超聲波輔助酶法澄清樹莓果汁的工藝優(yōu)化

師 聰,李 哲,張建萍,陳尚龍,巫永華,劉 輝

(徐州工程學(xué)院,江蘇徐州 221018)

樹莓是薔薇科懸鉤子屬植物,又名馬林果、懸鉤子、托盤、覆盆子等,為多年生小灌木,兼木草兩性。主要分布在北半球寒帶和溫帶,我國樹莓約有210多種,主要以西北地區(qū)及長江以南多見[1]。樹莓果實(shí)酸甜適口,柔嫩多汁,風(fēng)味獨(dú)特,富含有機(jī)酸、VE、礦質(zhì)元素、氨基酸等營養(yǎng)素,還含有多酚、多糖、黃酮等功能性物質(zhì)[2-3],因此其具有多方面的生理活性。據(jù)報(bào)道,樹莓具有抗氧化、抗腫瘤、抗衰老、改善記憶、降血壓、血脂、血糖等作用[4-7],被美國人稱為“生命之果”[8]。

樹莓成熟季節(jié)性很強(qiáng),且樹莓果皮極薄,組織嬌嫩,呼吸速率高,在貯藏運(yùn)輸過程中極易腐爛變質(zhì),因此發(fā)展樹莓深加工新領(lǐng)域,對(duì)樹莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。目前,市場上以樹莓為原料的果汁飲料尚不多見,在樹莓果汁的加工、貯存及銷售過程中,經(jīng)常出現(xiàn)渾濁、沉淀、分層、失色等現(xiàn)象[9],影響了果汁的外觀和品質(zhì)[10]。酶法制備樹莓澄清汁的工藝已有研究,但其主要側(cè)重于果汁的出汁率等指標(biāo)來確定最佳工藝[11],并未考慮樹莓在酶解工藝過程中對(duì)澄清度的影響,傳統(tǒng)的方法很難得到高澄清度的樹莓果汁,且在貯存過程中極易發(fā)生二次沉淀[12]。

超聲波能加速分子的擴(kuò)散,被廣泛應(yīng)用于各種有效成分的提取分離[13-14]。酶解技術(shù)可有效地提高水果透光率,縮短加工時(shí)間,簡化加工工藝,被廣泛應(yīng)用于果汁加工中[15-16]。本研究利用超聲波輔助酶法處理樹莓果漿,探討不同條件對(duì)樹莓出汁率和澄清效果的影響,采用期望函數(shù)同時(shí)優(yōu)化多目標(biāo)途徑,以期獲得出汁率高和澄清效果好的樹莓果汁。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

樹莓 市售;果膠酶(30000 U/g) 上海權(quán)旺生物科技有限公司。

JY-250Y超聲波細(xì)胞破碎儀 上海熙揚(yáng)儀器有限公司;HH-4A精密數(shù)顯恒溫水浴鍋 冠森生物科技(上海)有限公司;FA1004精密電子天平秤 青島拓科儀器有限公司;DHG-9101電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 杭州浣熊儀器科技有限公司;BL45J11榨汁機(jī) 美的巍然專賣店。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 原料選擇→清洗→護(hù)色→打漿→超聲→酶解→榨汁→離心分離→樹莓澄清汁

挑選無病蟲害、疤傷和成熟度完好的樹莓果,用流動(dòng)的自來水清洗表面,去除花萼和果梗。將樹莓果完全浸入到0.3%的檸檬酸溶液中,然后用榨汁機(jī)打漿。將樹莓果漿用超聲波細(xì)胞破碎儀進(jìn)行超聲預(yù)處理,加入一定量的果膠酶,放在恒溫的水浴鍋中一段時(shí)間,加速樹莓中果膠的分解,用榨汁機(jī)將酶處理后的樹莓果漿進(jìn)行打漿去籽,將果漿置于5000 r/min離心15 min,取上清液備用。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 超聲功率對(duì)樹莓澄清汁的影響 取50 g樹莓果漿6份,在超聲時(shí)間25 min,酶解時(shí)間1.5 h,果膠酶添加量0.06%,酶解溫度50 ℃,超聲功率分別為0、50、100、150和200 W條件下處理,結(jié)束后將果汁置于離心機(jī)中5000 r/min離心15 min,分別測定出汁率和透光率。

