紅葡萄汁酚類物質冷凍微波聯(lián)合促溶工藝優(yōu)化

洪梅玲 - 馮作山 - 白羽嘉 - 鄭萬財 - 馬德秀 -

(新疆農(nóng)業(yè)大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

有色葡萄的花色苷等酚類物質含量雖然豐富，但主要存在于皮籽中。受組織和細胞的束縛[1]，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝很難將花色苷等活性成分最大程度地促溶到汁中，造成了葡萄皮中的功效成分隨廢料皮渣排出[2]。

冷凍是指通過降溫作用使食物整體溫度降至冰點以下，使其得到加工或保藏的工藝方式[3]。在冷凍過程中，當葡萄果皮組織溫度降低至細胞凍結點時，處于細胞間隙內(nèi)與親水膠體結合較弱或存在于低濃度溶液的部分水分，就會形成冰晶體[4-5]。冰晶體的生長會造成機械作用，使葡萄果皮的細胞壁、細胞膜等結構受到損害，加劇細胞汁液的溶出[6]。

微波是指波長在1～1 000 nm，頻率為0.3～40 MHz的電磁波，具有加熱速度快、加熱均勻、易瞬時控制、選擇性吸收及加熱效率高等特性[7-9]。微波可以直接透射入葡萄果皮內(nèi)部，使其極性分子隨微波周期來回振動摩擦，將電磁場能轉化成熱能[10]，產(chǎn)生的熱效應使葡萄果皮溫度升高，內(nèi)外水分同時汽化，并對葡萄果皮內(nèi)部細胞產(chǎn)生一定破壞作用[11-12]。

冷凍處理能顯著破壞葡萄果皮細胞組織結構；微波處理能增加葡萄色素物質的分子動能，促進其溶出。將兩項技術聯(lián)合，不僅能促進葡萄果皮色素的溶出，而且可以實現(xiàn)低溫操作，避免了高溫處理對葡萄汁風味品質的影響。本研究擬采用冷凍微波聯(lián)合促溶工藝，將赤霞珠葡萄果皮中的多酚物質溶出到汁中，通過響應面優(yōu)化分析樣品質量、冷凍溫度、冷凍時間、微波時間和微波功率等因素對葡萄汁花色苷和多酚含量的影響，以確定最佳促溶工藝參數(shù)，旨在為今后葡萄汁產(chǎn)品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤霞珠葡萄：采收自新疆農(nóng)業(yè)科學院葡萄種植基地；

沒食子酸標準品：含量≥98%，上海永葉生物科技有限公司；

福林酚：北京索萊寶科技有限公司；

無水碳酸鈉、氯化鉀、無水乙酸鈉、鹽酸、冰乙酸、無水乙醇：分析純，天津市光復科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設備

冰箱：BCD-229BSV型，青島市海爾集團有限公司；

微電腦微波化學反應器：MCR-3型，上海恬恒儀器有限公司；

紫外分光光度計：TU-1810型，北京普析通用儀器有限責任公司；

離心機：TGL-16gR型，上海安亭科學儀器廠；

超聲波清洗器：SK2200H型，上?？茖С晝x器有限公司；

酸度計：FE20型，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：DZKW-S-4型，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；

分析天平：FA2104N型，上海民橋精密科學儀器有限公司；

電子天平：YP2002型，上海越平科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 赤霞珠紅葡萄汁的制備 新鮮的赤霞珠葡萄清洗、除梗、破碎，稱取樣品(汁液與皮渣質量比為3∶1)，進行冷凍處理(溫度為-5，-10，-15，-20，-25，-30 ℃；時間為12，14，16，18，20，22 h)，然后在微波化學反應器中進行微波處理(時間為20，40，60，80，100，120 s；功率為180，270，360，450，540，630 W)，最后在8 000 r/min條件下離心20 min，得到紅葡萄汁。

1.3.2 多酚含量的測定 采用Folin-Ciocalteus法[13]，以沒食子酸為標準品，配制成一定濃度后繪制標準曲線，得標準曲線回歸方程：y=0.001 42x-0.006 84，R2=0.999 2。根據(jù)標準曲線方程求出紅葡萄汁中多酚含量。

