響應面法優化雙孢菇加工中的護色工藝

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(1.淮陰工學院化學工程學院,江蘇淮安 223003; 2.淮陰工學院生命科學與食品工程學院,江蘇淮安 223003;3.山東農業大學食品科學與工程學院,山東泰安 271018)

響應面法優化雙孢菇加工中的護色工藝

王朝宇1,遲雪文2,畢艷紅2,*,趙祥杰2,付瑞平2,李寧陽3

(1.淮陰工學院化學工程學院,江蘇淮安 223003; 2.淮陰工學院生命科學與食品工程學院,江蘇淮安 223003;3.山東農業大學食品科學與工程學院,山東泰安 271018)

以新鮮雙孢菇為原料,采用響應面法對其護色工藝進行優化。選用不同濃度的檸檬酸、檸檬酸亞錫二鈉(DSC)、L-半胱氨酸、異抗壞血酸鈉作為自變量,以雙孢菇褐變程度作為響應值,采用Box-Behnken中心組合法研究自變量及其交互作用對其褐變度的影響,并利用Design-Expert軟件得到回歸方程預測模型并進行響應面分析。結果表明,檸檬酸0.97%,檸檬酸亞錫二鈉0.05%,L-半胱氨酸0.57%,異抗壞血酸鈉為0.53%,此時雙孢菇切片褐變度的實測值為2.52,護色效果較好。

雙孢菇,褐變,護色劑,響應面

雙孢菇是一種常見的食用菌種,肉質肥厚、味道鮮美,除可直接食用外,還可以加工成蔬菜罐頭、果肉飲料及干片等[1]。雙孢菇的營養豐富,除蛋白質外,另有大量的氨基酸、維生素、核苷酸等,其有較好的抗菌、消炎、降血壓、降血脂的功效[2-4]。雙孢菇采收后,在貯藏及加工過程中極易發生褐變,進而影響了其商品價值[5-7]。有研究表明,引起雙孢菇褐變的主要原因是其組織內的酚類物質在多酚氧化酶的作用下氧化為醌類,而醌類物質會進一步聚合而形成黑色素,進而發生酶促褐變[2,8]。影響雙孢菇褐變的因素主要有溫度、氣體條件、pH及濕度等[9],控制褐變可以采用低溫、氣調、輻照等物理方法[2],但是這些方法處理時間較長,操作較復雜,成本較高。抑制雙孢菇褐變還可以在其表面涂抹化學試劑或將其浸泡在化學試劑中[10],然而大部分化學試劑中含硫,對人體健康具有一定的危險性。在熱燙或者進行其它處理過程中添加木瓜和玉米須提取物以及運用基因工程技術對食用菌株進行改造等生物技術[10-11]也可以達到抑制褐變的目的,然而食用的安全性未知,故而本實驗選取了幾種食品級的抑制劑來研究雙孢菇加工過程中的褐變抑制情況,通過響應曲面實驗優選復合抑制劑,為抑制雙孢菇在加工、貯藏及運輸過程中的褐變提供一定的實驗數據及理論依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮雙孢菇 購買于淮安市城南農貿市場;異抗壞血酸鈉、檸檬酸亞錫二鈉(DSC) 江西省德興市百勤異VC鈉有限公司;檸檬酸 上海久億化學試劑有限公司;L-半胱氨酸 濟南卓岱生物科技有限公司;均為食品級。

CR-10色差計 柯尼卡美能達(中國)有限公司;FA2004B天平 上海精科天美科學儀器有限公司;WT2102電磁爐 美的集團。

1.2實驗方法

1.2.1 雙孢菇切片及護色工藝 挑選飽滿、新鮮的雙孢菇作為原料。將其洗凈,去除菇柄,按縱向紋理將雙孢菇切成5 mm左右的薄片。將切片放入100 ℃沸水中燙漂5～10 s,然后把雙孢菇切片分別放入不同濃度的護色液中浸泡30 min,再進行褐變度檢測。

1.2.2 護色劑對雙孢菇切片褐變度的影響 稱取新鮮雙孢菇切片若干份,以檸檬酸、檸檬酸亞錫二鈉、L-半胱氨酸和異抗壞血酸鈉分別作為護色劑對雙孢菇進行褐變抑制實驗,根據GB 2760-2014中食品添加劑的添加要求,設置各護色劑濃度如表1所示。同時以不加護色劑為空白做對照實驗,確定適宜的雙孢菇的護色劑的濃度。

表1 不同護色劑的濃度Table 1 The concentration of all kinds of browning inhibitors

1.2.3 雙孢菇護色劑配比優化 在單因素實驗基礎上,以檸檬酸、檸檬酸亞錫二鈉、L-半胱氨酸和異抗壞血酸鈉溶液濃度為實驗因素,以雙孢菇切片的褐變度為響應值,設計Box-Benhnken 4因素3水平的響應面實驗,各因素和水平見表2。

