响应面法优化坛紫菜中镉的脱除工艺及其营养品质变化

周 青,林 洪,付晓婷,*,米娜莎,周 瑛,刘晓勇(.中国海洋大学,食品科学与工程学院,食品安全实验室,山东青岛 6600; .盐城海瑞食品有限公司,江苏大丰 400; .山东海之宝海洋科技有限公司,山东荣成 6400)



响应面法优化坛紫菜中镉的脱除工艺及其营养品质变化

周 青1,林 洪1,付晓婷1,*,米娜莎1,周 瑛2,刘晓勇3
(1.中国海洋大学,食品科学与工程学院,食品安全实验室,山东青岛 266003; 2.盐城海瑞食品有限公司,江苏大丰 224100; 3.山东海之宝海洋科技有限公司,山东荣成 264300)

探究超声辅助柠檬酸对坛紫菜中镉脱除的最佳工艺条件,并评价其对坛紫菜营养品质的影响。通过单因素实验研究柠檬酸浓度、超声功率和超声时间对坛紫菜中镉脱除率的影响,进而以镉脱除率和坛紫菜色差为响应指标,利用Box-Behnken实验对以上因素进行响应面优化,并分析脱除前后坛紫菜的营养品质变化。结果表明,坛紫菜中镉的最佳脱除工艺为柠檬酸浓度0.06 mol/L、超声功率220 W和超声时间20 min,此时,镉的脱除率为98.5%,藻体脱除前后的色差为3.149。应用该工艺条件处理,坛紫菜的基本营养成分未受到显著影响,蛋白质和脂肪酸仍保持较好的营养质量。该脱除工艺操作简单,镉脱除效果好,且不影响坛紫菜的营养品质,为工业生产中解决坛紫菜的镉脱除问题提供思路。

坛紫菜,镉,脱除,响应面,营养

坛紫菜(Pyropiahaitanensis)属于红藻门、红毛菜科、紫菜属,是一种高蛋白、低脂肪的营养食品,同时具有清热利尿、降脂降压、抗氧化等多种保健功效[1]。我国是世界紫菜生产大国之一,而坛紫菜是我国特有的紫菜品种,其年产量占紫菜总产量的85%以上[2]。目前,坛紫菜主要以国内销售为主,市售的坛紫菜产品主要有紫菜圆饼、烤紫菜、调味紫菜等[3],以其味道鲜美、营养丰富等特点深受消费者喜爱。

近年来,随着经济的发展及工农业“三废”的排放,导致海水污染日益加剧,造成紫菜的生产养殖也受到一定程度污染[4]。同时,由于紫菜细胞壁主要由琼胶、蛋白质等组成,具有粘性,且带负电荷,能提供许多能与金属离子结合的官能团,从而导致紫菜易从周围环境中富集镉、砷等有毒有害的重金属元素[5]。近几年,海洋环境的污染越来越严重,导致海藻中重金属超标的现象时有发生,这不仅影响了海藻产品的食用安全性,也对海藻产业的健康发展造成了严重威胁[6-7]。

柠檬酸是一种有效的重金属络合剂,已在污泥、污水等工业废弃物的重金属脱除方面得到广泛应用[8]。超声辅助柠檬酸脱除重金属,能大大提高紫菜中镉的脱除效率,但由于紫菜藻体柔软、易受损伤,超声处理很容易造成紫菜褪色,从而影响紫菜产品的感官品质。江浩[2]和丁仲仲[9]等研究了坛紫菜的镉脱除工艺,但并未在工艺上考虑超声处理对坛紫菜感官品质的影响,也没有进行明确的营养分析。本研究将镉的脱除率和坛紫菜的色泽同时纳入响应面的设计中,在保持紫菜品质的基础上,建立坛紫菜中镉的脱除工艺,以提高紫菜产品的食用安全性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

坛紫菜 福建惠安,将新鲜坛紫菜用清洁海水清洗干净,去除泥沙、污垢等污染物,离心脱水,-20 ℃冷藏备用;柠檬酸、硝酸、高氯酸等 均为分析纯(国药集团有限公司);复合纤维素酶(1000 U/mg) 北京索莱宝科技有限公司。

