壳聚糖和果胶酶对荸荠汁澄清效果的比较研究

匡银近，徐诗园，覃彩芹

(1.湖北工程学院 特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北 孝感 432000；2．湖北工程学院 生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室，湖北 孝感432000)



壳聚糖和果胶酶对荸荠汁澄清效果的比较研究

匡银近1,2，徐诗园1，覃彩芹2*

(1.湖北工程学院 特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北 孝感 432000；2．湖北工程学院 生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室，湖北 孝感432000)

应用壳聚糖和果胶酶为澄清剂，从用量、pH值和温度等方面对荸荠汁的澄清效果进行了比较研究，以期开发澄清的荸荠汁饮料。经过单因素实验和正交实验，结果表明：壳聚糖(Mr为7.8×104)作为澄清剂的最佳工艺条件为壳聚糖1.0 g/L、温度45 ℃、pH =4；果胶酶作为澄清剂的最佳工艺条件为果胶酶0.048 g/L、温度45 ℃、pH=4。

荸荠汁；壳聚糖；果胶酶；澄清；透光率

荸荠(Eleocharistuberose)，俗称马蹄、地梨、乌芋等，属莎草科浅水性宿根草本，以地下球茎供食用。荸荠汁多味甜，含有丰富的碳水化合物、蛋白质、维生素以及钙、铁、磷等微量元素，尤其是含有对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及绿脓杆菌有抑制作用的荸荠英，自古有“地下雪梨”的美誉，在我国已经有2000多年的栽培历史。荸荠性喜温湿环境，在我国江浙一带种植较广，湖北孝感的杨店、邹岗等乡镇常年栽培荸荠在万亩以上，总产量超过5000吨。荸荠加工成饮料，既能起到解渴、防暑作用，又有清热解烦、祛痰消积、止崩、降血压的保健作用,是理想的高级饮品原料[1]。目前我国荸荠的栽培面积约为2.7万公顷，已成为重要的水生蔬菜之一,随着农业产业化的发展，荸荠的产量越来越大[2],因此荸荠的加工显得越来越重要,加工荸荠汁是一种解决途径。前人对荸荠汁的提取，果肉饮料及混合饮料的加工工艺都进行过研究[2-3]，其关键技术是澄清工艺，由于荸荠汁中含胶体类物质较多,如澄清不完全，产品就会出现浑浊沉淀[3]。目前生产上主要使用明胶、果胶酶、聚丙烯酰胺等作为果汁澄清剂，其中明胶处理的果汁耐储性差，已较少采用，而聚丙烯酰胺为有机合成产品，人们对其食用安全性缺乏信任。壳聚糖可食用，能与果汁中的蛋白质等阴性电解质聚凝形成絮凝物而沉淀从而达到果汁澄清的目的[3-4]。壳聚糖处理澄清果汁,在草莓、猕猴桃、桑葚等多种果汁中已有应用[5-7]。本实验比较了果胶酶处理和壳聚糖处理对荸荠汁的澄清效果和理化指标的影响，并确定最适澄清工艺条件,为工业化生产透光率高而营养及活性成分损失小的荸荠澄清汁提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜荸荠(孝感本地产，购于孝感城区一宫菜市场)；果胶酶(酶活力单位为4万单位/g，天津酶制剂厂生产)；壳聚糖(Mr为7.8×104，湖北裕峰生物工程有限公司提供)；721分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)；电热恒温水浴锅(北京长安科学仪器厂)；WZS-1手持折光仪(上海光学仪器厂)；PHS225B 型pH 计(上海大普仪器有限公司)；九阳榨汁机(市售)。

1.2 方法

1.2.1 荸荠汁的制备

挑选新鲜较大的荸荠，在清水下冲洗干净，用水果刀去皮，然后用蒸馏水清洗，菜刀切成片状，用榨汁机榨汁，将压榨的原浆用干净纱布过滤，得荸荠原汁。

1.2.2 实验处理

(1)壳聚糖对荸荠汁澄清的单因素实验。将荸荠原汁在自然pH，室温下，分别添加壳聚糖用量为(g/L)：0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。将荸荠原汁在自然pH下，添加1 g/L的壳聚糖，然后分别放在25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃下进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。将荸荠原汁分别添加1 g/L壳聚糖，室温下用HCl或NaOH溶液调节pH为1、2、3、4、5、6进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。

(2)壳聚糖对荸荠汁澄清的正交实验。根据预备实验，选择不同用量的壳聚糖，在不同温度和pH下进行正交实验L9(33)，试验方案见表1。各试验处理静置1.5 h，分别取上清液测定透光率，确定最适工艺条件。

表1 壳聚糖澄清荸荠汁正交实验设计水平因素表

(3)果胶酶对荸荠汁澄清的单因素实验。将荸荠原汁在自然pH，室温下，分别添加果胶酶用量为(g/L)：0、0.008、0.016、0.024、0.032、0.04、0.048、0.056、0.064进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。将荸荠原汁在自然pH下，添加0.04 g/L的果胶酶，分别放在25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃下进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。将荸荠原汁分别添加0.04 g/L果胶酶，室温下，用HCl或NaOH溶液调节pH为1、2、3、4、5、6进行澄清，静置1.5 h后，取各处理的上清液测定透光率。