表2 響應面實驗因素與水平設計Table 2 Factors and levels for response surface analysis

1.2.4 褐變程度測定 采用色差儀測定待測樣品。每組樣品重復測定5次,測定雙孢菇切片的L、a、b值。其中L為亮度值,取值為0～100,ΔL是測試樣與標準樣之間的差值,a為紅-綠值,b為黃-藍值[12]。ΔE是總色差,表示的是色差偏移的方向[13],以總色差表示褐變度,總色差的計算公式[14]如下。

1.3數據處理

實驗數據以平均值±標準差的形式表示,采用OriginPro 8.5軟件進行作圖,Design Expert 8.0.6軟件設計響應面實驗方案并進行方差分析。

2 結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1 檸檬酸對雙孢菇褐變度的影響 由圖1可知,隨著檸檬酸濃度逐漸增大,雙孢菇切片褐變度降低,當濃度到達1.0%時,褐變度達到最小值。但當濃度超過1.0%時,褐變度迅速增高。因為檸檬酸本身偏酸性,可以使體系pH下降,從而使溶液中氧氣溶解度降低。同時,檸檬酸中的羰基可與多酚氧化酶中的銅離子產生較強的螯合作用[15-16],從而在一定程度上抑制多酚氧化酶的活性,即抑制酶促褐變。但是檸檬酸添加量過多,對金屬離子的螯合作用會減弱,進而降低了其抑制多酚氧化酶活性的能力,同時也會使口感偏酸。因此,檸檬酸濃度選取1.0%較為合適。

圖1 檸檬酸對雙孢菇褐變度的影響Fig.1 Effects of citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.2 檸檬酸亞錫二鈉對雙孢菇褐變度的影響 由圖2可知,檸檬酸亞錫二鈉能較有效地抑制雙孢菇切片的褐變,隨濃度的增大,其褐變度逐漸降低,在0.04%時趨于平緩。這是由于檸檬酸亞錫二鈉具有較強的還原性,能夠逐漸消除溶液中殘余氧氣,進而阻斷雙孢菇切片由于接觸空氣發生氧化而引起的褐變[17]。所以,檸檬酸亞錫二鈉的濃度選取0.04%為宜。

圖2 檸檬酸亞錫二鈉對雙孢菇褐變度的影響Fig.2 Effects of stannous citrate disodium on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.3 L-半胱氨酸對雙孢菇褐變度的影響 由圖3可知,隨著L-半胱氨酸濃度的增大,雙孢菇褐變程度逐漸減小,當濃度到達0.50%時開始趨于平緩。這是由于L-半胱氨酸中含有-SH的氨基酸,可以與氧化生成的醌類物質結合[18],使其無法進一步形成黑色素,進而抑制褐變的發生。綜合考慮成本等因素,L-半胱氨酸濃度為0.5%。

圖3 L-半胱氨酸對雙孢菇褐變度的影響Fig.3 Effects of L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.4 異抗壞血酸鈉對雙孢菇褐變度的影響 由圖4可知,隨著異抗壞血酸鈉濃度逐漸增大,褐變度逐漸降低,當濃度進一步升高到0.5%時,褐變度趨于平緩。當異抗壞血酸鈉的濃度足夠高時,氧化形成的產物就能迅速被其還原,進而抑制了果蔬的酶促褐變[1]。但當溶液中異抗壞血酸鈉濃度繼續升高時,異抗壞血酸鈉會被完全氧化成脫氫醋酸鈉,從而使抑制率趨于穩定。綜合考慮實際生產,異抗壞血酸鈉的添加量為0.5%。

圖4 異抗壞血酸鈉對雙孢菇褐變度的影響Fig.4 Effects of sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

2.2響應面優化實驗結果

根據單因素試驗結果,以雙孢菇切片褐變度為響應值,采用Design-Expert 軟件中的Box-Behnken[19]實驗設計方案,進行四因素三水平的響應面實驗。實驗方案及結果見表3。

表3 響應面實驗設計方案及結果Table 3 Design and test results of response surface

2.2.1 方差分析及顯著性檢驗 應用Design Expert 6.0.10軟件對表3中的數據進行分析,得到回歸模型為:

ΔE=3.03+0.15A-0.35B-0.61C+7.500E-003D+1.07A2+0.33B2+0.43C2+0.63D2-0.17AB+0.23AC-0.48AD-0.072BC-0.63BD-0.58CD。對回歸方程進行方差分析,結果見表4。

表4 回歸方程系數及顯著性檢驗Table 4 Regression equation coefficients and significant test

注:*差異顯著,p<0.05;**差異極顯著,p<0.01。

從上述結果中可以看出,方程模型的F值為35.03,p值<0.0001,這表明回歸模型極顯著。失擬項F值為2.52,p=0.1932>0.05,失擬項不顯著,說明回歸方程對實驗擬合的情況較好[20],未知因素對實驗結果的干擾性小,殘差均有隨機誤差引起[21]。相關系數R2=0.9722,調整系數R2=0.9445,也表明此模型的擬合度好,97.22%的實驗數據可由該模型進行解釋,方程的可靠性高。響應值的94.45%是由于所選變量引起的,證明雙孢菇切片褐變度實際值與預測值之間具有較好的擬合相關性。變異系數(CV)為4.88,故模型方程反映真實值的情況較好。經綜合分析,該模型擬合程度較好,可用于分析和預測護色劑最佳配方。對回歸方程一次項系數的絕對值進行比較,由表4可知,各因素對雙孢菇切片褐變程度的影響順序依次為L-半胱氨酸濃度、檸檬酸亞錫二鈉濃度、檸檬酸濃度以及異抗壞血酸鈉濃度。B、C、A2、B2、C2、D2、AD、BD、CD影響極顯著(p<0.01),A、AC影響顯著(p<0.05).

