血橙果肉渣糖蜜的果膠酶法制備工藝優化

彭雪嬌,曾小峰,王 華,*,黃林華,談安群,郭 莉

(1.西南大學柑桔研究所,中國農業科學院柑桔研究所,重慶 400712;2.重慶市農業科學院農產品貯藏與加工研究所,重慶 401329)

血橙果肉渣糖蜜的果膠酶法制備工藝優化

彭雪嬌1,曾小峰2,王 華1,*,黃林華1,談安群1,郭 莉1

(1.西南大學柑桔研究所,中國農業科學院柑桔研究所,重慶 400712;2.重慶市農業科學院農產品貯藏與加工研究所,重慶 401329)

本文以血橙榨汁后果肉渣為原料,利用果膠酶對水洗后果肉渣液中的果膠、細胞膜碎片等不溶性物質進行水解,以透光率為指標判斷酶解效果,對果膠酶用量、酶解pH、酶解時間、酶解溫度4個因素進行單因素實驗,在此基礎上利用L9(34)正交實驗優化酶處理條件。果膠酶處理后,分別對酶解前后血橙果肉渣液制備糖蜜的濃縮速率和糖蜜產品的理化指標進行比較分析。結果表明最佳酶處理工藝條件為:果膠酶用量0.076 U/mL、酶解pH4.0、酶解時間1.5 h、酶解溫度35 ℃;酶解后,血橙果肉渣液在濃縮末期的濃縮速率顯著加快,制得的糖蜜產品中還原糖含量和純度分別增加7.91%和2.99%,果膠含量和蛋白質含量分別降低81.25%和61.78%。

果膠酶,血橙果肉渣,濃縮速率,糖蜜,理化指標

柑橘是世界產量第一的水果,據統計,世界每年約40%的柑橘用于加工,產生40%～50%的柑橘加工廢渣[1-2]。柑橘加工廢渣以果皮渣、果肉渣以及種籽為主,含有果膠、纖維素、類黃酮、香精油和色素等諸多成分[3-4]。鮮柑橘果肉渣約含8%～11%的糖分,以葡萄糖、蔗糖和果糖為主[5],經壓榨、水洗等工序可收集到其中的糖分,即果肉渣液,再經旋轉蒸發[6]、閃蒸[7]、多效蒸發[8]、反滲透-多效蒸發[9-10]等方法濃縮,制得柑橘糖蜜。柑橘糖蜜的主要用途有:作飼料添加劑[11],發酵生產酒精、氨基酸、檸檬酸等物質[12-13],提取檸檬苦素、類黃酮等有效成分[14-15],脫苦、脫酸后作飲料的糖基質、食品甜味劑[16]等。因此,柑橘糖蜜具有重要的研究意義。

目前,國內對柑橘加工廢渣中糖分的回收利用研究相對較少,僅沈艷麗[17]、饒志明[18]等有所研究,內容集中于利用柑橘糖蜜制備酒精和飼料,未見對柑橘糖蜜制備工藝進行優化的研究。沈艷麗[17]研究發現柑橘糖蜜發酵生產酒精時,D-檸檬烯含量大于0.04%或果膠含量大于1.0%,酵母生長受到明顯抑制。因此,在制備和開發應用柑橘糖蜜時,應當盡可能除去其中的膠體、皮精油等雜質。果膠酶在食品中常用于果汁的澄清[19-20],酶解效果越好,果汁越澄清,透光率越高,故常選取透光率作為澄清效果的評價指標,但鮮有研究將其應用于糖蜜的制備工藝中。基于此,本研究以FMC榨汁機榨汁后經螺旋榨汁機精濾的血橙果肉渣為原料(精油含量低),經水洗、果膠酶處理、離心過濾等工序,以酶用量、酶解pH、酶解時間和酶解溫度為因素,果肉渣液的透光率為評價指標,優化果膠酶處理的工藝條件,提高血橙果肉渣液制備糖蜜的速率,并對糖蜜產品的還原糖、蔗糖、純度等理化指標進行測定分析,旨在為柑橘糖蜜提供一條簡單有效、經濟可行的制備途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;恒溫水浴鍋 上海雙舜實業發展有限公司;電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;FE20實驗室用pH計 梅特勒-多利多儀器(上海)有限公司;阿貝折光儀 上海精密科學儀器有限公司;旋轉蒸發儀 鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 血橙果肉渣中糖分的收集 血橙果肉渣和水以質量比1∶1混合,攪勻,紗布過濾,收集濾液,重復4次,將收集到的濾液混合,得到可溶性固形物為2.8 °Brix的果肉渣液。

