桑葚濃縮汁的制備工藝優(yōu)化及其抗氧化活性

曹培杰 馬艷弘 崔晉

摘要：以桑葚為原料，通過單因素和響應面試驗考察纖維素酶用量、果膠酶用量、酶解溫度和酶解時間對桑葚出汁率的影響，對桑葚濃縮汁的加工工藝進行優(yōu)化，探究酶添加量對桑葚汁中活性成分的影響并分析其抗氧化性能。結果表明，添加1.0%果膠酶、2.6%纖維素酶，50 ℃條件下酶解40 min，得到桑葚的出汁率最高，為81.1%。當果膠酶添加量為1.0%時，濃縮汁中花青素和維生素C含量最高，分別為95.184 g/L和1 099.412 mg/L;當纖維素酶添加量為2-5%時，濃縮汁中花青素和維生素C含量分別為85.999 g/L和957.416 mg/L。真空旋轉蒸發(fā)濃縮溫度為65 ℃，其抗氧化能力較強，抗超氧陰離子自由基能力和DPPH自由基清除能力分別為31 194.21 U/L和98.99%。

關鍵詞：桑葚濃縮汁;出汁率;工藝優(yōu)化;抗氧化;響應面設計

中圖分類號： TS275.5 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0204-06

桑葚，多年生木本植物桑樹的果實，是一種營養(yǎng)成分十分豐富的水果，含有人體所需的多種營養(yǎng)成分，如礦物元素、維生素及氨基酸等，并且含有黃酮類物質、花色苷類化合物、白藜蘆醇、花青素等多種活性成分[1-2]，因而和沙棘、懸鉤子等一起被譽為“第三代水果”。現(xiàn)代醫(yī)學研究顯示，桑葚可以提升人體免疫力、降低血糖血脂、延緩肌體衰老、改善皮膚血液供應等[3-5]。目前，桑葚除了鮮食以外，還可以加工成桑葚果醬、果汁飲料、桑葚果酒、桑葚果醋等。由于桑葚水分含量高達80%，因此不易貯存和運輸，將其加工成果汁可以更有效地利用桑葚資源，提高其商業(yè)價值。

桑葚濃縮汁[6-7]是由原果汁脫除部分水分而得到的，將果汁濃縮可以減少體積、降低水分活度從而延長產品貯存期和貨架期，而且濃縮更加有利于富集營養(yǎng)物質，方便其他以濃縮汁為原料的食品加工工藝的開展[8-9]。目前桑葚濃縮的方法主要有真空濃縮、冷凍濃縮、膜分離濃縮等[10]。本研究以桑葚為原料，出汁率為指標，優(yōu)化桑葚汁的提取工藝，并測定其中的活性成分，探究真空旋轉蒸發(fā)濃縮溫度對其抗氧化性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

桑葚;纖維素酶、果膠酶、氯化鉀、乙酸鈉、抗壞血酸（維生素C），江蘇南京建安實業(yè)有限公司;羥自由基測定測試盒、抗超氧陰離子自由基測定試劑盒、DPPH試劑，上海源葉生物科技有限公司。

多功能榨汁機，美的集團股份有限公司;微孔板分光光度計，美國伯騰儀器有限公司;TGL-16B臺式離心機，上海安亭科學儀器廠;AL104型精密分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇常州國華電器有限公司;RE-2000旋轉蒸發(fā)器，北京辰泰克儀器技術有限公司;WYT-4手持糖度計，福建泉州中友光學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 濃縮桑葚汁制備工藝流程 真空旋轉蒸發(fā)濃縮的終點判定[11]：采用WYT-4手持糖度計測試在不同溫度下濃縮的桑葚濃縮汁白利度，待濃縮汁的白利度達到60°Brix，即為濃縮終點。桑葚濃縮汁制備工藝流程見圖1。

1.2.2 原料預處理 挑選無腐爛、表面無損傷和雜質的桑葚凍果，解凍后，清洗干凈，放入榨汁機中榨汁，制備桑葚原漿。桑葚汁的出汁率按照以下公式計算：

出汁率=離心后汁液質量/（原漿質量+酶質量）×100%。

1.2.3 桑葚汁提取單因素試驗和響應面試驗

1.2.3.1 果膠酶酶解單因素試驗 初步選定果膠酶添加量為0.8%，酶解時間為60 min，酶解溫度為50 ℃，以桑葚果汁的原果漿pH值3.8為基礎條件，依次考察果膠酶添加量（0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%）、果膠酶酶解時間（0、20、40、60、80、100、120 min）、果膠酶酶解溫度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）對桑葚出汁率的影響。

