吴永祥,戴毅,王雅群，江海涛,张梦婷，權泰亨，陈向阳*

1(黄山学院 生命与环境科学学院,安徽 黄山, 245041) 2(安东国立大学 食品科学与生物技术学院,庆尚北道 安东, 760749)

红薯(IpomoeabatatasLam.)又称甘薯、山芋、地瓜、番薯等，属于旋花科甘薯属一年或多年生草本植物。红薯营养丰富，富含蛋白质、膳食纤维、维生素、氨基酸及各种矿物质，被营养学家们称为营养最均衡的天然保健食品，已经越来越受到国内外消费者的青睐[1]。红薯是一种高产且适应性强的主要粮食作物，在世界上100多个国家均有种植，其中中国红薯种植约占全世界总产的80%左右[2]。国内对红薯进行了大量的深加工研究，开发出的主要产品有红薯干、红薯蛋白质、红薯膳食纤维、红薯饮料、红薯黄酒等[3-4]。红薯干具有甜软韧香、营养丰富的优点，并最大程度地保留了红薯的原有风味，深受消费者喜爱。红薯干在加工过程中，细胞组织遭到损伤，在氧化酶作用下细胞组织中的酚类物质迅速氧化形成醌，醌类物质自我聚合形成类黑色素，从而导致红薯干发生褐变现象，使其外观品质和营养品质下降，造成经济损失[5-6]。目前，有关红薯干在加工过程中护色工艺的研究较少，采用不同护色预处理方式对红薯干品质产生的影响尚未见报道。

VC、柠檬酸、CaCl2、亚硫酸盐等护色剂以及超声波、热烫等技术在控制酶促褐变中得到了广泛应用[7-8]。大量研究表明，含硫护色剂护色效果较好，但容易导致产品中SO2残留，甚至残留严重超标，影响产品的质量与安全，并危害人体的身体健康[9]。目前，食品中SO2残留量必须控制在较低水平，甚至已经在很多食品中禁用。因此，本试验选择不同质量浓度的无硫护色剂，在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken设计方法，运用Design-Expert V8.0.6软件对红薯干褐变抑制率的二次回归模型进行分析，确定最佳的无硫复合护色剂配方，并进一步探讨复合护色剂、超声波-热烫、亚硫酸钠3种不同护色处理方式对红薯干褐变抑制率、体积皱缩比、硬度、色泽及微观结构等品质指标的影响，旨在为红薯干加工的护色处理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红薯原料，采购于浙江省临安市天目山镇。挑选新鲜、无病虫害和机械损伤、成熟度及大小基本一致的红薯为试验材料。

VC、柠檬酸、CaCl2、亚硫酸盐，国药集团化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

S3400N扫描电镜，日本日立公司；SpectraMax-190全波长酶标仪，美国Molecular Devices公司；PL203电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；SCQ-5201C数控加热功率可调型超声波清洗器，上海声彦超声波仪器有限公司；CR-10plus色差仪，日本柯尼卡美能达公司；GY-4数显式水果硬度计，北京金科利达电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 护色剂的护色处理方式

用清水洗去红薯表面污泥，去皮，切成(10.0±0.5)mm厚的大小均一的红薯条，并立即进行如下的护色处理，自然沥干后，经榨汁、离心、过滤后，测定褐变指数，并计算褐变抑制率。按照表1的设计进行红薯干加工前的单一护色剂优化；在单一护色剂质量浓度优化试验结果的基础上，采用Box-Behnken设计原理，利用3因素3水平的响应面试验(表2)优化VC、柠檬酸、CaCl23种护色剂的最佳配比。

表1 单一护色剂质量浓度优化设计Table 1 Optimization design for individual use of browning inhibitors at different concentrations

