酶-熱浸提法 提高野櫻莓出汁率的工藝優(yōu)化

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(1.天津科技大學食品工程與生物技術(shù)學院,教育部食品營養(yǎng)與安全重點實驗室,天津 300457; 2.天津食品安全低碳制造協(xié)同創(chuàng)新中心,天津 300457; 3.天津科技大學新農(nóng)村發(fā)展研究院,天津 300457)

野櫻莓(AroniamelanocarpaElliot),又名不老莓,黑果腺肋花楸,薔薇科腺肋花楸屬、多年生落葉灌木,原產(chǎn)于北美東北部,多分布在波羅的海沿岸至太平洋沿岸[1]。我國于20世紀90年代開始引種,并定植于遼寧省西北部半干旱地區(qū),發(fā)展至今已擁有較豐富的種植資源[2]。果實屬漿果,果皮紫黑色且果肉呈暗紅色,富含黃酮、花青素和多酚等物質(zhì)[3]。野櫻莓果實味道酸澀,口感不佳,但眾多研究證實其果汁具有的抗氧化活性在常見水果中是最高的[4-8],此外還具有抗腫瘤[9]、抗炎[10]、防止尿路感染[11]、降血糖[12]、護肝[13]、治療肥胖癥[14]等功效。

黑果腺肋花楸果實有很強的保健功效,但由于其本身口感不佳,大眾難以接受,因此果實的深加工就顯得尤為重要[15]。國外對于野櫻莓果實的研究趨于成熟,市面上的野櫻莓產(chǎn)品有果汁、果粉、果酒、果醬等,同時制成天然食品色素加入到保健產(chǎn)品中,深受大眾喜愛[16]。此外國外已有的保健型果汁飲料、保健膠囊、片劑等產(chǎn)品在我國尚未被生產(chǎn)銷售,目前沒有相應的深加工產(chǎn)品,如保健功能食品、藥用功能食品等[17-18]。因此野櫻莓果汁加工方面很有市場前景,在國內(nèi)具有很大的發(fā)展?jié)摿19]。果汁加工過程中其果汁出汁率尤為重要,已有資料提到野櫻莓果汁出汁率基本為70%[20],但營養(yǎng)物質(zhì)損失較多,大大增加了生產(chǎn)成本。

本文以野櫻莓凍果為原料,采用酶解和熱浸提相結(jié)合的方法,優(yōu)化野櫻莓汁的制備工藝,提高出汁率。利用正交設計及響應面分析法對制備工藝進行優(yōu)化,為野櫻莓果汁及相關(guān)飲料的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

野櫻莓凍果 北京德益堂生物科技有限公司;果膠酶(105U/g) 山東欣鼎生物科技有限公司。

EX125DZH電子天平 奧豪斯儀器(常州)有限公司;TDZ5-WS低速離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司;DF205電熱鼓風干燥箱 北京醫(yī)療儀器二廠;XMTD-204數(shù)顯恒溫水浴鍋 天津歐諾儀器儀表有限公司;PAL-1手持式糖度計 廣州市愛宕科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 野櫻莓汁制備

冷凍野櫻莓在4 ℃解凍,棄去破損、腐爛的果實,用自來水清洗,常溫晾干。稱取100 g野櫻莓果,用搗碎機搗碎成漿后加入0.2%檸檬酸與0.04% VC護色,同時加入一定的酶,在一定的溫度下,酶解一定的時間。酶解處理過程中用保鮮膜密封反應容器,防止水分蒸發(fā);酶解后迅速用冷水降到室溫,300目尼龍布過濾，4000 r/min離心15 min,收集上清液。將濾渣及離心后的沉淀以不同的水料比,利用水浴鍋設置一定的溫度及時間做浸提處理,用300目尼龍布過濾,除掉粗纖維及果渣,取浸提液并與離心后的果汁混合[21]。

1.2.2 出汁率的測定 先用手持糖度計測定可溶性固形物(soluble solid,SS)含量。根據(jù)可溶性固形物含量計算可得出汁率,公式如下:

式(1)

