高壓均質黃桃果汁的響應面法優(yōu)化及穩(wěn)定性表征

石天琪,王子宇,張 霞,莫 芳,張甫生

(西南大學食品科學學院,重慶 400715)

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高壓均質黃桃果汁的響應面法優(yōu)化及穩(wěn)定性表征

石天琪,王子宇,張 霞,莫 芳,張甫生*

(西南大學食品科學學院,重慶 400715)

為改善黃桃果汁的品質,采用高壓均質處理來提高黃桃果肉果汁的穩(wěn)定性。在單因素實驗的基礎上,以果汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率為響應值,采用響應面法對高壓均質條件進行優(yōu)化。結果顯示:均質壓力30 MPa、均質溫度32 ℃、均質次數(shù)3次時,黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)為0.928,離心沉淀率為10.57%,具有較好的穩(wěn)定性;且采用粒度儀測定黃桃果汁高壓均質前后粒徑變化,果汁平均粒徑均質前為3.840 μm,均質后為0.722 μm,粒徑顯著減少,也說明果汁穩(wěn)定性顯著提高;同時顯微鏡分析表明均質后果汁中細胞碎片明顯增多、變小、不粘連,多呈散狀。

黃桃,高壓均質,穩(wěn)定性,響應面

黃桃,又名黃肉桃(AmygdaluspersicaL.),隸屬于薔薇科(Rosaceae)桃屬(Persica),因其果肉呈金黃色而得名。黃桃汁多味美,且含有大量人體所需的纖維素、胡蘿卜素、番茄紅素及微量元素等營養(yǎng)成分[1-3],深受消費者青睞。黃桃采收季節(jié)一般集中在7月下旬至9月上旬,此期間氣溫高且濕度大,黃桃不易儲藏;除鮮食外,黃桃常加工成罐頭、果脯及提取活性成分等,其中尤以黃桃罐頭為主。近幾年來,隨著消費意識升級和購買力的提高,果汁消費逐年增長,幾乎以年均14.5%速度快速增長,果汁飲料現(xiàn)已成為生活中必備品之一[4]。黃桃酸甜可口,開發(fā)黃桃果汁飲品具有較高的經(jīng)濟價值,但黃桃果汁在加工與貯藏過程中同樣極易發(fā)生渾濁,嚴重影響產(chǎn)品品質。如何減少果汁渾濁及提高果汁穩(wěn)定性,成為食品企業(yè)和科研人員亟待解決的問題。

目前改善果汁穩(wěn)定性的方法,一般為添加合適增稠劑、熱處理復合酶解及高壓均質等手段。如采用羧甲基纖維素、黃原膠、果膠、卡拉膠等一種或多種復合增稠劑來增強蘋果汁[5-6]、沙田柚汁[7]等的渾濁穩(wěn)定性,以及采用熱處理復合酶解來提高香蕉汁[8]、人參果汁[9]、蘋果汁[10-11]的出汁率與穩(wěn)定性,但過多增稠劑與酶蛋白會影響果汁口感與風味。高壓均質(high pressure homogenization)是目前較為常用提高果汁穩(wěn)定性的手段,是一種純物理的非熱加工技術;一般在常溫下進行,能最大限度地維持果蔬汁原有的營養(yǎng),對于低溫冷藏果蔬汁尤為適用。如高壓均質可使番茄汁[12]、胡蘿卜汁[13-14]、橘汁[15-16]及棗汁[17]等果汁的平均粒徑降低,穩(wěn)定性提高;但也有研究顯示高壓均質可使帶肉果汁的粘度下降,穩(wěn)定性降低,這可能不僅與果肉含量和顆粒狀態(tài)有關,也與果汁的破壞和重組有關,同時還受到果汁中糖、酸、果膠等因素的影響[18]。

