響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助凹土-殼聚糖澄清姜汁工藝

(淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,江蘇淮安 223003)

以生姜為原料的果蔬汁已逐步進入消費市場,且大部分由生姜制成的飲品都是渾濁型飲料,而顏色清澈、口感清爽的澄清姜汁飲品不多。而清汁類飲料的生產(chǎn)及貯藏過程中,后渾濁是引起其品質(zhì)變化的主要原因。生姜中由于含有蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等成分,其生產(chǎn)過程中由于澄清不徹底往往會形成后渾濁。因此,適宜的澄清工藝是解決這一問題的關(guān)鍵。

凹土(Attapulgite)即凹凸棒粘土,是一種內(nèi)部層鏈狀構(gòu)造的含水富鎂鋁硅酸粘土礦物。其自身擁有獨特的纖維構(gòu)造,具備極好的吸附性能,被作為污水凈化劑[1-3]、油品脫色劑[4]、中藥澄清劑及固相萃取劑[5-6]等應(yīng)用于多個領(lǐng)域。殼聚糖是一種天然高分子化合物,具有生物相容性、可降解性等特點,對多種物質(zhì)都具有鰲合吸附作用,其帶電的陽離子可與果汁中帶負(fù)電的膠體物質(zhì)產(chǎn)生靜電從而使之絮凝沉淀,達到澄清的目的[7]。但是在實際應(yīng)用中,也存在著如吸附的選擇性不好、適用的pH范圍較窄,達到平衡所需時間長等缺點,所以對殼聚糖進行適當(dāng)改性,使其達到較理想的吸附及應(yīng)用效果顯得尤為重要。

本研究采用凹土-殼聚糖復(fù)合澄清劑對姜汁進行澄清,比較超聲溫度、超聲時間、超聲功率對姜汁澄清效果的影響,通過響應(yīng)面法優(yōu)化最佳澄清條件,并對比不同的澄清處理方法對澄清姜汁品質(zhì)的影響,創(chuàng)新姜汁飲料的澄清方法并提供技術(shù)支持和理論依據(jù),為生姜資源的開發(fā)利用提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生姜 淮安農(nóng)貿(mào)市場;殼聚糖 食品級,青島潛光生物工程有限公司;纖維素酶(5萬U/g) 食品級,江蘇銳陽生物科技有限公司;凹凸棒黏土 淮安盱眙產(chǎn);其余為生化試劑或分析純試劑。

小型打漿機 山東九陽小家電有限公司;SXL-1008程控箱式電爐 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;MS系列磁力攪拌器 上海般特儀器有限公司;HHS2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市榮華儀器制造有限公司;DHG-9030型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;J-26XP高速冷凍離心機 貝克曼庫爾特商貿(mào)(中國)有限公司;UV-1800紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;KQ200VDE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 姜汁的制備 稱取10 g經(jīng)挑選、清洗、瀝水等預(yù)處理好的鮮姜,切成碎塊,按m(鮮姜)∶m(水)=1∶3的比例加入純凈水,再加入1.5 g/L的檸檬酸(以料液計),置于小型打漿機上打漿,得姜漿。將所得姜漿置于水浴鍋中,加入0.004%的纖維素酶,在50 ℃下酶解30 min,降溫后用100目的濾布壓榨取汁,得渾濁姜汁。在超聲溫度54 ℃和超聲功率160 W條件下,采用凹土-殼聚糖澄清法對姜汁進行澄清,澄清時間10 min。以5000 r/min、4 ℃離心20 min,得到澄清姜汁。

1.2.2 凹土-殼聚糖澄清劑的制備 參照李增新等[8]的方法,制備凹土-殼聚糖復(fù)合澄清劑。

1.2.2.1 凹土的活化 取20 g的凹土于坩堝中,700 ℃的馬福爐煅燒4 h之后移至干燥器里存放。將活化后的凹土置于錐形瓶中,倒入400 mL的1 mol/L的鹽酸溶液,90 ℃恒溫攪拌4 h,除掉凹土里的有機物雜質(zhì)。5000 r/min離心10 min后舍棄酸液,去離子水洗滌凹土至中性。再添加10%草酸溶液200 mL,室溫攪拌2 h,靜置5 h后離心分離,去離子水洗滌凹土至中性,放置于120 ℃的烘箱中烘干,得到酸活化凹土。

1.2.2.2 殼聚糖溶膠的制備 取10%草酸溶液20 mL及1%乙酸溶液5 mL混合均勻,加入1 g殼聚糖充分?jǐn)嚢?將其放在50 ℃水浴鍋里直到成為淡黃色黏滯性溶膠。調(diào)整草酸溶液以及乙酸溶液的用量可得不同濃度的殼聚糖溶膠。

