刘国凌,冯晓冰,郭红辉,郭丽珊

(韶关学院食品科学与工程学院,广东韶关 512005)

响应面法优化岗稔果汁脱涩工艺研究

刘国凌,冯晓冰,郭红辉*,郭丽珊

(韶关学院食品科学与工程学院,广东韶关 512005)

采用活性炭-超声波联合处理脱除法与明胶脱除法两种方法对岗稔果汁进行脱涩处理。以单宁脱除率及花色苷保留率为指标,比较两种方法的脱涩效果。并在单因素实验的基础上,应用响应面法优化脱涩工艺条件。结果表明:明胶脱除法的单宁脱除率、花色苷保留率均高于活性炭-超声波联合处理脱除法,其最佳脱涩工艺条件为:明胶添加量为1.2%,作用温度51℃,处理42min,此时单宁脱除率达到48.72%,花色苷的保留率为53.11%。

岗稔,脱涩,单宁,花色苷

岗稔(Rhodomyrtustomentosa(Ait.)Hassk)是桃金娘科,桃金娘属常绿小灌木,在福建、广东、海南、广西等省份广泛分布,其资源非常丰富,而且当中绝大多数生长于野生状态[1]。岗稔果实有比较全面的营养成分,含有丰富的糖类、氨基酸(尤其是天门氡氨酸)、维生素、有机酸,矿物质,同时含有酚类和黄酮类,是高锰富集的植物,其具有很高的食用价值和一定的医疗保健价值[2],而且岗捻果实质地柔软,多汁,是果汁的优良原料。目前很多研究者将岗稔加工为果酒、香槟酒和果汁等产品[3]。但在岗稔加工产品中,尤其是岗稔果汁,存在较大的苦涩味,影响其品质,限制其开发利用。果汁的涩味大多是因为感官收敛性,其源于蛋白质分子与单宁分子两者间相互作用,在岗稔果汁中,单宁的含量较高,因此,降低岗稔果汁中的单宁含量,将可以减少果汁的涩味[4]。有学者对果汁中的脱涩方法进行研究,但效果不是很理想[5-8],为了改善岗稔资源的深加工增值开发利用,增加天然食品饮料的新品种,满足国内外市场需要,促进山区经济的发展,本文研究了活性炭-超声波联合法及明胶脱除法对岗稔果汁中单宁成分含量及花色苷成分含量的影响,同时探讨脱除岗稔果汁中单宁的最佳工艺条件,以期为岗稔果汁品质提升提供有效的技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

岗稔果 购于韶关市农贸市场;果胶酶(10U/mg)、纤维素酶(10U/mg)、柠檬酸、无水醋酸钠、氯化钾、单宁酸、钨酸钠、磷钼酸、无水碳酸钠、磷酸均为分析纯;明胶、活性炭均为食用级。

BL-B11榨汁机 韶关德尔实验仪器有限公司;JA5003电子分析天平、BS210S单盘电子天平均为北京赛多利斯有限公司;SK8210LHC超声波清洗器 上海科导超声仪器有限公司;HH-S28S电热恒温水浴锅 金坛市大地自动化仪器厂;WAY-80阿贝折射仪 上海光学五厂;722N可见光分光光度计 上海佑科仪器仪表有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 岗稔果汁的制备工艺 鲜岗稔果→挑选、清洗→榨汁→果浆→加0.3%(g/v)复合酶(果胶酶∶纤维素酶=2∶1)酶解(50℃,1.5h)→钝酶(85℃,15min)→迅速冷却至室温→抽滤→灌装→4℃冷藏备用。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 活性炭-超声波联合处理脱除法 活性炭添加量对岗稔果汁脱涩效果的影响,分别添加0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%(g/v)活性炭于岗稔果汁中,摇匀,在超声功率为220W、50℃下作用100min后,测其单宁及花色苷含量。

作用时间对岗稔果汁脱涩效果的影响:在超声功率为220W、50℃下,添加2%活性炭于岗稔果汁中置于超声波清洗器中,分别作用10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120min后,测其单宁及花色苷含量。

作用温度对岗稔果汁脱涩效果的影响:添加2%活性炭于岗稔果汁中,置于超声功率为220W的超声波清洗器中分别在20、30、40、50、60℃下作用100min后,测其单宁及花色苷含量。

1.2.2.2 明胶脱除法 明胶添加量对岗稔果汁脱涩效果的影响:分别添加0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%(g/v)明胶于岗稔果汁中,30℃下处理30min后,测其单宁及花色苷含量。

作用时间对岗稔果汁脱涩效果的影响:添加0.8%的明胶于岗稔果汁中,在30℃下分别处理10、20、30、40、50、60min后,测其单宁及花色苷含量。

作用温度对岗稔果汁脱涩效果的影响:添加0.8%明胶于岗稔果汁中,分别在20、30、40、50、60℃下处理30min后,测其单宁及花色苷含量。

1.2.3 响应面优化实验 根据单因素实验的结果,选取明胶添加量A(1%、1.2%、1.4%)、处理温度B(40、50、60℃)和作用时间C(30、40、50min)为考察因素,利用软件Design Expert,用中心组合实验Box-Behnken设计方案以及三因素三水平的响应面分析方法求取优化的工艺参数。

