響應(yīng)面法優(yōu)化蘭州百合干無(wú)硫護(hù)色劑配方

李 霞，李永才*，畢 陽(yáng)，馬彥青

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

響應(yīng)面法優(yōu)化蘭州百合干無(wú)硫護(hù)色劑配方

李 霞，李永才*，畢 陽(yáng)，馬彥青

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

為有效解決蘭州百合干制過(guò)程的褐變問(wèn)題，開發(fā)蘭州百合干無(wú)硫護(hù)色技術(shù)，選取護(hù)色劑抗壞血酸、檸檬酸、L-半胱氨酸、氯化鈉為影響因子，以百合干色澤（L*值）為響應(yīng)值。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建二次多項(xiàng)式回歸方程的模型，進(jìn)行響應(yīng)面分析。結(jié)果表明：護(hù)色劑復(fù)合作用對(duì)百合干色澤的影響程度依次為：L-半胱氨酸＞抗壞血酸＞氯化鈉＞檸檬酸，復(fù)合護(hù)色劑的最優(yōu)配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.65%氯化鈉、0.3%抗壞血酸、0.3% L-半胱氨酸、0.8%檸檬酸，在此條件下，加工的百合干色澤L*值為78.69，護(hù)色效果好。

蘭州百合；干制；護(hù)色劑；褐變；響應(yīng)曲面

我國(guó)以食用為目的百合主要有宜興百合、龍牙百合以及蘭州百合3個(gè)品系[1]。各品系不僅營(yíng)養(yǎng)成分的含量有明顯差異，品質(zhì)和風(fēng)味也各不一樣。蘭州百合（Lanzhou Lily）是百合科（Liliaccae）百合屬（Lilium）川百合的一個(gè)變種，是一種多年生鱗莖類草本植物，其色澤潔白如玉、肉質(zhì)肥厚香甜[2-4]，且以含糖量高、粗纖維甚低而著稱[5]，其品質(zhì)聞名于天下，故有“蘭州百合甲天下”美譽(yù)。

由于鮮百合含水量高，不便于貯藏和長(zhǎng)途運(yùn)輸。因此百合干便成為蘭州百合的主要加工產(chǎn)品之一。但百合在干燥過(guò)程極易發(fā)生褐變，嚴(yán)重影響其外觀品質(zhì)。褐變現(xiàn)象的機(jī)理可分為酶促褐變與非酶促褐變[6]。目前蘭州百合干生產(chǎn)中多用含二氧化硫的護(hù)色劑（如焦亞硫酸鈉等）[7-8]。亞硫酸鹽由于不僅能有效抑制酶促褐變，還能抑制非酶褐變（包括羰氨反應(yīng)、焦糖化和抗壞血酸的自動(dòng)氧化），從而延緩或抑制褐變發(fā)生[9-10]。雖然含二氧化硫的護(hù)色劑護(hù)色效果較好，但產(chǎn)品中會(huì)存在二氧化硫的殘留，不僅嚴(yán)重影響百合干出口，還易導(dǎo)致二氧化硫超標(biāo)、百合干清香喪失和口味酸化，對(duì)人體健康也有一定危害[11-12]。因此，研究開發(fā)代替二氧化硫的蘭州百合干護(hù)色技術(shù)對(duì)保障該產(chǎn)品的食品安全性具有重要意義。

本實(shí)驗(yàn)以蘭州百合為原料，選擇不同的無(wú)硫護(hù)色劑及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用響應(yīng)面優(yōu)化法，以百合干制過(guò)程色澤的變化為檢驗(yàn)指標(biāo)，確定最佳的無(wú)硫復(fù)合護(hù)色劑配方，為無(wú)硫脫水百合干的加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮百合購(gòu)自蘭州市西果園百合種植基地，要求新鮮、個(gè)大色白、鱗片肥厚、無(wú)病蟲害及機(jī)械損傷，貯藏于冷庫(kù)中（0～2 ℃）備用；抗壞血酸、檸檬酸、L-半胱氨酸、氯化鈉均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AL-24電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；恒溫干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SP62-色度測(cè)試儀 美國(guó)愛色麗股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

