响应面优化鲜切紫薯褐变控制条件

冯卫敏，罗佳丽，蒋和体

（西南大学食品科学学院，重庆 400716）

响应面优化鲜切紫薯褐变控制条件

冯卫敏，罗佳丽，蒋和体*

（西南大学食品科学学院，重庆 400716）

利用响应面法对鲜切紫薯褐变控制条件进行优化。在单因素实验基础上，以超声波强度、L-Cys、CA和AA浓度为自变量，紫薯褐变度为响应值，采用Box-Behnken实验设计和响应面分析法，研究了各自变量交互作用及其对褐变度的影响。模拟得到二次多项回归方程，获得抑制鲜切紫薯褐变最佳条件为：超声波强度130W、L-Cys浓度为0.03%、CA浓度为0.20%、AA浓度为0.06%。在此条件下处理的鲜切紫薯在4℃贮藏15d后的褐变度为6.10±0.09，与预测值相近。

紫薯，鲜切，褐变，控制，优化

紫薯（Solanum tuberdsm），旋花科番薯属[1]。它的野生种起源于美洲热带地区，我国于20世纪90年代从日本引进，目前全国许多地方都有种植[2]。紫薯除了含有普通红薯所含的蛋白质、淀粉、可溶性糖、维生素、氨基酸、膳食纤维以及铁等营养成分外，还含有丰富碘、硒和花青素[3-4]，具有防癌、清除自由基、降血压及防动脉硬化等[5-7]保健功能。鲜切果蔬（freshcut fruits and vegetables）是以新鲜果蔬为原料，经清洗、去皮、切割、修整、包装等加工过程，制成供消费者立即食用或餐饮业使用的一种新型果蔬产品[8]。随着现代生活节奏的加快，以及人们对健康、营养的重视，具有简便、安全、营养、新鲜的鲜切果蔬受到人们的追捧。

然而，紫薯经鲜切加工后，在短期内切割表面易发生褐变，大大降低其商品价值，因此控制褐变对于鲜切紫薯的开发推广具有重要意义。研究证明[9-10]：适当的超声功率和超声时间可以钝化引起酶促褐变的多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）等以减少褐变的发生。王文宗[11]研究发现超声处理联合抗坏血酸、柠檬酸对胡萝卜汁PPO的活性具有协同抑制作用，减少酶促褐变的发生。杨金亮[12]研究发现超声波结合褐变抑制剂处理荔枝汁防褐变效果优于单独使用抑制剂或超声处理，最优的组合为0.1%NaCl、0.3%抗坏血酸、0.5%柠檬酸混合浸泡30min，然后400W超声10min，能有效抑制荔枝在打浆过程中的褐变。但关于超声波与褐变抑制剂结合使用在鲜切紫薯防褐变的研究较少，本实验研究超声波和褐变抑制剂抗坏血酸（AA）、柠檬酸（CA）、L-半胱氨酸（L-Cys）分别单独处理对鲜切紫薯褐变度的影响，采用响应面法优化超声波和抑制剂结合处理鲜切紫薯褐变控制条件，以期获得较优的鲜切紫薯褐变控制工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫薯品种 为日本新紫，2012年10月采自四川省开江县紫薯基地；抗坏血酸（AA）、柠檬酸（CA）、L-半胱氨酸（L-Cys） 均为分析纯，成都科龙化工试剂厂。

UV-2450紫外分光光度计 日本岛津；FA2004A电子天平 上海精天电子仪器厂；KQ5200DE数控超声清洗器 昆山市超声仪器有限公司；Avanti J-30I贝克曼冷冻离心机 美国贝克曼库尔特公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超声波处理对鲜切紫薯褐变度的影响 将紫薯清洗后切成约3mm厚的薄片，放入蒸馏水中，根据相关文献[13-14]以及预实验结果，在60、80、100、120、140W超声处理1min。取出后沥干，装入0.03mm的PE塑料袋包装后，置于4℃贮藏，15d后测定其褐变度，每个处理重复3次，以浸泡蒸馏水为对照。

1.2.2 抑制剂对鲜切紫薯褐变度的影响 将紫薯清洗后切成约3mm厚的薄片，根据相关文献[15-17]以及预实验结果，浸入不同浓度抑制剂溶液（见表1）中5min，料液比1∶3，取出后沥干，装入0.03mm的PE塑料袋包装后，置于4℃贮藏，15d后测定其褐变度，每个处理重复3次，以浸泡蒸馏水为对照。

表1 抑制剂的处理浓度梯度Table 1 Concentration gradient of inhibitors

1.2.3 褐 变 度（BD）测 定[18]取 4g样 品 加 10mL 80%乙醇研磨成匀浆，在室温下避光反应30min，每隔5min搅拌一次。在4℃，8000r/min离心10min，取上清液于420nm测定吸光度，以80%乙醇为空白，重复测定三次。计算公式如下：

