響應(yīng)面法優(yōu)化柑橘?gòu)?fù)合生物保鮮劑配方

張　良,劉媛潔,肖勇生,包　珍,許秀娟,黃智軍

(1.江西省食品發(fā)酵研究所,江西宜春 336000;2.江西醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校,江西上饒 334000)

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響應(yīng)面法優(yōu)化柑橘?gòu)?fù)合生物保鮮劑配方

張良1,劉媛潔2,肖勇生1,包珍1,許秀娟2,黃智軍2

(1.江西省食品發(fā)酵研究所,江西宜春 336000;2.江西醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校,江西上饒 334000)

以南豐蜜橘為原料,在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面分析方法對(duì)生姜精油、茶多酚、殼聚糖、蔗糖脂肪酸酯(Sucrose Fatty Acid Esters,SE)生物保鮮劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化。結(jié)果表明:南豐蜜橘的最佳復(fù)合生物保鮮劑配方為:茶多酚濃度1.60%、殼聚糖濃度2.25%、蔗糖脂肪酸酯濃度0.65%和生姜精油的濃度0.15%,在此最佳條件下,蜜橘在25 ℃下貯藏90 d后,其腐爛率為5.09%、失重率為3.40%、維生素C含量為510.56 mg/kg。此復(fù)合生物保鮮劑具有健康、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn),有望用于柑橘貯藏保存和保鮮的工業(yè)化生產(chǎn)中。

南豐蜜橘,響應(yīng)面分析,生物保鮮劑,茶多酚

柑橘(citrus reticulata)是我國(guó)南方重要的水果之一,具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]。而南豐蜜橘(別稱貢橘、蜜橘、南豐橘)是我國(guó)柑橘中的優(yōu)良品種,同時(shí)也是江西省的名貴特產(chǎn)。歷史上就以果色金黃、皮薄肉嫩、食不存渣、風(fēng)味濃甜、芳香撲鼻而聞名中外[2]。據(jù)《禹貢》記載,早在兩千多年以前,南豐蜜橘已被列為貢品,也曾被斯大林同志譽(yù)為“橘中之王”[3]。目前,南豐蜜橘種植面積已達(dá)5萬公頃,總產(chǎn)量65萬噸。但蜜橘采摘后,因微生物感染等外在因素導(dǎo)致腐敗變質(zhì),每年鮮果損失率高達(dá)25%～30%[4-5]。因此,柑橘水果采后的保鮮技術(shù)至關(guān)重要。

目前,柑橘保鮮劑的研究主要是化學(xué)保鮮[6-8]和生物保鮮兩個(gè)方向[9],后者因其具有綠色、環(huán)保、無農(nóng)藥殘留等優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)[10]。生物保鮮劑按照保鮮原理不同大致可分為防腐保鮮和涂膜保鮮兩類[11]。防腐保鮮主要采用微生物及其產(chǎn)物或動(dòng)植物提取物,利用其抗氧化或抑菌功能,抑制柑橘表面微生物的生長(zhǎng),達(dá)到防腐保鮮目的[12-16]。常用的生物防腐保鮮劑有納他菌素、乳酸鏈球菌素,及香料和中草藥動(dòng)植物的提取物[17-20],如茶多酚、大蒜、姜、透骨草、虎杖等。涂膜保鮮主要原理是通過控制柑橘果皮表面透氣性和透水性,有效降低果實(shí)腐爛率來達(dá)到柑橘保鮮的效果,常用的涂膜材料有殼聚糖、蔗糖脂肪酸酯、CMC、蜂蠟、磷蛋白類等[21-23]。已有研究中,對(duì)單一生物保鮮劑對(duì)柑橘保鮮效果的研究較多,而對(duì)于復(fù)合生物保鮮劑的研究目前較少。復(fù)合生物保鮮劑可讓各保鮮劑優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),達(dá)到更優(yōu)的保鮮效果。

本研究以新鮮采摘的南豐蜜橘為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,研究生姜精油、茶多酚、殼聚糖、蔗糖脂肪酸酯不同的生物保鮮劑對(duì)柑橘保鮮效果的影響,實(shí)驗(yàn)在單因素基礎(chǔ)上應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)最佳復(fù)合生物保鮮劑配方進(jìn)行優(yōu)化,確定最佳的柑橘?gòu)?fù)合生物保鮮劑配方,為當(dāng)?shù)啬县S蜜橘商業(yè)貯藏保鮮中的應(yīng)用提供借鑒和參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