KQ-300型超声波清洗仪 昆山市超声仪器有限公司;NH-218B型多功能食品加工机 宜阁电器公司;AA-6880型火焰原子吸收光谱仪 日本岛津公司;CR-10型色差计 日本美能达公司;DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海申光仪器仪表有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 坛紫菜中镉含量的测定 将坛紫菜烘干至恒重,用食品加工机粉碎后过40目筛备用。称取1.0 g坛紫菜样品用硝酸∶高氯酸(1∶4)的混合酸进行湿法消解,采用火焰原子吸收光谱仪测定镉含量[10]。

1.2.2 坛紫菜色差的测定 用色差计对坛紫菜的色泽进行测定,将坛紫菜单片的正反两面不同部位各测定10次,计算平均值得到L、a、b值[11]。坛紫菜色差的计算公式为:

式中:ΔE为总色差;L0、a0、b0为未处理组坛紫菜的色度值;L、a、b为处理组坛紫菜的色度值。

1.2.3 坛紫菜中镉脱除方法的选择 将新鲜坛紫菜与清洁海水按照1∶10的比例配制成紫菜溶液,分别用超声(300W,20min)、柠檬酸(0.05mol/L,20min)、过氧化氢(0.1mol/L,20min)、复合纤维素酶(10U/mL,20min)、超声辅助柠檬酸(300W,0.05mol/L,20min)处理后,用清洁海水清洗,在40 ℃下烘干,称取1.0g坛紫菜测定其中镉含量。坛紫菜中镉脱除率的计算公式如下:

式中:X为镉的脱除率;n1为未处理坛紫菜中镉的含量;n2为处理后坛紫菜中镉的含量。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 柠檬酸浓度的影响 固定超声功率240W、超声时间20min条件下,考察柠檬酸浓度分别为0.010、0.025、0.050、0.100、0.200mol/L时坛紫菜中镉脱除率,实验均重复3次。

1.2.4.2 超声功率的影响 固定柠檬酸浓度0.030mol/L、超声时间20min条件下,考察超声功率分别为160、240、320、400W时坛紫菜中镉脱除率,实验均重复3次。

1.2.4.3 超声时间的影响 固定柠檬酸浓度0.030mol/L、超声功率240W条件下,考察超声时间分别为5、10、20、30、40min时坛紫菜中镉脱除率,实验均重复3次。

1.2.5 响应面实验设计 在单因素实验基础上,根据Box-Behnken实验设计,选取柠檬酸浓度、超声功率、超声时间3个因素,以坛紫菜中镉的脱除率和坛紫菜色差为响应值,进行三因素三水平的响应面实验,因素与水平设计见表1。

表1 响应面实验因素与水平表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

1.2.6 营养品质分析 蛋白质含量测定:凯氏定氮法,参照GB/T5009.5-2010《食品中蛋白质的测定》;

总脂肪含量测定:采用酸水解法,参照GB/T5009.6-2003《食品中脂肪的测定》;

多糖含量测定:测定苯酚硫酸法,参照SN/T4260-2015《出口植物源食品中粗多糖的测定》;

