红树莓果汁澄清剂的选择及澄清工艺的优化

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(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040; 2.黑龙江省农业科学院园艺分院,黑龙江哈尔滨 150040; 3.黑龙江省农业广播电视学校,黑龙江哈尔滨 150100)

红树莓属于蔷薇科悬钩子属,果实柔嫩多汁,香味宜人,口感独特,有很高的营养和药用价值[1]。其中含有益于人体的花青素、黄酮、多酚、鞣花酸、有机酸和超氧化物歧化酶等活性成分[2-4],具有抗氧化、抗菌、抗炎症、抗肿瘤、抗肥胖、降血脂、防癌、保护心血管和神经系统的功效[5],被誉为“第三代水果”。目前国内外对红树莓的研究主要集中于活性物质和其提取物的功能性[6-8]及以红树莓为原料的果汁饮料。红树莓果汁色泽清亮、果味浓郁,但加工、贮藏与销售过程中易出现浑浊、分层、沉淀、失色等现象[9],严重影响到红树莓果汁的感官品质,导致商品价值降低。

传统的离心、板框过滤等方法很难得到高澄清度的红树莓果汁,并且在贮存过程中极易发生二次沉淀[10],找出最佳澄清工艺成为生产红树莓澄清汁的关键之一。目前果汁澄清通常是采用微滤、酶处理或者使用澄清剂,澄清剂可以去除部分容易引起浑浊、沉淀的成分,使果汁获得良好的感官指标和稳定性。目前国内外常用的澄清剂如皂土、硅藻土、明胶、硅溶胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)、壳聚糖或者它们联合使用[11-12]。李萌萌[13]等研究使用SC-Ⅱ澄清剂在温度42 ℃、添加量0.04%、反应1 h条件下,红树莓原汁的澄清度和浊度分别为73.6%和3.16 NTU,澄清效果理想。使用上述常见澄清剂可以优化澄清梨汁、黑莓汁等,但优化红树莓果汁的澄清工艺却鲜有报道。

本试验以红树莓果汁为对象,选用明胶、壳聚糖、PVPP、果胶酶、皂土作为澄清剂,通过单因素和正交优化试验筛选出最佳的澄清剂及工艺条件,旨在提高红树莓果汁的感官品质及贮藏稳定性,有利于红树莓资源的综合开发利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红树莓果(秋福) 红树莓采自黑龙江省尚志市,速冻处理(-15～-20 ℃)后运回东北林业大学食品科学与工程实验室冻藏;壳聚糖(90%脱乙酰度)、明胶 青岛云宙生物科技有限公司;果胶酶(100 U/mg) 德国三颗星食品物料公司;聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP) 山东优索化工科技有限公司;皂土 烟台帝伯仕商贸有限公司,上述澄清剂均为食品级;硫酸铜、葡萄糖、酚酞、氢氧化钠、酒石酸、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 均为国产分析纯。

DK-S电热恒温水浴锅 上海森信试验仪器有限公司;BS 200S-WEI电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;DL-6M榨汁机 湖南星科科学仪器有限公司;VBR80手持糖度计 上海医联控温仪器厂;EL20-K精密pH计 广州市怡华新电子仪器有限公司;FW100分析天平 北京赛多利仪器系统有限公司;722型可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红树莓果汁的制备 速冻的红树莓果实在室温下自然解冻后,准确称取一定质量的红树莓，按1∶3 (g/mL)加入去离子水,放入榨汁机进行榨汁。用4层纱布进行自然沉降过滤,得到红树莓果汁。

1.2.2 澄清剂的配制 1%壳聚糖溶液:准确称取1.0 g壳聚糖溶于100 mL的0.2%柠檬酸溶液中,加热煮沸至完全溶解,冷却后定容至100 mL容量瓶中备用。

1%明胶溶液:准确称取1.0 g明胶于50 mL蒸馏水,浸泡24 h后,40 ℃水浴溶解,冷却后定容至100 mL容量瓶中备用;

1%PVPP溶液:取1.0 g PVPP溶于50 mL蒸馏水中,然后定容至100 mL容量瓶中备用;

