超声波辅助酶法澄清树莓果汁的工艺优化

师 聪,李 哲,张建萍,陈尚龙,巫永华,刘 辉

(徐州工程学院,江苏徐州 221018)

树莓是蔷薇科悬钩子属植物,又名马林果、悬钩子、托盘、覆盆子等,为多年生小灌木,兼木草两性。主要分布在北半球寒带和温带,我国树莓约有210多种,主要以西北地区及长江以南多见[1]。树莓果实酸甜适口,柔嫩多汁,风味独特,富含有机酸、VE、矿质元素、氨基酸等营养素,还含有多酚、多糖、黄酮等功能性物质[2-3],因此其具有多方面的生理活性。据报道,树莓具有抗氧化、抗肿瘤、抗衰老、改善记忆、降血压、血脂、血糖等作用[4-7],被美国人称为“生命之果”[8]。

树莓成熟季节性很强,且树莓果皮极薄,组织娇嫩,呼吸速率高,在贮藏运输过程中极易腐烂变质,因此发展树莓深加工新领域,对树莓产业发展具有重要意义。目前,市场上以树莓为原料的果汁饮料尚不多见,在树莓果汁的加工、贮存及销售过程中,经常出现浑浊、沉淀、分层、失色等现象[9],影响了果汁的外观和品质[10]。酶法制备树莓澄清汁的工艺已有研究,但其主要侧重于果汁的出汁率等指标来确定最佳工艺[11],并未考虑树莓在酶解工艺过程中对澄清度的影响,传统的方法很难得到高澄清度的树莓果汁,且在贮存过程中极易发生二次沉淀[12]。

超声波能加速分子的扩散,被广泛应用于各种有效成分的提取分离[13-14]。酶解技术可有效地提高水果透光率,缩短加工时间,简化加工工艺,被广泛应用于果汁加工中[15-16]。本研究利用超声波辅助酶法处理树莓果浆,探讨不同条件对树莓出汁率和澄清效果的影响,采用期望函数同时优化多目标途径,以期获得出汁率高和澄清效果好的树莓果汁。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

树莓 市售;果胶酶(30000 U/g) 上海权旺生物科技有限公司。

JY-250Y超声波细胞破碎仪 上海熙扬仪器有限公司;HH-4A精密数显恒温水浴锅 冠森生物科技(上海)有限公司;FA1004精密电子天平秤 青岛拓科仪器有限公司;DHG-9101电热恒温鼓风干燥箱 杭州浣熊仪器科技有限公司;BL45J11榨汁机 美的巍然专卖店。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 原料选择→清洗→护色→打浆→超声→酶解→榨汁→离心分离→树莓澄清汁

挑选无病虫害、疤伤和成熟度完好的树莓果,用流动的自来水清洗表面,去除花萼和果梗。将树莓果完全浸入到0.3%的柠檬酸溶液中,然后用榨汁机打浆。将树莓果浆用超声波细胞破碎仪进行超声预处理,加入一定量的果胶酶,放在恒温的水浴锅中一段时间,加速树莓中果胶的分解,用榨汁机将酶处理后的树莓果浆进行打浆去籽,将果浆置于5000 r/min离心15 min,取上清液备用。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 超声功率对树莓澄清汁的影响 取50 g树莓果浆6份,在超声时间25 min,酶解时间1.5 h,果胶酶添加量0.06%,酶解温度50 ℃,超声功率分别为0、50、100、150和200 W条件下处理,结束后将果汁置于离心机中5000 r/min离心15 min,分别测定出汁率和透光率。

1.2.2.2 超声时间对树莓澄清汁的影响 取50 g树莓果浆5份,在超声功率150 W,酶解时间1.5 h,果胶酶添加量0.06%,酶解温度50 ℃,超声时间分别为15、20、25、30和35 min条件下处理,结束后将果汁置于离心机中5000 r/min 离心15 min,分别测定出汁率和透光率。

1.2.2.3 果胶酶添加量对树莓澄清汁的影响 取50 g树莓果浆5份,在超声功率150 W,超声时间25 min,酶解温度50 ℃,酶解时间1.5 h,果胶酶添加量分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%条件下进行酶解,结束后将果汁置于离心机中5000 r/min离心15 min,分别测定出汁率和透光率。

1.2.2.4 酶解时间对树莓澄清汁的影响 取50 g树莓果浆5份,在超声功率150 W,超声时间25 min,酶解温度50 ℃,果胶酶添加量0.06%,酶解时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0 和2.5 h条件下进行酶解,结束后将果汁置于离心机中5000 r/min 离心15 min,分别测定出汁率和透光率。

1.2.2.5 酶解温度对树莓澄清汁的影响 取50 g树莓果浆5份,在超声功率150 W,超声时间25 min,酶解时间1.5 h,果胶酶添加量0.06%,酶解温度分别为35、40、45、50 和55 ℃条件下进行酶解,结束后将果汁置于离心机中5000 r/min离心15 min,分别测定出汁率和透光率。

