响应面分析法优化脱水西兰花的糖护色处理工艺

丁真真,张 超,赵晓燕,陈计峦,马 越，*

(1.北京市农林科学院蔬菜研究中心,果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室,农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,农业部都市农业(北方)重点实验室,北京 100097; 2.石河子大学 食品学院,新疆石河子 832000)

响应面分析法优化脱水西兰花的糖护色处理工艺

丁真真1,2,张 超1,赵晓燕1,陈计峦2,马 越1，*

(1.北京市农林科学院蔬菜研究中心,果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室,农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,农业部都市农业(北方)重点实验室,北京 100097; 2.石河子大学 食品学院,新疆石河子 832000)

采用响应面分析法优化脱水西兰花的糖护色处理工艺。首先对影响脱水西兰花品质的指标进行分类和排序,进行归一化处理,赋予不同权重,通过算术运算获得脱水西兰花综合评价值Y。以Y为响应值,评价糖类型(乳糖、葡萄糖、海藻糖)、护色时间、护色浓度对脱水西兰花品质的影响,并进一步采用响应面分析方法优化糖护色处理工艺条件。结果显示使用10.1%的葡萄糖、护色处理15.1 min,此时脱水西兰花综合评价值Y值为1.2667,该结果与验证实验的结果相对偏差仅为0.442%,响应面分析建立的模型真实可靠。该工艺条件降低脱水西兰花颜色变化,保留其营养成分,综合品质最佳。

脱水西兰花,糖护色处理,褐变,响应面分析,综合评价指标

西兰花(Brassicaoleraceavaritalic),十字花科芸薹属植物,富含多酚、叶绿素和硫代葡萄糖苷等活性成分,深受消费者喜爱[1]。但在脱水干燥过程中,热、光、氧等因素会引起西兰花中叶绿素降解,产品出现褐变现象。糖护色处理是在脱水干燥前,将糖分子渗入西兰花表皮,在干燥过程中,保持细胞膜的完整性和细胞原始形态,降低叶绿素降解和黑色素产生,保留产品原有营养组分。研究表明糖护色处理会降低蔬菜中叶绿素降解速率和黑色素形成速率[2],其效果优于其它保护剂[3]。其中,葡萄糖护色处理明显减缓鲜切西兰花叶绿素的降解[4];蔗糖护色处理不仅保留西兰花原有颜色,还改善西兰花的营养价值[5];乳糖护色处理对脱水蔬菜的返霜期具有良好保护效果[6]。

目前,脱水蔬菜品质常以叶绿素损失率、褐变度、抗氧化性能等指标评价,比如脱水西兰花粉的品质可以用抗氧化性[7]或色泽与复水比[8]来评价。但是,这些研究忽略了脱水西兰花的品质是由颜色、叶绿素、褐变度、复水性、VC、总酚、抗氧化性,以及能耗等多个方面共同表征。建立一个脱水西兰花的综合评价方法,全面反映脱水西兰花品质势在必行。

本课题组对整朵西兰花进行糖护色处理,考察护色处理工艺对脱水西兰花品质的影响。研究首先对影响脱水西兰花品质的指标进行分类和排序,进行归一化处理,赋予各指标不同权重,获得综合评价值Y的计算方法。以综合评价值Y为响应值,采用单因素实验结合响应面的分析方法,优化糖护色处理工艺参数,以期为脱水西兰花生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西兰花 果香四溢果蔬超市(曙光花园中路店)。选择鲜绿、表面无损伤、花球无黄化的西兰花作为实验材料,于实验室4 ℃下存放24 h；丙酮、石油醚、乙醇、磷酸、草酸、EDTA、钼酸铵、偏磷酸、硫酸、乙酸、碳酸氢钠、碳酸钠、磷酸氢钾、磷酸氢二钾、邻苯三酚(均为分析纯) 北京北化精细化学品责任有限公司;氯化钙(干燥剂) 深圳市精钝化工有限;氧气罐、氮气罐、二氧化碳气罐(标准气体) 北京市华元气体化工有限公司;福林酚试剂 北京华迈科生物技术有限公司;Trolox标准品 东京化成工业株式会社;总酚(货号9252)、考马斯亮蓝(G-250)、没食子酸标品、抗坏血酸标品 Sigma化学有限公司。

磁力搅拌机 铂悦仪器上海有限公司;分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;紫外分光光度仪 岛津-GL消耗品销售公司;快速水分测定仪 上海右一仪器有限公司;Salvis VC50真空干燥箱 Renggli AG公司;恒温水浴锅 上海圣科仪器有限公司;离心机 上海京工实业有限公司;佳能EOS 600D数码单反相机 东莞技研新阳电子有限公司;电表 上海赛纬仪器有限公司;酶标仪 美国伯腾仪器有限公司。