1.2.3.2 纖維素酶酶解單因素試驗 選定纖維素酶添加量為2.2%，酶解時間為60 min，酶解溫度為50 ℃，以桑葚果汁的原果漿pH值3.8為基礎條件，依次考察纖維素酶添加量（0、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%、2.6%、3.0%）、纖維素酶酶解時間（0、20、40、60、80、100、120 min）、纖維素酶酶解溫度（30、35、40、45、50 ℃、55、60 ℃）對桑葚出汁率的影響。

1.2.3.3 復合酶解響應面設計 根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設計原理[12-13]，在單因素試驗的基礎上，根據(jù)方差分析結果，對影響桑葚出汁率的各個因素進行響應面分析。選取纖維素酶添加量、果膠酶添加量、酶解溫度、酶解時間這4個影響因素，進行四因素三水平的響應面試驗，優(yōu)化復合酶解工藝，試驗因素與水平編碼見表1。

1.2.4 酶添加量對桑葚汁品質的影響

1.2.4.1 對花青素含量的影響 采用pH示差法進行測定[14-17]：吸取不同酶處理后的桑葚汁， 稀釋50倍。各取1 mL稀釋后的桑葚汁加入到10 mL容量瓶中，然后分別用pH值為1.0和pH值為4.5的緩沖溶液進行定容，在冰箱中避光靜置2 h，分別在520 nm和700 nm下測吸光度。

花青素含量的計算公式：

M（mg/L）=D×Mr×DF×1 000ε×1。

式中：M為花青素含量;D為pH值為1.0時520 nm與 700 nm 處的吸光度值差-pH值為4.5時520 nm與700 nm處的吸光度值差;DF為稀釋倍數(shù);Mr為矢車菌素-3-葡萄糖苷的相對分子質量449.2 g/mol;ε為矢車菌素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)26 900。

1.2.4.2 對維生素C的影響 按照抗壞血酸（維生素C）測定試劑盒進行測定。

1.2.5 濃縮溫度對抗氧化活性的影響 采用真空旋轉蒸發(fā)濃縮的方法，研究不同濃縮溫度對桑葚濃縮汁抗氧化性的影響差異[18]及品質差異。

2 結果與分析

2.1 酶解單因素試驗結果

2.1.1 果膠酶添加量對出汁率的影響 由圖2可知，出汁率隨果膠酶添加量的增加而增大，當果膠酶添加量超過1.0%后，桑葚的出汁率增加趨勢較為平緩，桑葚汁的出汁率維持在74.5%左右。這是由于底物添加量越大，果膠酶與底物反應越完全，桑葚的出汁率越高。隨著果膠酶添加量的增大，果膠酶與底物反應處于飽和狀態(tài)，過多酶分子無法與底物接觸，導致出汁率增加不明顯，過多地添加果膠酶，只能造成對果膠酶的浪費，考慮到經(jīng)濟成本，以及酶添加過多不利于桑葚汁的后續(xù)加工，故選擇果膠酶的添加量為0.8%～1.2%。

2.1.2 果膠酶酶解時間對出汁率的影響 由圖3可知，桑葚的出汁率在0～80 min內漲幅較快，當酶解時間超過80 min后，出汁率增加緩慢并趨于平緩。這是由于果膠酶可以水解植物細胞壁，促進細胞內含物的釋放，從而使得出汁率不斷增大。當一定量的果膠酶與桑葚漿反應完全后，反應時間的增長對桑葚漿的水解不再起作用，從而使得出汁率增長緩慢。因此，選擇酶解時間為80 min。