2.2.2 交互作用分析 為更直觀地表現兩因素的交互作用對響應值的影響,令其中兩因素水平值為零,對另兩個因素對雙孢菇褐變度的影響進行分析,見圖5～圖10。

圖5 檸檬酸亞錫二鈉和檸檬酸對雙孢菇褐變度的作用圖Table 5 Effects of stannous citrate disodium and citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

圖6 檸檬酸和L-半胱氨酸對雙孢菇褐變度的作用圖Table 6 Effects of citric acid and L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

圖7 異抗壞血酸鈉和檸檬酸對雙孢菇褐變度的作用圖Table 7 Effects of sodium erythorbate and citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

圖8 檸檬酸亞錫二鈉和L-半胱氨酸對雙孢菇褐變度的作用圖Table 8 Effects of stannous citrate disodium and L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

圖9 檸檬酸亞錫二鈉和異抗壞血酸鈉對雙孢菇切片褐變度的作用圖Table 9 Effects of stannous citrate disodium and sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

圖10 L-半胱氨酸和異抗壞血酸鈉對雙孢菇褐變度的作用圖Table 10 Effects of L-cys and sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

從圖5～圖10來看,各因素之間的交互作用均呈現先下降后上升的拋物線型關系,說明兩兩交互均對雙孢菇切片褐變度有較大的影響。

2.2.3 雙孢菇護色工藝的驗證 根據二次回歸的數學模型分析結果,得出最佳護色劑配方:檸檬酸濃度0.97%,檸檬酸亞錫二鈉濃度0.05%,L-半胱氨酸濃度0.57%,異抗壞血酸鈉濃度為0.53%,此時雙孢菇切片褐變度的預測值為2.49。為了驗證響應面法是否可行,將響應面二次回歸所得最佳條件重復實驗3次,雙孢菇褐變度的實測值為2.52,與理論值相差不大,充分驗證了模型的正確性,表明響應面法適用于雙孢菇切片護色劑配方的優化。

3 結論

在單因素實驗設計的基礎上,對雙孢菇切片護色劑進行了四因素三水平的Box-Behnken響應面實驗設計,建立了響應值和各個因素之間的數學模型,依據模型確定雙孢菇護色的最佳配方(以質量分數計):檸檬酸0.97%,檸檬酸亞錫二鈉0.05%,L-半胱氨酸0.57%,異抗壞血酸鈉為0.53%,此時雙孢菇切片褐變度的實測值為2.52。模型方差分析和響應面的分析表明,該模型回歸極顯著,對實驗擬合較好,對于雙孢菇切片的護色有一定參考價值。

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Optimizationofanti-browningtechnologyofAgaricusbisporusbyresponsesurfacemethodology

WANGZhao-yu1,CHIXue-wen2,BIYan-hong2,*,ZHAOXiang-jie2,FURui-ping2,LINing-yang3

(1.Faculty of Chemical Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;2.School of Life Science and Food Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;3.College of Food Science and Engineering,Shandong Agriculture University,Tai’an 271018,China)

In this paper,the technology of anti-browning ofAgaricusbisporuswas optimized by response surface methodology. According to the effects of single factor test,four main factors about citric acid,disodium stannous citrate(DSC),sodium erythorbate,L-cysteine were variables,andAgaricusbisporusbrowning degree was response value,the experimental design method of Box-Benhnken was used to study the effects of each variable and their interactions on theAgaricusbisporusbrowning degree. The prediction model of regression equation by using Design Expert software was analyzed by response surface analysis. The result showed that the optimum conditions of anti-browning were that mass fraction of citric acid 0.97%,citric acid stannous disodium 0.05%,L-cysteine 0.57%,sodium erythorbate 0.53%. Under this condition,the prediction value ofAgaricusbisporusbrowning degree was 2.52 and the color proction effect was good.

Agaricusbisporus;browning;color fixatives;response surface

2017-02-27

王朝宇(1978-)，男，博士，副教授，主要從事生物合成與轉化領域的研究，E-mail：biowzy@126.com。

*通訊作者:畢艷紅(1981-)，女，碩士，主要從事食品加工領域的研究，E-mail：byhfood@126.com。

國家自然科學基金(21676114，31501421)；江蘇省青藍工程項目；淮安市重點研發計劃(現代農業)項目(HAN2015020)。

TS255.36

:B

:1002-0306(2017)16-0167-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.031