响应面法优化超声辅助凹土-壳聚糖澄清姜汁工艺

(淮阴工学院生命科学与食品工程学院,江苏淮安 223003)

以生姜为原料的果蔬汁已逐步进入消费市场,且大部分由生姜制成的饮品都是浑浊型饮料,而颜色清澈、口感清爽的澄清姜汁饮品不多。而清汁类饮料的生产及贮藏过程中,后浑浊是引起其品质变化的主要原因。生姜中由于含有蛋白质、淀粉、纤维素等成分,其生产过程中由于澄清不彻底往往会形成后浑浊。因此,适宜的澄清工艺是解决这一问题的关键。

凹土(Attapulgite)即凹凸棒粘土,是一种内部层链状构造的含水富镁铝硅酸粘土矿物。其自身拥有独特的纤维构造,具备极好的吸附性能,被作为污水净化剂[1-3]、油品脱色剂[4]、中药澄清剂及固相萃取剂[5-6]等应用于多个领域。壳聚糖是一种天然高分子化合物,具有生物相容性、可降解性等特点,对多种物质都具有鳌合吸附作用,其带电的阳离子可与果汁中带负电的胶体物质产生静电从而使之絮凝沉淀,达到澄清的目的[7]。但是在实际应用中,也存在着如吸附的选择性不好、适用的pH范围较窄,达到平衡所需时间长等缺点,所以对壳聚糖进行适当改性,使其达到较理想的吸附及应用效果显得尤为重要。

本研究采用凹土-壳聚糖复合澄清剂对姜汁进行澄清,比较超声温度、超声时间、超声功率对姜汁澄清效果的影响,通过响应面法优化最佳澄清条件,并对比不同的澄清处理方法对澄清姜汁品质的影响,创新姜汁饮料的澄清方法并提供技术支持和理论依据,为生姜资源的开发利用提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

生姜 淮安农贸市场;壳聚糖 食品级,青岛潜光生物工程有限公司;纤维素酶(5万U/g) 食品级,江苏锐阳生物科技有限公司;凹凸棒黏土 淮安盱眙产;其余为生化试剂或分析纯试剂。

小型打浆机 山东九阳小家电有限公司;SXL-1008程控箱式电炉 上海精宏实验设备有限公司;MS系列磁力搅拌器 上海般特仪器有限公司;HHS2型数显恒温水浴锅 金坛市荣华仪器制造有限公司;DHG-9030型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;J-26XP高速冷冻离心机 贝克曼库尔特商贸(中国)有限公司;UV-1800紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司;KQ200VDE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 姜汁的制备 称取10 g经挑选、清洗、沥水等预处理好的鲜姜,切成碎块,按m(鲜姜)∶m(水)=1∶3的比例加入纯净水,再加入1.5 g/L的柠檬酸(以料液计),置于小型打浆机上打浆,得姜浆。将所得姜浆置于水浴锅中,加入0.004%的纤维素酶,在50 ℃下酶解30 min,降温后用100目的滤布压榨取汁,得浑浊姜汁。在超声温度54 ℃和超声功率160 W条件下,采用凹土-壳聚糖澄清法对姜汁进行澄清,澄清时间10 min。以5000 r/min、4 ℃离心20 min,得到澄清姜汁。

1.2.2 凹土-壳聚糖澄清剂的制备 参照李增新等[8]的方法,制备凹土-壳聚糖复合澄清剂。

1.2.2.1 凹土的活化 取20 g的凹土于坩埚中,700 ℃的马福炉煅烧4 h之后移至干燥器里存放。将活化后的凹土置于锥形瓶中,倒入400 mL的1 mol/L的盐酸溶液,90 ℃恒温搅拌4 h,除掉凹土里的有机物杂质。5000 r/min离心10 min后舍弃酸液,去离子水洗涤凹土至中性。再添加10%草酸溶液200 mL,室温搅拌2 h,静置5 h后离心分离,去离子水洗涤凹土至中性,放置于120 ℃的烘箱中烘干,得到酸活化凹土。

1.2.2.2 壳聚糖溶胶的制备 取10%草酸溶液20 mL及1%乙酸溶液5 mL混合均匀,加入1 g壳聚糖充分搅拌,将其放在50 ℃水浴锅里直到成为淡黄色黏滞性溶胶。调整草酸溶液以及乙酸溶液的用量可得不同浓度的壳聚糖溶胶。

