響應面法優(yōu)化草莓清汁加工工藝

田 野，馬永強，李春陽

(1.哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱150000;2.江蘇省農業(yè)科學院農產品加工所，江蘇南京210000)

草莓屬多年生草本植物，果實是由花托發(fā)育而成的聚合果，紅色或紅棕色，果實呈圓錐形、圓形等形狀［1］。新鮮草莓含水量在90%左右，果皮很薄，且表皮沒有防止水分揮發(fā)的蠟質和角質結構，采摘放置 1～2d 即失水萎縮，逐漸軟化腐爛，不易保存［2］，草莓采摘后加工產品就顯得尤為重要，而草莓汁是最有潛力的加工方式之一，研究草莓酶解工藝，增加草莓出汁率及草莓汁透光度有重要意義。果膠酶能夠分解果膠物質的多種酶的總稱，是果汁生產中最重要的酶制劑之一。果膠酶降解草莓中的果膠類物質，破壞細胞壁，降低果漿的粘度，使汁液容易流出，被廣泛應用于果汁的提取和澄清、改善果汁的通量以及植物組織的浸漬和提?。?］。響應面法在實驗條件優(yōu)化過程中可以連續(xù)地對實驗因素的各個水平進行分析，克服了正交實驗只能對一個個孤立的實驗點進行分析和不能給出直觀圖形的缺陷，所以響應面法被廣泛應用于實驗設計與工藝優(yōu)化研究［4］。本實驗應用響應面分析法對澄清草莓汁加工的最佳工藝條件進行優(yōu)化，建立并分析果膠酶添加量、酶解時間、酶解溫度、酶解pH4個因子與草莓出汁率及草莓汁澄清度關系的數(shù)學模型。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豐香草莓 市售;果膠酶NCB－PE40(其中含有一定的半纖維素酶、纖維素酶)，酶活30000U/g 濟寧和美生物工程有限公司;檸檬酸 分析純，湖南尤特爾生化有限公司。

組織搗碎機 江陰市保利科研儀器有限公司;DD－5M湘儀離心機、H1650－W湘儀離心機 湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司;HH－2數(shù)顯恒溫水浴鍋金壇市維誠實驗器有限公司;UV5500紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;分析天平 梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 冷凍草莓→解凍→搗碎→草莓漿→調pH→添加果膠酶→酶解→85℃滅酶→3500r/min離心→過濾→澄清草莓汁

1.2.2 酶解草莓漿參數(shù)設計 將50mL草莓果漿加入250mL燒杯中，分別加入適宜檸檬酸鈉溶液調整pH，分別向草莓果漿加入不同劑量的果膠酶，充分攪拌后放入水浴鍋中恒溫酶解60min，取出后加熱至85℃滅酶［5］，經離心過濾，得到澄清草莓汁，測定相關指標，確定最佳工藝條件。

1.2.2.1 果膠酶加入量對草莓汁出汁率及透光率的影響 在酶解pH4.0，酶解溫度40℃基礎上，調整果膠酶添加量體積分數(shù)0.02%～0.06%，恒溫酶解60min，取出后加熱至 85℃滅酶［5］，經離心過濾，得到澄清草莓汁，測定出汁率及透光率。

1.2.2.2 酶解時間對草莓汁出汁率及透光率的影響在酶解 pH4.0，果膠酶添加量0.04%，酶解溫度40℃基礎上，恒溫酶解 60～90min，取出后加熱至85℃滅酶［5］，經離心過濾，得到澄清草莓汁，測定出汁率及透光率。

1.2.2.3 酶解pH對草莓汁出汁率及透光率的影響 果膠酶添加量0.04%，酶解溫度40℃基礎上，調節(jié)酶解 pH3.0～5.0，恒溫酶解60min，取出后加熱至85℃滅酶［5］，經離心過濾，得到澄清草莓汁，測定出汁率及透光率。

1.2.2.4 酶解溫度對草莓汁出汁率及透光率的影響果膠酶添加量0.04%，酶解pH4.0，分別在35～55℃恒溫酶解60min，取出后加熱至85℃滅酶［5］，經離心過濾，得到澄清草莓汁，測定出汁率及透光率。