表2 Box-Behnken试验设计Table 2 Experimental design of Box-Behnken

1.3.3 复合护色剂、超声波-热烫、亚硫酸钠的3种不同护色处理方式

参考文献[5-6]及本课题组前期护色试验来选用不同护色处理条件。复合护色剂组：在响应面试验结果的基础上，得到复合护色剂的最佳配比为0.77 g/100 mL VC、2.17 g/100 mL柠檬酸、0.22 g/100 mL CaCl2，将制备好的红薯条60.0 g浸泡护色30 min；超声波-热烫组：将红薯条60.0 g置于超声处理器内，210 W、80 ℃条件下超声6 min，用蒸馏水快速冲洗冷却红薯条至室温；亚硫酸钠组：将红薯条60.0 g置于2 g/100 mL亚硫酸钠溶液中浸泡护色30 min。同时设立对照组，为未护色处理的红薯条。

1.3.4 褐变抑制率测定

参考文献[10]略作改动：称取10.0 g经护色处理的红薯条，冰浴条件下用100 mL 0.2 mol/L磷酸盐缓冲液(pH 7.0)匀浆，经3 000 r/min离心20 min，取上清液，于450 nm波长处测吸光度。以未护色处理组为对照，每样重复3次，取平均值，并按式(1)计算褐变抑制率：

(1)

式中：I，褐变抑制率，%；AS，护色处理组吸光度；AC，未护色处理组的吸光度。

1.3.5 体积皱缩比测定

参考文献[11]并修改如下：用粒径0.105～0.201 mm的石英砂作为置换介质，分别测定新鲜红薯条组体积(VC)、护色处理组红薯干体积(VS)。每样重复3次，取平均值，并按式(2)计算体积皱缩比：

(2)

式中：T，体积皱缩比；VS，护色处理组的体积；VC，新鲜红薯条组的体积。

1.3.6 硬度测定

利用GY-4型数显式水果硬度计测定，探头直径为7.9 mm，在红薯干表面随机选取10个点测量，并记录数据，计算其平均值。平行测定3次，确定红薯干硬度(N)。

1.3.7 色泽测定

利用CR-10plus型色差仪，在红薯干表面随机选取10个点测量，并记录L*、a*、b*值，计算其平均值。平行测定3次，确定红薯干色泽。色差仪中的L*值表示红薯干色泽的明暗度，L*值越大表明颜色越白，褐变程度低；反之越暗、褐变程度高[12]。

1.3.8 微观组织结构观察

利用S3400N型扫描电镜对红薯干进行微观组织结构观察。将红薯干冻干后，固定在样品托上，采用离子溅射仪在观察样品的横断面上喷金，扫描电子显微镜(500倍)观察并拍照。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 单一护色剂对红薯干褐变抑制作用的影响

如图1所示，VC、柠檬酸、CaCl2的处理均能有效抑制红薯干加工过程中的褐变，且在低质量浓度时随着浓度逐渐增大对褐变的抑制作用逐渐增强。当VC为1 g/100 mL、柠檬酸为3 g/100 mL、CaCl2为0.2 g/100 mL时，对红薯干的褐变抑制率均达到最大，分别为52.79%、49.84%、48.90%。VC为还原剂，能将氧化的醌类还原为酚类物质，阻止醌类物质形成色素物质，起到护色效果[9,13]。柠檬酸可以与多酚氧化酶的金属离子配位形成螯合物，导致酶活性降低，同时柠檬酸可电离3个H+，使护色液中的pH值远离多酚氧化酶的最适pH值，起到抑制褐变的作用[14-15]。CaCl2的Ca2+能与氨基酸发生沉淀作用，抑制羰氨反应，且Ca2+能与细胞壁的果胶酸作用形成果胶酸钙，阻止液泡中组织液外渗到细胞质中与酶类接触，降低酶褐变程度[16]。但当VC、柠檬酸、CaCl浓度再增加，褐变抑制效果呈现一定的下降趋势。表明VC、柠檬酸、CaCl2在一定浓度范围内能有效抑制褐变作用，当超过一定浓度后，红薯干可能自身发生了非酶促褐变，褐变程度加深，抑制效果下降[17]。

