响应面法优化草莓清汁加工工艺

田 野，马永强，李春阳

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨150000;2.江苏省农业科学院农产品加工所，江苏南京210000)

草莓属多年生草本植物，果实是由花托发育而成的聚合果，红色或红棕色，果实呈圆锥形、圆形等形状［1］。新鲜草莓含水量在90%左右，果皮很薄，且表皮没有防止水分挥发的蜡质和角质结构，采摘放置 1～2d 即失水萎缩，逐渐软化腐烂，不易保存［2］，草莓采摘后加工产品就显得尤为重要，而草莓汁是最有潜力的加工方式之一，研究草莓酶解工艺，增加草莓出汁率及草莓汁透光度有重要意义。果胶酶能够分解果胶物质的多种酶的总称，是果汁生产中最重要的酶制剂之一。果胶酶降解草莓中的果胶类物质，破坏细胞壁，降低果浆的粘度，使汁液容易流出，被广泛应用于果汁的提取和澄清、改善果汁的通量以及植物组织的浸渍和提取［3］。响应面法在实验条件优化过程中可以连续地对实验因素的各个水平进行分析，克服了正交实验只能对一个个孤立的实验点进行分析和不能给出直观图形的缺陷，所以响应面法被广泛应用于实验设计与工艺优化研究［4］。本实验应用响应面分析法对澄清草莓汁加工的最佳工艺条件进行优化，建立并分析果胶酶添加量、酶解时间、酶解温度、酶解pH4个因子与草莓出汁率及草莓汁澄清度关系的数学模型。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

丰香草莓 市售;果胶酶NCB－PE40(其中含有一定的半纤维素酶、纤维素酶)，酶活30000U/g 济宁和美生物工程有限公司;柠檬酸 分析纯，湖南尤特尔生化有限公司。

组织捣碎机 江阴市保利科研仪器有限公司;DD－5M湘仪离心机、H1650－W湘仪离心机 湖南湘仪实验仪器开发有限公司;HH－2数显恒温水浴锅金坛市维诚实验器有限公司;UV5500紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;分析天平 梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 冷冻草莓→解冻→捣碎→草莓浆→调pH→添加果胶酶→酶解→85℃灭酶→3500r/min离心→过滤→澄清草莓汁

1.2.2 酶解草莓浆参数设计 将50mL草莓果浆加入250mL烧杯中，分别加入适宜柠檬酸钠溶液调整pH，分别向草莓果浆加入不同剂量的果胶酶，充分搅拌后放入水浴锅中恒温酶解60min，取出后加热至85℃灭酶［5］，经离心过滤，得到澄清草莓汁，测定相关指标，确定最佳工艺条件。

1.2.2.1 果胶酶加入量对草莓汁出汁率及透光率的影响 在酶解pH4.0，酶解温度40℃基础上，调整果胶酶添加量体积分数0.02%～0.06%，恒温酶解60min，取出后加热至 85℃灭酶［5］，经离心过滤，得到澄清草莓汁，测定出汁率及透光率。

1.2.2.2 酶解时间对草莓汁出汁率及透光率的影响在酶解 pH4.0，果胶酶添加量0.04%，酶解温度40℃基础上，恒温酶解 60～90min，取出后加热至85℃灭酶［5］，经离心过滤，得到澄清草莓汁，测定出汁率及透光率。

1.2.2.3 酶解pH对草莓汁出汁率及透光率的影响 果胶酶添加量0.04%，酶解温度40℃基础上，调节酶解 pH3.0～5.0，恒温酶解60min，取出后加热至85℃灭酶［5］，经离心过滤，得到澄清草莓汁，测定出汁率及透光率。

1.2.2.4 酶解温度对草莓汁出汁率及透光率的影响果胶酶添加量0.04%，酶解pH4.0，分别在35～55℃恒温酶解60min，取出后加热至85℃灭酶［5］，经离心过滤，得到澄清草莓汁，测定出汁率及透光率。

1.2.3 酶解条件优化方案 在单因素基础上，选取果胶酶添加量(X1，%)、酶解时间(X2，min)、酶解 pH(X3)、酶解温度(X4，℃)作为响应曲面实验的考察因素(自变量)，以 +1、0、－1分别表示自变量的高、中、低水平，以草莓汁出汁率(R1)及透光率(R2)为响应值，设计4因素3水平29个实验点的响应面实验。根据实验表做实验，对实验数据进行二次回归拟合，得到回归方程［6－8］。实验设计和数据处理使 Design－Expert 8.0.6.1软件完成。各响应因子的实验水平见表1。

表1 中心组合设计因素水平Table 1 Factors and levels of central composite design

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 果胶酶添加量对草莓汁出汁率及透光率的影响 由图1可知，加酶量在0.02%%～0.06%，pH4.0，40℃酶解60min，出汁率都在72%以上，透光度都在70%以上，在0.06%时草莓汁的出汁率为83.36%。在0.06%时草莓汁的透光率为78.3%。根据出汁率及透光率的变化情况，选择果胶酶添加量在0.04%～0.06%作为优化范围。

图1 不同果胶酶添加量对草莓汁出汁率及透光率的影响Fig.1 The effect of pectin added to yield and clarity of strawberry

果胶酶主要功能是通过裂解或β消去作用切断果胶质中的糖苷键，使果胶质裂解为多聚半乳糖醛酸结合，降解草莓中的果胶类物质，从而提高草莓出汁率及草莓汁的澄清程度，花色素是可溶性色素，在酶解不断搅拌的过程中，更多的花色素溶解出来，使花色素的含量升高，使果汁的颜色清亮［11－13］。