1.2 糖护色处理工艺

将新鲜西兰花放置于4 ℃冷库贮藏24 h,切除西兰花根部,使用自来水清洗西兰花,将花球切分为直径(3±0.5) cm,保留(1±0.3) cm茎作为原料。按照料液比1∶10,将原料放入(80±5)℃含有2% NaHCO3的自来水漂烫5 min,以800 r/min离心2 min;使用一定浓度糖溶液护色一定时间,吸干表面水渍,放入真空干燥箱内,干燥箱压力0.02 MPa,干燥温度为80 ℃,脱水至西兰花水分含量低于7%,评价脱水西兰花的各项品质。

1.3 综合评价指标的建立方法

依据参考王勇[15]数学模糊法,略有改动。首先将叶绿素含量、颜色、复水性、耗能、总酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力、褐变度、干燥时间的结果进行归一化处理,具体将每个指标的最大值作为1,其它数值与最大值比值yi作为该指标的响应值;根据各指标对脱水西兰花品质的影响,将叶绿素含量、颜色、复水性、总酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力为正相关指标,分别标记为yi(i=1～7),将褐变度、干燥时间、能耗为负相关指标,分别标记为yj(j=8～10);再根据指标对品质影响的轻重,赋予不同权重,其中叶绿素的权重为0.2,颜色、复水性、总酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力的权重分别为0.1,褐变度的权重为0.2,耗电量和干燥时间的权重分别为0.15。以正相关指标的加权算术和与负相关指标的加权算术和之商作为样品综合评价指标Y(公式1),那么Y越大,说明脱水西兰花的综合品质越好。

式(1)

式中:yi为正相关指标的归一化值;wi为正相关指标的权重;yj为负相关指标的归一化值;wj为负相关指标的权重。

1.4 单因素实验

以糖类型、护色时间和护色浓度为因素,进行单因素实验。糖类型:海藻糖、葡萄糖、乳糖,此时护色时间为10 min,护色浓度为10%;护色浓度:3%、5%、10%、15%、20%(w/w),此时为葡萄糖护色10 min;护色时间为3、5、10、15、20 min,此时葡萄糖浓度为10%。

1.5 西兰花护色的响应面实验设计

在单因素实验结果的基础上,采用Design-Expert 8.05b的Box-Behnken中心组合设计,以糖类型、护色浓度、护色时间为素,分别以A、B、C表示,以综合评价指标Y为响应值,其因素水平的编码值见表1。

表1 响应面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.6 颜色和褐变度的测定

设置数码单反相机为手动拍照模式,光圈F为5.6,快门时间为1/50 s,感光度为ISO 100,对脱水西兰花拍照。用软件Image-Pro Plus 6.0图像分析软件对西兰花图像进行分析,因西兰花主要呈绿色,用RGB色彩分析模式。软件中添加西兰花照片,选择分析边界,点击RGB色彩模式,选择绿色强度值(G),以其中代表西兰花颜色的局部绿色强度值的平均值,表征脱水西兰花的颜色变化。

采用0.1 mol/L的磷酸缓冲溶液(pH=6.8)[9]。称取粉碎的脱水西兰花0.50 g于烧杯中,加入20 mL磷酸缓冲溶液20 mL,室温磁力搅拌15 min,过滤,在450 nm波长下测定吸光度值,重复三次。

1.7 叶绿素含量的测定

采用丙酮比色法[10]。称取超微粉碎的西兰花0.1000 g,加入80%丙酮溶液10 mL溶解,8000 r/min离心机离心10 min,提取上清液,以80%丙酮为空白,在645 nm和663 nm波长下测吸光度,按公式(2)计算脱水西兰花的叶绿素含量,重复三次。

叶绿素含量(mg/g)=(20.2×A645+8.08×A663)/m×V

式(2)

式中:V为提取液体积,单位为mL;m为样品质量,单位为g。

1.8 复水比的测定

称取脱水西兰花(1.00±0.5) g于100 mL烧杯中,加入30 mL、90 ℃蒸馏水,放置水浴锅内,20 min后取出西兰花,用厨房纸巾吸干西兰花表面水渍,称取重量,计算复水后质量与复水前质量的比值,重复三次。

1.9 营养指标的测定

VC含量的测定:钼蓝比色法[11];

总酚含量的测定:福林酚比色法[12];

可溶性蛋白含量的测定:考马斯亮蓝比色法[13];

ORAC值的测定:参考前人的实验方法[14],结果以每g脱水西兰花相当于Trolox的数量表征。

1.10 能耗的测定

西兰花真空干燥开始点记为电表的起始点,电度为0 kW·h/kg,记录干燥终点时的电度大小和干燥总时长,按公式(3)计算脱水西兰花的耗电量。

式(3)

