高压均质黄桃果汁的响应面法优化及稳定性表征

石天琪,王子宇,张 霞,莫 芳,张甫生

(西南大学食品科学学院,重庆 400715)



高压均质黄桃果汁的响应面法优化及稳定性表征

石天琪,王子宇,张 霞,莫 芳,张甫生*

(西南大学食品科学学院,重庆 400715)

为改善黄桃果汁的品质,采用高压均质处理来提高黄桃果肉果汁的稳定性。在单因素实验的基础上,以果汁稳定系数和离心沉淀率为响应值,采用响应面法对高压均质条件进行优化。结果显示:均质压力30 MPa、均质温度32 ℃、均质次数3次时,黄桃果汁稳定系数为0.928,离心沉淀率为10.57%,具有较好的稳定性;且采用粒度仪测定黄桃果汁高压均质前后粒径变化,果汁平均粒径均质前为3.840 μm,均质后为0.722 μm,粒径显著减少,也说明果汁稳定性显著提高;同时显微镜分析表明均质后果汁中细胞碎片明显增多、变小、不粘连,多呈散状。

黄桃,高压均质,稳定性,响应面

黄桃,又名黄肉桃(AmygdaluspersicaL.),隶属于蔷薇科(Rosaceae)桃属(Persica),因其果肉呈金黄色而得名。黄桃汁多味美,且含有大量人体所需的纤维素、胡萝卜素、番茄红素及微量元素等营养成分[1-3],深受消费者青睐。黄桃采收季节一般集中在7月下旬至9月上旬,此期间气温高且湿度大,黄桃不易储藏;除鲜食外,黄桃常加工成罐头、果脯及提取活性成分等,其中尤以黄桃罐头为主。近几年来,随着消费意识升级和购买力的提高,果汁消费逐年增长,几乎以年均14.5%速度快速增长,果汁饮料现已成为生活中必备品之一[4]。黄桃酸甜可口,开发黄桃果汁饮品具有较高的经济价值,但黄桃果汁在加工与贮藏过程中同样极易发生浑浊,严重影响产品品质。如何减少果汁浑浊及提高果汁稳定性,成为食品企业和科研人员亟待解决的问题。

目前改善果汁稳定性的方法,一般为添加合适增稠剂、热处理复合酶解及高压均质等手段。如采用羧甲基纤维素、黄原胶、果胶、卡拉胶等一种或多种复合增稠剂来增强苹果汁[5-6]、沙田柚汁[7]等的浑浊稳定性,以及采用热处理复合酶解来提高香蕉汁[8]、人参果汁[9]、苹果汁[10-11]的出汁率与稳定性,但过多增稠剂与酶蛋白会影响果汁口感与风味。高压均质(high pressure homogenization)是目前较为常用提高果汁稳定性的手段,是一种纯物理的非热加工技术;一般在常温下进行,能最大限度地维持果蔬汁原有的营养,对于低温冷藏果蔬汁尤为适用。如高压均质可使番茄汁[12]、胡萝卜汁[13-14]、橘汁[15-16]及枣汁[17]等果汁的平均粒径降低,稳定性提高;但也有研究显示高压均质可使带肉果汁的粘度下降,稳定性降低,这可能不仅与果肉含量和颗粒状态有关,也与果汁的破坏和重组有关,同时还受到果汁中糖、酸、果胶等因素的影响[18]。

黄桃果汁体系富含未破碎的植物细胞、果胶、纤维素、半纤维素等大分子,体系成分复杂极易絮凝、下沉出现分层现象,严重影响黄桃果汁产品品质及货架期。采用高压均质处理来改善黄桃果汁稳定性是一种有效方法,特别是对于非热杀菌冷链黄桃果汁。但目前尚未见有关高压均质对黄桃果汁处理的相关报道。为此,本实验采用高压均质处理黄桃果汁,使果肉颗粒破碎并均匀分散,减小颗粒直径,降低单颗粒的体积和质量;并以黄桃果汁稳定系数及离心沉淀率为目标值,对高压均质条件进行响应面优化,以期获得安全、绿色的果汁饮品,为黄桃果汁生产与研究提供理论支持和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黄桃 产地为江苏南京中原果园,品种为黄金蜜,采摘时间为9～10月份,个大饱满,肉质脆嫩,无腐烂,无病虫害;果胶酶 10万U/g,宁夏和氏璧生物技术有限公司。

