桑葚浓缩汁的制备工艺优化及其抗氧化活性

曹培杰 马艳弘 崔晋

摘要：以桑葚为原料，通过单因素和响应面试验考察纤维素酶用量、果胶酶用量、酶解温度和酶解时间对桑葚出汁率的影响，对桑葚浓缩汁的加工工艺进行优化，探究酶添加量对桑葚汁中活性成分的影响并分析其抗氧化性能。结果表明，添加1.0%果胶酶、2.6%纤维素酶，50 ℃条件下酶解40 min，得到桑葚的出汁率最高，为81.1%。当果胶酶添加量为1.0%时，浓缩汁中花青素和维生素C含量最高，分别为95.184 g/L和1 099.412 mg/L;当纤维素酶添加量为2-5%时，浓缩汁中花青素和维生素C含量分别为85.999 g/L和957.416 mg/L。真空旋转蒸发浓缩温度为65 ℃，其抗氧化能力较强，抗超氧阴离子自由基能力和DPPH自由基清除能力分别为31 194.21 U/L和98.99%。

关键词：桑葚浓缩汁;出汁率;工艺优化;抗氧化;响应面设计

中图分类号： TS275.5  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0204-06

桑葚，多年生木本植物桑树的果实，是一种营养成分十分丰富的水果，含有人体所需的多种营养成分，如矿物元素、维生素及氨基酸等，并且含有黄酮类物质、花色苷类化合物、白藜芦醇、花青素等多种活性成分[1-2]，因而和沙棘、悬钩子等一起被誉为“第三代水果”。现代医学研究显示，桑葚可以提升人体免疫力、降低血糖血脂、延缓肌体衰老、改善皮肤血液供应等[3-5]。目前，桑葚除了鲜食以外，还可以加工成桑葚果酱、果汁饮料、桑葚果酒、桑葚果醋等。由于桑葚水分含量高达80%，因此不易贮存和运输，将其加工成果汁可以更有效地利用桑葚资源，提高其商业价值。

桑葚浓缩汁[6-7]是由原果汁脱除部分水分而得到的，将果汁浓缩可以减少体积、降低水分活度从而延长产品贮存期和货架期，而且浓缩更加有利于富集营养物质，方便其他以浓缩汁为原料的食品加工工艺的开展[8-9]。目前桑葚浓缩的方法主要有真空浓缩、冷冻浓缩、膜分离浓缩等[10]。本研究以桑葚为原料，出汁率为指标，优化桑葚汁的提取工艺，并测定其中的活性成分，探究真空旋转蒸发浓缩温度对其抗氧化性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

桑葚;纤维素酶、果胶酶、氯化钾、乙酸钠、抗坏血酸（维生素C），江苏南京建安实业有限公司;羟自由基测定测试盒、抗超氧阴离子自由基测定试剂盒、DPPH试剂，上海源叶生物科技有限公司。

多功能榨汁机，美的集团股份有限公司;微孔板分光光度计，美国伯腾仪器有限公司;TGL-16B台式离心机，上海安亭科学仪器厂;AL104型精密分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司;HH-4数显恒温水浴锅，江苏常州国华电器有限公司;RE-2000旋转蒸发器，北京辰泰克仪器技术有限公司;WYT-4手持糖度计，福建泉州中友光学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 浓缩桑葚汁制备工艺流程 真空旋转蒸发浓缩的终点判定[11]：采用WYT-4手持糖度计测试在不同温度下浓缩的桑葚浓缩汁白利度，待浓缩汁的白利度达到60°Brix，即为浓缩终点。桑葚浓缩汁制备工艺流程见图1。

1.2.2 原料预处理 挑选无腐烂、表面无损伤和杂质的桑葚冻果，解冻后，清洗干净，放入榨汁机中榨汁，制备桑葚原浆。桑葚汁的出汁率按照以下公式计算：

出汁率=離心后汁液质量/（原浆质量+酶质量）×100%。

1.2.3 桑葚汁提取单因素试验和响应面试验

1.2.3.1 果胶酶酶解单因素试验 初步选定果胶酶添加量为0.8%，酶解时间为60 min，酶解温度为50 ℃，以桑葚果汁的原果浆pH值3.8为基础条件，依次考察果胶酶添加量（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%）、果胶酶酶解时间（0、20、40、60、80、100、120 min）、果胶酶酶解温度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）对桑葚出汁率的影响。

