血橙果肉渣糖蜜的果胶酶法制备工艺优化

彭雪娇,曾小峰,王 华,*,黄林华,谈安群,郭 莉

(1.西南大学柑桔研究所,中国农业科学院柑桔研究所,重庆 400712;2.重庆市农业科学院农产品贮藏与加工研究所,重庆 401329)

血橙果肉渣糖蜜的果胶酶法制备工艺优化

彭雪娇1,曾小峰2,王 华1,*,黄林华1,谈安群1,郭 莉1

(1.西南大学柑桔研究所,中国农业科学院柑桔研究所,重庆 400712;2.重庆市农业科学院农产品贮藏与加工研究所,重庆 401329)

本文以血橙榨汁后果肉渣为原料,利用果胶酶对水洗后果肉渣液中的果胶、细胞膜碎片等不溶性物质进行水解,以透光率为指标判断酶解效果,对果胶酶用量、酶解pH、酶解时间、酶解温度4个因素进行单因素实验,在此基础上利用L9(34)正交实验优化酶处理条件。果胶酶处理后,分别对酶解前后血橙果肉渣液制备糖蜜的浓缩速率和糖蜜产品的理化指标进行比较分析。结果表明最佳酶处理工艺条件为:果胶酶用量0.076 U/mL、酶解pH4.0、酶解时间1.5 h、酶解温度35 ℃;酶解后,血橙果肉渣液在浓缩末期的浓缩速率显著加快,制得的糖蜜产品中还原糖含量和纯度分别增加7.91%和2.99%,果胶含量和蛋白质含量分别降低81.25%和61.78%。

果胶酶,血橙果肉渣,浓缩速率,糖蜜,理化指标

柑橘是世界产量第一的水果,据统计,世界每年约40%的柑橘用于加工,产生40%～50%的柑橘加工废渣[1-2]。柑橘加工废渣以果皮渣、果肉渣以及种籽为主,含有果胶、纤维素、类黄酮、香精油和色素等诸多成分[3-4]。鲜柑橘果肉渣约含8%～11%的糖分,以葡萄糖、蔗糖和果糖为主[5],经压榨、水洗等工序可收集到其中的糖分,即果肉渣液,再经旋转蒸发[6]、闪蒸[7]、多效蒸发[8]、反渗透-多效蒸发[9-10]等方法浓缩,制得柑橘糖蜜。柑橘糖蜜的主要用途有:作饲料添加剂[11],发酵生产酒精、氨基酸、柠檬酸等物质[12-13],提取柠檬苦素、类黄酮等有效成分[14-15],脱苦、脱酸后作饮料的糖基质、食品甜味剂[16]等。因此,柑橘糖蜜具有重要的研究意义。

目前,国内对柑橘加工废渣中糖分的回收利用研究相对较少,仅沈艳丽[17]、饶志明[18]等有所研究,内容集中于利用柑橘糖蜜制备酒精和饲料,未见对柑橘糖蜜制备工艺进行优化的研究。沈艳丽[17]研究发现柑橘糖蜜发酵生产酒精时,D-柠檬烯含量大于0.04%或果胶含量大于1.0%,酵母生长受到明显抑制。因此,在制备和开发应用柑橘糖蜜时,应当尽可能除去其中的胶体、皮精油等杂质。果胶酶在食品中常用于果汁的澄清[19-20],酶解效果越好,果汁越澄清,透光率越高,故常选取透光率作为澄清效果的评价指标,但鲜有研究将其应用于糖蜜的制备工艺中。基于此,本研究以FMC榨汁机榨汁后经螺旋榨汁机精滤的血橙果肉渣为原料(精油含量低),经水洗、果胶酶处理、离心过滤等工序,以酶用量、酶解pH、酶解时间和酶解温度为因素,果肉渣液的透光率为评价指标,优化果胶酶处理的工艺条件,提高血橙果肉渣液制备糖蜜的速率,并对糖蜜产品的还原糖、蔗糖、纯度等理化指标进行测定分析,旨在为柑橘糖蜜提供一条简单有效、经济可行的制备途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

TU-1901双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;恒温水浴锅 上海双舜实业发展有限公司;电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;FE20实验室用pH计 梅特勒-多利多仪器(上海)有限公司;阿贝折光仪 上海精密科学仪器有限公司;旋转蒸发仪 郑州长城科工贸有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 血橙果肉渣中糖分的收集 血橙果肉渣和水以质量比1∶1混合,搅匀,纱布过滤,收集滤液,重复4次,将收集到的滤液混合,得到可溶性固形物为2.8 °Brix的果肉渣液。

