桑葚果粉的制备工艺 及其稳定性研究

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(华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430070)

桑葚是桑科落叶乔木桑树的聚花果,桑葚又被称为桑果、桑枣[1]。研究发现桑葚中含有大量的花色苷类物质[2-4],具有抗氧化、抗炎、抗血栓等活性作用[5-6]。由于新鲜桑葚果实皮薄、多汁的特点,尤其不耐贮藏,极易腐败,影响食用品质与商品价值[7-8]。通常被加工成果汁、果酱、果冻、果酒、果醋等产品[9]外,还通过干制加工成果粉[10]。新鲜桑葚加工成桑葚果粉,不仅延长了桑葚的贮藏期,降低了贮运、包装等费用,而且拓宽了应用范围。

目前研究干燥果粉有两个重要问题:活性成分的损失、不易干燥、易结块粘结等。果粉加工时采用的干燥方式主要有喷雾干燥、热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、变温压差膨化干燥等[11]。喷雾干燥使用较多,但温度较高,热敏性物质易被破坏,营养易损失,且喷雾干燥常采用果汁进行干燥,滤渣部分利用率低。热风干燥比较廉价易得,但对营养成分损失较大,真空冷冻干燥使物质中的活性物质能够有效保存,是一种比较好的干燥方式。叶磊等[12]报道真空冷冻干燥对果粉 VC、总酚、花色苷的保留率可达到95%以上。Sablani等[13]表示,经过冷冻干燥后,红树莓的花色苷含量较新鲜样品提高7%～26%、蓝莓提高6%～32%。桑葚中的花色苷不稳定,可受到自身细胞中的酶、糖和其他酚酸等影响[14],从而发生降解,冷冻干燥比其他干燥方式能更好的解决这个问题。由于果蔬中富含葡萄糖、果糖、蔗糖、苹果酸等有机酸成分,这些物质玻璃转化温度(Tg)低,吸水性好,会导致干燥果蔬粉易结块,发生粘结,有研究通过添加麦芽糊精、淀粉等Tg较高的物质,结块现象和粘结状态可以得到有效改善[15-16]。常用的冻干助剂有麦芽糊精、环糊精、阿拉伯树胶、果胶等大分子物质[16-17],这类物质的Tg高,加入后可以提高果蔬粉的Tg,在冻干及贮藏期防止其结块和粘结。Mosquera等[16]通过添加麦芽糊精和阿拉伯树胶增加了冻干草莓粉的稳定性,减少了果粉的粘结,降低了Tg,果粉结构不易塌陷,冻干后吸湿性低,贮藏更加稳定[18]。目前将麦芽糊精作为冻干助剂运用到冻干桑葚果粉中还未见报道。

本实验以速冻桑葚为原料,采用湿法粉碎工艺将整果制得果浆,然后果浆经真空冷冻干燥制得桑葚果粉,并通过正交试验优化桑葚粉制备工艺,以期制备花色苷含量高和水溶性好的桑葚果粉;并研究pH、温度、糖、氯化钠、防腐剂等外界条件对桑葚果粉中花色苷稳定性的影响,为后期桑葚果粉在面食制品、膨化食品、肉制品、乳制品、糖果制品、培烤制品等食品加工领域的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

桑葚 采自湖北武汉黄陂区,鄂桑1号;麦芽糊精、氯化钾、盐酸、醋酸、无水醋酸钠、葡萄糖、蔗糖、氯化钠、苯甲酸钠、山梨酸钾(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司。

LGJ-10真空冷冻干燥机 北京松源华兴科技有限公司;GZX-9240MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;UV-1700型紫外可见分光光度计 日本Shimpack公司;AL204型电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;Seven Easy pH计 梅特勒-托利多仪器有限公司;HH-S4型数显恒温水浴锅 金坛市医疗仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 桑葚果粉的制备 速冻桑葚室温解冻,按照一定的料液比、一定的麦芽糊精添加量和一定的匀浆时间，使用九阳料理机进行湿法粉碎匀浆,桑葚果浆平铺于平底容器中,厚度为1 cm,在-18 ℃冰箱中预冻12 h,再放入真空冻干机中(-53 ℃,10 Pa)干燥48 h,冻干后桑葚饼状物使用粉碎机粉碎1 min,得到桑葚果粉,果粉以花色苷含量和溶解度为指标,优化桑葚果粉的最佳制备条件。