1%果胶酶溶液:准确称取1.0 g果胶酶,加入50 mL 40～50 ℃蒸馏水溶解,配制成1%的溶液备用;

10%皂土溶液(悬浮液):准确称取10.0 g皂土于50 mL蒸馏水中,在60 ℃下膨胀12 h,之后稀释成10%的皂土悬浮液备用[14]。

1.2.3 红树莓果汁透光率测定波长的确定 用可见分光光度计在400～800 nm测定红树莓果汁在不同波长下的透光率,试验设3个稀释倍数,即将红树莓果汁稀释10、20、30倍,分别以蒸馏水作空白对照。

1.2.4 不同澄清剂的单因素澄清实验

1.2.4.1 壳聚糖处理 量取1.2.1中制备的红树莓果汁50 mL于100 mL锥形瓶中,分别设定质量浓度为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 g/L;澄清温度为0、20、30、40、50 ℃;澄清时间为18、24、30、36、42 h。在自然的pH、澄清温度20 ℃条件下,添加壳聚糖1.0 g/L,恒温水浴振荡3 min使红树莓果汁与澄清剂混合均匀并静置24 h后,取上清液测定透光率。

1.2.4.2 明胶处理 量取1.2.1中制备的红树莓果汁50 mL于100 mL锥形瓶中,分别设定质量浓度为0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18、0.20 g/L;澄清温度为0、20、30、40、50 ℃;澄清时间为18、24、30、36、42 h。在自然的pH、澄清温度20 ℃条件下,添加明胶0.1 g/L,恒温水浴振荡3 min使红树莓果汁与澄清剂混合均匀并静置24 h后,取上清液测定透光率。

1.2.4.3 PVPP处理 量取1.2.1中制备的红树莓果汁50 mL于100 mL锥形瓶中,分别设定质量浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 g/L;澄清温度为0、20、30、40、50 ℃;澄清时间为18、24、30、36、42 h。在自然的pH、澄清温度20 ℃条件下,添加PVPP 0.5 g/L,恒温水浴振荡3 min使红树莓果汁与澄清剂混合均匀并静置24 h后,取上清液测定透光率。

1.2.4.4 果胶酶处理 量取1.2.1中制备的红树莓果汁50 mL于100 mL锥形瓶中,分别设定质量浓度为0、0.01、002、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 g/L;澄清温度为0、20、30、40、50 ℃;澄清时间为18、24、30、36、42 h。在自然的pH、澄清温度20 ℃条件下,添加果胶酶0.05 g/L,恒温水浴振荡3 min使红树莓果汁与澄清剂混合均匀并静置24 h后,取上清液测定透光率。

1.2.4.5 皂土处理 量取1.2.1中制备的红树莓果汁50 mL于100 mL锥形瓶中,分别设定质量浓度为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 g/L;澄清温度为0、20、30、40、50 ℃;澄清时间为18、24、30、36、42 h。在自然的pH、澄清温度20 ℃条件下,添加皂土5.0 g/L,恒温水浴振荡3 min使红树莓果汁与澄清剂混合均匀并静置24 h后,取上清液测定透光率。

1.2.5 澄清剂的正交试验 在单因素实验基础上,选取澄清效果较好的澄清剂,以透光率(%)为考察指标筛选出最佳的澄清剂及工艺条件;同时测定总酸、总糖、可溶性固形物和DPPH·清除能力,研究各因素对红树莓果汁成分与抗氧化能力的影响。

1.2.5.1 壳聚糖正交试验 根据单因素实验结果,采用L9(34)正交表进行正交实验,因素水平表设计见表1。

表1 壳聚糖正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal array design for chitosan

1.2.5.2 明胶正交试验 根据单因素实验结果,采用L9(34)正交表进行正交实验,因素水平表设计见表2。

表2 明胶正交试验因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal array design for gelatin

1.2.6 红树莓果汁指标的测定

1.2.6.1 透光率的测定 取红树莓澄清果汁上清液,以蒸馏水做空白对照,采用722型可见分光光度计在400～800 nm波长范围内的最适波长下测定红树莓果汁的透光率。

