浓缩苹果清汁加工过程中色值稳定性研究

曲昆生,蔡 晋,郝亚斌,于东华,孟秀芹,张 涛,包 振,曲天波,陈芹芹,李景明

(1.烟台北方安德利果汁股份有限公司,山东烟台 264100;2.中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193;3.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

我国是苹果生产大国,据中国统计局数据显示,2017年我国苹果产量达到了4139万吨,居世界产量第一位[1]。浓缩苹果汁是苹果的主要加工产品形式[2-5],其加工及贮运过程中仍然存在一些问题,如浓缩苹果汁的褐变、芳香成分逸散、营养损失及贮藏及流通后期的后浑浊等[6-8]。其中褐变使得果汁颜色变暗,风味下降,同时易导致果汁的后浑浊发生[9-13]。色值是影响浓缩苹果清汁质量和出口的重要技术指标,加工过程中色值控制不当会导致到岸色值低于客户需求[9,14]。色值的高低与原料品种、成熟度、加工工艺及贮藏条件等因素有关[15-16]。目前,文献中报道的色值控制技术主要集中在原料成熟度、超滤、反渗透及树脂吸附技术等相关研究[17-25]。在实际产业化生产中,浓缩苹果汁的加工企业主要采用酶解、在酶解工序添加助剂吸附及树脂脱色这些技术手段来稳定产品色值,提高生产效率。然而采用上述方式加工的浓缩苹果清汁再储存后,色值稳定性差,颜色变深,色值降低快,同样对清汁的内在质量存在严重影响。

苹果中富含果胶组分,在传统的苹果浓缩清汁加工过程中,仅使用苹果果胶酶对浓缩果汁进行酶解处理,这种处理方式最终得到的成品色值稳定性差,造成该问题的原因是苹果果胶包含由α-D-吡喃半乳糖醛酸组成的平滑区和由α-L-鼠李半乳糖醛酸组成的毛发区,通过前期实验研究发现,传统的苹果汁果胶酶仅仅将平滑区的果胶进行了分解,而毛发区的果胶未能被完全分解,因此导致残留的毛发区的果胶降解产物在成品中造成色值变化的问题。

本文以产自山东省烟台市的富士苹果与产自陕西省白水县、山西省永济市的秦冠苹果为原料,采用复合果胶酶处理,在果汁生产线上进行在线取样研究,明确复合果胶酶对浓缩苹果清汁色值稳定性的影响,以期为浓缩苹果汁实际产业化生产过程中色值的有效控制提供应用参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

富士苹果 山东省烟台市牟平区;秦冠苹果 陕西省白水县及山西省永济市;苹果汁 取样于烟台北方安德利果汁股份有限公司生产车间;果胶酶PA(酶活力600 PLU/g) 德国WeissBioTech公司;果胶酶PP(酶活力110000 MPLU/g) 上海嘉衡生物技术有限公司;淀粉酶GA(酶活力400500 U/mL) 诺维信(中国)生物技术有限公司;树脂LSA-900系列 西安蓝晓科技有限公司。

FWC-4破碎机 德国BELLMER公司;BFRU2500LR榨汁机 德国FLOTTWEG公司;酶解及树脂罐 烟台永盛金属结构有限公司;超滤机 南京凯米科技有限公司;全自动无菌灌装机 意大利FBR-ELPO公司;TU-1810紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 浓缩苹果清汁生产工艺流程 原料果→清洗、破碎→果浆→压榨→鲜榨汁→巴氏杀菌→酶解→超滤→树脂吸附→浓缩→无菌灌装→浓缩苹果清汁→低温贮藏。

其中,巴氏杀菌温度为≥98 ℃,杀菌时间≥30 s;在酶解工序添加果胶酶PA和淀粉酶GA进行澄清,以提高果汁色值及其稳定性、超滤通量。果胶酶PA及淀粉酶GA的使用量以果胶、淀粉检测为阴性结果为标准。果汁酶解温度为50～55 ℃;超滤膜孔径0.02～0.2 μm,截留不溶物含量<35%,允许可溶性固形物含量<18%;在常温下于8 m3的树脂罐中,添加8 m3食品级大孔吸附树脂进行吸附,流量为3～5 BV/h;灌装杀菌温度为98～102 ℃,时间 ≥ 45 s;灌装冷却后温度为18～23 ℃;低温贮藏温度为4 ℃。

