響應面法優化NFC 蘋果汁均質工藝研究

李根，初樂，馬寅斐，趙巖，和法濤，朱風濤，丁辰

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南250014）

蘋果是薔薇科（Rosaceae）蘋果屬（malus）植物的果實，富含糖類、維生素和礦物質等多種營養成分[1]。其中，蔗糖含量6.2%～26.8%，葡萄糖含量19.0%～43.5%，果糖含量43.7%～55.7%[2]。隨著生活質量的提高，人們越來越注重食品的品質與營養，對品質高、營養好的水果制品的需求日益增加。蘋果最主要的加工產品為濃縮蘋果汁（NFC），NFC 蘋果汁是一種既保留了天然風味，又含有豐富營養的純天然果汁，盛行于歐美和日本市場[3]。但NFC蘋果汁中有果肉顆粒產生的懸浮物等，會使果汁分層，降低果汁的感官品質及貨架期[4]。

高壓均質技術是將濁汁中顆粒物質在壓力（最高可達約414 MPa）影響下，使其快速通過內腔，從而使液體中的固體大顆粒破碎成較小的顆粒，提高果汁的混濁穩定性[5]。Betoret E 等[6]通過測定橙汁在不同均質壓力下的粒徑、色澤和黃酮含量，得出均質對果汁粒徑和色澤有影響，而對黃酮無影響，但經過5 個月儲存后黃酮類受到影響。王麗娜等[7]研究發現均質工藝能夠明顯增強果汁的穩定性，30 MPa 下均質1 次后混濁蘋果汁的穩定性較好。均質處理不僅對果汁物理特性產生影響，對果汁抗氧化性等化學特性也會產生影響。Karacam CH 等[8]發現在較高的均質壓力下，蛋白質結構的改變可能會引起總可溶性固形物含量的減少，而在60 MPa 下處理后草莓汁抗氧化性無明顯變化，但壓力100 MPa 下總酚和抗氧化性都有明顯提高。本試驗研究了均質工藝對NFC 蘋果汁穩定性及品質的影響，通過響應面試驗對高壓均質條件進行了優化，并對比了均質前后NFC 蘋果汁穩定性的變化以獲得穩定性較好的NFC 果汁，為高質量NFC 蘋果汁的生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

紅富士蘋果，購于煙臺棲霞市，4 ℃貯藏。

1.2 儀器與設備

HH-4 數顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市正基儀器有限公司；STEPHAN UM5 破碎機，德國HERON FOOD MACHINERY SERVICE 公司；高壓食品均質機，上海ATS ENGINEERING INC 公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

