乳清分離蛋白對鮮榨黃冠梨汁澄清效果的研究

陳美花,程雪冰,黃 海,熊 拯,藍尉冰,付 滿

(1.欽州學院食品工程學院,廣西欽州 535011;2.廣西高校北部灣特色海產(chǎn)品資源開發(fā)與高值化利用重點實驗室，廣西欽州 535011)

乳清分離蛋白對鮮榨黃冠梨汁澄清效果的研究

陳美花1,2,程雪冰1,黃 海1,2,熊 拯1,藍尉冰1,2,付 滿1,2

(1.欽州學院食品工程學院,廣西欽州 535011;2.廣西高校北部灣特色海產(chǎn)品資源開發(fā)與高值化利用重點實驗室，廣西欽州 535011)

為了探究乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)對鮮榨黃冠梨汁的澄清效果,在單因素實驗的基礎上應用響應面法對鮮榨梨汁的澄清條件進行優(yōu)化,并對比研究WPI、果膠酶、WPI+果膠酶 3 種處理方法對梨汁澄清度和褐變度的影響。優(yōu)化的澄清條件為WPI添加量0.69%,處理時間90 min,處理溫度60 ℃,該條件下梨汁透光率為87.9%。3 種方法處理后梨汁澄清度的大小順序為WPI+果膠酶>WPI>果膠酶,褐變度的大小順序為果膠酶>WPI>WPI+果膠酶。這表明WPI對鮮榨黃冠梨汁具有澄清和抑制褐變的雙重作用,效果優(yōu)于果膠酶,與果膠酶聯(lián)合處理,效果更佳。

梨汁,乳清分離蛋白,果膠酶,響應面,澄清

梨在亞洲[1]和歐洲[2]是最受歡迎的水果之一。梨汁是梨果實的主要加工品之一,梨及其加工品營養(yǎng)豐富、風味獨特,具有助消化、潤肺止咳、退熱解毒、利尿潤便等保健作用[1,3]。隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強,梨汁的市場需求不斷增大[4]。黃冠梨(Pyrusbretschneideri‘Huangguan’)果心小,果肉潔白,皮薄質細,松脆多汁,酸甜適口,香味濃郁,具有抗氧化作用的多酚類物質含量高,品質上乘,近些年來深受消費者的青睞,成為梨中的佼佼者[5-6]。目前黃冠梨的產(chǎn)量很大,主要以鮮銷為主[7];但其耐貯性較差,出現(xiàn)了豐產(chǎn)不豐收的現(xiàn)象[8]。黃冠梨具有適宜制汁的特點,將其加工成梨汁飲料,可避免資源的浪費,提高其附加值,增加果農(nóng)的收入[5,9]。但在制汁過程中極易出現(xiàn)渾濁和褐變現(xiàn)象,降低梨汁的感官品質,進而影響梨汁的商品價值和消費者的消費取向,因此,澄清和護色對梨汁的加工非常關鍵[10-11]。

乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)是從干酪生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品乳清中分離、制備,蛋白質含量在90%以上的產(chǎn)品,其在食品工業(yè)中有廣泛的應用[12]。據(jù)報道WPI對蘋果汁具有澄清和抑制褐變的雙重作用[13],與傳統(tǒng)澄清劑和褐變抑制劑相比,WPI具有安全、不會使果汁產(chǎn)生不愉快的氣味等優(yōu)勢[14-15]。本研究以黃冠梨為原料,采用響應面法分析WPI對梨汁澄清效果的影響,并優(yōu)化澄清工藝條件,以期為澄清型黃冠梨汁的加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃冠梨河北產(chǎn),大小均勻,顏色一致,八成熟 購自欽州大潤發(fā)超市;乳清分離蛋白蛋白質含量以干基計為98.1%,以濕基計為92.1% 購自美國Davisco國際食品公司;果膠酶活力10000 U/g 購自南寧東恒華道生物科技有限責任公司;抗壞血酸 購自河北維爾康制藥有限公司;氫氧化鈉(分析純)、鹽酸(分析純)、95%乙醇(分析純)、酚酞(生化試劑) 均購自成都市科龍化工試劑廠。

JYL-C051料理機 九陽股份有限公司;UV-3200紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;DK-S28電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;EL204電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;H1850臺式離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 梨汁的制取與澄清 參考文獻[13,16]方法,清洗新鮮黃冠梨表皮,去皮去核后,切成1 cm×1 cm×1 cm的小塊,立即用0.3%抗壞血酸護色液浸泡,20 min后撈出梨塊,添加WPI后用料理機榨汁,于100 ℃水浴滅酶3 min,隨后采用100目絹布過濾獲得待澄清的梨汁。將梨汁于一定溫度的恒溫水浴鍋靜置一定時間進行澄清處理,然后在3500 r/min轉速下離心15 min,上清液待測。實驗流程如下:

