大孔樹脂對長壩柚汁脫苦工藝的研究

唐 輝，肖仔君，鐘瑞敏，林 杰

(韶關學院英東食品科學與工程學院，廣東韶關512005)

柚子(Citrus grandis)是柑橘類果實的一種，為蕓香科植物柚的成熟果實，因其風味獨特，營養(yǎng)豐富，香味清爽，口感酸甜涼潤，而受到廣大消費者的喜愛［1-2］?；洷鄙絽^(qū)氣候、土質肥沃，適合種植柚子，其中韶關市長壩沙田柚含糖量高，風味濃郁，在全國各地頗受好評。目前，果園已進入盛果期，年產(chǎn)量已達2萬t，迫切需要對其進行深加工。據(jù)文獻記載［3-4］，引起柚汁產(chǎn)生過度苦味的主要物質是柚皮苷(Naringin)與檸檬苦素(Limonoids)，柚皮苷是一類黃酮化合物，帶有強烈的苦味，在水中的苦味閾值為20μg/mL［3］。類檸檬苦素中最重要的苦味源是檸堿，其在水溶液中的苦味閾值為1.0μg/mL［4］。如何去除和減少這些苦味物質是柚汁加工過程中一個非常重要的技術難題。目前，脫去柚汁中苦味物質的主要研究有:乙烯利代謝脫苦、β-環(huán)糊精屏蔽脫苦、吸附脫苦、酶法脫苦等［5-6］。其中，乙烯利代謝脫苦雖對檸檬苦素有一定作用，但對柚皮苷沒有明顯的影響［6］。采用β-環(huán)糊精包埋脫苦容易造成苦味物質重新析出［6-7］。柚苷酶脫苦時對類檸檬苦素類物質沒有作用，且國產(chǎn)柚苷酶容易失活，進口柚苷酶價格昂貴，不利于實際生產(chǎn)［8-10］。吸附樹脂亦稱大孔吸附樹脂或大網(wǎng)格吸附樹脂，以吸附為基本特征，是一種新型的有機高聚合物吸附劑，其化學性能穩(wěn)定、無毒，屬多孔性交聯(lián)聚合物，具有較高的比表面積和優(yōu)良的吸附能力［11］。柚汁與大孔樹脂接觸的方式主要有:固定化床技術、流化床技術和籠式接觸技術，其中籠式接觸技術能使苦味物質與吸附劑更好地接觸，其最大特點是可以較好的保留果汁中的風味及營養(yǎng)成分［11-12］。本文采用兩種常用的大孔樹脂對長壩柚子汁進行搖床模擬籠式接觸技術脫苦實驗研究，并選擇較優(yōu)的樹脂對脫苦實驗條件進一步優(yōu)化。實驗旨在選擇適合于長壩柚汁脫苦的優(yōu)良國產(chǎn)樹脂，探索可實際應用于規(guī)模生產(chǎn)的工藝技術，為特色水果產(chǎn)業(yè)化及深加工可持續(xù)發(fā)展提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長壩柚 采摘于韶關市金柚公司的果場;柚皮苷標準品、檸檬苦素標準品 均購于廣州市齊云生物技術有限公司，純度在99.8%以上;大孔樹脂 購于滄州寶恩化工有限公司;二甘醇、無水乙醇、乙醚、氯仿等 均屬于分析純。

膠體磨;三足式離心機;722型可見分光光度計;WHY-2S型水浴搖床;B80型手持糖度儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 指標測定方法

1.2.1.1 柚皮苷的測定 采用改良的戴維斯(Davis)法［13-15］，柚皮苷的標準曲線見圖 1。

圖1 柚皮苷的標準曲線Fig.1 Standard curve of Naringin

1.2.1.2 檸檬苦素的測定 參見文獻［16］，檸檬苦素的標準曲線見圖2。

圖2 檸檬苦素的標準曲線Fig.2 Standard curve of Limonoids

1.2.1.3 脫苦率的計算

式中，C柚是柚汁原有的未脫苦柚皮苷含量;C1是脫苦后測定的柚皮苷含量;C檸是柚汁原有的未脫苦的檸檬苦素的含量;C2是脫苦后測定的檸檬苦素的含量;檸檬苦素較柚皮苷苦20倍，由此，柚皮苷的苦味權重取1，檸檬苦素為20。