南豐蜜橘產(chǎn)地為江西南豐,挑選色澤金黃成熟果實(shí);生姜精油廣州晶晶生物科技有限公司,25%的姜辣素;殼聚糖食品級(jí),脫乙酰度≥90%,武漢佰興生物科技有限公司;茶多酚食品級(jí),安徽紅星藥業(yè)有限公司;蔗糖脂肪酸酯武漢佰興生物科技有限公司;去離子水色譜純,實(shí)驗(yàn)室自制;其他試劑均為分析純。

恒溫培養(yǎng)箱上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;電子分析天平日本島津公司;恒溫水浴鍋廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司;高速冷凍離心機(jī)美國(guó)Thermo公司;乳化機(jī)溫嶺林大機(jī)械有限公司;可見分光光度計(jì)國(guó)華電器有限公司;超純水機(jī)上海訊輝環(huán)?？萍加邢薰?恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海一恒科技有限公司。

1.2保鮮劑的配制和使用方法

分別稱取一定質(zhì)量的生姜精油、茶多酚、殼聚糖、蔗糖脂肪酸酯,以超純水為溶液配制成不同濃度的生物保鮮劑。然后將南豐蜜橘分別浸入保鮮劑溶液中浸泡處理3 min后撈出,對(duì)照組則浸入超純水中3 min,均自然曬干后置于25 ℃、相對(duì)濕度85%下貯藏,每15 d取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo),每次取樣10個(gè)果實(shí),分3次重復(fù)。

1.3測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1腐爛率的計(jì)算以蜜橘果實(shí)表皮出現(xiàn)水漬斑為腐爛果[24],腐爛率計(jì)算公式如下:

腐爛率Y1(%)=腐爛果數(shù)/總果數(shù)×100

1.3.2失重率的計(jì)算以稱重法統(tǒng)計(jì)法計(jì)算[25]。

失重率Y2(%)=(貯藏前重量-貯藏后重量)/貯藏前重量×100

1.3.3VC含量的測(cè)定采用2,4-二硝基苯肼比色法測(cè)定[26]。蜜橘保鮮過程VC含量的變化,具體計(jì)算方法如下:

Y3(%)=(M0-M1)/M0×100

式中:Y3-VC指標(biāo)(%);M0-貯藏前蜜橘Vc含量(mg/kg);M1-貯藏后蜜橘VC含量(mg/kg)。

1.3.4蜜橘保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)的確實(shí)采用多指標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝優(yōu)選時(shí),通?？舍槍?duì)指標(biāo)間的重要性差異給出不同的權(quán)重,綜合評(píng)分后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[27-28]。本實(shí)驗(yàn)中腐爛率(Y1)、失重率(Y2)、VC指標(biāo)(Y3)都為欲達(dá)到最小化指標(biāo)。根據(jù)重要程度,把指標(biāo)Y1加權(quán)系數(shù)設(shè)定為0.4,指標(biāo)Y2和Y3的加權(quán)系數(shù)均定為0.3,則:

加權(quán)綜合指標(biāo)Y=1/(0.4×Y1+0.3×Y2+0.3×Y3)

可見,其加權(quán)綜合指標(biāo)值越大代表復(fù)合保鮮劑對(duì)蜜橘的保鮮效果越好。

1.4單因素實(shí)驗(yàn)

1.4.1茶多酚對(duì)蜜橘保鮮效果的影響精確稱取一定量的茶多酚溶解于超純水中,充分?jǐn)嚢枞芙?分別配制成濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的茶多酚溶液。按照1.2方法對(duì)蜜橘進(jìn)行處理,研究蜜橘在25 ℃、相對(duì)濕度85%條件下貯藏90 d內(nèi)腐爛率、失重率和VC含量的影響。

1.4.2殼聚糖對(duì)蜜橘保鮮效果的影響稱取一定量的殼聚糖置于1%醋酸溶液中,于磁力攪拌器上攪拌,充分溶解,分別配制成濃度為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的殼聚糖溶液,剩余處理同1.4.1。

1.4.3生姜精油對(duì)蜜橘保鮮效果的影響以超純水為溶液,加入0.4%的吐溫-80,在分別稱取一定量的生姜精油,于磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢?配制成質(zhì)量濃度為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的生姜精油溶液,剩余處理同1.4.1。