黃桃果汁體系富含未破碎的植物細胞、果膠、纖維素、半纖維素等大分子,體系成分復雜極易絮凝、下沉出現(xiàn)分層現(xiàn)象,嚴重影響黃桃果汁產(chǎn)品品質及貨架期。采用高壓均質處理來改善黃桃果汁穩(wěn)定性是一種有效方法,特別是對于非熱殺菌冷鏈黃桃果汁。但目前尚未見有關高壓均質對黃桃果汁處理的相關報道。為此,本實驗采用高壓均質處理黃桃果汁,使果肉顆粒破碎并均勻分散,減小顆粒直徑,降低單顆粒的體積和質量;并以黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)及離心沉淀率為目標值,對高壓均質條件進行響應面優(yōu)化,以期獲得安全、綠色的果汁飲品,為黃桃果汁生產(chǎn)與研究提供理論支持和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃桃 產(chǎn)地為江蘇南京中原果園,品種為黃金蜜,采摘時間為9～10月份,個大飽滿,肉質脆嫩,無腐爛,無病蟲害;果膠酶 10萬U/g,寧夏和氏璧生物技術有限公司。

T6新世紀型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;DHR-1流變儀 美國TA公司;ZFL8022型膠體磨 臺州卓凡電器制造有限公司;GYB60-6S型高壓均質機 上海東華高壓均質機廠;MJ-BL25B3型榨汁機、C21-WT2116型電磁爐 廣東美的生活電器制造有限公司;5810R型冷凍離心機 美國艾本德公司;NDJ-5S數(shù)字旋轉粘度計 上海恒平科學儀器有限公司;HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司;馬爾文納米粒度電位儀 英國Malvern公司;光學顯微鏡 奧林巴斯(中國)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 挑選品質新鮮、無腐爛、色澤良好的九成熟黃桃,切半,去核,去皮;放入質量分數(shù)為0.8%,溫度為90～95 ℃的氫氧化鈉溶液中浸泡30～60 s以腐蝕黃桃表皮;后將黃桃迅速放入噴淋池中在流動水中搓揉去皮、漂洗、冷卻,并除去附著的堿液;再將漂洗后的黃桃進行修整,剔除傷爛斑點等不合格果塊;最后將切瓣黃桃在沸水中(含0.1%檸檬酸和0.03%抗壞血酸)滅酶處理2 min,取出冷卻,用榨汁機破碎,加入一倍量的水、0.4%果膠酶[19],與果汁充分混合,再用膠體磨充分細化1次,均質備用。

1.2.2 穩(wěn)定系數(shù)的測定 穩(wěn)定系數(shù)即離心后的濁度對離心前的濁度的比值。果汁的渾濁穩(wěn)定性可用果汁經(jīng)離心力作用后其吸光度值來衡量。穩(wěn)定系數(shù)越大,表明果汁的渾濁穩(wěn)定性越好。用去離子水調零做參照,分別將黃桃果汁樣品(30 mL)置于離心管中,在5000 r/min的轉速下,離心15 min,取出靜置10 min,用移液槍吸取稀釋一倍后的上清液,在420 nm波長處測定吸光度值[20],按下列公式計算得到穩(wěn)定系數(shù)。

穩(wěn)定系數(shù)=離心后上清液吸光度值(Abs)/原果汁吸光度值(Abs)

1.2.3 離心沉淀率的測定 將黃桃果汁樣品(30 mL)置于離心管中,在5000 r/min的轉速下,離心15 min,取出靜置10 min,除去上清液,測量殘余物質量,并按下式計算離心沉淀率(WHC)。懸浮沉淀物越多,即沉淀率越高,黃桃果汁越不穩(wěn)定[21-24]。

沉淀率=沉淀質量(g)/原果汁質量(g)

1.2.4 單因素實驗設計 在前期實驗的基礎上,以黃桃汁的穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率為考察指標進行評價和分析,分別選取均質壓力、均質溫度、均質次數(shù)對實驗影響較大的三個單因素,確定其最佳參數(shù)作為響應面分析因素。