1.2.3 工艺优化 在单因素实验的基础上,选取果胶酶用量、超声时间和酶解温度3个因素,以树莓出汁率(Y1)和透光率(Y2)为响应值,采用三因素三水平的Box-Behnken响应面分析方法,运用期望函数同时优化多目标途径,确定超声波辅助酶法制备树莓果汁的最佳工艺条件。试验因素和编码水平设置见表1。

表1 Box-Behnken因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of Box-Behnken

1.2.4 出汁率 树莓出汁率(%)=树莓汁质量/树莓果浆质量×100

1.2.5 果汁澄清度 采用分光光度法[9]。树莓果浆经酶解和离心,取树莓澄清果汁上清液,以蒸馏水为参照物,于680 nm 测定透光率[9],用透光率 T(%)表示果汁的澄清度。

1.2.6 期望函数 通过单个响应值的重要度w来计算最大期望函数值,将所有的响应值根据如下方程转化为期望函数di,总体期望函数D按照公式(1)求最大期望函数值[17],根据最大期望函数值D,确定所对应的条件即为最佳条件[18]。

式(1)

式(2)

Yi(x)为第i个指标的响应值,Ymin,i为Box-Behnken设计中第i个指标的最低响应值,Ymax,i为最高响应值,d1、d2、dn为各响应值的期望值,n为响应值数目,w为重要度 1～5,d1为树莓出汁率的期望值,d2为树莓透光率的期望值,根据二者重要性,出汁率重要度(w1)和透光率(w2)的重要度都设为5。

1.3 数据处理

每个实验重复3次,采用SigmaPlot 10.0对数据进行处理和绘图,响应面实验采用Design-Expert 10进行设计和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 超声功率的影响 超声功率对树莓出汁率和透光率的影响结果如图1所示,当超声功率小于100 W时,随着超声功率的增大,出汁率和透光率都显著提高,超声波会产生机械效应、空化效应和热效应,对果汁中的果胶、蛋白质等大分子颗粒具有一定的分解破坏作用[19],加速物质的扩散速度,果胶含量大大降低,同时果汁的透光率得到提高,有利于果汁的澄清。当超声功率大于100 W时,树莓出汁和透光率无显著变化。因此,选择超声功率100 W左右为宜。

图1 超声功率对树莓出汁率和透光率的影响Fig.1 Effects of ultrasonic power on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.2 超声时间的影响 超声时间对树莓出汁率和透光率的影响结果如图2所示,在超声25 min内,树莓出汁率和透光率随着时间的延长而增大，因为果汁中的蛋白和果胶等大分子物质可接受超声作用的位点多,降解能力强,对树莓果汁的澄清效果好。当超声时间大于25 min,随着时间的延长,果胶的析出率增高,超声热效应产生的热量使果汁温度升高,内部气体外逸,果胶降解速率降低,果汁混浊程度增加,同时温度过高会使果胶的颜色加深,透光率降低。超声时间过长,树莓中的水分蒸发过多,也会造成出汁率降低。因此,选择超声时间25 min左右为宜。

图2 超声时间对树莓出汁率和透光率的影响Fig.2 Effects of ultrasonic time on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.3 酶添加量的影响 酶添加量对树莓出汁率和透光率的影响结果如图3所示,添加果胶酶可提高树莓出汁率,果胶酶添加量在0.02%～0.06%范围内,树莓出汁率随酶浓度的增大而提高,当果胶酶添加量大于0.06%后,树莓出汁率没有显著变化,这是因为在树莓果浆一定时,其所含的果胶类物质的含量一定,过量的果胶酶只能加速酶解反应,不能提高树莓出汁率。对于树莓果汁的透光率,在添加0.02%～0.06% 果胶酶时,树莓果汁透光率不断提高,但当酶添加量超过0.06%后,随着果胶酶添加量的增加,果汁的透光率会下降。这是因为果胶酶是一种蛋白酶,随着果胶酶添加量的增加,果汁中酶蛋白含量增加,会使果汁变浑浊[20]。所以,过多添加果胶酶,即增大生产成本,又影响树莓汁的口味和澄清度,因此,选择果胶酶添加量0.06%左右为宜。

图3 酶用量对树莓出汁率和透光率的影响Fig.3 Effects of enzyme addition on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.4 酶解时间的影响 酶解时间对树莓出汁率和透光率的影响结果如图4所示,当酶解时间小于1.5 h,随着酶解时间的延长,树莓出汁率迅速升高,当酶解时间大于1.5 h,果汁出汁率提高缓慢。树莓在酶解1.5 h前,透光率明显提高,但在1.5 h后,随着酶解时间的延长,透光率降低。所以,酶解时间过长,会造成树莓果汁澄清度降低,营养成分也可能损失。因此,固定酶解时间1.5 h。