1.2.3.2 纤维素酶酶解单因素试验 选定纤维素酶添加量为2.2%，酶解时间为60 min，酶解温度为50 ℃，以桑葚果汁的原果浆pH值3.8为基础条件，依次考察纤维素酶添加量（0、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%、2.6%、3.0%）、纤维素酶酶解时间（0、20、40、60、80、100、120 min）、纤维素酶酶解温度（30、35、40、45、50 ℃、55、60 ℃）对桑葚出汁率的影响。

1.2.3.3 复合酶解响应面设计 根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理[12-13]，在单因素试验的基础上，根据方差分析结果，对影响桑葚出汁率的各个因素进行响应面分析。选取纤维素酶添加量、果胶酶添加量、酶解温度、酶解时间这4个影响因素，进行四因素三水平的响应面试验，优化复合酶解工艺，试验因素与水平编码见表1。

1.2.4 酶添加量对桑葚汁品质的影响

1.2.4.1 对花青素含量的影响 采用pH示差法进行测定[14-17]：吸取不同酶处理后的桑葚汁， 稀释50倍。各取1 mL稀释后的桑葚汁加入到10 mL容量瓶中，然后分别用pH值为1.0和pH值为4.5的缓冲溶液进行定容，在冰箱中避光静置2 h，分别在520 nm和700 nm下测吸光度。

花青素含量的计算公式：

M（mg/L）=D×Mr×DF×1 000ε×1。

式中：M为花青素含量;D为pH值为1.0时520 nm与 700 nm 处的吸光度值差-pH值为4.5时520 nm与700 nm处的吸光度值差;DF为稀释倍数;Mr为矢车菌素-3-葡萄糖苷的相对分子质量449.2 g/mol;ε为矢车菌素-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数26 900。

1.2.4.2 对维生素C的影响 按照抗坏血酸（维生素C）测定试剂盒进行测定。

1.2.5 浓缩温度对抗氧化活性的影响 采用真空旋转蒸发浓缩的方法，研究不同浓缩温度对桑葚浓缩汁抗氧化性的影响差异[18]及品质差异。

2 结果与分析

2.1 酶解单因素试验结果

2.1.1 果胶酶添加量对出汁率的影响 由图2可知，出汁率随果胶酶添加量的增加而增大，当果胶酶添加量超过1.0%后，桑葚的出汁率增加趋势较为平缓，桑葚汁的出汁率维持在74.5%左右。这是由于底物添加量越大，果胶酶与底物反应越完全，桑葚的出汁率越高。随着果胶酶添加量的增大，果胶酶与底物反应处于饱和状态，过多酶分子无法与底物接触，导致出汁率增加不明显，过多地添加果胶酶，只能造成对果胶酶的浪费，考虑到经济成本，以及酶添加过多不利于桑葚汁的后续加工，故选择果胶酶的添加量为0.8%～1.2%。

2.1.2 果胶酶酶解时间对出汁率的影响 由图3可知，桑葚的出汁率在0～80 min内涨幅较快，当酶解时间超过80 min后，出汁率增加缓慢并趋于平缓。这是由于果胶酶可以水解植物细胞壁，促进细胞内含物的释放，从而使得出汁率不断增大。当一定量的果胶酶与桑葚浆反应完全后，反应时间的增长对桑葚浆的水解不再起作用，从而使得出汁率增长缓慢。因此，选择酶解时间为80 min。

