干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺优化

张海燕，康三江*，张 芳，张霁红，曾朝珍，袁 晶

（甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所，甘肃 兰州 730070）

干装苹果罐头是指以苹果为原料，经去皮、去籽巢、切块、抽空、脱水、装罐、密封、杀菌等工艺制成的苹果罐头产品[1]，是近年来国内外市场极具开发潜力的绿色食品。因其在加工工艺上保持了苹果原汁原味和具有再造性的品质特性，深受广大消费者尤其是欧美国家消费者的欢迎，据调查，国际市场需求量每年以15%的速度递增，已形成稳定的消费群体，产品主要出口德国、西班牙、英国、美国、爱尔兰等欧美国家[2]。但由于其在加工过程中受漂烫、杀菌等因素的影响，使得果块的成型稳定性降低，发生变形、软化，从而降低其品质及感官质量，严重影响了产品的出口及生产企业的发展。

减压预抽可以提高果蔬加工生产效率，改善和保持果蔬产品的品质，同时还创造了抑制细菌生长及抑氧的环境，使加工的产品符合卫生要求，广泛应用于蜜饯、罐头、脱水、冻结、功能性产品开发等果蔬加工领域[3-5]。钙处理是果蔬固化的传统方法，大量研究人员采用浸泡或真空浸渍协同氯化钙、乳酸钙等无机钙或有机钙的方法，提高了加工产品的硬度。但本课题组经过多年研究发现，减压预抽辅助碱性钙处理弥补了传统果蔬固化剂溶解性差、有异味或苦味等缺点，显著提高了干装苹果罐头的硬度和柔韧性[6-7]，但其作用机理尚不明确，有待深入研究。目前，普遍认为Ca2+直接参与了植物细胞壁的构成，Ca2+可以与果蔬细胞壁中的果胶物质产生不溶性的果胶酸盐类，形成交叉链桥状的凝胶，进一步增强了细胞的稳定性，从而延缓果蔬及其加工产品组织结构变软崩溃[8]。De Roeck等[9]研究发现，由于Ca2+的存在，使果胶保持了更好的凝胶网络结构，Ca2+处理可以改善细胞间黏附力，更好地保护细胞壁中胶层。研究表明，果实的软化与果胶组分和半纤维素组分的变化密切相关[10-12]，影响果胶凝胶的因素较多，主要有金属离子的浓度、pH值、酯化度等，其中受浓度的影响较大[13]。因此，本研究通过考察Ca2+质量浓度、减压预抽真空度以及预抽液pH值对干装苹果罐头钙形态和细胞壁组分的影响，并以氯化钠溶性钙含量和螯合剂溶性果胶（chelator soluble pectin，CSP）含量为响应值，采用响应面法优化干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺，旨在为进一步调控干装苹果罐头果肉组织软化机制和应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

秦冠苹果由天水昌盛食品有限公司提供。

柠檬酸、D-异抗坏血酸钠（均为食品级），氧化钙、去离子水、NaCl、醋酸、盐酸、醋酸钠、环己二胺四乙酸、Na2CO3、NaBH4、KOH（均为分析纯） 中瑞化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

DQ-XP30苹果削皮机 自制；SK-12抽真空机、Bw4T250封罐组合机、0806脱气设备 汕头市金平区顺成食品机械厂；DHG9240A型鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；PHS-3C酸度计 上海雷磁仪器厂；BL-2200H电子天平 日本岛津公司；3500透析袋美国Sigma公司；CARY 100紫外-可见分光光度计 美国瓦里安有限公司；TGL-16LM高速冷冻离心机 湖南星科科学仪器有限公司；ICE-3500型原子吸收分光光度计美国赛默飞世尔科技公司。

1.3 方法

1.3.1 干装苹果罐头样品的制备

常温常压下，将适量柠檬酸充分溶解于水中，再根据Ca2+质量分数将氧化钙与D-异抗坏血酸钠分别溶解于柠檬酸溶液中，分别配制成一定pH值的预抽液，按照预抽液与果肉的质量比例为10∶7，将切分好的果块分别浸入配制好的预抽液中，经设定好的真空度减压预抽30 min，蒸汽漂烫3 min，包装、杀菌。常温贮藏10 d后测定各项指标，每处理3 个重复。

