響應面法優化百香果的酶解工藝

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(1.賀州學院食品科學與工程技術研究院,廣西賀州 542899; 2.賀州學院食品與生物工程學院,廣西賀州542899)

響應面法優化百香果的酶解工藝

康超1,2,楊玉霞2,劉俐俐2,謝有強2,伍淑婕1,2,段振華1,2

(1.賀州學院食品科學與工程技術研究院,廣西賀州 542899; 2.賀州學院食品與生物工程學院,廣西賀州542899)

以百香果為原料，響應面法優化果膠酶、纖維素酶酶解百香果全果的最佳酶解工藝。單因素實驗研究料液比、pH、酶解時間、酶解溫度、酶添加量對百香果出汁率的影響，利用Box-Behnken設計實驗響應面法優化三個因素對酶解全果百香果果汁工藝。響應面法優化結果表明，百香果酶解最佳工藝參數為溫度38.8 ℃，果膠酶添加量0.06‰，纖維素酶添加量0.09‰，在此條件下酶解百香果全果果汁60 min，出汁率為94.21%，和理論值94.237%模擬較好。本研究建立百香果酶解工藝二次線性回歸模型準確有效，優化百香果酶解工藝參數是可行的，有一定的實用價值，可為百香果果汁、果酒及果醋等進一步研究提供理論依據。

百香果,酶解工藝,出汁率,響應面法

百香果(passifloraceae),學名西番蓮,又稱巴西果、雞蛋果,是西番蓮科多年生木質藤本植物果實的通稱,因其香氣濃郁,可散發出菠蘿、香蕉等多種水果香味,故得名百香果[1-2]。它是世界上已知最香的水果之一,被國內外譽為“果汁之王”[3-4]。研究表明,百香果富含天然活性成分類黃酮是減除煩躁和緩減壓力的基本元素,能生津止渴,提神醒腦,食用后能增進食欲,促進消化腺分泌,有助消化。果實中含有多種維生素,能降低血脂,防治動脈硬化,降低血壓,其果汁需求量在國際市場上呈供不應求的趨勢[5-7]。

百香果細胞壁是由果膠、纖維素、半纖維素等物質組成的網狀結構,其阻止細胞內容物流出,使百香果打漿后的果漿粘稠,果渣含量高,出汁率低,生產效率低[8-9]。目前百香果酶解工藝研究中多以單一的果膠酶酶解工藝優化為主,然而,僅使用果膠酶無法徹底水解細胞壁的網狀結構,為進一步提高出汁率,徹底水解果膠、纖維素等物質,采用混合酶是關鍵[10-11],楊峰、張佳艷等發現采用酶解技術可以降低百香果鮮榨果汁不溶性固形物含量,提高西番蓮果渣的出汁率[12-13];黃國清等[14]采用正交實驗得到果膠酶提高西番蓮出汁率的酶解工藝:果膠酶0.25%,溫度45 ℃,時間2.5 h;MugwizaTelesphore[15]利用果膠酶與淀粉酶提高西番蓮出汁率。目前,常規方法制備的百香果果汁普遍存在出汁率低、渾濁的缺點,即使采用酶解工藝,也是果皮與果汁分離后再混合進行酶解,不僅工藝繁瑣,費時費力,酶解效果不能達到最佳,且飲用時口感黏滯,不夠清爽,直接影響了果汁的品質和外觀。因此,本研究以百香果全果為原料,采用雙酶解技術及響應面法優化百香果果汁的酶解工藝,旨在為我國及省市百香果資源的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮百香果 賀州本地市售紫果種;白砂糖 市售;氫氧化鈉、檸檬酸等 均為食品級;果膠酶、纖維素酶 諾維信生物技術有限公司(果膠酶10000 u/g,纖維素酶100 FBG/g)。

