响应面试验优化超声渗糖制备野生软枣猕猴桃果脯工艺及其质构分析

2015-12-21孙海涛邵信儒姜瑞平孙艳雪朱俊义

食品科学 2015年20期

孙海涛，邵信儒，姜瑞平，徐晶，孙艳雪，朱炎，朱俊义*

（1.通化师范学院长白山食用植物资源开发工程中心，吉林通化 134000；2.通化师范学院长白山非物质文化遗产传承协同创新中心，吉林通化 134000；3.吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春 130022；4.通化师范学院生命科学学院，吉林通化 134000）

孙海涛1,2,3，邵信儒1,2，姜瑞平1，徐晶1，孙艳雪1，朱炎1，朱俊义4,*

采用超声渗糖制备野生软枣猕猴桃果脯并进行质构分析，探讨超声波对渗糖效果的影响。以含糖量为考察指标，通过响应面法分析优化超声渗糖条件为超声渗糖时间5.1 h、超声功率140 W、渗糖液糖度54 °Brix，此条件渗糖后的果脯湿基含糖量为32.27%，提高了果脯的渗糖速率。全质构分析和穿刺测试结果表明，采用超声渗糖法制备的软枣猕猴桃果脯的硬度值为4 345 g，咀嚼性为52.73 mJ，凝聚性为0.22 mJ，黏性值为58 g，脆性值为435.5 g，其主要质构指标与对比蜜枣果脯接近，感官质量优于真空渗糖软枣猕猴桃果脯。

软枣猕猴桃果脯；超声渗糖；质构分析；渗糖效果

软枣猕猴桃（Actinidia arguta Sieb. et Zucc.），俗名软枣子、圆枣子，属于猕猴桃科（Actinidiaceae），猕猴桃属（Actinidia）多年生落叶藤本植物[1]，是长白山区著名的经济浆果之一。软枣猕猴桃果实营养丰富，含有钙、磷、铁、镁等微量元素及多种氨基酸，还含有优良的膳食纤维及超氧化物歧化酶等抗氧化物质[2-4]。此外，软枣猕猴桃具有抗肿瘤、抗感染、抗辐射等药理活性，具有明显的提高免疫功能作用[5]。

课题组成员已对真空渗糖-热风干燥软枣猕猴桃果脯进行了研究[6-7]，但由于常规真空渗糖时间长，渗糖效果和产品质构特性存在缺陷等，故在此前研究结果的基础上探讨超声波对野生软枣猕猴桃果脯渗糖效果的影响并对成品质构予以分析，充分发挥超声波的空化效应和穿透力强的特点，促进微孔扩散，以提高渗糖效率[8-10]。近年，国内外已有研究表明超声波技术可促进果蔬的渗透脱水。Nowacka等[11]研究发现超声波对猕猴桃脱水有显著影响，且超声波处理使果肉形成微细通道，提高蔗糖溶液渗糖速率；Bellary等[12]研究发现超声波可提高姜黄素在椰肉的渗透扩散速率，且蔗糖和氯化钠的质量分数越高，扩散越快；马空军等[13]研究了超声场强化渗透脱水传质机理模型，证明了超声在固液界面产生的声冲流能够减薄扩散边界层，所产生的冲击波和微射流在瞬间击穿植物细胞膜，加快糖液渗透；李军生等[14]研究发现超声波对果蔬渗糖及组织细胞的影响小，对果蔬组织的结构和细胞外形并不产生破坏作用，因此通过超声波生产果脯，其浆果组织原有的结构和外形保持好。此外，经超声处理浆果原料，可促进干燥，提高加工效率[15-16]。本研究在考察超声波对野生软枣猕猴桃果脯渗糖效果影响的基础上进行质构分析（texture profile analysis，TPA），以期为野生软枣猕猴桃果脯的物性学评价体系构建研究打下基础，为充分开发利用长白山野生软枣猕猴桃资源提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

长白山野生软枣猕猴桃于2014年9月采摘于吉林省通化；真空渗糖软枣猕猴桃果脯实验室自制；蜜枣好想你枣业股份有限公司。

柠檬酸、氯化钙、抗坏血酸、蔗糖（均为食品级添加剂）郑州凌德化工产品有限公司；浓盐酸、氢氧化钠、甲基红、硫酸铜、次甲基蓝、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾、葡萄糖（均为分析纯）天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

CT3-4500型质构仪美国BrookField公司；2WE-T型液晶数显阿贝折射仪上海精密仪器仪表有限公司；AL104电子天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；SL-SM50型超声微波联合萃取仪南京顺流仪器有限公司；KQ-200KDB型高功率数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司；DZF-6020型真空干燥箱上海博讯实业有限公司医疗设备厂；DHG-9245A型电热恒温鼓风干燥箱上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程[7]