1.2.2 血橙果肉渣糖蜜制備工藝流程 血橙果肉渣液→果膠酶處理→果膠酶滅活(75 ℃,15 min)→離心(4000 r/min,15 min)→經酶處理的果肉渣液→旋轉蒸發→血橙果肉渣糖蜜。

1.2.3 透光率最適波長的選擇 分別取酶解前后的果肉渣液各1份,裝入1 cm比色皿,以蒸餾水作空白,在400～760 nm可見光區進行光譜掃描,選擇最佳測定波長。

1.2.4 單因素實驗 以果肉渣液的透光率為指標,分別取100 mL果肉渣液于100 mL燒杯中,固定酶解條件為pH4.0、溫度30 ℃、時間1.0 h,考察不同酶用量(0、0.038、0.076、0.114、0.152、0.190、0.228 U/mL)對酶解效果的影響;固定酶解條件為酶用量0.076 U/mL、溫度30 ℃、時間1.0 h,考察不同酶解pH(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0)對酶解效果的影響;固定酶解條件為酶用量0.076 U/mL、pH4.0、溫度30 ℃,考察不同酶解時間(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)對酶解效果的影響;固定酶解條件為酶用量0.076 U/mL、pH4.0、時間1.0 h,考察不同溫度(20、25、30、35、40、45、50 ℃)對酶解效果的影響。

1.2.5 正交實驗設計 在單因素實驗的基礎上,選取果膠酶用量(A)、酶解pH(B)、酶解時間(C)和酶解溫度(D)四個因素,以果肉渣液透光率(Y)為指標,進行四因素三水平的正交實驗設計(見表1),優化果膠酶處理工藝。

紅菱懶懶散散地站起來，一面說：“你們以為你們比趙玉墨還金貴啊?比臭塘泥還賤的命，自己還當寶貝!”她走到玉墨身邊，一手勾住玉墨的腰，對玉墨說，“我巴結你吧?我跟你走。”

表1 正交實驗因素水平和編碼Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 血橙果肉渣液濃縮速率測定 分別取果膠酶處理前后的果肉渣液各500 mL,在50 ℃、182 r/min、-0.1 MPa條件下用旋轉蒸發儀進行濃縮,以濃縮時間為橫坐標、可溶性固形物含量為縱坐標,繪制血橙果肉渣液濃縮制備糖蜜的速率曲線。濃縮速率計算公式如下:

1.2.7 血橙果肉渣糖蜜理化指標測定 糖錘度、總酸、灰分:按照《SN/T 1540-2005》測定;還原糖、蔗糖(以還原糖計):按照《GB/T 5009.7-2016》測定;果膠:按照《NY/T 2016-2011》測定;可溶性固形物含量:手持阿貝折光儀測定;相對密度:按照《GB/T 5009.2-2016》測定;可溶性蛋白:考馬斯亮藍G-250法測定。參考文獻[21],根據還原糖、蔗糖和糖錘度計算糖蜜純度,具體公式如下:

1.3 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2007進行數據統計,將平行3次的實驗結果以平均值±標準差的形式表示,以Origin 8.6專業函數繪圖軟件繪制單因素實驗結果圖,用SPSS Statistics 17.0進行正交實驗設計和結果分析。

2 結果與分析

2.1 透光率最適測定波長的確定

在可見光區,分別對酶解前后的血橙果肉渣液進行光譜掃描,得到光譜圖如圖1所示。結果顯示,酶解后血橙果肉渣液的透光率在504 nm處出現波谷,由于吸光度(A)與透光率(T)為負對數關系,即A=-lg T[22],表明此處具有最大吸收峰,故選擇此處波長測定透光率。

圖1 酶解前后血橙果肉渣液透光率隨波長的變化趨勢Fig.1 The relationship between wavelength and light transmittance of blood orange pulp-wash liquid with/without pectinase treated

2.2 單因素實驗

2.2.1 果膠酶用量對酶解效果的影響 如圖2所示,果膠酶用量小于0.038 U/mL時,隨著酶用量的增加,透光率增加較快;酶用量大于0.038 U/mL時,透光率增加緩慢;酶用量為0.114 U/mL時,酶解效果最佳,透光率為78.3%;酶用量大于0.114 U/mL時,果膠基本被水解,隨著酶用量的繼續增大,酶解效果無明顯變化。由于血橙果肉渣液經紗布過濾后仍含有部分殘余的果肉渣,果膠酶作用時將其中的可溶性固形物浸出,從而酶解后的果肉渣液可溶性固形物含量稍有增加[23],但不顯著。實際生產應用中考慮到酶解效果和成本問題,建議果膠酶最小用量為0.076 U/mL。