灰分含量测定:测定灰化法,参照GB5009.4-2010《食品中灰分的测定》

氨基酸组成测定:采用HPLC法(色氨酸除外),参照GB/T5009.124-2003《食品中氨基酸的测定》。

脂肪酸组成测定:参照国标GB/T17377-2008《动植物油脂 脂肪酸甲酯的气相色谱分析》

1.3 数据处理

用Design Expert 8.0.5软件对数据进行参数优化和分析,得出最佳脱除工艺条件。

用SPSS V19.0软件中的独立样本T检验对坛紫菜脱除前后的基本营养成分进行显著性分析,当p>0.05时认为组间差异不显著。

2 结果与分析

2.1 脱除方法对镉脱除率的影响

由图1可知,过氧化氢和超声辅助柠檬酸两种处理方法对镉的脱除效果明显好于超声、柠檬酸、纤维素复合酶处理。分析原因,可能是过氧化氢的氧化作用对紫菜藻体产生影响,导致其上结合的镉被脱除,而超声辅助处理可以促进柠檬酸对重金属的络合作用[9],产生较好的脱除镉的效果。但在脱除过程中,过氧化氢和纤维素复合酶处理都会导致坛紫菜藻体褪色,造成紫菜品质降低,而柠檬酸处理和超声辅助柠檬酸处理并未对藻体的色泽产生较大影响,因此选择超声辅助柠檬酸作为坛紫菜中镉的脱除方法进行研究。

图1 脱除方法对坛紫菜中镉脱除率的影响Fig.1 Effects of methods on the removal rate of cadmium in Pyropia haitanensis

2.2 超声辅助柠檬酸法脱除镉的单因素实验

图2 柠檬酸浓度(A)、超声功率(B)、超声时间(C)对镉脱除率的影响Fig.2 Effect of citric acid concentration(A), ultrasonic power(B),ultrasonic treatment time(C) on the removal yield of cadmium

由图2(A)可知,随着柠檬酸浓度增加,镉的脱除率也随之呈增长趋势;当浓度达到0.050 mol/L后,随着柠檬酸浓度继续增加,镉的脱除率趋于平缓,这可能是因为柠檬酸浓度达到0.050 mol/L时,镉已经能基本脱除,且继续增加柠檬酸用量反而会导致紫菜品质的降低。考虑到节约成本和后续脱酸操作,确定柠檬酸浓度为0.050 mol/L比较合适。

如图2(B)所示,随着超声功率增加,镉的脱除率呈上升趋势,但超声功率达到240 W后,镉的脱除率增加缓慢;当超声功率达到320 W后,此时继续增加超声功率,镉的脱除率反而下降。这可能是因为超声功率较高时,对藻体细胞损伤较大,这反而不利于藻体上镉的脱除。因此,超声功率选240 W较合适。

由图2(C)可知,随着超声提取时间延长,镉的脱除率逐渐上升,但当超声时间达到20 min后,继续延长超声时间,镉的脱除率趋于平缓,这可能是因为超声处理时间过长,坛紫菜细胞可能会失水受损,不利于藻体中镉的脱除。因此,超声时间选择20 min为宜。

2.3 响应面优化实验结果

2.3.1 回归方程的建立与方差分析 利用Design Expert 8.0.6软件的Box-Behnken设计,以柠檬酸浓度、超声功率和超声时间为自变量,镉脱除率和坛紫菜色差为响应值,进行响应面实验,结果如表2所示,对表2数据进行多元二次回归拟合,建立脱除工艺参数回归模型。回归方程为:

Y1=-19.641+671.430A+0.398B+3.569C+1.655AB+4.522AC+3.687×10-3BC-8276.953A2-1.152×10-3B2-0.093056C2

Y2=27.968+73.921A-0.182B-1.498C-0.293AB-3.055AC+1.878×10-3BC+931.316A2+4.099×10-4B2+0.043C2

表2 响应面实验设计及结果Table 2 The experimental design and results for response surface experiment

表3 镉脱除率二次多项式回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model for the removal yield of cadmium

注:**,极显著(p<0.01);*,差异显著(p<0.05)。

表4 坛紫菜色差二次多项式回归模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of the regression model for the chromatic aberration

注:**,极显著(p<0.01);*,差异显著(p<0.05)。

回归方程各项方差分析中F检验可以判断自变量对因变量的影响[13],因此各因素对镉脱除率影响的主次顺序为:柠檬酸浓度>超声时间>超声功率,各因素对坛紫菜色泽影响的主次顺序为:超声时间>超声功率>柠檬酸浓度。由回归模型系数显著性检验结果可知:模型中一次项A、C对响应值Y1(镉脱除率)的影响达到极显著水平(p<0.01),一次项A、B、C对响应值Y2(坛紫菜色泽)的影响达到极显著水平(p<0.01);交互项AB、BC对Y1的影响极显著,AC对Y1的影响达显著(p<0.05),交互项BC对Y2的影响极显著,AB、AC对Y2的影响显著(p<0.05);二次项B2、C2对Y1、Y2的影响达到极显著(p<0.01),A2对响应值Y1、Y2的影响显著。