BD=A×稀释倍数

其中：BD为褐变度，A为吸光度，本文的稀释倍数为2.5。

1.2.4 鲜切紫薯褐变抑制条件优化[19-20]以超声波强度、AA、CA、L-Cys浓度为四个自变量，根据单因素实验中抑制紫薯褐变效果较优的三种处理来设置每个自变量的处理水平，以褐变度为响应值，根据Box-Behnken设计原理，利用design exert 8.0.6软件设计4因素3水平响应面实验，实验设计和结果见表2。共有29个实验点，其中5个为实验零点，其余为分析因子。

1.2.5 数据处理 每实验每个处理重复三次，结果以平均值±标准差表示，实验数据用SPSS17.0软件进行显著性分析，多重差异显著性分析采用Duncan’s法。

表2 响应面因素水平表Table 2 Independent variables and their coded levels tested in response surface analysis

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 超声波处理对鲜切紫薯褐变度的影响 超声波是频率在20kHz以上的一种弹性机械波[21]，可以改变多酚氧化酶（PPO）活性中心，改变PPO的二维空间结 构 ，使 得 酶 与 底 物 的 亲 和 性 改 变[22]，降 低 酶 活 力 ，减轻紫薯的褐变。如图1所示，超声波处理对鲜切紫薯褐变具有一定的抑制作用，100、120、140W处理鲜切紫薯与未处理紫薯的褐变度存在显著差异（p＜0.05），120W时褐变抑制效果最佳，在120W之前，随着超声波功率的增加，紫薯褐变度下降，超过120W，褐变度略有上升。

图1 超声波处理对鲜切紫薯褐变度的影响Fig.1 Effect of ultrasonic wave treatment on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.2 L-Cys对鲜切紫薯褐变度的影响 L-Cys含-SH的氨基酸，可与酶促褐变底物反应生成的醌类化合物进行加成，使其不再进一步形成黑色素[23]，是一种较为安全的褐变抑制剂，近年来，对于L-Cys在鲜切果蔬中的应用研究较多，如图2所示，L-Cys对鲜切紫薯的褐变具有很好的抑制作用，浓度仅为0.01%时，鲜切紫薯的褐变度6.51与未处理鲜切紫薯存在显著差异，随着浓度的增加，对鲜切紫薯褐变的抑制作用差异不显著。

图2 L-Cys浓度对鲜切紫薯褐变度的影响Fig.2 Effect of L-Cysteine concentration（L-Cys）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.3 AA对鲜切紫薯褐变度的影响 AA具有还原作用，能够将褐变过程中的醌还原，并且能够降低介质中的氧含量[24]，对紫薯多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）具有较好的抑制作用，从而降低紫薯的褐变。从图3中可以看出，AA能显著的降低鲜切紫薯的褐变度（p＜0.05），当AA浓度为0.06%时，鲜切紫薯褐变度为6.51，随后随着浓度的增加，褐变度变化不显著。AA自身不稳定，在空气中容易被氧化，AA常与其他褐变抑制剂复合使用，抑制效果更佳。

图3 AA浓度对鲜切紫薯褐变度的影响Fig.3 Effect of ascorbic acid concentration（AA）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.4 CA对鲜切紫薯褐变度的影响 CA不仅能够降低体系的pH，使其偏离PPO、POD的最适pH，另一方面能够螯合PPO活性成分Cu2+，从而抑制PPO活力[25]，延缓果蔬褐变。如图4所示，CA浓度为0.2%时能显著的降低紫薯褐变（p＜0.05），随着浓度的增加，褐变抑制作用差异不显著，而且CA浓度过高，pH过低，会使紫薯中的花色苷呈现红色，改变紫薯原有的色泽，故CA浓度不易过高。

图4 CA浓度对鲜切紫薯褐变度的影响Fig.4 Effect of citric acid（CA）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.2 鲜切紫薯褐变抑制响应面优化

根据Box-Behnken设计原理，响应面优化实验设计及结果见表3。

利用Design Expert 8.0.5软件对表3数据进行回归拟合，得到超声波强度（A）、L-Cys浓度（B）、AA浓度（C）、CA浓度（D）对响应值褐变度的回归模型为：

Y=6.29-0.15A+0.02B+0.097C-0.057D-0.013AB+ 0.055AC-0.028AD+0.083BC+0.11BD-0.15CD+0.25A2+ 0.039B2+0.059C2+0.054D2，其方差分析结果见表4。