野生软枣猕猴桃→预处理→烫漂→护色→冷却→硬化→划缝→超声渗糖→干燥→冷却→包装→成品

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 原料预处理

选择无病斑及虫蛀、色泽嫩绿、肉质坚实、大小均匀的新鲜软枣猕猴桃原料，切端去蒂，洗净待用。

1.3.2.2 烫漂与护色

将软枣猕猴桃置于80～90 ℃热水中，烫漂处理15～30 s，迅速用冷水冷却，沥干后用0.4%柠檬酸和0.2%抗坏血酸的混合溶液浸泡护色处理2 h，待用。

1.3.2.3 硬化

将软枣猕猴桃置于0.1%氯化钙溶液中，硬化处理30 min，洗净，沥干待用。

1.3.2.4 划缝

用手术刀片沿着软枣猕猴桃果梗和根蒂方向划缝，划缝深度为0.5～1 mm，每个缝间隔3～5 mm。

1.3.2.5 超声渗糖

将划好缝的软枣猕猴桃放入糖度40～60 °Brix、温度30～50 ℃的渗糖液中，在超声波功率80～160 W条件下分别超声渗糖1～6 h。

1.3.2.6 干燥

将渗糖后的软枣猕猴桃平铺于网筛上，置于真空度0.090 MPa、温度55℃的干燥箱内，干燥8 h。

1.3.2.7 成品

成品软枣猕猴桃果脯色泽黄绿，形态饱满，表面透明而不黏手、略有轻微褶皱，无蔗糖晶析现象，具有软枣猕猴桃特有的风味，适口性强，含糖量60%～65%，水分含量10%～15%。

1.3.3 含糖量的测定

野生软枣猕猴桃原料及果脯的含糖量测定采用斐林试剂比色法[17]。

1.3.4 单因素试验设计

渗糖后软枣猕猴桃果脯湿基含糖量可反映出超声渗糖效果，因此以含糖量为指标，在其他条件不变的情况下，分别考察超声渗糖温度（30、35、40、45、 50 ℃）、超声渗糖时间（1、2、3、4、5、6 h）、超声功率（80、100、120、140、160 W）、渗糖液糖度（40、45、50、55、60 °Brix）对超声渗糖效果的影响。

1.3.5 超声渗糖工艺的响应面试验设计

综合单因素试验的结果，用Box-Behnken设计超声渗糖时间（X1）、超声功率（X2）、渗糖液糖度（X3）三因素三水平试验，响应面分析优化野生软枣猕猴桃果脯的超声渗糖工艺条件，响应面试验设计见表1。

表1 响应面试验因素水平表Table1 Factors and levels used in response surface design

1.3.6 软枣猕猴桃果脯与蜜枣质构对比分析

1.3.6.1 TPA测试

通过TPA测试可得到样品的硬度、咀嚼性、凝聚性、回复性、弹性、二次咀嚼力等全面质构指标[18-20]。为了保证测试样品的同一性，供试软枣猕猴桃果脯样品和对比蜜枣样品应尽量保持大小、形状均匀一致，含糖量和含水量误差小于2%，同时保证待测样品的完整性[21-22]（图1）。

图1 不同待测样品示意图Fig.1 Different test samples

测试时将软枣猕猴桃果脯和对比蜜枣样品平稳的放置在测试操作板上，为降低操作时产生的误差，每次放置方向、位置及测试部位保持一致，测试完成后得到平均数据及平均曲线进行分析。具体测试参数为：选用TA11/1000 Cylinder测试探头，负载单元4 500 g，采用TPA质构分析测试模式。预测试速率1 mm/s；测试速率0.5 mm/s；触发值5 g；返回速率1 mm/s；压缩形变率60%；回复等待时间5 s；循环次数2 次；数据频率10 point/s。每种样品重复测试6 次，取平均值，绘图分析。

1.3.6.2 穿刺测试

通过穿刺测试可得到样品的穿刺硬度、黏性、脆性等质构指标。样品要求同1.3.6.1节，具体测试参数为：选用TA39 Cylinder测试探头，负载单元4 500 g，采用压缩分析测试模式。预测试速率2 mm/s；测试速率0.5 mm/s；触发值4.5 g；返回速率1 mm/s；穿刺距离5 mm；循环次数1次；数据频率10 point/s。每种样品重复测试6 次，取平均值，绘图分析。