1.2.2.3 殼聚糖的負(fù)載 取3%殼聚糖溶膠10 mL于燒杯中,25 mL去離子水進行稀釋,50 ℃水浴鍋中攪拌1 h,常溫條件下緩慢添加5 g活化凹土,攪拌5 h,離心、抽濾,55 ℃真空干燥至恒重。然后取10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的殼聚糖溶膠,并添加10 mL去離子水進行稀釋處理,緩慢添加第1次負(fù)載后已經(jīng)干燥的凹土-殼聚糖,50 ℃水浴攪拌6 h,靜置,舍棄上清液,剩余物添加1.0 mol/L NaOH溶液20 mL,攪拌1 h后離心,去離子水洗滌至中性。抽濾后置于55 ℃真空中干燥至恒重。

1.2.3 姜汁澄清條件優(yōu)化的單因素實驗

1.2.3.1 超聲溫度的確定 在30 mL預(yù)處理姜汁中加入0.3 g凹土-殼聚糖,攪拌均勻之后,分別移至20、30、40、50、60、70 ℃水浴鍋中,在超聲功率160 W條件下超聲處理10 min之后,用5000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min,取其上層清液測透光率,以透光率為衡量標(biāo)準(zhǔn),確定超聲溫度對澄清效果的影響。

1.2.3.2 超聲時間的確定 在30 mL預(yù)處理姜汁中加入0.3 g凹土-殼聚糖,攪拌均勻之后,在上述實驗確定的最佳超聲溫度條件下,用160 W功率分別超聲4、6、8、10、12、14 min,用5000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min,取其上層清液測透光率,以透光率為衡量標(biāo)準(zhǔn),確定超聲時間對澄清效果的影響。

1.2.3.3 超聲功率的確定 在30 mL預(yù)處理姜汁中加入0.3 g凹土-殼聚糖,攪拌均勻之后,在上述實驗確定最佳超聲溫度、最佳超聲時間條件下,用100、120、140、160、180、200 W(超聲總功率的50%、60%、70%、80%、90%、100%)功率超聲,用5000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min,取其上層清液測透光率,以透光率為衡量標(biāo)準(zhǔn),確定超聲功率對澄清效果的影響。

1.2.4 姜汁澄清條件響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計 根據(jù)單因素實驗結(jié)果,以透光率為響應(yīng)值,超聲溫度、超聲時間、超聲功率三個因素為試驗因子,進行三因素三水平響應(yīng)面設(shè)計[9-12],優(yōu)化出最佳的姜汁澄清條件。響應(yīng)面試驗的因素水平取值見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 不同澄清方法對澄清效果的影響

1.2.5.1 超聲輔助-凹土-殼聚糖澄清法 取30 mL預(yù)處理姜汁,添加凹土-殼聚糖0.3 g,在上述實驗確定的最佳條件下反應(yīng),離心,得澄清姜汁。

1.2.5.2 殼聚糖澄清法 取30 mL預(yù)處理姜汁,調(diào)試pH至6.0,添加殼聚糖0.004 g,在50 ℃條件下,反應(yīng)40 min后離心,得澄清姜汁[14]。

1.2.5.3 明膠單寧澄清法 配制適量的2%的單寧溶液和1%的明膠溶液,取100 mL預(yù)處理姜汁,先添加0.04 ‰的明膠溶液,混合均勻后再加入0.07‰的單寧溶液,常溫靜置1h后離心,得澄清姜汁[17]。

1.2.5.4 果膠酶澄清法 取30 mL預(yù)處理姜汁,調(diào)試pH至4.0,添加果膠酶0.1 g,在55 ℃條件下,酶解60 min后離心,得澄清姜汁[18]。

1.2.6 指標(biāo)檢測方法 色澤測定:用紫外-可見分光光度計在420 nm波長下測定姜汁吸光度A值[13];透光率的測定:用紫外-可見分光光度計在740 nm波長下測定姜汁透光率T值[14];可溶性固形物含量的測定:用數(shù)字糖度計測定姜汁中可溶性固形物含量;總酚含量的測定:采用Folin-Ciocaileu比色法[15]測定總酚;姜辣素含量的測定:采用紫外分光光度法[16]測定姜辣素含量;蛋白質(zhì)含量的測定:采用考馬斯亮藍法測定蛋白質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析,結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用Design-Expert. V 8.0.6軟件進行響應(yīng)面組合實驗,采用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 超聲溫度對姜汁澄清效果的影響 在超聲時間10 min,超聲功率180 W的條件下,探究超聲溫度對姜汁澄清效果的影響。由圖1所示,當(dāng)超聲溫度在20～50 ℃時,姜汁的透光率伴隨著溫度的提升而逐漸增加;當(dāng)溫度在50 ℃時,姜汁的透光率達到最大;此后隨著溫度的上升,透光率逐漸降低。可能是因為分子受過高溫度的刺激作用,運動強度增加,致使分子間的吸附作用力降低[19]。因此,選擇的超聲溫度為50 ℃。

