響應面分析法優(yōu)化脫水西蘭花的糖護色處理工藝

丁真真,張 超,趙曉燕,陳計巒,馬 越，*

(1.北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心,果蔬農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工北京市重點實驗室,農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點實驗室,北京 100097; 2.石河子大學 食品學院,新疆石河子 832000)

響應面分析法優(yōu)化脫水西蘭花的糖護色處理工藝

丁真真1,2,張 超1,趙曉燕1,陳計巒2,馬 越1，*

(1.北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心,果蔬農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工北京市重點實驗室,農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點實驗室,北京 100097; 2.石河子大學 食品學院,新疆石河子 832000)

采用響應面分析法優(yōu)化脫水西蘭花的糖護色處理工藝。首先對影響脫水西蘭花品質(zhì)的指標進行分類和排序,進行歸一化處理,賦予不同權(quán)重,通過算術(shù)運算獲得脫水西蘭花綜合評價值Y。以Y為響應值,評價糖類型(乳糖、葡萄糖、海藻糖)、護色時間、護色濃度對脫水西蘭花品質(zhì)的影響,并進一步采用響應面分析方法優(yōu)化糖護色處理工藝條件。結(jié)果顯示使用10.1%的葡萄糖、護色處理15.1 min,此時脫水西蘭花綜合評價值Y值為1.2667,該結(jié)果與驗證實驗的結(jié)果相對偏差僅為0.442%,響應面分析建立的模型真實可靠。該工藝條件降低脫水西蘭花顏色變化,保留其營養(yǎng)成分,綜合品質(zhì)最佳。

脫水西蘭花,糖護色處理,褐變,響應面分析,綜合評價指標

西蘭花(Brassicaoleraceavaritalic),十字花科蕓薹屬植物,富含多酚、葉綠素和硫代葡萄糖苷等活性成分,深受消費者喜愛[1]。但在脫水干燥過程中,熱、光、氧等因素會引起西蘭花中葉綠素降解,產(chǎn)品出現(xiàn)褐變現(xiàn)象。糖護色處理是在脫水干燥前,將糖分子滲入西蘭花表皮,在干燥過程中,保持細胞膜的完整性和細胞原始形態(tài),降低葉綠素降解和黑色素產(chǎn)生,保留產(chǎn)品原有營養(yǎng)組分。研究表明糖護色處理會降低蔬菜中葉綠素降解速率和黑色素形成速率[2],其效果優(yōu)于其它保護劑[3]。其中,葡萄糖護色處理明顯減緩鮮切西蘭花葉綠素的降解[4];蔗糖護色處理不僅保留西蘭花原有顏色,還改善西蘭花的營養(yǎng)價值[5];乳糖護色處理對脫水蔬菜的返霜期具有良好保護效果[6]。

目前,脫水蔬菜品質(zhì)常以葉綠素損失率、褐變度、抗氧化性能等指標評價,比如脫水西蘭花粉的品質(zhì)可以用抗氧化性[7]或色澤與復水比[8]來評價。但是,這些研究忽略了脫水西蘭花的品質(zhì)是由顏色、葉綠素、褐變度、復水性、VC、總酚、抗氧化性,以及能耗等多個方面共同表征。建立一個脫水西蘭花的綜合評價方法,全面反映脫水西蘭花品質(zhì)勢在必行。

本課題組對整朵西蘭花進行糖護色處理,考察護色處理工藝對脫水西蘭花品質(zhì)的影響。研究首先對影響脫水西蘭花品質(zhì)的指標進行分類和排序,進行歸一化處理,賦予各指標不同權(quán)重,獲得綜合評價值Y的計算方法。以綜合評價值Y為響應值,采用單因素實驗結(jié)合響應面的分析方法,優(yōu)化糖護色處理工藝參數(shù),以期為脫水西蘭花生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西蘭花 果香四溢果蔬超市(曙光花園中路店)。選擇鮮綠、表面無損傷、花球無黃化的西蘭花作為實驗材料,于實驗室4 ℃下存放24 h；丙酮、石油醚、乙醇、磷酸、草酸、EDTA、鉬酸銨、偏磷酸、硫酸、乙酸、碳酸氫鈉、碳酸鈉、磷酸氫鉀、磷酸氫二鉀、鄰苯三酚(均為分析純) 北京北化精細化學品責任有限公司;氯化鈣(干燥劑) 深圳市精鈍化工有限;氧氣罐、氮氣罐、二氧化碳氣罐(標準氣體) 北京市華元氣體化工有限公司;福林酚試劑 北京華邁科生物技術(shù)有限公司;Trolox標準品 東京化成工業(yè)株式會社;總酚(貨號9252)、考馬斯亮藍(G-250)、沒食子酸標品、抗壞血酸標品 Sigma化學有限公司。