黃冠梨→清洗、去皮、去核→切塊→護色→榨汁(榨汁前加WPI)→滅酶→過濾→靜置澄清→離心→檢測。

1.2.2 單因素實驗 采用1.2.1的方法制取鮮榨梨汁,以梨汁透光率為指標,固定澄清處理溫度50 ℃、時間為90 min,考察不同WPI添加量(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%,w/w)對梨汁澄清效果的影響;固定WPI添加量為0.7%,處理溫度為50 ℃,考察不同處理時間(30、50、70、90、110、130 min)對梨汁澄清效果的影響;固定WPI添加量為0.7%,處理時間為90 min,考察不同處理溫度(30、40、50、60、70 ℃)對梨汁澄清效果的影響。

1.2.3 響應面實驗 在單因素實驗的基礎上,以WPI添加量、處理時間和處理溫度為實驗因子,以透光率為響應值,每個因素選取三個對澄清效果影響較大的水平(見表1),建立三因素三水平的Box-Behnken設計實驗優(yōu)化梨汁的澄清條件。

表1 響應面實驗因素水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.2.4 WPI、果膠酶、WPI+果膠酶3種方法處理對梨汁澄清度和褐變度的影響 WPI的澄清條件為1.2.3響應面實驗優(yōu)化的結果;果膠酶的澄清條件為前期實驗優(yōu)化的結果,即先按照1.2.1的方法制取待澄清的梨汁(榨汁時不添加WPI),然后往梨汁中添加果膠酶(添加量為0.7 mL/L果汁),于50 ℃的水浴中靜置70 min;WPI+果膠酶的澄清條件為先采用1.2.3響應面優(yōu)化的結果進行WPI澄清,再添加果膠酶,采用果膠酶的澄清條件進行處理。處理完后,按照1.2.1的方法離心取上清液,測定梨汁的透光率、吸光度。同時,按照1.2.1的方法制取待澄清的梨汁(榨汁時不添加WPI),將其作為對照組進行對照實驗。

1.2.5 透光率的測定 采用黃文書等[17]的方法,以蒸餾水作參比,用分光光度計于625 nm波長下測定梨汁的透光率,用透光率T(%)表示梨汁的澄清度。

步驟3 為不失一般性，對定標信號進行每隔兩個抽取一個，共抽取2 000幀信號，利用式(3)和式(4)計算該2 000幀的幅度和相位誤差值，并計算幅度和相位誤差的平均值和

1.2.6 褐變度的測定 參考文獻[16],以蒸餾水作參比,用分光光度計于420 nm波長下測定梨汁的吸光度,用吸光度A表示梨汁的褐變度。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 所有實驗數(shù)據(jù)均為3次平行測定的平均值。單因素實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件作圖,SPSS 19.0軟件進行方差分析,平均數(shù)間采用LSD進行多重比較(p<0.05)。響應面實驗數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.0.5軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 WPI添加量對梨汁澄清效果的影響 乳清蛋白的等電點約為5.1[18],果汁的pH多在3.0～4.5之間,WPI在這一pH范圍內帶正電荷,能與帶負電荷的果膠、多酚等引起果汁渾濁的物質相互作用形成沉淀,具有澄清果汁的作用[13]。由圖1可知,梨汁透光率先隨WPI添加量的增大顯著增大,添加量為0.7%時達最大值;之后繼續(xù)增大WPI用量,透光率呈顯著減小的趨勢。這與Yi等人[13]的研究結果一致。造成這一結果的原因可能是在一定范圍內,WPI添加量越大,越多的果膠、多酚等物質與之相互作用形成沉淀,澄清效果越好;添加量過大,WPI被多酚等連接形成聚集體而沉淀,與多酚等物質結合的表面積降低,反而會降低澄清效果[19];此外,添加量越大,澄清的成本越高。因此,選取WPI添加量為0.7%左右較為合適。

圖1 WPI添加量對梨汁透光率的影響Fig.1 Effect of WPI concentration on transmittance of pear juice

2.1.2 處理時間對梨汁澄清效果的影響 由圖2可知,梨汁透光率先隨處理時間的延長顯著增大,時間為90 min時達最大值;之后繼續(xù)延長時間,透光率趨于穩(wěn)定,無顯著變化。這可能是由于WPI與果膠、多酚等物質充分作用需要90 min左右的時間,時間太短作用不完全,澄清效果不好;而作用完全后即使延長時間也不能提高相互作用的程度,因此,澄清效果不變。為了節(jié)省時間,處理時間選取90 min左右較合適。