式中:W为实验前后的电度之差,单位为kW·h;m1是干燥前西兰花质量,单位为g;Q1、Q2分别为西兰花干燥前后水分含量,单位为%。

1.11 数据处理

采用Origin 8.0进行单因素数据的处理与分析,并用邓肯多重比较法进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 综合评价指标的建立依据

目前,研究者多是通过感官、颜色或营养中的某一指标来评价产品品质的变化,也有部分研究者使用综合稳定性指数、主成分分析或模糊数学等方法建立产品的评价值。比如:王勇[15]等采用模糊数学法评价植物适应土壤干旱条件的抗氧化特性。他将影响因素分为正相关的和负相关的两类,归一化处理后将正相关的累加值减去负相关的累加值,以数值大小代表了抗氧化性的强弱;李强等[16]在上述方法的基础上,进一步建立综合稳定性指数,该指数较模糊数学法的优势在于进一步对每个影响因素赋予不同权重,最终的结果累加单因素响应值与权重之积,更加有效地反映了各个因素之间的差别性,罗俊杰[17]等建立的方法基本上与该方法一致;在上述方法的基础上,王育军[18]等运用模糊数学和主成分分析结合的方法建立烟叶质量状况的可用性指数,该方法按照模糊数学和主成分分析方法分别计算出烟叶化学成分指标的隶属度和权重系数,然后按照李强等[16]的方法计算隶属度值与对应权重系数之积的累加值,该方法的优点在于通过主成分分析的方法计算权重系数。但是,上述方法的基石均是正向指标与负向指标之差,未能充分体现负向指标的指向性。

本研究首先根据各评价指标对最终产品品质的影响优劣,将样品的叶绿素、颜色、复水性、总酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力作为正相关指标,将褐变度、干燥时间、能耗作为负相关指标;然后,将各个指标的最大值视为1进行归一化处理,该处理不同于前述的归一化处理,一方面增强了产品之间的比例关系,另一方面避免响应值为0的情况;接着根据指标对最终产品品质的影响大小,赋予叶绿素和褐变度的权重分别为0.2,耗电量和干燥时间的权重分别为0.15,颜色、复水性、总酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力的权重均分别为0.1,类似于前人采用主成分分析的方法计算权重;最后,并将正向指标的加权累加值与负向指标的加权累加值之商作为综合评价指标Y,该方法将正相关和负相关指标分别作为分子和分母,有效提高指标的指向性,尤其是加强负向指标对综合评价指标Y的影响,所以综合评价指标Y可以更客观的评价脱水西兰花品质。

2.2 糖类型对脱水西兰花Y的影响

图1 糖护色处理对脱水西兰花外观品质的影响Fig.1 Effect of sugar on the appearance of dehydrated broccoli

研究认为糖护色处理保留样品颜色主要源于两个理论:“水替代理论”,糖替代水中的羟基,结合磷脂的酰基链,加强干燥后脂质体膜的稳定性[19-22];“玻璃化理论”,样品在脱水过程中,水分流失,改变原始稳定的玻璃态,葡萄糖的玻璃转化温度高于水,因此产品的玻璃化温度提高,细胞膜免受高温的破坏,颜色有效保留[23]。研究发现糖类型对脱水西兰花Y的影响具有显著性差异(图1),其中葡萄糖的效果最好,Y高达1.4968(表2),其绿色保留最好、复水性最高、VC和总酚等抗氧化成分保留率最高,整体品质最优。原因可能是葡萄糖能提供一个非晶体状态,维持叶绿素-蛋白质结构,显著保护磷脂双分子层,增加内囊体膜上叶绿素的稳定性和蛋白质保留,保护细胞膜完整性,减少酸性等营养成分流失,抑制脱镁的发生,同时缩短干燥时间,增加水分扩散速率,减少能耗,与汤月昌等[3]研究结果一致;乳糖的护色效果最差,可能是脱水西兰花表面有乳白色固体,整体绿色变浅,表明叶绿素降解程度加剧,叶绿素经脱镁产生橄榄色的脱镁叶绿素、脱镁叶绿酸,进一步氧化降解成焦脱镁叶绿酸,花茎由于酚类物质在耐高温过氧化物酶作用下的褐变反应,导致花茎褐变严重,感官品质下降[23];相比乳糖,海藻糖的护色效果较优,研究结果与Li等[6]的研究结果一致。

因为每个因素各指标的原始数据较多,后续结果中的原始数据不再一一列出。

表2 糖类型对脱水西兰花品质的影响Table 2 Effect of sugar types on the detailed properties of dehydrated broccoli

2.3 护色浓度对脱水西兰花Y的影响

图2显示Y随着葡萄糖浓度的增加呈现先上升后下降的趋势,当葡萄糖浓度为3%～10%时,Y逐渐增加到最大值,Y为1.2653,说明此时对脱水西兰花的保护效果最好,整体品质达到最优且节能,随着葡萄糖浓度增加,Y呈现下降趋势,葡萄糖浓度的增加对Y无显著性影响(p>0.05)。确定葡萄糖最佳护色浓度为10%,脱水西兰花品质最佳。

