果膠酶澄清香梨汁的工藝優(yōu)化

陳振昊，白羽嘉，韓海霞，馬德秀，薩吾提·尼斯普，馮作山

1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院（烏魯木齊 830052）；2. 新疆果品采后科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（烏魯木齊 830052）

庫(kù)爾勒香梨是新疆特有梨種，具有色澤悅目、香氣濃郁、皮薄肉細(xì)、營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)，被譽(yù)為“梨中珍品”“果中王子”，深受消費(fèi)者的喜愛[1-2]。庫(kù)爾勒香梨含有80%以上的水分，除此糖含量均在8%以上，主要含有葡萄糖，蔗糖及果糖。梨在中藥中作為生津、潤(rùn)燥、清熱、降火、解毒和化痰的良藥[3]。為了延長(zhǎng)香梨的食用期，香梨除了鮮食以外，還可以將香梨制成梨汁產(chǎn)品，同時(shí)又增加新疆特色產(chǎn)品的類別。

果汁產(chǎn)品不僅能夠科學(xué)地減少水果中營(yíng)養(yǎng)及生物活性物質(zhì)損失，同時(shí)也可以保留原有的風(fēng)味，并且口感較好，因此果汁深受消費(fèi)者的喜愛[4]。將庫(kù)爾勒香梨加工成香梨汁，不僅保留了原有風(fēng)味，減少了營(yíng)養(yǎng)成分的損失，同時(shí)解決了香梨貯藏期短的問(wèn)題[5]，降低了資源的浪費(fèi)。但由于梨汁中含有果膠物質(zhì)，在香梨加工過(guò)程中，很容易發(fā)生渾濁現(xiàn)象[6]，對(duì)梨汁品質(zhì)有所影響。因此，開展庫(kù)爾勒香梨汁的澄清研究，可以提高庫(kù)爾勒香梨深加工產(chǎn)品的附加值，對(duì)保持其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和商品品質(zhì)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益[7]。常用的澄清劑有果膠酶、殼聚糖、聚乙烯聚吡咯烷酮（PPVP）等[8-12]。果汁中的果膠物質(zhì)被果膠酶酶解，形成沉淀物質(zhì)，使果汁的黏性降低，果汁變得澄清透亮[13]，酶解法與其他澄清方法相比較具有高效、簡(jiǎn)單、效果好等特點(diǎn)，在果汁生產(chǎn)加工過(guò)程中有重要的應(yīng)用價(jià)值[14]。

此次試驗(yàn)旨在優(yōu)化果膠酶對(duì)香梨汁的澄清工藝。以透光率為指標(biāo)，通過(guò)對(duì)果膠酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間的單因素試驗(yàn)，結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行分析，確定果膠酶對(duì)香梨汁澄清工藝最佳優(yōu)化條件，并且進(jìn)行工藝驗(yàn)證，以期為香梨汁產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

庫(kù)爾勒香梨，采購(gòu)于庫(kù)爾勒市，果實(shí)成熟，無(wú)破損及病變，可溶性固形物為12 °Brix。

碳酸氫鈉、沒(méi)食子酸、鹽酸、無(wú)水乙醇、草酸（分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；無(wú)水碳酸鈉（分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司）；福林酚、2, 6-二氯靛酚（北京索萊寶科技有限公司）；果膠酶（天津諾維信（中國(guó)）生物技術(shù)有限公司）。

YP2002型電子天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司）；TGL-16G型離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；紫外線分光光計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；DZKW-S-4電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；手動(dòng)榨汁機(jī)（臨沂麥苗商貿(mào)有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 測(cè)定方法

1.2.2.1 透光率的測(cè)定[15]

以蒸餾水為參比，在625 nm處測(cè)定香梨汁的透光率。

1.2.2.2 可溶性固形物的測(cè)定

采用手持折光儀進(jìn)行測(cè)定

1.2.2.3 維生素C含量的測(cè)定

采用GB 5009.86—2016[16]中2, 6-二氯靛酚滴定法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2.4 總酚的測(cè)定