新鮮蘋果→挑選→清洗→切塊→破碎打漿→壓榨→均質→脫氣→殺菌灌裝

1.3.2 操作要點

（1）挑選、清洗、切塊選擇無腐爛的新鮮蘋果，用流動的清水洗凈，然后切成5 cm×5 cm 的塊狀。

（2）破碎打漿、壓榨

將蘋果塊放入Stephan 破碎機中，同時添加0.1%的VC 固體進行護色。得到的蘋果漿用兩層紗布過濾，果汁中不溶物含量在3%～4%。

（3）脫氣

利用旋轉蒸發儀對蘋果汁進行脫氣，防止氧化反應，真空度為0.08～0.087 MPa。

（4）灌裝、殺菌

采用熱灌裝方式，灌裝完后倒放一段時間后迅速放入冷水中冷卻。將果汁加熱到90 ℃殺菌10 s，趁熱灌裝。

1.3.3 高壓均質工藝單因素試驗

（1）均質壓力對NFC 蘋果汁穩定系數的影響

取NFC 蘋果汁500 mL，在果汁溫度30 ℃下分別以0、10、20、30、40 MPa 的壓力均質1 次，測定均質后蘋果汁的穩定系數。

（2）均質次數對NFC 蘋果汁穩定系數的影響

取NFC 蘋果汁500 mL，在果汁溫度30 ℃以10 MPa的壓力分別均質0、1、2、3、4 次，測定均質后蘋果汁的穩定系數。

（3）均質溫度對NFC 蘋果汁穩定系數的影響

取NFC 蘋果汁500 mL，在果汁溫度20、30、40、50、60 ℃下以10 MPa 的壓力均質1 次，測定均質后蘋果汁的穩定系數。

1.3.4 高壓均質工藝響應面試驗優化

根據單因素試驗結果，選擇高壓均質壓力（A）、均質次數（B）、均質溫度（C）進行響應面優化試驗，試驗設計如表1 所示。

表1 響應面試驗設計Table 1 Design of response interview experiments

1.3.5 測定指標與方法

（1）果汁粒徑的測定

采用激光粒徑分布儀測定NFC 蘋果汁粒徑分布。

（2）果汁粘度的測定

采用美國BROOKFIELD 粘度計測定。

（3）果汁穩定性的測定

采用穩定性分析儀TURBISCAN Lab 進行穩定性掃描[9]。掃描頻率為5 min/次，掃描時長為4 h，掃描溫度25℃，穩定性分析結果為儲藏期內正常存放1 個月，由設備計算得出TSI 穩定性指數。

2 結果與分析

2.1 均質工藝單因素試驗

2.1.1 均質壓力對NFC 蘋果汁混濁穩定性的影響

圖1 均質壓力對蘋果汁穩定系數的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure on the stability coefficient of apple juice

圖1 顯示了均質壓力對蘋果汁穩定系數的影響。由圖可知，在0～20 MPa 壓力下，隨著均質壓力的增大，穩定系數逐漸增大，蘋果汁混濁穩定性增強；這可能是因為，在強壓力條件下，果汁受到均質機切割力作用，導致果汁中的果肉顆粒變小，增強了果汁穩定性。當均質壓力增加到30 MPa 后，穩定系數開始下降，蘋果汁混濁穩定性減弱；可能是由于均質壓力的不斷增大，果汁中懸浮顆粒半徑減小，表面積增大，布朗運動的速度加快，顆粒碰撞次數增多，從而使顆粒容易聚合，導致果汁粘度降低，果汁的混濁穩定性降低。

2.1.2 均質次數對NFC 蘋果汁混濁穩定性的影響

圖2 顯示了均質次數對蘋果汁穩定系數的影響。如圖2 所示，在均質次數0～2 次時，穩定系數隨均質次數的增加而增大，果汁的穩定性逐漸增強。2 次均質時，果汁穩定系數達到最大，為0.476，比均質1 次的穩定系數增加了29.62%。當均質次數超過3 次時，果汁穩定系數逐漸降低，蘋果汁的混濁穩定性減弱。可能是均質次數的增加提高了果汁體系的溫度，使果汁分子間相互作用力增強，顆粒間易發生聚合，造成果汁體系的不穩定。

圖2 均質次數對蘋果汁穩定系數的影響Fig.2 Effect of homogenization times on the stability coefficient of apple juice

2.1.3 均質溫度對NFC 蘋果汁混濁穩定性的影響

圖3 均質溫度對蘋果汁穩定系數的影響Fig.3 Effect of homogenization temperature on the stability coefficient of apple juice

由圖3 可以看出，蘋果汁的穩定系數隨著均質溫度的增加先增加后降低，蘋果汁穩定系數在均質溫度30 ℃時最大，為0.433；當溫度超過30 ℃時，蘋果汁穩定系數逐漸下降；60 ℃已降至0.376。根據文獻可知，蘋果汁中體系穩定的機理是懸浮顆粒帶負電，部分脫甲基的果膠包裹著帶正電的蛋白質，在20～30 ℃時隨著溫度升高，使NFC 蘋果汁釋放出更多內源果膠，懸浮顆粒之間的靜電斥力更大，提高了蘋果汁的穩定性；而溫度過高可能會使果汁中物質發生絮凝，造成穩定性的下降[10,11]，這與本試驗的研究結果一致。

2.2 均質工藝響應面優化

2.2.1 響應面設計及結果

表2 響應面試驗設計及穩定系數測定結果Table 2 Experimental design and corresponding values for stability coefficient