圖1 超聲溫度對姜汁澄清效果的影響Fig.1 Effect of ultrasonic temperature on clarification effect

2.1.2 超聲時間對姜汁澄清效果的影響 在超聲溫度50 ℃,超聲功率180 W的條件下,探究超聲時間對姜汁澄清效果的影響。由圖2所示,當(dāng)超聲時間在4～10 min時,姜汁的透光率伴隨著時間的增長而逐漸增加,這可能是凹土-殼聚糖顆粒同姜汁里的各種膠體類大分子物質(zhì)的接觸愈來愈充足,澄清效果愈好。在澄清時間為10 min時,姜汁的透光率達到最大;此后隨著時間的增長,透光率逐漸降低,這可能是凹土-殼聚糖復(fù)合顆粒進行了聚合作用后產(chǎn)生混濁物沉降下來,但是由于沉降需要耗費相應(yīng)的時間,致使這些混濁物懸浮于果汁里,部分混濁物發(fā)生二次分解,姜汁產(chǎn)生輕微混濁現(xiàn)象[20]。凹土-殼聚糖復(fù)合顆粒在澄清姜汁時,表現(xiàn)出殼聚糖的正負(fù)電荷吸附力以及凹土的表面吸附作用[21-25],所以在10 min時,其所發(fā)揮的吸附能力已達到飽和,趨于穩(wěn)定。因此,選擇超聲時間為10 min。

圖2 超聲時間對姜汁澄清效果的影響Fig.2 Effect of ultrasonic time on clarification effect

2.1.3 超聲功率對姜汁澄清效果的影響 在超聲時間10 min,超聲溫度50 ℃的條件下,探究超聲功率對姜汁澄清效果的影響。由圖3所示,當(dāng)超聲功率在100～160 W時,姜汁的透光率伴隨著超聲功率的增加而逐漸增加,可能是在超聲作用下,凹土-殼聚糖復(fù)合物充分與姜汁里的分子類物質(zhì)吸附聚合,澄清效果較強;當(dāng)超聲功率在160 W時,姜汁的透光率達到最大;此后隨著超聲功率的上升,透光率逐漸降低。可能是因為部分聚合混合物尚未沉降就受到超聲的作用力被分解出來,再次形成輕微的沉淀[26]。因此,選擇超聲功率為160 W。

圖3 超聲功率對姜汁澄清效果的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on clarification effect

2.2 超聲輔助凹土-殼聚糖澄清姜汁工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗

響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析見表2。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 2 Results of the response surface experiment

采用Design Expert 8.0.6 軟件對表2試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行回歸擬合,得到回歸方程:透光率=96.40+1.27A+0.80B+0.40C+0.15AB-0.30AC-0.35BC-1.75A2-2.07B2-1.77C2

表3 響應(yīng)面模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted response surface model

注:*表示顯著(P<0.05);**表示極顯著(P<0.01)。

各因素的F值可以反映各因素對試驗指標(biāo)的重要性,F值越大,表明對響應(yīng)值的影響越大。如表3所示,FA=64.75,FB=25.71,FC=6.49,故可知各因素對澄清姜汁透光率的影響順序為:超聲溫度>超聲時間>超聲功率。由表3還可以看出,方程的一次項A(超聲溫度)和B(超聲時間)對響應(yīng)值的影響極顯著(P<0.01),C(超聲功率)對響應(yīng)值的影響顯著(P<0.05),二次項A2、B2、C2對響應(yīng)值的影響均為極顯著(P<0.01),A、B、C之間交互作用對響應(yīng)值的影響不顯著，圖4～圖6響應(yīng)面圖等高線稀疏，再一次驗證了此結(jié)果。

圖4 超聲溫度與超聲時間 對姜汁透光率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound temperature and time on light transmittance of ginger juice

由該模型優(yōu)化得到超聲輔助凹土-殼聚糖澄清劑澄清姜汁的最佳工藝為:超聲溫度為53.65 ℃,超聲時間為10.40 min,超聲功率為161.25 W,澄清姜汁透光率為96.73%。考慮實際操作,設(shè)定澄清的超聲溫度為54 ℃,超聲時間為10 min,超聲功率為160 W。按優(yōu)化條件進行三組平行試驗進行驗證,平均透光率為96.78%±1.12%,實際值與預(yù)測值接近,證明通過該響應(yīng)面優(yōu)化后得出的回歸方程具有實際意義。

