基于高壓微通道粉碎技術(shù)的全藕汁制備及其穩(wěn)定性研究

李娟，葛斌權(quán)，許雪兒，尹仁文，魯振杰，胡衛(wèi)成，陳陽，馮芾，余培斌，陳正行*

1(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫,214122) 2(江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(淮陰師范學(xué)院)，江蘇 淮安,223300) 3(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫,214122)

蓮藕富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維等，具有潤腸通便和止渴去熱等功效，為藥食同源食品。但因其含水量較高難于貯藏，易發(fā)生褐變腐爛。因此，尋求一種蓮藕深加工技術(shù)及開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品迫在眉睫。目前，市場上主要以蓮藕汁和鮮食蓮藕片為主，蓮藕汁多為用壓榨法制備的清汁飲料，壓榨過程中產(chǎn)生30%～40%的藕渣大多作廢棄處理，藕渣中80%的膳食纖維被浪費(fèi)[1]。

蓮藕中富含多酚等抗氧化物質(zhì)，因此在加工過程中極易發(fā)生褐變，影響蓮藕汁產(chǎn)品品質(zhì)[2]。目前，國內(nèi)蓮藕生產(chǎn)加工中多用含SO2的護(hù)色劑(如亞硫酸鹽)護(hù)色[3]。雖然含硫護(hù)色劑護(hù)色效果較好，但產(chǎn)品中會有SO2的殘留，甚至超標(biāo)，這不僅嚴(yán)重影響蓮藕及其藕制品的風(fēng)味和口感，而且存在食品安全隱患[3]。因此，開發(fā)無硫護(hù)色劑配方以保證食品安全尤為重要。

與傳統(tǒng)的壓榨、磨漿、均質(zhì)和膠體碾磨等濕法加工技術(shù)相比，微射流技術(shù)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在：(1)其超細(xì)的粉碎效果，超越了傳統(tǒng)濕法粉碎粒度一個(gè)數(shù)量等級；(2)高密度能量聚焦方式，使產(chǎn)生的能耗大幅下降；(3)粉碎、均質(zhì)、乳化一步完成，簡化了傳統(tǒng)工藝過程；(4)閉路的工藝過程，阻隔了環(huán)境污染的可能；5)連續(xù)流的設(shè)備構(gòu)成，提高了工藝過程的安全穩(wěn)定性。該技術(shù)的推廣應(yīng)用，可以大幅提升食品工業(yè)的工藝水平、簡化工藝流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)能耗[4]。

本研究采用高壓微通道粉碎技術(shù)，對整顆蓮藕進(jìn)行微粉碎，進(jìn)而制備全藕汁產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

新鮮蓮藕、食品級檸檬酸、白砂糖和純凈水均購于本地超市。黃原膠、果膠、阿拉伯膠等,CP Kelco公司；海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、抗壞血酸和半胱氨酸,上海國藥集團(tuán)。

1.2 儀器設(shè)備

RM-TD 301型去皮機(jī)，廣東佛山市順德區(qū)韓泰電器有限公司；DJ-300型切分機(jī)，河北邢臺市鼎佳機(jī)械制造廠；JP-450型多功能粉碎機(jī)，浙江永康市久品電器有限公司；高壓微通道粉碎設(shè)備，上海住本環(huán)境科技有限公司；PT-20C-R管板式組合式超高溫殺菌機(jī)，日本Powerpoint International公司；WFZ UV-2000型紫外可見光分光光度計(jì)，上海尤尼柯儀器有限公司。BT-9300ST激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司；UltraScan Pro-1166高精度分光測色儀，美國Hunterlab公司；Avanti J-26XP型高效離心機(jī)，美國貝克曼庫爾特有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 全藕汁制備

1.3.1.1 預(yù)處理

將新鮮蓮藕洗凈并進(jìn)行去壞處理。然后用切分機(jī)將蓮藕切成5 mm×5 mm×5 mm左右的藕丁。

1.3.1.2 護(hù)色

稱取藕丁1 kg直接倒入提前配好并煮沸的2 kg無硫護(hù)色液中一起煮沸10 min進(jìn)行漂燙滅酶。其中，無硫護(hù)色液選取檸檬酸、抗壞血酸和半胱氨酸，并進(jìn)行護(hù)色單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)，以亮度值L*值來評價(jià)護(hù)色液的護(hù)色效果。