由表4可知，模型p=0.0001＜0.01极显著，失拟项p=0.1443＞0.05不显著，复相关系数R2=0.899，该模型与实验的拟合度良好，因此可以利用此模型来分析和预测鲜切紫薯褐变控制效果。一次项A、C对褐变度的线性效应极显著，D为显著，B不显著。各因素对褐变度的影响次序为：超声波强度（A）＞AA浓度（C）＞CA浓度（D）＞L-Cys浓度（B）；二次项A2对响应面的效应极显著；交互项CD交互作用极显著，BD交互作用显著。

表3 Box-Behnken实验设计及实验结果Table 3 Box-Behnken design matrix and extraction results

对超声波强度、L-Cys浓度、AA浓度及CA浓度4因素，两两交互作用分析，得到交互作用的响应曲面图，见图5与图6（交互作用不显著者已略去）。超声波强度为120W、AA浓度为0.08%时，当CA浓度较小时，褐变度随L-Cys浓度的增加而减少，当CA浓度较大时，褐变度随L-Cys浓度的增加而增加；超声波强度为120W，L-cys浓度为0.02%时，当AA浓度较小时，褐变度随CA浓度的增加而增加，当CA浓度较大时，褐变度随AA浓度的增大而减小。

通过 design expert软件分析，得到鲜切紫薯褐变控制的最佳条件为：超声波功率127.41W、L-Cys浓度为0.03%、CA浓度为0.20%，AA浓度为0.06%。在此条件下，鲜切紫薯理论褐变度为6.04。采用上述优化条件处理鲜切紫薯，考虑实际工作的便利，修正为：超声波功率130W、L-Cys浓度为0.03%、CA浓度为0.20%，AA浓度为0.06%。在此条件下处理的鲜切紫薯在4℃贮藏15d后的褐变度为6.10±0.09，与预测值相近。因此，基于响应曲面法所得的优化得到鲜切紫薯褐变控制参数准确可靠，具有实用价值。

表4 响应面实验方差分析结果Table 4 Result of variance analysis for response surface experiment

图5 CA浓度与L-cys浓度交互作用对鲜切紫薯褐变度影响的响应曲面Fig.5 Response surface of the interaction effects on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

图6 AA浓度与CA浓度交互作用对鲜切紫薯褐变度影响的响应曲面Fig.6 Response surface of the interaction effects on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

3 结论

通过单因素实验和Box-Behnken响应面优化实验，建立了以褐变度为响应值，以超声波强度、L-Cys浓度、AA浓度及CA浓度为因子的回归模型，由该模型得到抑制鲜切紫薯褐变的最佳条件为：超声波强度130W、抗坏血酸0.06%、L-Cys0.03%、柠檬酸0.20%，在此条件下，鲜切紫薯贮藏15d后的褐变度为6.10± 0.09，与预测值6.04接近，说明建立的模型可靠性较高，可用于鲜切紫薯褐变抑制工艺优化。采用超声波结合抑制剂的处理方式来控制鲜切紫薯的褐变，延伸了紫薯的感官品质、食用价值，具有十分广阔的应用前景。

[1]明兴加，李坤培.紫色甘薯的生理活性及开发应用研究进展[J]. 食品研究与开发，2007，28（7）：144-147.

[2] 洪镭 ，刘 亚鸥. 紫 甘薯 研究综 述[J]. 吉 林 农 业 ，2010（6）：140.

[3]TRUONG V，Deighton N，Thompson R T，et al.Characterization of anthocyanins and anthocyanidins in purple-fleshed sweet potatoes by HPLC-DAD/ESI-MS/MS[J].Journal Agriculture Food Chemistry，2010，58（1）：404-410.

[4] 张明，王燕. 紫甘薯中的功能 性成分研究[J]. 实验与研究 ，2010（5）：65-70.

[5]AHMED M，AKTER M S，Jong-bang E.Impact of alphaamylase and maltodextrin on physicochemical functional and antioxidant capacity of spray-dried purple sweet potato flour[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2010，90（3）：494-502.

[6]KANO N，TAKAYANAGI T，HARADA K，et al.Antioxidative activity of anthocyanins from purple sweet potato，Ipomoera batatas cultivar Ayamurasaki[J].Bioscience Biotechnology and Biochemistry，2005，69（5）：979-988.

[7]JAWI M，SUTIRTA-YASA I W P，SUPRAPTA D N，et al. Hypoglycemic and antioxidant activities of balinese purple sweet potato（Ipomoea batatas L） in induced-diabetic rats[J].CIBTech Journal of Pharmaceutical Sciences，2012，1（2-3）：1-6.

[8]RICO D，MARTIN-DIANA A B，BARAT J M，et al.Extending and measuring the quality of fresh-cut fruit and vegetables：a review[J].Trends in Food Science and Technology，2007，18（7）：373-386.