1.2.6.2 理化指标的测定 总糖(以葡萄糖计):菲林试剂滴定法,参照GB/T 15038-2006[15];总酸(以柠檬酸计):酸碱滴定和电位滴定法,参照GB/T 15038-2006;可溶性固形物含量:折光法,参照GB/T 12143-2008[16]。

1.2.6.3 DPPH·清除率的测定 参考Cengiz[17]的测定方法,并稍作修改。取2.0 mL样品溶液于10.0 mL比色管中,加2.0 mL 0.1 mmol/L DPPH溶液(无水乙醇配制),以等体积的无水乙醇代替样品液作空白组,以等体积的无水乙醇代替DPPH作对照组。在避光条件下放置30 min后,在波长517 nm处测定吸光值。

式中:A0为空白组的吸光值;A1为待测组的吸光值;A2为对照组的吸光值。

1.3 数据处理

每个实验重复三次,试验结果分析时取平均值±标准差。使用Excel 2013、Origin Pro 8.5、正交实验设计助手(Ⅱ3.1)、SPSS 19.0进行试验数据分析与作图。

2 结果与分析

2.1 红树莓果汁透光率测定波长的确定

由图1可以看出,稀释10倍、20倍和30倍的红树莓果汁的透光率在680 nm以前逐渐增大,当测定波长超过680 nm,其透光率均达到90%以上并逐渐趋于稳定,由此确定测定红树莓果汁透光率的最适波长为680 nm。

图1 不同稀释倍数的红树莓果汁在不同波长下的透光率Fig.1 Light transmittance of red raspberry juice with different dilution times at different wavelengths

2.2 壳聚糖对红树莓果汁的澄清效果

由图2A可知,在浓度区间0～1.8 g/L内,红树莓果汁的透光率随着浓度的增加逐渐增大;当浓度为1.8 g/L时透光率达到最大值为90.2%±0.264%,这是因为壳聚糖过少时,不能使果汁中所有果胶、纤维素等物质完全被絮凝沉淀,澄清效果不明显;此后随浓度增加透光率略有减小,这是因为壳聚糖过多时导致壳聚糖本身形成一种胶体溶解悬浮在果汁中使透光率下降[18]。由图2B可知,随着温度的升高红树莓果汁的透光率逐渐增大,在温度40 ℃时,果汁的透光率达到最大值为86.1%±0.086%;此后随温度的上升透光率略有减小,这是因为壳聚糖为直链多糖,高温可能导致壳聚糖分解,降低了壳聚糖溶液的絮凝效果,从而影响到壳聚糖澄清果汁的效果[19]。由图2C可知,随着时间的延长红树莓果汁的透光率逐渐增大,当澄清时间达到36 h时,透光率达到最大值为85.8%±0.200%;此后随时间的延长透光率开始减小,其原因是壳聚糖与果汁中果胶等带负电荷物质相互作用,产生絮凝沉淀物的沉降速度有限,沉降需要一定的时间。若絮凝沉淀物在果汁中停留时间过长,会造成沉淀物的部分重新溶解,导致果汁再次产生轻微浑浊[20]。

图2 壳聚糖对红树莓果汁透光率的影响Fig.2 Effects of chitosan on transmittance of red raspberry juice

综合考虑,壳聚糖的较佳澄清条件为添加量1.8 g/L、澄清温度40 ℃、澄清时间36 h。

2.3 明胶对红树莓果汁的澄清效果

由图3A可知,随着浓度的增加红树莓果汁的透光率而逐渐增大,这是因为明胶能与果汁中单宁等带负电荷物质充分作用,显著提高果汁的澄清度[21];当浓度为0.16 g/L时透光率达到最大值为88.9%±0.014%;当浓度在0.16 g/L以上,透光率逐渐减小。由图3B可知,在温度区间0～30 ℃内,红树莓果汁的透光率随着温度的上升逐渐增大,在温度30 ℃时,果汁的透光率达到最大值为85.3%±0.050%,这是因为随着温度的升高,明胶的分子运动速度加快,红树莓果汁的透光率逐渐升高[10];当温度超过30 ℃时,红树莓果汁的透光率略微减小。由图3C可知,随着时间的延长红树莓果汁的透光率而逐渐增大,这是因为明胶与单宁相互作用需要一定的时间,澄清时间太短,果汁中还残留大量单宁物质,所以透光率较低[10];当澄清时间达到36 h时,果汁的透光率达到最大值为83.9%±0.020%;当澄清时间超过36 h,红树莓果汁的透光率略微减小。