1.3.2 单因素试验

以干装苹果罐头的不同形态钙含量、细胞壁组分含量为评价指标，分别以预抽液Ca2+质量质量浓度（0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/L）、预抽真空度（0、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 MPa）、预抽液pH值（0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0）为影响因素进行单因素试验，确定各因素的影响效果与适宜范围。

1.3.3 响应面优化试验

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken模型试验设计原理[14-15]，以Ca2+质量浓度、预抽真空度、预抽液pH值为自变量，以X1、X2、X3表示，并以1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平，以对干装苹果罐头细胞结构影响较大的氯化钠溶性钙和CSP为响应值，进行3因素3水平响应面分析，试验重复3 次，优化干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺条件，响应面试验因素水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Coded levels and actual corresponding levels of independent variables used for response surface analysis

1.3.4 不同形态钙含量测定

参照王玲利[16]、小西茂毅[17]等的方法，分别用去离子水、1 mol/L NaCl、2%醋酸、5%盐酸逐步提取水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙、盐酸溶性钙，用原子吸收分光光度计测定样品不同形态钙含量。

1.3.5 细胞壁组分的测定

综合参考Houben[18]、Moore[19]、蒋明凤[20]等的方法，采用乙醇不溶物法，测定细胞壁各组分物质水溶性果胶（water-soluble pectin，WSP）、CSP、碳酸钠溶性果胶（Na2CO3-soluble pectin，NSP）以及半纤维素（hemicellulose fraction，HF）的含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007软件，显著性分析采用DPSv7.05软件，多重比较采用Duncan新复极差法，Box-Behnken设计的试验数据采用Design-Expert 8.0软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 Ca2+浓度对干装苹果罐头钙形态及细胞壁组分的影响

图1 Ca2＋质量浓度对干装苹果罐头钙形态（a）及细胞壁组分（b）的影响Fig. 1 Effects of Ca2+ concentration on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

由图1a可以看出，碱性钙处理增加了干装苹果罐头中水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙和盐酸溶性钙含量。随着Ca2+质量浓度的增加，水溶性钙含量逐渐升高，各处理间差异极显著（P＜0.01）；氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙和盐酸溶性钙先升高后降低，且在Ca2+质量浓度为2.0 g/L时含量最高，分别为50.26、9.41、7.68 mg/kg，氯化钠溶性钙含量与各处理间差异极显著（P＜0.01），醋酸溶性钙和盐酸溶性钙差异不显著（P＞0.01）。说明进入到果肉组织中的钙主要以水溶性钙和氯化钠溶性钙的形态存在，果胶酸钙是氯化钠溶性钙的主要成分，水溶性钙中的Ca2+进一步与果胶结合形成果胶酸钙，作为主要钙形态存在于果肉组织中，但还有大量的水溶性钙存在。

如图1b所示，干装苹果罐头中CSP含量最高，其次是NSP，WSP和HF含量较低。随着Ca2+质量浓度的增加，WSP含量先降低后升高，Ca2+质量浓度为2.0 g/L时含量最低，为1.84 mg/g，极显著低于于其他处理（P＜0.01）；钙处理增加了干装苹果罐头中CSP、NSP和HF的含量，Ca2+质量浓度为2.0 g/L时含量最高，分别为12.72、10.76、4.76 mg/g，均极显著高于其他处理（P＜0.01），其后逐渐降低。这是因为经减压预抽辅助碱性钙处理后，WSP与其他果胶及Ca2+交联，形成稳定性更好、不易溶解的果胶组分，CSP和NSP含量增加，这与Houben等[18]研究干装苹果罐头贮藏过程中质地与细胞壁组分变化的结果一致，而随着Ca2+质量浓度的进一步升高，CSP和NSP降解为WSP，细胞黏着力下降，结构破损。

综合Ca2+质量浓度对干装苹果罐头钙形态（水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙、盐酸溶性钙）和细胞壁组分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影响，选择Ca2+质量浓度1.5～2.5 g/L进行后续响应面试验。

2.1.2 预抽真空度对干装苹果罐头钙形态及细胞壁组分的影响

图2 预抽真空度对干装苹果罐头钙形态（a）及细胞壁组分（b）的影响Fig. 2 Effect of vacuum degree on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

