响应面优化鲜切猕猴桃片微波处理工艺

叶 青 赵武奇 田彦梅 原继昕 严 林 张昊阳

(1陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西 西安 710119;2陕西师范大学国际商学院,陕西 西安 710119)

猕猴桃(ActinidiaChinensis)是多年生藤本植物,又名奇异果,被称为“Vc之王”,其果实还含有矿物质、氨基酸等多种营养物质,有生津止渴、增强免疫、抗癌、抗突变、健胃消食等多种功效[1-3]。鲜切果蔬制品既保持了果实原有的外观、风味、口感以及营养成分,又满足了现代人方便、快捷的需求,深受消费者喜爱。但果实鲜切后易受微生物污染而导致腐败变质,严重影响其贮藏期[4-5]。因此,寻找一种合适的杀菌方式,在确保食品安全的同时,保持其营养物质含量并延长货架期已成为鲜切果蔬加工中的热点问题。国内外学者研究发现,低温贮藏[6-7]、气调包装[8]、减压贮藏[9]、涂膜保鲜[10]、超高压处理[11]、臭氧或臭氧水处理[12]以及离子体杀菌[13]等对延长鲜切果蔬的货架期均有一定的积极作用。微波具有安全性好,穿透力强,无毒副作用,对食品原料中的色素及营养成分[14]破坏较小等优点,对物料有热效应和非热效应的双重杀菌作用[15],在竹笋[16]、青椒[17]、白萝卜[18]、石榴籽[19]、草莓[20]、西兰花[21]、苹果汁[22-23]、番茄汁[24]、棕榈果实[25]等加工中过程中的应用取得了一定的效果。目前鲜见使用微波处理鲜切猕猴桃片的报道。本试验利用响应面法优化微波处理鲜切猕猴桃片的工艺条件,旨在为鲜切猕猴桃片的生产加工提供一定的理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验选用猕猴桃品种为海沃德,2018年10月釆摘于陕西省西安市周至县佰瑞猕猴桃研究院种植基地。选取大小形状均一、成熟度一致、未软化、无病虫害、无机械损伤的猕猴桃。试验前将猕猴桃样品置于0±0.5℃条件下贮藏。

抗坏血酸,成都市科龙化工试剂厂;碳酸氢钠,西安化学试剂厂;碳酸钙、蔗糖、氢氧化钠、草酸、石英砂、蒽酮、氯化钠,天津天力化学试剂有限公司;平板计数琼脂,北京奥博星生物技术有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

BA-224S电子天平,北京赛多利斯仪器系统有限公司;TA.XT Plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;NS-810色差仪,深圳三恩驰科技有限公司;UV-1800紫外分光光度计,日本岛津公司;ORW08S-5Z微波设备,南京澳润微波科技有限公司;8101手持式阿贝斯折光仪,大连先超科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 鲜切猕猴桃片制备 猕猴桃去皮→切成不同厚度→沥干→密封包装→不同参数微波杀菌处理→4℃条件下贮藏10 d,测定失重率、硬度、色差值ΔE、可滴定酸(titratable acid,TA)含量、抗坏血酸(vitamin C,Vc)含量、可溶性糖含量、可溶性固形物(total soluble solids,TSS)含量、总酚含量、叶绿素含量及菌落总数,每个试样做3次重复,取平均值。

1.3.2 响应面设计 选择微波功率(A)、微波时间(B)、切片厚度(C)为影响因素,以猕猴桃切片的失重率、硬度、色泽、菌落总数及其他品质特征指标为响应值,采用Box-Behnken设计三因素三水平响应面试验,见表1。

表1 Box-Behnken设计因子与水平Table1 Factors and levels of response surface design

1.3.3 失重率的计算

式中,M0为鲜样切片重量,g;M为贮藏10 d后切片重量,g。

1.3.4 硬度的测定 采用质构仪穿刺测试[26]。测前和测中速度均为2mm·s-1,测后返回速度为5mm·s-1。

1.3.5 色差值的测定 通过色差仪直接测定L*、a*、b*值,按照公式计算色差值(ΔE):

式中,L0、a0、b0为鲜样切片测定值;L*、a*、b*为贮藏10 d后猕猴桃切片测定值。

1.3.6 理化指标的测定 TA含量采用酸碱滴定法测定[27],猕猴桃中TA含量以柠檬酸计;Vc含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定[28];可溶性糖含量采用蒽酮试剂法测定[29];总酚含量采用紫外分光光度法测定[30];叶绿素含量采用比色法测定[31];TSS含量采用手持式阿贝斯折光仪测定[32]。各指标测定时每片猕猴桃分别测定,求平均值。并按照公式计算糖酸比:

1.3.7 菌落总数的测定 参照《GB 4789.2-2016食品安全国家标准 食品微生物学检验菌落总数测定》[33]。

1.4 数据分析

采用SPSS 20.0软件进行因子分析并绘制碎石图;采用Design-Expert 10软件设计三因素三水平响应面试验并绘制响应曲面,建立回归方程,进行数据分析,显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 响应面试验结果