1.2.2 血橙果肉渣糖蜜制备工艺流程 血橙果肉渣液→果胶酶处理→果胶酶灭活(75 ℃,15 min)→离心(4000 r/min,15 min)→经酶处理的果肉渣液→旋转蒸发→血橙果肉渣糖蜜。

1.2.3 透光率最适波长的选择 分别取酶解前后的果肉渣液各1份,装入1 cm比色皿,以蒸馏水作空白,在400～760 nm可见光区进行光谱扫描,选择最佳测定波长。

1.2.4 单因素实验 以果肉渣液的透光率为指标,分别取100 mL果肉渣液于100 mL烧杯中,固定酶解条件为pH4.0、温度30 ℃、时间1.0 h,考察不同酶用量(0、0.038、0.076、0.114、0.152、0.190、0.228 U/mL)对酶解效果的影响;固定酶解条件为酶用量0.076 U/mL、温度30 ℃、时间1.0 h,考察不同酶解pH(2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0)对酶解效果的影响;固定酶解条件为酶用量0.076 U/mL、pH4.0、温度30 ℃,考察不同酶解时间(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h)对酶解效果的影响;固定酶解条件为酶用量0.076 U/mL、pH4.0、时间1.0 h,考察不同温度(20、25、30、35、40、45、50 ℃)对酶解效果的影响。

1.2.5 正交实验设计 在单因素实验的基础上,选取果胶酶用量(A)、酶解pH(B)、酶解时间(C)和酶解温度(D)四个因素,以果肉渣液透光率(Y)为指标,进行四因素三水平的正交实验设计(见表1),优化果胶酶处理工艺。

红菱懒懒散散地站起来，一面说：“你们以为你们比赵玉墨还金贵啊?比臭塘泥还贱的命，自己还当宝贝!”她走到玉墨身边，一手勾住玉墨的腰，对玉墨说，“我巴结你吧?我跟你走。”

表1 正交实验因素水平和编码Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.6 血橙果肉渣液浓缩速率测定 分别取果胶酶处理前后的果肉渣液各500 mL,在50 ℃、182 r/min、-0.1 MPa条件下用旋转蒸发仪进行浓缩,以浓缩时间为横坐标、可溶性固形物含量为纵坐标,绘制血橙果肉渣液浓缩制备糖蜜的速率曲线。浓缩速率计算公式如下:

1.2.7 血橙果肉渣糖蜜理化指标测定 糖锤度、总酸、灰分:按照《SN/T 1540-2005》测定;还原糖、蔗糖(以还原糖计):按照《GB/T 5009.7-2016》测定;果胶:按照《NY/T 2016-2011》测定;可溶性固形物含量:手持阿贝折光仪测定;相对密度:按照《GB/T 5009.2-2016》测定;可溶性蛋白:考马斯亮蓝G-250法测定。参考文献[21],根据还原糖、蔗糖和糖锤度计算糖蜜纯度,具体公式如下:

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007进行数据统计,将平行3次的实验结果以平均值±标准差的形式表示,以Origin 8.6专业函数绘图软件绘制单因素实验结果图,用SPSS Statistics 17.0进行正交实验设计和结果分析。

2 结果与分析

2.1 透光率最适测定波长的确定

在可见光区,分别对酶解前后的血橙果肉渣液进行光谱扫描,得到光谱图如图1所示。结果显示,酶解后血橙果肉渣液的透光率在504 nm处出现波谷,由于吸光度(A)与透光率(T)为负对数关系,即A=-lg T[22],表明此处具有最大吸收峰,故选择此处波长测定透光率。

图1 酶解前后血橙果肉渣液透光率随波长的变化趋势Fig.1 The relationship between wavelength and light transmittance of blood orange pulp-wash liquid with/without pectinase treated

2.2 单因素实验

2.2.1 果胶酶用量对酶解效果的影响 如图2所示,果胶酶用量小于0.038 U/mL时,随着酶用量的增加,透光率增加较快;酶用量大于0.038 U/mL时,透光率增加缓慢;酶用量为0.114 U/mL时,酶解效果最佳,透光率为78.3%;酶用量大于0.114 U/mL时,果胶基本被水解,随着酶用量的继续增大,酶解效果无明显变化。由于血橙果肉渣液经纱布过滤后仍含有部分残余的果肉渣,果胶酶作用时将其中的可溶性固形物浸出,从而酶解后的果肉渣液可溶性固形物含量稍有增加[23],但不显著。实际生产应用中考虑到酶解效果和成本问题,建议果胶酶最小用量为0.076 U/mL。