2.1.3 果膠酶酶解溫度對桑葚出汁率的影響 由圖4可知，果膠酶酶解溫度在30～55 ℃范圍內時，桑葚的出汁率隨酶解溫度的升高而增大，當溫度達到55 ℃時，桑葚的出汁率達到最大值（76.9%），隨后再增加溫度，桑葚的出汁率降低。這是由于果膠酶在一定溫度下才能發(fā)揮其活性，溫度過低其酶活性受到抑制，不利于酶與底物的接觸，從而導致桑葚的出汁率較低，溫度過高，果膠酶容易變性失活，反而不利于出汁率的提高。因此，在桑葚酶解的過程中，選擇55 ℃作為果膠酶酶解的最適溫度。

2.1.4 纖維素酶添加量對出汁率的影響 如圖5所示，隨著纖維素酶添加量的增加，桑葚出汁率逐漸增大，當纖維素酶添加量達到2.5%時，繼續(xù)增加纖維素酶的用量，出汁率增加不明顯，這是由于植物細胞壁是由纖維素、半纖維素和果膠等組成，在用纖維素酶處理桑葚漿的過程中，適量的纖維素酶可以使得桑葚漿水解加快，從而提高出汁率，但是過量的纖維素酶不能與足夠的底物相互反應，從而使得桑葚漿的出汁率增加不明顯，因此選擇纖維素酶的添加量為2.0%～2.5%。

2.1.5 纖維素酶酶解時間對出汁率的影響 由圖6可知，桑葚的出汁率隨著酶解時間的延長而增大，但是在酶解時間超過100 min后，再延長酶解時間，桑葚的出汁率增加緩慢。這是由于在適宜的溫度下，一定的反應時間會促進纖維素酶和底物的反應達到完全。當酶解完全時，再增加反應時間，對提高桑葚的出汁率并無太大影響。因此，選擇纖維素酶酶解的適宜時間為100 min。

2.1.6 纖維素酶酶解溫度對桑葚出汁率的影響 由圖7可知，隨著纖維素酶酶解溫度的升高，桑葚的出汁率在不斷增大，當溫度達到50 ℃時，桑葚的出汁率達到最大，為73.3%。隨后再增加溫度，桑葚的出汁率下降。這是由于溫度過高或者過低都會對酶的活性產生影響，溫度過低，酶的活性會受到抑制，不能與底物充分結合;溫度過高，會使酶失活，這2種情況都會導致桑葚的出汁率降低。因此，酶解溫度應保持在適宜的條件下，選擇50 ℃作為桑葚酶解的最適溫度。

2.2 復合酶解響應面試驗結果分析

根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，以桑葚出汁率為響應值，優(yōu)化桑葚出汁率的工藝。試驗設計結果見表2。

2.2.1 響應面分析 圖8至圖10反映了不同因素間交互作用對桑葚汁出汁率的影響。響應曲面圖中的曲面的陡峭程度可以表明變量對桑葚出汁率的影響程度，曲面較陡峭表明影響較大，反之則較小;等高線圖反映了因素間交互作用的強弱，橢圓形表示交互作用明顯，圓形表示交互作用不明顯[19-21]。由圖8至圖10可知，纖維素酶添加量與果膠酶添加量、纖維素酶添加量與酶解時間等高線均呈現(xiàn)橢圓、扁平狀，由此可知上述因素之間的相互作用， 明顯;而果膠酶添加量與酶解時間的等高線呈圓形，說明兩者的交互作用不明顯。

2.2.2 最優(yōu)工藝條件驗證試驗 經(jīng)過分析得到桑葚汁最佳提取工藝為纖維素酶用量2.57%、果膠酶用量1.06%、酶解時間42.19 min、酶解溫度49.56 ℃，為了操作方便，修正最佳的提取條件為纖維素酶用量2.6%、果膠酶用量1.0%、酶解時間40 min、酶解溫度50 ℃，在此條件下，進行3次平行試驗，所得桑葚出汁率平均值為81.1%。實測值與預測值相對誤差僅為0.707%，說明該優(yōu)化設計方案可較好地預測桑葚汁的提取情況。

2.3 不同酶對桑葚汁品質的影響

2.3.1 纖維素酶添加量對花青素和維生素C含量的影響 如表3所示，當酶解溫度為50 ℃，酶解時間為40 min，隨著纖維素酶添加量的增加，桑葚汁中花青素和維生素C的含量先逐漸增大，當纖維素酶添加量為2.5%，花青素和維生素C含量均達到最大值，分別為85.999 g/L和 957.416 mg/L，之后開始下降，因為較高濃度的纖維素酶會破壞花青素的細胞結構，造成花青素含量的下降，因此，當纖維素酶添加量為2-5%時，花青素的提取效果較好。

