響應(yīng)面優(yōu)化鮮切紫薯褐變控制條件

馮衛(wèi)敏，羅佳麗，蔣和體

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716）

響應(yīng)面優(yōu)化鮮切紫薯褐變控制條件

馮衛(wèi)敏，羅佳麗，蔣和體*

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716）

利用響應(yīng)面法對鮮切紫薯褐變控制條件進(jìn)行優(yōu)化。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以超聲波強(qiáng)度、L-Cys、CA和AA濃度為自變量，紫薯褐變度為響應(yīng)值，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法，研究了各自變量交互作用及其對褐變度的影響。模擬得到二次多項(xiàng)回歸方程，獲得抑制鮮切紫薯褐變最佳條件為：超聲波強(qiáng)度130W、L-Cys濃度為0.03%、CA濃度為0.20%、AA濃度為0.06%。在此條件下處理的鮮切紫薯在4℃貯藏15d后的褐變度為6.10±0.09，與預(yù)測值相近。

紫薯，鮮切，褐變，控制，優(yōu)化

紫薯（Solanum tuberdsm），旋花科番薯屬[1]。它的野生種起源于美洲熱帶地區(qū)，我國于20世紀(jì)90年代從日本引進(jìn)，目前全國許多地方都有種植[2]。紫薯除了含有普通紅薯所含的蛋白質(zhì)、淀粉、可溶性糖、維生素、氨基酸、膳食纖維以及鐵等營養(yǎng)成分外，還含有豐富碘、硒和花青素[3-4]，具有防癌、清除自由基、降血壓及防動(dòng)脈硬化等[5-7]保健功能。鮮切果蔬（freshcut fruits and vegetables）是以新鮮果蔬為原料，經(jīng)清洗、去皮、切割、修整、包裝等加工過程，制成供消費(fèi)者立即食用或餐飲業(yè)使用的一種新型果蔬產(chǎn)品[8]。隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，以及人們對健康、營養(yǎng)的重視，具有簡便、安全、營養(yǎng)、新鮮的鮮切果蔬受到人們的追捧。

然而，紫薯經(jīng)鮮切加工后，在短期內(nèi)切割表面易發(fā)生褐變，大大降低其商品價(jià)值，因此控制褐變對于鮮切紫薯的開發(fā)推廣具有重要意義。研究證明[9-10]：適當(dāng)?shù)某暪β屎统晻r(shí)間可以鈍化引起酶促褐變的多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）等以減少褐變的發(fā)生。王文宗[11]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理聯(lián)合抗壞血酸、檸檬酸對胡蘿卜汁PPO的活性具有協(xié)同抑制作用，減少酶促褐變的發(fā)生。楊金亮[12]研究發(fā)現(xiàn)超聲波結(jié)合褐變抑制劑處理荔枝汁防褐變效果優(yōu)于單獨(dú)使用抑制劑或超聲處理，最優(yōu)的組合為0.1%NaCl、0.3%抗壞血酸、0.5%檸檬酸混合浸泡30min，然后400W超聲10min，能有效抑制荔枝在打漿過程中的褐變。但關(guān)于超聲波與褐變抑制劑結(jié)合使用在鮮切紫薯防褐變的研究較少，本實(shí)驗(yàn)研究超聲波和褐變抑制劑抗壞血酸（AA）、檸檬酸（CA）、L-半胱氨酸（L-Cys）分別單獨(dú)處理對鮮切紫薯褐變度的影響，采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波和抑制劑結(jié)合處理鮮切紫薯褐變控制條件，以期獲得較優(yōu)的鮮切紫薯褐變控制工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯品種 為日本新紫，2012年10月采自四川省開江縣紫薯基地；抗壞血酸（AA）、檸檬酸（CA）、L-半胱氨酸（L-Cys） 均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

UV-2450紫外分光光度計(jì) 日本島津；FA2004A電子天平 上海精天電子儀器廠；KQ5200DE數(shù)控超聲清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；Avanti J-30I貝克曼冷凍離心機(jī) 美國貝克曼庫爾特公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲波處理對鮮切紫薯褐變度的影響 將紫薯清洗后切成約3mm厚的薄片，放入蒸餾水中，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]以及預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在60、80、100、120、140W超聲處理1min。取出后瀝干，裝入0.03mm的PE塑料袋包裝后，置于4℃貯藏，15d后測定其褐變度，每個(gè)處理重復(fù)3次，以浸泡蒸餾水為對照。

1.2.2 抑制劑對鮮切紫薯褐變度的影響 將紫薯清洗后切成約3mm厚的薄片，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]以及預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，浸入不同濃度抑制劑溶液（見表1）中5min，料液比1∶3，取出后瀝干，裝入0.03mm的PE塑料袋包裝后，置于4℃貯藏，15d后測定其褐變度，每個(gè)處理重復(fù)3次，以浸泡蒸餾水為對照。