2 结果与分析

2.1 温度对渗糖效果的影响

固定渗糖液糖度45 °Brix、渗糖时间4 h，在超声功率120 W和真空度－0.085 MPa条件下，考察温度对渗糖效果的影响。

图2 温度对渗糖效果的影响Fig.2 Effect of temperatures on sugar permeability

由图2可知，随着渗糖温度的升高，渗糖后软枣猕猴桃的含糖量逐渐升高，当温度达40 ℃以上时含糖量升高趋势减缓。这是由于温度升高，提高了糖液和水的内外渗透速率，同时与真空渗糖相比较，超声渗糖在较低的温度条件下渗糖效果更好，更有利于节约能源和保持果脯品质。综合考虑以上因素，固定超声渗糖温度为40 ℃。

2.2 时间对渗糖效果的影响

固定超声温度40 ℃、渗糖液糖度45 °Brix，分别在超声功率120 W和真空度－0.085 MPa条件下，考察时间对渗糖效果的影响。

图3 时间对渗糖效果的影响Fig.3 The impact of times on the sugar permeability

由图3可知，采用超声渗糖方法，随着渗糖时间的延长，渗糖后软枣猕猴桃的含糖量逐渐升高，这是由于在超声空化作用下，增加了传质接触面，增大了高黏度、高浓度的质量转移系数。当渗糖时间达到4 h以后时，含糖量增加减缓，由于渗糖初期物料糖与渗透液质量浓度差较大，在高渗透压作用下，渗糖速率快。而随着超声渗糖时间的延长，质量浓度差变小，传质动力减弱，同时由于糖分子较大，不容易透过细胞膜，使渗糖速率降低。而采用真空渗糖方法，软枣猕猴桃含糖量持续缓慢上升，含糖量低于同时间段超声渗糖方法，说明超声渗糖效果优于常规真空渗糖。另外，超声处理时间过长会导致软枣猕猴桃组织结构的过度破坏。因此，选取超声渗糖时间4～6 h作为响应面试验的考察范围。

2.3 超声功率对渗糖效果的影响

在超声渗糖温度40 ℃、超声渗糖时间4 h、渗糖液糖度45 °Brix条件下，考察超声功率对渗糖效果的影响。

图4 超声功率对渗糖效果的影响Fig.4 Impact of ultrasonic power on sugar permeability

由图4可知，超声功率对渗糖效果具有显著的影响，在超声渗糖时间、渗糖液糖度不变的条件下，随着超声功率的增大，渗糖后软枣猕猴桃果脯的含糖量逐渐升高，并在超声功率达到140 W时到达最大值，超声功率继续增大时，含糖量下降。这是由于超声波空化作用引起的微观通道促进了糖分的扩散，但超声功率过大，对划缝后的软枣猕猴桃组织细胞产生破坏作用，不利于糖液的保持。同时，在合适的超声功率条件下可使超声波频率与空泡的自然共振频率相同，产生明显的空化过程，达到最有效的能量耦合。因此，选取超声功率100～140 W作为响应面试验的考察范围。

2.4 渗糖液糖度对渗糖效果的影响

固定超声渗糖温度40 ℃、超声渗糖时间4 h，分别在超声功率120 W和真空度－0.085 MPa条件下，考察渗糖液糖度对渗糖效果的影响。

图5 渗糖液糖度对渗糖效果的影响Fig.5 Impact of sugar content of permeation solution on sugar permeability

由图5可知，随着渗糖液糖度的增加，超声渗糖后软枣猕猴桃果脯含糖量逐渐提高，当渗糖液糖度达到55 °Brix以上时，含糖量趋于稳定。这是由于糖液渗透从高质量浓度向低质量浓度的方向扩散，因而质量浓度差愈大，渗透速率也将随之增加。而当渗糖液糖度过高时，渗糖液黏度大，不利于水分和糖液的均匀置换，使扩散速率减缓。同时由于超声场的加入，超声空化引起流体的宏观湍动，削弱固液界面的边界层，减小双向扩散的外部阻力，增大传质速率；微射流和冲击波导致的多微孔介质内的微扰动作用，使微孔内物质扩散得到加强，超声渗糖效果明显优于常规真空渗糖。因此，选取渗糖液糖度50～60 °Brix作为响应面试验的考察范围。

2.5 响应面试验结果

2.5.1 响应面试验结果及模型建立与检验

根据响应面设计的方案进行试验，结果见表2，多元回归分析拟合试验结果，得到以含糖量（Y）为目标函数的二次回归模型：Y=31.1＋1.36X1＋1.260X2－0.55X3－