表1 响应面因素水平编码表

1.2.4 检测方法

1.2.4.1 单宁的测定 采用钨酸钠-磷钼酸比色分光光度法[9]测定果汁中单宁含量(mg/mL),并按下式计算单宁脱除率。

式中:C为岗稔果汁处理后的单宁的含量(10-2mg/mL);C0为岗稔果汁处理前的单宁的含量(10-2mg/mL)。

1.2.4.2 花色苷含量的测定 采用pH示差法[10]测定果汁中的花色苷含量(mg/L),并按下式计算花色苷保留率。

式中:C为岗稔果汁处理后的花色苷含量(mg/L);C0为岗稔果汁处理前的花色苷含量(mg/L)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 活性炭-超声波联合处理脱除法 图1为活性炭-超声波联合脱涩处理各因素对岗稔果汁中单宁脱除效果及花色苷含量的影响。由图1a可知,单宁脱除效果随活性炭添加量增加而增加,当添加量增至2%后有趋于平衡的趋势;但随着活性炭添加量的增加,岗稔果汁中的花色苷含量呈迅速下降趋势,如活性炭添加量增为2%时,果汁中花色苷含量(35.19mg/L)仅为添加量为0.5%时(127.47mg/L)的27.6%。图1b表明,活性炭-超声波联合处理时间在30min以内,作用时间延长将会显著增强单宁脱除效果,30min时,单宁脱除率达到34.75%;但处理时间超过30min后变化较为平缓。由图1c可知,活性炭-超声波联合处理的温度为20～50℃时,单宁脱除率随温度的升高而增大,50℃时,脱除率为46.5%,此时花色苷含量(38.05mg/L)仅为20℃时(95.7mg/L)的39.8%。从结果上看,活性炭-超声波联合处理对岗稔果汁脱涩具有一定效果,但这种脱涩方法会损失果汁所含有的大量花色苷。因此,本文尝试使用另外一种方法脱涩。

图1 活性炭添加量、时间及温度对单宁脱除及花色苷含量的影响Fig.1 Influence of addition of activated carbon,time,and temperature on the removal rate of tannins and anthocyanin content

2.1.2 明胶脱除法 图2为明胶脱除法中各因素对岗稔果汁中单宁脱除效果及花色苷含量的影响。由图2a可以看出,随着明胶添加量由0.2%增加至1.2%,单宁的脱除率也由4.76%上升至47.47%,其后再增加明胶用量,岗稔果汁中单宁脱除率反而下降至36.38%,这可能是由于明胶量的增加直接降低了与单宁分子结合的表面积,从而使脱除效果下降[11-13];岗稔果汁使用1.2%明胶处理30min后,其花色苷含量仍有117.62mg/L,为处理前的70.25%,花色苷有较多的保留。图2b表明,随着处理时间的延长(10～40min)单宁脱除率稳步上升,脱涩处理40min后,果汁中单宁脱除率达到25.12%,随后呈下降趋势。由图2c可知,在一定温度范围内(20～50℃),单宁脱除率随温度升高而增大(16.57%～25.5%),而后增幅不大;同时,我们发现岗稔果汁使用0.8%明胶在60℃处理30min后,其花色苷保留率有74.16%(花色苷含量108.99mg/L)。由此可以看出,明胶脱除法具有较好的单宁脱除效果,同时又能保留大部分的花色苷。

图2 明胶添加量、时间及温度对单宁脱除及花色苷含量的影响Fig.2 Influence of addition of gelatin,time,and emperature on the removal rate of tannins and anthocyanin content

2.2 响应面优化实验

2.2.1 响应面设计及结果 根据以上单因素实验的结果,活性炭-超声波联合处理和明胶处理这两种方法的单宁脱除率是比较高的,但是利用活性炭进行岗稔果汁的脱涩,去掉单宁分子的同时活性炭也会吸附大量的花色苷从而造成岗稔果汁营养价值大大降低。而用明胶脱除法时,单宁的脱除率并不低(如明胶1.2%处理30min,单宁脱除率为47.47%),而且果汁花色苷保留率较高(>50%)。因此,本文以单宁脱除率为响应值,选择明胶添加量、处理温度与处理时间为考察因素,利用Box-Benhnken中心组合设计原理,设计三因素三水平实验进行工艺优化,响应面分析实验设计与结果见表1,方差分析见表2。

2.2.2 回归方程的建立及方差分析 根据表2的结果,利用Design-Expert 7.0软件对明胶脱涩实验数据进行回归分析,得到单宁脱除率的回归模型,二次多项回归方程为:Y= 41.79-0.23A+0.72B+1.83C+0.38AB-0.15AC-1.17BC-3.84A2-2.64B2-3.90C2。