图1 VC(A)、柠檬酸(B)、CaCl2(C)对红薯干褐变抑制率的影响Fig.1 Effect of VC (A), citric acid (B), calcium chloride (C) on browning inhibition rate of candied sweet potato注：不同大小写字母表示差异显著，下同。

2.2 响应面优化复合护色剂配比

2.2.1 回归模型的建立

以VC、柠檬酸、CaCl2为试验因子，红薯干褐变抑制率为响应值，设计3因素3水平Box-Behnken试验，试验结果见表2。由表2的数据用Design-Expert V8.0.6分析可得回归方程为：Y=58.24+4.54A+2.04B-0.35C-1.95AB-0.71AC-0.011BC-5.44A2-3.72B2-1.63C2。

表3 响应面试验结果Table 3 The results of response surface methodology

2.2.2 响应面试验的方差分析

由表4可知，本试验所选模型差异极显著(模型的P=0.000 2)，说明回归模型对红薯干褐变抑制率有很好的预测性。

表4 回归模型方差分析Table 4 Analysis of variance (ANOVA) regression model

注：*表示差异显著(P< 0.05)；**表示差异极显著(P< 0.01)。

由表4可知，从显著性检验P值的大小可以得到各因素对红薯干褐变抑制作用影响的顺序为VC(A)>柠檬酸(B)> CaCl2(C)，其中A和B因素对红薯干褐变抑制作用的影响极显著，A和B因素交互作用影响显著(P<0.05)，A和C、B和C因素交互作用影响均不显著(P>0.05)，A2、B2对红薯干褐变抑制作用影响极显著(P<0.001)，C2对红薯干褐变抑制作用影响不显著(P>0.05)。将表4中数据进行响应面曲线分析，二者呈较好的二次抛物线关系，红薯干褐变抑制率存在最大值。

2.2.3 复合护色剂最佳配比的确定及验证试验

利用Design-Expert V 8.0.6软件对复合护色剂的配比进行优化，得到红薯干褐变度抑制率最佳条件为：VC浓度0.77 g/100 mL、柠檬酸浓度2.17 g/100 mL、 CaCl2浓度0.22 g/100 mL；在此工艺条件下，红薯干褐变度抑制率的预测值为59.35%。采用上述条件，进行验证试验(n=3)，得到红薯干褐变度抑制率实测值为(58.66±0.56)%，与预测值59.35%的相对误差为1.18%，进一步说明此模型对试验的拟合度较好，得到的回归方程在本试验中有实际意义。

2.3 不同护色处理对红薯干褐变抑制作用的影响

如图2所示，复合护色剂、超声波-热烫、亚硫酸钠3种不同护色处理均能有效抑制红薯干加工过程中的褐变，褐变抑制率分别为58.66%、15.37%、20.24%。

图2 不同护色处理对红薯干褐变抑制率的影响Fig.2 Effect of different color protection treatments on browning inhibition rate of candied sweet potato

与超声波-热烫组、亚硫酸钠组相比，复合护色剂组的红薯干褐变抑制率最大，且存在着显著性差异(P<0.05)。超声波-热烫处理是一种较为强烈的热力物理作用，能在较短时间内导致酶活性降低，起到抑制褐变的作用，但易造成组织软化和部分营养物质流失等问题[18-19]。亚硫酸钠可对多酚氧化酶产生不可逆的抑制作用，能控制酶促褐变的速度，同时对非酶促褐变亦能产生抑制作用，但亚硫酸钠的使用存在着SO2残留问题，严重影响了产品的质量与安全[9, 20]。