如图2a所示，随着预抽真空度的升高，水溶性钙含量先降低后升高，真空度为0.08 MPa时，其含量最低，为5.05 mg/kg，与其他各处理相比差异极显著（P＜0.01）；氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙和盐酸溶性钙含量先升高后降低，真空度为0.08 MPa时，含量最高，分别为50.80、9.50、8.56 mg/kg，氯化钠溶性钙与其他各处理相比差异极显著（P＜0.01），醋酸溶性钙和盐酸溶性钙差异不显著（P＞0.01）。说明适宜的真空度有利于Ca2+与细胞壁中胶层的果胶质结合形成果胶酸钙，从而保持细胞壁的完整性和稳定性，使干装苹果罐头具有较好的形状和弹性。

如图2b所示，干装苹果罐头细胞壁组分主要以CSP为主，其次是NSP、WSP和HF含量较低。随着真空度的升高，WSP含量先降低后升高，真空度为0.08 MPa时，含量最低，为1.82 mg/g，与其他各处理相比差异极显著（P＜0.01）；CSP、NSP和HF含量先升高后降低，真空度为0.08 MPa时，含量最高，分别为16.15、10.77、3.95 mg/g，与其他各处理相比差异均极显著（P＜0.01）。说明适宜的预抽真空度有利于Ca2+与WSP结合，形成结合力较强的CSP和NSP，但随着真空度的进一步升高，在外力作用下，细胞被破坏，CSP和NSP又降解为WSP，细胞结构不断发生降解，HF含量逐渐降低。

综合预抽真空度对干装苹果罐头钙形态（水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙、盐酸溶性钙）和细胞壁组分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影响，选择预抽真空度在0.07～0.09 MPa范围内进行后续试验。

2.1.3 预抽液pH值对干装苹果罐头钙形态及细胞壁组分的影响

图3 预抽液pH值对干装苹果罐头钙形态（a）及细胞壁组分（b）的影响Fig. 3 Effects of prepumping pH on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

如图3a可以看出，随着预抽液pH值的升高，水溶性钙含量先降低后升高，预抽液pH值为3.0时降至最低，且与其他各处理间有极显著差异（P＜0.01）；氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙和盐酸溶性钙含量先升高后降低，当预抽液pH值为3.0时，其含量达到最高值，分别为52.12、9.34、7.84 mg/kg，氯化钠溶性钙含量与其他各处理间有极显著差异（P＜0.01），醋酸溶性钙和盐酸溶性钙无显著差异（P＞0.01）。

如图3b所示，当预抽液pH值为3.0时，WSP含量降至最低，为2.06 mg/g，与其他各处理相比差异极显著（P＜0.01），之后随着预抽液pH值的进一步增大逐渐升高，同时CSP、NSP和HF含量升至最高，分别为14.94、11.86、3.38 mg/g，与其他各处理间有极显著差异（P＜0.01）。

综合预抽液pH值对干装苹果罐头钙形态（水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙、盐酸溶性钙）和细胞壁组分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影响，选择预抽液pH值在2.00～4.00范围内进行后续实验。

2.2 响应面法优化干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺

2.2.1 响应面试验设计及结果

为确定减压预抽辅助碱性钙处理干装苹果罐头最佳工艺参数，根据单因素试验结果，选择碱性Ca2+质量浓度、预抽真空度、预抽液pH值为影响因素，氯化钠溶性钙（Y1）和CSP（Y2）作为响应值，对减压预抽辅助碱性钙处理干装苹果罐头工艺条件进行3因素3水平的响应面分析试验，Box-Behnken试验设计及结果见表2所示。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Box-Behnken experimental design with experimental results

2.2.2 回归模型的建立与方差分析

利用Design-Expert 8.0数据分析软件对所得试验数据进行多元回归分析，得到氯化钠溶性钙（Y1）和CSP（Y2）对自变量Ca2+质量浓度（X1）、预抽真空度（X2）、预抽液pH值（X3）的二次多项回归模型方程分别为：

表3 氯化钠溶性钙回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model for the content of sodium chloride soluble Ca

对氯化钠溶性钙的回归模型进行方差分析，结果见表3。模型极显著（P＜0.000 1），失拟项P值为0.892 2，无显著性影响（P＞0.05），回归方程的相关系数R2为0.999 2，说明该模型能够解释99.92%的变化，预测值和试验值之间有较好的相关性，该模型对干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺优化试验拟合程度较好，可用该回归方程预测减压预抽辅助碱性钙处理工艺条件。表3显著性分析结果表明，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32在干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺中对氯化钠溶性钙的影响均达到了极显著水平（P＜0.01）。