磁力攪拌機 鉑悅儀器上海有限公司;分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;紫外分光光度儀 島津-GL消耗品銷售公司;快速水分測定儀 上海右一儀器有限公司;Salvis VC50真空干燥箱 Renggli AG公司;恒溫水浴鍋 上海圣科儀器有限公司;離心機 上海京工實業(yè)有限公司;佳能EOS 600D數(shù)碼單反相機 東莞技研新陽電子有限公司;電表 上海賽緯儀器有限公司;酶標儀 美國伯騰儀器有限公司。

1.2 糖護色處理工藝

將新鮮西蘭花放置于4 ℃冷庫貯藏24 h,切除西蘭花根部,使用自來水清洗西蘭花,將花球切分為直徑(3±0.5) cm,保留(1±0.3) cm莖作為原料。按照料液比1∶10,將原料放入(80±5)℃含有2% NaHCO3的自來水漂燙5 min,以800 r/min離心2 min;使用一定濃度糖溶液護色一定時間,吸干表面水漬,放入真空干燥箱內(nèi),干燥箱壓力0.02 MPa,干燥溫度為80 ℃,脫水至西蘭花水分含量低于7%,評價脫水西蘭花的各項品質(zhì)。

1.3 綜合評價指標的建立方法

依據(jù)參考王勇[15]數(shù)學模糊法,略有改動。首先將葉綠素含量、顏色、復水性、耗能、總酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力、褐變度、干燥時間的結(jié)果進行歸一化處理,具體將每個指標的最大值作為1,其它數(shù)值與最大值比值yi作為該指標的響應值;根據(jù)各指標對脫水西蘭花品質(zhì)的影響,將葉綠素含量、顏色、復水性、總酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力為正相關(guān)指標,分別標記為yi(i=1～7),將褐變度、干燥時間、能耗為負相關(guān)指標,分別標記為yj(j=8～10);再根據(jù)指標對品質(zhì)影響的輕重,賦予不同權(quán)重,其中葉綠素的權(quán)重為0.2,顏色、復水性、總酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力的權(quán)重分別為0.1,褐變度的權(quán)重為0.2,耗電量和干燥時間的權(quán)重分別為0.15。以正相關(guān)指標的加權(quán)算術(shù)和與負相關(guān)指標的加權(quán)算術(shù)和之商作為樣品綜合評價指標Y(公式1),那么Y越大,說明脫水西蘭花的綜合品質(zhì)越好。

式(1)

式中:yi為正相關(guān)指標的歸一化值;wi為正相關(guān)指標的權(quán)重;yj為負相關(guān)指標的歸一化值;wj為負相關(guān)指標的權(quán)重。

1.4 單因素實驗

以糖類型、護色時間和護色濃度為因素,進行單因素實驗。糖類型:海藻糖、葡萄糖、乳糖,此時護色時間為10 min,護色濃度為10%;護色濃度:3%、5%、10%、15%、20%(w/w),此時為葡萄糖護色10 min;護色時間為3、5、10、15、20 min,此時葡萄糖濃度為10%。

1.5 西蘭花護色的響應面實驗設(shè)計

在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用Design-Expert 8.05b的Box-Behnken中心組合設(shè)計,以糖類型、護色濃度、護色時間為素,分別以A、B、C表示,以綜合評價指標Y為響應值,其因素水平的編碼值見表1。

表1 響應面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.6 顏色和褐變度的測定

設(shè)置數(shù)碼單反相機為手動拍照模式,光圈F為5.6,快門時間為1/50 s,感光度為ISO 100,對脫水西蘭花拍照。用軟件Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件對西蘭花圖像進行分析,因西蘭花主要呈綠色,用RGB色彩分析模式。軟件中添加西蘭花照片,選擇分析邊界,點擊RGB色彩模式,選擇綠色強度值(G),以其中代表西蘭花顏色的局部綠色強度值的平均值,表征脫水西蘭花的顏色變化。