百合→剝片→清洗→燙漂→護(hù)色→干燥→成品→測(cè)定百合干色澤

1.3.2 護(hù)色處理

取新鮮的百合，剝片、清洗，在100 ℃熱水中燙漂2 min后，浸泡于備好的護(hù)色液中，浸泡時(shí)間5 min。然后取出漂洗，瀝干水分，放入恒溫干燥箱中干燥，干燥溫度60 ℃，干至水分含量約為8%。

1.3.3 無(wú)硫百合干色澤測(cè)定

取干燥后的百合片，用色度測(cè)試儀測(cè)定百合干的色澤。在預(yù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量百合色澤時(shí)發(fā)現(xiàn)a*值多為負(fù)值，而b*值也偏小，百合顏色呈現(xiàn)出的是白色，所以L*值作為標(biāo)準(zhǔn)更適合百合色澤的測(cè)定。色度儀中的L*值表示表面色澤的明暗度，主要取決于產(chǎn)品表面的反射率。L*值越大表明顏色越白，褐變程度越低；反之則暗、褐變程度高[13]。采用色度儀對(duì)百合干的褐變程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠客觀地反映色澤的差異，且便于統(tǒng)計(jì)和比較。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

分別以0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%的抗壞血酸，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的檸檬酸，0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的L-半胱氨酸，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的氯化鈉為單因素進(jìn)行試驗(yàn)，研究各單因素對(duì)百合干制后的色澤（L*值）的影響，確定各護(hù)色劑的最佳作用范圍。

1.3.5 響應(yīng)面法對(duì)護(hù)色劑配方的優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[14-15]，以百合干制后的色澤（L*值）為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 氯化鈉對(duì)百合干色澤（L*值）的影響

圖1 氯化鈉對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.1 Effect of sodium chloride treatment on L* value of dried lily

由圖1可知，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)隨著氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，百合干色澤（L*值）逐漸升高，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.6%時(shí)，L*值最大，但隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高，百合L*值減小，并逐漸趨于平緩。

氯化鈉之所以能起到一定的護(hù)色效果，是由于其溶于水后，能減少水中的溶解氧，從而使酚類氧化酶難與氧直接接觸[16]。且鈉離子與多酚氧化酶中的銅離子競(jìng)爭(zhēng)，降低多酚氧化酶的活性。此外氯化鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)大時(shí)具有高的滲透壓，也可以使酶脫水失活，起到抑制酶促褐變的作用[17]。

2.1.2 抗壞血酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響

圖2 抗壞血酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.2 Effect of ascorbic acid treatment on L* value of dried lily

由圖2可知，抗壞血酸處理能有效地抑制百合干加工過(guò)程中的褐變，且隨著抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)L*值逐漸增大，當(dāng)抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.25%時(shí)，L*值增加趨于平緩。

抗壞血酸本身不是一種酶抑制劑，其主要通過(guò)將O-醌還原成二羥基酚而間接地抑制酶活性[18]。如果有足夠的抗壞血酸存在，氧化形成的產(chǎn)物就能被抗壞血酸迅速地還原，從而達(dá)到抑制酶促褐變的目的?？箟难岬淖饔弥饕潜Ｗo(hù)色素以及風(fēng)味物質(zhì)和一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，避免與其氧氣作用發(fā)生變化，從而起到護(hù)色的效果[19]。

2.1.3 L-半胱氨酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響

由圖3可知，隨著L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，L*值逐漸增大，當(dāng)L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.25%時(shí)，L*值達(dá)到最大值，護(hù)色效果最好，之后隨著L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，L*值迅速減小。

圖3 3 L-半胱氨酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.3 Effect of L-cysteine treatment on L* value of dried lily

L-半胱氨酸抑制褐變的機(jī)理有兩種解釋：第一種是作為硫醇類化合物可以結(jié)合酶活性中心的銅離子，從而抑制酶的活力；第二種是硫醇類化合物可以在酶促反應(yīng)過(guò)程中與生成的產(chǎn)物醌發(fā)生快速的非酶催化反應(yīng)，而結(jié)合形成一種穩(wěn)定的無(wú)色化合物[20-21]，通常認(rèn)為起主要作用的是第二種機(jī)理。

2.1.4 檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響

圖4 檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.4 Effect of citric acid treatment on L*value of dried lily