1.2.2.2 超聲時(shí)間對(duì)樹莓澄清汁的影響 取50 g樹莓果漿5份,在超聲功率150 W,酶解時(shí)間1.5 h,果膠酶添加量0.06%,酶解溫度50 ℃,超聲時(shí)間分別為15、20、25、30和35 min條件下處理,結(jié)束后將果汁置于離心機(jī)中5000 r/min 離心15 min,分別測定出汁率和透光率。

1.2.2.3 果膠酶添加量對(duì)樹莓澄清汁的影響 取50 g樹莓果漿5份,在超聲功率150 W,超聲時(shí)間25 min,酶解溫度50 ℃,酶解時(shí)間1.5 h,果膠酶添加量分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%條件下進(jìn)行酶解,結(jié)束后將果汁置于離心機(jī)中5000 r/min離心15 min,分別測定出汁率和透光率。

1.2.2.4 酶解時(shí)間對(duì)樹莓澄清汁的影響 取50 g樹莓果漿5份,在超聲功率150 W,超聲時(shí)間25 min,酶解溫度50 ℃,果膠酶添加量0.06%,酶解時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0 和2.5 h條件下進(jìn)行酶解,結(jié)束后將果汁置于離心機(jī)中5000 r/min 離心15 min,分別測定出汁率和透光率。

1.2.2.5 酶解溫度對(duì)樹莓澄清汁的影響 取50 g樹莓果漿5份,在超聲功率150 W,超聲時(shí)間25 min,酶解時(shí)間1.5 h,果膠酶添加量0.06%,酶解溫度分別為35、40、45、50 和55 ℃條件下進(jìn)行酶解,結(jié)束后將果汁置于離心機(jī)中5000 r/min離心15 min,分別測定出汁率和透光率。

1.2.3 工藝優(yōu)化 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取果膠酶用量、超聲時(shí)間和酶解溫度3個(gè)因素,以樹莓出汁率(Y1)和透光率(Y2)為響應(yīng)值,采用三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析方法,運(yùn)用期望函數(shù)同時(shí)優(yōu)化多目標(biāo)途徑,確定超聲波輔助酶法制備樹莓果汁的最佳工藝條件。試驗(yàn)因素和編碼水平設(shè)置見表1。

表1 Box-Behnken因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of Box-Behnken

1.2.4 出汁率 樹莓出汁率(%)=樹莓汁質(zhì)量/樹莓果漿質(zhì)量×100

1.2.5 果汁澄清度 采用分光光度法[9]。樹莓果漿經(jīng)酶解和離心,取樹莓澄清果汁上清液,以蒸餾水為參照物,于680 nm 測定透光率[9],用透光率 T(%)表示果汁的澄清度。

1.2.6 期望函數(shù) 通過單個(gè)響應(yīng)值的重要度w來計(jì)算最大期望函數(shù)值,將所有的響應(yīng)值根據(jù)如下方程轉(zhuǎn)化為期望函數(shù)di,總體期望函數(shù)D按照公式(1)求最大期望函數(shù)值[17],根據(jù)最大期望函數(shù)值D,確定所對(duì)應(yīng)的條件即為最佳條件[18]。

式(1)

式(2)

Yi(x)為第i個(gè)指標(biāo)的響應(yīng)值,Ymin,i為Box-Behnken設(shè)計(jì)中第i個(gè)指標(biāo)的最低響應(yīng)值,Ymax,i為最高響應(yīng)值,d1、d2、dn為各響應(yīng)值的期望值,n為響應(yīng)值數(shù)目,w為重要度 1～5,d1為樹莓出汁率的期望值,d2為樹莓透光率的期望值,根據(jù)二者重要性,出汁率重要度(w1)和透光率(w2)的重要度都設(shè)為5。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,采用SigmaPlot 10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)采用Design-Expert 10進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲功率的影響 超聲功率對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響結(jié)果如圖1所示,當(dāng)超聲功率小于100 W時(shí),隨著超聲功率的增大,出汁率和透光率都顯著提高,超聲波會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng),對(duì)果汁中的果膠、蛋白質(zhì)等大分子顆粒具有一定的分解破壞作用[19],加速物質(zhì)的擴(kuò)散速度,果膠含量大大降低,同時(shí)果汁的透光率得到提高,有利于果汁的澄清。當(dāng)超聲功率大于100 W時(shí),樹莓出汁和透光率無顯著變化。因此,選擇超聲功率100 W左右為宜。