2.1.3 果胶酶酶解温度对桑葚出汁率的影响 由图4可知，果胶酶酶解温度在30～55 ℃范围内时，桑葚的出汁率随酶解温度的升高而增大，当温度达到55 ℃时，桑葚的出汁率达到最大值（76.9%），随后再增加温度，桑葚的出汁率降低。这是由于果胶酶在一定温度下才能发挥其活性，温度过低其酶活性受到抑制，不利于酶与底物的接触，从而导致桑葚的出汁率较低，温度过高，果胶酶容易变性失活，反而不利于出汁率的提高。因此，在桑葚酶解的过程中，选择55 ℃作为果胶酶酶解的最适温度。

2.1.4 纤维素酶添加量对出汁率的影响 如图5所示，随着纤维素酶添加量的增加，桑葚出汁率逐渐增大，当纤维素酶添加量达到2.5%时，继续增加纤维素酶的用量，出汁率增加不明显，这是由于植物细胞壁是由纤维素、半纤维素和果胶等组成，在用纤维素酶处理桑葚浆的过程中，适量的纤维素酶可以使得桑葚浆水解加快，从而提高出汁率，但是过量的纤维素酶不能与足够的底物相互反应，从而使得桑葚浆的出汁率增加不明显，因此选择纤维素酶的添加量为2.0%～2.5%。

2.1.5 纤维素酶酶解时间对出汁率的影响 由图6可知，桑葚的出汁率随着酶解时间的延长而增大，但是在酶解时间超过100 min后，再延长酶解时间，桑葚的出汁率增加缓慢。这是由于在适宜的温度下，一定的反应时间会促进纤维素酶和底物的反应达到完全。当酶解完全时，再增加反应时间，对提高桑葚的出汁率并无太大影响。因此，选择纤维素酶酶解的适宜时间为100 min。

2.1.6 纤维素酶酶解温度对桑葚出汁率的影响 由图7可知，随着纤维素酶酶解温度的升高，桑葚的出汁率在不断增大，当温度达到50 ℃时，桑葚的出汁率达到最大，为73.3%。随后再增加温度，桑葚的出汁率下降。这是由于温度过高或者过低都会对酶的活性产生影响，温度过低，酶的活性会受到抑制，不能与底物充分结合;温度过高，会使酶失活，这2种情况都会导致桑葚的出汁率降低。因此，酶解温度应保持在适宜的条件下，选择50 ℃作为桑葚酶解的最适温度。

2.2 復合酶解响应面试验结果分析

根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，以桑葚出汁率为响应值，优化桑葚出汁率的工艺。试验设计结果见表2。

2.2.1 响应面分析 图8至图10反映了不同因素间交互作用对桑葚汁出汁率的影响。响应曲面图中的曲面的陡峭程度可以表明变量对桑葚出汁率的影响程度，曲面较陡峭表明影响较大，反之则较小;等高线图反映了因素间交互作用的强弱，椭圆形表示交互作用明显，圆形表示交互作用不明显[19-21]。由图8至图10可知，纤维素酶添加量与果胶酶添加量、纤维素酶添加量与酶解时间等高线均呈现椭圆、扁平状，由此可知上述因素之间的相互作用， 明显;而果胶酶添加量与酶解时间的等高线呈圆形，说明两者的交互作用不明显。

2.2.2 最优工艺条件验证试验 经过分析得到桑葚汁最佳提取工艺为纤维素酶用量2.57%、果胶酶用量1.06%、酶解时间42.19 min、酶解温度49.56 ℃，为了操作方便，修正最佳的提取条件为纤维素酶用量2.6%、果胶酶用量1.0%、酶解时间40 min、酶解温度50 ℃，在此条件下，进行3次平行试验，所得桑葚出汁率平均值为81.1%。实测值与预测值相对误差仅为0.707%，说明该优化设计方案可较好地预测桑葚汁的提取情况。

2.3 不同酶对桑葚汁品质的影响

2.3.1 纤维素酶添加量对花青素和维生素C含量的影响 如表3所示，当酶解温度为50 ℃，酶解时间为40 min，随着纤维素酶添加量的增加，桑葚汁中花青素和维生素C的含量先逐渐增大，当纤维素酶添加量为2.5%，花青素和维生素C含量均达到最大值，分别为85.999 g/L和 957.416 mg/L，之后开始下降，因为较高浓度的纤维素酶会破坏花青素的细胞结构，造成花青素含量的下降，因此，当纤维素酶添加量为2-5%时，花青素的提取效果较好。

