响应曲面法优化番茄汁加工工艺

颜 丽，马永强，李春阳

（1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150076；2.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京210014）

响应曲面法优化番茄汁加工工艺

颜 丽1，2，马永强1，李春阳2，*

（1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150076；2.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京210014）

为优化番茄汁加工工艺，以出汁率为指标，在单因素实验基础上，进行响应面实验分析得到最佳工艺参数为：纤维素酶添加量0.08%，酶解时间79min，酶解pH4.0，酶解温度54℃，此时番茄出汁率为90.08%。同时建立了番茄出汁率的二次数学模型，对出汁率具有很好的预测作用。

番茄汁，酶解法，出汁率，响应面法

番茄属于茄科茄属，一年生草本植物，在热带为多年生植物。番茄集营养保健于一身，内含13种维生素及17种矿物质，番茄红素、谷胱甘肽等生物活性物质含量丰富，其中番茄红素含量居各种果蔬之首[1-2]；番茄红素作为一种功能性天然色素，具有抗氧化、抗癌防癌、提高免疫力、降血脂等多种生理活性功能[3-4]。近年来，番茄汁饮料因其独特的风味、较强的营养保健功能日益受到人们的喜爱，是具有广阔市场发展前景的制品之一。目前，番茄汁生产主要利用压榨法，但出汁率较低，严重影响工业化生产效率[5]。酶解法作为一种新型的加工方法对提高出汁率具有显著效果，已被广泛的应用于各种果汁的提取及澄清中[6-8]，但对于酶解法生产番茄汁的研究正处于初步阶段，目前还没有形成系统、完整的加工工艺。本文采用生物酶解法，通过添加纤维素酶，破坏番茄细胞壁，使细胞内溶物释放出来，有效提高番茄出汁率；同时在单因素实验基础上，进行响应面分析，对番茄汁酶解加工工艺进行优化，建立出汁率的二次数学模型。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜番茄 江苏省南京市；纤维素酶（酶活19000U/g）、柠檬酸（分析纯） 湖南尤特尔生化有限公司；无水碳酸钠 分析纯，南京化学试剂有限公司。

组织捣碎机 江阴市保利科研仪器有限公司；分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；HJ-4A恒温多头磁力加热搅拌器 常州国华电器有限公司；HH-2数显恒温水浴锅 金坛市维诚实验器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 参考文献[9]的方法。番茄预处理→打浆→85℃、30s热破碎→冷却→调pH→添加纤维素酶→酶解→85℃灭酶→过滤→番茄汁。

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 番茄预处理 挑选、清洗成熟新鲜番茄，放入100℃的沸水中浸泡5～10s，取出去皮、剔除番茄果蒂。

1.2.2.2 打浆、热破碎 去皮后的番茄用组织捣碎机打浆，然后迅速搅拌加热到85℃、保温45s，再迅速将浆液冷却至40℃。

1.2.2.3 生物酶解 番茄浆中加入适宜柠檬酸调整pH，然后添加适量的纤维素酶酶解1h左右，搅拌速度500r/m in。

1.2.2.4 灭酶、过滤 经80℃、15min灭酶后，用100目尼龙滤布过滤，得到番茄汁。

1.2.3 出汁率的计算

1.2.4 纤维素酶酶解单因素实验

1.2.4.1 纤维素酶添加量对酶解效果的影响 调整纤维素酶添加量分别为0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%（重量比），在温度50℃、pH 4下恒温酶解60m in，经过滤得番茄汁，测定出汁率。

1.2.4.2 酶解时间对酶解效果的影响 添加0.07%的纤维素酶，在温度50℃、pH4下分别恒温酶解30、45、60、75、90m in，经过滤得番茄汁，测定出汁率。

1.2.4.3 酶解pH对酶解效果的影响 添加0.07%纤维素酶，在温度50℃下恒温酶解60m in，pH分别设定为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0，经过滤得番茄汁，测定出汁率。

1.2.4.4 酶解温度对酶解效果的影响 添加0.07%纤维素酶，在pH 4下恒温酶解60m in，酶解温度分别设定为40、45、50、55、60、65℃，经过滤得番茄汁，测定出汁率。

1.2.5 响应面法实验设计 根据单因素实验结果，以纤维素酶添加量（A）、酶解时间（B）、酶解pH（C）和酶解温度（D）为实验因子设计响应面实验，以番茄出汁率为响应值[10-11]。实验因素水平编码见表1。

表1 响应曲面因素水平及编码Table 1 The factors levels and coded values ofresponse surface analysis

1.3 数据处理

数据处理使Design-Expert 8.05b软件完成。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 纤维素酶添加量对番茄出汁率的影响 由图1可知，番茄出汁率随纤维素酶添加量的增大而增大，当纤维素酶添加0.08%时，出汁率达到最大值87.87%。此时，继续添加纤维素酶出汁率趋于平缓。这是因为纤维素酶可以降解纤维素，破坏细胞壁，使细胞内溶物释放出来，有效提高出汁率；当纤维素酶添加量达到0.08%时，纤维素酶趋于饱和，继续添加纤维素酶对出汁率没有显著影响。根据出汁率情况，选择纤维素酶添加量0.07%～0.09%进行优化。

2.1.2 酶解时间对番茄出汁率影响 由图2可知，随着酶解时间的延长，出汁率先升高后降低。当酶解时间75m in时，出汁率明显增大，达到88.53%；延长时间，出汁率略有降低。这是因为随着酶解时间延长，细胞基本被破坏，细胞中内溶物释放完全，出汁率趋于平缓。根据出汁率情况，选择60～90m in进行优化。