采用三因素三水平的Box-Behnken 響應面模型，試驗設計及結果如表2 所示。用Design-expert 軟件對試驗數據進行多項式回歸擬合，并進一步研究和優化影響穩定系數的因素，做響應面圖。多元回歸擬合，得到穩定系數與各因素的二次方程模型為：Y=0.54+0.016A-0.009B+0.0.12C+0.014AB-0.022AC+0.022BC-0.14A2-0.15B2-0.075C2。

2.2.2 回歸方程方差分析

由表3 方差分析結果表明，建立的回歸模型對NFC蘋果汁穩定系數達顯著水平（P＜0.001），表明該Quadratic回歸方程模型極顯著。方程失擬項差異性不明顯（P＞0.05），說明回歸方程對試驗的擬合情況誤差不大，可以很好地表現出各影響因素和響應值之間的聯系。因變量與自變量之間的相關系數R2=0.995 7，模型調整決定系數R2Adj=0.990 1，此模型說明了99.01%響應值的變化，方程擬合度較高；模型的預測系數R2pred=0.985 7，說明考察值和模型預測值間存在較高的相關性。表明該回歸方程可代替試驗真試點，從而分析和預測NFC 果汁穩定系數，并對各因素回歸系數進行顯著性檢驗。

一次項中均質壓力（A）、均質溫度（C）及二次項中AB、AC、BC、A2、B2、C2的P 值均小于0.05，說明均質壓力、均質溫度以及交互項和二次項均對NFC 蘋果汁穩定系數有顯著影響，其他交互項影響差異不顯著（P＞0.05）。在所選的各因素水平范圍內，各因素對穩定系數的影響大小依次為均質壓力＞均質溫度＞均質次數。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis for the established regression model

2.2.3 響應面分析

如圖4 所示，在其他因素不變的情況下，NFC 蘋果汁的穩定系數隨著因素值的升高先上升后下降。高壓均質壓力和均質溫度、均質次數和均質溫度的等高線陡峭且較為密集，兩者相互作用較為明顯。沿均質壓力和均質次數軸向的響應面較平滑且等高線變化較稀疏，兩兩交互作用較小。

2.2.4 驗證試驗

結合模型方程和響應面分析，得到均質工藝進行最優工藝參數為均質壓力20.52 MPa，均質次數1.98 次，均質溫度30.70 ℃。此時得到均質后NFC 蘋果汁穩定系數預測值為0.554。據實際試驗的可操作性，將均質工藝調整為均質壓力21.00 MPa，均質次數2 次，均質溫度31℃。在此工藝條件下對模型的預測參數進行驗證，得到實際值0.546 與模型預測值差異不顯著，表明采用響應面法優化得到的均質工藝參數可靠。

圖4 各因素交互作用對穩定系數的響應面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for the interactive effects of three parameters on stability coefficient

2.3 NFC 蘋果汁均質前后穩定性表征

表4 均質前后蘋果汁穩定性表征Table 4 Characterization of stability of apple juice before and after homogenization

均質化是一個向液體施加壓力使固體顆粒和懸浮物破碎成更小顆粒的過程[12]。根據STOCK 理論可知，果汁穩定性主要是由固體懸浮顆粒尺寸和果汁粘度決定的。果汁中粒徑較大，導致顆粒沉淀的速度加快，使果汁更容易分層。表4 顯示了均質前后穩定性表征，由表可知，均質后平均粒徑遠小于未均質果汁，使果汁穩定性增強，這

3 結論

高壓均質處理后果肉顆粒變小，穩定性提高。對均質工藝進行優化試驗可知，NFC 果汁的穩定系數隨著均質壓力、均質次數、均質溫度的增大呈現先增大后減小的趨勢，采用Box-Behnken 中心組合試驗設計原理，根據現實條件均質工藝改進為均質壓力21 MPa，均質次數2 次，均質溫度31 ℃，此工藝條件下對模型的預測參數進行驗證，實際值與模型預測值差異不顯著。此外，通過平均粒徑、粘度、穩定性分析儀分析可知，NFC 蘋果汁均質后粒徑減小、粘度增大、穩定性增強。

可見，高壓均質作為一種物理手段，能夠節省添加穩定劑和酶解的時間，縮短工藝時間，在NFC 果汁加工中有廣闊的應用前景。