響應面優(yōu)化酶法提取沾化冬棗汁的工藝研究

郝心，盧曉明，喬旭光

（山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安271018）

沾化冬棗（Ziziphus jujuba）一般在 10 月～11 月自然成熟，又名“凍棗”。發(fā)源于山東濱州沾化區(qū)，是公認的品質最好的鮮食棗品種[1]。冬棗營養(yǎng)豐富，富含人體所需的16 種氨基酸[2]和維生素A、維生素B、維生素C等多種維生素，其中維生素C 含量達到245 mg/100 g～327 mg/100 g[3]，有“活維生素丸”之美譽；含蛋白質，膳食纖維及微量元素。冬棗果肉皮薄肉脆，酸甜無渣，口感極好。

國內(nèi)市場上的冬棗多用來鮮食，而市場上的其他棗產(chǎn)品大多以干棗為原料加工而成，在干燥過程中，棗類的營養(yǎng)物質被破壞[4]。采用干棗酶解后浸提制備棗汁的研究較多[5-8]，而采用鮮棗制備棗汁的研究相對較少[9]。由于冬棗果肉中含有大量的果膠和纖維素，導致冬棗果汁的黏度較大、出汁率較低[10-12]，因此需要加入酶來分解果膠、纖維素，提高出汁率[13-14]。在果蔬加工過程中使用的酶有果膠酶、纖維素酶、淀粉酶、鼠李糖苷酶、中性蛋白酶等[15]，而最常用的為果膠酶和纖維素酶。

本試驗以酶解技術為手段，在單因素試驗的基礎上進行響應面試驗設計，研究酶用量、酶解溫度、酶解時間等因素對冬棗汁出汁率和可溶性固形物含量的影響及其交互作用，從而確定了酶法提取冬棗汁的最佳工藝條件，提高冬棗汁的出汁率，為冬棗的深加工利用提供理論研究。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

沾化冬棗：泰安市水果批發(fā)市場；果膠酶（酶活50 000 U/g）、纖維素酶（酶活 100 000 U/g）：寧夏和氏璧生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

ME204E/02 電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；AR2130/C 電子精密天平：奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司；MJ—WBL2521H 料理機：廣州美的生活電器制造有限公司；HH-S6 恒溫水浴鍋：江蘇金怡儀器科技有限公司；LXJ-IIB 離心機：上海安亭科學儀器廠；WYT-4 手持糖度計：上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 冬棗汁的制備

取新鮮的冬棗去核后，加入相同質量的水打漿得到冬棗果漿。稱取200 g 冬棗果漿放入250 mL 燒杯中，用保鮮膜將燒杯口密封，防止水分蒸發(fā)[16]。將燒杯放入水浴鍋內(nèi)，預熱到適宜溫度后加入適量的酶進行酶解，酶解結束后迅速滅酶，冷卻至25 ℃后于4 000 r/min 離心20 min，收集上清液即為冬棗汁。

1.3.2 酶的種類對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

取200 g 冬棗漿，分別加入0.1%的果膠酶、纖維素酶和復合酶（果膠酶∶纖維素酶質量比為1 ∶1），在50 ℃下酶解60 min，離心取上清液，計算出汁率、測定可溶性固形物含量。

1.3.3 復合酶的添加比例對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

取200 g 冬棗漿，分別加入0.1%不同比例的復合酶（果膠酶∶纖維素酶質量比分別為3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3），在 50 ℃下酶解 60 min，離心取上清液，計算出汁率、測定可溶性固形物含量。

1.3.4 單因素試驗設計

1.3.4.1 酶用量對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

固定酶解溫度50 ℃、酶解時間60 min，研究不同酶用量（0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響。

1.3.4.2 酶解時間對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

固定酶解溫度50 ℃、酶用量0.1%，研究不同酶解時間（0、30、60、90、120 min）對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響。

1.3.4.3 酶解溫度對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

固定酶解時間60 min、酶用量0.1%，研究不同酶解時間（35、40、45、50、55、60 ℃）對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響。

1.3.5 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以酶用量、酶解時間、酶解溫度為響應因子，冬棗的出汁率和可溶性固形物含量為響應值，將自變量分為3 個水平，編碼為-1、0、1，采用Design-Expert 8.0.6.1 軟件中Box-Behnken 中心組合試驗設計三因素三水平響應面分析試驗。試驗因素及水平設計見表1。

表1 酶解法制備冬棗汁響應面試驗設計Table 1 Design of response surface methodology for enzymatic extraction of jujube juice