2.3.2 果膠酶添加量對花青素和維生素C含量的影響 由表4可知，當酶解溫度為 50 ℃，酶解時間為40 min，隨著果膠酶添加量的增大，桑葚汁中花青素和維生素C先增加后減少，當果膠酶含量達到1.0%時，花青素含量為95.184 g/L，維生素C含量為1 099.412 mg/L，再增加酶的用量，花青素和維生素C含量均下降，因此再提高果膠酶的量對維生素C含量的提升不會有太大幫助。所以，當果膠酶添加量為 1.0% 時，維生素C含量較高。

2.4 桑葚濃縮汁的抗氧化活性分析

2.4.1 羥自由基抑制能力 由圖11可知，隨著桑葚濃縮汁溫度的升高，桑葚濃縮汁的羥自由基抑制能力先增加后減小，當溫度達到55 ℃時，其羥自由基的抑制能力達到最高值，之后再升高溫度，羥自由基抑制能力減弱。這可能是由于溫度較低時溫度升高使得酶活性增大，桑葚汁中的活性成分溶出較多，所以抑制羥自由基的能力逐漸增強;溫度過高會使得酶活性降低或喪失，致使桑葚汁中活性成分較少，抑制羥自由基的能力也減弱。

2.4.2 抗超氧陰離子自由基能力 由圖12可知，隨著溫度的升高，桑葚濃縮汁的抗超氧陰離子自由基抑制能力逐漸提高，當溫度在65 ℃作用時，其抗超氧陰離子自由基的抑制能力達到最高值，為31 194.21 U/L，之后再提高溫度，桑葚汁的抗超氧陰離子自由基的能力開始下降，這是因為過高的溫度使得桑葚汁中的活性成分含量降低，使得抗超氧陰離子的能力也降低。

2.4.3 DPPH自由基清除能力 由圖13可以看出，溫度對桑葚濃縮汁清除DPPH自由基的影響不是很大，溫度為35 ℃時，DPPH自由基的清除率為88.69%，當溫度升高至65 ℃時，桑葚濃縮汁的DPPH自由基清除率為98.99%，隨后，再升高溫度，桑葚濃縮汁的DPPH自由基清除率有所下降。

2.5 桑葚濃縮汁的感官評定

依此配方制得的桑葚濃縮汁飲料產品色澤呈紫紅色，均勻一致;形態(tài)呈均勻流體，質地均勻，無顆粒，無結塊，流動性好;滋味酸甜可口，沒有不良異味，沖調性好，溶解快，靜置 10 min 后無明顯分層和沉淀物，感官品質良好，而且營養(yǎng)平衡，能量較低，具有減肥、排毒、預防疾病、增強免疫能力等多重保健功效。

3 結論

本試驗主要研究了真空旋轉蒸發(fā)濃縮桑葚汁的提取工藝，分別從酶解和抗氧化2個方面入手進行單因素試驗，確定各因素的變化范圍以及最佳條件。在單因素試驗的基礎上，通過響應面分析法優(yōu)化桑葚出汁率的最佳提取工藝條件為纖維素酶添加量2.6%、果膠酶添加量1.0%、酶解時間40 min、酶解溫度50 ℃，在此條件下，桑葚的出汁率為81.1%，提取率符合理論預測值。同時還對桑葚汁的維生素C含量以及花青素含量進行測量，當纖維素酶用量為2.6%、果膠酶用量為1.0%時，維生素C含量和花青素含量都較高。

溫度是影響濃縮果汁口感和營養(yǎng)物質的重要因素，溫度對桑葚濃縮汁抗氧化活性的影響結果表明，溫度為65 ℃時，其對DPPH自由基的清除率最高可達98.99%;抗超氧陰離子自由基能力達31 194.21 U/L，對羥基自由基的抑制能力達到726.474 U/L。所以在65 ℃條件下，對桑葚汁進行濃縮，能夠得到品質優(yōu)異的桑葚濃縮汁，產品色澤、口感和營養(yǎng)能夠較好的保存。

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