檸檬酸對(duì)百合干色澤的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)（圖4），低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下隨著檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，L*值顯著增加，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.6%時(shí)，L*值最大，之后趨于平穩(wěn)，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%時(shí)，L*值迅速減小。

檸檬酸可降低pH值，使氧氣溶解度降低，且檸檬酸中的羰基可與多酚氧化酶中的銅離子產(chǎn)生比較強(qiáng)的螯合作用，對(duì)多酚氧化酶的活性有一定地抑制作用，即主要抑制酶促褐變。但當(dāng)檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，pH值太低，對(duì)金屬離子的螯合作用較弱[22-23]。且檸檬酸添加過(guò)多口感偏酸。

2.2 百合干無(wú)硫護(hù)色劑最佳配方的確定

根據(jù)單因素試驗(yàn)所確定的各護(hù)色劑的最佳作用范圍，以百合干色澤（L*值）為響應(yīng)值，采用Disign-Expert軟件中的Box-Behnken Design（BBD）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了四因素三水平共29個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平選取見表1，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

表2 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

表3 回歸方程模型方差分析及其系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 3 Analysis of variance for the fitted quadratic model and significance test of its regression coefficients

2.2.1 因素與百合干色澤（L*值）模型的建立

應(yīng)用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得回歸模型為：

由表3可知，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)可以看出，回歸模型高度顯著，相關(guān)系數(shù)R2為0.993 6，調(diào)整相關(guān)系數(shù)R2Adj為0.867 1，說(shuō)明模型的擬合度好，響應(yīng)值的86.71%是由于所選變量引起，表明百合干色澤（L*值）實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間具有較好的擬合相關(guān)性。模型失擬項(xiàng)表示模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值不擬合的概率[24]，本實(shí)驗(yàn)的模型失擬項(xiàng)的P值為0.642 3＞0.1，模型失擬項(xiàng)不顯著，進(jìn)一步說(shuō)明此模型的擬合度良好。變異系數(shù)（coeff cient of variance，CV）反映模型的置信度，CV值越低模型的置信度越高[25]，本實(shí)驗(yàn)的CV值為0.58，說(shuō)明模型方程能夠較好地反映真實(shí)值。綜合分析該模型擬合程度良好，故可使用該模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)最佳護(hù)色劑配方。

對(duì)模型中的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)可以看出，一次項(xiàng)中抗壞血酸、L-半胱氨酸以及交互項(xiàng)中氯化鈉和檸檬酸、抗壞血酸和檸檬酸、L-半胱氨酸和檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）有極顯著影響（P＜0.01）；氯化鈉和抗壞血酸對(duì)百合干色澤（L*值）有較顯著影響（P＜0.1）。對(duì)回歸方程中一次項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值進(jìn)行比較，由表3可知各試驗(yàn)因素對(duì)百合干色澤（L*值）的影響順序?yàn)椋篖-半胱氨酸＞抗壞血酸＞氯化鈉＞檸檬酸。

剔除不顯著項(xiàng)（P＞0.1），得優(yōu)化回歸模型為：

2.2.2 交互作用分析

圖5 抗壞血酸和氯化鈉對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.5 Effects of ascorbic acid and sodium chloride on L* value of dried lily

從圖5可以看出，抗壞血酸和氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在著協(xié)同作用，即在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域內(nèi)，只有兩者同時(shí)升高或同時(shí)降低，才能提高百合干色澤。當(dāng)氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.58%～0.63%，且抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28%～0.3%時(shí)，百合干色澤（L*值）取得最大值78.2。兩者之間等高線的形狀呈橢圓形，表明交互影響作用顯著。

圖6 氯化鈉和L-半胱氨酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.6 Effects of sodium chloride and L-cysteine on L* value of dried lily

從圖6可以看出，隨著L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)需相應(yīng)增加，當(dāng)L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%，并且氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.55%～0.58%之間時(shí)，百合干色澤（L*值）取得最大值78.5，當(dāng)L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%或氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都將導(dǎo)致百合干色澤（L*值）的降低。

圖7 氯化鈉和檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.7 Effects of sodium chloride and citric acid on L* value of dried lily