1.2.4.1 均質壓力對黃桃汁穩(wěn)定性的影響 在均質溫度35 ℃,均質次數(shù)為1次的條件下分別考察均質壓力為0、10、20、30、40 MPa時對黃桃汁穩(wěn)定性的影響,按1.2.2和1.2.3方法測穩(wěn)定系數(shù)和沉淀離心率,每組實驗重復3次。

1.2.4.2 均質溫度對黃桃汁穩(wěn)定性的影響 在均質壓力20 MPa,均質次數(shù)為1次的條件下,設置均質溫度為0、25、35、45、55 ℃測定黃桃汁的穩(wěn)定性,按1.2.2和1.2.3方法測穩(wěn)定系數(shù)和沉淀離心率,每組實驗重復3次。

1.2.4.3 均質次數(shù)對黃桃汁穩(wěn)定性的影響 在均質壓力20 MPa,均質溫度為35 ℃的條件下,分別考察均質次數(shù)0、1、2、3、4、5次時對黃桃汁穩(wěn)定性的影響,按1.2.2和1.2.3方法測穩(wěn)定系數(shù)和沉淀離心率,每組實驗重復3次。

1.2.5 響應面優(yōu)化實驗 在單因素實驗的基礎上,以黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率為響應值,設計三因素三水平的響應面優(yōu)化實驗,各工藝參數(shù)如表1所示。

表1 響應面實驗水平表Table 1 Factors and levels in response surface design

1.2.6 粒徑分布的測定 用納米粒徑分析儀器測定黃桃果汁粒徑分布情況。開機后設定測定條件:折射率為1.590,溫度為25 ℃,粘度為0.8872 cP,介電常數(shù)為78.5,粒徑范圍為0.3 nm～10 μm。在室溫下吸取優(yōu)化后(均質壓力30 MPa,均質溫度32 ℃,均質3次)的1 mL黃桃果汁稀釋500倍后置于樣品池中,采用動態(tài)光散射法[25-26]測定高壓均質前后黃桃果汁粒徑大小。

1.2.7 微觀結構觀察 用光學顯微鏡觀察黃桃果汁微觀結構的方法,以獲得果汁直觀清楚的結構圖像,實現(xiàn)對黃桃果汁微觀結構簡便快捷的觀察與分析。調節(jié)校準顯微鏡物鏡,將均質前和優(yōu)化后的(均質壓力30 MPa,均質溫度32 ℃,均質3次)黃桃果汁樣品稀釋一倍后,在玻片中涂膜,晾干后,放置在顯微鏡載物臺上,進行10×顯微鏡觀察,比較均質前后果汁顆粒大小與形態(tài)結構變化。

1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 利用Origin 8.6與Design-Expert處理分析實驗數(shù)據(jù),實驗均做3次平行,取平均值,結果以平均值±標準差形式表示。

2 結果與討論

2.1 高壓均質對黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)以及離心沉淀率的影響

2.1.1 均質壓力對黃桃汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響 不同均質壓力下的穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率如圖1所示。

圖1 均質壓力對黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響Fig.1 Effects of homogenization pressure on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由圖1可知,果汁穩(wěn)定系數(shù)隨著均質壓力的增加先增加后減小,離心沉淀率則隨著均質壓力的增加先減小后增大。0～20 MPa時,由于均質壓力增加,會使果汁受到剪切和撞擊的作用,果肉顆粒變得越來越小,提高了果汁的懸浮穩(wěn)定性;但20 MPa后果汁懸浮穩(wěn)定性卻呈現(xiàn)出下降的趨勢,可能是因為均質壓力不斷增加,果汁中懸浮顆粒半徑變小,表面積增大,布朗運動的速度加快,顆粒碰撞次數(shù)增多,從而使顆粒容易聚合,導致果汁粘度降低,果汁的懸浮穩(wěn)定性降低[27-28]。這與徐偉[4]等人研究均質對毛酸漿果汁穩(wěn)定性影響的結果一致。因此,根據(jù)上述分析結果及從穩(wěn)定系數(shù)高、離心沉淀率較低角度考慮,實驗中均質壓力選擇10～30 MPa為宜。