圖2 處理時間對梨汁透光率的影響Fig.2 Effect of time on transmittance of pear juice

2.1.3 處理溫度對梨汁澄清效果的影響 由圖3可知,當處理溫度低于50 ℃時,梨汁透光率隨溫度的升高顯著增大;溫度在50～60 ℃之間時,透光率變化趨于平緩;溫度超過60 ℃以后,透光率呈減小趨勢,變化顯著。其原因可能是在一定范圍內,溫度升高能促進WPI與果膠、多酚等物質之間的相互作用,從而提高澄清效果;但WPI對熱不穩(wěn)定,溫度超過一定值時,其中的主要成分α-乳白蛋白、β-乳球蛋白的構象發(fā)生變化,甚至發(fā)生不可逆變性,從而影響與果膠、多酚等物質間的相互作用,進而降低澄清效果[15,20]。因此,選取處理溫度為50 ℃左右較為合適。

圖3 處理溫度對梨汁透光率的影響Fig.3 Effect of temperature on transmittance of pear juice

2.2 響應面實驗

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface experiment

2.2.2 模型方程的建立及方差分析 采用軟件DesignExpert 8.0.5對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合分析,得到響應值透光率對WPI添加量、處理時間和處理溫度真實值的二次多項回歸方程:

Y=87.02-1.57A-0.85B+2.03C-0.23AB+1.23AC+0.92BC-11.55A2-7.10B2-0.80C2

對該回歸方程模型進行方差分析,結果見表3。由表3可知,回歸方程模型極顯著(p<0.0001);一次項A和C,交互項AC,二次項A2和B2對響應值的影響均達到極顯著水平(p<0.01);一次項B和交互項AC均達到顯著水平(p<0.05);交互項AB及二次項C2沒有達到顯著水平。從表3還可以看出各因素對梨汁透光率影響大小的順序為C>A>B,各因素交互作用對梨汁透光率影響大小的順序為AC>BC>AB。

2.2.3 模型曲面圖和等高線圖分析 為了更直觀深入地分析在所考察的因素范圍內各因素對響應值的交互作用,并找出最優(yōu)范圍,分別固定處理溫度、處理時間和WPI添加量為零水平,采用DesignExpert 8.0.5軟件分別獲得WPI添加量與處理時間、WPI添加量與處理溫度以及處理時間與處理溫度對梨汁透光率的3D曲面圖和等高線圖[21],結果圖4、圖5和圖6。

如圖4所示,響應曲面較陡,等高線接近圓形,這說明WPI添加量和處理時間對透光率的影響均顯著,且透光率隨WPI添加量的增加和處理時間的延長均呈先增大后減小的變化趨勢;但兩者的交互作用不顯著,這與方差分析的結果相符。WPI添加量在0.60%～0.70%,處理時間在86～94 min的范圍內,梨汁的透光率達到最大值。

表3 響應面二次模型方差分析Table 3 Analysis of variancefor response surface quadratic model

注:**為極顯著(p值<0.01);*為顯著(p值<0.05);不顯著(p值>0.05)。

圖4 WPI添加量與處理時間交互作用對梨汁透光率影響的響應面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for interaction effects of WPI concentration and time on transmittance of pear juice

由圖5可知,響應曲面較陡,等高線接近橢圓形,說明WPI添加量和處理溫度對透光率均有顯著影響,且透光率隨WPI添加量的增加呈先增大后減小的變化趨勢,隨處理溫度的升高先增大,后變化平緩;兩者的交互作用顯著,這與方差分析的結果相符。WPI添加量在0.60%～0.70%,處理溫度在50～60 ℃的范圍內,梨汁的透光率達到最大值。

圖5 WPI添加量與處理溫度交互作用對梨汁透光率影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots for interaction effects of WPI concentration andtemperature on transmittance of pear juice

由圖6可知,響應曲面較陡,等高線接近橢圓形,說明處理時間和處理溫度對透光率影響較大,且透光率隨處理時間的延長呈先增大后減小的變化趨勢,隨處理溫度的升高先增大,后變化平緩;兩者的交互作用顯著,這與方差分析的結果相符。處理時間在在86～94 min,處理溫度在50～60 ℃的范圍內,梨汁的透光率達到最大值。

圖6 處理時間與處理溫度交互作用對梨汁透光率影響的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for interaction effects of time andtemperature on transmittance of pear juice

