響應面法優化鮮切菠蘿殼聚糖涂膜保鮮的研究

李崇高，黃建初，邱紅妹

1(廣州城市職業學院 食品系，廣東 廣州，510405) 2(廣州工商學院 物流系，廣東 廣州，510850)

菠蘿是世界四大熱帶水果之一。菠蘿營養豐富、風味獨特、酸甜可口；富含有機酸、膳食纖維以及菠蘿蛋白酶，具有減肥、助消化，促進食欲，清理腸胃等功效，因而成為廣受消費者歡迎的熱帶水果[1]。但新鮮菠蘿有一層多刺、較多芽眼的非可食性果皮，鮮食時去皮麻煩，給消費者食用帶來很大的不方便[2]。

鮮切水果是新鮮水果經清洗、去皮、切分、包裝等處理而成。因其新鮮、衛生、方便，近20年來廣泛流行于歐美，在我國也發展迅速，越來越受消費者青睞。但鮮切水果在切分時產生創傷，導致發生呼吸加快、褐變、失重、微生物污染等問題。為了延長其貨架壽命，通常采用漂燙、有機酸、鹽、涂膜等處理[3]。殼聚糖是一種安全無毒的天然多糖，具有良好的成膜性、阻氧性和抑菌性，所形成的膜能抑制呼吸，減少水分散失，起護色、抑菌作用[4-5]。異抗壞血酸鈉具有良好的褐變抑制。檸檬酸能抑制褐變，控制李斯特氏菌生長；檸檬酸、異抗壞血酸鈉還能保持鮮切水果的硬度[6]。

本文以檸檬酸、異抗壞血酸鈉、殼聚糖為材料，采用響應面優化法，以期建立多元回歸數學模型，來分析和預測它們對鮮切菠蘿保鮮品質的影響，探討殼聚糖涂膜的最佳配比，以期為解決鮮切菠蘿的褐變、失重、腐爛等提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

菠蘿：選擇大小、成熟度一致的新鮮菠蘿，市售。

食品添加劑：檸檬酸(食品級，山東濰坊英軒實業有限公司)，異抗壞血酸鈉(食品級，山東諸城華源生物工程有限公司)，殼聚糖(食品級，脫乙酰度90%，分子量為18萬，濰坊海之源生物制品有限公司)。化學試劑：NaOH(分析純，上海優試化工有限公司)，酚酞(北京惠寶聯化科技有限公司)。包裝材料：聚丙烯(PP)塑料托盤(1.2 cm×15.7 cm×9.3 cm)，聚乙烯(PE)保鮮膜(4 μm)，市售。

1.2 儀器和設備

分析天平(SI-2002，丹佛儀器北京有限公司)，海爾冰箱(BCD-215KAGA，海爾集團)，數顯手持糖度計(PAL-1，日本愛宕ATAGO)不銹鋼水果刀，砧板，圓底托盤，燒杯，容量瓶，滴定管，溫度計。

1.3 實驗方法

1.3.1 鮮切菠蘿的處理

菠蘿→挑選→預冷→去皮→切分→護色→涂膜、瀝干→裝盤、密封→冷藏→檢驗

挑選大小、成熟度一致的新鮮菠蘿。放入5～10 ℃下預冷2～3 h。用水果刀將菠蘿切頭去尾，削外皮，用專用菠蘿刀斜削，邊削邊旋削除芽眼，切成4大塊，去除硬芯，切成4 cm×2 cm×2 cm小塊。切好的菠蘿放在1%(質量分數)食鹽水中暫存。用不同配比的涂膜液浸泡1.5 min，瀝干。裝入托盤，用保鮮膜密封，每盤120 g，每個處理10盤。將果盤放入5 ℃冰箱中貯存。分別于0、2、4、6、8、10 d，取樣檢驗分析，記錄數據。