图2 果胶酶用量对酶解效果的影响Fig.2 Influence of pectinase dosage on light transmittance

2.2.2 酶解pH对酶解效果的影响 如图3所示,酶解pH<4.0时,透光率随pH的增大而增大;pH=4.0时,透光率达到最大值为78.85%;pH>4.0时,随着pH的增加,透光率逐渐降低;pH在3.5～4.5之间时,可溶性固形物含量增加最多。其原因是pH过小和过大均导致果胶酶变性、失活,影响酶解效果。因此,酶解pH宜选在3.5～4.5之间。

图3 酶解pH对酶解效果的影响Fig.3 Influence of pH value of washing fluid on light transmittance

2.2.3 酶解时间对酶解效果的影响 如图4所示,当酶解时间在0～1.0 h时,随着时间的增加,透光率逐渐增大;当酶解时间大于1.0 h时,透光率达到80%以上,且基本保持不变,血橙果肉渣中可溶性固形物基本被浸出,含量无明显增加。说明1.0 h后血橙果肉渣液中果胶基本被水解,长时间的酶处理并不能显著提高酶解效果。考虑到能耗,建议酶解1.0 h左右。

图4 酶解时间对酶解效果的影响Fig.4 Influence of reaction time on light transmittance

2.2.4 酶解温度对酶解效果的影响 如图5所示,酶解温度为20 ℃时,低温抑制果胶酶活性,部分果胶被水解,酶解效果不佳;酶解温度在25～35 ℃时,透光率最大,为80%左右,说明果胶基本被水解,此时酶解效果较好;酶解温度大于40 ℃时,高温开始抑制酶解作用,随着温度的增加,部分果胶酶逐渐失活,酶解作用受到抑制,血橙果肉渣液透光率逐渐降低。酶解过程中,可溶性固形物含量先增加后减少,与果胶酶活性趋势基本保持一致。

图5 酶解温度对酶解效果的影响Fig.5 Influence of reaction temperature on light transmittance

2.3 正交实验

由SPSS Statistics 17.0数据统计软件设计的正交实验方案及结果如表2所示。

实验结果表明,各因素对透光率影响的主次顺序为B>C>A>D,即酶解pH>酶解时间>果胶酶用量>酶解温度;最优水平为A1B2C3D3。经验证,在此条件下,血橙果肉渣液透明澄清,透光率为80.6%。

表2 正交实验结果及分析Table 2 Results and analysis of orthogonal test

2.4 果胶酶处理对血橙果肉渣液浓缩速率的影响

如图6所示,浓缩前期(0～30 min),水分含量较多,两种果肉渣液浓缩速率较慢,且基本相同;浓缩中期(30～40 min),水分含量逐渐减少,两种果肉渣液浓缩速率逐渐增加;浓缩末期(40～55 min),水分含量相对较少,两种果肉渣液浓缩速率显著加快,酶解后的果肉渣液浓缩速度增加更快。

表3 果胶酶对血橙果肉渣糖蜜主要理化指标的影响Table 3 Effect of clarification with pectinase on components of blood orange pulp molasses

注:相同指标,不同大写字母表示差异显著(p<0.05);不同小写字母表示差异极显著(p<0.01)。

图6 酶解前后血橙果肉渣液浓缩速率比较Fig.6 Comparison of concentration speedin blood orange pulp-wash liquid with/without enzyme treated

显著性分析结果可知,浓缩时间为0、30、40 min时,两条曲线无显著性差异;浓缩时间为50、55 min时,两条曲线差异显著。这表明,果胶酶处理对血橙果肉渣液浓缩初期的浓缩速率无显著性影响;但40 min后,因两种果肉渣液浓缩速率增加量的不同,浓缩速度呈显著性差异;50、55 min后,可溶性固形物含量相对较大,水分含量相对较少,在果胶酶处理的果肉渣液中,果胶被水解,对水分的束缚能力减小[24],水分更易蒸发,从而浓缩速率增加更快,两者出现显著性差异。