2.4 不同护色处理对红薯干体积皱缩比与硬度的影响

体积皱缩反映红薯干加工前后体积的变化程度，皱缩比越接近1，表明体积外形改变越小。如图3所示，与对照组的体积皱缩比(0.84±0.01)相比，复合护色剂组、超声波-热烫组、亚硫酸钠组的体积皱缩比分别为(0.93±0.02)、(0.51±0.01)、(0.83±0.02)，具有统计学意义(P<0.05)。复合护色剂处理后的红薯干体积收缩变化小，呈现出饱满的体积形态。超声波-热烫组的体积皱缩比差异显著，表明超声波-热烫处理使红薯组织产生了部分萎缩和变形，物料表观形态体积呈缩小趋势[21-22]。与对照组相比，亚硫酸钠组皱缩比差异不显著(P>0.05)。此外，超声波-热烫组、亚硫酸钠组的硬度与对照组存在显著差异，硬度值分别为(4.94±1.16)N、(3.48±0.12)N，分别高于对照组硬度值的74.25%、22.57%。与对照组相比，复合护色剂的硬度值没有明显差异(P>0.05)。这可能由于超声波-热烫、亚硫酸钠的护色处理使产品内部组织结构萎缩和变形，增加了组织的坚实性，呈现出较高的产品硬度[23-24]。

图3 不同护色处理对红薯干体积皱缩比和硬度的影响Fig.3 Effect of different color protection treatments on shrinkage rates and hardness of candied sweet potato

2.5 不同护色处理对红薯干色泽的影响

L*值表示红薯干色泽的明暗度，L*值越大表明颜色越白，褐变程度低。如表5所示，复合护色剂、超声波-热烫、亚硫酸钠处理后的红薯干L*值存在着显著差异(P<0.05)，均明显高于对照组的L*值，其中复合护色剂组的L*值最大。3组的a*值之间存在显著差异(P<0.05)，显著低于对照组；3组的b*值之间亦存在显著差异(P<0.05)，显著高于对照组。结果表明，3种不同护色处理对红薯干的色泽存在着不同程度的影响，且其与对红薯干褐变抑制作用的影响呈现出较好的一致性。

表5 不同护色处理对红薯干色泽的影响Table 5 Effect of different color protection treatments on color parameters of candied sweet potato

注：同列不同字母表示在统计学上具有显著差异(P<0.05)。

2.6 不同护色处理对红薯干微观组织结构的影响

如图4所示，与新鲜红薯组相比，红薯干在加工过程中细胞结构形态发生了显著改变，细胞壁发生了一定程度的皱缩。与对照组相比，复合护色剂、亚硫酸钠处理的红薯干细胞形态相对饱满且规则，细胞结构形态发生改变或破坏相对较少。相对于复合护色剂组，超声波-热烫处理后，红薯干细胞微观结构形态引起了较大程度的改变和破坏，细胞轮廓结构呈杂乱不规则状，细胞壁出现严重皱缩，卷曲现象更明显。3组护色处理微观结构电镜扫描观察呈现的结果与前期研究的体积皱缩比、硬度具有一定的吻合度，从微观结构上对不同护色处理后红薯干品质指标差异产生原因进行了进一步的解释和验证。

a～e分别为新鲜组、对照组、复合护色剂组、超声波-热烫组、亚硫酸钠组。图4 不同护色处理对红薯干微观组织结构的影响(×500)Fig.4 Effect of different color protection treatments on microstructure of candied sweet potato (×500)

3 结论

在单因素试验设计的基础上，对红薯干无硫护色剂进行了3因素3水平的Box-Behnken响应面试验设计，确定了复合护色剂最佳配比为0.77 g/100 mL VC、2.17 g/100 mL柠檬酸、0.22 g/100 mL CaCl2。在此条件下预测红薯干褐变抑制率为59.35%， 而经验证试验得到的实际值为58.66%，预测值与实际值的吻合率为98.84%，说明回归模型与实际情况拟合良好。通过对比试验可知，复合护色剂对红薯干的褐变抑制作用、体积皱缩比、硬度、色泽及微观组织结构等指标的影响均显著优于超声波-热烫、亚硫酸钠处理组，得到的红薯干品质最佳，更符合工业化生产需求。本研究结果为红薯干加工的护色处理提供了技术参考。