T6新世纪型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;DHR-1流变仪 美国TA公司;ZFL8022型胶体磨 台州卓凡电器制造有限公司;GYB60-6S型高压均质机 上海东华高压均质机厂;MJ-BL25B3型榨汁机、C21-WT2116型电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司;5810R型冷冻离心机 美国艾本德公司;NDJ-5S数字旋转粘度计 上海恒平科学仪器有限公司;HH-6型数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司;马尔文纳米粒度电位仪 英国Malvern公司;光学显微镜 奥林巴斯(中国)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 挑选品质新鲜、无腐烂、色泽良好的九成熟黄桃,切半,去核,去皮;放入质量分数为0.8%,温度为90～95 ℃的氢氧化钠溶液中浸泡30～60 s以腐蚀黄桃表皮;后将黄桃迅速放入喷淋池中在流动水中搓揉去皮、漂洗、冷却,并除去附着的碱液;再将漂洗后的黄桃进行修整,剔除伤烂斑点等不合格果块;最后将切瓣黄桃在沸水中(含0.1%柠檬酸和0.03%抗坏血酸)灭酶处理2 min,取出冷却,用榨汁机破碎,加入一倍量的水、0.4%果胶酶[19],与果汁充分混合,再用胶体磨充分细化1次,均质备用。

1.2.2 稳定系数的测定 稳定系数即离心后的浊度对离心前的浊度的比值。果汁的浑浊稳定性可用果汁经离心力作用后其吸光度值来衡量。稳定系数越大,表明果汁的浑浊稳定性越好。用去离子水调零做参照,分别将黄桃果汁样品(30 mL)置于离心管中,在5000 r/min的转速下,离心15 min,取出静置10 min,用移液枪吸取稀释一倍后的上清液,在420 nm波长处测定吸光度值[20],按下列公式计算得到稳定系数。

稳定系数=离心后上清液吸光度值(Abs)/原果汁吸光度值(Abs)

1.2.3 离心沉淀率的测定 将黄桃果汁样品(30 mL)置于离心管中,在5000 r/min的转速下,离心15 min,取出静置10 min,除去上清液,测量残余物质量,并按下式计算离心沉淀率(WHC)。悬浮沉淀物越多,即沉淀率越高,黄桃果汁越不稳定[21-24]。

沉淀率=沉淀质量(g)/原果汁质量(g)

1.2.4 单因素实验设计 在前期实验的基础上,以黄桃汁的稳定系数和离心沉淀率为考察指标进行评价和分析,分别选取均质压力、均质温度、均质次数对实验影响较大的三个单因素,确定其最佳参数作为响应面分析因素。

1.2.4.1 均质压力对黄桃汁稳定性的影响 在均质温度35 ℃,均质次数为1次的条件下分别考察均质压力为0、10、20、30、40 MPa时对黄桃汁稳定性的影响,按1.2.2和1.2.3方法测稳定系数和沉淀离心率,每组实验重复3次。

1.2.4.2 均质温度对黄桃汁稳定性的影响 在均质压力20 MPa,均质次数为1次的条件下,设置均质温度为0、25、35、45、55 ℃测定黄桃汁的稳定性,按1.2.2和1.2.3方法测稳定系数和沉淀离心率,每组实验重复3次。

1.2.4.3 均质次数对黄桃汁稳定性的影响 在均质压力20 MPa,均质温度为35 ℃的条件下,分别考察均质次数0、1、2、3、4、5次时对黄桃汁稳定性的影响,按1.2.2和1.2.3方法测稳定系数和沉淀离心率,每组实验重复3次。

1.2.5 响应面优化实验 在单因素实验的基础上,以黄桃果汁稳定系数和离心沉淀率为响应值,设计三因素三水平的响应面优化实验,各工艺参数如表1所示。

表1 响应面实验水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.2.6 粒径分布的测定 用纳米粒径分析仪器测定黄桃果汁粒径分布情况。开机后设定测定条件:折射率为1.590,温度为25 ℃,粘度为0.8872 cP,介电常数为78.5,粒径范围为0.3 nm～10 μm。在室温下吸取优化后(均质压力30 MPa,均质温度32 ℃,均质3次)的1 mL黄桃果汁稀释500倍后置于样品池中,采用动态光散射法[25-26]测定高压均质前后黄桃果汁粒径大小。