圖1 超聲功率對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響Fig.1 Effects of ultrasonic power on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.2 超聲時(shí)間的影響 超聲時(shí)間對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響結(jié)果如圖2所示,在超聲25 min內(nèi),樹莓出汁率和透光率隨著時(shí)間的延長而增大，因?yàn)楣械牡鞍缀凸z等大分子物質(zhì)可接受超聲作用的位點(diǎn)多,降解能力強(qiáng),對(duì)樹莓果汁的澄清效果好。當(dāng)超聲時(shí)間大于25 min,隨著時(shí)間的延長,果膠的析出率增高,超聲熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量使果汁溫度升高,內(nèi)部氣體外逸,果膠降解速率降低,果汁混濁程度增加,同時(shí)溫度過高會(huì)使果膠的顏色加深,透光率降低。超聲時(shí)間過長,樹莓中的水分蒸發(fā)過多,也會(huì)造成出汁率降低。因此,選擇超聲時(shí)間25 min左右為宜。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響Fig.2 Effects of ultrasonic time on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.3 酶添加量的影響 酶添加量對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響結(jié)果如圖3所示,添加果膠酶可提高樹莓出汁率,果膠酶添加量在0.02%～0.06%范圍內(nèi),樹莓出汁率隨酶濃度的增大而提高,當(dāng)果膠酶添加量大于0.06%后,樹莓出汁率沒有顯著變化,這是因?yàn)樵跇漭麧{一定時(shí),其所含的果膠類物質(zhì)的含量一定,過量的果膠酶只能加速酶解反應(yīng),不能提高樹莓出汁率。對(duì)于樹莓果汁的透光率,在添加0.02%～0.06% 果膠酶時(shí),樹莓果汁透光率不斷提高,但當(dāng)酶添加量超過0.06%后,隨著果膠酶添加量的增加,果汁的透光率會(huì)下降。這是因?yàn)楣z酶是一種蛋白酶,隨著果膠酶添加量的增加,果汁中酶蛋白含量增加,會(huì)使果汁變渾濁[20]。所以,過多添加果膠酶,即增大生產(chǎn)成本,又影響樹莓汁的口味和澄清度,因此,選擇果膠酶添加量0.06%左右為宜。

圖3 酶用量對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響Fig.3 Effects of enzyme addition on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.4 酶解時(shí)間的影響 酶解時(shí)間對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響結(jié)果如圖4所示,當(dāng)酶解時(shí)間小于1.5 h,隨著酶解時(shí)間的延長,樹莓出汁率迅速升高,當(dāng)酶解時(shí)間大于1.5 h,果汁出汁率提高緩慢。樹莓在酶解1.5 h前,透光率明顯提高,但在1.5 h后,隨著酶解時(shí)間的延長,透光率降低。所以,酶解時(shí)間過長,會(huì)造成樹莓果汁澄清度降低,營養(yǎng)成分也可能損失。因此,固定酶解時(shí)間1.5 h。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響Fig.4 Effects of enzyme time on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.5 酶解溫度的影響 酶解溫度對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響結(jié)果如圖5所示,在酶解溫度為35～45 ℃時(shí),出汁率和透光率隨著溫度的升高而提高,當(dāng)溫度為45 ℃,出汁率和透光率達(dá)到最大,當(dāng)溫度大于45 ℃,出汁率和透光率降低,果汁出汁率和透光率的變化趨勢與果膠酶的活性相關(guān),在一定的范圍內(nèi),果膠酶的活性隨著溫度的升高而升高,在45 ℃左右果膠酶活性達(dá)到最高,隨著溫度的升高,果膠酶發(fā)生變性,酶活性降低,分解果膠類物質(zhì)的能力降低,造成絮凝沉淀物的部分重新溶解,最終引起樹莓汁透光率和出汁率降低,而且樹莓的色澤也會(huì)加深,影響樹莓汁的品質(zhì),因此,選擇酶解溫度為45 ℃左右為宜。

圖5 酶解溫度對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響Fig.5 Effects of enzyme temperature on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.2 響應(yīng)面分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行樹莓出汁率和透光率的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn),其中12個(gè)為析因試驗(yàn),5個(gè)為中心試驗(yàn),響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表2。采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,結(jié)果見表2。

表3 出汁率回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of juice yield regression model

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Box-Behnken experimental results

回歸模型方差分析見表3和表4。

表4 透光率回歸模型方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance of transmittance regression model

