响应面法优化柑橘复合生物保鲜剂配方

张　良,刘媛洁,肖勇生,包　珍,许秀娟,黄智军

(1.江西省食品发酵研究所,江西宜春 336000;2.江西医学高等专科学校,江西上饶 334000)



响应面法优化柑橘复合生物保鲜剂配方

张良1,刘媛洁2,肖勇生1,包珍1,许秀娟2,黄智军2

(1.江西省食品发酵研究所,江西宜春 336000;2.江西医学高等专科学校,江西上饶 334000)

以南丰蜜橘为原料,在单因素实验的基础上,采用响应面分析方法对生姜精油、茶多酚、壳聚糖、蔗糖脂肪酸酯(Sucrose Fatty Acid Esters,SE)生物保鲜剂进行复配优化。结果表明:南丰蜜橘的最佳复合生物保鲜剂配方为:茶多酚浓度1.60%、壳聚糖浓度2.25%、蔗糖脂肪酸酯浓度0.65%和生姜精油的浓度0.15%,在此最佳条件下,蜜橘在25 ℃下贮藏90 d后,其腐烂率为5.09%、失重率为3.40%、维生素C含量为510.56 mg/kg。此复合生物保鲜剂具有健康、环保、高效等优点,有望用于柑橘贮藏保存和保鲜的工业化生产中。

南丰蜜橘,响应面分析,生物保鲜剂,茶多酚

柑橘(citrus reticulata)是我国南方重要的水果之一,具有丰富的营养价值[1]。而南丰蜜橘(别称贡橘、蜜橘、南丰橘)是我国柑橘中的优良品种,同时也是江西省的名贵特产。历史上就以果色金黄、皮薄肉嫩、食不存渣、风味浓甜、芳香扑鼻而闻名中外[2]。据《禹贡》记载,早在两千多年以前,南丰蜜橘已被列为贡品,也曾被斯大林同志誉为“橘中之王”[3]。目前,南丰蜜橘种植面积已达5万公顷,总产量65万吨。但蜜橘采摘后,因微生物感染等外在因素导致腐败变质,每年鲜果损失率高达25%～30%[4-5]。因此,柑橘水果采后的保鲜技术至关重要。

目前,柑橘保鲜剂的研究主要是化学保鲜[6-8]和生物保鲜两个方向[9],后者因其具有绿色、环保、无农药残留等优点是现在研究的热点[10]。生物保鲜剂按照保鲜原理不同大致可分为防腐保鲜和涂膜保鲜两类[11]。防腐保鲜主要采用微生物及其产物或动植物提取物,利用其抗氧化或抑菌功能,抑制柑橘表面微生物的生长,达到防腐保鲜目的[12-16]。常用的生物防腐保鲜剂有纳他菌素、乳酸链球菌素,及香料和中草药动植物的提取物[17-20],如茶多酚、大蒜、姜、透骨草、虎杖等。涂膜保鲜主要原理是通过控制柑橘果皮表面透气性和透水性,有效降低果实腐烂率来达到柑橘保鲜的效果,常用的涂膜材料有壳聚糖、蔗糖脂肪酸酯、CMC、蜂蜡、磷蛋白类等[21-23]。已有研究中,对单一生物保鲜剂对柑橘保鲜效果的研究较多,而对于复合生物保鲜剂的研究目前较少。复合生物保鲜剂可让各保鲜剂优势互补,达到更优的保鲜效果。

本研究以新鲜采摘的南丰蜜橘为实验对象,研究生姜精油、茶多酚、壳聚糖、蔗糖脂肪酸酯不同的生物保鲜剂对柑橘保鲜效果的影响,实验在单因素基础上应用响应面法对最佳复合生物保鲜剂配方进行优化,确定最佳的柑橘复合生物保鲜剂配方,为当地南丰蜜橘商业贮藏保鲜中的应用提供借鉴和参考依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