1.4.4蔗糖脂肪酸酯對(duì)蜜橘保鮮效果的影響稱取一定量的蔗糖脂肪酸酯置于80 ℃超純水中,于40 MPa下均質(zhì)5 min,分別制備濃度為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的蔗糖脂肪酸酯溶液,剩余處理同1.4.1。

1.5響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,固定生姜精油的濃度為0.15%,蜜橘在25 ℃條件下貯藏90 d時(shí)檢測(cè)其結(jié)果。以茶多酚、殼聚糖、蔗糖脂肪酸酯為自變量,保鮮劑的加權(quán)綜合指標(biāo)(Y)為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,運(yùn)用Design Expert 7.0軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.6數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分別采用Microsoft Excel(office 2007)、Design Expert 7.0等軟件進(jìn)行分析及繪制圖形。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1茶多酚對(duì)蜜橘保鮮效果的影響由圖1～圖3可知,不同濃度的茶多酚保鮮劑處理的蜜橘,隨著貯藏時(shí)間的增加,其腐爛率、失重率均成上升趨勢(shì),VC含量成下降趨勢(shì);在同一貯藏時(shí)間下,各濃度的茶多酚保鮮劑處理蜜橘后的腐爛率、失重率均低于對(duì)照組,VC含量高于對(duì)照組。分析原因是茶多酚保鮮劑能有效降低蜜橘保藏中的腐爛率和失重率,延緩蜜橘中VC的流失速度。

由圖1～圖3可知,在同一貯藏時(shí)間下,不同濃度的茶多酚保鮮劑隨其濃度的增加，蜜橘腐爛率基本呈先減小后增加的趨勢(shì),當(dāng)茶多酚濃度為1.5%時(shí),蜜橘腐爛率均小于其它濃度的茶多酚保鮮劑;蜜橘失重率呈逐漸下降趨勢(shì);蜜橘VC含量成先升高后緩慢下降趨勢(shì)。綜合考慮,腐爛率是影響蜜橘保鮮效果的關(guān)鍵因素,且1.5%、2.0%和2.5%濃度的茶多酚隨著貯藏時(shí)間的增加,對(duì)蜜橘的失重率和VC含量變化的差異不大,所以選擇茶多酚濃度范圍為1.0%～2.0%。

圖1　茶多酚濃度對(duì)蜜橘腐爛率的影響Fig.1　Effect of different tea polyphenols concentration on rot index of Nanfeng tangerine

圖2　茶多酚濃度對(duì)失重率的影響Fig.2　Effect of different tea polyphenols concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

圖3　茶多酚濃度對(duì)VC含量的影響Fig.3　Effect of different tea polyphenols concentration on the VC of Nanfeng tangerine

2.1.2殼聚糖對(duì)蜜橘保鮮效果的影響由圖4～圖6可知,不同濃度的殼聚糖保鮮劑處理的蜜橘,隨著貯藏時(shí)間的增加,其腐爛率、失重率均呈上升趨勢(shì),VC含量成下降趨勢(shì);在同一貯藏時(shí)間下,各濃度的殼聚糖保鮮劑處理蜜橘后的腐爛率、失重率均低于對(duì)照組,VC含量高于對(duì)照組?？梢姎ぞ厶菍?duì)蜜橘保鮮有顯著的效果。

由圖4可知,在同一貯藏時(shí)間下,不同濃度的殼聚糖保鮮劑隨其濃度的增加,蜜橘腐爛率基本呈先減小后增加的趨勢(shì),分析原因是殼聚糖會(huì)在蜜橘表面形成一層膜,可適當(dāng)防止水分蒸發(fā)和抑菌作用,而當(dāng)薄膜過厚時(shí)會(huì)對(duì)蜜橘的正常生理代謝起到負(fù)面作用,導(dǎo)致其腐爛率升高,當(dāng)殼聚糖濃度為2.0%時(shí),蜜橘腐爛率均小于其它濃度的茶多酚保鮮劑;由圖5和圖6可知,同一貯藏時(shí)間,不同濃度的殼聚糖保鮮劑隨其濃度的增加,蜜橘失重率呈逐漸下降趨勢(shì),而蜜橘VC含量呈先升高后緩慢下降趨勢(shì)。綜合考慮,選擇殼聚糖濃度范圍為1.5%～2.5%。