1.3.1.3 打漿和調(diào)味

將護(hù)色好的藕丁連同在護(hù)色液中加入8%的白砂糖進(jìn)行糖酸比調(diào)配，并用打漿機(jī)以1 200 r/min粉碎2 min[5]。

1.3.1.4 高壓微通道粉碎

藕漿經(jīng)高壓微通道粉碎設(shè)備進(jìn)行微細(xì)粉碎。分別選取粉碎壓力為30、40、50、60 MPa，粉碎次數(shù)分別為1、2、3次，研究高壓微通道粉碎壓力和粉碎次數(shù)對全藕汁粒徑的影響。

1.3.2 全藕汁粒徑測定

將全藕汁樣品逐滴加入激光粒度分布儀樣品池中,直至儀器顯示遮光度范圍在15%～25%，由系統(tǒng)給出粒子的平均粒徑分布。激光功率為75 MW，每個(gè)樣品重復(fù)3次[6]。

1.3.3 全藕汁色澤測定

全藕汁色差測量使用高精度分光測色儀進(jìn)行測定。儀器經(jīng)黑白板校準(zhǔn)后，將全藕汁導(dǎo)入封口袋中測定樣品亮度值L*。每個(gè)樣品平行測定8次后取平均值[7]。

1.3.4 全藕汁穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

使用多種穩(wěn)定劑(黃原膠、卡拉膠、果膠、阿拉伯膠、海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉)對全藕汁進(jìn)行穩(wěn)定化處理，以穩(wěn)定系數(shù)和離心沉淀率為指標(biāo)評價(jià)穩(wěn)定效果，通過方差分析，確定最優(yōu)穩(wěn)定劑添加配比。

1.3.4.1 穩(wěn)定系數(shù)的測定

將30 mL全藕汁樣品置于離心管中，5 000 r/min離心15 min。離心后靜置10 min，吸取上清液，在420 nm波長處測定吸光度值，離心后的吸光度值(A1)與離心前的吸光度值(A0)的比值即穩(wěn)定系數(shù)。穩(wěn)定系數(shù)越大，表明全藕汁的穩(wěn)定性越好。穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算如公式(1)所示[8]：

(1)

1.3.4.2 離心沉淀率的測定

將30 mL藕汁樣品置于離心管中，5 000 r/min離心15 min。離心后靜置10 min，除去上清液，測量殘余物質(zhì)量，并按公式(2)計(jì)算離心沉淀率[9]。懸浮沉淀物越多，即沉淀率越高，表明產(chǎn)品越不穩(wěn)定。

(2)

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理；采用SPSS 20.0和Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，P<0.01為極顯著差異，P<0.05為顯著差異。

百分比覆蓋中,k值的上限不再受限于關(guān)鍵區(qū)所覆蓋的節(jié)點(diǎn)數(shù),因此算法的結(jié)束條件也不再受限于關(guān)鍵區(qū)覆蓋的節(jié)點(diǎn)數(shù),本算法的結(jié)束條件為最佳染色體400代內(nèi)沒有變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 全藕汁無硫護(hù)色實(shí)驗(yàn)

2.1.1 全藕汁無硫護(hù)色單因素實(shí)驗(yàn)