表1 抑制劑的處理濃度梯度Table 1 Concentration gradient of inhibitors

1.2.3 褐 變 度（BD）測 定[18]取 4g樣 品 加 10mL 80%乙醇研磨成勻漿，在室溫下避光反應(yīng)30min，每隔5min攪拌一次。在4℃，8000r/min離心10min，取上清液于420nm測定吸光度，以80%乙醇為空白，重復(fù)測定三次。計(jì)算公式如下：

BD=A×稀釋倍數(shù)

其中：BD為褐變度，A為吸光度，本文的稀釋倍數(shù)為2.5。

1.2.4 鮮切紫薯褐變抑制條件優(yōu)化[19-20]以超聲波強(qiáng)度、AA、CA、L-Cys濃度為四個(gè)自變量，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)中抑制紫薯褐變效果較優(yōu)的三種處理來設(shè)置每個(gè)自變量的處理水平，以褐變度為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，利用design exert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)4因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表2。共有29個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中5個(gè)為實(shí)驗(yàn)零點(diǎn)，其余為分析因子。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 每實(shí)驗(yàn)每個(gè)處理重復(fù)三次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS17.0軟件進(jìn)行顯著性分析，多重差異顯著性分析采用Duncan’s法。

表2 響應(yīng)面因素水平表Table 2 Independent variables and their coded levels tested in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲波處理對鮮切紫薯褐變度的影響 超聲波是頻率在20kHz以上的一種彈性機(jī)械波[21]，可以改變多酚氧化酶（PPO）活性中心，改變PPO的二維空間結(jié) 構(gòu) ，使 得 酶 與 底 物 的 親 和 性 改 變[22]，降 低 酶 活 力 ，減輕紫薯的褐變。如圖1所示，超聲波處理對鮮切紫薯褐變具有一定的抑制作用，100、120、140W處理鮮切紫薯與未處理紫薯的褐變度存在顯著差異（p＜0.05），120W時(shí)褐變抑制效果最佳，在120W之前，隨著超聲波功率的增加，紫薯褐變度下降，超過120W，褐變度略有上升。

圖1 超聲波處理對鮮切紫薯褐變度的影響Fig.1 Effect of ultrasonic wave treatment on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.2 L-Cys對鮮切紫薯褐變度的影響 L-Cys含-SH的氨基酸，可與酶促褐變底物反應(yīng)生成的醌類化合物進(jìn)行加成，使其不再進(jìn)一步形成黑色素[23]，是一種較為安全的褐變抑制劑，近年來，對于L-Cys在鮮切果蔬中的應(yīng)用研究較多，如圖2所示，L-Cys對鮮切紫薯的褐變具有很好的抑制作用，濃度僅為0.01%時(shí)，鮮切紫薯的褐變度6.51與未處理鮮切紫薯存在顯著差異，隨著濃度的增加，對鮮切紫薯褐變的抑制作用差異不顯著。

圖2 L-Cys濃度對鮮切紫薯褐變度的影響Fig.2 Effect of L-Cysteine concentration（L-Cys）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.3 AA對鮮切紫薯褐變度的影響 AA具有還原作用，能夠?qū)⒑肿冞^程中的醌還原，并且能夠降低介質(zhì)中的氧含量[24]，對紫薯多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）具有較好的抑制作用，從而降低紫薯的褐變。從圖3中可以看出，AA能顯著的降低鮮切紫薯的褐變度（p＜0.05），當(dāng)AA濃度為0.06%時(shí)，鮮切紫薯褐變度為6.51，隨后隨著濃度的增加，褐變度變化不顯著。AA自身不穩(wěn)定，在空氣中容易被氧化，AA常與其他褐變抑制劑復(fù)合使用，抑制效果更佳。

圖3 AA濃度對鮮切紫薯褐變度的影響Fig.3 Effect of ascorbic acid concentration（AA）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.1.4 CA對鮮切紫薯褐變度的影響 CA不僅能夠降低體系的pH，使其偏離PPO、POD的最適pH，另一方面能夠螯合PPO活性成分Cu2+，從而抑制PPO活力[25]，延緩果蔬褐變。如圖4所示，CA濃度為0.2%時(shí)能顯著的降低紫薯褐變（p＜0.05），隨著濃度的增加，褐變抑制作用差異不顯著，而且CA濃度過高，pH過低，會(huì)使紫薯中的花色苷呈現(xiàn)紅色，改變紫薯原有的色澤，故CA濃度不易過高。

圖4 CA濃度對鮮切紫薯褐變度的影響Fig.4 Effect of citric acid（CA）on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

2.2 鮮切紫薯褐變抑制響應(yīng)面優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

利用Design Expert 8.0.5軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到超聲波強(qiáng)度（A）、L-Cys濃度（B）、AA濃度（C）、CA濃度（D）對響應(yīng)值褐變度的回歸模型為：