1.2.1.4 感官評定 挑選10名食品專業(yè)人員進行脫苦前后柚汁的感官評價，以5分記(苦味強烈記0～1分;有苦味，無柚汁濃郁香味記2～3分;無感官苦味，明顯品嘗出柚汁濃郁香味記4～5分)。

1.2.2 柚汁的加工工藝［8］柚子→去皮去囊衣→搗碎→膠體磨榨汁→加入果膠酶(0.1%)→酶解(40℃、1.5h)→鈍酶(95℃、15min)→三足式離心機過濾、澄清(3%硅藻土)→柚汁→待用

1.2.3 大孔樹脂的選擇 首先活化D101、HPD450兩類常用于苦味物質吸附的大孔樹脂［6，11］，然后取100mL柚汁(自然pH5.0)水浴加熱至40℃溫度，分別添加3%已活化的D101和HPD450的樹脂，在攪拌的情況下(轉速200r/min)將添加樹脂的果汁水浴恒溫保持5min，用300目以上的濾布過濾，截留樹脂，所得果汁即脫苦后的果汁，并測定柚皮苷含量、檸檬苦素含量，計算出脫苦率，比較兩種樹脂的吸附效果。

本文支持單值、模糊單值、區(qū)間值三種QoS數(shù)值表達方式。如，響應時間為單值屬性；安全性描述為一個集合{高，中，低}對應的數(shù)值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價格區(qū)間100元以內，為區(qū)間型屬性。本文將數(shù)值進行統(tǒng)一劃歸成精確型單值數(shù)據(jù)來表示。

1.2.4 單因素實驗 通過樹脂的選擇實驗，選擇對柚汁苦味物質吸附較多的大孔樹脂D101進行單因素實驗。主要研究樹脂添加量對脫苦率的影響(在樹脂保留時間5min、吸附溫度40℃、柚汁 pH5.0、搖床轉速200r/min的條件下，添加量分別取1%、3%、6%、9%、12%);樹脂保留時間對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、吸附溫度40℃、柚汁pH5.0、搖床轉速200r/min的條件下，保留時間分別取2、5、10、20、40min);吸附溫度對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留時間10min、柚汁pH5.0、搖床轉速200r/min的條件下，吸附溫度分別取10、20、40、80℃);搖床轉速對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留10min、吸附溫度40℃、柚汁pH5.0的條件下，搖床轉速分別取 100、200、300、400r/min);柚汁pH對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留時間10 min、吸附溫度40℃、搖床轉速200r/min 的條件下，分別調整 pH2.0、3.0、4.0、5.0。

1.2.5 響應面優(yōu)化實驗 在單因素的基礎上，選擇樹脂添加量、樹脂保留時間、吸附溫度等因素進行響應面優(yōu)化實驗，以脫苦率為指標。響應面實驗的因素和水平見表1。

表1 因素水平表Table 1 The table of factor and level

1.2.6 驗證實驗 以優(yōu)化實驗結果進行三次脫苦實驗，測定脫苦率，并對其進行感官鑒評，驗證實驗結果的可靠性。

2 結果與分析

2.1 不同類型的大孔樹脂對脫苦的影響

選擇極性強的大孔樹脂HPD450與非極性大孔樹脂D101進行柚汁脫苦實驗，結果如表2所示。

表2 D101與HPD450的脫苦效果比較Table 2 Comparison of the debittering effect of D101 and HPD450