1.3.3 花色苷含量的測定 參照文獻[14]，略作改進。取紅葡萄汁1.0 mL，分別用pH 1.0 和pH 4.5 的緩沖溶液定容至10.0 mL，置于暗處反應1 h，用蒸餾水做空白，在520，7 00 nm 處測定吸光度，根據(jù)Fuleki公式求出花色苷含量。

1.3.4 聯(lián)合促溶單因素試驗

(1) 樣品質量：稱取葡萄漿液(50，75，100，125，150，175 g)在溫度-20 ℃、凍結時間16 h、微波時間40 s、微波功率450 W的條件下進行冷凍微波聯(lián)合處理，分別測定各組葡萄汁中多酚和花色苷含量的變化，每組試驗重復3次，取平均值。

(2) 冷凍溫度：稱取葡萄漿液75 g，在溫度(-5，-10，-15，-20，-25，-30 ℃)、凍結時間16 h、微波時間40 s、微波功率450 W的條件下進行冷凍微波聯(lián)合處理，分別測定各組葡萄汁中多酚和花色苷含量的變化，每組試驗重復3次，取平均值。

(3) 冷凍時間：稱取葡萄漿液75 g，在溫度-20 ℃、凍結時間(12，14，16，18，20，22 h)、微波時間40 s、微波功率450 W 的條件下進行冷凍微波聯(lián)合處理，分別測定各組葡萄汁中多酚和花色苷含量的變化，每組試驗重復3次，取平均值。

(4) 微波時間：稱取葡萄漿液75 g，在溫度-20 ℃、凍結時間16 h、微波時間(20，40，60，80，100，120 s)、微波功率450 W的條件下進行冷凍微波聯(lián)合處理，分別測定各組葡萄汁中多酚和花色苷含量的變化，每組試驗重復3次，取平均值。

(5) 微波功率：稱取葡萄漿液75 g，在冰箱溫度-20 ℃、凍結時間16 h、微波時間40 s、微波功率(180，270，360，450，540，630 W)的條件下進行冷凍微波聯(lián)合處理，分別測定各組葡萄汁中多酚和花色苷含量的變化，每組試驗重復3次，取平均值。

1.3.5 響應面法優(yōu)化冷凍微波聯(lián)合促溶工藝 采用 Box-Behnken 設計，以花色苷和多酚含量為響應值，選取五因素三水平的組合設計，對各因素(樣品質量、冷凍溫度、冷凍時間、微波時間、微波功率)進行優(yōu)化，得出最佳促溶工藝條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

單因素試驗數(shù)據(jù)運用SPSS軟件處理并分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 樣品質量對葡萄汁酚類物質的影響 由圖1可知，隨著樣品質量的增加，葡萄汁中花色苷和多酚含量呈先升高后降低趨勢，當樣品質量為75 g時，葡萄汁中花色苷和多酚含量均達到最大值。由于質量的增加不利于葡萄果皮冷凍凍結和微波解凍及時地吸收和釋放熱量，影響了多酚物質的溶出。而且花色苷熱穩(wěn)定性差，當質量過少時樣品受到高于自身所能吸收的熱量，會造成花色苷的降解[15]。

圖1 樣品質量對葡萄汁中多酚和花色苷含量的影響

Figure 1 Effect of sample quality on polyphenol and anthocyanin contents in grape juice

2.1.2 冷凍溫度對葡萄汁酚類物質的影響 由圖2可知，在冷凍溫度為-20 ℃時，葡萄汁中花色苷和多酚含量均達到峰值。隨著凍結溫度的下降，葡萄汁中花色苷和多酚含量呈先上升后下降的趨勢。由于在一定范圍內(nèi)，低溫使細胞膜結構和膜蛋白形態(tài)發(fā)生了變化[16-17]。凍結溫度越低細胞壁越易破裂，細胞內(nèi)膜結構疏松甚至消失，細胞破壞嚴重，細胞中的溶質易流出到細胞間的空間中，當凍結溫度過低時，又保護了葡萄果皮細胞，影響了多酚物質的溶出。