Y=6.29-0.15A+0.02B+0.097C-0.057D-0.013AB+ 0.055AC-0.028AD+0.083BC+0.11BD-0.15CD+0.25A2+ 0.039B2+0.059C2+0.054D2，其方差分析結(jié)果見表4。

由表4可知，模型p=0.0001＜0.01極顯著，失擬項(xiàng)p=0.1443＞0.05不顯著，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.899，該模型與實(shí)驗(yàn)的擬合度良好，因此可以利用此模型來分析和預(yù)測鮮切紫薯褐變控制效果。一次項(xiàng)A、C對褐變度的線性效應(yīng)極顯著，D為顯著，B不顯著。各因素對褐變度的影響次序?yàn)椋撼暡◤?qiáng)度（A）＞AA濃度（C）＞CA濃度（D）＞L-Cys濃度（B）；二次項(xiàng)A2對響應(yīng)面的效應(yīng)極顯著；交互項(xiàng)CD交互作用極顯著，BD交互作用顯著。

表3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Box-Behnken design matrix and extraction results

對超聲波強(qiáng)度、L-Cys濃度、AA濃度及CA濃度4因素，兩兩交互作用分析，得到交互作用的響應(yīng)曲面圖，見圖5與圖6（交互作用不顯著者已略去）。超聲波強(qiáng)度為120W、AA濃度為0.08%時(shí)，當(dāng)CA濃度較小時(shí)，褐變度隨L-Cys濃度的增加而減少，當(dāng)CA濃度較大時(shí)，褐變度隨L-Cys濃度的增加而增加；超聲波強(qiáng)度為120W，L-cys濃度為0.02%時(shí)，當(dāng)AA濃度較小時(shí)，褐變度隨CA濃度的增加而增加，當(dāng)CA濃度較大時(shí)，褐變度隨AA濃度的增大而減小。

通過 design expert軟件分析，得到鮮切紫薯褐變控制的最佳條件為：超聲波功率127.41W、L-Cys濃度為0.03%、CA濃度為0.20%，AA濃度為0.06%。在此條件下，鮮切紫薯理論褐變度為6.04。采用上述優(yōu)化條件處理鮮切紫薯，考慮實(shí)際工作的便利，修正為：超聲波功率130W、L-Cys濃度為0.03%、CA濃度為0.20%，AA濃度為0.06%。在此條件下處理的鮮切紫薯在4℃貯藏15d后的褐變度為6.10±0.09，與預(yù)測值相近。因此，基于響應(yīng)曲面法所得的優(yōu)化得到鮮切紫薯褐變控制參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 4 Result of variance analysis for response surface experiment

圖5 CA濃度與L-cys濃度交互作用對鮮切紫薯褐變度影響的響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface of the interaction effects on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

圖6 AA濃度與CA濃度交互作用對鮮切紫薯褐變度影響的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface of the interaction effects on browning degree of fresh-cut purple sweet potato

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，建立了以褐變度為響應(yīng)值，以超聲波強(qiáng)度、L-Cys濃度、AA濃度及CA濃度為因子的回歸模型，由該模型得到抑制鮮切紫薯褐變的最佳條件為：超聲波強(qiáng)度130W、抗壞血酸0.06%、L-Cys0.03%、檸檬酸0.20%，在此條件下，鮮切紫薯貯藏15d后的褐變度為6.10± 0.09，與預(yù)測值6.04接近，說明建立的模型可靠性較高，可用于鮮切紫薯褐變抑制工藝優(yōu)化。采用超聲波結(jié)合抑制劑的處理方式來控制鮮切紫薯的褐變，延伸了紫薯的感官品質(zhì)、食用價(jià)值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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Optimization of controlling fresh-cut purple sweet potato browning by response surface methodology

FENG Wei-min，LUO Jia-li，JIANG He-ti*
（College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China）

Response surface methodology （RSM） was adopted to optimize for the combination of ultrasonic and inhibitors to control the browning of fresh-cut purple sweet potato.On the basis of single factor experiment，selecting the intensity of ultrasonic ，the concentration of L-Cys ，CA and AA as independent variables ， and purple potato Browning degree as the response value，the interaction of the respective variables and their influence on the browning degree were studied by using Box-Behnken experimental design and response surface analysis theory.The quadratic polynomial regression equation of prediction regression model was established，the results indicated that the optimal condition for Browning inhibition was obtained as follows：ultrasonic intensity was at 130W ，L-Cys concentration was 0.03% ， the CA concentration was 0.20% ， AA concentration was 0.06%.Under these conditions，the browning degree was 6.10±0.09，which was close relation with the predicated value.

purple potato；fresh-cut；browning；control；optimization

TS255.36

B

1002-0306（2014）22-0268-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.050

2014－02－27

馮衛(wèi)敏（1991-），女，碩士研究生，研究方向：食品工程。

* 通訊作者：蔣和體（1963-），男，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。