2.3.2 果胶酶添加量对花青素和维生素C含量的影响 由表4可知，当酶解温度为 50 ℃，酶解时间为40 min，随着果胶酶添加量的增大，桑葚汁中花青素和维生素C先增加后减少，当果胶酶含量达到1.0%时，花青素含量为95.184 g/L，维生素C含量为1 099.412 mg/L，再增加酶的用量，花青素和维生素C含量均下降，因此再提高果胶酶的量对维生素C含量的提升不会有太大帮助。所以，当果胶酶添加量为 1.0% 时，维生素C含量较高。

2.4 桑葚浓缩汁的抗氧化活性分析

2.4.1 羟自由基抑制能力 由图11可知，随着桑葚浓缩汁温度的升高，桑葚浓缩汁的羟自由基抑制能力先增加后减小，当温度达到55 ℃时，其羟自由基的抑制能力达到最高值，之后再升高温度，羟自由基抑制能力减弱。这可能是由于温度较低时温度升高使得酶活性增大，桑葚汁中的活性成分溶出较多，所以抑制羟自由基的能力逐渐增强;温度过高会使得酶活性降低或丧失，致使桑葚汁中活性成分较少，抑制羟自由基的能力也减弱。

2.4.2 抗超氧阴离子自由基能力 由图12可知，随着温度的升高，桑葚浓缩汁的抗超氧阴离子自由基抑制能力逐渐提高，当温度在65 ℃作用时，其抗超氧阴离子自由基的抑制能力达到最高值，为31 194.21 U/L，之后再提高温度，桑葚汁的抗超氧阴离子自由基的能力开始下降，这是因为过高的温度使得桑葚汁中的活性成分含量降低，使得抗超氧阴离子的能力也降低。

2.4.3 DPPH自由基清除能力 由图13可以看出，温度对桑葚浓缩汁清除DPPH自由基的影响不是很大，温度为35 ℃时，DPPH自由基的清除率为88.69%，当温度升高至65 ℃时，桑葚浓缩汁的DPPH自由基清除率为98.99%，随后，再升高温度，桑葚浓缩汁的DPPH自由基清除率有所下降。

2.5 桑葚浓缩汁的感官评定

依此配方制得的桑葚浓缩汁饮料产品色泽呈紫红色，均匀一致;形态呈均匀流体，质地均匀，无颗粒，无结块，流动性好;滋味酸甜可口，没有不良异味，冲调性好，溶解快，静置 10 min 后无明显分层和沉淀物，感官品质良好，而且营养平衡，能量较低，具有减肥、排毒、预防疾病、增强免疫能力等多重保健功效。

3 结论

本试验主要研究了真空旋转蒸发浓缩桑葚汁的提取工艺，分别从酶解和抗氧化2个方面入手进行单因素试验，确定各因素的变化范围以及最佳条件。在单因素试验的基础上，通过响应面分析法优化桑葚出汁率的最佳提取工艺条件为纤维素酶添加量2.6%、果胶酶添加量1.0%、酶解时间40 min、酶解温度50 ℃，在此条件下，桑葚的出汁率为81.1%，提取率符合理论预测值。同时还对桑葚汁的维生素C含量以及花青素含量进行测量，当纤维素酶用量为2.6%、果胶酶用量为1.0%时，维生素C含量和花青素含量都较高。

温度是影响浓缩果汁口感和营养物质的重要因素，温度对桑葚浓缩汁抗氧化活性的影响结果表明，温度为65 ℃时，其对DPPH自由基的清除率最高可达98.99%;抗超氧阴离子自由基能力达31 194.21 U/L，对羟基自由基的抑制能力达到726.474 U/L。所以在65 ℃条件下，对桑葚汁进行浓缩，能够得到品质优异的桑葚浓缩汁，产品色泽、口感和营养能够较好的保存。

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