2.5 果胶酶处理对血橙果肉渣糖蜜理化指标的影响

由表3可知,酶处理后,血橙果肉渣液制得的糖蜜产品中果胶含量和可溶性蛋白含量显著降低81.25%和61.78%。崔伟荣[25]等利用果胶酶澄清哈密瓜汁的研究结果与本研究结果相似,澄清后,果胶含量和蛋白质含量分别降低了97.50%和91.97%。分析其原因是:一方面果胶酶作用使果胶物质被分解,果胶-蛋白质的结合被破坏,蛋白质与酚类物质结合产生浑浊沉淀;另一方面,Wu[26]等研究苹果汁中浑浊活性蛋白的特性时发现,蛋白质-多酚在pH4.0～4.2产生的沉淀比pH3.0多6倍,推测与蛋白质等电点有关,最佳酶解pH4.0正好处于这一pH范围内,从而蛋白质更易与多酚结合凝聚成沉淀被析出。继续分析可知,果胶酶处理使糖蜜产品中的还原糖含量和纯度分别提高7.91%和2.99%,对蔗糖含量则无显著影响。其原因是,果胶底物经初期酶解主要产物是半乳糖醛酸寡聚糖,聚合度为DP2～10,单糖含量较少;但随着酶解时间的增长,聚合度为DP2～10的寡糖被继续降解成聚合度更低的糖,甚至单糖,寡聚糖含量逐渐减少,单糖含量逐渐增加,从而还原糖增多[27]。分析其他理化指标可知,果肉渣液经乙酸-乙酸钠缓冲液调节pH后,总酸含量发生显著性变化;由于乙酸-乙酸钠作为缓冲液调节pH时,带入钠盐,灰分含量稍有增加,但不显著。

3 结论与讨论

通过单因素和正交实验,确定血橙果肉渣液最佳酶处理工艺条件为:酶用量0.076 U/mL、酶解pH4.0、酶解时间1.5 h、酶解温度35 ℃。在实际生产中,血橙果肉渣液的pH为3.7～4.2,在果胶酶适宜pH的区间内,故不必调节pH,也可达到良好的果胶去除效果,同时也能减少灰分物质的带入。与未经酶处理的血橙果肉渣液相比,酶解后血橙果肉渣液在浓缩末期的浓缩速率显著加快,有利于节约一定的浓缩时耗和能耗;制得的糖蜜产品中果胶含量显著降低,还原糖含量和纯度显著增加。综上所述,将果胶酶应用于血橙果肉渣糖蜜的制备工艺中,能有效去除血橙果肉渣液中的果胶物质,提高浓缩末期血橙果肉渣液的浓缩速率和糖蜜产品纯度,具有一定的经济可行性。

由于柑橘品种、产地不同,其果肉渣中糖分含量差异较大,因此在实际应用生产中,需对果胶酶处理的各因素做具体实验。此外,由于果皮渣和果肉渣中果胶含量差异较大,在今后处理以果皮渣为原料的上述实验中,将进一步明确果胶酶处理对柑橘糖蜜制备速率和主要理化指标的影响。

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Preparation technology optimization of molasses from blood orange pulp by pectinase treatment

PENG Xue-jiao1,ZENG Xiao-feng2,WANG Hua1,*,HUANG Lin-hun1,TAN An-qun1,GUO Li1

(1.Citrus Research Institute,Southwest University,Citrus Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Chongqing 400712,China;2.Agricultural Product Storage and Processing Research Institute,Chongqing Academy of Agricultural Sciences,Chongqing 401329,China)

Preparation technology of pectinase treatment to pectin and insoluble substances,such as cell membrane fragments,from blood orange pulp-wash liquid was optimized. The light transmittance,as index,was investigated with respect to pectinase dosage,pH,reaction time and temperature by single factor experiments and L9(34)orthogonal experiments. After the pectinase treatment,the concentration rate of pulp-wash liquid and physical-chemical indexes of molasses products were analyzed and compared. The results showed that optimum conditions of pectinase treatment were amount of pectinase 0.076 U/mL,pH4.0,reaction time 1.5 h and temperature 35 ℃. At the end of concentration,the concentration rate of enzyme treated liquid was significantly accelerated. The reducing sugar content and purity of molasses made by enzyme treated liquid were respectively increased by 7.91% and 2.99%,while the content of pectin and protein were respectively decreased by 81.25% and 61.78%.

pectinase;blood orange pulp;concentration speed;molasses;physical-chemical indexes

2016-08-09

彭雪娇(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：食品化学与营养学，E-mail：xuejiao.peng@foxmail.com。

*通讯作者:王华(1963-)，男，硕士，研究员，研究方向：食品化学与营养学、现代食品加工理论与技术，E-mail：wanghua@cric.cn。

公益性行业(农业)项目(201503142-12)。

TS209

A

:1002-0306(2017)04-0220-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.033