响应面法优化NFC 苹果汁均质工艺研究

李根，初乐，马寅斐，赵岩，和法涛，朱风涛，丁辰

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）

苹果是蔷薇科（Rosaceae）苹果属（malus）植物的果实，富含糖类、维生素和矿物质等多种营养成分[1]。其中，蔗糖含量6.2%～26.8%，葡萄糖含量19.0%～43.5%，果糖含量43.7%～55.7%[2]。随着生活质量的提高，人们越来越注重食品的品质与营养，对品质高、营养好的水果制品的需求日益增加。苹果最主要的加工产品为浓缩苹果汁（NFC），NFC 苹果汁是一种既保留了天然风味，又含有丰富营养的纯天然果汁，盛行于欧美和日本市场[3]。但NFC苹果汁中有果肉颗粒产生的悬浮物等，会使果汁分层，降低果汁的感官品质及货架期[4]。

高压均质技术是将浊汁中颗粒物质在压力（最高可达约414 MPa）影响下，使其快速通过内腔，从而使液体中的固体大颗粒破碎成较小的颗粒，提高果汁的混浊稳定性[5]。Betoret E 等[6]通过测定橙汁在不同均质压力下的粒径、色泽和黄酮含量，得出均质对果汁粒径和色泽有影响，而对黄酮无影响，但经过5 个月储存后黄酮类受到影响。王丽娜等[7]研究发现均质工艺能够明显增强果汁的稳定性，30 MPa 下均质1 次后混浊苹果汁的稳定性较好。均质处理不仅对果汁物理特性产生影响，对果汁抗氧化性等化学特性也会产生影响。Karacam CH 等[8]发现在较高的均质压力下，蛋白质结构的改变可能会引起总可溶性固形物含量的减少，而在60 MPa 下处理后草莓汁抗氧化性无明显变化，但压力100 MPa 下总酚和抗氧化性都有明显提高。本试验研究了均质工艺对NFC 苹果汁稳定性及品质的影响，通过响应面试验对高压均质条件进行了优化，并对比了均质前后NFC 苹果汁稳定性的变化以获得稳定性较好的NFC 果汁，为高质量NFC 苹果汁的生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

红富士苹果，购于烟台栖霞市，4 ℃贮藏。

1.2 仪器与设备

HH-4 数显恒温水浴锅，江苏省金坛市正基仪器有限公司；STEPHAN UM5 破碎机，德国HERON FOOD MACHINERY SERVICE 公司；高压食品均质机，上海ATS ENGINEERING INC 公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

