响应面法优化双孢菇加工中的护色工艺

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(1.淮阴工学院化学工程学院,江苏淮安 223003; 2.淮阴工学院生命科学与食品工程学院,江苏淮安 223003;3.山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

响应面法优化双孢菇加工中的护色工艺

王朝宇1,迟雪文2,毕艳红2,*,赵祥杰2,付瑞平2,李宁阳3

(1.淮阴工学院化学工程学院,江苏淮安 223003; 2.淮阴工学院生命科学与食品工程学院,江苏淮安 223003;3.山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

以新鲜双孢菇为原料,采用响应面法对其护色工艺进行优化。选用不同浓度的柠檬酸、柠檬酸亚锡二钠(DSC)、L-半胱氨酸、异抗坏血酸钠作为自变量,以双孢菇褐变程度作为响应值,采用Box-Behnken中心组合法研究自变量及其交互作用对其褐变度的影响,并利用Design-Expert软件得到回归方程预测模型并进行响应面分析。结果表明,柠檬酸0.97%,柠檬酸亚锡二钠0.05%,L-半胱氨酸0.57%,异抗坏血酸钠为0.53%,此时双孢菇切片褐变度的实测值为2.52,护色效果较好。

双孢菇,褐变,护色剂,响应面

双孢菇是一种常见的食用菌种,肉质肥厚、味道鲜美,除可直接食用外,还可以加工成蔬菜罐头、果肉饮料及干片等[1]。双孢菇的营养丰富,除蛋白质外,另有大量的氨基酸、维生素、核苷酸等,其有较好的抗菌、消炎、降血压、降血脂的功效[2-4]。双孢菇采收后,在贮藏及加工过程中极易发生褐变,进而影响了其商品价值[5-7]。有研究表明,引起双孢菇褐变的主要原因是其组织内的酚类物质在多酚氧化酶的作用下氧化为醌类,而醌类物质会进一步聚合而形成黑色素,进而发生酶促褐变[2,8]。影响双孢菇褐变的因素主要有温度、气体条件、pH及湿度等[9],控制褐变可以采用低温、气调、辐照等物理方法[2],但是这些方法处理时间较长,操作较复杂,成本较高。抑制双孢菇褐变还可以在其表面涂抹化学试剂或将其浸泡在化学试剂中[10],然而大部分化学试剂中含硫,对人体健康具有一定的危险性。在热烫或者进行其它处理过程中添加木瓜和玉米须提取物以及运用基因工程技术对食用菌株进行改造等生物技术[10-11]也可以达到抑制褐变的目的,然而食用的安全性未知,故而本实验选取了几种食品级的抑制剂来研究双孢菇加工过程中的褐变抑制情况,通过响应曲面实验优选复合抑制剂,为抑制双孢菇在加工、贮藏及运输过程中的褐变提供一定的实验数据及理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜双孢菇 购买于淮安市城南农贸市场;异抗坏血酸钠、柠檬酸亚锡二钠(DSC) 江西省德兴市百勤异VC钠有限公司;柠檬酸 上海久亿化学试剂有限公司;L-半胱氨酸 济南卓岱生物科技有限公司;均为食品级。

CR-10色差计 柯尼卡美能达(中国)有限公司;FA2004B天平 上海精科天美科学仪器有限公司;WT2102电磁炉 美的集团。

1.2实验方法

1.2.1 双孢菇切片及护色工艺 挑选饱满、新鲜的双孢菇作为原料。将其洗净,去除菇柄,按纵向纹理将双孢菇切成5 mm左右的薄片。将切片放入100 ℃沸水中烫漂5～10 s,然后把双孢菇切片分别放入不同浓度的护色液中浸泡30 min,再进行褐变度检测。

1.2.2 护色剂对双孢菇切片褐变度的影响 称取新鲜双孢菇切片若干份,以柠檬酸、柠檬酸亚锡二钠、L-半胱氨酸和异抗坏血酸钠分别作为护色剂对双孢菇进行褐变抑制实验,根据GB 2760-2014中食品添加剂的添加要求,设置各护色剂浓度如表1所示。同时以不加护色剂为空白做对照实验,确定适宜的双孢菇的护色剂的浓度。

表1 不同护色剂的浓度Table 1 The concentration of all kinds of browning inhibitors

1.2.3 双孢菇护色剂配比优化 在单因素实验基础上,以柠檬酸、柠檬酸亚锡二钠、L-半胱氨酸和异抗坏血酸钠溶液浓度为实验因素,以双孢菇切片的褐变度为响应值,设计Box-Benhnken 4因素3水平的响应面实验,各因素和水平见表2。