檸檬酸可降低體系pH值，降低氧氣溶解度，且其中的羰基與多酚氧化酶中的銅離子可產(chǎn)生比較強(qiáng)的螯合作用，因此可抑制多酚氧化酶的活性，進(jìn)而起到護(hù)色的效果[10]；抗壞血酸具有強(qiáng)還原性，可抑制酚類物質(zhì)氧化成醌類物質(zhì)，起到抑制褐變的作用[11]。半胱氨酸可與多酚氧化酶活性中心的銅離子結(jié)合，從而抑制酶的活力，達(dá)到抑制褐變的效果[12]。由圖1-a可知，隨著檸檬酸添加量的增加(0、0.5%、1.0%)，全藕汁的亮度值升高；當(dāng)檸檬酸添加量增加至1.0%時(shí)，全藕汁亮度值L*升高不顯著(P>0.05)。因此，單純采用檸檬酸護(hù)色，其添加量為0.5%時(shí)，有較好的護(hù)色效果。且隨著護(hù)色時(shí)間的延長，全藕汁的亮度值L*逐漸增大；護(hù)色時(shí)間超過20 min，全藕汁亮度值L*雖仍逐漸升高，但升高不顯著(P>0.05)。綜上，當(dāng)檸檬酸濃度為0.5%，護(hù)色時(shí)間為10 min，即可達(dá)到較好的護(hù)色效果。此外，當(dāng)抗壞血酸濃度為0.5%，護(hù)色時(shí)間為10 min(圖1-b)，當(dāng)半胱氨酸濃度為0.05%，護(hù)色時(shí)間為10 min(圖1-c)，即可達(dá)到較好的護(hù)色效果。

2.1.2 全藕汁無硫護(hù)色正交試驗(yàn)

基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全藕汁無硫護(hù)色液正交試驗(yàn)因素水平及其護(hù)色實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表1和表2所示[13]。

表1 全藕汁無硫護(hù)色液正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experimental factors of whole lotusroot juice anti-browning without sulfur

a-檸檬酸；b-抗壞血酸；c-半胱氨酸圖1 全藕汁無硫護(hù)色單因素實(shí)驗(yàn)Fig.1 Single factor experiment of whole lotus-root juice sulfur-free anti-browning

表2 全藕汁無硫護(hù)色正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment design and results ofwhole lotus root juice anti-browning without sulfur

對全藕汁無硫護(hù)色正交試驗(yàn)進(jìn)行因素極差分析可得(表3)，影響全藕汁無硫護(hù)色效果的主次因素為C>A>B，全藕汁無硫護(hù)色最優(yōu)方案為A3B3C3。即當(dāng)全藕汁無硫護(hù)色劑選擇0.6%檸檬酸、0.6%抗壞血酸和0.06%半胱氨酸復(fù)配時(shí)，護(hù)色時(shí)間為10 min，所得的全藕汁亮度值最高，L*值為91.6。

表3 全藕汁無硫護(hù)色正交試驗(yàn)因素極差分析Table 3 Rang analysis of orthogonal experimental ofwhole lotus root juice anti-browning without sulfur

2.2 高壓微通道粉碎壓力和次數(shù)對全藕汁平均粒徑的影響

利用高壓微通道粉碎技術(shù)對蓮藕進(jìn)行粉碎，其處理壓力和次數(shù)對全藕汁平均粒徑的影響如表4所示。

表4 高壓微通道粉碎壓力和次數(shù)對全藕汁平均粒徑的影響Table 4 Effects of pressure and cycles of high-pressuremicrochannel on mean particle size of whole lotusroot juice

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

隨著高壓微通道粉碎壓力和次數(shù)的提高，粉碎程度增加，物料汁平均粒徑逐漸減小[14]。當(dāng)高壓微通道粉碎壓力為60 MPa時(shí)，且處理次數(shù)為2次時(shí)，全藕汁平均粒徑為10.46 μm，處理次數(shù)為3次時(shí)，雖全藕汁的平均粒徑降至10 μm以下(9.53 μm)，但較處理2次的全藕汁平均粒徑差異不顯著(P>0.05)。因此，綜合考慮高壓微通道粉碎設(shè)備的能耗以及全藕汁產(chǎn)品品質(zhì)要求，高壓微通道粉碎壓力在60 MPa下處理2次，全藕汁既可達(dá)到較細(xì)的粉碎粒徑。

2.3 不同復(fù)合穩(wěn)定劑對全藕汁穩(wěn)定性的影響

2.3.1 全藕汁穩(wěn)定性單因素實(shí)驗(yàn)