1.2.7 微观结构观察 用光学显微镜观察黄桃果汁微观结构的方法,以获得果汁直观清楚的结构图像,实现对黄桃果汁微观结构简便快捷的观察与分析。调节校准显微镜物镜,将均质前和优化后的(均质压力30 MPa,均质温度32 ℃,均质3次)黄桃果汁样品稀释一倍后,在玻片中涂膜,晾干后,放置在显微镜载物台上,进行10×显微镜观察,比较均质前后果汁颗粒大小与形态结构变化。

1.2.8 数据统计与分析 利用Origin 8.6与Design-Expert处理分析实验数据,实验均做3次平行,取平均值,结果以平均值±标准差形式表示。

2 结果与讨论

2.1 高压均质对黄桃果汁稳定系数以及离心沉淀率的影响

2.1.1 均质压力对黄桃汁稳定系数和离心沉淀率的影响 不同均质压力下的稳定系数和离心沉淀率如图1所示。

图1 均质压力对黄桃果汁稳定系数和离心沉淀率的影响Fig.1 Effects of homogenization pressure on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由图1可知,果汁稳定系数随着均质压力的增加先增加后减小,离心沉淀率则随着均质压力的增加先减小后增大。0～20 MPa时,由于均质压力增加,会使果汁受到剪切和撞击的作用,果肉颗粒变得越来越小,提高了果汁的悬浮稳定性;但20 MPa后果汁悬浮稳定性却呈现出下降的趋势,可能是因为均质压力不断增加,果汁中悬浮颗粒半径变小,表面积增大,布朗运动的速度加快,颗粒碰撞次数增多,从而使颗粒容易聚合,导致果汁粘度降低,果汁的悬浮稳定性降低[27-28]。这与徐伟[4]等人研究均质对毛酸浆果汁稳定性影响的结果一致。因此,根据上述分析结果及从稳定系数高、离心沉淀率较低角度考虑,实验中均质压力选择10～30 MPa为宜。

2.1.2 均质温度对黄桃汁稳定系数和离心沉淀率的影响 不同均质温度下的稳定系数和离心沉淀率如图2所示。

图2 均质温度对黄桃果汁稳定系数和离心沉淀率的影响Fig.2 Effects of homogenization temperature on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由图2可知,果汁稳定系数随着均质温度的升高先增加后减小,离心沉淀率随着均质温度的升高先减小后增大。0～35 ℃的温度下,由于均质温度升高,使黄桃中的果胶释放出来,果胶物质对果汁中残存的果肉等细小悬浮物起保护作用,还可以和蛋白质、酚类物质、细胞壁碎块等形成悬浮胶粒[29],果汁粘度增加,提高了果汁的悬浮稳定性。但是,均质温度超过35 ℃,稳定性下降,这可能是由于悬浮胶粒引起电荷中和,导致胶体凝集,而导致果汁粘度降低,使果汁浑浊[10,30]。这与吴治海[31]研究的胡萝卜、杏混合汁的悬浮稳定性结果相似。综合果汁稳定系数高,离心沉淀率低的角度考虑,将高压均质温度设定为25～45 ℃可满足果汁加工要求。

2.1.3 均质次数对黄桃汁稳定系数和离心沉淀率的影响 不同均质次数下的稳定系数和离心沉淀率如图3所示。

图3 均质次数对黄桃果汁稳定系数和离心沉淀率的影响Fig.3 Effect of homogenization times on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由图3可知,果汁稳定系数随着均质次数的增加先增加后减小,离心沉淀率随着均质次数的增加先减小后增大。一定均质次数下,由于均质压力作用,会使果汁受到剪切和撞击的作用,果肉颗粒变得越来越小,粘度增加从而提高了果汁的悬浮稳定性。但是,均质次数超过3次时,均质次数的增加使果汁颗粒间摩擦力和剪切力作用增大,导致整体温度升高,黄桃颗粒粒径变小,表面积增大,颗粒之间的相互作用增强,从而使颗粒容易聚集,黄桃汁出现相分离[23],果汁体系变得不稳定,果汁粘度降低,故果汁的稳定系数下降,离心沉淀率升高。实验结果与史垠垠[32]对白果饮料稳定性研究的结果一致。根据果汁颗粒大小和果汁加工工艺要求,选择均质1～3次为之后的实验内容较为恰当。