圖2 冷凍溫度對葡萄汁中多酚和花色苷含量的影響

Figure 2 Effects of freezing temperature on the content of polyphenols and anthocyanins in grape juic

2.1.3 冷凍時間對葡萄汁酚類物質的影響 由圖3可知，在冷凍凍結16 h時，葡萄汁中花色苷和多酚含量最大，繼續(xù)延長凍結時間，花色苷和多酚含量下降，由于長時間的冷凍使得葡萄果皮細胞中的酚類物質發(fā)生了變化，破碎過程使得葡萄果皮細胞變形，但在長時間的冷凍一定程度上又使其受到了保護[18]，因此影響了葡萄果皮的多酚物質溶出，致使兩者含量下降。

圖3 冷凍時間對葡萄汁中多酚和花色苷含量的影響

Figure 3 Effects of freezing time on contents of polyphenols and anthocyanins in grape juice

2.1.4 微波時間對葡萄汁酚類物質的影響 由圖4可知，隨著微波時間的延長，葡萄汁中花色苷和多酚含量呈先升高再降低的趨勢，當微波時間達到40 s時，葡萄汁中花色苷和多酚含量達到最大值。在冷凍處理時，細胞已經(jīng)遭到破壞或變得比較脆弱，微波處理可以加劇這種破壞作用，促使細胞內(nèi)色素等多酚物質向外滲透。但有些酚類物質具有熱不穩(wěn)定性，隨著微波時間的延長，在高溫下發(fā)生降解，導致含量降低[19]。

圖4 微波時間對葡萄汁中多酚和花色苷含量的影響

Figure 4 Effects of microwave time on the contents of polyphenols and anthocyanins in grape juice

2.1.5 微波功率對葡萄汁酚類物質的影響 由圖5可知，在微波功率450 W時，葡萄汁中花色苷和多酚含量最高，繼續(xù)增大功率，花色苷和多酚含量下降。由于微波的熱效應對葡萄果皮的組織細胞有破壞作用，使酚類物質溶出阻力減小，花色苷和多酚含量升高。但微波處理功率較大，時間較長時會使葡萄果皮焦化，產(chǎn)生一定的負面影響，造成了含量的下降[20]，且較大的功率會消耗更多的能量，所以選取微波功率360～540 W為優(yōu)化水平。

圖5 微波功率對葡萄汁中多酚和花色苷含量的影響

Figure 5 Effect of microwave power on the contents of polyphenols and anthocyanins in grape juice

2.2 冷凍微波聯(lián)合促溶試驗響應面結果及分析

2.2.1 響應面因素水平設計表 以單因素試驗結果為依據(jù)，進行五因素三水平響應面優(yōu)化試驗，得到響應面因素設計水平，見表1。

2.2.2 響應面因素水平設計表 響應面試驗設計及試驗結果見表2。對表2試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到花色苷(Y1)和多酚含量(Y2)的擬合方程：

表1 Box-Behnken試驗因素與水平表

表2 響應面試驗設計及結果

Y1=175.41-0.91A-132.52B+0.75C+1.01D+0.34E+2.22AB-1.75AC+0.07AD+2.92AE+14.87BC-0.93BD-0.088BE+0.21CD+0.084CE-0.19DE-9.77A2-76.71B2-9.07C2-5.74D2-2.27E2，

(1)

Y2=409.69+16.65A-344.55B-5.14C+2.13D-3.65E+25.6AB-4.64AC-0.72AD+2.58AE+27.08BC+0.34BD-3.23BE+0.11CD-1.04CE+0.072DE-57.86A2-197.76B2-21.41C2-16.13D2-11.54E2。

(2)