南丰蜜橘产地为江西南丰,挑选色泽金黄成熟果实;生姜精油广州晶晶生物科技有限公司,25%的姜辣素;壳聚糖食品级,脱乙酰度≥90%,武汉佰兴生物科技有限公司;茶多酚食品级,安徽红星药业有限公司;蔗糖脂肪酸酯武汉佰兴生物科技有限公司;去离子水色谱纯,实验室自制;其他试剂均为分析纯。

恒温培养箱上海博讯实业有限公司医疗设备厂;电子分析天平日本岛津公司;恒温水浴锅广州仪科实验室技术有限公司;高速冷冻离心机美国Thermo公司;乳化机温岭林大机械有限公司;可见分光光度计国华电器有限公司;超纯水机上海讯辉环保科技有限公司;恒温鼓风干燥箱上海一恒科技有限公司。

1.2保鲜剂的配制和使用方法

分别称取一定质量的生姜精油、茶多酚、壳聚糖、蔗糖脂肪酸酯,以超纯水为溶液配制成不同浓度的生物保鲜剂。然后将南丰蜜橘分别浸入保鲜剂溶液中浸泡处理3 min后捞出,对照组则浸入超纯水中3 min,均自然晒干后置于25 ℃、相对湿度85%下贮藏,每15 d取样测定相关指标,每次取样10个果实,分3次重复。

1.3测定项目和方法

1.3.1腐烂率的计算以蜜橘果实表皮出现水渍斑为腐烂果[24],腐烂率计算公式如下:

腐烂率Y1(%)=腐烂果数/总果数×100

1.3.2失重率的计算以称重法统计法计算[25]。

失重率Y2(%)=(贮藏前重量-贮藏后重量)/贮藏前重量×100

1.3.3VC含量的测定采用2,4-二硝基苯肼比色法测定[26]。蜜橘保鲜过程VC含量的变化,具体计算方法如下:

Y3(%)=(M0-M1)/M0×100

式中:Y3-VC指标(%);M0-贮藏前蜜橘Vc含量(mg/kg);M1-贮藏后蜜橘VC含量(mg/kg)。

1.3.4蜜橘保鲜剂加权综合指标的确实采用多指标实验设计进行工艺优选时,通常可针对指标间的重要性差异给出不同的权重,综合评分后再进行统计分析[27-28]。本实验中腐烂率(Y1)、失重率(Y2)、VC指标(Y3)都为欲达到最小化指标。根据重要程度,把指标Y1加权系数设定为0.4,指标Y2和Y3的加权系数均定为0.3,则:

加权综合指标Y=1/(0.4×Y1+0.3×Y2+0.3×Y3)

可见,其加权综合指标值越大代表复合保鲜剂对蜜橘的保鲜效果越好。

1.4单因素实验

1.4.1茶多酚对蜜橘保鲜效果的影响精确称取一定量的茶多酚溶解于超纯水中,充分搅拌溶解,分别配制成浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的茶多酚溶液。按照1.2方法对蜜橘进行处理,研究蜜橘在25 ℃、相对湿度85%条件下贮藏90 d内腐烂率、失重率和VC含量的影响。

1.4.2壳聚糖对蜜橘保鲜效果的影响称取一定量的壳聚糖置于1%醋酸溶液中,于磁力搅拌器上搅拌,充分溶解,分别配制成浓度为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的壳聚糖溶液,剩余处理同1.4.1。

1.4.3生姜精油对蜜橘保鲜效果的影响以超纯水为溶液,加入0.4%的吐温-80,在分别称取一定量的生姜精油,于磁力搅拌器上充分搅拌,配制成质量浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的生姜精油溶液,剩余处理同1.4.1。

1.4.4蔗糖脂肪酸酯对蜜橘保鲜效果的影响称取一定量的蔗糖脂肪酸酯置于80 ℃超纯水中,于40 MPa下均质5 min,分别制备浓度为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的蔗糖脂肪酸酯溶液,剩余处理同1.4.1。