(4)果胶酶澄清荸荠汁正交实验设计。根据预备实验，选择不同用量的果胶酶，在不同温度和pH下进行正交实验L9(33)，试验方案见表2。各试验处理静置1.5 h，分别取上清液测定透光率，确定最适工艺条件。

表2 果胶酶澄清荸荠汁正交实验设计水平因素表

1.2.3 测定项目

(1)果汁透光率的测定：采用分光光度法[6]，用荸荠汁的透光率来表示其澄清程度。经测定荸荠汁的最大吸收峰在600～665 nm之间，所以本实验选用 660 nm 进行测量。用1 cm比色皿，以蒸馏水调零，在660 nm波长用721分光光度计测定荸荠汁的透光率T(%)，以(T-90)表示果汁的澄清度(%)。T值越大澄清度越高，表明果汁澄清效果越好。每份样品测定3次，取平均值。

(2)果汁主要成分含量测定：可溶性固形物含量采用WZS-1手持折光仪测定；表观酸度采用酸度计测量[7]；还原糖采用婓林试剂比色法测定[8]； Vc用2.6-二氯靛酚滴定法[8]；果胶含量用变性酒精定性检测法[9]；稳定性的测定方法为：分别将处理的荸荠澄清汁加热到75 ℃，立即冷却，于0 ℃冰箱放置4～6 h，无浑浊者为稳定性良好[9]。每份样品测定3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖对荸荠汁澄清的单因素实验结果分析

壳聚糖对荸荠汁澄清的单因素试验结果如图1所示：

图1 不同温度、pH和壳聚糖用量下荸荠汁透光率的折线图

由图1可知：随着壳聚糖用量的增加，荸荠汁的澄清度逐渐升高，达1.0 g/L时澄清效果最佳，但壳聚糖用量继续增加时，澄清度开始下降，这是由于壳聚糖用量小时,胶体物质吸附不完全,澄清效果差；用量过大时,壳聚糖本身形成了一种胶体溶液,影响果汁透光率。壳聚糖对荸荠汁的澄清作用主要由“架桥”作用和热凝作用来达到,随着温度的升高，荸荠汁的澄清效果越好，到45 ℃时澄清度最高，但温度继续增加，澄清度反而下降, 这是由于温度低于40 ℃ 时难以达到“架桥”作用,温度在40～60 ℃ 范围内“架桥”作用充分形成,澄清作用好,而温度高于60 ℃ 时热凝作用占主导地位,对澄清的作用要小于“架桥”作用[10]。壳聚糖中氨基的存在使其带正电荷,它与果汁中果胶等带负电荷物质相互作用,从而破坏胶体结构,产生絮凝沉淀,pH 值的变化影响了壳聚糖分子中游离氨基的量,从而影响壳聚糖对胶体物质的絮凝效果。由图1可知，随着pH值的增加，果汁澄清度先升高后下降，在pH为3时，壳聚糖对荸荠汁的澄清效果最好。

2.2 壳聚糖澄清荸荠汁正交实验结果分析

由壳聚糖用量、温度、pH值所做的三因素三水平(见表1 )正交试验结果见表3。

表3 壳聚糖澄清荸荠汁正交试验结果

由表3通过对正交试验结果进行直观分析可知，对壳聚糖澄清荸荠汁的澄清度而言，影响因素最大的是温度，其次是pH值，而壳聚糖用量的影响相对较小。最优组合为A2B2C1，即采用壳聚糖用量1.0 g/L、温度为45 ℃、pH为4条件下，荸荠汁的澄清效果最好。且RA、RB、RC均大于Re，说明A、B、C三因素的效应均超过了试验误差，其效应是可靠的。

2.3 果胶酶对荸荠汁澄清的单因素实验结果分析

壳聚糖对荸荠汁澄清的单因素试验结果如图2所示。

图2 不同温度、pH和果胶酶用量下荸荠汁透光率的折线图

果汁中的单宁与蛋白质易形成大分子聚合物而凝聚，果胶对残存的细小悬浮颗粒有保护作用，使果汁混浊不清。另外，果汁中的亲水胶体经电荷中和、脱水或加热，都会引起胶体凝沉。果胶酶能有效地降解果胶中的聚半乳糖醛酸和鼠李酸，并转变成糖和其他有用的化合物，使果汁中其他胶体失去果胶的保护作用而被释放在果汁中共聚沉淀，达到果汁澄清目的[11]。如图2所示，添加果胶酶用量越多，果汁澄清度先持续升高，然后基本持平。果胶酶浓度为0.048 g/L时，荸荠汁的澄清效果最好。随着温度的升高，果汁的澄清度先升高后下降，在温度为55 ℃时，荸荠汁的澄清效果最好。随着pH值的升高，澄清度先升高后下降，在 pH值为4时，荸荠汁的澄清效果最好。