[9] 梁春红，黄慧华. 超声波场致效应对酶的影响[J]. 食品与机械，2007，23（2）：133-136.

[10]王文宗，李琳，林鸿佳，等.超声波对多酚氧化酶酶活力的影响及其机理[J]. 食品科学，2010，31（17）：331-334.

[11]王文宗.超声-低热联合处理对胡萝卜汁的杀菌效果及超声对其主要酶的影响的机理研究[D]. 广州：华南理工大学，2011：43-49.

[12]杨金亮.不同添加剂结合超声波对荔枝汁褐变的抑制作用研究[J].食品工业，2013，34（4）：51-54.

[13] 吕鹏，庄重，凌建亚，等. 超声对 酶的影响[J]. 生 物技术通讯，2004，15（5）：534-536.

[14]TIAN Z，WAN M，WANG S，et al.Effect of ultrasound and additives on the function and structure of trypsin[J].Ultrasonic Sonochemistry，2004，11（6）：399-404.

[15]ROJAS-GRAÜ M A，SOLIVA-FORTUNY R，MARTÍNBELLOSO O.Effect of natural antibrowning agents on color and related enzymes in fresh-cut fuji apples as an alternative to the use of ascorbic acid[J].Journal of Food Science，2008，73（6）：S267-S272.

[16]LARRIGAUDIERE C，UBACH D，SORIA Y，et al.Oxidative behavior of fresh-cut‘ Fuji’ apples treated with stabilising substances[J].Journal of Science Food&Agriculture，2008，88：1770-1776.

[17]JANOVITZ-KLAPP A H，RICHARD F C，GOUPY P M，et al.Inhibition studies on apple polyphenol oxidase[J].Journal Agriculture Food Chemistry，1990，38（4）：926-931.

[18]KRISHNAN J G，PADMAJA G，MOORTHY S N，et al. Effect of pre-soaking treatments on the nutritional profile and browning index of sweet potato and yam flours[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010 ，11（2）：387-393.

[19] 袁志 发，周静 芋. 实验设计与分析[M]. 北京：高等 教 育 出版社，2000：381.

[20] 慕运动.响应面方法及其在食品工业中的应用[J].郑州工程学院学报，2001，22（3）：91-94.

[21]周敏，杨月，方国珊，等.超声波结合涂膜技术对剥壳竹笋保鲜效果的影响[J]. 食品工业科技，2013，34（8）：326-330.

[22]王文宗，李琳，林鸿佳，等.超声波对多酚氧化酶酶活力的影响及其机理[J]. 食品科学，2010，31（17）：331-334.

[23]ANOVITZ-KLAPP A H，RICHARD F C，GOUPY P M，et al.Inhibition studies on apple polyphenol oxidase[J].Journal Agriculture Food Chemistry，1990，38（4）：926-931.

[24]ROJAS-GRAÜ M A，SOLIVA-FORTUNY R，MARTÍNBELLOSO O.Effect of natural antibrowning agents on color and related enzymes in fresh-cut fuji apples as an alternative to the use of ascorbic acid[J].Journal of Food Science，2008，73（S6）：267-272.

[25]IBRAHIM R ， OSMAN A ， SAARI N ， et al.Effect of antibrowning treatments on the storage quality of minimally processed shredded cabbage[J].Journal of Food，Agriculture and Environment，2004，2（2）：54-58.

Optimization of controlling fresh-cut purple sweet potato browning by response surface methodology

FENG Wei-min，LUO Jia-li，JIANG He-ti*
（College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China）

Response surface methodology （RSM） was adopted to optimize for the combination of ultrasonic and inhibitors to control the browning of fresh-cut purple sweet potato.On the basis of single factor experiment，selecting the intensity of ultrasonic ，the concentration of L-Cys ，CA and AA as independent variables ， and purple potato Browning degree as the response value，the interaction of the respective variables and their influence on the browning degree were studied by using Box-Behnken experimental design and response surface analysis theory.The quadratic polynomial regression equation of prediction regression model was established，the results indicated that the optimal condition for Browning inhibition was obtained as follows：ultrasonic intensity was at 130W ，L-Cys concentration was 0.03% ， the CA concentration was 0.20% ， AA concentration was 0.06%.Under these conditions，the browning degree was 6.10±0.09，which was close relation with the predicated value.

purple potato；fresh-cut；browning；control；optimization

TS255.36

B

1002-0306（2014）22-0268-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.050

2014－02－27

冯卫敏（1991-），女，硕士研究生，研究方向：食品工程。

* 通讯作者：蒋和体（1963-），男，博士，教授，研究方向：农产品加工。