1.2.2 果胶酶PP添加量对苹果清汁灌装前后色值的影响 根据果汁中果胶测定为阴性的生产经验,固定果胶酶PA的用量为25 mL/t,在1.2.1中所述酶解工艺中复合添加果胶酶PP,其添加量分别为0、5、10、15、20、25、30 mL/t,酶解时间为45 min,研究不同添加量的果胶酶PP与PA复合使用对苹果清汁灌装前后色值的影响,确定果胶酶PP的适宜添加量。

1.2.3 复合果胶酶的作用时间对苹果清汁灌装前后色值的影响 固定果胶酶PA和PP的添加量分别为25 mL/t和10 mL/t,研究复合果胶酶酶解时间分别为20、30、45、60、75、90 min下对苹果清汁灌装前后色值的影响,确定复合果胶酶的适宜酶解时间。

1.2.4 复合果胶酶处理对超滤及树脂吸附的影响 研究苹果清汁在复合果胶酶(PA为25 mL/t，PP为10 mL/t)酶解60 min条件下,其对超滤通量、超滤后色值变化及树脂有效运行时间的影响。其中,以树脂吸附后色值达到80%计算每周期树脂有效运行时间。

1.2.5 果胶及淀粉定性检测方法 果胶的定性检测、淀粉的定性检测均采用GB/T 18963-2012[26]中所示的方法。

1.2.6 色值测定方法 参照张建新等[10]的方法,将浓缩苹果清汁稀释至可溶性固形物为11.5 °Brix,采用分光光度计测定440 nm下的透光率即为色值。

1.2.7 复合果胶酶处理对浓缩苹果清汁贮藏色值稳定性的影响 将通过复合果胶酶处理后浓缩得到的浓缩苹果清汁,于4 ℃下冷藏100 d[26],对贮藏前后产品的色值进行测定,计算得到日褐变量。日褐变量的计算公式如下:

ΔT=(Td0-Td100)/100

其中,ΔT为色值日褐变量(%),Td0为浓缩苹果清汁0 d的色值(%),Td100为浓缩苹果清汁在4 ℃下冷藏100 d后的色值(%)。

1.3 数据处理

所有实验重复3次,所得结果表示为均值±标准偏差。采用方差分析(ANOVA)对各因素对产品色值影响的显著性进行分析;各处理之间的差异分析采用SPSS 17.0统计软件进行Duncan Multiple Range Test检验,p<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 果胶酶PP添加量对不同种苹果清汁灌装前后色值的影响

实际生产中,一般将淀粉、果胶定性检验为阴性作为酶解完全的标志,但是在长期贮藏过程中,果胶酶解后的寡糖、寡聚糖等组分与果汁中的酚类或者蛋白质组分结合,从而引起贮藏中色值下降的问题。因此,酶制剂的选用至关重要。前期研究表明,传统的苹果汁果胶酶PA仅仅将平滑区的果胶结构进行了分解,而毛发区的果胶结构未能被完全分解。本研究中采用果胶酶PP针对果胶毛发区的结构进行分解,研究了PA和PP酶的使用对富士及秦冠苹果清汁灌装前后色值的影响,结果分别如表1及表2所示。经统计分析,不同果胶酶品种对苹果浓缩清汁的色值有显著影响。仅使用PA进行酶解处理,富士及秦冠浓缩清汁灌装前后差值最高,达到6.7%～6.9%。随着PP酶添加量的增加,浓缩苹果清汁灌装前后色差值显著降低。与未添加PP酶相比,当PP酶添加量达到25 mL/t时,其对富士苹果清汁灌装前的色值具有显著影响;而15 mL/t的PP酶对秦冠苹果清汁的罐装前色值已有显著影响,但是其与10 mL/t的PP酶处理之间不存在显著性差异。当PP酶的添加量为10 mL/t时,两种苹果清汁灌装前后色值差值为3.2%左右,是仅添加PA酶处理的灌装前后色差值的一半左右,色泽提升效果显著;当PP的添加量超过20 mL/t时,各处理之间灌装前色值、灌装后色值无显著性差异。综合复合果胶酶的使用成本及作用效果,在PA添加量为25 mL/t时，选择PP的添加量为10 mL/t作为苹果浓缩清汁加工的适宜添加量。

表1 果胶酶PP添加量对富士苹果清汁灌装前后色值的影响Table 1 Effect of concentration of pectinase PP on the color value of Fuji apple juice before and after filling

表2 果胶酶PP添加量对秦冠苹果清汁灌装前后色值的影响Table 2 Effect of concentration of pectinase PP on the color value of Qinguan apple juice before and after filling