1.2.3 酶解條件優(yōu)化方案 在單因素基礎上，選取果膠酶添加量(X1，%)、酶解時間(X2，min)、酶解 pH(X3)、酶解溫度(X4，℃)作為響應曲面實驗的考察因素(自變量)，以 +1、0、－1分別表示自變量的高、中、低水平，以草莓汁出汁率(R1)及透光率(R2)為響應值，設計4因素3水平29個實驗點的響應面實驗。根據(jù)實驗表做實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行二次回歸擬合，得到回歸方程［6－8］。實驗設計和數(shù)據(jù)處理使 Design－Expert 8.0.6.1軟件完成。各響應因子的實驗水平見表1。

表1 中心組合設計因素水平Table 1 Factors and levels of central composite design

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 果膠酶添加量對草莓汁出汁率及透光率的影響 由圖1可知，加酶量在0.02%%～0.06%，pH4.0，40℃酶解60min，出汁率都在72%以上，透光度都在70%以上，在0.06%時草莓汁的出汁率為83.36%。在0.06%時草莓汁的透光率為78.3%。根據(jù)出汁率及透光率的變化情況，選擇果膠酶添加量在0.04%～0.06%作為優(yōu)化范圍。

圖1 不同果膠酶添加量對草莓汁出汁率及透光率的影響Fig.1 The effect of pectin added to yield and clarity of strawberry

果膠酶主要功能是通過裂解或β消去作用切斷果膠質中的糖苷鍵，使果膠質裂解為多聚半乳糖醛酸結合，降解草莓中的果膠類物質，從而提高草莓出汁率及草莓汁的澄清程度，花色素是可溶性色素，在酶解不斷攪拌的過程中，更多的花色素溶解出來，使花色素的含量升高，使果汁的顏色清亮［11－13］。

2.1.2 酶解時間對草莓汁出汁率及透光率的影響 由圖2可知，加酶量在0.04%，pH4.0，40℃酶解50～90min，出汁率都在77%以上，透光度都在63%以上，在酶解90min時草莓汁的出汁率83.19%，透光率為68.2%。根據(jù)出汁率及透光率的變化情況，選擇60～80min作為優(yōu)化范圍。

圖2 酶解時間對草莓汁出汁率及透光率的影響Fig.2 The effect of enzymolysis time to yield and clarity of strawberry

隨酶解時間的增加，在勻速攪拌中果膠酶與草莓漿中的果膠充分的接觸，可以充分反應，使草莓汁的出汁率及透光率隨之增加，但由于70～90min，出汁率及透光率的增加并不明顯，可能由于酶解是曝露在空氣中進行的，花色素本身很不穩(wěn)定，會受空氣及光等因素影響而氧化分解，從而使花色素的含量下降使澄清度變化不明顯。

2.1.3 酶解pH對草莓汁出汁率及透光率的影響 由圖3可知，當加酶量0.04%，pH3.0～5.0，40℃酶解60min時，出汁率都在72%以上，透光度都在58%以上，在酶解 pH3.5時草莓汁的出汁率為83.14%。在酶解pH4.0時草莓汁的透光率為70.5%。根據(jù)出汁率及透光率的變化情況，選擇pH3.5～4.5為優(yōu)化范圍。

酶解所用的果膠酶為酸性果膠酶，適宜pH3.0～5.0，但隨著pH的增加，果汁的顏色也隨之變深，在實驗過程中，應該不斷地調節(jié)酶解中草莓果漿的pH。

圖3 酶解pH對草莓汁出汁率及透光率的影響Fig.3 The effect of enzymolysis pH to yield and clarity of strawberry

2.1.4 酶解溫度對草莓汁出汁率及透光率的影響 由圖4可知，當加酶量0.04%，pH4.0，35～55℃酶解60min時，出汁率都在74%以上，透光度都在66%以上，在酶解溫度 45℃時草莓汁的出汁率為81.94%。在酶解溫度40℃時草莓汁的透光率為69.6%。根據(jù)出汁率及透光率的變化情況，選擇酶解溫度為40℃到50℃為優(yōu)化范圍。

圖4 酶解溫度對草莓汁出汁率及透光率的影響Fig.4 The effect of enzymolysis temperature to yield and clarity of strawberry

溫度低，酶活性弱;溫度高，酶活性強，但是如果溫度過高，則果膠酶容易失活。隨溫度的增加，果汁的顏色也隨之變深，隨著溫度的升高至50℃，果膠酶活性降低，由于果膠熱凝的作用，使出汁率及透光率降低。