2.1.2 均質溫度對黃桃汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響 不同均質溫度下的穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率如圖2所示。

圖2 均質溫度對黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響Fig.2 Effects of homogenization temperature on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由圖2可知,果汁穩(wěn)定系數(shù)隨著均質溫度的升高先增加后減小,離心沉淀率隨著均質溫度的升高先減小后增大。0～35 ℃的溫度下,由于均質溫度升高,使黃桃中的果膠釋放出來,果膠物質對果汁中殘存的果肉等細小懸浮物起保護作用,還可以和蛋白質、酚類物質、細胞壁碎塊等形成懸浮膠粒[29],果汁粘度增加,提高了果汁的懸浮穩(wěn)定性。但是,均質溫度超過35 ℃,穩(wěn)定性下降,這可能是由于懸浮膠粒引起電荷中和,導致膠體凝集,而導致果汁粘度降低,使果汁渾濁[10,30]。這與吳治海[31]研究的胡蘿卜、杏混合汁的懸浮穩(wěn)定性結果相似。綜合果汁穩(wěn)定系數(shù)高,離心沉淀率低的角度考慮,將高壓均質溫度設定為25～45 ℃可滿足果汁加工要求。

2.1.3 均質次數(shù)對黃桃汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響 不同均質次數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率如圖3所示。

圖3 均質次數(shù)對黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率的影響Fig.3 Effect of homogenization times on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of yellow peach juice

由圖3可知,果汁穩(wěn)定系數(shù)隨著均質次數(shù)的增加先增加后減小,離心沉淀率隨著均質次數(shù)的增加先減小后增大。一定均質次數(shù)下,由于均質壓力作用,會使果汁受到剪切和撞擊的作用,果肉顆粒變得越來越小,粘度增加從而提高了果汁的懸浮穩(wěn)定性。但是,均質次數(shù)超過3次時,均質次數(shù)的增加使果汁顆粒間摩擦力和剪切力作用增大,導致整體溫度升高,黃桃顆粒粒徑變小,表面積增大,顆粒之間的相互作用增強,從而使顆粒容易聚集,黃桃汁出現(xiàn)相分離[23],果汁體系變得不穩(wěn)定,果汁粘度降低,故果汁的穩(wěn)定系數(shù)下降,離心沉淀率升高。實驗結果與史垠垠[32]對白果飲料穩(wěn)定性研究的結果一致。根據(jù)果汁顆粒大小和果汁加工工藝要求,選擇均質1～3次為之后的實驗內容較為恰當。

表3 黃桃汁穩(wěn)定性回歸模型各項方差分析Table 3 Variance analysis of stability regression model of yellow peach juice

注:*顯著,p<0.05;**極顯著,p<0.01。2.2 響應面實驗優(yōu)化

2.2.1 響應面實驗結果 根據(jù)Box-Behnken中心設計原理,在單因素實驗基礎上,以高壓均質壓力(A)、高壓均質次數(shù)(B)、高壓均質溫度(C)三因素作為響應因素,黃桃果汁的離心沉淀率以及穩(wěn)定系數(shù)作為響應值進行實驗,實驗結果如表2。

表2 響應面實驗的穩(wěn)定系數(shù)及離心沉淀率的方案及結果Table 2 The scheme and results of stability coefficient and centrifugal precipitation rate response surface test

2.2.2 回歸模型建立及方差分析 利用Design-Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進行逐步回歸擬合,所得回歸方程如下:

穩(wěn)定系數(shù)的回歸方程:Y=0.77+0.11A-0.042B+0.014C-0.033AB+0.084AC-0.058BC-0.081A2-0.1B2-0.20C2