由模型P值可知,Y1和Y2模型具有高度顯著性(P<0.01),失擬項(xiàng)都大于0.05,無顯著影響,信噪比大于4,R2均達(dá)到0.9以上,由此可見Y1和Y2模型有很高的可信度和擬合度,可用于分析預(yù)測樹莓出汁率和透光率與3個(gè)參試因子之間的關(guān)系。各因素對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響都為酶解溫度>超聲時(shí)間>果膠酶用量。Y1回歸模型(表3),一次項(xiàng)對(duì)出汁率的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01),交互項(xiàng)不顯著,平方項(xiàng)均達(dá)到極顯著水平;Y2回歸模型(表4),一次項(xiàng)酶解溫度和超聲時(shí)間對(duì)透光率的影響達(dá)到顯著水平,交互項(xiàng)不顯著,平方項(xiàng)酶解溫度和果膠酶用量對(duì)透光率的影響達(dá)到極顯著水平。

應(yīng)用Design-Expert對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析,可以得到模型的響應(yīng)圖,該實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲面圖如圖6和圖7所示,圖6反應(yīng)出當(dāng)酶解溫度、超聲時(shí)間和果膠酶用量三因素之一取零水平時(shí),其他二因素對(duì)樹莓出汁率的影響,圖7反應(yīng)出三因素之一取零水平時(shí),其他二因素對(duì)樹莓透光率的影響,響應(yīng)曲線走勢越陡,說明該因素對(duì)樹莓出汁率和透光率影響越大,由回歸模型方差分析和響應(yīng)面圖可以看出,交互作用效應(yīng)均不顯著。

圖6 各因素交互作用對(duì)出汁率影響的響應(yīng)面Fig.6 Response surface of interaction of various factors on juice yield

圖7 各因素交互作用對(duì)透光率影響的響應(yīng)面Fig.7 Response surface of interaction of various factors on transmittance of betacyanin

2.3 結(jié)果優(yōu)化與驗(yàn)證

2.3.1 期望函數(shù) 根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,取公式(1)中Ymin,1=75,Ymax,1=85,Ymin,2=80,Ymax,2=90,出汁率重要度(w1)和透光率(w2)的重要度都設(shè)為5,期望函數(shù)最大值為1,最小值為0,響應(yīng)面分析將各指標(biāo)期望函數(shù)最大化,得到最大期望[21-22]。多響應(yīng)值轉(zhuǎn)化為單響應(yīng)值D后,利用響應(yīng)面法,得到最大期望函數(shù)值為0.90,即超聲時(shí)間26.59 min,果膠酶用量為0.06%,酶解溫度44.33 ℃時(shí)為理論最優(yōu)條件,該條件下對(duì)應(yīng)的理論出汁率為84.25%,透光率為88.80%。而取以出汁率響應(yīng)值最大為84.66%時(shí)的條件所對(duì)應(yīng)的透光率為87.06%,此時(shí)期望函數(shù)值D1為0. 83;以透光率為響應(yīng)值最大為84.66%時(shí)的條件所對(duì)應(yīng)的出汁率為89.05%,此時(shí)期望函數(shù)值D2為0.84,均低于總體期望函數(shù)值0.90。這說明期望函數(shù)適合用于多響應(yīng)值的優(yōu)化,能合理地取得兩個(gè)響應(yīng)值之間的均衡。

2.3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為檢驗(yàn)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果以及期望函數(shù)的可靠性,在優(yōu)化的工藝參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),考慮到實(shí)際操作條件,將最佳條件修正為:超聲時(shí)間27 min,果膠酶用量為0.06%,酶解溫度44 ℃,重復(fù)3次所得的出汁率為84.05%,透光率為88.82%,期望函數(shù)值最大為0.89,與理論預(yù)測值0.90差異不顯著,說明模型可靠。

3 結(jié)論

本文主要通過單因素試驗(yàn)探究了不同果膠酶、酶解時(shí)間、酶解溫度、超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)樹莓出汁率和透光率的影響,在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ),進(jìn)行了Box-Behnken設(shè)計(jì),以樹莓出汁率和透光率為響應(yīng)值,運(yùn)行期望函數(shù)途徑優(yōu)化多目標(biāo),獲得超聲波輔助酶法制備樹莓果汁的出汁率和透光率多目標(biāo)優(yōu)化的工藝參數(shù)。當(dāng)超聲功率100 W,超聲時(shí)間27 min,果膠酶添加量0.06%,酶解時(shí)間1.5 h,酶解溫度44 ℃時(shí),樹莓果汁出汁率為84.05%,透光率為88.82%,通過響應(yīng)面分析和模型方差分析表明,實(shí)驗(yàn)建立的模型可靠有效,回歸性顯著。該工藝操作簡單,成本較低,具有良好的應(yīng)用前景。