表2是不同微波处理条件下鲜切猕猴桃片各项指标的测定值,1～17号是按响应面设计处理的17组试验猕猴桃片贮藏10 d后的结果,18号是对照组(未处理)样品未经贮藏时各指标测定值,19号为对照组(未处理)样品贮藏10 d后的试验结果,20号是最佳工艺条件(微波功率294 W,微波时间25 s,切片厚度8 mm)处理后猕猴桃片经10 d储藏后的测试结果。

2.2 鲜切猕猴桃片品质评价特征指标提取

安全性是食品的必备条件,因此选取菌落总数作为评价鲜切猕猴桃片的主要特征指标之一。除菌落总数外,对表2中的失重率、硬度、ΔE、TA含量、Vc含量、可溶性糖含量、糖酸比、TSS含量、总酚含量、叶绿素含量共10项鲜切猕猴桃片的评价指标进行主成分分析以提取品质评价特征指标。成分特征值贡献碎石图中,线段越陡峭,对应的成分对变异贡献率越大;线段越平缓,对应的成分对变异的解释越小。图1中前3个成分曲线陡峭,第4个因子之后曲线斜率增加,因而提取前3个成分为主成分。

由表3可知,通过主成分分析提取的3个成分的方差贡献率分别为55.247%、16.588%和9.860%,累计方差贡献率达到了81.694%,表明能够用这3个成分表达鲜切猕猴桃片品质指标的绝大部分信息。因而,将评价鲜切猕猴桃片品质的指标压缩为3个。

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表3 成分分析解释总变量Table3 Total variance explained of com ponent analysis

表4 旋转成分矩阵Table4 Rotated componentmatrix of factor analysis

利用SPSS 20.0软件进行最大方差法分析,得到旋转成分矩阵。由表4可知,与第一个主成分最相关的指标有糖酸比、TA含量、Vc含量、TSS含量、可溶性糖含量和叶绿素含量,体现了猕猴桃鲜切片的风味特征和营养特征;第二个主成分与ΔE、失重率相关性最强,体现了鲜切猕猴桃片的色泽特征和贮藏品质;第三个主成分与硬度最相关,体现了鲜切猕猴桃片的质地特征。将每个主成分中载荷系数最大(以绝对值计)的指标选为特征指标,提取糖酸比、ΔE、硬度3个指标作为鲜切猕猴桃片的品质特征指标。

2.3 响应面回归模型的建立与分析

通过Design-Expert 10软件进行回归模型分析,分别得到鲜切猕猴桃片的糖酸比(Y1)、ΔE(Y2)、硬度(Y3)和菌落总数(Y4)与微波处理工艺之间的多项式模型:

由表5可知,各特征指标建立的模型P值均小于0.05,且失拟项均不显著,表明所得回归模型可信度较高,可用于微波处理鲜切猕猴桃片的试验预测。各参数对糖酸比影响的大小顺序依次是C＞A＞B,C、AB、A2和B2对糖酸比均有极显著影响;各参数对ΔE影响的大小顺序依次是A＞C＞B,A2对ΔE有极显著影响,A对ΔE有显著影响;各参数对硬度影响的大小顺序依次是C＞A＞B,C对硬度有极显著影响,AC和C2对硬度有显著影响;各参数对菌落总数影响的大小顺序依次是A＞C＞B,A对菌落总数有极显著影响。

表5 糖酸比、ΔE、硬度、菌落总数的回归方程系数显著性检验结果Table5 Test of significance for regression equation coefficients of ratio of sugar to acid,ΔE,hardness,and total bacterial count

2.4 参数间交互作用分析

响应曲面图可以直观地反映出各参数之间的交互作用,曲面图抛物面越明显,参数之间的交互作用越强,反之则越弱。图2为微浸时间25 s时,切片厚度和微波功率对硬度的响应曲面图。当猕猴桃切片厚度和微波时间一定时,随着微波功率的增加,硬度呈增大趋势。在微波时间和微波功率一定时,随着切片厚度的增加,硬度呈增大的趋势。

图3为猕猴桃切片厚度为10 mm时,微波功率和微波时间对糖酸比的交互作用曲面图。当微波时间和猕猴桃切片厚度一定时,随着微波功率的增大,糖酸比表现为先减小后增加的趋势。当微波功率和切片厚度一定时,随着微波时间的延长,糖酸比呈先减小后趋于平缓的趋势。

2.5 微波处理鲜切猕猴桃片最佳工艺参数的确定及验证

糖酸比代表鲜切猕猴桃片的风味特征,其数值过大猕猴桃风味偏甜,且味道单调,数值过小口感过酸,食用品质差[34],糖酸比为5～7的果实酸甜可口[35]。ΔE数值越小说明贮藏后的猕猴桃片与鲜样色差越小,色泽保持度越高,外观品质越好。硬度越大说明猕猴桃片未软化,食用品质越好。因此,以糖酸比为5～7、ΔE值最小、硬度最大、菌落总数最小作为优化目标,应用Design-Expert 10软件的综合优化功能,对微波处理鲜切猕猴桃片的工艺参数进行优化,得到最佳工艺参数为:微波功率293.8 W、微波时间25.2 s、切片厚度8.0 mm。考虑到实际条件,调整为:微波功率294 W、微波时间25 s、切片厚度8 mm。在此工艺条件下处理的鲜切猕猴桃片在4℃贮藏10 d后的试验结果见表2中第20组数据,可以看出,微波处理的鲜切猕猴桃片贮藏10 d后食用品质明显比对照组好,菌落总数为2.68×104CFU·g-1,低于腐败水平临界值(105CFU·g-1)[36-37]。