從圖7可以看出，當(dāng)氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%～0.58%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%～0.58%時(shí)，百合干色澤（L*值）取得最大值78。當(dāng)氯化鈉和檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或者過(guò)低時(shí)都將導(dǎo)致百合干色澤（L*值）的降低。

圖8 抗壞血酸和L-半胱氨酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.8 Effects of ascorbic acid and L-cysteine on L* value of dried lily

從圖8可以看出，當(dāng)抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28%～0.32%，L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%～0.32%時(shí)，百合干色澤（L*值）取得最大值78.8。當(dāng)抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.32%或小于0.28%，L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.32%或小于0.29時(shí)，百合干色澤（L*值）下降。

圖9 抗壞血酸和檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.9 Effects of ascorbic acid and citric acid on L* value of dried lily

從圖9可以看出，當(dāng)抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%～0.34%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.7%時(shí)，百合干色澤（L*值）有最大值78.6。當(dāng)抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.32%或大于0.34%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.7%時(shí)，百合干色澤（L*值）呈下降趨勢(shì)。

圖10 10 L-半胱氨酸和檸檬酸對(duì)百合干色澤（L*值）的影響Fig.10 Effects of L-cysteine and citric acid on L* value of dried lily

從圖10可以看出，當(dāng)L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%～0.38%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.79%時(shí)，百合干色澤（L*值）有最大值79.2。當(dāng)L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.36%或大于0.38%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.79%時(shí)，百合干色澤（L*值）呈下降趨勢(shì)。

2.2.3 最佳護(hù)色劑配方的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)二次回歸的數(shù)學(xué)模型分析結(jié)果，得出最佳護(hù)色劑配方為：氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.65%、抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，此時(shí)百合干L*值的預(yù)測(cè)值為79.92。為了驗(yàn)證響應(yīng)面法的可行性，將響應(yīng)面二次回歸所得最佳條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，百合干的實(shí)測(cè)L*值78.69，與理論值相差不大，充分驗(yàn)證了模型的正確性，表明響應(yīng)面法適用于百合干無(wú)硫護(hù)色劑配方的優(yōu)化。

3 結(jié) 論

在單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)百合干無(wú)硫護(hù)色劑進(jìn)行了四因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立了響應(yīng)值和各個(gè)因素之間的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)此數(shù)學(xué)模型確定的最佳護(hù)色配方為氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.65%、抗壞血酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、L-半胱氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%， 此時(shí)百合干L*值的實(shí)測(cè)值為78.69。模型方差分析和響應(yīng)面的分析表明，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好，對(duì)無(wú)硫脫水百合干的生產(chǎn)有一定應(yīng)用價(jià)值。

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Formula Optimization of Non-Sulfur Color-Protective Agents for Dried Lanzhou Lily by Response Surface Methodology

LI Xia, LI Yong-cai*, BI Yang, MA Yan-qing
(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

This study aimed to solve the problem of browning of Lanzhou lily during drying process and to develop a nonsulfur color-protective agent for dried Lanzhou lily. Four components including ascorbic acid, citric acid, L-cysteine and sodium chloride were used as influencing factors and the color (L* value) of dried lily was used as response value. Based on one-factor-at-a-time experiments, Box-Behnken design (BBD) was applied to establish the correspon ding mathematical model. The results showed that the protective effects of these four components on lily color followed the decreasing order: L-cysteine > ascorbic acid > sodium chloride > citric acid. The optimum formula (by mass) was composed of 0.65% sodium chloride, 0.3% ascorbic acid, 0.3% L-cysteine and 0.8% citric acid. Under the optimal conditions, the L* value of dried lily was 78.69 indicating a good color-protecting effect.

Lanzhou lily; drying process; color-protectiive agent; browning; response surface methodology

TS255.52；TS201.1

A

1002-6630（2014）04-0016-05

10.7506/spkx1002-6630-201404004

2013-03-14

甘肅省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（1004TCYA039）；蘭州市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（2011-1-34）

李霞（1987—），女，碩士，研究方向?yàn)椴珊笊飳W(xué)。E-mail：lixia5625@126.com

*通信作者：李永才（1973—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣叩牟珊蠓栏r技術(shù)。E-mail：liyongcai@gsau.edu.cn