图2 浓度对脱水西兰花Y的影响Fig.2 Effect of concentration on Y of dehydrated broccoli注：不同字母表示有显著性差异(p<0.05)，图3同。

2.4 护色时间对脱水西兰花Y的影响

在葡萄糖浓度为10%时,研究护色时间对脱水西兰花Y的影响(图3)。随着护色时间增加,Y出现先升高后降低的趋势,在5 min内对Y无显著性影响(p>0.05),护色时间为15 min时Y达到最大值,可能是时间刚好达到糖接近细胞膜的蛋白质成分,保护细胞膜结构的完整性,减少内容物渗漏,当时间过长,可能是渗透脱水,品质下降,Y降低。因此,最佳的护色时间为15 min。

图3 护色时间对脱水西兰花Y的影响Fig.3 Effect of time on Y of dehydrated broccoli

2.5 响应面优化脱水西兰花的护色工艺

响应面分析的结果见表3,采用响应曲面软件对表3的响应值与各个因素进行回归拟合后,得到响应值Y和各因素之间的二次多元方程:Y=1.2667+0.04971×A+0.04984×B+0.01423×C-0.00983×A×B-0.186×A×C+0.00965×B×C-0.2909A2-1.993B2-0.1155C2

式中:A为糖类型;B为护色浓度,单位为%;C为护色时间，单位为min。

表3 实验设计与结果Table 3 Experimental design and results

表4 响应面回归模型方差分析Table 4 ANOVA for response surface model analysis of variance table

注:**表示极显著水平(p<0.01);*表示显著水平(p<0.05)。

各变量在设计中均经量纲线性编码处理,方程各系数反映各因素对响应值的影响程度,为检验方程的有效性,对回归方程进行方差分析,结果如表4所示。

由图4可知,当C因素固定为15 min时,脱水西兰花的Y随糖类型和护色浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。其3D图呈现抛物线,并且有顶点。响应面优化结果显示最佳护色条件为:糖类型为0.081、护色浓度为10.1%、护色时间为15.1 min,此时Y可达1.2723。根据上述条件进行验证实验,选择葡萄糖浓度为10.1%,护色15.1 min,进行5次平行实验,脱水西兰花的Y为1.2667±0.0214,与理论值相对偏差仅为0.442%,响应面优化的回归模型真实可靠。

图4 护色剂和护色浓度对脱水西兰花Y的影响Fig.4 Effect of sugar and sugar concentration on the Y of dehydrated broccoli

3 结论

研究在糖类型、护色时间、护色浓度对脱水西兰花品质影响的基础上,对影响西兰花的指标进行分类、归一化处理,并赋予不同权重,建立综合评价指标Y,以此为响应值,进一步通过响应面优化护色工艺,响应面的优化的结果与选取的结果一致,显示最佳糖护色工艺为:10.1%的葡萄糖、护色15.1 min,在此条件下测得的西兰花Y为1.2667,与实验验证结果的相对偏差仅为0.442%,响应面优化的回归模型真实可靠。

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Optimization of sugar soaking process for dehydrated broccoli by response surface analysis

DING Zhen-zhen1,2,ZHANG Chao1,ZHAO Xiao-yan1,CHEN Ji-luan2,MA Yue1,*

(1.Beijing Vegetable Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Key Laboratory of Fruits and Vegetable Storage and Processing,Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China),Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture(North),Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China; 2.College of Food Science,Shihezi Univrtsity,Shihezi 832000,China)

The sugar soaking process was applied to enhance the qualities of the dehydrated broccoli. Each property of the dehydrated broccoli was classified into the positive and negative groups. And then each group was normalized and weighted for the calculation of the final general properties Y. The sugar type,soaking concentration and soaking time were used as the factors with the general properties Y as the respond. The single factor and response surface analysis were used to optimize the sugar soaking process. The optimal parameter was the glucose of 10.1% soaking for 15.1 min. The optimal general Y reached 1.2667,which showed the relative deviation of 0.442% with the validation test. The optimal process maintained the color and the nutrition of the dehydrated broccoli.

dehydrated broccoli;sugar soaking process;browning;response surface analysis;general property

2016-10-08

丁真真(1991-)，女，在读硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏工程，E-mail：2234366613@qq.com。

*通讯作者:马越(1971-)，女，硕士，副研究员，研究方向：果蔬深加工，E-mail：mayue@nercv.org。

现代农业产业技术体系专项资金资助(CARS-26)；公益性行业(农业)科研专项(201303079)；果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室(Z141105004414037)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)07-0250-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.041