对CSP的回归模型进行方差分析，结果见表4。模型极显著（P＜0.000 1），失拟项P值为0.467 9，无显著性影响（P＞0.05），回归方程的相关系数R2为0.999 3，说明该模型能够解释99.93%的变化，预测值和试验值之间有较好的相关性，该模型对干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺优化试验拟合程度较好，可用该回归方程预测减压预抽辅助碱性钙处理工艺条件。表4显著性分析结果表明，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32在干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺中对CSP的影响均达到了极显著水平（P＜0.01）。

表4 CSP回归模型方差分析Table 4 Analysis of variance of regression model for CSP content

2.2.3 响应面分析

图4 各因素对干装苹果罐头氯化钠溶性钙和CSP含量影响的响应面图及等高线图Fig. 4 Response surface and contour plots showing the interactive effect of various factors on the contents of sodium chloride soluble Ca and CSP

如图4所示，Ca2+质量浓度、预抽真空度、预抽液pH值之间的交互作用均极显著，在试验考察范围内，各因素对干装苹果罐头氯化钠溶性钙和CSP的影响由大到小依次为：Ca2+质量浓度（X1）＞预抽液pH值（X3）＞预抽真空度（X2），结果与方差分析相似。在适宜的Ca2+质量浓度、真空度以及预抽液pH值范围内，可以获得较高的氯化钠溶性钙和CSP含量。等高线变化趋势图中，Ca2+质量浓度的最佳范围为1.75～2.00 g/L，预抽真空度控制在0.75～0.80 MPa，预抽液pH值的最佳范围为2.50～3.00。

通过响应面分析并结合回归模型，利用Design-Expert 8.0软件进行最大值分析，优化出减压预抽辅助碱性钙处理工艺为Ca2+质量浓度2.0 g/L、预抽真空度0.08 MPa、预抽液pH 2.80，该条件下，预测氯化钠溶性钙含量为54.29 mg/kg，CSP含量为17.07 mg/g。为了确保所建回归模型的准确性，采用最优速冻条件进行验证，实验重复3 次，实际得到的氯化钠溶性钙含量为55.26 mg/kg，CSP含量为17.45 mg/g，与预测值的相对误差较小，说明采用响应面法优化得到的减压预抽辅助碱性钙处理工艺准确可靠，能够指导生产实践。

3 讨 论

在果蔬加工中，Ca2+浓度适宜的条件下，果胶甲酯酶从果胶分子的还原性末端或其临近的游离羧基去除甲氧基，形成二价阳离子的游离态半乳糖醛酸区域，与Ca2+形成不溶性凝胶[21]。本研究结果表明，减压预抽辅助碱性钙处理显著提高了干装苹果罐头水溶性钙和氯化钠溶性钙的含量，且水溶性钙中的Ca2+进一步与果胶结合形成果胶酸钙，作为主要钙形态存在于果肉组织中，但对醋酸溶性钙和盐酸溶性钙的影响不大，说明果胶酸钙可能参与了细胞壁的构成，有效抑制了细胞壁果胶组分、半纤维素组分的降解，起着维持细胞壁结构稳定性和完整性的作用，从而保持了干装苹果罐头果肉组织的质地，这与Silveira等[22]的研究结果一致。果胶组分（WSP、CSP和NSP）和半纤维素组分（HF）的差异引起果肉组织软化的主要因素。WSP与果胶的降解和果蔬的软化密切相关；CSP主链为钙离子交联的半乳糖醛酸聚糖；NSP、CSP和NSP的变化会影响细胞间的黏合力和细胞中间层的变化，二者含量越多，果胶质的稳定性越好；HF反映细胞壁成分的溶解和转化，与果实的软化有直接关系。本研究中，WSP含量降低，而CSP、NSP和HF的含量升高，这是因为经减压预抽辅助碱性钙处理后，果肉组织中存在大量的Ca2+，WSP与Ca2+结合，形成稳定性更好、不易溶解的果胶组分，增强了果胶质的网络结构，改善了干装苹果罐头的质地，在提高其硬度的同时增加了柔韧性，从根本上解决组织结构松软的问题。但有关减压预抽辅助碱性钙处理对干装苹果罐头质地的影响及其与钙形态和细胞壁组分之间的相关性分析有待于进一步研究，同时若能对果肉组织胞间层、初生壁、次生璧等的影响以及Ca2+在细胞壁中的分布变化进行检测分析，进而从细胞壁微观结构的改变来推断钙形态和细胞壁组分的转变，这对明确减压预抽辅助碱性钙处理在微观环境下对果肉组织软化的调控机制具有重要意义。