表2 响应面试验方案与结果Table2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回归模型方差分析表Table3 Analysis of variance for each term of the fi tted regression model

本试验共有17 组，其中有12 组为析因试验，共5 组零点中心试验，用来估计试验误差。由表3的方差分析可知，回归方程模型极显著（P＜0.000 1），方程的失拟项不显著（P＞0.05），且R2=0.991 8，R2Adj=0.981 2，表明该回归模型与实际值拟合性好，可用此模型对超声渗糖软枣猕猴桃果脯含糖量进行分析和预测。回归模型的方差分析也表明，对含糖量影响极显著项是X1、X2、X3、X1X2、X2X3、X12。各因素对软枣猕猴桃果脯含糖量影响的主次顺序依次为超声渗糖时间＞超声功率＞渗糖液糖度。

2.5.2 交互作用分析

图6 各因素交互作用的响应面图Fig.6 Response surface plots showing the effects of various factors on sugar content of preserved fruit

在其他因素条件不变的情况下，分析各因素交互作用对渗糖效果的影响，结果见图6。结合表3和图6A可知，渗糖液糖度固定为55 °Brix时，超声渗糖时间和超声功率交互作用对软枣猕猴桃果脯含糖量的影响达到极显著水平。当超声渗糖时间在4～5 h时，随着超声功率的增大，果脯含糖量不断增加；而超声渗糖时间在5.5～6 h范围内变化时，随着超声功率的增大，果脯含糖量降低。同时说明，二者的交互作用对果脯含糖量的影响中超声渗糖时间相对于超声功率而言居于主要方面。结合表3和图6B可知，渗糖液糖度和超声渗糖时间交互作用对软枣猕猴桃果脯含糖量的影响不显著。超声功率固定在120 W时，在渗糖液糖度不变的情况下，随着超声渗糖时间的延长，含糖量逐渐增大，当超声渗糖时间大于5.5 h时，含糖量变化不明显。同时说明，二者的交互作用对果脯含糖量的影响中超声渗糖时间相对于渗糖液糖度而言居于主要方面。结合表3和图6C可知，超声功率和渗糖液糖度交互作用对软枣猕猴桃果脯含糖量的影响达到极显著水平。超声渗糖时间固定在5 h时，随着超声功率的增大，软枣猕猴桃果脯含糖量逐渐增大，而在超声功率不变时，随着渗糖液糖度的变化果脯含糖量变化不明显。因此，二者的交互作用对果脯含糖量的影响中超声功率相对于渗糖液糖度而言居于主要方面。在试验水平范围内，适当提高超声功率可提高果脯含糖量。

2.5.3 超声渗糖条件的优化

根据Design-Expert 8.0.6 Trial软件分析出软枣猕猴桃果脯最佳超声渗糖条件：超声渗糖时间5.1 h、超声功率140 W、渗糖液糖度53.6 °Brix。在此条件下，渗糖后软枣猕猴桃果脯的含糖量为32.35%。考虑到实际操作的可行性，将超声渗糖条件修正为超声渗糖时间5.1 h、超声功率140 W、渗糖液糖度54 °Brix，进行验证实验，渗糖后软枣猕猴桃果脯的含糖量的平均值为32.27%，与模型理论预测值吻合，说明模型可靠。

2.6 软枣猕猴桃果脯与蜜枣TPA测试结果对比

图7 不同样品的TPA测试结果对比分析Fig.7 TPA test results of different samples

由图7A可知，超声渗糖软枣猕猴桃果脯、真空渗糖软枣猕猴桃果脯和对比样品蜜枣的第1次循环硬度是第1次压缩时的最大峰值，分别为4 345、4 200 g和4 904 g；第2循环硬度分别为3 359.0、3 193.0 g和3 439.5 g；表明超声渗糖软枣猕猴桃果脯与对比蜜枣样品硬度接近，而常规真空渗糖软枣猕猴桃果脯的硬度值最小。由TexturePro CT软件分析得出，第1循环总功分别为91.92、83.41 mJ和124.38 mJ；样品两次压缩测试过程的咀嚼耗能分别为52.73、41.75 mJ和56.74 mJ；超声渗糖软枣猕猴桃果脯的咀嚼性耗能与对比蜜枣样品耗能接近，体现出一定的咀嚼强度和韧性，而常规真空渗糖的软枣猕猴桃果脯耗能最少，其耐咀嚼性较差。硬度形变量和第1断裂形变分别为7.05、6.14 mm和8.64 mm；表明超声渗糖软枣猕猴桃果脯具有更好的韧性、弹性和回复性能。凝聚性分别为0.22、0.21 mJ和0.25 mJ；表明各样品间的凝聚性差别较小。通过上述分析，超声渗糖软枣猕猴桃的各项指标与对比样品蜜枣的各项指标接近、差异小，质构指标与感官性状好，相关性高。