采用0.1 mol/L的磷酸緩沖溶液(pH=6.8)[9]。稱取粉碎的脫水西蘭花0.50 g于燒杯中,加入20 mL磷酸緩沖溶液20 mL,室溫磁力攪拌15 min,過濾,在450 nm波長下測定吸光度值,重復三次。

1.7 葉綠素含量的測定

采用丙酮比色法[10]。稱取超微粉碎的西蘭花0.1000 g,加入80%丙酮溶液10 mL溶解,8000 r/min離心機離心10 min,提取上清液,以80%丙酮為空白,在645 nm和663 nm波長下測吸光度,按公式(2)計算脫水西蘭花的葉綠素含量,重復三次。

葉綠素含量(mg/g)=(20.2×A645+8.08×A663)/m×V

式(2)

式中:V為提取液體積,單位為mL;m為樣品質(zhì)量,單位為g。

1.8 復水比的測定

稱取脫水西蘭花(1.00±0.5) g于100 mL燒杯中,加入30 mL、90 ℃蒸餾水,放置水浴鍋內(nèi),20 min后取出西蘭花,用廚房紙巾吸干西蘭花表面水漬,稱取重量,計算復水后質(zhì)量與復水前質(zhì)量的比值,重復三次。

1.9 營養(yǎng)指標的測定

VC含量的測定:鉬藍比色法[11];

總酚含量的測定:福林酚比色法[12];

可溶性蛋白含量的測定:考馬斯亮藍比色法[13];

ORAC值的測定:參考前人的實驗方法[14],結(jié)果以每g脫水西蘭花相當于Trolox的數(shù)量表征。

1.10 能耗的測定

西蘭花真空干燥開始點記為電表的起始點,電度為0 kW·h/kg,記錄干燥終點時的電度大小和干燥總時長,按公式(3)計算脫水西蘭花的耗電量。

式(3)

式中:W為實驗前后的電度之差,單位為kW·h;m1是干燥前西蘭花質(zhì)量,單位為g;Q1、Q2分別為西蘭花干燥前后水分含量,單位為%。

1.11 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0進行單因素數(shù)據(jù)的處理與分析,并用鄧肯多重比較法進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合評價指標的建立依據(jù)

目前,研究者多是通過感官、顏色或營養(yǎng)中的某一指標來評價產(chǎn)品品質(zhì)的變化,也有部分研究者使用綜合穩(wěn)定性指數(shù)、主成分分析或模糊數(shù)學等方法建立產(chǎn)品的評價值。比如:王勇[15]等采用模糊數(shù)學法評價植物適應土壤干旱條件的抗氧化特性。他將影響因素分為正相關(guān)的和負相關(guān)的兩類,歸一化處理后將正相關(guān)的累加值減去負相關(guān)的累加值,以數(shù)值大小代表了抗氧化性的強弱;李強等[16]在上述方法的基礎(chǔ)上,進一步建立綜合穩(wěn)定性指數(shù),該指數(shù)較模糊數(shù)學法的優(yōu)勢在于進一步對每個影響因素賦予不同權(quán)重,最終的結(jié)果累加單因素響應值與權(quán)重之積,更加有效地反映了各個因素之間的差別性,羅俊杰[17]等建立的方法基本上與該方法一致;在上述方法的基礎(chǔ)上,王育軍[18]等運用模糊數(shù)學和主成分分析結(jié)合的方法建立煙葉質(zhì)量狀況的可用性指數(shù),該方法按照模糊數(shù)學和主成分分析方法分別計算出煙葉化學成分指標的隸屬度和權(quán)重系數(shù),然后按照李強等[16]的方法計算隸屬度值與對應權(quán)重系數(shù)之積的累加值,該方法的優(yōu)點在于通過主成分分析的方法計算權(quán)重系數(shù)。但是,上述方法的基石均是正向指標與負向指標之差,未能充分體現(xiàn)負向指標的指向性。