新鲜苹果→挑选→清洗→切块→破碎打浆→压榨→均质→脱气→杀菌灌装

1.3.2 操作要点

（1）挑选、清洗、切块选择无腐烂的新鲜苹果，用流动的清水洗净，然后切成5 cm×5 cm 的块状。

（2）破碎打浆、压榨

将苹果块放入Stephan 破碎机中，同时添加0.1%的VC 固体进行护色。得到的苹果浆用两层纱布过滤，果汁中不溶物含量在3%～4%。

（3）脱气

利用旋转蒸发仪对苹果汁进行脱气，防止氧化反应，真空度为0.08～0.087 MPa。

（4）灌装、杀菌

采用热灌装方式，灌装完后倒放一段时间后迅速放入冷水中冷却。将果汁加热到90 ℃杀菌10 s，趁热灌装。

1.3.3 高压均质工艺单因素试验

（1）均质压力对NFC 苹果汁稳定系数的影响

取NFC 苹果汁500 mL，在果汁温度30 ℃下分别以0、10、20、30、40 MPa 的压力均质1 次，测定均质后苹果汁的稳定系数。

（2）均质次数对NFC 苹果汁稳定系数的影响

取NFC 苹果汁500 mL，在果汁温度30 ℃以10 MPa的压力分别均质0、1、2、3、4 次，测定均质后苹果汁的稳定系数。

（3）均质温度对NFC 苹果汁稳定系数的影响

取NFC 苹果汁500 mL，在果汁温度20、30、40、50、60 ℃下以10 MPa 的压力均质1 次，测定均质后苹果汁的稳定系数。

1.3.4 高压均质工艺响应面试验优化

根据单因素试验结果，选择高压均质压力（A）、均质次数（B）、均质温度（C）进行响应面优化试验，试验设计如表1 所示。

表1 响应面试验设计Table 1 Design of response interview experiments

1.3.5 测定指标与方法

（1）果汁粒径的测定

采用激光粒径分布仪测定NFC 苹果汁粒径分布。

（2）果汁粘度的测定

采用美国BROOKFIELD 粘度计测定。

（3）果汁稳定性的测定

采用稳定性分析仪TURBISCAN Lab 进行稳定性扫描[9]。扫描频率为5 min/次，扫描时长为4 h，扫描温度25℃，稳定性分析结果为储藏期内正常存放1 个月，由设备计算得出TSI 稳定性指数。

2 结果与分析

2.1 均质工艺单因素试验

2.1.1 均质压力对NFC 苹果汁混浊稳定性的影响

图1 均质压力对苹果汁稳定系数的影响Fig.1 Effect of homogenization pressure on the stability coefficient of apple juice

图1 显示了均质压力对苹果汁稳定系数的影响。由图可知，在0～20 MPa 压力下，随着均质压力的增大，稳定系数逐渐增大，苹果汁混浊稳定性增强；这可能是因为，在强压力条件下，果汁受到均质机切割力作用，导致果汁中的果肉颗粒变小，增强了果汁稳定性。当均质压力增加到30 MPa 后，稳定系数开始下降，苹果汁混浊稳定性减弱；可能是由于均质压力的不断增大，果汁中悬浮颗粒半径减小，表面积增大，布朗运动的速度加快，颗粒碰撞次数增多，从而使颗粒容易聚合，导致果汁粘度降低，果汁的混浊稳定性降低。

2.1.2 均质次数对NFC 苹果汁混浊稳定性的影响

图2 显示了均质次数对苹果汁稳定系数的影响。如图2 所示，在均质次数0～2 次时，稳定系数随均质次数的增加而增大，果汁的稳定性逐渐增强。2 次均质时，果汁稳定系数达到最大，为0.476，比均质1 次的稳定系数增加了29.62%。当均质次数超过3 次时，果汁稳定系数逐渐降低，苹果汁的混浊稳定性减弱。可能是均质次数的增加提高了果汁体系的温度，使果汁分子间相互作用力增强，颗粒间易发生聚合，造成果汁体系的不稳定。

图2 均质次数对苹果汁稳定系数的影响Fig.2 Effect of homogenization times on the stability coefficient of apple juice

2.1.3 均质温度对NFC 苹果汁混浊稳定性的影响

图3 均质温度对苹果汁稳定系数的影响Fig.3 Effect of homogenization temperature on the stability coefficient of apple juice

由图3 可以看出，苹果汁的稳定系数随着均质温度的增加先增加后降低，苹果汁稳定系数在均质温度30 ℃时最大，为0.433；当温度超过30 ℃时，苹果汁稳定系数逐渐下降；60 ℃已降至0.376。根据文献可知，苹果汁中体系稳定的机理是悬浮颗粒带负电，部分脱甲基的果胶包裹着带正电的蛋白质，在20～30 ℃时随着温度升高，使NFC 苹果汁释放出更多内源果胶，悬浮颗粒之间的静电斥力更大，提高了苹果汁的稳定性；而温度过高可能会使果汁中物质发生絮凝，造成稳定性的下降[10,11]，这与本试验的研究结果一致。

2.2 均质工艺响应面优化

2.2.1 响应面设计及结果

表2 响应面试验设计及稳定系数测定结果Table 2 Experimental design and corresponding values for stability coefficient