HU-600WN多功能榨汁機 韓國Hurom;ZQZY-VC恒溫振蕩培養箱 上海知楚分析儀器制造有限公司;BSA124S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;HH-8數顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市環宇科學儀器廠。

1.2實驗方法

挑選清洗:選擇顏色均勻、大小差異不大的新鮮百香果。流動水沖洗,將表面泥沙、蟲卵、微生物、農藥殘留等雜質洗凈;將清洗好的鮮果稱量,切塊,置于打漿機中,按照預實驗結果,綜合考慮可溶性固形物、果汁含量、口感等因素,確定料液比為1∶3加水混合打漿1 min左右,得百香果漿;酶解:取100 g漿汁置于250 mL三角瓶中,酶制劑加入后要攪拌均勻,并用保鮮膜封口,分別進行單因素及響應面實驗;過濾:使用抽濾裝置進行過濾,得到百香果汁及濾渣,稱量計算出汁率,每次實驗平行測定3次。

1.2.2 酶解技術對百香果出汁率的影響

1.2.2.1 單一果膠酶添加量對百香果出汁率的影響 設定果膠酶添加量分別為0、0.02‰、0.03‰、0.04‰、0.05‰、0.06‰,料液比1∶3,酶解時間60 min,酶解溫度40 ℃進行實驗,測定百香果出汁率,以確定最適果膠酶添加量。

1.2.2.2 單一纖維素酶添加量對百香果出汁率的影響 設定纖維素酶添加量分別為0、0.05‰、0.06‰、0.07‰、0.08‰、0.09‰,料液比1∶3,酶解時間60 min,酶解溫度40 ℃進行實驗,測定百香果出汁率,以確定最優纖維素酶添加量。

1.2.2.3 酶解時間對百香果出汁率的影響 設定酶解時間分別為15、30、45、60、75 min,果膠酶添加量為0.05‰(或纖維素酶0.08‰),料液比1∶3,酶解溫度40 ℃進行實驗,測定百香果出汁率,考察酶解時間對百香果出汁率的影響。

1.2.2.4 酶解溫度對百香果出汁率的影響 設定酶解溫度分別為30、35、40、45、50、55 ℃,料液比1∶3,酶解時間60 min,果膠酶添加量為0.05‰(或纖維素酶0.08‰),測定百香果出汁率,考察溫度對百香果出汁率的影響。

1.2.2.5 pH對百香果出汁率的影響 設定pH分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,酶解時間60 min,料液比1∶3,果膠酶添加量為0.05‰(或纖維素酶0.08‰),測定百香果出汁率,考察pH對百香果出汁率的影響。

1.2.2.6 酶解工藝的響應面實驗優化 綜合單因素實驗結果,以果膠酶添加量、纖維素酶添加量、酶解溫度3 個因素為自變量,以出汁率為響應值設計實驗,根據Box-Behnken實驗設計原理,在單因素實驗的基礎上,采用3因素3水平的響應面分析方法,實驗因素與水平設計見表1。

二是由評價實踐主體具備的“技巧、技能”等處在的狀態、水平發展成為對實踐主體及事物所處狀態、層次的評價。如《天問》：“穆王巧挴，夫何為周流。”洪興祖補注：“巧挴，言巧于貪求也。”[15]由此，“巧”有了“擅長、善于”義。

表1 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface analysis

1.2.3 出汁率的計算 將酶解后的百香果漿至于最后獲得濾汁。每次實驗取汁操作相同,按式(1)計算出汁率:

出汁率(%)=m1/m2×100

式(1)

式中:m1為百香果汁質量,g;m2為百香果原料質量,g。

1.3數據統計分析

所有數據均為3 次重復實驗的平均值,并表示為平均值±標準差,單因素實驗數據運用Origin 9.0軟件繪制趨勢曲線圖;響應面實驗采用Design-Expert 8.0.6 軟件進行方差分析,以顯著性為研究指標(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1單因素酶解工藝確定