1.2.2.3 壳聚糖的负载 取3%壳聚糖溶胶10 mL于烧杯中,25 mL去离子水进行稀释,50 ℃水浴锅中搅拌1 h,常温条件下缓慢添加5 g活化凹土,搅拌5 h,离心、抽滤,55 ℃真空干燥至恒重。然后取10 mL质量分数为3%的壳聚糖溶胶,并添加10 mL去离子水进行稀释处理,缓慢添加第1次负载后已经干燥的凹土-壳聚糖,50 ℃水浴搅拌6 h,静置,舍弃上清液,剩余物添加1.0 mol/L NaOH溶液20 mL,搅拌1 h后离心,去离子水洗涤至中性。抽滤后置于55 ℃真空中干燥至恒重。

1.2.3 姜汁澄清条件优化的单因素实验

1.2.3.1 超声温度的确定 在30 mL预处理姜汁中加入0.3 g凹土-壳聚糖,搅拌均匀之后,分别移至20、30、40、50、60、70 ℃水浴锅中,在超声功率160 W条件下超声处理10 min之后,用5000 r/min的转速离心20 min,取其上层清液测透光率,以透光率为衡量标准,确定超声温度对澄清效果的影响。

1.2.3.2 超声时间的确定 在30 mL预处理姜汁中加入0.3 g凹土-壳聚糖,搅拌均匀之后,在上述实验确定的最佳超声温度条件下,用160 W功率分别超声4、6、8、10、12、14 min,用5000 r/min的转速离心20 min,取其上层清液测透光率,以透光率为衡量标准,确定超声时间对澄清效果的影响。

1.2.3.3 超声功率的确定 在30 mL预处理姜汁中加入0.3 g凹土-壳聚糖,搅拌均匀之后,在上述实验确定最佳超声温度、最佳超声时间条件下,用100、120、140、160、180、200 W(超声总功率的50%、60%、70%、80%、90%、100%)功率超声,用5000 r/min的转速离心20 min,取其上层清液测透光率,以透光率为衡量标准,确定超声功率对澄清效果的影响。

1.2.4 姜汁澄清条件响应面优化设计 根据单因素实验结果,以透光率为响应值,超声温度、超声时间、超声功率三个因素为试验因子,进行三因素三水平响应面设计[9-12],优化出最佳的姜汁澄清条件。响应面试验的因素水平取值见表1。

表1 响应面试验因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.2.5 不同澄清方法对澄清效果的影响

1.2.5.1 超声辅助-凹土-壳聚糖澄清法 取30 mL预处理姜汁,添加凹土-壳聚糖0.3 g,在上述实验确定的最佳条件下反应,离心,得澄清姜汁。

1.2.5.2 壳聚糖澄清法 取30 mL预处理姜汁,调试pH至6.0,添加壳聚糖0.004 g,在50 ℃条件下,反应40 min后离心,得澄清姜汁[14]。

1.2.5.3 明胶单宁澄清法 配制适量的2%的单宁溶液和1%的明胶溶液,取100 mL预处理姜汁,先添加0.04 ‰的明胶溶液,混合均匀后再加入0.07‰的单宁溶液,常温静置1h后离心,得澄清姜汁[17]。

1.2.5.4 果胶酶澄清法 取30 mL预处理姜汁,调试pH至4.0,添加果胶酶0.1 g,在55 ℃条件下,酶解60 min后离心,得澄清姜汁[18]。

1.2.6 指标检测方法 色泽测定:用紫外-可见分光光度计在420 nm波长下测定姜汁吸光度A值[13];透光率的测定:用紫外-可见分光光度计在740 nm波长下测定姜汁透光率T值[14];可溶性固形物含量的测定:用数字糖度计测定姜汁中可溶性固形物含量;总酚含量的测定:采用Folin-Ciocaileu比色法[15]测定总酚;姜辣素含量的测定:采用紫外分光光度法[16]测定姜辣素含量;蛋白质含量的测定:采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量。