本研究首先根據(jù)各評價指標對最終產(chǎn)品品質(zhì)的影響優(yōu)劣,將樣品的葉綠素、顏色、復水性、總酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力作為正相關(guān)指標,將褐變度、干燥時間、能耗作為負相關(guān)指標;然后,將各個指標的最大值視為1進行歸一化處理,該處理不同于前述的歸一化處理,一方面增強了產(chǎn)品之間的比例關(guān)系,另一方面避免響應值為0的情況;接著根據(jù)指標對最終產(chǎn)品品質(zhì)的影響大小,賦予葉綠素和褐變度的權(quán)重分別為0.2,耗電量和干燥時間的權(quán)重分別為0.15,顏色、復水性、總酚、VC、可溶性蛋白、超氧自由基清除能力的權(quán)重均分別為0.1,類似于前人采用主成分分析的方法計算權(quán)重;最后,并將正向指標的加權(quán)累加值與負向指標的加權(quán)累加值之商作為綜合評價指標Y,該方法將正相關(guān)和負相關(guān)指標分別作為分子和分母,有效提高指標的指向性,尤其是加強負向指標對綜合評價指標Y的影響,所以綜合評價指標Y可以更客觀的評價脫水西蘭花品質(zhì)。

2.2 糖類型對脫水西蘭花Y的影響

圖1 糖護色處理對脫水西蘭花外觀品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of sugar on the appearance of dehydrated broccoli

研究認為糖護色處理保留樣品顏色主要源于兩個理論:“水替代理論”,糖替代水中的羥基,結(jié)合磷脂的?；?加強干燥后脂質(zhì)體膜的穩(wěn)定性[19-22];“玻璃化理論”,樣品在脫水過程中,水分流失,改變原始穩(wěn)定的玻璃態(tài),葡萄糖的玻璃轉(zhuǎn)化溫度高于水,因此產(chǎn)品的玻璃化溫度提高,細胞膜免受高溫的破壞,顏色有效保留[23]。研究發(fā)現(xiàn)糖類型對脫水西蘭花Y的影響具有顯著性差異(圖1),其中葡萄糖的效果最好,Y高達1.4968(表2),其綠色保留最好、復水性最高、VC和總酚等抗氧化成分保留率最高,整體品質(zhì)最優(yōu)。原因可能是葡萄糖能提供一個非晶體狀態(tài),維持葉綠素-蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),顯著保護磷脂雙分子層,增加內(nèi)囊體膜上葉綠素的穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)保留,保護細胞膜完整性,減少酸性等營養(yǎng)成分流失,抑制脫鎂的發(fā)生,同時縮短干燥時間,增加水分擴散速率,減少能耗,與湯月昌等[3]研究結(jié)果一致;乳糖的護色效果最差,可能是脫水西蘭花表面有乳白色固體,整體綠色變淺,表明葉綠素降解程度加劇,葉綠素經(jīng)脫鎂產(chǎn)生橄欖色的脫鎂葉綠素、脫鎂葉綠酸,進一步氧化降解成焦脫鎂葉綠酸,花莖由于酚類物質(zhì)在耐高溫過氧化物酶作用下的褐變反應,導致花莖褐變嚴重,感官品質(zhì)下降[23];相比乳糖,海藻糖的護色效果較優(yōu),研究結(jié)果與Li等[6]的研究結(jié)果一致。

因為每個因素各指標的原始數(shù)據(jù)較多,后續(xù)結(jié)果中的原始數(shù)據(jù)不再一一列出。

表2 糖類型對脫水西蘭花品質(zhì)的影響Table 2 Effect of sugar types on the detailed properties of dehydrated broccoli

2.3 護色濃度對脫水西蘭花Y的影響

圖2顯示Y隨著葡萄糖濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當葡萄糖濃度為3%～10%時,Y逐漸增加到最大值,Y為1.2653,說明此時對脫水西蘭花的保護效果最好,整體品質(zhì)達到最優(yōu)且節(jié)能,隨著葡萄糖濃度增加,Y呈現(xiàn)下降趨勢,葡萄糖濃度的增加對Y無顯著性影響(p>0.05)。確定葡萄糖最佳護色濃度為10%,脫水西蘭花品質(zhì)最佳。

圖2 濃度對脫水西蘭花Y的影響Fig.2 Effect of concentration on Y of dehydrated broccoli注：不同字母表示有顯著性差異(p<0.05)，圖3同。

2.4 護色時間對脫水西蘭花Y的影響

在葡萄糖濃度為10%時,研究護色時間對脫水西蘭花Y的影響(圖3)。隨著護色時間增加,Y出現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在5 min內(nèi)對Y無顯著性影響(p>0.05),護色時間為15 min時Y達到最大值,可能是時間剛好達到糖接近細胞膜的蛋白質(zhì)成分,保護細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性,減少內(nèi)容物滲漏,當時間過長,可能是滲透脫水,品質(zhì)下降,Y降低。因此,最佳的護色時間為15 min。