式中:M為野櫻莓果汁的質(zhì)量,g;B為野櫻莓果汁的可溶性固形物的含量,%;14.9為野櫻莓原果可溶性固形物含量,%;M0為野櫻莓果實的質(zhì)量,g。

1.2.3 酶解單因素實驗

1.2.3.1 酶解溫度對野櫻莓出汁率的影響 取適量野櫻莓果實,在酶用量0.15%,酶解時間1.5 h條件下,以不同酶解溫度(40、45、50、55、60 ℃)進行酶解處理,計算出汁率。

1.2.3.2 酶用量對野櫻莓出汁率的影響 取適量野櫻莓果實,在酶解溫度45 ℃,酶解時間1.5 h條件下,以不同酶用量(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%)進行酶解處理,計算出汁率。

1.2.3.3 酶解時間對野櫻莓出汁率的影響 取適量野櫻莓果實,在酶解溫度45 ℃,酶用量0.15%條件下,以不同酶解時間(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)進行酶解處理,計算出汁率。

1.2.4 酶解正交實驗 在單因素實驗的基礎上,選取酶解溫度(A)、酶添加量(B)、酶解時間(C)3個影響因素,采用L9(33)正交試驗設計,以出汁率為考察指標,進行正交試驗,因素與水平見表1。

表1 酶解工藝優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for enzymolysis process optimization

1.2.5 熱浸提單因素實驗

1.2.5.1 水料比對野櫻莓總出汁率的影響 野櫻莓酶解后的濾渣及沉淀合并,在浸提溫度40 ℃,浸提時間2 h條件下,以不同水料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1 mL/g)進行熱浸提處理,浸提液與酶解后的濾液混合,計算出汁率。

1.2.5.2 浸提溫度對野櫻莓總出汁率的影響 取適量野櫻莓經(jīng)酶解處理,過濾離心(4000 r/min,15 min)后將濾渣及離心沉淀在水料比10∶1 mL/g,浸提時間2 h條件下,以不同浸提溫度(30、40、50、60、70 ℃)進行熱浸提處理,浸提液與酶解后的濾液混合,計算出汁率。

1.2.5.3 浸提時間對野櫻莓總出汁率的影響 取適量野櫻莓經(jīng)酶解處理,過濾離心(4000 r/min,15 min)后將濾渣及離心沉淀在水料比10∶1 mL/g,浸提溫度40 ℃條件下,以不同浸提時間(1、2、3、4、5 h)進行熱浸提處理,浸提液與酶解后的濾液混合,計算出汁率。

1.2.6 響應面實驗設計優(yōu)化熱浸提工藝條件 選取水料比、浸提溫度和浸提時間3個因素為自變量,以總出汁率為響應值,設計3因素3水平共17個試驗點的響應面試驗。響應面優(yōu)化因素水平設計見表2。

表2 熱浸提工藝Box-Behnken 設計試驗因素水平及編碼Table 2 Box-Behnken design test factor levels and codes for hot extraction processes

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個實驗重復處理3次,實驗數(shù)據(jù)使用Origin 9.0軟件進行整理和制圖;酶解工藝優(yōu)化實驗利用正交設計助手Ⅱv3.1進行設計和分析,同時采用Design-Expert 10軟件對熱浸提工藝進行響應面優(yōu)化實驗設計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶解條件優(yōu)化實驗結(jié)果

2.1.1 酶解溫度對野櫻莓出汁率的影響 由圖1可知,當酶解溫度為40～50 ℃時,隨著酶解溫度的升高,出汁率也隨之增加;當酶解溫度達到50 ℃時,出汁率達到最大值,此時達到果膠酶的的最適溫度且催化作用最大,酶解徹底;當酶解溫度大于50 ℃,出汁率呈下降的趨勢。這是因為溫度過高會使果膠酶失活,影響酶解效率;高溫會分解果汁中碳水化合物,導致可溶性固形物含量下降[22-24],從而導致出汁率下降。

圖1 酶解溫度對野櫻莓出汁率的影響Fig.1 Effect of enzymolysis temperature on juice yield of Aronia melanocarpa