1.3.2 單因素實驗

殼聚糖溶液的配制：在60 ℃下，以質量分數為1%的乙酸為溶劑，將殼聚糖攪拌至溶解后冷卻待用。

將菠蘿切片用0.05%、0.10%、0.15%(以下各處均指質量分數)的檸檬酸溶液處理1.5 min，確定檸檬酸的適宜用量。將菠蘿切片用0.5%、1.0%、1.5%(以下各處均指質量分數)的異抗壞血酸鈉處理1.5 min，確定異抗壞血酸鈉的用量。將菠蘿切片用1.0%、1.5%、2.0%(以下各處均指質量分數)的殼聚糖溶液處理1.5 min，確定殼聚糖的用量。

1.3.3 響應面優化實驗

在單因素實驗基礎上，以檸檬酸、異抗壞血酸鈉、殼聚糖為因素，感官評分、失重率、固酸比為響應值，設計響應面優化實驗，見如表1。參考陳涵等[7-8]的響應面分析法，根據Box-Behnken Design(BBD)實驗設計，通過Design-Expert.V 8.0.6軟件，對實驗結果進行回歸擬合分析，得出二次多元回歸方程，進行方差分析和p值顯著性檢驗。進一步擬合優化，建立二次多元回歸數學模型。

表1 3因素3水平響應面優化實驗Table 1 Three-factors three-level response surface optimization experiment

1.4 測定方法

1.4.1 感官評定

參考張水華[9]的食品感官鑒評，結合菠蘿的感官評價，設計表2。評定小組由10人組成，每份樣品隨機編碼，隨機發放，按照感官評定標準進行評價，結果取平均值。

表2 鮮切菠蘿感官評分表Table 2 Fresh cut pineapple sensory score table

1.4.2 失重率測定：

失重率采用稱重法。

(1)

1.4.3 固酸比的測定

(1)可溶性固形物含量測定[10]：用日本愛宕ATAGO PAL-1數顯手持糖度計測定。取少量果汁，滴入手持糖度計槽中，讀取讀數%，重復測定3次。

(2)總酸度含量測定[11]：采用酸堿滴定法，單位為度(°T)(以10 g樣品所消耗的0.1 mol/L NaOH體積，mL計)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 檸檬酸用量對鮮切菠蘿感官品質的影響

圖1 檸檬酸用量對鮮切菠蘿感官品質的影響Fig.1 Citric acid dosage on the sensory quality of fresh-cutpineapple

由圖1可知，隨著鮮切菠蘿貯藏時間延長，感官評分呈下降趨勢；經過檸檬酸處理的鮮切菠蘿感官評分比空白組的感官評分要高，其中以0.10%檸檬酸溶液處理的鮮切菠蘿感官評分保持較高，第4天仍保持78分。這是因為檸檬酸處理降低了鮮切菠蘿的PH值，抑制了微生物生長，從而保持其品質。但檸檬酸添加過多，會改變固酸比而影響到滋味的評分。

2.1.2 異抗壞血酸鈉用量對鮮切菠蘿感官品質的影響

由圖2可見，隨著鮮切菠蘿貯藏時間的延長，感官評分呈下降趨勢，經異抗壞血酸鈉溶液處理的鮮切菠蘿感官評分比空白組的感官評分要高，其中1.0%處理的感官評分保持較高，第4天仍保持75分。因為異抗壞血酸鈉是一種褐變抑制劑，具有抗氧、保鮮和護色等作用。

圖2 異抗壞血酸鈉用量對鮮切菠蘿感官品質的影響Fig.2 Effect of sodium ascorbate on the sensory quality of fresh-cut pineapple

2.1.3 殼聚糖用量對鮮切菠蘿感官品質的影響

由圖3可見，隨著鮮切菠蘿貯藏時間的延長，感官評分呈不斷下降趨勢。經殼聚糖溶液處理的鮮切菠蘿感官評分比空白組的感官評分要高，其中1.5%溶液處理的感官評分保持較高，第4天仍保持77分。因為殼聚糖具有成膜性和抑菌性，減少了營養、香氣和重量的損失，提高了鮮切菠蘿的抗病性。

圖3 殼聚糖用量對鮮切菠蘿感官品質的影響Fig.3 Effect of chitosan dosage on organoleptic quality of fresh-cut pineapple