由上表可知，鮮榨柚汁未脫苦時，由于其苦味物質的溶出，檸檬苦素達66.63μg/mL，較閾值高出60多倍，柚皮苷達253.00μg/mL，較閾值也高出了10多倍，苦味非常明顯。選擇常用的兩種樹脂對其進行脫苦，結果表明，兩種樹脂對柚汁的苦味物質均有吸附作用，而 D101樹脂對長壩柚汁的脫苦率比HPD450樹脂高4.11%，差異較明顯。D101樹脂吸附苦味物質后，柚汁的檸檬苦素仍達21.19μg/mL，較閾值高出20多倍，柚皮苷仍達81.75μg/mL，較閾值也高出了4多倍。為了進一步降低鮮榨柚汁的苦味物質至閾值，選擇D101樹脂對脫苦實驗進行進一步優(yōu)化。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 樹脂添加量對脫苦率的影響 由圖3可知，隨著樹脂添加量的增加，脫苦率明顯增加，當樹脂添加量達6%左右時，脫苦率的增幅趨于平緩。樹脂添加量過多會影響柚汁營養(yǎng)成分和風味，引起可溶性固形物含量及VC的大幅下降［5-7］。樹脂添加量過少，達不到脫苦效果。因此，本實驗確定樹脂的最佳添加量為6%。

圖3 樹脂添加量對脫苦率的影響Fig.3 Effect of including different amount of resin on the debittering rate

2.2.2 樹脂保留時間對脫苦率的影響 由圖4可知，隨著樹脂保留時間的增加，脫苦率呈現(xiàn)由急到緩的增加趨勢，當保留時間達到10min左右，脫苦率的增幅趨于平緩。保留時間過長，會吸附柚汁一些營養(yǎng)酸性成分，改變其pH，引起柚汁的沉淀［5-6］，且經(jīng)濟效益降低。保留時間過短，脫苦效果不明顯。因此，本實驗確定樹脂保留的最佳時間為10min左右。

圖4 樹脂保留時間對脫苦率的影響Fig.4 Effect of adsorption time of resin on the debittering rate

2.2.3 吸附溫度對脫苦率的影響 由圖5可知，吸附溫度對脫苦率稍有影響。吸附溫度從20℃上升至40℃時，脫苦率增幅較大，吸附溫度從40℃上升至80℃時，脫苦率幾乎無變化。因此，本實驗確定最佳的吸附溫度為40℃。

2.2.4 轉速對脫苦率的影響 由圖6可知，較速對脫苦率影響不大。如圖所示，隨著轉速的增加，脫苦率基本呈一條直線，說明轉速對脫苦率沒有明顯的影響。D101樹脂為非極性吸附樹脂，通過與小分子內的疏水部分的作用及多孔性結構吸附其中的苦味物質，當柚汁與樹脂充分接觸時，轉速的快慢對苦味物質的吸附影響不大。因此，本實驗確定最終轉速維持在設備較好控制的200r/min。

圖5 吸附溫度對脫苦率的影響Fig.5 Effect of adsorption temperature of resin on the debittering rate

圖6 轉速對脫苦率的影響Fig.6 Effect of rotation speed on the debittering rate

2.2.5 pH對脫苦率的影響 由圖7可知，酸性條件下，柚汁的pH對脫苦率的影響較小，pH2.0、3.0、4.0、5.0時，脫苦率基本無變化。而若改變柚汁的pH為堿性時，會改變柚汁的性質，引起一系列化學變化，導致柚汁絮凝［5-7］。因此，本實驗確定柚汁的pH取自然pH5.0為最終實驗條件。

圖7 pH對脫苦率的影響Fig.7 Effect of pH on the debittering rate

2.3 響應面實驗結果

單因素實驗研究了不同的脫苦條件對長壩柚子汁的影響。但實際上對脫苦率影響較大的是樹脂添加量、吸附時間、吸附溫度，為了進一步優(yōu)化脫苦工藝條件，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理，以樹脂添加量、樹脂保留時間、吸附溫度為自變量，以脫苦率為響應值，研究這3個因素的主效應和交互效應對脫苦率的影響，以期求得最佳的脫苦條件。設計三因素三水平的響應面分析(RSA)實驗(共17次實驗，其中12次為析因實驗，5次為中心實驗以估計誤差)。實驗設計方案及響應值結果見表3。

表3 響應面實驗設計及實驗結果Table 3 Response surface methodology experiment design and experimental result

