殼聚糖對瑪咖汁澄清作用的影響

徐 涓，張 弘 ，孫彥琳，周梅村，鄭 華，李 坤，涂行浩

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，國家林業(yè)局特色森林資源工程技術(shù)研究中心，云南昆明650224;2.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明650224)

瑪咖(Lepidium meyenii Walp.)，是十字花科獨(dú)行菜屬的草本植物，原產(chǎn)于高海拔的秘魯安第斯山區(qū)，瑪咖被印第安人作為藥食兼用的植物有兩千多年的歷史［1-2］?，斂Э墒巢课粸閴K根，其營養(yǎng)豐富，含有多糖、蛋白質(zhì)、粗纖維、維生素等，以及多種次生代謝物質(zhì):芥子油苷及其水解產(chǎn)物、生物堿、多酚等，具有抗疲勞、抗氧化、提高生育能力、抑制癌細(xì)胞等功效［3-10］?，斂斋@期較集中，鮮瑪咖含水量高，細(xì)胞呼吸強(qiáng)度大，在貯藏和運(yùn)輸過程中易腐爛變質(zhì)，將其加工成瑪咖汁是有效解決途徑之一。但由于瑪咖漿汁中含有易引起果汁混濁、沉淀的果膠以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)，在加工過程中若未除去，則會使瑪咖汁在加工、儲存過程中產(chǎn)生沉淀，因此，有必要采用澄清方法處理瑪咖汁。主要的澄清方法有酶法澄清、澄清劑澄清和冷凍澄清等［11］。酶法澄清和冷凍澄清因其操作復(fù)雜、成本高和周期長［12］，在加工過程中常不被采用。相對而言，澄清劑法操作較簡單、成本低和周期短，在果汁澄清過程中，澄清劑中的殼聚糖被廣泛應(yīng)用［13-14］。殼聚糖是從蟹蝦外殼中提取的一類氨基葡萄糖直鏈多聚糖，其澄清機(jī)理是當(dāng)殼聚糖溶于稀酸溶液時，氫離子和氨基結(jié)合形成帶正電荷的離子，該離子和果蔬汁中帶負(fù)電荷的微粒作用，使其中的果膠、蛋白質(zhì)和多酚等膠態(tài)顆粒絮凝沉降下來，從而達(dá)到澄清的目的［15-16］，且該法高效、快捷和經(jīng)濟(jì)。本文采用殼聚糖絮凝瑪咖汁中的沉淀，研究其對瑪咖汁澄清效果的影響，擬為瑪咖澄清工藝的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冰鮮瑪咖塊根 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所滇中高原實(shí)驗(yàn)站提供;殼聚糖(食品級) 濟(jì)南海得貝海洋生物工程有限公司;氯化鈀(分析純) 上海強(qiáng)順化學(xué)試劑有限公司;鹽酸(分析純) 重慶川東化工集團(tuán)有限公司;三氯甲烷(分析純) 上海申博化工有限公司;蒽酮(分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、過氧化氫、三氯乙酸(分析純) 天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;愈創(chuàng)木酚、2，6-二氯酚靛鈉鹽、考馬斯亮藍(lán)G250(分析純) 上海晶純實(shí)業(yè)有限公司。

DU800 型紫外-可見光分光光度計(jì) 美國貝克曼庫爾特有限公司;HX-7.5D 小型電加熱蒸汽發(fā)生器 上海華征特種鍋爐有限公司;DK509 多功能食品加工機(jī) 青島東亞電子有限公司;HH-6 型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華科技有限公司;Z323K 通用型高速冷凍離心機(jī) 德國HERMIE 公司;AB204-S 精密型電子天平 梅特勒-托利多(中國)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.2 澄清度的測定 采用分光光度法，以去離子水做參比。在660nm 下測定果汁的透光率，用透光率T(%)表示果汁的澄清度。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.3.1 殼聚糖的濃度 量取20mL 的瑪咖汁，自然pH(5.2)條件下，果汁中殼聚糖的濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/L，于50℃的處理溫度下恒溫靜置30min，研究不同殼聚糖濃度對瑪咖汁澄清度的影響。

1.2.3.2 處理溫度 量取20mL 的瑪咖汁，殼聚糖的濃度為0.2g/L，自然pH(5.2)條件下，分別于30、40、50、60、70℃的溫度下靜置30min，研究不同處理溫度對瑪咖汁澄清度的影響。