2.1.2 酶添加量對野櫻莓出汁率的影響 由圖2可知,在加酶量為0.20%時,出汁率達到最大值;加酶量低于0.20%時,野櫻莓出汁率隨著酶添加量的增加而增加;加酶量大于0.20%后,出汁率趨于穩(wěn)定。果膠酶可有效的切裂并降解果肉和果膠物質(zhì)鏈結(jié)構(gòu),從而降低果膠含量[25]增大果汁澄清度,同時降解并破壞植物細胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使細胞內(nèi)容物最大限度溶出,達到提高果實的出汁率的目的。在一定條件下,只有加酶量達到最佳值時,酶解反應才能進行的較徹底[26-27],加酶量過多僅是加快酶解速度,不能提高產(chǎn)量。

圖2 酶添加量對野櫻莓出汁率的影響Fig.2 Effect of enzyme addition on juice yield of Aronia melanocarpa

2.1.3 酶解時間對野櫻莓出汁率的影響 由圖3可知,隨著酶解時間的延長,野櫻莓出汁率先升高最后趨于穩(wěn)定。當酶解時間為2.0 h時,出汁率最高為75.98%。這主要是果膠酶持續(xù)作用有利于野櫻莓中果膠類物質(zhì)的分解,加速了野櫻莓中可溶性固形物的溶解和析出,出汁率隨之上升。酶解時間大于2.0 h,出汁率未發(fā)生明顯變化。因此,考慮果汁口感和生產(chǎn)成本等因素,選擇酶解時間1.5～2.5 h較為適宜。

圖3 酶解時間對野櫻莓出汁率的影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on juice yield of Aronia melanocarpa

2.1.4 正交實驗結(jié)果 采用正交實驗優(yōu)化酶解工藝,實驗結(jié)果與分析見表3,方差分析見表4。

表3 酶解工藝優(yōu)化正交實驗結(jié)果與直觀分析Table 3 Orthogonal results and intuitive analysis of enzymolysis process

表4 酶解正交實驗方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments results of enzymolysis process

由表3及表4可得,影響酶解條件的各因素順序為:A>B>C,即酶解溫度>酶添加量>酶解時間,并且酶解溫度對出汁率的影響達到顯著水平(p<0.05)。最佳水平組合為A2B2C2,驗證試驗得出汁率為77.70%±0.88%,高于正交試驗中最高分77.60%,因此最終確定A2B2C2為最優(yōu)組合,即酶解溫度50 ℃,酶添加量0.20%,酶解時間2 h。

2.2 熱浸提條件優(yōu)化實驗結(jié)果

2.2.1 水料比對野櫻莓出汁率的影響 由圖4可知,隨著水料比的增大,野櫻莓的總出汁率逐漸升高后趨于穩(wěn)定,在水料比為20∶1 時出汁率為94.51% 達到最高,而在水料比為25∶1與20∶1時并無明顯差異。細胞內(nèi)溶物隨著水料比的增大慢慢溶出,當達到一定比值時溶出完全,則增加水料比總出汁率變化不大。

圖4 水料比對野櫻莓總出汁率的影響Fig.4 Effect of liquid-to-liquid ratio on the total juice yield of Aronia melanocarpa

2.2.2 浸提溫度對野櫻莓出汁率的影響 由圖5可知,隨著浸提溫度的升高,野櫻莓的總出汁率先升高后趨于穩(wěn)定,在60 ℃時明顯高于其他溫度下的出汁率。通過加熱處理使細胞受熱脹裂,細胞壁變薄,有利于果肉內(nèi)的胞液流出,有助于提高果汁的質(zhì)量及出汁率。說明可溶性固形物先隨溫度的增加慢慢溶出,完全溶出后保持穩(wěn)定,因此出汁率保持不變。

圖5 浸提溫度對野櫻莓總出汁率的影響Fig.5 Effect of extraction temperature on the total juice yield of Aronia melanocarpa