1.5响应面实验

结合单因素实验结果,固定生姜精油的浓度为0.15%,蜜橘在25 ℃条件下贮藏90 d时检测其结果。以茶多酚、壳聚糖、蔗糖脂肪酸酯为自变量,保鲜剂的加权综合指标(Y)为响应值,根据Box-Behnken 实验设计原理,运用Design Expert 7.0软件进行三因素三水平的响应面实验设计,确定最佳实验条件。Box-Behnken 实验因素与水平设计见表1。

表1　Box-Behnken实验因素与水平设计

1.6数据处理

实验数据的处理分别采用Microsoft Excel(office 2007)、Design Expert 7.0等软件进行分析及绘制图形。

2　结果与分析

2.1单因素实验结果

2.1.1茶多酚对蜜橘保鲜效果的影响由图1～图3可知,不同浓度的茶多酚保鲜剂处理的蜜橘,随着贮藏时间的增加,其腐烂率、失重率均成上升趋势,VC含量成下降趋势;在同一贮藏时间下,各浓度的茶多酚保鲜剂处理蜜橘后的腐烂率、失重率均低于对照组,VC含量高于对照组。分析原因是茶多酚保鲜剂能有效降低蜜橘保藏中的腐烂率和失重率,延缓蜜橘中VC的流失速度。

由图1～图3可知,在同一贮藏时间下,不同浓度的茶多酚保鲜剂随其浓度的增加，蜜橘腐烂率基本呈先减小后增加的趋势,当茶多酚浓度为1.5%时,蜜橘腐烂率均小于其它浓度的茶多酚保鲜剂;蜜橘失重率呈逐渐下降趋势;蜜橘VC含量成先升高后缓慢下降趋势。综合考虑,腐烂率是影响蜜橘保鲜效果的关键因素,且1.5%、2.0%和2.5%浓度的茶多酚随着贮藏时间的增加,对蜜橘的失重率和VC含量变化的差异不大,所以选择茶多酚浓度范围为1.0%～2.0%。

图1　茶多酚浓度对蜜橘腐烂率的影响Fig.1　Effect of different tea polyphenols concentration on rot index of Nanfeng tangerine

图2　茶多酚浓度对失重率的影响Fig.2　Effect of different tea polyphenols concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

图3　茶多酚浓度对VC含量的影响Fig.3　Effect of different tea polyphenols concentration on the VC of Nanfeng tangerine

2.1.2壳聚糖对蜜橘保鲜效果的影响由图4～图6可知,不同浓度的壳聚糖保鲜剂处理的蜜橘,随着贮藏时间的增加,其腐烂率、失重率均呈上升趋势,VC含量成下降趋势;在同一贮藏时间下,各浓度的壳聚糖保鲜剂处理蜜橘后的腐烂率、失重率均低于对照组,VC含量高于对照组。可见壳聚糖对蜜橘保鲜有显著的效果。

由图4可知,在同一贮藏时间下,不同浓度的壳聚糖保鲜剂随其浓度的增加,蜜橘腐烂率基本呈先减小后增加的趋势,分析原因是壳聚糖会在蜜橘表面形成一层膜,可适当防止水分蒸发和抑菌作用,而当薄膜过厚时会对蜜橘的正常生理代谢起到负面作用,导致其腐烂率升高,当壳聚糖浓度为2.0%时,蜜橘腐烂率均小于其它浓度的茶多酚保鲜剂;由图5和图6可知,同一贮藏时间,不同浓度的壳聚糖保鲜剂随其浓度的增加,蜜橘失重率呈逐渐下降趋势,而蜜橘VC含量呈先升高后缓慢下降趋势。综合考虑,选择壳聚糖浓度范围为1.5%～2.5%。

图4　壳聚糖对腐烂率的影响Fig.4　Effect of different chitosan concentration on rot index of Nanfeng tangerine

图5　壳聚糖对失重率的影响Fig.5　Effect of different chitosan concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