图1 不同纤维素酶添加量对番茄出汁率的影响Fig.1 Effectof cellulase amount on juice yield of tomato

图2 酶解时间对番茄出汁率的影响Fig.2 Effectof time on juice yield of tomato

2.1.3 酶解pH对番茄出汁率的影响 由图3可知，酶解pH增大，出汁率先增大后减小，在pH4.0时出汁率达到最大值86.12%。这是因为酶解pH超过纤维素酶酶解最佳pH时，纤维素酶活性受到抑制，从而出汁率下降。根据出汁率情况，选择pH 3.5～4.5进行优化。

图3 酶解pH对番茄出汁率的影响Fig.3 Effectof pH on juice yield of tomato

2.1.4 酶解温度对番茄出汁率的影响 由图4可知，随着酶解温度的升高，出汁率先上升后下降，在55℃时出汁率达到最大值86.88%。这是因为温度升高时，分子热运动剧烈，反应速度加快，55℃时达到纤维素酶酶解最适温度，此时酶活性最强，出汁率最高；继续升高酶解温度，酶催化活力下降，酶解反应速度降低，出汁率随之下降。根据出汁率情况，选择50～60℃进行优化。

图4 酶解温度对番茄出汁率的影响Fig.4 Effectof temperature on juice yield of tomato

2.2 响应面优化结果与分析

2.2.1 模型的建立及显著性检验 在单因素实验基础上，运用Design-Expert软件，对番茄出汁率显著影响因子进行分析优化。Box-Behnken实验设计与结果见表2。

表2 Box-Behnken实验设计与结果Table 2 Box-behnken design and results

由表2得到番茄出汁率（Y）的回归方程：

Y=91.36+0.61A+0.69B+0.62C-0.45D-0.25AB+ 0.46AC+0.16AD+0.30BC-0.54BD+0.12CD-1.93A2-1.38B2-3.70C2-1.49D2

由表3可知，实验模型极显著（p＜0.0001），R2= 0.9624，且失拟项不显著，说明该回归方程拟合度和可信度高，可以用此模型分析和预测番茄出汁率；同时，A、B、C、D、AC、BD、A2、B2、C2、D2都是显著的模型项，说明纤维素酶添加量与酶解pH、酶解时间与酶解温度的交互作用显著。

表3 回归方程ANOVA分析结果Table 3 ANVOA analysis of regression equation

2.2.2 番茄出汁率响应面分析 由图5可知，当固定纤维素酶添加量时，番茄出汁率先随酶解pH的增大而增大，但酶解pH超过其酶解最佳pH时，纤维素酶活性下降，出汁率随之下降；当固定酶解pH时，出汁率随着纤维素酶添加量的增加而增大，纤维素酶的添加量达到饱和时，出汁率趋于平缓。由图6可知，增加酶解时间可提高酶解效率，87m in时酶解反应基本完成，继续延长酶解时间对酶解效率无显著影响；固定酶解时间，出汁率随温度的升高先增加再下降，这是因为酶解温度超过纤维素酶的最适温度时，纤维素酶催化活性受到抑制，番茄出汁率下降。

图5 纤维素酶添加量和酶解pH交互作用对番茄出汁率的影响Fig.5 The interactive effects of cellulase amountand pH on juice yield of tomato

图6 酶解时间和酶解温度交互作用对番茄出汁率的影响Fig.6 The interactive effects of time and temperature on juice yield of tomato

2.2.3 模型的验证 通过软件的分析，得到番茄的最佳酶解工艺为：纤维素酶添加量0.08%，酶解时间79.28m in，酶解pH 4.05，酶解温度54.05℃，最佳酶解工艺条件下，番茄出汁率的预测值为91.5754%。为方便实验将参数修改为：纤维素酶添加量0.08%，酶解时间79m in，酶解pH 4.0，酶解温度54℃。按上述条件进行验证实验，3次实验的平均出汁率为90.08%，基本与预测值保持一致，模型方程合适有效。

3 结论

番茄经纤维素酶酶解，番茄出汁率显著提高。在单因素实验的基础上，通过响应面实验分析，最终确定酶解番茄的最佳工艺参数为：纤维素酶添加量0.08%，酶解时间79m in，酶解pH 4.0，酶解温度54℃；在此条件下，番茄出汁率为90.08%。通过验证实验证实此模型准确可靠，具有使用价值。

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Optim ization process parameters of tomato juice by response surface methodology

YAN Li1，2，MA Yong-qiang1，LIChun-yang2，*
（1.Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China；2.Institute of Farm Product Processing，Jiangsu Academy of Agriculture Science，Nanjing 210014，China）

This study was designed to op tim ize p rocess parameters of tomato juice.Based on the sing le fac tor experiments，the op timum p rocess parameters cond itions were determ ined by response surface methodology to be 0.08%cellulase added，enzymolysis time 79m in，pH4.0 and 54℃.Under the op timum conditions，the juice yield was 90.08%，which was consistentw ith the p redic ted yield of tomato.Thus，the fitted quad ratic reg ression modelwas valid.

tomato juice；enzymatic hyd rolysis；juice yield；response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306（2014）18-0268-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.18.051

2013－11－25 *通讯联系人

颜丽（1988-），女，硕士研究生，研究方向：营养与功能食品。

2012年江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（12）3083）。