1.2.3.3 澄清時間 量取20mL 的瑪咖汁，自然pH(5.2)條件下，殼聚糖的濃度為0.2g/L，在40℃的溫度下分別靜置10、20、30、40、50min，研究不同澄清時間對瑪咖汁澄清度的影響。

1.2.3.4 pH 量取20mL 的瑪咖汁，殼聚糖的濃度為0.2g/L，pH 分別為3、4、5、6、7，在40℃的溫度下靜置30min，研究不同pH 對瑪咖汁澄清度的影響。

1.2.4 瑪咖汁澄清條件的優(yōu)化 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Design-expert8.0.6 軟件，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以殼聚糖濃度(g/L)、處理溫度(℃)和澄清時間(min)3 個主要因素為響應(yīng)變量，瑪咖汁的澄清度作為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

1.2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 于最優(yōu)條件下進(jìn)行3 組平行實(shí)驗(yàn)，并將瑪咖汁澄清度的優(yōu)化驗(yàn)證值與模型預(yù)測值相比較。

1.2.6 澄清前后營養(yǎng)成分的對比 芥子油苷:采用氯化鈀法［9］;水溶性生物堿:樣品經(jīng)水提醇沉法后，采用酸性染料比色法［17］進(jìn)行測定;果膠:采用咔唑分光光度法［18］;VC:采用2，6-二氯靛酚法測定［19］;水溶性蛋白質(zhì):采用考馬斯亮藍(lán)法測定［20］;總糖:采用蒽酮法測定［21］;總酚:福林酚比色法測定［22］。

表1 響應(yīng)面分析因素與水平表Table 1 Factors and levels of RSM

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 殼聚糖濃度對瑪咖汁澄清度的影響 殼聚糖濃度對瑪咖汁澄清度的影響見圖1，由圖1 可知，隨殼聚糖濃度的增大，瑪咖汁的透光率先增大后減小。當(dāng)殼聚糖濃度為0.2g/L 時，瑪咖汁的透光率能達(dá)到96.57%;若繼續(xù)增加殼聚糖的濃度，由于殼聚糖自身的凝膠作用，瑪咖汁的透光率反而降低，因此選擇0.1～0.3g/L 為優(yōu)化條件。

圖1 殼聚糖濃度對瑪咖汁澄清度的影響Fig.1 Effect of Chitosan concentration on Clarification of Maca juice

2.1.2 不同處理溫度對瑪咖汁澄清度的影響 處理溫度對瑪咖汁澄清度的影響如圖2 所示，由圖2 可知，隨著溫度的增加，瑪咖汁的透光率也隨之上升。當(dāng)溫度為40℃時，瑪咖汁的透光率為96.27%;溫度繼續(xù)上升，會使殼聚糖自身降解，絮凝效果隨之減弱，瑪咖汁的透光率也隨之下降，所以選取30～50℃為優(yōu)化條件。

圖2 處理溫度對瑪咖汁澄清度的影響Fig.2 Effect of temperature on Clarification of Maca juice

2.1.3 澄清時間對瑪咖汁澄清度的影響 澄清時間對瑪咖汁澄清度的影響詳見圖3。由圖3 可以看出，隨著澄清時間的延長，瑪咖汁的透光率逐漸上升。當(dāng)時間達(dá)到30min 時，隨著殼聚糖澄清時間的延長，瑪咖汁的透光率趨于平穩(wěn)，考慮時效問題，選取20～40min為優(yōu)化水平。

圖3 澄清時間對瑪咖汁澄清度的影響Fig.3 Effect of time on Clarification of Maca juice

2.1.4 pH 對瑪咖汁澄清度的影響 pH 對瑪咖汁澄清度的影響見圖4，由圖4 可以看出:隨pH 的增加，瑪咖汁的透光率逐漸增加，當(dāng)pH5、6 時，瑪咖汁的透光率較高，分別為96.27% 和95.28%;但繼續(xù)增大pH，瑪咖汁的透光率反而降低，可能因?yàn)閜H 的增加，減弱了殼聚糖的電中和作用，其絮凝能力也隨之降低。由于瑪咖汁的pH 在5～6 之間，因此在用殼聚糖澄清瑪咖汁時不需調(diào)整pH。