表4 不同澄清方法對姜汁澄清效果及品質(zhì)影響Table 4 Effects of different clarification method on effect and quality

注:同列均值有共同上標(biāo)字母者表示差異不顯著(P>0.05)。

圖5 超聲溫度與超聲功率 對姜汁透光率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound temperature and power on light transmittance of ginger juice

圖6 超聲時間與超聲功率 對姜汁透光率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound time and power on light transmittance of ginger juice

2.3 不同澄清方法對姜汁澄清效果及品質(zhì)影響

比較了超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法、殼聚糖澄清法、單寧明膠澄清法、果膠酶澄清法對姜汁澄清效果及品質(zhì)的影響,結(jié)果見表4。

色澤是消費者對果汁進行質(zhì)量評價和感官是否可接受的關(guān)鍵要素之一。從表4中可以看出,超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法所得姜汁的色澤明顯低于其它方法所得姜汁色澤,且差異顯著(P<0.05)。對比透光率,超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法、殼聚糖澄清法及單寧明膠法所得姜汁透光率較好,果膠酶澄清法所得姜汁澄清效果最差,與以上三者差異顯著(P<0.05),其中超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法澄清效果最好。這是由于凹土具有強有力的吸附作用,殼聚糖能夠凝聚陰離子成分,比如果膠和蛋白質(zhì)。當(dāng)兩者負(fù)載共同作用時,能夠把姜汁的懸浮顆粒充分沉淀下來[27],提高其透光率;對比四種方法所得澄清姜汁中的可溶性固形物的含量變化不大,差異不顯著(P>0.05)。

多酚類化合物是一種較為活潑的化合物,其可與蛋白質(zhì)聚合,還可產(chǎn)生多元酚自身的氧化縮合作用,或者同姜汁里其它化合物表現(xiàn)出顏色反應(yīng)[28]。相較于其它澄清方法,超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法所得姜汁的總酚含量較低,與其它三種方法差異顯著(P<0.05),可能是由于凹土-殼聚糖復(fù)合物對多酚類物質(zhì)的吸附性更強,減少了多酚存在而可能導(dǎo)致的顏色反應(yīng),降低了姜汁的色澤。

姜辣素是形成姜汁飲料獨特姜辣口感的重要因素。相較于其它三種澄清方法,超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法與果膠酶法所得姜汁的姜辣素含量均較高,與殼聚糖澄清法及單寧明膠澄清法相比,差異顯著(P<0.05)。前者可能是因為超聲的空穴作用使得更多的姜辣素被提取出來;而后者所得姜汁的姜辣素含量較高的原因可能是因為果膠酶的作用使其在分解姜汁中的果膠類、多糖物質(zhì)時,把大量的姜辣素分解出來[29]。

在果蔬汁的澄清過程中,蛋白質(zhì)是需要盡量除去的不穩(wěn)定成分。從表4中可以看出超聲輔助-凹土-殼聚糖澄清方法所得姜汁的蛋白質(zhì)含量最低,這可能是由于凹土和殼聚糖都有聚陽離子的性質(zhì),且殼聚糖與蛋白質(zhì)相結(jié)合的親和力較強,從而能除去更多的蛋白質(zhì)[30]。

從以上對比可以看出,超聲輔助超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法在果蔬汁的澄清中是一種較好的澄清處理方式。

3 結(jié)論

本文通過響應(yīng)面實驗設(shè)計,研究了超聲溫度、超聲時間、超聲功率及其交互作用對姜汁澄清效果的影響,通過響應(yīng)面軟件構(gòu)建了二次多項式回歸預(yù)測模型,擬合性較好。經(jīng)過優(yōu)化后的超聲輔助凹土-殼聚糖澄清姜汁的工藝條件為:超聲溫度54 ℃,超聲時間10 min,超聲功率160 W,透光率為96.78%±0.56%。同時以色澤、透光率、可溶性固形物、總酚含量、姜辣素含量、蛋白質(zhì)含量為指標(biāo)對比了不同澄清方法對姜汁澄清效果及品質(zhì)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法所得澄清姜汁色澤淺、透光率高、姜辣素含量高;而影響姜汁穩(wěn)定性的總酚含量及蛋白質(zhì)含量均較低,可溶性固形物含量與其它方法相比差異性不大,超聲輔助凹土-殼聚糖澄清法更具優(yōu)勢。本研究不僅為姜汁提供了一種新的方法,更為果蔬汁澄清領(lǐng)域提供了重要的理論研究價值和應(yīng)用價值。