图6　壳聚糖对VC含量的影响Fig.6　Effect of different chitosan concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.1.3生姜精油对蜜橘保鲜效果的影响由图7～图9可知,不同浓度的生姜精油保鲜剂处理的蜜橘,随着贮藏时间的增加,其腐烂率、失重率均呈上升趋势,VC含量呈下降趋势;在同一贮藏时间下,各浓度的生姜精油保鲜剂处理蜜橘后的腐烂率、失重率均低于对照组,VC含量高于对照组。可见生姜精油对蜜橘的保鲜效果有一定的影响,特别是1.5%浓度以上的生姜精油对蜜橘腐烂率、失重率和VC含量指标的影响明显。

由图7可知,在同贮藏75 d以前,不同浓度的生姜精油保鲜剂随其浓度的增加,腐烂率呈逐渐减小的趋势;贮藏期为75 d以后,不同浓度的生姜精油保鲜剂随其浓度的增加,腐烂率呈先减小后逐渐增大的趋势,但0.15%、0.20%、0.25%浓度的生姜精油保鲜剂对蜜橘腐烂率影响差异不大。由图8和图9可知,在同一贮藏时间下,不同浓度的生姜精油保鲜剂随其浓度的增加,蜜橘失重率成逐渐下降趋势,蜜橘VC含量呈缓慢下降的趋势。综合考虑,选择生姜精油的浓度范围为0.15%。

图7　生姜精油对腐烂率的影响Fig.7　Effect of different ginger oil concentration on rot index of Nanfeng tangerine

图8　生姜精油对失重率的影响Fig.8　Effect of different ginger oil concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

图9　生姜精油对VC含量的影响Fig.9　Effect of different ginger oil concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.1.4蔗糖脂肪酸酯对蜜橘保鲜效果的影响由图10～图12可知,不同浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂处理的蜜橘,随着贮藏时间的增加,其腐烂率、失重率均呈上升趋势,VC含量呈下降趋势;在同一贮藏时间下,各浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂处理蜜橘后的腐烂率、失重率均低于对照组,VC含量高于对照组。可见蔗糖脂肪酸酯对蜜橘的防腐率、失重率和VC含量指标均有明显效果。

由图10可知,在同一贮藏时间下,不同浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂随其浓度的增加,蜜橘腐烂率呈先减小后增加的趋势,分析高浓度的蔗糖脂肪酸酯防腐效果不佳的原因是涂膜过厚,导致腐烂率升高。当蔗糖脂肪酸酯浓度为0.6%时,蜜橘腐烂率均小于其它浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂;由图11和图12可知,同一贮藏时间,不同浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂随其浓度的增加,蜜橘失重率呈逐渐下降趋势;大于0.4%浓度的蔗糖脂肪酸酯保鲜剂对蜜橘VC含量的影响较大,但随着其浓度的增大,效果差异不显著。综合考虑,选择壳聚糖浓度范围为0.4%～0.8%。

图10　蔗糖脂肪酸酯对腐烂率的影响Fig.10　Effect of different SE concentration on rot index of Nanfeng tangerine

图11　蔗糖脂肪酸酯对失重率的影响Fig.11　Effect of different SE concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

图12　蔗糖脂肪酸酯对VC含量的影响Fig.12　Effect of different SE concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.2响应面实验结果与分析

按照1.5方法进行实验设计,结果见表2。采用Design Expert 7.0软件,对表2中的实验数据进行处理,得到回归方程方差分析表,结果见表3。用软件进行非线性回归的二次多项式拟合,得到预测模型如下:

Y=26.37+0.50A+0.68B-0.36C-0.60AB+0.69AC+0.79BC-0.74A2-0.62B2-0.78 C2

表2　响应面实验设计及结果

表3　回归模型的方差分析

注:*表示差异显著(p<0.05),**表示差异极显著(p<0.01)。

为直观表现2个因素对蜜橘保鲜剂加权综合指标的影响,可令一个因素为固定值,分析另外两个因素对响应值的影响。由图13可反映出各因素交互作用对响应值的影响,等高线的形状可以反映出交互效应的强弱大小,椭圆形表示2个因素交互作用显著,而圆形则与之相反[14]。可见,茶多酚浓度和壳聚糖浓度、茶多酚浓度和蔗糖脂肪酸酯浓度及壳聚糖浓度和蔗糖脂肪酸酯浓度的交互作用极显著。同时,3个响应面均为凸型曲面,表明蜜橘保鲜剂加权综合指标存在极高值。根据对蜜橘保鲜剂加权综合指标的二次多项方程求解,得到最佳的蜜橘保鲜剂配方为:茶多酚浓度1.57%、壳聚糖浓度2.23%、蔗糖脂肪酸酯浓度0.63%,在此最佳条件下,保鲜剂加权综合指标理论上可达26.56。