2.2 复合果胶酶的酶解时间对苹果清汁灌装前后色值的影响

复合果胶酶不同酶解时间(20～90 min)对富士和秦冠苹果清汁灌装前后色值的影响如表3及表4所示。结果表明,酶解时间对于苹果清汁色值具有显著影响(p<0.05)。随着酶解时间的延长,富士及秦冠浓缩苹果清汁灌装后的色值均有不同程度的增加,且灌装前后色值差逐渐降低。当酶解时间为60、75及90 min时,秦冠苹果灌装前色值无显著性差异。而对于富士苹果浓缩清汁来说,75 min的酶解时间于60、90 min之间均无显著性差异。综合来讲,60 min酶解处理组的灌装前后色值要显著高于20～30 min处理组,且在60 min处理下,灌装前后色值差在3%以下。因此,选择酶解时间60 min作为复合果胶酶的适宜处理时间。

表3 复合果胶酶的酶解时间对富士苹果清汁灌装前后色值的影响Table 3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the color value of Fuji apple juice before and after filling

表4 复合果胶酶的酶解时间对秦冠苹果清汁灌装前后色值的影响Table 4 Effect of enzymatic hydrolysis time on the color value of Qinguan apple juice before and after filling

2.3 复合果胶酶处理对超滤及树脂吸附的影响研究

复合果胶酶处理对超滤通量、超滤清汁色值及树脂有效运行时间的影响如表5所示。

表5 复合果胶酶处理对超滤通量、超滤清汁色值、树脂有效运行时间的影响Table 5 Effect of couple pectinase treatment on the color value,ultrafiltration flux and resin running time

由表5可知,10 mL/t的PP酶与25 mL/t的PA复合使用,可以显著提升超滤后苹果清汁的色值,提高超滤通量,并延长树脂运行时间。与单独使用PA酶相比,使用复合果胶酶的富士和秦冠苹果清汁的色值分别增加2.2%及2.3%;超滤通量分别增加10.4%及9.5%;树脂运行时间分别提高11.6%和11.1%。

2.4 复合果胶酶处理对浓缩苹果清汁贮藏色值稳定性的影响

复合果胶酶处理对浓缩苹果清汁贮藏色值稳定性的影响如表6所示。将浓缩苹果清汁在4 ℃下贮藏100 d,通过贮藏前后产品色值变化可知,贮藏期间产品色值显著下降。按照以往的单一PA酶工艺处理,100 d后产品色值下降10%以上,日褐变量ΔT超过0.1%;对于秦冠苹果汁,贮藏100 d后色值低于70%。而通过加入PP酶的复合处理,贮藏100 d后,其产品色值在80%左右,日褐变量ΔT低于0.05%以下,此条件下可以有效保证产品的品质[9,14]。

表6 复合果胶酶处理对浓缩苹果清汁贮藏后日褐变量的影响Table 6 Effect of couple pectinase treatment on the stability of color value during storage

2.5 混合苹果品种色值稳定技术的产业化研究

在富士和秦冠浓缩苹果清汁色值稳定技术研究的基础上,将不同品种原料进行混合,确定了浓缩苹果清汁的产业化工艺技术,复合果胶酶处理对不同苹果品种加工的浓缩清汁的色值影响如表7所示。结果表明,通过复合果胶酶(PA∶PP=25∶10 mL/t)酶解60 min,与原工艺相比,超滤后色值提高2.2%;灌装后色值提高4.6%,灌装前后色值差仅为2.9%;贮藏过程中日褐变量由原工艺的0.11%降至0.05%;且超滤平均通量和树脂有效运行时间均提高10%。综合结果表明,将PA与PP酶进行复合使用,可以有效解决浓缩苹果清汁产业化加工中的色值下降及不稳定的问题,对于提升产品品质具有显著效果。

表7 不同苹果品种混合后色值稳定技术的产业化研究Table 7 Industrialization research of color value during apple juice processing with different varieties of apple fruits

3 结论

通过果胶酶PA和PP的复合使用,可以有效提高浓缩苹果清汁加工过程中的色值,其中优化得到了复合酶解工艺为PA和PP酶的添加量分别为25 mL/t和10 mL/t,于50～55 ℃温度下酶解60 min。同时,复合果胶酶的使用可以显著提高浓缩苹果清汁贮藏过程中的色值稳定性,使其日褐变量可降低至0.05%;同时,超滤平均通量及树脂有效运行时间可提高10%以上。综上所述,PA与PP酶的复合使用可有效解决浓缩苹果清汁产业化加工中的色值下降及不稳定的问题,显著提升产品的市场竞争力。