1.3 数据处理

数据处理采用SPSS 17.0软件进行统计分析,结果采用平均值±标准差表示,采用Design-Expert. V 8.0.6软件进行响应面组合实验,采用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声温度对姜汁澄清效果的影响 在超声时间10 min,超声功率180 W的条件下,探究超声温度对姜汁澄清效果的影响。由图1所示,当超声温度在20～50 ℃时,姜汁的透光率伴随着温度的提升而逐渐增加;当温度在50 ℃时,姜汁的透光率达到最大;此后随着温度的上升,透光率逐渐降低。可能是因为分子受过高温度的刺激作用,运动强度增加,致使分子间的吸附作用力降低[19]。因此,选择的超声温度为50 ℃。

图1 超声温度对姜汁澄清效果的影响Fig.1 Effect of ultrasonic temperature on clarification effect

2.1.2 超声时间对姜汁澄清效果的影响 在超声温度50 ℃,超声功率180 W的条件下,探究超声时间对姜汁澄清效果的影响。由图2所示,当超声时间在4～10 min时,姜汁的透光率伴随着时间的增长而逐渐增加,这可能是凹土-壳聚糖颗粒同姜汁里的各种胶体类大分子物质的接触愈来愈充足,澄清效果愈好。在澄清时间为10 min时,姜汁的透光率达到最大;此后随着时间的增长,透光率逐渐降低,这可能是凹土-壳聚糖复合颗粒进行了聚合作用后产生混浊物沉降下来,但是由于沉降需要耗费相应的时间,致使这些混浊物悬浮于果汁里,部分混浊物发生二次分解,姜汁产生轻微混浊现象[20]。凹土-壳聚糖复合颗粒在澄清姜汁时,表现出壳聚糖的正负电荷吸附力以及凹土的表面吸附作用[21-25],所以在10 min时,其所发挥的吸附能力已达到饱和,趋于稳定。因此,选择超声时间为10 min。

图2 超声时间对姜汁澄清效果的影响Fig.2 Effect of ultrasonic time on clarification effect

2.1.3 超声功率对姜汁澄清效果的影响 在超声时间10 min,超声温度50 ℃的条件下,探究超声功率对姜汁澄清效果的影响。由图3所示,当超声功率在100～160 W时,姜汁的透光率伴随着超声功率的增加而逐渐增加,可能是在超声作用下,凹土-壳聚糖复合物充分与姜汁里的分子类物质吸附聚合,澄清效果较强;当超声功率在160 W时,姜汁的透光率达到最大;此后随着超声功率的上升,透光率逐渐降低。可能是因为部分聚合混合物尚未沉降就受到超声的作用力被分解出来,再次形成轻微的沉淀[26]。因此,选择超声功率为160 W。

图3 超声功率对姜汁澄清效果的影响Fig.3 Effect of ultrasonic power on clarification effect

2.2 超声辅助凹土-壳聚糖澄清姜汁工艺的响应面优化试验

响应面试验结果与分析见表2。

表2 响应面试验结果Table 2 Results of the response surface experiment

采用Design Expert 8.0.6 软件对表2试验结果的数据进行回归拟合,得到回归方程:透光率=96.40+1.27A+0.80B+0.40C+0.15AB-0.30AC-0.35BC-1.75A2-2.07B2-1.77C2

表3 响应面模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted response surface model

注:*表示显著(P<0.05);**表示极显著(P<0.01)。

各因素的F值可以反映各因素对试验指标的重要性,F值越大,表明对响应值的影响越大。如表3所示,FA=64.75,FB=25.71,FC=6.49,故可知各因素对澄清姜汁透光率的影响顺序为:超声温度>超声时间>超声功率。由表3还可以看出,方程的一次项A(超声温度)和B(超声时间)对响应值的影响极显著(P<0.01),C(超声功率)对响应值的影响显著(P<0.05),二次项A2、B2、C2对响应值的影响均为极显著(P<0.01),A、B、C之间交互作用对响应值的影响不显著，图4～图6响应面图等高线稀疏，再一次验证了此结果。

图4 超声温度与超声时间 对姜汁透光率交互影响的响应面图Fig.4 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound temperature and time on light transmittance of ginger juice

由该模型优化得到超声辅助凹土-壳聚糖澄清剂澄清姜汁的最佳工艺为:超声温度为53.65 ℃,超声时间为10.40 min,超声功率为161.25 W,澄清姜汁透光率为96.73%。考虑实际操作,设定澄清的超声温度为54 ℃,超声时间为10 min,超声功率为160 W。按优化条件进行三组平行试验进行验证,平均透光率为96.78%±1.12%,实际值与预测值接近,证明通过该响应面优化后得出的回归方程具有实际意义。