图13　交互项对蜜橘保鲜加权综合指数影响的响应面Fig.13　Response surface showing the effect of interaction terms on tangerine preservation weighted composite index

考虑实验可操作性,修正最佳配方条件为:茶多酚浓度 1.60%、壳聚糖浓度2.25%、蔗糖脂肪酸酯浓度0.65%和生姜精油的浓度0.15%。在此条件下,连续进行3组平行验证实验,测得蜜橘在25 ℃贮藏保存90 d后的蜜橘保鲜剂加权综合指标分别为26.52、26.46、26.45,平均值加权综合指标为26.48,与理论预测值的相对误差在0.3%左右,说明模型拟合性良好,验证了模型的有效性,该二元多项回归方程为蜜橘复合生物保鲜剂配方工艺提供了一个合适的模型。

3　结论

本实验在单因素实验的基础上,采用响应面分析法,对蜜橘保鲜的复合生物保鲜剂配方进行了优化,获得的最佳配方为:茶多酚浓度 1.60%、壳聚糖浓度2.25%、蔗糖脂肪酸酯浓度0.65%和生姜精油的浓度0.15%,在此最佳条件下,蜜橘在25 ℃下贮藏90 d的腐烂率、失重率和VC含量分别为:5.09%、3.40%和510.56 mg/kg。该保鲜剂配方可为工业化的蜜橘贮藏保存和保鲜提供参考依据。

[1]邓丽莉,黄艳,周玉翔,等.曾凯芳采前壳寡糖处理对柑橘果实贮藏品质的影响[J].食品科学,2009,30(24):428-432.

[2]曾荣,张阿珊,陈金印.CMC与抑菌草制剂复合涂膜对冷藏南丰蜜桔的保鲜效果[J].农业工程学报,2012,28(12):281-287.

[3]傅火生,王泽义,葛斌,等.南丰蜜桔优良株系———“杨小2-6”的选育[J].中国南方果树,1999,28(6):6-7.

[4]周汉军,龚吉军,王挥,等.果蔬天然保鲜剂研究现状及进展[J].食品工业科技,2014,35(22):376-382.

[5]方治军,徐小彪,辜青青,等.江西不同产地南丰蜜桔果实品质分析[J].中国南方果树,2009,38(3):22-23.

[6]李喜宏,陈丽.实用果蔬保鲜技术[M].北京:科学技术文献出版社,2001:94-96.

[7]包环玉,李振,叶琪明,等.柑橘防腐药剂的选择与使用[J].浙江柑橘,1996(4):43-44.

[8]刘丽丹,吴日章.不同保鲜剂对柑橘采后病害防治效果的研究[J].农产品加工·学刊,2014(9):27-30.

[9]李瑶瑶,李喜宏,刘丹舟,等.壳聚糖水凝胶涂膜对纽荷尔脐橙保鲜效果研究[J].中国果树,2013(5):27-31.

[10]关文强,李淑芬.天然植物提取物在果蔬保鲜中应用研究进展[J].农业工程学报,2006(7):200-204.

[11]熊亚波,闫晓俊,颜静,等.新型柑橘贮藏保鲜剂的研究进展[J].食品科学,2015,36(9):284-288.

[12]ARREBOLA E,SIVAKUMAR D,KORSTEN L.Effect of volatile compounds producedby Bacillus strains on postharvest decay in citrus[J]. Biological Control,2010,53(1):122-128.

[13]HAO Weining,LI Hui,HU Meiying,et al.Integrated control of citrus green and blue mold and sour rot by Bacillus amyloliquefaciens in combination with tea saponin[J]. Postharvest Biology and Technology,2011,59(3):316-323.