由表6可知,在最优工艺参数下特征指标和菌落总数的实际测定值与理论预测值的相对误差均小于5%,表明得到的回归模型可信度高,可用于预测微波处理鲜切猕猴桃片的各项指标。

3 讨论

3.1 微波对鲜切猕猴桃片的杀菌效果

本研究优化得到的最佳工艺条件下鲜切猕猴桃片的菌落总数为2.68×104CFU·g-1,明显低于对照组的菌落总数(7.63×107CFU·g-1),说明微波处理可有效抑制猕猴桃鲜切片储藏过程中微生物的生长繁殖,且在储藏第10天,最佳工艺条件下鲜切猕猴桃片的菌落总数未超过105CFU·g-1,符合卫生安全标准要求[38],这与马晓玉等[39]对微波处理哈密瓜的研究结果相似。微波杀菌效果明显较优,这是由于微波具有“热效应”和“非热效应”双重杀菌作用,且微波能够深入猕猴桃内部进行加热,受热更均匀,杀菌更彻底。

表6 回归方程预测效果Table6 Prediction effect of regression equation

3.2 微波对鲜切猕猴桃片食用品质的影响

微波处理能够有效地保持鲜切猕猴桃片的外观品质。在最佳工艺参数条件下,ΔE为3.53,而对照组为8.51,说明微波处理可有效降低贮藏过程中猕猴桃片的色泽变化,这与张少颖等[40]利用微波处理苹果汁的研究结果类似。微波处理的样品中叶绿素含量大多介于4.00～8.00μg·g-1之间,而未经微波处理的对照组叶绿素含量为3.21μg·g-1,处理后叶绿素含量低于未处理样品,但高于对照组,分析原因,可能是微波处理使果肉细胞组织受到损伤,导致细胞内的有机酸与叶绿素接触的机会增多,且组织也生成了新的有机酸,在大量有机酸存在的条件下,叶绿素脱镁生成脱镁叶绿素,导致鲜切片绿色变浅,甚至变为褐色的焦脱镁叶绿素[41]。

微波处理能够有效地保持鲜切猕猴桃片的营养成份及风味物质。最佳工艺参数与对照组条件下的Vc含量分别为40.68 mg·100g-1和30.43 mg·100g-1,最优条件下Vc保存率高,这和王近近等[42]有关微波处理枇杷果汁的研究结果相似。微波处理可以提高Vc保存率,这是因为微波处理过程中氧化酶类均匀受热,活性得到充分抑制,减少Vc的氧化。微波处理的鲜切猕猴桃片中总酚含量介于1.53～1.72之间,与新鲜样品相比变化不明显,说明微波处理后的猕猴桃鲜切片在贮藏过程中总酚含量较稳定,这与杨文晶等[43]和费莉娟等[44]的结论一致,这是由于微波加热抑制了酶的活性,减少了酚类物质的氧化,同时微波处理有助于结合态酚类物质的释放。对照组的糖酸比约是新鲜样品的2.8倍,而最佳工艺参数处理的猕猴桃片糖酸比约是新鲜样品的2.1倍,微波处理可以抑制储藏过程中鲜切猕猴桃片可溶性糖含量的增加和TA含量的减少,这可能是由于微波处理减缓了细胞的呼吸作用。综上,微波处理对猕猴桃鲜切片的风味品质能起到较为有效的保持作用。

目前,延长果蔬贮藏期的方式主要是使用防腐剂和保鲜剂[45],但防腐剂的使用会影响果蔬的质量安全。微波处理鲜切果蔬污染少、安全好、无毒副作用,顺应了果蔬安全、天然、无毒害、便捷的发展潮流。因此,微波处理鲜切果蔬具有极大的应用潜力,不仅能够带来较高的经济价值,而且符合绿色生产理念,具有很高的潜在价值。为了进一步提升鲜切猕猴桃片的品质,可在微波处理的基础上使用辅助手段如复合保鲜剂[46]、生物源保鲜剂[47]、护色[48]、包装改良[49]等。

4 结论

本研究结果表明,猕猴桃鲜切片的品质特征指标为糖酸比、ΔE、硬度,以此建立的猕猴桃鲜切片品质特征指标及菌落总数指标的回归模型具有统计学意义(P＜0.05),可用于分析和预测微波处理参数对猕猴桃鲜切片品质特征指标及菌落总数的影响;微波处理猕猴桃鲜切片的最佳工艺参数为:微波功率294 W、微波时间25 s、猕猴桃鲜切片厚度8 mm,在此工艺条件下对鲜切猕猴桃片进行处理,能有效减缓猕猴桃鲜切片硬度下降,保持果实的外观、风味品质和营养物质,抑制鲜切猕猴桃片中微生物的生长繁殖,延长贮藏期。