1.2.2 单因素实验 固定麦芽糊精添加量3%,匀浆时间3 min,考察液料比(0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1 (mL/g))对桑葚果粉花色苷和溶解度的影响;固定液料比2.0∶1 (mL/g),匀浆时间3 min,考察麦芽糊精添加量(1%、3%、5%、7%、9%)对桑葚果粉花色苷和溶解度的影响;固定液料比2.0∶1 (mL/g),麦芽糊精添加量3%,考察匀浆时间(1、3、5、7、9 min)对桑葚果粉花色苷和溶解度的影响。

1.2.3 正交试验 以花色苷含量和溶解度为指标,在单因素的基础上选择适合的水平进行正交优化试验,采用L9(34)正交表安排实验,以花色苷含量和溶解度为指标,优化得到最佳工艺。

表1 L9(34)正交试验因素水平表Table 1 Levels and factors of orthogonal test

1.2.4 花色苷含量的测定 采用pH示差法测定,参照Chen等[19]的方法稍作修改,准确称取0.1 g 桑葚果粉加入10 mL 60%乙醇(盐酸酸化,pH3.0)提取液于25 mL容器中40 ℃水浴避光浸提2 h,6000 r/min,室温,离心15 min,收集上清液,沉淀物再次加入5 mL上述提取液提取2 h,合并上清液,定容至15 mL。取0.2 mL滤液分别用 0. 2 mol/L KCl-HCl 缓冲液(pH1.0)和0. 2 mol/L醋酸-醋酸钠(pH4.5)稀释至5 mL,混匀后静置20 min,分别用相应缓冲溶液做空白对照,在510和700 nm处测定吸光值。根据下述公式计算测定样品中花色苷含量,为方便比较,本研究果粉中花色苷含量(mg/g干重)为原料果干重花色苷含量,即去除添加的麦芽糊精的量,并以此计算比较干重原料果中花色苷保留率:

花色苷含量(mg/g)=(ΔA×DF×V×1000×449.2)/(26900×m)

式(1)

式(2)

1.2.5 桑葚果粉的溶解度测定 溶解度参照Abbasi等[20]的方法。1 g桑葚果粉加入到100 mL水中,室温下使用恒温磁力搅拌器在1500 r/min搅拌15 min,装入离心管中在室温4000 r/min转速下离心10 min,取25 mL上清液,在105 ℃条件下干燥至恒重,称量重量。

式(3)

式中：S-表示溶解度;m2-干燥后重量，g;m1-干燥前空盘重量，g;0.25-测定样品占取样比例。

式(4)

1.2.7 桑葚果粉花色苷稳定性的研究

1.2.7.1 不同pH对桑葚果粉花色苷含量的影响 参考田密霞等[22]的方法,稍作修改,配制不同pH(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0)的缓冲液,分别加入0.1 g桑葚果粉,室温下溶解,平衡静置2 h,取试样在400～800 nm波长范围扫描的吸光值的变化,并测定溶液花色苷含量。

1.2.7.2 温度对桑葚果粉花色苷含量的影响 取2.0 g桑葚果粉溶解于100 mL水中,6500 r/min室温离心10 min取上清液,分别取适量溶液于10 mL的具塞试管中,分别于4、25、40、60、80、90 ℃的恒温水浴锅中静置,每隔1 h取出立即冰浴,测定花色苷含量[22]。

1.2.7.3 葡萄糖和蔗糖对桑葚果粉花色苷含量的影响 分别配制2%、4%、6%、8%、10%浓度的葡萄糖和蔗糖溶液,分别加入0.1 g的桑葚果粉溶解,放置2 h,测定花色苷含量。

1.2.7.4 氯化钠对桑葚果粉花色苷含量的影响 分别配制1%、2%、3%、4%、5%浓度的氯化钠溶液分别加入0.1 g桑葚果粉溶解,放置2 h,测定花色苷含量。

1.2.7.5 防腐剂对桑葚果粉花色苷含量的影响 分别配制不同浓度0.2、0.4、0.6、0.8、1 g/L的山梨酸钾和苯甲酸钠溶液,加入0.1 g桑葚果粉溶解,放置2 h,离心取上清,测定花色苷含量。

1.3 数据处理

采用SPSS 18.0对数据进行处理和Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 液料比对花色苷含量和溶解度的影响 由图1可知,随液料比增加,花色苷含量增加。溶解度也随液料比的增加有不同程度增加。可能是由于加水后,桑葚果浆流动性变大,更有利于粉碎的进行。加水匀浆能够促使桑葚固体结构变得更加疏松,有利于干燥的进行。考虑花色苷含量作为功能营养因子,选择液料比为2∶1,花色苷含量较高。而溶解度在1.5∶1时达到最大,综合考虑液料比为1.5∶1～2.5∶1较合适。