1.3.6 指標測定

1.3.6.1 出汁率計算

按以下公式計算：

式中：m1為離心后棗汁的質量，g；m2為冬棗漿的質量，g。

1.3.6.2 可溶性固形物含量測定

采用手持糖度計直接測得。

1.3.6.3 數(shù)據(jù)分析

試驗結果采用Origin 8.0 作圖。單因素方差分析采用SPSS 17.0 進行，單因素方差分析（ANOVA）字母相同表示無差異顯著性（P＞0.05），字母不同代表差異顯著（P＜0.05）。采用 Design-Expert 8.0.6.1 軟件中 Box-Behnken 中心組合試驗設計進行響應面試驗。

2 結果與分析

2.1 酶的種類對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

酶的種類對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響見圖1。

圖1 酶的種類對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響Fig.1 Effect of enzyme species on juice yield and soluble solids content

由圖1 可以看出，添加果膠酶和纖維素酶均可顯著提高冬棗的出汁率（P＜0.05），這是因為果膠酶可以分解細胞壁中的果膠物質[17-18]，纖維素酶可以降解纖維素、提高細胞壁通透性[19]。但在相同用量的情況下，復合酶的酶解效果比添加單一酶要好，這是由于雙酶混合水解有利于提高底物轉化率[20]。因此選擇復合酶進行酶解。

2.2 酶的添加比例對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

果膠酶與纖維素酶的比例對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響見圖2。

由圖2 可知，在果膠酶與纖維素酶質量比例為1 ∶1、1 ∶2 可溶性固形物含量的差異顯著（p＜0.05），出汁率變化不大；果膠酶與纖維素酶比例為1 ∶3 時可溶性固形物含量最大，但此時出汁率不高；果膠酶和纖維素酶添加比例為1 ∶2 時冬棗的出汁率最高，為72.99%，可溶性固形物含量較高為8.1%。因此選擇果膠酶∶纖維素酶=1 ∶2 進行酶解。

圖2 果膠酶與纖維素酶的比例對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響Fig.2 Effect of proportion of pectinase and cellulase on juice yield and soluble solids content

2.3 單因素試驗

2.3.1 酶用量對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

酶用量對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響見圖3。

圖3 酶用量對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響Fig.3 Effect of the composite enzyme adding amount on juice yield and soluble solids content

由圖3 可以看出，當不添加復合酶時，冬棗的出汁率最低，棗汁黏度大且較為渾濁，可溶性固形物含量高。酶用量在0%～0.1%范圍內(nèi)，隨著添加量的增加冬棗出汁率逐漸升高，可溶性固形物含量由8.9%降低至8.1%；當酶用量為0.1%時，冬棗出汁率達到最高，為72.91%，可溶性固形物含量為8.1%；當酶用量為0.1%～0.5%時，冬棗的出汁率變化不顯著，可溶性固形物含量變化不顯著。因此選擇0.1%作為最佳的酶用量。

2.3.2 酶解時間對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

酶解時間對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響見圖4。

圖4 酶解時間對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis time on juice yield and soluble solids content

由圖4 可以看出，隨著酶解時間的延長，冬棗出汁率逐漸增加，可溶性固形物含量逐漸降低。當酶解時間為60 min 時，冬棗出汁率達到最高，為72.84%，可溶性固形物含量為8.13%；當酶解時間繼續(xù)增加時，出汁率與可溶性固形物含量變化不大，因此選擇60 min 作為最佳的酶解時間。

2.3.3 酶解溫度對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響

酶解溫度對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響見圖5。

圖5 酶解溫度對冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on juice yield and soluble solids content

由圖5 可以看出，當溫度為35 ℃～50 ℃時，隨著溫度的升高，出汁率逐漸升高，可溶性固形物含量逐漸下降；當酶解溫度為50 ℃時，冬棗出汁率達到最高，為72.77%，可溶性固形物含量為8.17%；當酶解溫度繼續(xù)升高時，溫度過高會導致果膠酶與纖維素酶失去活性，酶解效率降低，出汁率減小。因此選擇50 ℃作為最佳的酶解溫度。

2.4 響應面試驗

試驗方案及結果見表2。

表2 酶解法制備冬棗汁的響應面試驗結果Table 2 Results of response surface methodology for enzymatic extraction of jujube juice