由表3可知,穩(wěn)定系數(shù)回歸方程模型的p<0.0001(極顯著),缺失項不顯著,R2=0.9962表明回歸方程充分擬合實驗數(shù)據(jù)。A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2的p值均小于0.05,說明均質壓力、均質溫度、均質次數(shù)以及其交互項和二次項均對穩(wěn)定系數(shù)有顯著影響;各因素的效應關系為均質壓力>均質溫度>均質次數(shù)。

離心沉淀率的回歸方程:Y(%)=17.51-1.5A-1.00B-2.44C-2.06AB-1.52A×C+1.83B×C-1.14A2-0.16B2-1.21C2

由表3可知,離心沉淀率模型的p<0.0001(極顯著),缺失項不顯著,R2=0.9948表明回歸方程充分擬合實驗數(shù)據(jù)。A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2,均小于0.05,說明均質壓力、均質溫度、均質次數(shù)以及其交互項和二次項對離心沉淀率都有顯著影響,B2對結果影響不顯著;各因素的效應關系為均質次數(shù)>均質溫度>均質壓力。

2.2.3 響應面分析 由表3、表4和回歸方程可知,均質壓力、均質溫度、均質次數(shù)均為影響黃桃果汁穩(wěn)定性的主要因素;各因素間交互項影響如圖4、圖5所示,圖4中，均質壓力與均質次數(shù)、均質溫度與均質壓力、均質溫度與均質次數(shù)的等高線都很密集，兩兩交互作用顯著；圖5中，三個響應面圖坡面均陡，且有極值，表明所有組交互作用均顯著，與方差分析表結果一致。

圖4 各因素交互作用對黃桃汁穩(wěn)定系數(shù)的影響Fig.4 Effect of the interaction of various factors on the stability coefficient of peach juice

圖5 各因素交互作用對黃桃果汁離心沉淀率的影響Fig.5 Effect of interaction factors on the centrifugal granulation of yellow peach juice

2.2.4 高壓均質黃桃汁工藝的優(yōu)化與驗證 根據(jù)優(yōu)化回歸方程計算分析,最優(yōu)條件為高壓均質壓力30 MPa,均質溫度32.31 ℃,均質次數(shù)2.93次，該條件所制備的黃桃汁穩(wěn)定系數(shù)為0.932,離心沉淀率為10.48%。將最佳條件調整為均質壓力30 MPa,均質溫度32 ℃,均質次數(shù)3次,此條件下進行驗證實驗,得到的黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)為0.928,離心沉淀率為10.57%,與理論值0.932和10.48%相近,可見回歸模型能很好地預測黃桃果汁的穩(wěn)定性,優(yōu)化結果可靠。

2.3 黃桃果汁粒徑分布的表征

微粒的粒徑與果汁的穩(wěn)定性并非呈簡單的正比關系,而是在某一粒徑時穩(wěn)定性最好,也就是說,在工藝上采用某一特定均質條件時,對飲料的穩(wěn)定性效果最好,這可能是因為均質壓力低,蛋白質粒子過大,在溶液中易沉淀而不穩(wěn)定;當均質壓力過高時,蛋白質粒子過小,吸附作用增強而凝聚,也不穩(wěn)定。其次,介質粒子越大,沉降速度也就越大;粒子越小,沉降速度也就越小。介質粒度過大而導致沉降速度變快也是破壞果汁穩(wěn)定性的重要因素。均質前后黃桃果汁的粒徑分布情況如圖 6所示。由圖6可知,均質前后黃桃果汁粒徑分布平均粒徑分別為3.840 μm和0.722 μm,均質后顆粒平均粒徑小于1 μm;結果與Augusto[33]等報道的高壓均質能夠將番茄汁中完整細胞和細胞碎片破壞成更小的懸浮顆粒一致。

圖6 均質前后黃桃汁的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of Peach juice before and after homogenization注:A：均質前,B：均質后，圖7同。