2.2 響應面優(yōu)化結果與分析

2.2.1 按照1.2.3的實驗設計進行實驗，結果見表2。

2.2.2 模型建立與顯著性檢驗 對回歸方程進行顯著性檢驗、方差分析及各因素最佳點分析，結果見表3，表4。結果表明，模型是顯著的，出汁率的回歸方程:

R1=87.14+1.5X1+0.76X2－4.06X3－0.20X4－0.36X1X2+0.22X1X3+0.37X1X4－0.64X2X3－0.81X2X4－0.61X3X4－0.21－0.21－3.46+0.16，出汁率回歸模型的相關系數(shù)平方=0.9678，說明回歸方程擬合度良好，可以對出汁率進行分析和預測;透光率的回歸方程為 R2=85.15+1.19X1+1.01X2－2.01X3－4.35X4+0.46X1X2－0.2X1X3+0.67X1X4－2.26X2X3－1.14X2X4+0.30X3X4－0.19－0.68－10.35－3.18，透光率回歸模型的相關系數(shù)是=0.9542，說明回歸方程擬合度良好，可以對透光率進行分析和預測。

表2 Box－behnken實驗方案與結果Table 2 Box－behnken design and results

用Design－Expert軟件對表3，表4數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，對各個模型的回歸方程進行顯著性檢驗、方差分析及各因素最佳點分析，可得各個模型是顯著的，選擇p值在0.05和0.1之間10%顯著水平，結合說明，所得二次回歸方程的響應面見圖5～圖7。

由圖可知，酶解pH對出汁率及透光率的影響高于其他因素，酶解時間對草莓汁透光率的影響相對較弱。草莓漿的出汁率隨果膠酶添加量的增大而增大，隨酶解pH的增大而呈先增大后減少的趨勢，隨酶解時間的延長逐漸增大，隨酶解溫度升高逐漸增大的趨勢。草莓漿的透光率隨酶解溫度的增大而呈先增大后減少，隨酶解pH的增大而呈先增大后減少，隨酶解時間的延長呈先增大后減少，隨酶解溫度升高呈先增大后減少。

2.4 驗證實驗

通過對草莓汁出汁率和透光率的二次多項數(shù)學模型解逆矩陣，得出草莓出汁率及透光率在果膠酶添加量0.06%、酶解時間80min、酶解pH3.82、酶解溫度40.04℃的工藝條件下，出汁率的預測值90.40%，透光率的預測值88.98%。實驗采用上述最優(yōu)條件進行酶法加工草莓汁實驗，實驗測得的草莓出汁率88.65%，透光率87.05%，實驗值與理論值的相對誤差分別為1.751%和1.93%，因此采用響應面優(yōu)化得到的提取條件準確可靠，具有使用價值。

表3 回歸方程ANOVA分析出汁率結果Table 3 ANVOA analysis of regression equation

表4 回歸方程ANOVA分析透光率結果Table 4 ANVOA analysis of regression equation

3 結論

果膠酶處理破壞果蔬原料的細胞結構，提高果蔬原料浸出率從而最大限度地獲得果蔬汁的新型果蔬加工工藝。果膠酶 NCB－PE40是復合酶，其中果膠酶分解草莓中的果膠質，降低粘度解決由果膠質引起的渾濁問題與纖維素酶、半纖維素酶的復合使用能更有效地裂解原料的細胞壁，提高原料的利用率。草莓汁中的花色素是色澤的主要來源，花色素是可溶性色素，在酶解過程中，越來越多的花色素溶解出來，因此能夠使花色素的含量升高，使果汁的顏色清亮。

圖5 Y=f(X1，X3)響應面分析圖Fig.5 Response surface plot and contour map of interaction of(X1、X3)

圖6 Y=f(X2，X3)響應面分析圖Fig.6 Response surface plot and contour map of interaction of(X2，X3)

對回歸方程進行顯著性檢驗、方差分析及各因素最佳點分析，結果表明，模型是顯著的，出汁率回歸模型的相關系數(shù)平方R12=0.9678;透光率回歸模型的相關系數(shù)是R22=0.9542。通過對草莓汁出汁率和透光率的二次多項數(shù)學模型解逆矩陣，得出草莓出汁率及透光率在果膠酶添加量0.06%、酶解時間80min、酶解pH3.8、酶解溫度40.0℃的工藝條件下，出汁率的最大預測值90.40%，透光率的最大預測值88.98%。

圖7 Y=f(X3，X4)響應面分析圖Fig.7 Response surface plot and contour map of interaction of(X3，X4)

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