采用福林-肖卡比色法[17]，以沒(méi)食子酸為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，得到回歸方程y=0.001 5x+0.003 1，相關(guān)系數(shù)R2= 0.998 8。

1.2.2.5 果膠定性的測(cè)定

采用GB/T 18963—2012《濃縮蘋果汁》[15]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 最佳酶添加量的確定

取5份100 mL香梨汁，分別加入0.04%，0.05%，0.06%，0.07%和0.08%的果膠酶充分混勻，在40 ℃下酶解120 min，同時(shí)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，以透光率為指標(biāo)確定最佳酶添加量。

1.2.3.2 最佳酶解溫度的確定

1.2.3.3 最佳酶解時(shí)間的確定

取5份100 mL香梨汁，加入0.06%的果膠酶充分混勻，在40 ℃下分別酶解80，100，120，140和160 min。同時(shí)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，以透光率為指標(biāo)確定最佳酶解時(shí)間。

1.2.4 果膠酶對(duì)香梨汁澄清優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design Expert.V 8.0.6.1軟件的Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間為自變量，以透光率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面因素水平表設(shè)計(jì)，對(duì)酶法澄清工藝進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳酶解技術(shù)條件。因素水平見表1。

表1 澄清香梨汁響應(yīng)面因素水平表

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

巴志鵬認(rèn)為，中國(guó)共產(chǎn)黨的生態(tài)文明建設(shè)思想是對(duì)中國(guó)古代樸素的人與自然和諧觀“天人合一”及樸素的自然倫理“仁民愛物”論等傳統(tǒng)生態(tài)文化的揚(yáng)棄和對(duì)馬克思恩格斯的人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展觀的傳承［19］。而榮開明則認(rèn)為，生態(tài)文明建設(shè)思想的主要淵源，包括馬克思主義生態(tài)文明理論，黨的三代領(lǐng)導(dǎo)集體探索中國(guó)社會(huì)主義建設(shè)的論述和前期經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外有關(guān)生態(tài)文明建設(shè)的理念和經(jīng)驗(yàn)，中華文明中的生態(tài)文明智慧［20］。

數(shù)據(jù)的處理與分析采用Excel系統(tǒng)和SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。用Duncan多重比較法方法進(jìn)行顯著性差異分析，p＜0.05表示差異顯著。使用Origin Pro 8繪制數(shù)據(jù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠酶澄清香梨汁單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 不同酶添加量對(duì)香梨汁透光率及果膠含量的影響

從圖1可以看出，隨著果膠酶用量的增加，透光率呈先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)果膠酶添加量為0.06%時(shí)，透光率達(dá)到最大值95.7%；當(dāng)果膠酶添加量＜ 0.06%時(shí)，酶添加量少，不能將香梨汁中的果膠物質(zhì)分解完全，澄清效果差，透光率低；當(dāng)果膠酶添加量＞0.06%時(shí)，由于酶添加量過(guò)多，在果汁中產(chǎn)生酶蛋白沉淀[18]，影響果汁的透光率。試驗(yàn)表明，果膠酶的添加量對(duì)香梨汁澄清效果有較大影響。

圖1 不同酶添加量對(duì)香梨汁透光率的影響

從表2可以看出，當(dāng)果膠酶添加量＜0.06%時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陽(yáng)性，說(shuō)明香梨汁中含有大量的果膠物質(zhì)，未能得到完全分解；當(dāng)果膠酶添加量＞0.06%時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陰性，說(shuō)明在此條件下，香梨汁中的果膠類物質(zhì)得到完全分解。通過(guò)分析表明：果膠酶添加量在0.06%～0.08%時(shí)，澄清香梨汁的效果較好。