2.3.2 响应面分析与优化 运用Design Expert 8.0.5软件进行二次多元拟合得出响应面图及对应的等高线图,在固定其他因素水平值的情况下观察各因素间的交互作用对镉脱除率和紫菜色泽的影响,所得响应面如图3、图4所示。根据观察响应面的陡峭程度和等高线的形状可以判断各因素之间交互作用的强弱,响应面坡度陡峭、等高线呈椭圆形表示两因素交互影响大[14]。图3、图4显示了A、B和C对Y1和Y2的影响,如图可直观看出,A和B、B和C、A和C的相应曲面坡度陡峭,等高线排列紧密且趋向于椭圆,表明柠檬酸浓度与超声功率、超声功率与时间、柠檬酸浓度与超声时间对镉脱除率和坛紫菜色差的交互影响较大。

图3 各因素交互作用对镉脱除率影响的响应面图Fig.3 Response surface plots showing the interactive effects of factors on the removal yield of cadmium

图4 各因素交互作用对色差影响的响应面图Fig.4 Response surface plots showing the interactive effects of factors on the chromatic aberration

2.3.3 模型参数优化及验证 利用Design Expert 8.0.5软件进行工艺参数的优化组合,得到坛紫菜中镉的最佳脱除工艺条件为:柠檬酸浓度0.06 mol/L、超声功率224 W、超声时间19.5 min,此时镉的脱除率最高,达到98.96%,紫菜色泽变化最小,色差为3.358。但考虑到实际情况将最佳工艺修改为柠檬酸浓度0.06 mol/L、超声功率220 W、超声时间20 min,在此条件下,镉脱除率达到98.5%,坛紫菜的色差为3.149,与预测值基本吻合,说明模型有效可靠,能较好预测坛紫菜中镉的脱除率和藻体色泽。

表5 坛紫菜脱除前后主要营养成分变化(g/100 g,干重,n=3)Table 5 The contents of main nutritional components of Pyropia haitanensis(g/100 g,dry,n=3)

2.4 营养分析

2.4.1 主要营养成分 对比脱除处理前后坛紫菜中主要营养成分,见表5,可以看出每100 g坛紫菜中粗蛋白、总糖和粗脂肪含量分别减少了2.2、1.1、0.2 g,但灰分增加了2.0 g,分析原因可能是超声辅助柠檬酸处理过程中,坛紫菜藻体上的少量蛋白质、多糖等物质溶出,导致藻体质量稍有降低,因此灰分的质量分数略有提高。采用独立样本T检验对坛紫菜脱除前后的主要营养成分进行显著性分析,粗蛋白、总糖、粗脂肪和灰分的变化均不显著(p>0.05),说明脱除处理不会对坛紫菜中主要营养成分的种类和含量造成影响。

表6 坛紫菜中氨基酸组成分析(g/100 g,干重,n=3)Table 6 Amino acide composition of Pyropia haitanensis(g/100 g,dry,n=3)

2.4.2 氨基酸含量和组成分析 坛紫菜中必需氨基酸种类齐全,且必需氨基酸的构成比例与FAO/WHO关于人体摄入必需氨基酸组成的推荐模式相比,比例均较为平衡。如表6所示,脱除处理前后,坛紫菜中TEAA/TAA的值分别为37.23%和39.64%,TEAA/TNEAA为59.32%和65.67%。根据FAO/WHO的推荐[15],当蛋白质中TEAA/TAA为40%左右,TEAA/TNEAA为60%左右时,说明该蛋白质为优质蛋白。因此,脱除处理并未造成坛紫菜中蛋白质的损失,其紫菜蛋白仍属于优质蛋白。

表7 坛紫菜中脂肪酸组成分析(%,干重,n=3)Table 7 Fatty acide composition ofPyropia haitanensis(%,dry,n=3)