圖4 pH 對瑪咖汁澄清度的影響Fig.4 Effect of pH on Clarification of Maca juice

2.2 RSM 分析

RSM 優(yōu)化所得結(jié)果詳見表2。用 Design -expert8.0.6 軟件對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到以瑪咖汁澄清度為目標(biāo)函數(shù)的三次多項(xiàng)回歸方程如下:

對上述回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3，由表3 可以看出，該模型極顯著(p ＜0.0001)，回歸模型R2=0.9975，表明該模型與實(shí)際擬合較好，模型中影響瑪咖汁澄清度的因素主次是A ＞B ＞C，其中A、B的影響是極顯著的(p ＜0.01)。

模型的響應(yīng)曲面及等高線見圖5，該圖較直觀的顯現(xiàn)了交互項(xiàng)對瑪咖汁澄清度的影響。由圖7 可知，兩因素交互作用由大到小為:殼聚糖濃度和處理溫度＞殼聚糖濃度和澄清時間＞處理溫度和澄清時間。

表2 中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Central composite design matrix and experimental results

表3 瑪咖汁澄清度回歸方程方差分析Table 3 ANOVA for regression coefficients of the fitted regression model

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Design-expert得到各個因素的最優(yōu)條件組合為聚糖濃度0.22g/L、處理溫度38.67℃、澄清時間32.22min，在此條件下瑪咖汁澄清度的預(yù)測值可達(dá)到98.55%。為檢驗(yàn)其模型的合理性，根據(jù)實(shí)際操作情況，將最優(yōu)條件優(yōu)化為:殼聚糖濃度0.22g/L、處理溫度39℃、澄清時間32min進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，瑪咖汁的澄清度為98.36%。證明采用RSM 優(yōu)化殼聚糖澄清瑪咖汁的最佳工藝條件是合理的。

表4 殼聚糖對瑪咖汁營養(yǎng)成分的影響Table 4 The effects of clarification on the quality of maca juice

圖5 各因素交互作用影響瑪咖汁澄清度的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface plots showing the effect of three factors on Clarification of Maca juice

2.4 營養(yǎng)成分測定

殼聚糖處理瑪咖汁對其營養(yǎng)成分的影響詳見表4。由表4 可知，殼聚糖澄清瑪咖汁對其營養(yǎng)成分均有不同程度的影響，果膠、水溶性蛋白質(zhì)和總酚含的損失率依次為58.90%、42.93%和2.16%，可能是因?yàn)闅ぞ厶堑男跄饔檬沟么蟛糠止z和水溶性蛋白以及小部分酚類物質(zhì)沉降，使其含量下降;芥子油苷、水溶性生物堿、VC和總糖的損失率分別為0.56%、0.33%、0.34%和0.89%，損失相對較小，說明殼聚糖在澄清瑪咖汁時，對其活性成分影響較小。

3 結(jié)論

3.1 殼聚糖濃度、處理溫度和澄清時間3 因素對瑪咖汁的澄清度都有不同程度的影響，以殼聚糖濃度影響最大，其次是處理溫度和澄清時間。通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化，建立了殼聚糖澄清瑪咖汁的三次回歸模型，該模型擬合度良好，能較好地預(yù)測殼聚糖濃度、處理溫度和澄清時間和瑪咖汁澄清度之間的關(guān)系。

3.2瑪咖汁的最佳澄清條件為殼聚糖濃度0.22mg/mL、處理溫度38.67℃、澄清時間32.22min，在此條件下瑪咖汁澄清度的模型預(yù)測值可達(dá)到98.55%。根據(jù)實(shí)際操作情況，將最優(yōu)條件優(yōu)化為:殼聚糖濃度0.22mg/mL、處理溫度39℃、澄清時間32min 進(jìn)行3 組平行實(shí)驗(yàn)，瑪咖汁的澄清度驗(yàn)證值為98.36%。

3.3 殼聚糖澄清瑪咖汁時，其易引起果汁混濁的物質(zhì)果膠、水溶性蛋白質(zhì)、總酚的損失率依次為58.90%、42.93%、2.16%，瑪咖汁中主要活性成分芥子油苷、水溶性生物堿、VC和總糖的損失率依次為0.56%、0.33%、0.34%和0.89%，由此可見，殼聚糖澄清能較好的保留瑪咖汁中的的主要活性成分。

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