图1 液料比对花色苷含量和溶解度的影响Fig.1 Effect of liquid ratio on anthocyanin content and solubility

2.1.2 麦芽糊精添加量对花色苷含量和溶解度的影响 由图2可知,随着麦芽糊精添加量的增加,花色苷含量有一定的增加,在3%时达到最大值。麦芽糊精的添加在一定程度上能够改善干燥后粉体的性质,可能是在匀浆过程中麦芽糊精作为一种包埋剂,能够对花色苷起到保护作用,从而使得花色苷含量有明显增加。另外,Lim等[23]研究喷雾干燥过程随着麦芽糊精的增加花色苷含量增加,这表明麦芽糊精对花色苷确实具有一定的保护作用。Ferrari等[24]研究了通过加入麦芽糖糊精进行快速干燥获得的花青素保留率为69%～80%。麦芽糖糊精可以形成更密集的保护系统以隔离氧气并保护花青素。从图2中看出,溶解度随麦芽糊精添加量增大而增大,是由于麦芽糊精本身的溶解性和麦芽糊精在湿法粉碎过程充当粉碎的介质。而麦芽糊精添加过多导致桑葚粉产品单位质量花色苷含量偏少,溶解度随着麦芽糊精的添加,逐渐增大,综合考虑选择麦芽糊精的添加量在1%～5%比较合适。

图2 麦芽糊精添加量对花色苷含量和溶解度的影响Fig.2 Effect of maltodextrin on anthocyanin content and solubility

2.1.3 匀浆时间对花色苷含量和溶解度的影响 由图3可知,随着匀浆时间的增加,花色苷的含量是呈现下降趋势,在时间小于5 min,花色苷的含量较高。从溶解度的角度来说,麦芽糊精的添加增加了桑葚果粉的溶解度,可能是添加麦芽糊精后匀浆使得粉末的空隙率增加从而导致溶解度增加,与Abbasi等[20]研究相似,麦芽糊精具有大量的羟基基团,具有更好的溶解性,当匀浆时间达到3 min以上时,由于匀浆时间增加,匀浆液温度相对升高,产生的这两种变化可能导致在之前形成的疏松结构塌陷,从而溶解度略微降低。匀浆时间作为湿法粉碎的必要因素,考虑到匀浆时间对花色苷含量的影响,选择匀浆时间1～5 min较合适。

图3 匀浆时间对花色苷含量和溶解度的影响Fig.3 Effect of time on anthocyanin content and solubility

2.2 正交试验结果

在单因素的结果上,根据正交表L9(34)安排试验,选择液料比、麦芽糊精添加量、匀浆时间三个因素进行湿法粉碎工艺研究,结果如表2。

表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal test

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

各因素对综合评分影响大小依次是:麦芽糊精添加量>液料比>匀浆时间,桑葚湿法粉碎冷冻干燥工艺的最佳工艺参数为A2B3C2,即麦芽糊精添加量3%,液料比2.5∶1 (mL/g),匀浆时间 3 min。

根据正交实验结果得到最优工艺条件不在正交表中,按照最优工艺(A3B2C2),即麦芽糊精添加量3%,液料比2.5∶1 (mL/g),匀浆时间 3 min进行验证,进行三次重复实验,验证所得结果为平均花色苷含量为14.90 mg/g,溶解度为41.27 g/100 g,按照上述综合评分法计算,综合分为0.91,结果优于正交表中最高分0.89。验证实验证明优化的工艺稳定可行。

2.3 桑葚果粉花色苷稳定性研究

2.3.1 不同pH对桑葚果粉花色苷的最大吸收波长的影响 如图4所示。最大吸收波长的吸光值随着pH的增加而减少,pH为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0的最大吸收波长分别为511、512、513、515、517 nm,pH1.0～5.0时最大吸收波长发生轻微红移。pH达到6及以上,花色苷的特征吸收峰消失。有研究表明[14]在较低的 pH<2时,花色苷主要以红色的阳离子形式存在,pH在3～6时,花色苷主要以无色的甲醇假碱和查尔酮形式存在,在中性时以醌式碱的形式存在。结构的变化导致最大吸收波长的变化。这些结构之间在一定条件下又可以相互转化,但后者转化为前者较难,所以在食品加工中应尽量保证较低pH,才能保证花色苷结构的稳定。