表4 不同澄清方法对姜汁澄清效果及品质影响Table 4 Effects of different clarification method on effect and quality

注:同列均值有共同上标字母者表示差异不显著(P>0.05)。

图5 超声温度与超声功率 对姜汁透光率交互影响的响应面图Fig.5 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound temperature and power on light transmittance of ginger juice

图6 超声时间与超声功率 对姜汁透光率交互影响的响应面图Fig.6 Response surface illustrating the interactive effects of ultrasound time and power on light transmittance of ginger juice

2.3 不同澄清方法对姜汁澄清效果及品质影响

比较了超声辅助凹土-壳聚糖澄清法、壳聚糖澄清法、单宁明胶澄清法、果胶酶澄清法对姜汁澄清效果及品质的影响,结果见表4。

色泽是消费者对果汁进行质量评价和感官是否可接受的关键要素之一。从表4中可以看出,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法所得姜汁的色泽明显低于其它方法所得姜汁色泽,且差异显著(P<0.05)。对比透光率,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法、壳聚糖澄清法及单宁明胶法所得姜汁透光率较好,果胶酶澄清法所得姜汁澄清效果最差,与以上三者差异显著(P<0.05),其中超声辅助凹土-壳聚糖澄清法澄清效果最好。这是由于凹土具有强有力的吸附作用,壳聚糖能够凝聚阴离子成分,比如果胶和蛋白质。当两者负载共同作用时,能够把姜汁的悬浮颗粒充分沉淀下来[27],提高其透光率;对比四种方法所得澄清姜汁中的可溶性固形物的含量变化不大,差异不显著(P>0.05)。

多酚类化合物是一种较为活泼的化合物,其可与蛋白质聚合,还可产生多元酚自身的氧化缩合作用,或者同姜汁里其它化合物表现出颜色反应[28]。相较于其它澄清方法,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法所得姜汁的总酚含量较低,与其它三种方法差异显著(P<0.05),可能是由于凹土-壳聚糖复合物对多酚类物质的吸附性更强,减少了多酚存在而可能导致的颜色反应,降低了姜汁的色泽。

姜辣素是形成姜汁饮料独特姜辣口感的重要因素。相较于其它三种澄清方法,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法与果胶酶法所得姜汁的姜辣素含量均较高,与壳聚糖澄清法及单宁明胶澄清法相比,差异显著(P<0.05)。前者可能是因为超声的空穴作用使得更多的姜辣素被提取出来;而后者所得姜汁的姜辣素含量较高的原因可能是因为果胶酶的作用使其在分解姜汁中的果胶类、多糖物质时,把大量的姜辣素分解出来[29]。

在果蔬汁的澄清过程中,蛋白质是需要尽量除去的不稳定成分。从表4中可以看出超声辅助-凹土-壳聚糖澄清方法所得姜汁的蛋白质含量最低,这可能是由于凹土和壳聚糖都有聚阳离子的性质,且壳聚糖与蛋白质相结合的亲和力较强,从而能除去更多的蛋白质[30]。

从以上对比可以看出,超声辅助超声辅助凹土-壳聚糖澄清法在果蔬汁的澄清中是一种较好的澄清处理方式。

3 结论

本文通过响应面实验设计,研究了超声温度、超声时间、超声功率及其交互作用对姜汁澄清效果的影响,通过响应面软件构建了二次多项式回归预测模型,拟合性较好。经过优化后的超声辅助凹土-壳聚糖澄清姜汁的工艺条件为:超声温度54 ℃,超声时间10 min,超声功率160 W,透光率为96.78%±0.56%。同时以色泽、透光率、可溶性固形物、总酚含量、姜辣素含量、蛋白质含量为指标对比了不同澄清方法对姜汁澄清效果及品质的影响,结果发现,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法所得澄清姜汁色泽浅、透光率高、姜辣素含量高;而影响姜汁稳定性的总酚含量及蛋白质含量均较低,可溶性固形物含量与其它方法相比差异性不大,超声辅助凹土-壳聚糖澄清法更具优势。本研究不仅为姜汁提供了一种新的方法,更为果蔬汁澄清领域提供了重要的理论研究价值和应用价值。