模型的可靠性可通过方差分析及相关系数来考察,见表3。由表3可知,模型的显著水平p为0.0281,小于0.05,说明所选用的二次多项模型具有显著性,该实验方法是可靠的。该模型的决定系数R2为91.92%,说明此模型与实际实验拟合较好,回归方程能够很好地模拟真实的曲面;因失拟项p=0.1491>0.05,说明实验失拟项为不显著,说明可以用此模型来函数化各因素值和响应值之间的关系。由表2可知,三因素中对脱涩效果影响程度依次为处理时间>处理温度>明胶添加量。

2.2.3 响应面分析 分别将明胶添加量A、作用温度B、作用时间C三因素的一个因素固定为0水平,求余下两个因素的交互效应,得到3个因素交互效应对单宁脱除率Y影响的响应曲面图。

表2 响应面分析实验设计与结果

表3 回归模型的方差分析

注:*为显著(p<0.05);**为高度显著(p<0.01)。

图3～图5直观地反映出各个因素两两交互作用对岗稔果汁中单宁脱除率的影响。图3反映的是当温度为50℃时,明胶添加量与时间交互作用对岗稔果汁中单宁脱除率的影响。从图3中可知,若明胶添加量不变,如1%时,单宁脱除率将随着作用时间的延长而出现一定的增幅到达最大值,然后下降;若时间不变,单宁脱除率也将随着明胶添加量的增加而增至最大值,而后下降。当处理时间为40min时,处理温度与明胶添加量对岗稔果汁中单宁脱除率的交互作用见图4。图4与图3有类似的变化趋势,同时,还可以看出处理温度对果汁中单宁脱除率的影响要比明胶添加量对其的影响显著。当明胶添加量为1.2%时,处理时间与温度对岗稔果汁中单宁脱除率的交互作用不显著(图5)。

图3 明胶添加量与作用时间的交互作用图Fig.3 The interaction diagram of addition of gelatin and time

图4 明胶添加量与作用温度的交互作用图Fig.4 The interaction diagram of addition of gelatin and temperature

图5 作用温度与作用时间的交互作用图Fig.5 The interaction diagram of temperature and time

2.2.4 确定最优条件及验证实验 根据回归方程计算得到的优化工艺条件为:明胶添加量为1.19%,作用温度50.85℃,作用时间42.23min。为验证回归模型所得结果与实际值的符合程度,在实际实验中将工艺参数修正为:明胶添加量为1.2%,作用温度51℃,作用时间42min。在此条件下重复三次实验,平均单宁脱除率为48.72%,与预测值49.04%相比,其相对误差为0.65%,说明利用该模型能够很好地优化岗稔果汁脱涩工艺参数。岗稔果汁经过最佳脱涩工艺处理后其花色苷保留率为53.11%,可溶性固形物含量为10.5%。

3 结论

活性炭-超声波联合处理脱除法与明胶脱除法对岗稔果汁中单宁的脱除均有一定效果,但前者在单宁脱除的同时会损失果汁中大量花色苷,而使用后者脱涩能使花色苷得以保留。如当温度为50℃时,采用活性炭-超声波联合处理脱除法处理岗稔果汁,其单宁脱除率为46.5%,此时花色苷含量为38.05mg/L;采用1.2%明胶处理岗稔果汁30min后,果汁中单宁脱除率为47.47%,花色苷含量仍有117.62mg/L,为前者的3.09倍。采用明胶脱除法对岗稔果汁中的单宁进行脱除,通过单因素实验及Box-Benhnken中心组合设计原理及响应面分析法对脱涩工艺进行优化,拟合了明胶添加量、温度、时间这3个因素对单宁脱除率的回归模型,经验证该模型合理可靠。确定的最佳工艺参数为明胶添加量为1.2%,作用温度51℃,作用时间42min,在此条件下,岗稔果汁中单宁脱除率为48.72%,花色苷保留率为53.11%。经方差分析得知各因素对单宁脱除率的影响程度为处理时间>处理温度>明胶添加量。

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Optimization of de-astringency technology onRhodomyrtusTomentosa(Ait.)Hasskjuice by using response surface analysis

LIU Guo-ling,FENG Xiao-bing,GUO Hong-hui*,GUO Li-shan

(College of Food Science and Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005,China)

Activated carbon combined with ultrasound and gelatin method were used on de-astringency technology ofRhodomyrtusTomentosa(Ait.)Hasskjuice. For the determination of tannin removal rate and anthocyanin retention,the de-astringency effect were compared. The experimental results showed that gelatin method was the better. And based on the single-factor experiment,the de-astringency technology were optimized by using Box-Behnken central combination design. The results showed that the optimum de-astringency conditions were as followed:gelatin dosage 1.2%,temperature 51℃,reaction time 42min,and the tannin removal rate reached to 48.72%,andanthocyanin retention reached to 53.11% .

Rhodomyrtustomentosa(Ait.)Hassk;de-astringency;tannin;Anthocyanin

2014-08-08

刘国凌(1981-)，女，博士，讲师，研究方向：天然食品资源开发及深加工。

*通讯作者:郭红辉(1977-)，男，博士，教授，主要从事食品中生物活性物质的提取开发、营养与疾病防治研究。

国家自然基金面上项目(81372994)；韶关学院大学生创新创业训练项目(sycxcy2014-057)。

TS255.44

B

1002-0306(2015)07-0224-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.039