图3 明胶对红树莓果汁透光率的影响Fig.3 Effects of gelatin on transmittance of red raspberry juice

综合考虑,明胶的较佳澄清条件为添加量0.16 g/L、澄清温度30 ℃、澄清时间36 h。

2.4 PVPP对红树莓果汁的澄清效果

由图4A可知,随着浓度的增大红树莓果汁的透光率逐渐增加,当浓度为0.7 g/L时,果汁透光率达到最大值为71.0%±0.200%,其原因是PVPP能通过羰基与果汁中多酚类等物质形成氢键络合物,吸附蛋白质和多酚类物质,得到澄清度较高的红树莓果汁[22];当浓度再增加时透光率几乎不变。由图4B可知,随着温度的升高，红树莓果汁的透光率逐渐增大,当温度为30 ℃时,透光率达到最大值为72.4%±0.100%;当温度超过30 ℃,果汁透光率明显减小,说明澄清温度过低或过高都会对PVPP的澄清效果有一定的影响,这与胡静[23]的研究结果一致。由图4C可知,澄清时间在18～36 h范围内,红树莓果汁的透光率随着时间的延长而逐渐增大,当澄清时间在36 h时,果汁的透光率达到最大值为72.0%±0.043%;此后随着时间的延长透光率略有减小,其原因是PVPP与果汁中多酚类等物质形成较稳定的氢键络合物,澄清时间对果汁的透光率影响较小[22]。

图4 PVPP对红树莓果汁透光率的影响Fig.4 Effects of PVPP on transmittance of red raspberry juice

综合考虑,PVPP的较佳澄清条件为添加量0.7 g/L、澄清温度30 ℃、澄清时间36 h。

2.5 果胶酶对红树莓果汁的澄清效果

由图5A可知,随着果胶酶浓度的增大红树莓果汁的透光率逐渐增加,这是因为果胶酶过少时,只能分解果汁中部分果胶,达不到最佳澄清效果[24];当浓度达到0.06 g/L时,果汁透光率达到最大值为65.2%±0.010%;当浓度再增加时透光率逐渐减小。由图5B可知,随着温度的上升红树莓果汁的透光率逐渐增加,当温度在40 ℃时,果汁的透光率达到最大值为65.2%±0.045%;当温度超过40 ℃时,果汁的透光率略有减小。这说明果胶酶活性在一定的范围内随着温度的升高而增大,当温度过高时,果胶酶的活性受到抑制,甚至引起变性而丧失其活性,致使透光率相应降低[25]。由图5C可知,随着时间的延长红树莓果汁透光率逐渐增大;当澄清时间在36 h时,果汁的透光率达到最大值为65.5%±0.003%;当澄清时间再延长时果汁透光率略有减小。

图5 果胶酶对红树莓果汁透光率的影响Fig.5 Effects of pectinase on transmittance of red raspberry juice

综合考虑,果胶酶的较佳澄清条件为添加量0.06 g/L、澄清温度40 ℃、澄清时间36 h。

2.6 皂土对红树莓果汁的澄清效果

由图6A可知,随着皂土浓度的增大红树莓果汁的透光率逐渐增加,当浓度为7 g/L时,果汁透光率达到最大值为78.5%±0.026%;这是因为皂土能完全与果汁中的蛋白质、色素、单宁以及一些带正电荷的胶体离子产生凝聚作用,使小颗粒变成大颗粒而沉降,以达到澄清目的[26];当浓度在7 g/L以上,透光率明显减小。由图6B可知,在温度区间0～30 ℃内,红树莓果汁的透光率随着温度的上升略微增大;在温度30 ℃时,果汁的透光率达到最大值78.8%±0.026%;当温度超过30 ℃,果汁的透光率逐渐减小。由图6C可知,澄清时间在18～36 h范围内,红树莓果汁的透光率随着时间的延长而逐渐增大;当澄清时间36 h时,果汁透光率达到最大值为80.0%±0.173%;此后随时间的延长透光率略有减小。