表2 响应面实验因素与水平设计Table 2 Factors and levels for response surface analysis

1.2.4 褐变程度测定 采用色差仪测定待测样品。每组样品重复测定5次,测定双孢菇切片的L、a、b值。其中L为亮度值,取值为0～100,ΔL是测试样与标准样之间的差值,a为红-绿值,b为黄-蓝值[12]。ΔE是总色差,表示的是色差偏移的方向[13],以总色差表示褐变度,总色差的计算公式[14]如下。

1.3数据处理

实验数据以平均值±标准差的形式表示,采用OriginPro 8.5软件进行作图,Design Expert 8.0.6软件设计响应面实验方案并进行方差分析。

2 结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1 柠檬酸对双孢菇褐变度的影响 由图1可知,随着柠檬酸浓度逐渐增大,双孢菇切片褐变度降低,当浓度到达1.0%时,褐变度达到最小值。但当浓度超过1.0%时,褐变度迅速增高。因为柠檬酸本身偏酸性,可以使体系pH下降,从而使溶液中氧气溶解度降低。同时,柠檬酸中的羰基可与多酚氧化酶中的铜离子产生较强的螯合作用[15-16],从而在一定程度上抑制多酚氧化酶的活性,即抑制酶促褐变。但是柠檬酸添加量过多,对金属离子的螯合作用会减弱,进而降低了其抑制多酚氧化酶活性的能力,同时也会使口感偏酸。因此,柠檬酸浓度选取1.0%较为合适。

图1 柠檬酸对双孢菇褐变度的影响Fig.1 Effects of citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.2 柠檬酸亚锡二钠对双孢菇褐变度的影响 由图2可知,柠檬酸亚锡二钠能较有效地抑制双孢菇切片的褐变,随浓度的增大,其褐变度逐渐降低,在0.04%时趋于平缓。这是由于柠檬酸亚锡二钠具有较强的还原性,能够逐渐消除溶液中残余氧气,进而阻断双孢菇切片由于接触空气发生氧化而引起的褐变[17]。所以,柠檬酸亚锡二钠的浓度选取0.04%为宜。

图2 柠檬酸亚锡二钠对双孢菇褐变度的影响Fig.2 Effects of stannous citrate disodium on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.3 L-半胱氨酸对双孢菇褐变度的影响 由图3可知,随着L-半胱氨酸浓度的增大,双孢菇褐变程度逐渐减小,当浓度到达0.50%时开始趋于平缓。这是由于L-半胱氨酸中含有-SH的氨基酸,可以与氧化生成的醌类物质结合[18],使其无法进一步形成黑色素,进而抑制褐变的发生。综合考虑成本等因素,L-半胱氨酸浓度为0.5%。

图3 L-半胱氨酸对双孢菇褐变度的影响Fig.3 Effects of L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

2.1.4 异抗坏血酸钠对双孢菇褐变度的影响 由图4可知,随着异抗坏血酸钠浓度逐渐增大,褐变度逐渐降低,当浓度进一步升高到0.5%时,褐变度趋于平缓。当异抗坏血酸钠的浓度足够高时,氧化形成的产物就能迅速被其还原,进而抑制了果蔬的酶促褐变[1]。但当溶液中异抗坏血酸钠浓度继续升高时,异抗坏血酸钠会被完全氧化成脱氢醋酸钠,从而使抑制率趋于稳定。综合考虑实际生产,异抗坏血酸钠的添加量为0.5%。

图4 异抗坏血酸钠对双孢菇褐变度的影响Fig.4 Effects of sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

2.2响应面优化实验结果

根据单因素试验结果,以双孢菇切片褐变度为响应值,采用Design-Expert 软件中的Box-Behnken[19]实验设计方案,进行四因素三水平的响应面实验。实验方案及结果见表3。

表3 响应面实验设计方案及结果Table 3 Design and test results of response surface

2.2.1 方差分析及显著性检验 应用Design Expert 6.0.10软件对表3中的数据进行分析,得到回归模型为:

ΔE=3.03+0.15A-0.35B-0.61C+7.500E-003D+1.07A2+0.33B2+0.43C2+0.63D2-0.17AB+0.23AC-0.48AD-0.072BC-0.63BD-0.58CD。对回归方程进行方差分析,结果见表4。

表4 回归方程系数及显著性检验Table 4 Regression equation coefficients and significant test

注:*差异显著,p<0.05;**差异极显著,p<0.01。

从上述结果中可以看出,方程模型的F值为35.03,p值<0.0001,这表明回归模型极显著。失拟项F值为2.52,p=0.1932>0.05,失拟项不显著,说明回归方程对实验拟合的情况较好[20],未知因素对实验结果的干扰性小,残差均有随机误差引起[21]。相关系数R2=0.9722,调整系数R2=0.9445,也表明此模型的拟合度好,97.22%的实验数据可由该模型进行解释,方程的可靠性高。响应值的94.45%是由于所选变量引起的,证明双孢菇切片褐变度实际值与预测值之间具有较好的拟合相关性。变异系数(CV)为4.88,故模型方程反映真实值的情况较好。经综合分析,该模型拟合程度较好,可用于分析和预测护色剂最佳配方。对回归方程一次项系数的绝对值进行比较,由表4可知,各因素对双孢菇切片褐变程度的影响顺序依次为L-半胱氨酸浓度、柠檬酸亚锡二钠浓度、柠檬酸浓度以及异抗坏血酸钠浓度。B、C、A2、B2、C2、D2、AD、BD、CD影响极显著(p<0.01),A、AC影响显著(p<0.05).