2.7 软枣猕猴桃果脯与对比样品蜜枣穿刺测试结果对比

图8 不同样品的穿刺测试结果Fig.8 Puncture test results of different samples

由图8可知，超声渗糖软枣猕猴桃果脯、真空渗糖软枣猕猴桃果脯和对比样品蜜枣的穿刺硬度分别为544.5、280.5 g和610.5 g；由TexturePro CT软件分析得出，样品形变百分比分别为33.8%、33.4%和34.7%；黏性值分别为58、38 g和78 g，其结果与TPA结果相同，表明超声渗糖工艺加工的软枣猕猴桃果脯与对比样品的各项指标更接近。同时由图8可以看出脆性指标，脆性是样品结构的突然和连续破碎现象的出现，并成为小碎片的程度，表现为出现的第1个峰值的大小，如超声渗糖软枣猕猴桃果脯在负荷435.5 g和447.5 g发生两次断裂，说明超声渗糖软枣猕猴桃果脯具有一定的脆性，在食用过程中表现为易于咀嚼破碎和口感良好。而真空渗糖的软枣猕猴桃果脯则不具备这样的脆性峰值，表现为穿刺硬度较大，咀嚼破碎效果不如超声渗糖产品。

3 结论

本研究通过单因素试验和响应面试验分析优化了野生软枣猕猴桃果脯的超声波辅助渗糖条件为超声渗糖时间5.1 h、超声功率140 W、渗糖液糖度54 °Brix。在此基础上干燥制得的野生软枣猕猴桃果脯含糖量60%～65%，水分含量10%～15%，成品形态饱满，无结晶糖析出，酸甜可口，无不良气味，具有软枣猕猴桃特有的风味，且加工效率高于常规真空渗糖的软枣猕猴桃果脯。

TPA和穿刺实验结果表明，超声渗糖脱水-热风干燥软枣猕猴桃果脯的硬度、咀嚼性、凝聚性、回复性、脆性、黏弹性等各项质构指标与对比蜜枣产品接近，质构指标与感官性状好，相关性高。此研究成果可为长白山野生浆果果脯的生产提供理论依据。

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Optimization of Ultrasound-Assisted Sugar Permeation for Production of Preserved Actinidia arguta by Response Surface Methodology and Texture Analysis

SUN Haitao1,2,3, SHAO Xinru1,2, JIANG Ruiping1, XU Jing1, SUN Yanxue1, ZHU Yan1, ZHU Junyi4,*
(1. Development Engineering Center of Edible Plant Resources of Changbai Mountain, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China; 2. Inheritance and Collaborative Innovation Center of Intangible Cultural Heritage of Changbai Mountain, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China; 3. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China; 4. College of Life Science, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China)

Preserved Actinidia arguta was prepared by ultrasound-assisted sugar permeation and its texture was analyzed. The effect of ultrasound on sugar permeability was studied. Through response surface analysis using sugar content (on a wet weight basis) as the response variable, the optimized conditions for sugar permeation were determined as follows: ultrasound time, 5.1 h; ultrasound power, 140 W; and sugar content of permeation solution, 54 °Brix. Under these conditions, the sugar content of preserved Actinidia arguta was 32.27% before drying, suggesting that the sugar permeability can be improved by ultrasound. The results of texture profi le analysis (TPA) and puncture test showed that the hardness was 4 345 g, chewiness 52.73 mJ, cohesive 0.22 mJ, viscosity 58 g, and brittleness 435.5 g. The texture of preserved Actinidia arguta was similar to that of candied jujube, and the sensory quality was better than that produced by vacuum sugar permeation.

preserved Actinidia arguta; ultrasound-assisted sugar permeation; texture analysis; sugar permeability

TS205.1

1002-6630（2015）20-0049-07

10.7506/spkx1002-6630-201520009

2015-04-02

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（2014402）；

吉林省“2011计划”长白山非物质文化遗产传承协同创新中心项目（[2013]6号）；通化师范学院自然科学科研项目（201274）

孙海涛（1981—），男，讲师，博士研究生，研究方向为食品新资源开发及其功能性。E-mail：shtjlu@126.com

*通信作者：朱俊义（1966—），男，教授，博士，研究方向为长白山植物结构学研究和长白山植物资源开发。

E-mail：swx0527@163.com