2.1.1 果膠酶添加量對百香果出汁率的影響 不同果膠酶添加量對百香果出汁率的影響見圖1,添加果膠酶可以提高百香果出汁率,并且隨著酶添加量的增加(0.04‰～0.06‰),出汁率增大速度變得緩慢,綜合考慮,后期優化實驗選擇果膠酶添加量0.04‰～0.06‰作為響應面實驗水平。

圖1 果膠酶添加量對出汁率的影響Fig.1 Effect of pectinase in different dosage on the yield of passifloraceae juice

2.1.2 纖維素酶添加量對百香果出汁率的影響 纖維素酶添加量對百香果出汁率的影響見圖2,添加纖維素可以提高百香果出汁率,并且隨著酶添加量的增加(0.07‰～0.09‰),出汁率增加不大,綜合考慮,后期優化實驗選擇纖維素酶添加量為0.07‰～0.09‰。

圖2 纖維素酶添加量對出汁率的影響Fig.2 Effect of cellulase in different dosage on the yield of passifloraceae juice

2.1.3 酶解時間對百香果出汁率的影響 由圖3可知,百香果出汁率隨酶解時間延長而提高,當酶解0～45 min區間內出汁率增加迅速,差異較顯著,45 min后增加速率相對放緩,酶解至60 min以后出汁率基本不再變化。

圖3 酶解時間對出汁率的影響Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the yield of passifloraceae juice

2.1.4 酶解溫度對百香果出汁率的影響 由圖4可知,35～45 ℃溫度區間內,百香果出汁率均較30 ℃有所提高,出汁率隨著溫度升高呈先增加后減小的趨勢,酶解溫度在35～45 ℃時,出汁率相對較高,因此,最佳酶解溫度應在40 ℃附近。

圖4 酶解溫度對出汁率的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on the yield of passifloraceae juice

2.1.5 pH對百香果出汁率的影響 實驗表明,pH分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,酶解時間60 min、果膠酶添加量0.05‰(或纖維素酶0.08‰),百香果出汁率變化均不大(見圖5),分析原因可能是所用商品酶果膠酶和纖維素酶的pH均在pH3.0～7.0范圍內,故pH不作為后續優化因素。

圖5 pH對出汁率的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis pH on the yield of passifloraceae juice

2.2百香果酶解工藝響應面實驗優化

2.2.1 響應面優化模型建立分析 應用Box-Behnken對百香果酶解工藝進行響應面分析實驗,用Design-Expert V8.0.6軟件對響應面實驗結果(表2)進行回歸分析,以酶解后百香果出汁率(%)為Y值(響應值),獲得出汁率對果膠酶添加量、纖維素酶添加量和酶解溫度3個因素的二次多項回歸模型:

出汁率(%)=92.38+0.80A+0.27B+0.086C+0.25AB+0.10AC-0.44BC+0.44A2+0.054B2-0.014C2。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

表3 響應面二次回歸方程模型方差分析結果Table 3 ANOVA results of quadratic regression model for response surface

圖6 果膠酶添加量與纖維素酶添加量 交互影響出汁率的響應面圖Fig.6 Response surface and contour of effects of pectinase and cellulase in different dosage amount on the yield of passifloraceae juice

圖7 果膠酶添加量與酶解溫度交互影響出汁率的響應面圖Fig.7 Response surface and contour of effects pectinase in different dosage and temperature amount on the yield of passifloraceae juice

圖8 纖維素酶添加量與酶解溫度交互影響出汁率的響應面圖Fig.8 Response surface and contour of effects cellulase in different dosage and temperature amount on the yield of passifloraceae juice