表2 果膠酶添加量與香梨汁中果膠含量的關(guān)系

2.1.2 不同酶解時(shí)間對(duì)香梨汁透光率及果膠含量的影響

從圖2可以看出，當(dāng)酶解時(shí)間＜120 min時(shí)，香梨汁的透光率隨著時(shí)間的增加而迅速增加；當(dāng)酶解時(shí)間＞120 min時(shí)，透光率增加緩慢且趨于平衡（p＞0.05）。主要原因是在酶解時(shí)間120 min內(nèi)香梨汁中果膠物質(zhì)的含量相對(duì)較高，在果膠酶的作用下，大量的果膠被酶解，使香梨汁的透光率迅速提高；120 min后透光率的變化趨于平緩[19]，說(shuō)明香梨汁中的果膠物質(zhì)基本酶解完全。

圖2 不同酶解時(shí)間對(duì)香梨汁透光率的影響

從表3可以看出，當(dāng)果膠酶酶解時(shí)間＜120 min時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陽(yáng)性，說(shuō)明果膠酶沒(méi)有將香梨汁中的果膠物質(zhì)完全分解；當(dāng)果膠酶酶解時(shí)間≥120 min時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陰性，說(shuō)明果膠酶能夠?qū)⑾憷嬷械墓z物質(zhì)分解完全。通過(guò)分析表明：酶解時(shí)間在120～160 min時(shí)，果膠酶對(duì)香梨汁具有較好的澄清效果。

表3 酶解時(shí)間與香梨汁中果膠含量的關(guān)系

2.1.3 不同酶解溫度對(duì)香梨汁透光率及果膠含量的影響

從圖3可以看出，隨著酶解處理溫度的升高，香梨汁的透光率呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，香梨汁的透光率達(dá)到最高，透光率為95.34%，效果最好，這時(shí)果膠酶的酶解速率高，果膠得到充分分解；當(dāng)溫度高于40 ℃時(shí)，果膠酶酶活力逐漸降低，這是因?yàn)闇囟鹊纳?，發(fā)生熱凝作用，導(dǎo)致果膠的絮凝產(chǎn)生沉淀，使透光率降低[20]。因此果膠酶酶解最適溫度為40 ℃。

圖3 不同酶解溫度對(duì)香梨汁透光率的影響

從表4可以看出，當(dāng)果膠酶酶解溫度為35 ℃或者高于45 ℃時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陽(yáng)性，說(shuō)明溫度對(duì)果膠酶的活性有一定的影響，在低溫條件下果膠酶的活性較低，果膠類物質(zhì)未得到完全分解，在高溫條件下果膠酶失去活性導(dǎo)致果膠類物質(zhì)未能得到完全分解；當(dāng)果膠酶酶解溫度在40～45 ℃時(shí)，香梨汁中的果膠反應(yīng)呈陰性，說(shuō)明果膠酶能夠?qū)⑾憷嬷械墓z物質(zhì)分解完全。通過(guò)分析表明：酶解溫度在40～45 ℃時(shí)，果膠酶對(duì)香梨汁具有較好的澄清效果。

表4 酶解溫度與香梨汁中果膠含量的關(guān)系

2.2 香梨汁澄清響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 香梨汁澄清回歸模型的顯著性檢驗(yàn)與方差分析

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定結(jié)果見表5。利用軟件對(duì)表5中的透光率進(jìn)行回歸分析，建立回歸模型，得到以透光率（Y）為響應(yīng)值的回歸方程：Y=94.35+8.32A+ 1.90B+1.94C-1.63AB+1.79AC-0.52BC-7.38A2-2.92B2-5.29C2。

