果汁中單寧脫除率的交互作用見圖4。圖4與圖3有類似的變化趨勢,同時,還可以看出處理溫度對果汁中單寧脫除率的影響要比明膠添加量對其的影響顯著。當明膠添加量為1.2%時,處理時間與溫度對崗稔果汁中單寧脫除率的交互作用不顯著(圖5)。

圖3 明膠添加量與作用時間的交互作用圖Fig.3 The interaction diagram of addition of gelatin and time

圖4 明膠添加量與作用溫度的交互作用圖Fig.4 The interaction diagram of addition of gelatin and temperature

圖5 作用溫度與作用時間的交互作用圖Fig.5 The interaction diagram of temperature and time

2.2.4 確定最優條件及驗證實驗 根據回歸方程計算得到的優化工藝條件為:明膠添加量為1.19%,作用溫度50.85℃,作用時間42.23min。為驗證回歸模型所得結果與實際值的符合程度,在實際實驗中將工藝參數修正為:明膠添加量為1.2%,作用溫度51℃,作用時間42min。在此條件下重復三次實驗,平均單寧脫除率為48.72%,與預測值49.04%相比,其相對誤差為0.65%,說明利用該模型能夠很好地優化崗稔果汁脫澀工藝參數。崗稔果汁經過最佳脫澀工藝處理后其花色苷保留率為53.11%,可溶性固形物含量為10.5%。

3 結論

活性炭-超聲波聯合處理脫除法與明膠脫除法對崗稔果汁中單寧的脫除均有一定效果,但前者在單寧脫除的同時會損失果汁中大量花色苷,而使用后者脫澀能使花色苷得以保留。如當溫度為50℃時,采用活性炭-超聲波聯合處理脫除法處理崗稔果汁,其單寧脫除率為46.5%,此時花色苷含量為38.05mg/L;采用1.2%明膠處理崗稔果汁30min后,果汁中單寧脫除率為47.47%,花色苷含量仍有117.62mg/L,為前者的3.09倍。采用明膠脫除法對崗稔果汁中的單寧進行脫除,通過單因素實驗及Box-Benhnken中心組合設計原理及響應面分析法對脫澀工藝進行優化,擬合了明膠添加量、溫度、時間這3個因素對單寧脫除率的回歸模型,經驗證該模型合理可靠。確定的最佳工藝參數為明膠添加量為1.2%,作用溫度51℃,作用時間42min,在此條件下,崗稔果汁中單寧脫除率為48.72%,花色苷保留率為53.11%。經方差分析得知各因素對單寧脫除率的影響程度為處理時間>處理溫度>明膠添加量。

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Optimization of de-astringency technology onRhodomyrtusTomentosa(Ait.)Hasskjuice by using response surface analysis

LIU Guo-ling,FENG Xiao-bing,GUO Hong-hui*,GUO Li-shan

(College of Food Science and Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005,China)

Activated carbon combined with ultrasound and gelatin method were used on de-astringency technology ofRhodomyrtusTomentosa(Ait.)Hasskjuice. For the determination of tannin removal rate and anthocyanin retention,the de-astringency effect were compared. The experimental results showed that gelatin method was the better. And based on the single-factor experiment,the de-astringency technology were optimized by using Box-Behnken central combination design. The results showed that the optimum de-astringency conditions were as followed:gelatin dosage 1.2%,temperature 51℃,reaction time 42min,and the tannin removal rate reached to 48.72%,andanthocyanin retention reached to 53.11% .

Rhodomyrtustomentosa(Ait.)Hassk;de-astringency;tannin;Anthocyanin

2014-08-08

劉國凌(1981-)，女，博士，講師，研究方向：天然食品資源開發及深加工。

*通訊作者:郭紅輝(1977-)，男，博士，教授，主要從事食品中生物活性物質的提取開發、營養與疾病防治研究。

國家自然基金面上項目(81372994)；韶關學院大學生創新創業訓練項目(sycxcy2014-057)。

TS255.44

B

1002-0306(2015)07-0224-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.039