2.2.4 梨汁澄清工藝條件的優(yōu)化和可靠性驗證 通過DesignExpert 8.0.5軟件對回歸方程求解,得到梨汁的最佳澄清工藝條件為WPI添加量0.69%,處理時間89.96 min,處理溫度60.00 ℃,在此條件下,透光率的預測理論值為88.2%。為了方便實際操作,將澄清工藝條件修正為WPI添加量0.69%,處理時間90 min,處理溫度60 ℃,在此條件下做3次平行實驗,得到透光率的平均值為87.9%,與預測理論值接近。因此,基于響應面法所得的澄清工藝參數(shù)準確可靠,具有實用價值。

2.3 不同處理對梨汁澄清度與褐變度的影響

鮮榨梨汁澄清處理前后的透光率和吸光度見表4。

表4 不同處理對梨汁透光率和吸光度的影響Table 4 Effects of different treatments on transmittance and absorbance of pear juice

注:同一列的小寫字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

由表4可知,與對照相比,3種方法均使梨汁的透光率顯著增大,且各方法之間有顯著性差異,這說明3種方法均具有澄清作用。

黃冠梨中含有較多的多酚類物質及其酶類,容易出現(xiàn)酶促褐變,且80%的酶促褐變發(fā)生在果實的破碎壓榨過程中[6,9,11]。如表4所示,鮮榨梨汁(對照)的吸光度較大,表明盡管榨汁過程進行了護色處理,但榨汁過程中梨汁仍然產(chǎn)生了一定程度的褐變。3種方法均使梨汁的吸光度減小,且WPI、WPI+果膠酶2種處理均達到顯著水平,這表明WPI還具有抑制梨汁褐變的作用,這可能與其能通過靜電吸引、絮凝沉淀等作用降低褐變底物的濃度以及能螯合多酚氧化酶活性中心的銅離子有關[13]。

果膠酶是目前果蔬汁生產(chǎn)中常用的澄清方法[22],與果膠酶處理后的梨汁相比,經(jīng)WPI、WPI+果膠酶2種方法分別處理后的梨汁,透光率各增大了14.2%、20.8%,吸光度則各減小了0.291和0.297,這表明WPI+果膠酶聯(lián)合處理后的梨汁澄清度最高,褐變度最低,因此外觀品質最好;其次為WPI單獨處理,果膠酶處理的最差。這與易建華等人的研究結果基本一致[23]。

3 結論

WPI對鮮榨梨汁具有澄清和抑制褐變的雙重作用,WPI添加量、處理溫度、處理時間對澄清效果影響顯著(p<0.05),在單因素實驗的基礎上應用響應面法優(yōu)化出的最佳澄清條件是WPI添加量0.69%,處理時間90 min,處理溫度60 ℃。該條件下梨汁透光率為87.9%,吸光度為0.293,澄清度較高,褐變度較低,效果好于果膠酶處理,梨汁外觀品質較好。WPI+果膠酶聯(lián)合處理后的梨汁透光率高達94.5%,吸光度低至0.287,澄清度比WPI單獨處理的更高,褐變度則更低,梨汁的外觀品質更好。

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Effect of whey protein isolate on clarification of freshPyrusbretschneideri‘Huangguan’ pear juice

CHEN Mei-hua1,2,CHENG Xue-bing1,HUANG Hai1,2,XIONG Zheng1,LAN Wei-bing1,2,FU Man1,2

(1.College of Food Engineering,Qinzhou University,Qinzhou 535011,China;2.Guangxi College and University Key Laboratory of Development and High-value Utilization of Beibu Gulf Seafood Resources,Qinzhou 535011,China)

The effect of whey protein isolate(WPI)on clarification of fresh ‘Huangguan’ pear juice was evaluated. Based on the single factor experiments,the response surface methodology was employed to optimize the clarification conditions of pear juice and the effects of WPI and pectinase treatments alone and combined on clarity and browning degree of pear juice were also studied. The optimum conditions for clarification of pear juice were as follows:the concentration of WPI 0.69%,treatment time 90 min and treatment temperature 60 ℃. Under the conditions,the transmittance of pear juice was 87.9%. The order of clarity of pear juice treated by the three methods was WPI-pectinase>WPI>pectinase. The order of browning degree of pear juice treated by the three methods was pectinase>WPI>WPI-pectinase. The results suggested that WPI had dual effects of clarification and inhibition of browning on fresh ‘Huangguan’ pear juice. Moreover,WPI acted more effectively than pectinase.In addition,the effect of WPI combined with pectinase treatment was better than the effect of WPI treatment alone.

pear juice;whey protein isolate;pectinase;response surface;clarification

2016-08-04

陳美花(1983-)，女，碩士，講師，研究方向：生鮮食品保鮮與加工，E-mail：cmhyihan@126.com。

TS255.36

B

:1002-0306(2017)03-0186-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.027