通過選取離心沉淀率和穩(wěn)定性系數(shù)為考察全藕汁穩(wěn)定性優(yōu)劣的指標(biāo)，分別選取0.1%黃原膠、卡拉膠、果膠、阿拉伯膠、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)和海藻酸鈉進(jìn)行全藕汁穩(wěn)定性單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，添加有0.1%黃原膠和CMC-Na的全藕汁離心沉淀率小于未添加穩(wěn)定劑的對照組，說明0.1%黃原膠和CMC-Na減少了全藕汁的沉淀，提高了全藕汁的懸浮穩(wěn)定性。此外，添加0.1%黃原膠、果膠和CMC-Na全藕汁的穩(wěn)定系數(shù)顯著高于未添加穩(wěn)定劑的對照組，表明0.1%的黃原膠、果膠和CMC-Na可以有效提高全藕汁的懸浮穩(wěn)定性。有大量研究表明，黃原膠、果膠和CMC-Na通過體系黏度，并形成水化層阻礙粒子間的相互聚集等來提高果蔬汁以及飲料的懸浮穩(wěn)定性[15-19]。綜上，選取黃原膠、果膠和CMC-Na三種穩(wěn)定劑進(jìn)行全藕汁穩(wěn)定性正交試驗(yàn)。

表5 不同穩(wěn)定劑對全藕汁穩(wěn)定性影響單因素實(shí)驗(yàn)Table 5 Single factor experiment of effects of differentstabilizer on whole lotus root juice

2.3.2 全藕汁穩(wěn)定性正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇黃原膠、CMC-Na、果膠進(jìn)行復(fù)配[17]。選擇3因素4水平L16(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表6所示。

表6 全藕汁穩(wěn)定性正交試驗(yàn)因素水平表Table 6 Orthogonal experimental factors of whole lotusroot juice stabilization

從表7可知，影響全藕汁穩(wěn)定系數(shù)的因素主次順序?yàn)椋狐S原膠>果膠>CMC-Na。最優(yōu)的全藕汁復(fù)配穩(wěn)定劑組合為黃原膠4CMC-Na4果膠1，即當(dāng)黃原膠的添加量為0.12%、CMC-Na為0.12%和0.04%果膠時(shí)，全藕汁的穩(wěn)定系數(shù)為0.874，懸浮穩(wěn)定性最好。

表7 極差分析表Table 7 Range analysis

續(xù)表7

處理號黃原膠CMC-Na果膠空列1空列2穩(wěn)定系數(shù)7234120.6728243210.7049313420.75310324310.75711331240.76112342130.79613414230.82114423140.72615432410.81116441320.874穩(wěn)定系數(shù)K12.167 2.749 2.864 2.717 2.795 K22.734 2.776 2.846 2.873 2.886 K33.067 2.819 2.758 2.858 2.898 K43.232 2.856 2.732 2.752 2.621 k10.542 0.687 0.716 0.679 0.699 k20.684 0.694 0.712 0.718 0.722 k30.767 0.705 0.690 0.715 0.725 k40.808 0.714 0.683 0.688 0.655 R0.266 0.027 0.033 0.039 0.069因素主次黃原膠>果膠>CMC-Na最佳組合黃原膠4 CMC-Na4果膠1

3 結(jié)論

全藕汁可保留蓮藕全部的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值，經(jīng)高壓微通道粉碎技術(shù)對蓮藕纖維進(jìn)行超微粉碎，并采用無硫護(hù)色劑對蓮藕進(jìn)行護(hù)色，不僅提高了產(chǎn)品的口感，還解決了蓮藕易褐變的問題，提高了產(chǎn)品的安全性。微通道超微粉碎技術(shù)，粉碎效率高、能耗低，特別適用于富含膳食纖維物料的粉碎，突破了傳統(tǒng)粉碎方式的局限，有利用工業(yè)化生產(chǎn)使用。此外，采用親水膠體穩(wěn)定化技術(shù)，進(jìn)一步提高了富含膳食纖維飲品的穩(wěn)定性。