图4 不同pH下全波长扫描Fig.4 Full-wavelength scanning at different pH

2.3.2 不同pH对桑葚果粉花色苷含量的影响 如图5，随着pH增大,花色苷的含量下降。pH为3时,花色苷的含量为0.127 mg/mL,而在pH1.0溶液的花色苷含量为0.137 mg/mL,所以在pH3.0条件下,花色苷比较稳定,桑葚花色苷溶液在pH为7.0的溶液保存2 h后,花色苷含量为0.058 mg/mL,所以pH7.0时花色苷不如pH1.0稳定。所以桑葚果粉应尽量保持在酸性条件下使用。

图5 pH对桑葚果粉花色苷含量的影响Fig.5 Effect of different pH on anthocyanin content of mulberry

2.3.3 温度对桑葚果粉花色苷含量的影响 如图6，当温度在40 ℃及以下时花色苷含量无明显变化,当温度增加到60 ℃,花色苷含量略有减小,温度达到80、90 ℃时,花色苷含量急剧下降,随着时间的增加,花色苷含量下降明显增多。在0 h时,60和90 ℃的花色苷含量分别为0.156和0.153 mg/mL,在4 h 60与90 ℃的花色苷含量分别为0.145和0.098 mg/mL。可见桑葚花色苷在60 ℃及以下是比较稳定的,在生产中应尽可能降低使用的温度或者减少高温使用时间。

图6 温度对桑葚果粉花色苷含量的影响Fig.6 Effect of temperature on anthocyanin content of mulberry

2.3.4 糖对桑葚果粉花色苷含量的影响 如图7，葡萄糖或蔗糖添加量低于10%时对果粉花色苷的含量影响不明显(p>0.05)。因此,在桑葚果粉加工中可添加低于10%的葡萄糖或蔗糖。

图7 糖浓度对桑葚果粉花色苷含量的影响Fig.7 Effects of different sugar concentrations on anthocyanin content of mulberry

2.3.5 氯化钠对桑葚果粉花色苷的含量影响 如图8，氯化钠的添加使得桑葚花色苷的含量均比未添加时有所增加。在氯化钠浓度为0%～5%,氯化钠对花色苷含量的影响在2%时达到最大,增幅为9.2%,可能是随浓度增加,氯化钠具有辅色效果,杨颖等[25]的研究表明氯化钠对紫薯花色苷具有辅色效果。总体来说,氯化钠对花色苷没有破坏作用,在生产中可在小于5%范围内适当添加。

图8 氯化钠浓度对桑葚果粉花色苷含量的影响Fig.8 Effect of sodium chloride concentration on anthocyanin content of mulberry

2.3.6 防腐剂对桑葚果粉花色苷的含量影响 不同浓度山梨酸钾和苯甲酸钠对桑葚花色苷的影响,结果见图9和图10。苯甲酸钠和山梨酸钾的添加对桑葚花色苷含量有降低作用,苯甲酸钠添加0.2～1 g/L时,随着浓度的增加,花色苷含量减少,所以在加工中应当尽量减少苯甲酸钠的使用。山梨酸钾添加量在0.2～1 g/L时,会导致果粉的花色苷含量下降。所以在桑葚果粉加工时,应尽量减少或不添加防腐剂。

图9 苯甲酸钠对桑葚果粉花色苷含量的影响Fig.9 Effect of sodium benzoate on anthocyanin content of mulberry

图10 山梨酸钾对桑葚果粉花色苷的影响Fig.10 Effect of potassium sorbate on mulberry anthocyanin

3 结论

本研究在单因素实验的基础上,对桑葚果粉的制备的工艺条件进行正交试验优化,得到各因素对桑葚果粉综合评价指标的影响主次为:麦芽糊精添加量>液料比>匀浆时间。桑葚果粉的最优制备工艺为麦芽糊精添加量3%,液料比2.5∶1,匀浆时间3 min。此条件下制备的桑葚果粉中花色苷含量为14.90 mg/g,果粉的溶解度为41.27 g/100 g。该技术制备桑葚果粉采用桑葚整果,无废弃物,营养成分损失小,营养价值丰富,耐贮藏,具有较好的实用价值。稳定性试验证明,桑葚果粉中的花色苷在pH小于4的酸性条件下稳定;温度在60 ℃及以下较稳定;食品添加剂葡萄糖和蔗糖在8%以下对桑葚花色苷含量无显著影响(p>0.05);在浓度为5%及以下,氯化钠对桑葚粉花色苷含量有显著增加的作用(p<0.05);添加量在1 g/L以下,随防腐剂苯甲酸钠和山梨酸钾的增加均会导致桑葚花色苷含量下降。桑葚果粉的应用应尽量保持低pH、低温环境进行,不宜添加防腐剂使用,糖和盐的添加应适量。