2.2.2 交互作用分析 为更直观地表现两因素的交互作用对响应值的影响,令其中两因素水平值为零,对另两个因素对双孢菇褐变度的影响进行分析,见图5～图10。

图5 柠檬酸亚锡二钠和柠檬酸对双孢菇褐变度的作用图Table 5 Effects of stannous citrate disodium and citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

图6 柠檬酸和L-半胱氨酸对双孢菇褐变度的作用图Table 6 Effects of citric acid and L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

图7 异抗坏血酸钠和柠檬酸对双孢菇褐变度的作用图Table 7 Effects of sodium erythorbate and citric acid on the browning degree of Agaricus bisporus

图8 柠檬酸亚锡二钠和L-半胱氨酸对双孢菇褐变度的作用图Table 8 Effects of stannous citrate disodium and L-cys on the browning degree of Agaricus bisporus

图9 柠檬酸亚锡二钠和异抗坏血酸钠对双孢菇切片褐变度的作用图Table 9 Effects of stannous citrate disodium and sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

图10 L-半胱氨酸和异抗坏血酸钠对双孢菇褐变度的作用图Table 10 Effects of L-cys and sodium erythorbate on the browning degree of Agaricus bisporus

从图5～图10来看,各因素之间的交互作用均呈现先下降后上升的抛物线型关系,说明两两交互均对双孢菇切片褐变度有较大的影响。

2.2.3 双孢菇护色工艺的验证 根据二次回归的数学模型分析结果,得出最佳护色剂配方:柠檬酸浓度0.97%,柠檬酸亚锡二钠浓度0.05%,L-半胱氨酸浓度0.57%,异抗坏血酸钠浓度为0.53%,此时双孢菇切片褐变度的预测值为2.49。为了验证响应面法是否可行,将响应面二次回归所得最佳条件重复实验3次,双孢菇褐变度的实测值为2.52,与理论值相差不大,充分验证了模型的正确性,表明响应面法适用于双孢菇切片护色剂配方的优化。

3 结论

在单因素实验设计的基础上,对双孢菇切片护色剂进行了四因素三水平的Box-Behnken响应面实验设计,建立了响应值和各个因素之间的数学模型,依据模型确定双孢菇护色的最佳配方(以质量分数计):柠檬酸0.97%,柠檬酸亚锡二钠0.05%,L-半胱氨酸0.57%,异抗坏血酸钠为0.53%,此时双孢菇切片褐变度的实测值为2.52。模型方差分析和响应面的分析表明,该模型回归极显著,对实验拟合较好,对于双孢菇切片的护色有一定参考价值。

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Optimizationofanti-browningtechnologyofAgaricusbisporusbyresponsesurfacemethodology

WANGZhao-yu1,CHIXue-wen2,BIYan-hong2,*,ZHAOXiang-jie2,FURui-ping2,LINing-yang3

(1.Faculty of Chemical Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;2.School of Life Science and Food Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;3.College of Food Science and Engineering,Shandong Agriculture University,Tai’an 271018,China)

In this paper,the technology of anti-browning ofAgaricusbisporuswas optimized by response surface methodology. According to the effects of single factor test,four main factors about citric acid,disodium stannous citrate(DSC),sodium erythorbate,L-cysteine were variables,andAgaricusbisporusbrowning degree was response value,the experimental design method of Box-Benhnken was used to study the effects of each variable and their interactions on theAgaricusbisporusbrowning degree. The prediction model of regression equation by using Design Expert software was analyzed by response surface analysis. The result showed that the optimum conditions of anti-browning were that mass fraction of citric acid 0.97%,citric acid stannous disodium 0.05%,L-cysteine 0.57%,sodium erythorbate 0.53%. Under this condition,the prediction value ofAgaricusbisporusbrowning degree was 2.52 and the color proction effect was good.

Agaricusbisporus;browning;color fixatives;response surface

2017-02-27

王朝宇(1978-)，男，博士，副教授，主要从事生物合成与转化领域的研究，E-mail：biowzy@126.com。

*通讯作者:毕艳红(1981-)，女，硕士，主要从事食品加工领域的研究，E-mail：byhfood@126.com。

国家自然科学基金(21676114，31501421)；江苏省青蓝工程项目；淮安市重点研发计划(现代农业)项目(HAN2015020)。

TS255.36

:B

:1002-0306(2017)16-0167-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.031