2.2 響應面法優化實驗

3因素3水平響應面優化實驗方案及結果見表3。

2.2.1 響應面優化法的感官評分

感官評價是利用人的感官來測量食品的口味接受性，是人們對食品喜愛程度的重要指標。響應面法實驗的感官評分結果見圖4～圖6，它是不同因素間兩兩作用對鮮切菠蘿感官評分影響的響應面圖和等高線圖。

表3 3因素3水平響應面優化實驗方案及結果Table 3 Three-factors three-level response surface optimization experimental program and results

圖4 檸檬酸與異抗壞血酸鈉對鮮切菠蘿感官評分影響的響應面圖(a)和等高線圖(b)Fig.4 Response surface (a) and contour plot (b) of citric acid and sodium erythorbate on the sensory score of fresh-cut pineapple

從圖4可看出，隨檸檬酸和異抗壞血酸用量增加，鮮切菠蘿的感官評分先緩慢升高，后緩慢下降。

圖5 檸檬酸與殼聚糖對鮮切菠蘿感官評分影響的響應面圖(a)和等高線圖(b)Fig.5 Response surface (a) and contour (b) of citric acid and chitosan on the sensory score of fresh-cut pineapple

從圖5可看出，隨檸檬酸用量增加，鮮切菠蘿的感官評分先緩慢升高，后緩慢下降；隨殼聚糖用量增加，感官評分迅速上升，到最高峰時，開始下降。

圖6 異抗壞血酸鈉與殼聚糖對感官評分影響的響應面圖(a)和等高線圖(b)Fig.6 Response surface (a) and contour (b) of the effect of sodium erythorbate and chitosan on the sensory score

從圖6可看出，隨異抗壞血酸用量增加，鮮切菠蘿的感官評分緩慢升高；隨殼聚糖用量增加，感官評分迅速上升，到最高峰時，開始下降。

將實驗所得的結果，通過Design-Expert.V 8.0.6軟件進行多元回歸擬合，得到多元回歸方程：

感官評分=1.092 5+88.71A+10.986B+92.579C-14.0AB+31.2AC-3.08BC-652.8A2-2.568B2-28.168C2

對多元回歸方程進行方差分析，以p值進行顯著性檢驗，結果如表4。

表4 感官評分的多元回歸方程方差分析Table 4 Sensory score multiple regression equation analysis of variance

注：*表示已達到顯著水平(p<0.05)，**表示達到極顯著水平(p<0.01)，下同。

由表4可知，感官評分的二次多元回歸方程具有極顯著性(p<0.000 1)，失擬項為0.253 8>0.05，不顯著，說明該方程對感官評分有顯著意義，擬合良好，能做出較準確預測。決定系數(R-Squared)0.979 7；校正擬合度(Adj R-Squared)0.953 5，預測擬合度(Pred R-Squared)0.791 5，二者較接近且其差值處于合理、有意義范圍內，表明該方程能顯著表示本實驗中各因素對感官評分的影響。C、C2的影響為極顯著(p值<0.000 1)，A2的影響為顯著(p值<0.05)，根據回歸方程的方差分析結果，殼聚糖、檸檬酸為影響感官評分的顯著性因素。根據F值大小，影響感官評分順序依次為殼聚糖>檸檬酸>異抗壞血酸鈉。

2.2.2 響應面優化法的失重率

失重率是衡量鮮切菠蘿品質變化的重要指標。將實驗的結果，通過Design-Expert.V 8.0.6軟件進行多元回歸擬合，得到多元回歸方程：

失重率=14.173 75-28.66A+0.109B-11.974C+17.5AB+5.7AC-0.23BC+23.3A2-0.547B2+3.353C2

對多元回歸方程進行方差分析，以p值進行顯著性檢驗，結果如表5。

表5 失重率的多元回歸方程方差分析Table 5 Weight loss rate of multiple regression analysis of variance analysis