图6 皂土对红树莓果汁透光率的影响Fig.6 Effects of saponaceous soil on transmittance of red raspberry juice

综上所述,皂土的较佳澄清条件为添加量7 g/L、澄清温度30 ℃、澄清时间36 h。

2.7 红树莓果汁最佳澄清工艺条件的确定

在单因素实验中,皂土、明胶、壳聚糖、PVPP、果胶酶五种澄清剂对红树莓果汁均具有一定程度的澄清效果。透光率反映果汁体系的颗粒悬浮情况和浑浊程度,果汁的透光率越高表示澄清效果越好。以红树莓果汁的透光率为指标对比澄清效果,五种澄清剂对果汁澄清效果的影响顺序为壳聚糖>明胶>皂土>PVPP>果胶酶。其中壳聚糖和明胶的最大透光率均在84%～91%之间,PVPP和皂土次之(70%～80%),果胶酶最差(50%～66%),所以选择明胶和壳聚糖两种澄清效果较好的澄清剂进行正交优化试验。

2.7.1 壳聚糖的澄清工艺优化 壳聚糖的正交优化试验结果与分析见表3、表4。

由表3可知,各因素A(质量浓度)、B(澄清温度)、C(澄清时间)对澄清效果影响由强到弱的顺序依次为质量浓度>澄清时间>澄清温度,方差分析结果与极差分析结果一致;由表4可知,质量浓度对红树莓果汁的澄清影响极显著(p<0.01),澄清时间对红树莓果汁的澄清影响显著(p<0.05),澄清温度影响最小。红树莓果汁的最佳澄清工艺为A3B2C2,即质量浓度为1.8 g/L,澄清温度为40 ℃,澄清时间为36 h,在正交试验中无此组合,需做验证试验,其透光率可以达到96.7%±0.053%。不添加澄清剂时,红树莓原果汁的总糖为19.5 g/L、总酸为21.85 g/L、可溶性固形物含量为8%、DPPH·清除率为88.2%。加入壳聚糖后,果汁的总糖随着质量浓度的增大下降了9.62 g/L、可溶性固形物含量随着澄清时间的延长减小了0.6%;果汁的总酸随着质量浓度的增加和澄清时间的延长却略微增加了1.14 g/L;果汁对DPPH·的清除能力随着质量浓度的增加而减小了3.5%,这说明壳聚糖对果汁抗氧化能力有一定的影响。

表3 壳聚糖正交试验结果Table 3 Results of orthogonal experiment of chitosan

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

2.7.2 明胶的澄清工艺优化 明胶的正交优化试验结果与分析见表5、表6。

表5 明胶正交试验结果Table 5 Results of gelatin orthogonal experiment

由表5可知,各因素A(质量浓度)、B(澄清温度)、C(澄清时间)对澄清效果影响由强到弱的顺序是澄清温度>质量浓度>澄清时间,方差分析结果与极差分析结果一致;由表6可知,澄清温度对红树莓果汁的澄清影响极显著(p<0.01),质量浓度对红树莓果汁的澄清影响显著(p<0.05),澄清时间影响最小。红树莓果汁的最佳澄清工艺为A1B2C1,即质量浓度为0.16 g/L,澄清温度为30 ℃,澄清时间为34 h,在正交试验中无此组合,需做验证试验,其透光率可以达到94.2%±0.015%。与红树莓原果汁相比,加入明胶后,果汁的总糖随着澄清时间的延长和质量浓度的增加下降了9.60 g/L,总酸却略微增加了1.70 g/L,可溶性固形物含量的变化不明显;果汁对DPPH·的清除能力随着澄清温度的上升和质量浓度的增加而减小了0.5%,但当澄清温度为25 ℃、质量浓度为0.16 g/L时,果汁的DPPH·的清除能力(90.7%)大于原果汁的DPPH·的清除能力。