表3 黄桃汁稳定性回归模型各项方差分析Table 3 Variance analysis of stability regression model of yellow peach juice

注:*显著,p<0.05;**极显著,p<0.01。2.2 响应面实验优化

2.2.1 响应面实验结果 根据Box-Behnken中心设计原理,在单因素实验基础上,以高压均质压力(A)、高压均质次数(B)、高压均质温度(C)三因素作为响应因素,黄桃果汁的离心沉淀率以及稳定系数作为响应值进行实验,实验结果如表2。

表2 响应面实验的稳定系数及离心沉淀率的方案及结果Table 2 The scheme and results of stability coefficient and centrifugal precipitation rate response surface test

2.2.2 回归模型建立及方差分析 利用Design-Expert软件对表2数据进行逐步回归拟合,所得回归方程如下:

稳定系数的回归方程:Y=0.77+0.11A-0.042B+0.014C-0.033AB+0.084AC-0.058BC-0.081A2-0.1B2-0.20C2

由表3可知,稳定系数回归方程模型的p<0.0001(极显著),缺失项不显著,R2=0.9962表明回归方程充分拟合实验数据。A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2的p值均小于0.05,说明均质压力、均质温度、均质次数以及其交互项和二次项均对稳定系数有显著影响;各因素的效应关系为均质压力>均质温度>均质次数。

离心沉淀率的回归方程:Y(%)=17.51-1.5A-1.00B-2.44C-2.06AB-1.52A×C+1.83B×C-1.14A2-0.16B2-1.21C2

由表3可知,离心沉淀率模型的p<0.0001(极显著),缺失项不显著,R2=0.9948表明回归方程充分拟合实验数据。A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2,均小于0.05,说明均质压力、均质温度、均质次数以及其交互项和二次项对离心沉淀率都有显著影响,B2对结果影响不显著;各因素的效应关系为均质次数>均质温度>均质压力。

2.2.3 响应面分析 由表3、表4和回归方程可知,均质压力、均质温度、均质次数均为影响黄桃果汁稳定性的主要因素;各因素间交互项影响如图4、图5所示,图4中，均质压力与均质次数、均质温度与均质压力、均质温度与均质次数的等高线都很密集，两两交互作用显著；图5中，三个响应面图坡面均陡，且有极值，表明所有组交互作用均显著，与方差分析表结果一致。

图4 各因素交互作用对黄桃汁稳定系数的影响Fig.4 Effect of the interaction of various factors on the stability coefficient of peach juice

图5 各因素交互作用对黄桃果汁离心沉淀率的影响Fig.5 Effect of interaction factors on the centrifugal granulation of yellow peach juice

2.2.4 高压均质黄桃汁工艺的优化与验证 根据优化回归方程计算分析,最优条件为高压均质压力30 MPa,均质温度32.31 ℃,均质次数2.93次，该条件所制备的黄桃汁稳定系数为0.932,离心沉淀率为10.48%。将最佳条件调整为均质压力30 MPa,均质温度32 ℃,均质次数3次,此条件下进行验证实验,得到的黄桃果汁稳定系数为0.928,离心沉淀率为10.57%,与理论值0.932和10.48%相近,可见回归模型能很好地预测黄桃果汁的稳定性,优化结果可靠。

2.3 黄桃果汁粒径分布的表征

微粒的粒径与果汁的稳定性并非呈简单的正比关系,而是在某一粒径时稳定性最好,也就是说,在工艺上采用某一特定均质条件时,对饮料的稳定性效果最好,这可能是因为均质压力低,蛋白质粒子过大,在溶液中易沉淀而不稳定;当均质压力过高时,蛋白质粒子过小,吸附作用增强而凝聚,也不稳定。其次,介质粒子越大,沉降速度也就越大;粒子越小,沉降速度也就越小。介质粒度过大而导致沉降速度变快也是破坏果汁稳定性的重要因素。均质前后黄桃果汁的粒径分布情况如图 6所示。由图6可知,均质前后黄桃果汁粒径分布平均粒径分别为3.840 μm和0.722 μm,均质后颗粒平均粒径小于1 μm;结果与Augusto[33]等报道的高压均质能够将番茄汁中完整细胞和细胞碎片破坏成更小的悬浮颗粒一致。