圖2 果膠酶用量對酶解效果的影響Fig.2 Influence of pectinase dosage on light transmittance

2.2.2 酶解pH對酶解效果的影響 如圖3所示,酶解pH<4.0時,透光率隨pH的增大而增大;pH=4.0時,透光率達到最大值為78.85%;pH>4.0時,隨著pH的增加,透光率逐漸降低;pH在3.5～4.5之間時,可溶性固形物含量增加最多。其原因是pH過小和過大均導致果膠酶變性、失活,影響酶解效果。因此,酶解pH宜選在3.5～4.5之間。

圖3 酶解pH對酶解效果的影響Fig.3 Influence of pH value of washing fluid on light transmittance

2.2.3 酶解時間對酶解效果的影響 如圖4所示,當酶解時間在0～1.0 h時,隨著時間的增加,透光率逐漸增大;當酶解時間大于1.0 h時,透光率達到80%以上,且基本保持不變,血橙果肉渣中可溶性固形物基本被浸出,含量無明顯增加。說明1.0 h后血橙果肉渣液中果膠基本被水解,長時間的酶處理并不能顯著提高酶解效果。考慮到能耗,建議酶解1.0 h左右。

圖4 酶解時間對酶解效果的影響Fig.4 Influence of reaction time on light transmittance

2.2.4 酶解溫度對酶解效果的影響 如圖5所示,酶解溫度為20 ℃時,低溫抑制果膠酶活性,部分果膠被水解,酶解效果不佳;酶解溫度在25～35 ℃時,透光率最大,為80%左右,說明果膠基本被水解,此時酶解效果較好;酶解溫度大于40 ℃時,高溫開始抑制酶解作用,隨著溫度的增加,部分果膠酶逐漸失活,酶解作用受到抑制,血橙果肉渣液透光率逐漸降低。酶解過程中,可溶性固形物含量先增加后減少,與果膠酶活性趨勢基本保持一致。

圖5 酶解溫度對酶解效果的影響Fig.5 Influence of reaction temperature on light transmittance

2.3 正交實驗

由SPSS Statistics 17.0數據統計軟件設計的正交實驗方案及結果如表2所示。

實驗結果表明,各因素對透光率影響的主次順序為B>C>A>D,即酶解pH>酶解時間>果膠酶用量>酶解溫度;最優水平為A1B2C3D3。經驗證,在此條件下,血橙果肉渣液透明澄清,透光率為80.6%。

表2 正交實驗結果及分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test

2.4 果膠酶處理對血橙果肉渣液濃縮速率的影響

如圖6所示,濃縮前期(0～30 min),水分含量較多,兩種果肉渣液濃縮速率較慢,且基本相同;濃縮中期(30～40 min),水分含量逐漸減少,兩種果肉渣液濃縮速率逐漸增加;濃縮末期(40～55 min),水分含量相對較少,兩種果肉渣液濃縮速率顯著加快,酶解后的果肉渣液濃縮速度增加更快。

表3 果膠酶對血橙果肉渣糖蜜主要理化指標的影響Table 3 Effect of clarification with pectinase on components of blood orange pulp molasses

注:相同指標,不同大寫字母表示差異顯著(p<0.05);不同小寫字母表示差異極顯著(p<0.01)。

圖6 酶解前后血橙果肉渣液濃縮速率比較Fig.6 Comparison of concentration speedin blood orange pulp-wash liquid with/without enzyme treated

顯著性分析結果可知,濃縮時間為0、30、40 min時,兩條曲線無顯著性差異;濃縮時間為50、55 min時,兩條曲線差異顯著。這表明,果膠酶處理對血橙果肉渣液濃縮初期的濃縮速率無顯著性影響;但40 min后,因兩種果肉渣液濃縮速率增加量的不同,濃縮速度呈顯著性差異;50、55 min后,可溶性固形物含量相對較大,水分含量相對較少,在果膠酶處理的果肉渣液中,果膠被水解,對水分的束縛能力減小[24],水分更易蒸發,從而濃縮速率增加更快,兩者出現顯著性差異。