2.2.3 浸提時間對野櫻莓出汁率的影響 由圖6可知,浸提時間在1～5 h內(nèi),野櫻莓的總出汁率總體呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)的趨勢,并在4 h時達到最高,此后增加浸提時間總出汁率變化差異較小。說明可溶性固形物先隨時間的增加慢慢溶出,完全溶出后保持穩(wěn)定。

圖6 浸提時間對野櫻莓總出汁率的影響Fig.6 Effect of extraction time on the total juice yield of Aronia melanocarpa

2.2.4 響應面優(yōu)化實驗

2.2.4.1 響應面實驗設計及結(jié)果 在單因素實驗的基礎上進行野櫻莓果渣熱浸提工藝響應面優(yōu)化實驗,其中12個為析因試驗,5個為中心試驗,熱浸提響應面優(yōu)化實驗設計和結(jié)果見表5。

表5 響應面實驗設計和結(jié)果Table 5 Design and experimental results

應用Design-Expert軟件對所得實驗結(jié)果進行回歸分析,獲得綜合評分對總出汁率的二次多項回歸方程式:

Y=-135.936000+5.06235A+3.55220B+30.44425C+0.020350AB+0.080750BC-0.14504A2-0.033985B2-4.03600C2

式(2)

表6 總出汁率的回歸模型方差分析表Table 6 Regression model variance analysisTable for total juice yield

從響應面分析圖7中可清楚的看出對野櫻莓出汁率影響越大的因素,其曲線走勢會相對越陡。在等高線圖中,軸向等高線越密集,說明該因素對總出汁率的影響越顯著[28]。從表6的分析及圖7可以看出,水料比與浸提溫度之間的交互作用最明顯,其次是浸提溫度與浸提時間的交互作用,相比較而言水料比與浸提時間交互作用較弱。

圖7 響應面以及等高線圖Fig.7 Response surface and contour plot

2.2.4.2 最佳條件的確定及驗證實驗 根據(jù)回歸數(shù)學分析模型,可預測提取的最優(yōu)條件參數(shù)為水料比20.80∶1,浸提溫度為63.40 ℃,浸提時間4.21 h,此時總出汁率預測值為93.59%。結(jié)合現(xiàn)實操作的方便性,將工藝參數(shù)修正為水料比為21∶1,浸提溫度為63 ℃,浸提時間為4.2 h。根據(jù)此條件進行三組平行實驗,驗證其理論值的可靠性,得到野櫻莓總出汁率為94.07%±0.19%,與預測值相比誤差為0.51%,此結(jié)果驗證了響應面優(yōu)化模型的可靠性。經(jīng)酶-熱浸提法得到的稀釋果汁可溶性固形物含量在3.7%左右,原果可溶性固形物含量為14.5%,在飲料調(diào)配時,加入含量為50%以上的稀釋果汁以達到原果汁含量大于10%,符合國家標準對于果汁飲料的要求。

3 結(jié)論

本文采取酶法-熱浸提結(jié)合的方式提高野櫻莓的出汁率,并且在酶解前對果實做破碎處理,使其酶解更為完全。通過單因素實驗和正交實驗優(yōu)化出最佳酶解工藝為酶解溫度50 ℃,酶添加量0.20%,酶解時間2 h。按照最佳酶解工藝參數(shù)制得野櫻莓果汁出汁率為77.70%±0.88%。為了使野櫻莓果汁進一步溶出,將酶解榨汁后的果渣進行熱浸提工藝的單因素實驗以及響應面優(yōu)化實驗,最終得出熱浸提工藝的最佳參數(shù)為水料比為21∶1,浸提溫度為63 ℃,浸提時間為4.2 h。根據(jù)優(yōu)化后的酶解-熱浸提工藝條件,制得野櫻莓果汁出汁率為94.07%±0.19%。

結(jié)果說明酶解-熱浸提法提取野櫻莓果汁總出汁率為94.07%。相較于野櫻莓單一榨汁所得出汁率57%,優(yōu)化后的野櫻莓果汁出汁率可提高37%,適宜在實際生產(chǎn)中推廣應用,更充分利用原料,有效降低野櫻莓果汁的生產(chǎn)成本,并且為野櫻莓產(chǎn)品的研發(fā)提供參考。