2.4 顆粒形態(tài)觀察結果

高壓均質對黃桃果汁顯微結構的影響情況,如圖7所示。從圖7中可知,均質前黃桃顆粒為片狀物、纖維、蛋白等大分子物質,均質后顆粒碎片明顯變小變碎。這是因為均質有一個破碎的效應,對果肉顆粒破碎的效應,從而使顆粒變小。由于強大的壓力,可以促使一些小顆粒團聚,團聚以后,小顆粒之間的范德華力保證了這些顆粒在降壓后不被分開。均質處理的果肉飲料中,在果肉顆粒微粒化的過程中可以及時地使其與周圍分散介質中的某些物質接觸結合,或者使其中添加的穩(wěn)定劑充分均勻的分散到整個物系中,從而形成更為穩(wěn)定的飲料體系。這與前面粒徑分析的結果一致,均說明高壓均質后的黃桃果汁具有更好的穩(wěn)定性。

圖7 黃桃果汁顆粒顯微鏡結構圖(10×)Fig.7 Structure of optical microscope(10×)

3 結論

均質是一種純物理的加工手段,能較好地破碎果肉果汁的顆粒,使細胞細化變小,提高果汁的穩(wěn)定性,還能最大程度地保留果汁營養(yǎng),對于非熱加工冷藏黃桃果汁,尤為適用。實驗通過對均質壓力、溫度、次數(shù)進行優(yōu)化,得出當均質壓力30 MPa,均質溫度32 ℃,均質3次時,制得的黃桃果汁穩(wěn)定系數(shù)為0.928,離心沉淀率為10.57%,與理論值相近,優(yōu)化結果可靠。此外,從顯微結構圖與粒度分析可以看出,果汁果粒變小了,果汁平均粒徑從均質前3.840 μm降至均質后0.722 μm,均質后細胞碎片明顯增多、變小,也證明黃桃果汁穩(wěn)定性得到提高?？傊?采用響應面優(yōu)化均質工藝,便于黃桃果汁加工過程中參數(shù)控制;同時均質作為一項果蔬汁加工技術,在提高果汁特別是熱敏性果汁穩(wěn)定性方面具有廣泛的應用前景,且能減少化學穩(wěn)定劑的使用,最大限度保證果汁(特別是熱敏性果汁)天然風味和營養(yǎng)價值。

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Response surface method optimization and stability characterization ofhigh-pressure homogeneous yellow peach juice

SHI Tian-qi,WANG Zi-yu,ZHANG Xia,MO Fang,ZHANG Fu-sheng*

(College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China)

In order to improve the stability of peach juice,high pressure homogenization was applied to process yellow peach juice. Based on single factor experiment,response surface method was used to optimize the homogenization conditions by using juice stability coefficient and centrifugal precipitation rate as the response value. The results showed that when the homogenization pressure was 30 MPa,the temperature was 32 ℃ and the number of homogenization was 3 times,the stability coefficient and centrifugal sedimentation rate of peach juice was 0.928 and 10.57%,respectively,which indicated good stability. Moreover,the particle sizes of peach juice before and after high-pressure homogenization were determined by particle size analyzer,the average particle size was 3.840 μm before homogenization and 0.722 μm after homogenization,indicating that the stability of fruit juice was significantly improved due to the reduced particle size. In addition,microscopic analysis also showed that the cell debris in the homogenized juice increased obviously,and became smaller,non-adhesive and scattered.

yellow peach;high-pressure homogenization;stability;response surface methodology

2016-12-27

石天琪(1996-)，女，本科生，研究方向：果蔬加工，E-mail:472429011@qq.com。

*通訊作者:張甫生(1983-)，博士，副教授，研究方向：果蔬非熱加工與碳水化合物，E-mail:zfsswu@163.com。

國家自然科學項目基金(31301599)；中國博士后科學基金(2014M551502)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)13-0019-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.004