果胶的钙化衍生物果胶酸钙是由果胶中游离羧基与Ca2+反应而生成，果胶中的甲氧基含量越低,游离羧基越多，越容易与钙离子反应生成果胶钙[23]。随着Ca2+质量浓度的增加可以使凝胶强度增加，当超过最佳浓度比时，会使凝胶三维结构收缩，使凝胶强度变弱，这可能是由于Ca2+的加入会影响凝胶形成过程中的动力学行为，会使未酯化的羧基基团参与到凝胶形成过程中，在一定范围内增加钙离子浓度，会使凝胶强度增强[24-25]。本研究结果显示，Ca2+质量浓度为2.0 g/L时，对干装苹果罐头钙形态（水溶性钙、氯化钠溶性钙、醋酸溶性钙、盐酸溶性钙）和细胞壁组分（WSP、CSP、NSP、HF）含量的影响效果显著，说明适当浓度的钙离子可以增强果胶凝胶的网状结构。因此，在果蔬加工中，可以利用适宜的Ca2+质量浓度形成凝胶，阻止果胶的降解，从而抑制果蔬组织结构的软化。减压预抽主要为了脱除干装苹果罐头果块组织中的残留空气，防止氧化褐变，以及提高传热速率进而提高杀菌效率。但是，仅仅对苹果果块抽真空直接杀菌，容易出现果块松散软烂问题[26]。为此，采用减压预抽辅助碱性钙处理工艺加以解决，使杀菌后的果块形态完整而且口感柔韧。本研究以钙形态和细胞壁组分为评价指标，对适宜的减压预抽真空度进行了研究。结果表明，减压预抽真空度为0.08 MPa时，氯化钠溶性钙、CSP、NSP和HF的含量最高。酸性条件下，钙离子渗到果肉中，不仅能与果胶生成不易热解、酶解的果胶酸钙，也能与其他胶质结合，生成不易热解、酶解的物质，增加了难容难降解物质的含量及分子间的链接作用，适当的酸性条件有利于凝胶的形成，果胶分子上的COO-较多，果胶分子间排斥越严重，凝胶就越难形成，适当降低pH值，果胶分子上带电荷的COO-随之减少，当带电荷总数降低到某一值的时候，凝胶开始形成，且随着体系pH值的下降凝胶强度增强。但如果pH值过低，果胶分子间会形成一种低强度、非均匀的“预凝胶”[27]。因此本研究考察了不同预抽液pH值对干装苹果罐头钙形态和细胞壁组分的影响。结果表明，预抽液pH值为3.0时，对干装苹果罐头钙形态和细胞壁组分的影响显著。因此，本研究以Ca2+质量浓度、减压预抽真空度、预抽液pH值为影响因素，在此基础上，采用Box-Behnken试验设计方法和Design-Expert 8.0数据分析软件，以氯化钠溶性钙含量和CSP含量为响应值，优化出干装苹果罐头减压预抽辅助碱性钙处理工艺为Ca2+质量浓度2.0 g/L、预抽真空度0.08 MPa、预抽液pH 2.8，此条件下预测氯化钠溶性钙含量为54.29 mg/kg，CSP含量为17.07 mg/g。

4 结 论

通过单因素和响应面试验设计优化减压预抽辅助碱性钙处理工艺，得出各因素对干装苹果罐头钙形态和细胞壁组分的影响显著；优化出减压预抽辅助碱性钙处理工艺参数为Ca2+质量浓度2.0 g/L、真空度0.08 MPa、预抽液pH 2.8，此条件下预测氯化钠溶性钙含量为54.29 mg/kg，CSP含量为17.07 mg/g，为控制干装苹果罐头果肉组织软化和指导生产实践提供部分理论资料。