注：*表示差異顯著(p<0.05),**表示差異極顯著(p<0.01)。

2.2.2 響應面結果分析與優化 根據回歸方程做響應面圖及其等高線圖,考察所擬合的響應面的形狀,分析果膠酶添加量、纖維素酶添加量及酶解溫度對出汁率的影響,相應的響應面見圖6～圖8。由圖可知,該結果與之前的單因素實驗結果一致,并且單因素值增加,響應值隨之增加,但是當響應值達到某一程度后,會出現下降趨勢。綜合表3與圖6～圖8,并進行二次多項回歸模型線性擬合后可知,百香果酶解工藝的最佳條件是:果膠酶添加量0.06‰,纖維素酶添加量0.09‰,酶解溫度38.75 ℃,在此工藝條件下,百香果出汁率的理論值為94.237%。為驗證響應面實驗法獲得結果的可信度,根據工藝(果膠酶添加量0.06‰,纖維素酶添加量0.09‰,酶解溫度38.8 ℃)進行實驗,重復3次,平均出汁率為94.21%,所得實驗值與理論值相對誤差小,說明經響應面分析方法優化獲得的工藝參數是可信的,具有較好的實用價值。

3 結論與討論

[1]陳孝英.臺灣新興作物——百香果[J].臺灣農業情況,1985(3):18-20.

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[3]劉坤,劉炳仁.“果汁之王”——百香果[J].科學種養,2007(9):53.

[4]紫星百香果——果汁之王[J].農業新技術,2004(4):32.

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[8]黃國清,肖仔君,梁小穎,等. 西番蓮果汁加工工藝研究[J]. 食品科學,2006,27(8):187-190.

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[10]秦星,張華方,張偉,等.酶制劑在果汁生產中的應用研究進展[J].中國農業科技導報,2013,15(5):39-45.

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[13]張佳艷,林歡,秦戰軍. 西番蓮果渣酶解工藝的研究[J].食品研究與開發,2016(19):95-99.

[14]黃國清,肖仔君,梁小穎,等.西番蓮果汁加工工藝研究[J].食品科學,2006,27(8):187-190.

[15]Mugwiza Telesphore.利用酶與親水膠體制備混濁西番蓮汁的配料及其穩定性的研究[D]. 無錫:江南大學,2010.

Optimizationofenzymolysistechnologyofpassifloraceaebyresponsesurfacemethodology

KANGChao1,2,YANGYu-xia2,LIULi-li2,XIEYou-qiang2,WUShu-Jie1,2,DUANZhen-hua1,2

(1.Research Institute of Food Science & Engineering Technology,Hezhou University,Hezhou 542899,China; 2.College of Food and Biological Engineering,Hezhou University,Hezhou 542899,China)

Passifloraceae was utilized as raw material to brew fruit juice via enzymatic hydrolysis of passifloraceae with pectinase and cellulose by response surface methodology(RSM). The one-factor-at-a-time method was adopted to investigate the effect of the ratio of material,cellulase to pectinase ratio,pH,hydrolysis temperature and time on juice yield. The interactions of the three independent variables were analyzed using Box-Behnken design and response surface analysis. The optimal hydrolysis conditions for producing passifloraceae juice were found to be enzymatic hydrolysis with a mixture of pectinase(0.06‰)and cellulose(0.09‰)for 60 min at 38.8 ℃. Under these conditions,juice yield of 94.21% was agreeing with the predicted value(94.237%).Response surface methodology to optimize enzymatic hydrolysis of passifloraceae with pectinase and cellulase for increasing juice yield was viable,which would provide the theoretical basis for the further research of passifloraceae juice,wine and vinegar.

passifloraceae;enzymolysis technology;juice yield;response surface methodology

2017-05-08

康超(1985-)，女，博士，講師，研究方向：酶工程與發酵工程，E-mail:kangchao8529@163.com。

國家自然科學基金(21365011)；廣西特色果蔬深加工與保鮮技術研究(YS201601) ；賀州學院博士啟動基金(HZUBS201515)；廣西特聘專家專項經費(廳發[2016]21號)；廣西大學生創新創業項目(201711838021)。

TS255

B

1002-0306(2017)21-0157-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.032