[14]曾祥燕,赵良忠.柑橘精油对雪峰蜜桔保鲜效果的影响[J].核农学报,2014,28(12):2208-2214.

[15]杨光.大蒜抑菌性抗氧化性及对柑橘保鲜的研究[D].南昌:南昌大学,2011.

[16]司徒满泉.姜黄素保鲜剂对采后马水桔保鲜效果的研究及应用[D].广州:仲恺农业工程学院,2014.

[17]BURT S.Essential oils:their antibacterial properties and potential applications in foods:a review[J]. International Journal of Food Microbiology,2004,94(3):223-253.

[18]GUTIERREZ J,BARRY-RYAN C,BOURKE P.The antimicrobial efficacy of plant essential oil combinations and interactions with food ingredients[J].International Journal of Food Microbiology,2008,124(1):91-97.

[19]BAKKALI F,AVERBECK S,AVERBECK D,et al. Biological effects of essential oils:a review[J]. Food and Chemical Toxicology,2008,46(2):446-475.

[20]REGNIER T,COMBRINCK S,VELDMAN W,et al.Application of essential oils as multi-target fungicides for the control of Geotrichum citri-aurantii and other postharvest pathogens of citrus[J]. Industrial Crops and Products,2014,61:151-159.

[21]邓丽莉,黄艳,周玉翔,等.壳聚糖处理对柑桔果实贮藏品质的影响[J].食品工业科技,2009,30(7):287-290.

[22]李瑶瑶,李喜宏,刘丹舟,等.壳聚糖水凝胶涂膜对纽荷尔脐橙保鲜效果研究[J].中国果树,2013(5):27-31.

[23]赵博,评佳.糖基聚合物对脐橙保鲜效果的影响[J].食品与机械,2010,26(4):39-41.

[24]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京:高等教育出版社,2000:7.[25]振生,袁唯.果蔬呼吸强度测定方法[J].保鲜与加工,2003,2(15):24-25.

[26]家庆.果蔬保鲜手册[M].北京:中国轻工业出版社,2003:18-27,114-120.

[27]王艳巧,朱文学,刘云宏,等.基于响应面法优化牡丹切花涂膜保鲜剂配方的研究[J].园艺学报，2014,41(12):2521-2530.

[28]邹建国,徐小龙,刘燕燕,等.响应面法优化超声辅助提取马钱子中生物碱的工艺研究[J].食品科学,2009,30(16):111-114.

Optimization of complex biopreservatives to improve quality preservation of citrus reticulata by response surface methodology

ZHANG Liang1,LIU Yuan-jie2,XIAO Yong-sheng1,BAO Zhen1,XU Xiu-juan2,HUANG Zhi-jun2

(1.Food Fermentation Institute of Jiangxi Province,Yichun 336000,China;2.Jiangxi Medical College,Shangrao 334000,China)

Used the Nanfeng tangerines as the raw material,based on single factor experiment results,optimize complex preservatives consisting of the oil of ginger,tea polyphenols,chitosans and Sucrose fatty acid ester using response surface methodology to improve quality preservation of Nanfeng tangerines.The results showed that,the optimal complex preservatives consist was ginger oil 0.15%,tea polyphenols 1.60%,chitosans 2.25% and Sucrose fatty acid ester 0.65%. In the optima conditions,tangerine storage after 90 days under 25 ℃,the rot index of 5.09%,the water loss rate was 3.40%,VCcontent was 510.56 mg/kg. The complex biopreservatives had the advantages of health,environmental protection and high efficiency,and was expected to be used in the industrial production of Citrus storage and preservation.

Nanfeng tangerine;response surface methodology;biopreservative;tea polyphenols

2016-01-04

张良(1982-)，男，硕士，工程师，研究方向：食品与发酵工程，E-mail：bio_email@126.com。

江西省科技计划项目(20133BBF60037)。

TS255.3

A

1002-0306(2016)16-0340-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.060