對試驗結果進行分析，可得酶用量（%）、酶解時間（min）、酶解溫度（℃）與出汁率、可溶性固形物含量之間的回歸方程分別為：

出汁率=72.95+1.41A+1.03B+0.053C-0.35AB-0.082AC-0.26BC-0.43A2-2.49B2-4.81C2

可溶性固形物含量=8.16+0.050A+0.13B-0.075AB-0.025AC-0.075BC-0.19A2-0.19B2-0.34C2

采用分析軟件回歸模型進行方差分析，結果如表3、表 4 所示。

表3 出汁率回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of multiple regression model of juice yield

續(xù)表3 出汁率回歸模型的方差分析Continue table 3 Variance analysis of multiple regression model of juice yield

表4 可溶性固形物含量回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of multiple regression model of soluble solids content

由表3 的方差分析結果可以看出，所得出汁率的回歸模型方程顯著，回歸模型誤差P=0.000 8，達到顯著水平，而模型失擬度P=0.314 1＞0.05，說明回歸方程的擬合程度較好。其決定系數(shù)R2=0.952 0，說明該模型的擬合度好、誤差較小，能夠較好的反映出各因素對冬棗出汁率的影響。F 值用于評價各因素對試驗指標的影響，F(xiàn) 值越大，影響越顯著，因此各因素對出汁率的影響順序為：酶用量＞酶解時間＞酶解溫度。

由表4 的方差分析結果可以看出，所得可溶性固形物含量的回歸模型方程顯著，回歸模型誤差P=0.001 2，達到顯著水平，而模型失擬度P=0.065 5＞0.05，說明回歸方程的擬合程度較好，能夠對試驗進行很好地模擬。其決定系數(shù)R2=0.945 8，說明該模型的擬合度較好、誤差較小，可以對冬棗汁可溶性固形物含量進行準確的分析和預測。由F 值可知，各種因素對可溶性固形物含量的影響順序為：酶解時間＞酶用量＞酶解溫度。

在響應面圖中，對出汁率影響越大的因素，其曲線變化趨勢越大。在等高線圖中，軸向等高線越密集，說明該因素對出汁率的影響越顯著[21]。

兩因素交互作用對冬棗出汁率的影響響應面圖和等高線圖見圖6，對可溶性固形物含量的影響響應面圖和等高線圖見圖7。

圖6 兩因素交互作用對冬棗出汁率的影響響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots for the effects of crossinteractions among factors on jujube juice yield

圖7 兩因素交互作用對冬棗可溶性固形物含量的影響響應面圖和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots for the effects of crossinteractions among factors on jujube soluble solids

從圖6 可以看出，三因素之間均有交互作用。而酶用量與酶解時間之間的交互作用最明顯，其次是酶解溫度與酶解時間之間的交互作用，而酶用量與酶解溫度之間的交互作用最弱。從圖7 可以看出，酶用量與酶解溫度之間的交互作用最不明顯。

2.5 響應面驗證試驗

利用二次回歸模型，得出模型自變量為酶用量0.10%、酶解時間67.96 min、酶解溫度49.46 ℃，預測出汁率為72.95%、可溶性固形物含量為8.19%。為了驗證回歸模型的有效性，考慮到試驗的可操作性，選擇酶用量0.1%、酶解時間68 min、酶解溫度50 ℃為最佳的酶解法提取冬棗汁的最佳工藝條件。在此條件下進行3 組平行試驗，試驗結果的出汁率為（72.27±0.3）%、可溶性固形物含量為（8.0±0.2）%，與預測值結果接近。

3 結論

加入的果膠酶與纖維素酶一起作用，分解果膠和纖維素類物質，使植物細胞快速釋放出細胞內(nèi)的營養(yǎng)物質，從而提高果蔬的出汁率。本試驗探討了復合酶對沾化冬棗出汁率和可溶性固形物含量的影響，在以后的研究中可以以果汁的黏度、香氣成分等為指標進行深入的研究。通過單因素和響應面設計分析回歸模型，結果表明，各因素對冬棗出汁率的影響順序為：酶用量＞酶解時間＞酶解溫度，對可溶性固形物含量的的影響順序為：酶解時間＞酶用量＞酶解溫度。根據(jù)模型求出最佳的工藝參數(shù)為：酶用量0.1 %、酶解時間68 min、酶解溫度50 ℃，在此條件下進行驗證試驗，實驗測出出汁率為（72.27±0.3）%、可溶性固形物含量為（8.0±0.2）%，與預測值結果接近。因此，在冬棗汁提取工藝中采用該工藝參數(shù)是可行的。