圖4　殼聚糖對(duì)腐爛率的影響Fig.4　Effect of different chitosan concentration on rot index of Nanfeng tangerine

圖5　殼聚糖對(duì)失重率的影響Fig.5　Effect of different chitosan concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

圖6　殼聚糖對(duì)VC含量的影響Fig.6　Effect of different chitosan concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.1.3生姜精油對(duì)蜜橘保鮮效果的影響由圖7～圖9可知,不同濃度的生姜精油保鮮劑處理的蜜橘,隨著貯藏時(shí)間的增加,其腐爛率、失重率均呈上升趨勢(shì),VC含量呈下降趨勢(shì);在同一貯藏時(shí)間下,各濃度的生姜精油保鮮劑處理蜜橘后的腐爛率、失重率均低于對(duì)照組,VC含量高于對(duì)照組。可見生姜精油對(duì)蜜橘的保鮮效果有一定的影響,特別是1.5%濃度以上的生姜精油對(duì)蜜橘腐爛率、失重率和VC含量指標(biāo)的影響明顯。

由圖7可知,在同貯藏75 d以前,不同濃度的生姜精油保鮮劑隨其濃度的增加,腐爛率呈逐漸減小的趨勢(shì);貯藏期為75 d以后,不同濃度的生姜精油保鮮劑隨其濃度的增加,腐爛率呈先減小后逐漸增大的趨勢(shì),但0.15%、0.20%、0.25%濃度的生姜精油保鮮劑對(duì)蜜橘腐爛率影響差異不大。由圖8和圖9可知,在同一貯藏時(shí)間下,不同濃度的生姜精油保鮮劑隨其濃度的增加,蜜橘失重率成逐漸下降趨勢(shì),蜜橘VC含量呈緩慢下降的趨勢(shì)。綜合考慮,選擇生姜精油的濃度范圍為0.15%。

圖7　生姜精油對(duì)腐爛率的影響Fig.7　Effect of different ginger oil concentration on rot index of Nanfeng tangerine

圖8　生姜精油對(duì)失重率的影響Fig.8　Effect of different ginger oil concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

圖9　生姜精油對(duì)VC含量的影響Fig.9　Effect of different ginger oil concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.1.4蔗糖脂肪酸酯對(duì)蜜橘保鮮效果的影響由圖10～圖12可知,不同濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑處理的蜜橘,隨著貯藏時(shí)間的增加,其腐爛率、失重率均呈上升趨勢(shì),VC含量呈下降趨勢(shì);在同一貯藏時(shí)間下,各濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑處理蜜橘后的腐爛率、失重率均低于對(duì)照組,VC含量高于對(duì)照組。可見蔗糖脂肪酸酯對(duì)蜜橘的防腐率、失重率和VC含量指標(biāo)均有明顯效果。

由圖10可知,在同一貯藏時(shí)間下,不同濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑隨其濃度的增加,蜜橘腐爛率呈先減小后增加的趨勢(shì),分析高濃度的蔗糖脂肪酸酯防腐效果不佳的原因是涂膜過厚,導(dǎo)致腐爛率升高。當(dāng)蔗糖脂肪酸酯濃度為0.6%時(shí),蜜橘腐爛率均小于其它濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑;由圖11和圖12可知,同一貯藏時(shí)間,不同濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑隨其濃度的增加,蜜橘失重率呈逐漸下降趨勢(shì);大于0.4%濃度的蔗糖脂肪酸酯保鮮劑對(duì)蜜橘VC含量的影響較大,但隨著其濃度的增大,效果差異不顯著。綜合考慮,選擇殼聚糖濃度范圍為0.4%～0.8%。

圖10　蔗糖脂肪酸酯對(duì)腐爛率的影響Fig.10　Effect of different SE concentration on rot index of Nanfeng tangerine

圖11　蔗糖脂肪酸酯對(duì)失重率的影響Fig.11　Effect of different SE concentration on the water loss rate of Nanfeng tangerine

圖12　蔗糖脂肪酸酯對(duì)VC含量的影響Fig.12　Effect of different SE concentration on the VC of Nanfeng tangerin

2.2響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照1.5方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果見表2。采用Design Expert 7.0軟件,對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到回歸方程方差分析表,結(jié)果見表3。用軟件進(jìn)行非線性回歸的二次多項(xiàng)式擬合,得到預(yù)測(cè)模型如下:

Y=26.37+0.50A+0.68B-0.36C-0.60AB+0.69AC+0.79BC-0.74A2-0.62B2-0.78 C2

表2　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3　回歸模型的方差分析

注:*表示差異顯著(p<0.05),**表示差異極顯著(p<0.01)。

為直觀表現(xiàn)2個(gè)因素對(duì)蜜橘保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)的影響,可令一個(gè)因素為固定值,分析另外兩個(gè)因素對(duì)響應(yīng)值的影響。由圖13可反映出各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響,等高線的形狀可以反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱大小,橢圓形表示2個(gè)因素交互作用顯著,而圓形則與之相反[14]?？梢?茶多酚濃度和殼聚糖濃度、茶多酚濃度和蔗糖脂肪酸酯濃度及殼聚糖濃度和蔗糖脂肪酸酯濃度的交互作用極顯著。同時(shí),3個(gè)響應(yīng)面均為凸型曲面,表明蜜橘保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)存在極高值。根據(jù)對(duì)蜜橘保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)的二次多項(xiàng)方程求解,得到最佳的蜜橘保鮮劑配方為:茶多酚濃度1.57%、殼聚糖濃度2.23%、蔗糖脂肪酸酯濃度0.63%,在此最佳條件下,保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)理論上可達(dá)26.56。

圖13　交互項(xiàng)對(duì)蜜橘保鮮加權(quán)綜合指數(shù)影響的響應(yīng)面Fig.13　Response surface showing the effect of interaction terms on tangerine preservation weighted composite index

考慮實(shí)驗(yàn)可操作性,修正最佳配方條件為:茶多酚濃度 1.60%、殼聚糖濃度2.25%、蔗糖脂肪酸酯濃度0.65%和生姜精油的濃度0.15%。在此條件下,連續(xù)進(jìn)行3組平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),測(cè)得蜜橘在25 ℃貯藏保存90 d后的蜜橘保鮮劑加權(quán)綜合指標(biāo)分別為26.52、26.46、26.45,平均值加權(quán)綜合指標(biāo)為26.48,與理論預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在0.3%左右,說明模型擬合性良好,驗(yàn)證了模型的有效性,該二元多項(xiàng)回歸方程為蜜橘?gòu)?fù)合生物保鮮劑配方工藝提供了一個(gè)合適的模型。

3　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面分析法,對(duì)蜜橘保鮮的復(fù)合生物保鮮劑配方進(jìn)行了優(yōu)化,獲得的最佳配方為:茶多酚濃度 1.60%、殼聚糖濃度2.25%、蔗糖脂肪酸酯濃度0.65%和生姜精油的濃度0.15%,在此最佳條件下,蜜橘在25 ℃下貯藏90 d的腐爛率、失重率和VC含量分別為:5.09%、3.40%和510.56 mg/kg。該保鮮劑配方可為工業(yè)化的蜜橘貯藏保存和保鮮提供參考依據(jù)。

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Optimization of complex biopreservatives to improve quality preservation of citrus reticulata by response surface methodology

ZHANG Liang1,LIU Yuan-jie2,XIAO Yong-sheng1,BAO Zhen1,XU Xiu-juan2,HUANG Zhi-jun2

(1.Food Fermentation Institute of Jiangxi Province,Yichun 336000,China;2.Jiangxi Medical College,Shangrao 334000,China)

Used the Nanfeng tangerines as the raw material,based on single factor experiment results,optimize complex preservatives consisting of the oil of ginger,tea polyphenols,chitosans and Sucrose fatty acid ester using response surface methodology to improve quality preservation of Nanfeng tangerines.The results showed that,the optimal complex preservatives consist was ginger oil 0.15%,tea polyphenols 1.60%,chitosans 2.25% and Sucrose fatty acid ester 0.65%. In the optima conditions,tangerine storage after 90 days under 25 ℃,the rot index of 5.09%,the water loss rate was 3.40%,VCcontent was 510.56 mg/kg. The complex biopreservatives had the advantages of health,environmental protection and high efficiency,and was expected to be used in the industrial production of Citrus storage and preservation.

Nanfeng tangerine;response surface methodology;biopreservative;tea polyphenols

2016-01-04

張良(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：食品與發(fā)酵工程，E-mail：bio_email@126.com。

江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20133BBF60037)。

TS255.3

A

1002-0306(2016)16-0340-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.060