2.4 果胶酶澄清荸荠汁正交实验结果分析

由果胶酶用量、温度、pH值所做的三因素三水平(见表2 )正交试验结果见表4。由表4通过对正交试验结果进行直观分析可知，对果胶酶澄清荸荠汁的澄清度而言，影响最大的是温度，其次是pH值，果胶酶用量对荸荠汁的澄清效果来说影响相对较小。最优组合为A3B2C1，即采用果胶酶用量0.048 g/L、温度为45 ℃、pH为4的条件下，荸荠汁的澄清效果最好。且RA、RB、RC均大于Re，说明A、B、C三因素的效应均超过了试验误差，其效应是可靠的。

表4 果胶酶澄清荸荠汁正交试验结果

2.5 荸荠汁澄清前后主要成分含量比较

分别按正交试验最优组合A3B2C1得到的果胶酶澄清汁和按正交试验最优组合A2B2C1得到的壳聚糖澄清汁与原汁的主要营养成分的具体比较见表5。可以看出，用果胶酶与壳聚糖澄清荸荠汁的结果非常相似，澄清汁透光率(T660%)均从原来的45.1%提高到95%以上，除Vc含量略有减少外，可溶性固形物和还原糖的含量基本没有变化，表观酸度pH值也非常接近，而且澄清汁不含果胶物质，较彻底的清除了影响浑浊度的蛋白质，色泽透亮，稳定性良好。由此可见，用壳聚糖和果胶酶作为澄清剂得到的荸荠澄清汁较多地保存了原汁的主要营养成分，工艺条件可靠。

3 小结与讨论

果汁的澄清效果主要受温度、pH值和澄清剂用量等因素影响。澄清处理温度会影响澄清剂的反应性能和果汁粘度，一般果汁的处理温度为45～55 ℃，这是综合考虑澄清剂的最适反应温度和最佳凝集沉淀温度的结果[11]。果汁的pH值对混浊物也有重要影响，不论是对呈正电荷的含蛋白混浊物，还是呈负电荷的含鞣质混浊物，当pH=3.0时，电荷量很高，随pH增加，电荷量减少，净化反应速度也不断下降[12]。澄清剂用量直接影响反应程度，确定最佳澄清剂用量要考虑澄清的最佳效果和避免浪费[13]。

表5 荸荠汁澄清前后的主要技术指标

注:+ 表示果胶阳性；-表示果胶阴性。

本实验用果胶酶和壳聚糖对荸荠汁在温度、pH、澄清剂用量方面的澄清作用做了单因素试验和正交试验。最后经综合分析确定两种澄清剂的最佳条件为：壳聚糖用量为1.0 g/L、温度为45 ℃、pH为4；果胶酶用量为0.048 g/L、温度为45 ℃、pH为4。由于荸荠原汁的pH 值一般在3～4. 5,因此两种澄清剂澄清时不需要调节果汁的pH 值，且荸荠汁在澄清前后含糖量和维生素C的变化较小，澄清汁基本保持了原汁的营养价值、口感和风味。实验结果表明，两种澄清剂的澄清效果相当。果胶酶广泛用于果蔬汁饮料及果酒的榨汁及澄清，对水解果胶具有良好作用，但壳聚糖无毒无害、来源广泛、制备简单、成本低于果胶酶、在澄清过程中条件容易控制，并能十分有效的除去淀粉、可溶性蛋白和果胶[14]，因此，壳聚糖澄清荸荠汁比果胶酶更有前途，若能将此技术推广到生产上，将会带来很大的经济效益[15]。

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(责任编辑：熊文涛)

Chitosan and Pectinase to Clarify the Role of Water Chestnut Juice

Kuang Yinjin1,2，Xu Shiyuan1，Qin Caiqin1，2*

(1.HubeiKeyLaboratoryofQualityControlofCharacteristicFruitsandVegetables，HubeiEngineeringUniversity，Xiaogan，Hubei432000，China;2.HubeiKeyLaboratoryofBiomass-ResourceChemistryandEnvironmentalBiotechnology，HubeiEngineeringUniversity，Xiaogan，Hubei432000，China)

Usually, the sensory quality and flavor of water chestnut juice were influenced by its colloidal particles and cloudy condition. In order to develop the clear water chestnut juice beverage, the water chestnut juice clarification process conditions were mainly examined in this paper. The chitosan and pectinase were used as clarifying agent, the dosage, pH and temperature, etc. For the sake of comparison, the single factor experiment and orthogonal experiment were conducted, and the results showed that chitosan (Mr = 7.8 × 104) could be as the best technological conditions for clarifying agent: chitosan 1.0 g/L, temperature 45 ℃, pH = 4. And pectic enzyme could be as the best technological conditions for clarifying agent: pectinase 0.048 g/L, temperature 45 ℃, pH = 4.

water chestnut juice; chitosan; pectinase; clarify; transmittance

2016-09-10

国家自然科学基金资助项目(31371750)

匡银近(1964- )，男，湖北孝感人，特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室教授。

覃彩芹(1965- )，男，湖北赤壁人，生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室教授，博士，本文通信作者。

TS255.3

A

2095-4824(2016)06-0015-05