采用三因素三水平的Box-Behnken 响应面模型，试验设计及结果如表2 所示。用Design-expert 软件对试验数据进行多项式回归拟合，并进一步研究和优化影响稳定系数的因素，做响应面图。多元回归拟合，得到稳定系数与各因素的二次方程模型为：Y=0.54+0.016A-0.009B+0.0.12C+0.014AB-0.022AC+0.022BC-0.14A2-0.15B2-0.075C2。

2.2.2 回归方程方差分析

由表3 方差分析结果表明，建立的回归模型对NFC苹果汁稳定系数达显著水平（P＜0.001），表明该Quadratic回归方程模型极显著。方程失拟项差异性不明显（P＞0.05），说明回归方程对试验的拟合情况误差不大，可以很好地表现出各影响因素和响应值之间的联系。因变量与自变量之间的相关系数R2=0.995 7，模型调整决定系数R2Adj=0.990 1，此模型说明了99.01%响应值的变化，方程拟合度较高；模型的预测系数R2pred=0.985 7，说明考察值和模型预测值间存在较高的相关性。表明该回归方程可代替试验真试点，从而分析和预测NFC 果汁稳定系数，并对各因素回归系数进行显著性检验。

一次项中均质压力（A）、均质温度（C）及二次项中AB、AC、BC、A2、B2、C2的P 值均小于0.05，说明均质压力、均质温度以及交互项和二次项均对NFC 苹果汁稳定系数有显著影响，其他交互项影响差异不显著（P＞0.05）。在所选的各因素水平范围内，各因素对稳定系数的影响大小依次为均质压力＞均质温度＞均质次数。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis for the established regression model

2.2.3 响应面分析

如图4 所示，在其他因素不变的情况下，NFC 苹果汁的稳定系数随着因素值的升高先上升后下降。高压均质压力和均质温度、均质次数和均质温度的等高线陡峭且较为密集，两者相互作用较为明显。沿均质压力和均质次数轴向的响应面较平滑且等高线变化较稀疏，两两交互作用较小。

2.2.4 验证试验

结合模型方程和响应面分析，得到均质工艺进行最优工艺参数为均质压力20.52 MPa，均质次数1.98 次，均质温度30.70 ℃。此时得到均质后NFC 苹果汁稳定系数预测值为0.554。据实际试验的可操作性，将均质工艺调整为均质压力21.00 MPa，均质次数2 次，均质温度31℃。在此工艺条件下对模型的预测参数进行验证，得到实际值0.546 与模型预测值差异不显著，表明采用响应面法优化得到的均质工艺参数可靠。

图4 各因素交互作用对稳定系数的响应面和等高线图Fig.4 Response surface and contour plots for the interactive effects of three parameters on stability coefficient

2.3 NFC 苹果汁均质前后稳定性表征

表4 均质前后苹果汁稳定性表征Table 4 Characterization of stability of apple juice before and after homogenization

均质化是一个向液体施加压力使固体颗粒和悬浮物破碎成更小颗粒的过程[12]。根据STOCK 理论可知，果汁稳定性主要是由固体悬浮颗粒尺寸和果汁粘度决定的。果汁中粒径较大，导致颗粒沉淀的速度加快，使果汁更容易分层。表4 显示了均质前后稳定性表征，由表可知，均质后平均粒径远小于未均质果汁，使果汁稳定性增强，这

3 结论

高压均质处理后果肉颗粒变小，稳定性提高。对均质工艺进行优化试验可知，NFC 果汁的稳定系数随着均质压力、均质次数、均质温度的增大呈现先增大后减小的趋势，采用Box-Behnken 中心组合试验设计原理，根据现实条件均质工艺改进为均质压力21 MPa，均质次数2 次，均质温度31 ℃，此工艺条件下对模型的预测参数进行验证，实际值与模型预测值差异不显著。此外，通过平均粒径、粘度、稳定性分析仪分析可知，NFC 苹果汁均质后粒径减小、粘度增大、稳定性增强。

可见，高压均质作为一种物理手段，能够节省添加稳定剂和酶解的时间，缩短工艺时间，在NFC 果汁加工中有广阔的应用前景。