图6 均质前后黄桃汁的粒径分布Fig.6 Particle size distribution of Peach juice before and after homogenization注:A：均质前,B：均质后，图7同。

2.4 颗粒形态观察结果

高压均质对黄桃果汁显微结构的影响情况,如图7所示。从图7中可知,均质前黄桃颗粒为片状物、纤维、蛋白等大分子物质,均质后颗粒碎片明显变小变碎。这是因为均质有一个破碎的效应,对果肉颗粒破碎的效应,从而使颗粒变小。由于强大的压力,可以促使一些小颗粒团聚,团聚以后,小颗粒之间的范德华力保证了这些颗粒在降压后不被分开。均质处理的果肉饮料中,在果肉颗粒微粒化的过程中可以及时地使其与周围分散介质中的某些物质接触结合,或者使其中添加的稳定剂充分均匀的分散到整个物系中,从而形成更为稳定的饮料体系。这与前面粒径分析的结果一致,均说明高压均质后的黄桃果汁具有更好的稳定性。

图7 黄桃果汁颗粒显微镜结构图(10×)Fig.7 Structure of optical microscope(10×)

3 结论

均质是一种纯物理的加工手段,能较好地破碎果肉果汁的颗粒,使细胞细化变小,提高果汁的稳定性,还能最大程度地保留果汁营养,对于非热加工冷藏黄桃果汁,尤为适用。实验通过对均质压力、温度、次数进行优化,得出当均质压力30 MPa,均质温度32 ℃,均质3次时,制得的黄桃果汁稳定系数为0.928,离心沉淀率为10.57%,与理论值相近,优化结果可靠。此外,从显微结构图与粒度分析可以看出,果汁果粒变小了,果汁平均粒径从均质前3.840 μm降至均质后0.722 μm,均质后细胞碎片明显增多、变小,也证明黄桃果汁稳定性得到提高。总之,采用响应面优化均质工艺,便于黄桃果汁加工过程中参数控制;同时均质作为一项果蔬汁加工技术,在提高果汁特别是热敏性果汁稳定性方面具有广泛的应用前景,且能减少化学稳定剂的使用,最大限度保证果汁(特别是热敏性果汁)天然风味和营养价值。

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Response surface method optimization and stability characterization ofhigh-pressure homogeneous yellow peach juice

SHI Tian-qi,WANG Zi-yu,ZHANG Xia,MO Fang,ZHANG Fu-sheng*

(College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China)

In order to improve the stability of peach juice,high pressure homogenization was applied to process yellow peach juice. Based on single factor experiment,response surface method was used to optimize the homogenization conditions by using juice stability coefficient and centrifugal precipitation rate as the response value. The results showed that when the homogenization pressure was 30 MPa,the temperature was 32 ℃ and the number of homogenization was 3 times,the stability coefficient and centrifugal sedimentation rate of peach juice was 0.928 and 10.57%,respectively,which indicated good stability. Moreover,the particle sizes of peach juice before and after high-pressure homogenization were determined by particle size analyzer,the average particle size was 3.840 μm before homogenization and 0.722 μm after homogenization,indicating that the stability of fruit juice was significantly improved due to the reduced particle size. In addition,microscopic analysis also showed that the cell debris in the homogenized juice increased obviously,and became smaller,non-adhesive and scattered.

yellow peach;high-pressure homogenization;stability;response surface methodology

2016-12-27

石天琪(1996-)，女，本科生，研究方向：果蔬加工，E-mail:472429011@qq.com。

*通讯作者:张甫生(1983-)，博士，副教授，研究方向：果蔬非热加工与碳水化合物，E-mail:zfsswu@163.com。

国家自然科学项目基金(31301599)；中国博士后科学基金(2014M551502)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)13-0019-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.004