由因素項中的P值可以看出，一次項B，二次項A2、B2、C2、D2，對花色苷含量影響均有極顯著差異，交互作用項AB、AC、AE、BC和二次項E2對花色苷含量影響均有顯著差異，其余項對花色苷含量影響不顯著；一次項B，二次項A2、B2、C2、D2，對多酚含量影響均有極顯著差異，交互作用項AB和二次項E2對多酚含量影響均有顯著差異，其余項對多酚含量影響不顯著。通過F值大小，可判定各因素對花色苷的影響大小依次是B>A>C>E>D，即冷凍時間>樣品質量>冷凍溫度>微波功率>微波時間;對多酚的影響大小依次是B>A>E>C>D，即冷凍時間>樣品質量>微波功率> 冷凍溫度>微波時間。

2.2.4 驗證實驗結果 通過Design-Expert 8.0.6軟件響應面優(yōu)化分析方法對回歸模型進行分析，得到冷凍微波聯(lián)合促溶最佳工藝參數(shù)為：樣品質量73.61 g，冷凍溫度-18.84 ℃，冷凍時間16.28 h，微波時間41.48 s，微波功率451.71 W，花色苷含量的理論預測值為(237.124±0.101) mg/L，多酚含量的理論預測值為(569.886±0.101) mg/L。在響應面分析法求得的最佳條件下考慮到試驗設備和工廠生產(chǎn)中的實際操作條件，將冷凍微波聯(lián)合促溶工藝參數(shù)調整為：樣品質量74 g，冷凍溫度-18 ℃，冷凍時間16.3 h，微波時間40 s，微波功率450 W，在此條件下，進行3次平行實驗，花色苷含量為(239.272±3.07) mg/L，多酚含量為(573.153±5.68) mg/L，均比預測值大。說明采用響應面法得到的擬合模型能很好地預測花色苷和多酚含量與各試驗因素之間的關系，工藝參數(shù)可靠，對有色葡萄汁酚類物質的促溶工藝有指導意義。

2.2.5 不同處理對葡萄汁酚類物質的影響 由表4可知，冷凍微波聯(lián)合處理的葡萄汁中花色苷和多酚含量均高于其它處理組，不同處理之間差異均達到顯著性水平(P<0.05) 。

表3 響應面方差分析結果

表4不同處理對葡萄汁中花色苷和多酚含量的影響?

Table 4 Effects of different treatments on anthocyanins and polyphenols contents in grape juice (n=3)

mg/L

? 同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

經(jīng)測定樣品赤霞珠葡萄花色苷含量為47.141 mg/100 g，總酚含量為110.469 mg/100 g。將赤霞珠葡萄破碎后，汁中花色苷和多酚得率分別為14.3%和20.7%。將破碎的赤霞珠葡萄漿液經(jīng)-18 ℃，冷凍16.3 h后，汁中花色苷和多酚得率分別為20.1%和26.4%。將破碎的赤霞珠葡萄漿液經(jīng)功率450 W，微波40 s后，汁中花色苷和多酚得率分別為29.4% 和31.3%。將破碎的赤霞珠葡萄漿液經(jīng)-18 ℃，冷凍16.3 h，50 ℃水浴40 s后，汁中花色苷和多酚得率分別為30.9%和33.1%。將破碎的赤霞珠葡萄漿液經(jīng)-18 ℃，冷凍16.3 h，功率450 W，微波40 s后，汁中花色苷和多酚的得率分別為50.8%和51.9%。由此得出，冷凍微波聯(lián)合促溶工藝可以制取含有高花青素及酚類物質的葡萄汁。

3 結論

通過單因素試驗和響應面試驗篩選出葡萄汁酚類物質最佳促溶條件為：樣品質量74 g，冷凍溫度-18 ℃，冷凍時間16.3 h，微波時間40 s，微波功率450 W，此條件下制取的葡萄汁花色苷含量為(239.272±3.07) mg/L，多酚含量為(573.153±5.68) mg/L。在冷凍和微波的聯(lián)合促溶處理下，赤霞珠葡萄花色苷等酚類物質溶出量增多，試驗表明本工藝制備紅葡萄汁是一種可靠、有效的方法，具有技術可行性，可為高花色苷葡萄汁產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。但是如何設計高效連續(xù)化的冷凍微波聯(lián)合促溶設備還有待進一步研究。

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