图4 酶解时间对树莓出汁率和透光率的影响Fig.4 Effects of enzyme time on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.1.5 酶解温度的影响 酶解温度对树莓出汁率和透光率的影响结果如图5所示,在酶解温度为35～45 ℃时,出汁率和透光率随着温度的升高而提高,当温度为45 ℃,出汁率和透光率达到最大,当温度大于45 ℃,出汁率和透光率降低,果汁出汁率和透光率的变化趋势与果胶酶的活性相关,在一定的范围内,果胶酶的活性随着温度的升高而升高,在45 ℃左右果胶酶活性达到最高,随着温度的升高,果胶酶发生变性,酶活性降低,分解果胶类物质的能力降低,造成絮凝沉淀物的部分重新溶解,最终引起树莓汁透光率和出汁率降低,而且树莓的色泽也会加深,影响树莓汁的品质,因此,选择酶解温度为45 ℃左右为宜。

图5 酶解温度对树莓出汁率和透光率的影响Fig.5 Effects of enzyme temperature on the juice yield and transmittance of betacyanin in raspberry juice

2.2 响应面分析

在单因素实验的基础上,进行树莓出汁率和透光率的响应面优化实验,其中12个为析因试验,5个为中心试验,响应面优化实验设计和结果见表2。采用Design-Expert软件设计试验方案,结果见表2。

表3 出汁率回归模型方差分析结果Table 3 Analysis of variance of juice yield regression model

表2 响应面试验结果Table 2 Box-Behnken experimental results

回归模型方差分析见表3和表4。

表4 透光率回归模型方差分析结果Table 4 Analysis of variance of transmittance regression model

由模型P值可知,Y1和Y2模型具有高度显著性(P<0.01),失拟项都大于0.05,无显著影响,信噪比大于4,R2均达到0.9以上,由此可见Y1和Y2模型有很高的可信度和拟合度,可用于分析预测树莓出汁率和透光率与3个参试因子之间的关系。各因素对树莓出汁率和透光率的影响都为酶解温度>超声时间>果胶酶用量。Y1回归模型(表3),一次项对出汁率的影响达到极显著水平(P<0.01),交互项不显著,平方项均达到极显著水平;Y2回归模型(表4),一次项酶解温度和超声时间对透光率的影响达到显著水平,交互项不显著,平方项酶解温度和果胶酶用量对透光率的影响达到极显著水平。

应用Design-Expert对实验结果进行响应面分析,可以得到模型的响应图,该实验响应曲面图如图6和图7所示,图6反应出当酶解温度、超声时间和果胶酶用量三因素之一取零水平时,其他二因素对树莓出汁率的影响,图7反应出三因素之一取零水平时,其他二因素对树莓透光率的影响,响应曲线走势越陡,说明该因素对树莓出汁率和透光率影响越大,由回归模型方差分析和响应面图可以看出,交互作用效应均不显著。

图6 各因素交互作用对出汁率影响的响应面Fig.6 Response surface of interaction of various factors on juice yield

图7 各因素交互作用对透光率影响的响应面Fig.7 Response surface of interaction of various factors on transmittance of betacyanin

2.3 结果优化与验证

2.3.1 期望函数 根据Box-Behnken试验设计结果,取公式(1)中Ymin,1=75,Ymax,1=85,Ymin,2=80,Ymax,2=90,出汁率重要度(w1)和透光率(w2)的重要度都设为5,期望函数最大值为1,最小值为0,响应面分析将各指标期望函数最大化,得到最大期望[21-22]。多响应值转化为单响应值D后,利用响应面法,得到最大期望函数值为0.90,即超声时间26.59 min,果胶酶用量为0.06%,酶解温度44.33 ℃时为理论最优条件,该条件下对应的理论出汁率为84.25%,透光率为88.80%。而取以出汁率响应值最大为84.66%时的条件所对应的透光率为87.06%,此时期望函数值D1为0. 83;以透光率为响应值最大为84.66%时的条件所对应的出汁率为89.05%,此时期望函数值D2为0.84,均低于总体期望函数值0.90。这说明期望函数适合用于多响应值的优化,能合理地取得两个响应值之间的均衡。

2.3.2 验证实验 为检验Box-Behnken试验设计结果以及期望函数的可靠性,在优化的工艺参数下进行验证实验,考虑到实际操作条件,将最佳条件修正为:超声时间27 min,果胶酶用量为0.06%,酶解温度44 ℃,重复3次所得的出汁率为84.05%,透光率为88.82%,期望函数值最大为0.89,与理论预测值0.90差异不显著,说明模型可靠。

3 结论

本文主要通过单因素试验探究了不同果胶酶、酶解时间、酶解温度、超声功率和超声时间对树莓出汁率和透光率的影响,在单因素试验的基础,进行了Box-Behnken设计,以树莓出汁率和透光率为响应值,运行期望函数途径优化多目标,获得超声波辅助酶法制备树莓果汁的出汁率和透光率多目标优化的工艺参数。当超声功率100 W,超声时间27 min,果胶酶添加量0.06%,酶解时间1.5 h,酶解温度44 ℃时,树莓果汁出汁率为84.05%,透光率为88.82%,通过响应面分析和模型方差分析表明,实验建立的模型可靠有效,回归性显著。该工艺操作简单,成本较低,具有良好的应用前景。