表6 方差分析表Table 6 Variance analysis table

3 讨论

化学澄清法是在果汁中添加一定量的澄清剂,使得汁液澄清透明,该法澄清效率高、操作可控性强。王英等[27]使用皂土澄清黑莓果酒,在皂土用量0.6 g/L,作用时间为72 h,搅拌速度为30 r/min的条件下透光率为87.98%,而本文采用皂土澄清红树莓果汁的透光率为80%。可能是由于红树莓果汁中总酚含量在350 mg/100 g以上[28],少量的皂土对红树莓果汁中酚类物质的吸附能力有限,而加入太多又会引起红树莓果汁的口感粗糙而不细腻,且这些酚类物质在贮存过程中仍会发生自身聚合反应和氧化反应使果汁变得浑浊。谢志镭等[10]研究皂土澄清黑莓果汁,当皂土添加量达到0.09 g/dL时,透光率达到最大值60.4%,与本文使用皂土澄清红树莓果汁的结论一致,两者的透光率均低于黑莓果酒的透光率。这可能是因为在黑莓果在主发酵和陈酿过程中,随着酵母菌和黑莓果原始菌群的生长繁殖,代谢过程中产生的酶分解了多酚等大分子物质,使得酚含量降低,所以黑莓果酒能达到良好的澄清效果。张颖等[29]使用果胶酶澄清猕猴桃汁,在酶解pH为4.5,酶解时间3.1 h,酶解温度45.5 ℃,酶添加量6.4%的条件下透光率为79.25%。而本文采用果胶酶澄清红树莓果汁的透光率为65.5%。可能是因为果汁的自然pH偏酸性,超过了果胶酶的适宜的pH范围,抑制了酶的活性,使果胶酶不能有效的分解红树莓果汁中果胶物质。

壳聚糖和明胶均能有效提高红树莓果汁的澄清度。壳聚糖是自然界中能有效地分离饮料中的悬浮颗粒的一种添加剂,此外壳聚糖具有无毒害,易被生物降解的功效。代守鑫[20]研究壳聚糖澄清新梨7号果汁,在壳聚糖用量0.4 g/L、温度55 ℃、pH3.5和时间60 min的条件下,透光率达到最大值77.52%。在本文单因素试验中壳聚糖澄清红树莓果汁时沉降的果泥高度(6.5 cm)高于明胶的果泥高度(5.9 cm);正交优化试验中壳聚糖澄清红树莓果汁的透光率(96.7%)高于明胶的透光率(94.2%)。综上所述壳聚糖对红树莓果汁的澄清效果优于明胶。虽然明胶对红树莓果汁的澄清效果较好,但在实验中发现,明胶澄清后的红树莓果汁略带有一定异味,且随着用量的增加果汁的颜色逐渐变浅,产品失去了树莓汁原有的深红色,说明明胶的添加量太多会引起果汁的变色变味,祁海平[30]等也认为明胶的用量过大(>0.5 g/L)会严重影响果汁饮料的感官品质。与其他澄清剂复合使用,能否掩盖明胶的异味并提高其澄清效果,还有待进一步的研究。所以最终确定壳聚糖为红树莓果汁的最佳澄清剂,它解决红树莓果汁在加工、贮藏、销售过程中澄清度的难题,所得的红树莓果汁呈深红色,澄清透明,具有浓郁的红树莓香味。

4 结论

在单因素澄清实验中,壳聚糖和明胶的澄清效果优于其余的澄清剂。根据正交优化试验和验证试验结果分析可知,壳聚糖在浓度1.8 g/L、澄清温度40 ℃、澄清时间36 h的条件下透光率可以达到96.7%。加入澄清剂后并不会影响到红树莓果汁的理化性质和抗氧化性。选出适宜的果汁澄清剂,不仅符合饮料工业日趋于功能化、健康化的发展趋势,而且满足消费者对健康的要求。