由表5可知，失重率的二次多元回歸方程具有極顯著性(p<0.000 1)，失擬項0.327 1>0.05，不顯著，說明該回歸方程對失重率具有顯著意義，擬合良好，能做出較準確預測。決定系數(R-Squared)0.929 7，校正擬合度(Adj R-Squared)0.839 4，預測擬合度(Pred R-Squared)0.340 7，但精密度(Adeq Precision)9.798>4，比例是理想的，說明該模型可用于預測。C、C2的影響為極顯著(p值<0.000 1)，AB的影響為顯著(p值<0.05)，根據回歸方程方差分析，殼聚糖、檸檬酸、異抗壞血酸鈉均是影響失重率的顯著性因素。根據F值大小，影響失重率的順序依次為殼聚糖>異抗壞血酸鈉>檸檬酸。

2.2.3 響應面優化法的固酸比

固酸比是影響食品滋味、品質和保質期的重要指標。將實驗結果，通過Design-Expert.V 8.0.6軟件進行多元回歸擬合，得到多元回歸方程：

固酸比=138.713 75-44.705A-18.098B-121.539 5C+91.3AB+6.6AC+1.05BC-275.6A2+3.294B2+34.364C2

對多元回歸方程進行方差分析，以p值進行顯著性檢驗，結果如表6所示。

表6 固酸比的多元回歸方程方差分析Table 6 Curing ratio of multiple regression equation analysis of variance

由表6可知，固酸比的二次多元回歸方程具有極顯著性(p<0.000 1)，失擬項為0.215 5>0.05，不顯著，說明該方程對固酸比具有顯著意義，擬合良好，能做出較準確預測。決定系數(R-Squared)0.974 3，校正擬合度(Adj R-Squared)0.941 2，預測擬合度(Pred R-Squared)0.723 4，但精密度(Adeq Precision)14.901>4，比例是理想的，說明該模型可用于預測。C、C2的影響為極顯著(p值<0.000 1)，AB的影響為顯著(p值<0.05)，根據回歸方程的方差分析，殼聚糖、檸檬酸、異抗壞血酸鈉均是影響固酸比的顯著性因素。根據F值大小，影響固酸比的順序依次為殼聚糖>異抗壞血酸鈉>檸檬酸。

2.3 響應面法優化涂膜條件的預測及驗證

根據所得響應面數據，對上述3個多元回歸方程，用Design-Expert 8.0.6軟件擬合優化，得到最優的涂膜條件：檸檬酸0.12%、異抗壞血酸鈉0.5%、殼聚糖1.69%，以及擬合優化后的預測值分布圖，見圖7。

圖7 Design-Expert 8.0.6擬合后的預測值分布圖Fig.7 Design-Expert 8.0.6 fitted predicted value distribution

從圖7可看出，Desirability的預測值的可信程度達到0.970，感官評分的預測值為86.037，失重率的預測值為2.33，固酸比的預測值為21.489 1。

根據擬合優化的最佳涂膜條件(檸檬酸0.12%、異抗壞血酸鈉0.5%、殼聚糖1.69%)，對鮮切菠蘿進行涂膜驗證實驗，所得的驗證實驗結果與響應面優化所得的預測值進行比較，見表7。

表7 涂膜處理鮮切菠蘿品質指標的預測值與實測值Table 7 Coated fresh pineapple quality indicators of the forecast value and the measured value

從表7可知，驗證實驗結果表明：優化的涂膜條件處理鮮切菠蘿的感官評分、失重率、固酸比與預測值相當，說明該方法與實際情況擬合良好，驗證了所建數學模型的正確性。說明響應面優化法能較好地適用于殼聚糖涂膜鮮切菠蘿保鮮的回歸分析和參數優化。

實驗結果與前人的研究[7，12-13]有相同，也有不同(如檸檬酸用量)。這是因為新鮮菠蘿的可溶性固形物、總酸均較好，固酸比為22～32∶1，如檸檬酸用量過大，會直接影響菠蘿甜酸適中的口感，影響感官評分。

3 結論

本文探討了檸檬酸、異抗壞血酸、殼聚糖對鮮切菠蘿的感官評分、失重率、固酸比等品質的影響，建立了二次多元回歸方程數學模型，對模型進行了響應面圖分析，得到了優化的涂膜條件：檸檬酸0.12%、異抗壞血酸0.5%、殼聚糖1.69%。經此處理的鮮切菠蘿，品質達到最高，色澤鮮黃，香味濃郁，甜酸適宜，較好保持了鮮切菠蘿的品質。