2.3.1 二次回歸擬合與方差分析 利用Design-Expert軟件響應面分析程序對17組實驗的響應值結果進行回歸擬合，建立二次響應面模型，并進行方差分析，柚汁脫苦率的回歸分析結果見表4。

表4 回歸分析結果Table 4 The result of regression analysis

柚子汁脫苦率的初步回歸方程為:

由表4可知，回歸模型極顯著(p=0.0023＜0.01)，相關系數(shù) R2=0.9337，p＜0.01，失擬項不顯著(p=0.1861＞0.05)，說明模型擬合程度好，有實際應用意義。對回歸方程系數(shù)進行顯著性檢驗(表4)，表明:對脫苦率的影響排序為:樹脂添加量(A)＞樹脂保留時間(B)＞吸附溫度(C)。其中，A、B和AB對Y的影響差異極顯著，A2對Y的影響顯著，而C、AC、BC、B2、C2對Y的影響不顯著。可見，實驗各因素對兩種品種柚汁的脫苦率影響不是簡單的線性關系。在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后，對原模型進行優(yōu)化可得:Y=95.03+3.46A+2.90B-2.86AB-2.28A2。

為更直觀的表現(xiàn)三個因素同時對脫苦率的影響，利用Design Expert軟件對表4數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到二次回歸方程的響應面及其等高線見圖8～圖10。當響應面值最大時，樹脂添加量(A)、吸附時間(B)、吸附溫度(C)對應的編碼值分別為 A=0.020、B=1、C=0.44，對應長壩柚汁脫苦率的最佳條件為:樹脂添加量6.04%，樹脂保留時間15min，吸附溫度44.4℃，柚子汁的理論脫苦率值為96.80%。

圖8 因素A和B對脫苦率影響的響應面圖Fig.8 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor A and factor B

圖9 因素A和C對脫苦率值影響的響應面圖Fig.9 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor A and factor C

圖10 因素B和C對脫苦率影響的響應面圖Fig.10 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor B and factor C

2.4 驗證實驗結果

為了驗證優(yōu)化結果的可靠性，按照上述結論在樹脂添加量6.04%，樹脂保留時間15min，吸附溫度44.4℃，搖床轉速200r/min，柚汁pH為自然pH5.0的最佳工藝條件下，對長壩柚汁進行三次脫苦實驗，測定脫苦率，并進行感官評價，實驗結果如表5所示，其平均脫苦率為96.31%，該數(shù)值與模型預測值96.80%基本一致，說明響應面模型可以較好的預測脫苦情況，同時也說明應用響應面法來尋求柚汁脫苦的最佳工藝參數(shù)是可行的。另外，由表5可知，柚汁脫苦后柚皮苷及檸檬苦素均顯著下降，接近閾值。脫苦前與脫苦后感官有明顯的差異，脫苦前，感官評價在0.6分，有強烈的苦味，脫苦后，平均感官分值較高，達4.6分(以5分記)，無明顯的感官苦味，并能品嘗出柚汁濃郁的香味。由此可說明用國產(chǎn)優(yōu)質D101大孔樹脂對長壩柚子進行脫苦具有實際應用前景。

表5 驗證實驗結果Table 5 The results of verification experimental

3 結論

3.1 通過樹脂選擇實驗可知，D101樹脂對柚汁的脫苦率比HPD450樹脂高4.11%，因此，選擇D101樹脂進行進一步優(yōu)化脫苦實驗。

3.2 通過單因素實驗和響應面分析，得到D101大孔樹脂對長壩柚汁脫苦率的最佳工藝條件為樹脂添加量6.04%，樹脂保留時間15min，吸附溫度44.4℃，搖床轉速200r/min，柚汁pH為自然pH5.0，柚子汁的理論脫苦率值為96.80%。

3.3 驗證實驗表明，在最佳工藝條件下實際測得的脫苦率為96.31%，與模型預測值96.80%基本一致。經(jīng)過脫苦條件優(yōu)化，柚汁的柚皮苷與檸檬苦素含量均顯著下降，接近閾值。感官評價分值較高，達4.6分，無明顯的感官苦味。

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