表5 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與透光率測(cè)定結(jié)果

從表6可以看出，所建立的透光率回歸模型F= 73.37，p＜0.000 1，達(dá)極顯著水平，表明該試驗(yàn)所得擬合方程回歸模型具有高度顯著性。失擬項(xiàng)（p=0.207 2）不顯著，說(shuō)明回歸模型有較好的穩(wěn)定性。調(diào)整決定系數(shù)R2=0.989 5，表明透光率約98.95%是由獨(dú)立變量決定的；決定系數(shù)R2Adj=0.976 0，變異系數(shù)C.V.= 1.46%，表明該模型的相關(guān)性高，擬合度較好，能夠較好地反映響應(yīng)值的變化。模型的一次項(xiàng)A（酶添加量）、B（酶解溫度）、C（酶解時(shí)間）影響極顯著（p＜0.01）；二次項(xiàng)A2、B2、C2影響極顯著（p＜ 0.01）；交互項(xiàng)AB、AC影響顯著（p＜0.05），BC影響不顯著（p＞0.05）；由此可知三因素對(duì)透光率影響的順序?yàn)锳（酶添加量）＞C（酶解時(shí)間）＞B（酶解溫度）。

表6 香梨汁透光率回歸模型方差分析

2.2.2 香梨汁澄清響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖可直觀地反映各自變量對(duì)響應(yīng)值的影響，根據(jù)等高線圖可觀察交互作用強(qiáng)弱，形狀越圓交互作用越弱，橢圓形則交互作用越強(qiáng)[21]。從圖4可以看出，等高線圖呈橢圓，說(shuō)明酶添加量和酶解溫度之間的交互作用顯著。當(dāng)酶解時(shí)間與酶添加量為確定值時(shí)，透光率變化趨勢(shì)呈隨著溫度的增加先增大后平衡，整體變化不大；當(dāng)酶解時(shí)間與酶解溫度不變時(shí)，透光率隨著添加量的增加而增大。

圖4 酶添加量及酶解溫度對(duì)香梨汁澄清效果的影響

從圖5可以看出，等高線圖呈圓形，說(shuō)明酶解時(shí)間和酶解溫度之間的交互作用不顯著。當(dāng)酶添加量與酶解溫度不變時(shí)，透光率隨著酶解時(shí)間的增加呈平緩的曲線，所以最優(yōu)參數(shù)趨向0（120 min）水平；在酶添加量與酶解時(shí)間不變的情況下，梨汁的透光率隨溫度的增加而增大，最優(yōu)參數(shù)向1.00（45 ℃）水平移動(dòng)。

圖5 酶解時(shí)間及酶解溫度對(duì)香梨汁澄清效果的影響

從圖6可以看出，等高線圖呈橢圓形，說(shuō)明酶添加量和酶解時(shí)間之間的交互作用顯著。當(dāng)酶解溫度和酶添加量不變時(shí)，透光率隨著酶解時(shí)間的增加而增大；在酶解溫度和酶解時(shí)間不變的情況下，梨汁的透光率隨酶添加量的增加而增大。

圖6 酶添加量及酶解時(shí)間對(duì)香梨汁澄清效果的影響

2.2.3 最佳工藝參數(shù)及驗(yàn)證

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法得出，當(dāng)酶添加量為0.06%，酶解溫度為41.22 ℃，酶解時(shí)間為119.11 min時(shí)，澄清香梨汁透光率預(yù)測(cè)值為96.58%。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，將工藝條件調(diào)整為酶添加量0.06%、酶解溫度40 ℃、酶解時(shí)間120 min。在此工藝條件下進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)，透光率的平均值為95.27%，與理論值的相對(duì)誤差僅為0.01%，基本與預(yù)測(cè)值接近。并通過(guò)表7可以看出，部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量與對(duì)照組沒(méi)有區(qū)別，從而驗(yàn)證了模型的正確性。

3 結(jié)論

此次試驗(yàn)試驗(yàn)通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，得到最佳酶解澄清工藝：酶添加量0.06%，酶解溫度40 ℃，酶解時(shí)間120 min。在此條件下，透光率平均值為95.27%。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)可知，優(yōu)化后的澄清度與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明模型正確可靠；經(jīng)優(yōu)化組與對(duì)照組的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量比較，結(jié)果顯示無(wú)明顯差異。因此，果膠酶可以達(dá)到理想的澄清效果，且能夠很好地保留香梨汁原有的營(yíng)養(yǎng)成分。此次試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)橄憷嬷a(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。