圖3 護色時間對脫水西蘭花Y的影響Fig.3 Effect of time on Y of dehydrated broccoli

2.5 響應面優(yōu)化脫水西蘭花的護色工藝

響應面分析的結(jié)果見表3,采用響應曲面軟件對表3的響應值與各個因素進行回歸擬合后,得到響應值Y和各因素之間的二次多元方程:Y=1.2667+0.04971×A+0.04984×B+0.01423×C-0.00983×A×B-0.186×A×C+0.00965×B×C-0.2909A2-1.993B2-0.1155C2

式中:A為糖類型;B為護色濃度,單位為%;C為護色時間，單位為min。

表3 實驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Experimental design and results

表4 響應面回歸模型方差分析Table 4 ANOVA for response surface model analysis of variance table

注:**表示極顯著水平(p<0.01);*表示顯著水平(p<0.05)。

各變量在設(shè)計中均經(jīng)量綱線性編碼處理,方程各系數(shù)反映各因素對響應值的影響程度,為檢驗方程的有效性,對回歸方程進行方差分析,結(jié)果如表4所示。

由圖4可知,當C因素固定為15 min時,脫水西蘭花的Y隨糖類型和護色濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其3D圖呈現(xiàn)拋物線,并且有頂點。響應面優(yōu)化結(jié)果顯示最佳護色條件為:糖類型為0.081、護色濃度為10.1%、護色時間為15.1 min,此時Y可達1.2723。根據(jù)上述條件進行驗證實驗,選擇葡萄糖濃度為10.1%,護色15.1 min,進行5次平行實驗,脫水西蘭花的Y為1.2667±0.0214,與理論值相對偏差僅為0.442%,響應面優(yōu)化的回歸模型真實可靠。

圖4 護色劑和護色濃度對脫水西蘭花Y的影響Fig.4 Effect of sugar and sugar concentration on the Y of dehydrated broccoli

3 結(jié)論

研究在糖類型、護色時間、護色濃度對脫水西蘭花品質(zhì)影響的基礎(chǔ)上,對影響西蘭花的指標進行分類、歸一化處理,并賦予不同權(quán)重,建立綜合評價指標Y,以此為響應值,進一步通過響應面優(yōu)化護色工藝,響應面的優(yōu)化的結(jié)果與選取的結(jié)果一致,顯示最佳糖護色工藝為:10.1%的葡萄糖、護色15.1 min,在此條件下測得的西蘭花Y為1.2667,與實驗驗證結(jié)果的相對偏差僅為0.442%,響應面優(yōu)化的回歸模型真實可靠。

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Optimization of sugar soaking process for dehydrated broccoli by response surface analysis

DING Zhen-zhen1,2,ZHANG Chao1,ZHAO Xiao-yan1,CHEN Ji-luan2,MA Yue1,*

(1.Beijing Vegetable Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Key Laboratory of Fruits and Vegetable Storage and Processing,Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China),Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture(North),Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China; 2.College of Food Science,Shihezi Univrtsity,Shihezi 832000,China)

The sugar soaking process was applied to enhance the qualities of the dehydrated broccoli. Each property of the dehydrated broccoli was classified into the positive and negative groups. And then each group was normalized and weighted for the calculation of the final general properties Y. The sugar type,soaking concentration and soaking time were used as the factors with the general properties Y as the respond. The single factor and response surface analysis were used to optimize the sugar soaking process. The optimal parameter was the glucose of 10.1% soaking for 15.1 min. The optimal general Y reached 1.2667,which showed the relative deviation of 0.442% with the validation test. The optimal process maintained the color and the nutrition of the dehydrated broccoli.

dehydrated broccoli;sugar soaking process;browning;response surface analysis;general property

2016-10-08

丁真真(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程，E-mail：2234366613@qq.com。

*通訊作者:馬越(1971-)，女，碩士，副研究員，研究方向：果蔬深加工，E-mail：mayue@nercv.org。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金資助(CARS-26)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303079)；果蔬農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工北京市重點實驗室(Z141105004414037)。

TS255.1

B

1002-0306(2017)07-0250-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.041