2.5 果膠酶處理對血橙果肉渣糖蜜理化指標的影響

由表3可知,酶處理后,血橙果肉渣液制得的糖蜜產品中果膠含量和可溶性蛋白含量顯著降低81.25%和61.78%。崔偉榮[25]等利用果膠酶澄清哈密瓜汁的研究結果與本研究結果相似,澄清后,果膠含量和蛋白質含量分別降低了97.50%和91.97%。分析其原因是:一方面果膠酶作用使果膠物質被分解,果膠-蛋白質的結合被破壞,蛋白質與酚類物質結合產生渾濁沉淀;另一方面,Wu[26]等研究蘋果汁中渾濁活性蛋白的特性時發現,蛋白質-多酚在pH4.0～4.2產生的沉淀比pH3.0多6倍,推測與蛋白質等電點有關,最佳酶解pH4.0正好處于這一pH范圍內,從而蛋白質更易與多酚結合凝聚成沉淀被析出。繼續分析可知,果膠酶處理使糖蜜產品中的還原糖含量和純度分別提高7.91%和2.99%,對蔗糖含量則無顯著影響。其原因是,果膠底物經初期酶解主要產物是半乳糖醛酸寡聚糖,聚合度為DP2～10,單糖含量較少;但隨著酶解時間的增長,聚合度為DP2～10的寡糖被繼續降解成聚合度更低的糖,甚至單糖,寡聚糖含量逐漸減少,單糖含量逐漸增加,從而還原糖增多[27]。分析其他理化指標可知,果肉渣液經乙酸-乙酸鈉緩沖液調節pH后,總酸含量發生顯著性變化;由于乙酸-乙酸鈉作為緩沖液調節pH時,帶入鈉鹽,灰分含量稍有增加,但不顯著。

3 結論與討論

通過單因素和正交實驗,確定血橙果肉渣液最佳酶處理工藝條件為:酶用量0.076 U/mL、酶解pH4.0、酶解時間1.5 h、酶解溫度35 ℃。在實際生產中,血橙果肉渣液的pH為3.7～4.2,在果膠酶適宜pH的區間內,故不必調節pH,也可達到良好的果膠去除效果,同時也能減少灰分物質的帶入。與未經酶處理的血橙果肉渣液相比,酶解后血橙果肉渣液在濃縮末期的濃縮速率顯著加快,有利于節約一定的濃縮時耗和能耗;制得的糖蜜產品中果膠含量顯著降低,還原糖含量和純度顯著增加。綜上所述,將果膠酶應用于血橙果肉渣糖蜜的制備工藝中,能有效去除血橙果肉渣液中的果膠物質,提高濃縮末期血橙果肉渣液的濃縮速率和糖蜜產品純度,具有一定的經濟可行性。

由于柑橘品種、產地不同,其果肉渣中糖分含量差異較大,因此在實際應用生產中,需對果膠酶處理的各因素做具體實驗。此外,由于果皮渣和果肉渣中果膠含量差異較大,在今后處理以果皮渣為原料的上述實驗中,將進一步明確果膠酶處理對柑橘糖蜜制備速率和主要理化指標的影響。

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Preparation technology optimization of molasses from blood orange pulp by pectinase treatment

PENG Xue-jiao1,ZENG Xiao-feng2,WANG Hua1,*,HUANG Lin-hun1,TAN An-qun1,GUO Li1

(1.Citrus Research Institute,Southwest University,Citrus Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Chongqing 400712,China;2.Agricultural Product Storage and Processing Research Institute,Chongqing Academy of Agricultural Sciences,Chongqing 401329,China)

Preparation technology of pectinase treatment to pectin and insoluble substances,such as cell membrane fragments,from blood orange pulp-wash liquid was optimized. The light transmittance,as index,was investigated with respect to pectinase dosage,pH,reaction time and temperature by single factor experiments and L9(34)orthogonal experiments. After the pectinase treatment,the concentration rate of pulp-wash liquid and physical-chemical indexes of molasses products were analyzed and compared. The results showed that optimum conditions of pectinase treatment were amount of pectinase 0.076 U/mL,pH4.0,reaction time 1.5 h and temperature 35 ℃. At the end of concentration,the concentration rate of enzyme treated liquid was significantly accelerated. The reducing sugar content and purity of molasses made by enzyme treated liquid were respectively increased by 7.91% and 2.99%,while the content of pectin and protein were respectively decreased by 81.25% and 61.78%.

pectinase;blood orange pulp;concentration speed;molasses;physical-chemical indexes

2016-08-09

彭雪嬌(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：食品化學與營養學，E-mail：xuejiao.peng@foxmail.com。

*通訊作者:王華(1963-)，男，碩士，研究員，研究方向：食品化學與營養學、現代食品加工理論與技術，E-mail：wanghua@cric.cn。

公益性行業(農業)項目(201503142-12)。

TS209

A

:1002-0306(2017)04-0220-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.033