2.4.3 脂肪酸组成分析 由表7可知,坛紫菜油脂中含有16种脂肪酸,其中不饱和脂肪酸(UFA)占73.65%,多不饱和脂肪酸(PUFA)含量占69.11%,还含有人体必需脂肪酸亚油酸(2.53%)、亚麻酸(0.31%)、花生四烯酸(6.86%)等,说明坛紫菜油脂具有较高的营养保健作用[16]。脱除处理后坛紫菜油脂中不饱和脂肪酸(UFA)的比例降低了2.3%,多不饱和脂肪酸(PUFA)含量仅降低0.8%,说明脱除处理并未对坛紫菜中脂肪酸的品质造成影响,其仍具有较好的营养保健作用。

3 结论

坛紫菜由于细胞壁的结构和特殊官能团等原因,较易富集海水中的重金属。采用超声辅助柠檬酸处理技术,能够加大柠檬酸对藻体的处理强度,大大提高重金属的脱除效率。本研究采用超声辅助柠檬酸处理技术,在单因素实验的基础上采用Box-Behnken响应面实验设计得到最佳工艺参数:柠檬酸浓度0.06 mol/L、超声功率220 W、超声时间20 min,在此条件下,镉脱除率达到98.5%,坛紫菜脱除前后的色泽差值为3.149,建立的回归模型能够很好地预测坛紫菜中镉的脱除率及紫菜的色泽。在脱除坛紫菜中镉的同时,对脱除处理前后紫菜藻体进行了营养分析,结果表明坛紫菜的基本营养成分未发生显著变化。脱除处理后坛紫菜蛋白质的氨基酸含量仍符合WHO/FAO推荐的理想蛋白模型,即EAA/TAA比值在40%左右,EAA/NEAA值应大于60%,说明脱除过程并未影响坛紫菜蛋白质的质量。通过对坛紫菜中脂肪酸的分析,可知脱除处理后坛紫菜中脂肪酸的营养价值并未受到损失,其不饱和脂肪酸的含量仍达到70%以上,具有较好的营养和保健作用。总之,超声辅助柠檬酸脱除坛紫菜中镉的技术不仅操作简单、具有较好的脱除效果,且不影响藻体的色泽和营养品质,可以用于工业生产中坛紫菜的镉脱除处理,为提高我国紫菜产品的食品安全性提供技术支持。

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Optimization of cadmium removing fromPyropiahaitanensis
and its change of nutritional quality by response surface methodology

ZHOU Qing1,LIN Hong1,FU Xiao-ting1,*,MI Na-sha1,ZHOU Ying2,LIU Xiao-yong3

(1.Food Safety Laboratory,College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China; 2.Yancheng Hairui Food Co.,Ltd.,Dafeng 224100,China; 3. Shandong Haizhibao Ocean Science and Technology Co.,Ltd.,Rongcheng 264300,China)

The objectives of this study were to develop an optimized method for removing cadmium fromPyropiahaitanensisand to evaluate the nutritional value. Response surface methodology(RSM)based on a Box-Behnken design was used in combination with single factor experiments to establish the optimal removal conditions as follows:citric acid concentration 0.06 mol/L,ultrasonic power 220 W,ultrasonic treatment time 20 min,contributing to a removal rate of 98.5% and chromatic aberration of 3.149. Under this condition,the basic nutrient component,amino acids and fatty acids hadn’t been affected. This removal procedure was simple and the obtained products had good quality with low cadmium level,so that it could be used in industrial production ofPyropiahaitanensis.

Pyropiahaitanensis;cadmium;removal;response surface methodology;nutrient

2017-01-05

周青(1991-),女,硕士研究生,研究方向：食品安全,E-mail:zhqing2014@163.com。

*通讯作者:付晓婷(1980-),女,博士,副教授,主要从事海藻利用化学方面的研究,E-mail:xiaotingfu@ouc.edu.cn。

国家科技支撑技术项目(2015BAD17B02);江苏省重点研发计划项目(BE2015335)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)14-0174-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.035