2.1.2 酶解时间对草莓汁出汁率及透光率的影响 由图2可知，加酶量在0.04%，pH4.0，40℃酶解50～90min，出汁率都在77%以上，透光度都在63%以上，在酶解90min时草莓汁的出汁率83.19%，透光率为68.2%。根据出汁率及透光率的变化情况，选择60～80min作为优化范围。

图2 酶解时间对草莓汁出汁率及透光率的影响Fig.2 The effect of enzymolysis time to yield and clarity of strawberry

随酶解时间的增加，在匀速搅拌中果胶酶与草莓浆中的果胶充分的接触，可以充分反应，使草莓汁的出汁率及透光率随之增加，但由于70～90min，出汁率及透光率的增加并不明显，可能由于酶解是曝露在空气中进行的，花色素本身很不稳定，会受空气及光等因素影响而氧化分解，从而使花色素的含量下降使澄清度变化不明显。

2.1.3 酶解pH对草莓汁出汁率及透光率的影响 由图3可知，当加酶量0.04%，pH3.0～5.0，40℃酶解60min时，出汁率都在72%以上，透光度都在58%以上，在酶解 pH3.5时草莓汁的出汁率为83.14%。在酶解pH4.0时草莓汁的透光率为70.5%。根据出汁率及透光率的变化情况，选择pH3.5～4.5为优化范围。

酶解所用的果胶酶为酸性果胶酶，适宜pH3.0～5.0，但随着pH的增加，果汁的颜色也随之变深，在实验过程中，应该不断地调节酶解中草莓果浆的pH。

图3 酶解pH对草莓汁出汁率及透光率的影响Fig.3 The effect of enzymolysis pH to yield and clarity of strawberry

2.1.4 酶解温度对草莓汁出汁率及透光率的影响 由图4可知，当加酶量0.04%，pH4.0，35～55℃酶解60min时，出汁率都在74%以上，透光度都在66%以上，在酶解温度 45℃时草莓汁的出汁率为81.94%。在酶解温度40℃时草莓汁的透光率为69.6%。根据出汁率及透光率的变化情况，选择酶解温度为40℃到50℃为优化范围。

图4 酶解温度对草莓汁出汁率及透光率的影响Fig.4 The effect of enzymolysis temperature to yield and clarity of strawberry

温度低，酶活性弱;温度高，酶活性强，但是如果温度过高，则果胶酶容易失活。随温度的增加，果汁的颜色也随之变深，随着温度的升高至50℃，果胶酶活性降低，由于果胶热凝的作用，使出汁率及透光率降低。

2.2 响应面优化结果与分析

2.2.1 按照1.2.3的实验设计进行实验，结果见表2。

2.2.2 模型建立与显著性检验 对回归方程进行显著性检验、方差分析及各因素最佳点分析，结果见表3，表4。结果表明，模型是显著的，出汁率的回归方程:

R1=87.14+1.5X1+0.76X2－4.06X3－0.20X4－0.36X1X2+0.22X1X3+0.37X1X4－0.64X2X3－0.81X2X4－0.61X3X4－0.21－0.21－3.46+0.16，出汁率回归模型的相关系数平方=0.9678，说明回归方程拟合度良好，可以对出汁率进行分析和预测;透光率的回归方程为 R2=85.15+1.19X1+1.01X2－2.01X3－4.35X4+0.46X1X2－0.2X1X3+0.67X1X4－2.26X2X3－1.14X2X4+0.30X3X4－0.19－0.68－10.35－3.18，透光率回归模型的相关系数是=0.9542，说明回归方程拟合度良好，可以对透光率进行分析和预测。

表2 Box－behnken实验方案与结果Table 2 Box－behnken design and results

用Design－Expert软件对表3，表4数据进行二次多元回归拟合，对各个模型的回归方程进行显著性检验、方差分析及各因素最佳点分析，可得各个模型是显著的，选择p值在0.05和0.1之间10%显著水平，结合说明，所得二次回归方程的响应面见图5～图7。

由图可知，酶解pH对出汁率及透光率的影响高于其他因素，酶解时间对草莓汁透光率的影响相对较弱。草莓浆的出汁率随果胶酶添加量的增大而增大，随酶解pH的增大而呈先增大后减少的趋势，随酶解时间的延长逐渐增大，随酶解温度升高逐渐增大的趋势。草莓浆的透光率随酶解温度的增大而呈先增大后减少，随酶解pH的增大而呈先增大后减少，随酶解时间的延长呈先增大后减少，随酶解温度升高呈先增大后减少。

2.4 验证实验

通过对草莓汁出汁率和透光率的二次多项数学模型解逆矩阵，得出草莓出汁率及透光率在果胶酶添加量0.06%、酶解时间80min、酶解pH3.82、酶解温度40.04℃的工艺条件下，出汁率的预测值90.40%，透光率的预测值88.98%。实验采用上述最优条件进行酶法加工草莓汁实验，实验测得的草莓出汁率88.65%，透光率87.05%，实验值与理论值的相对误差分别为1.751%和1.93%，因此采用响应面优化得到的提取条件准确可靠，具有使用价值。

表3 回归方程ANOVA分析出汁率结果Table 3 ANVOA analysis of regression equation

表4 回归方程ANOVA分析透光率结果Table 4 ANVOA analysis of regression equation

3 结论

果胶酶处理破坏果蔬原料的细胞结构，提高果蔬原料浸出率从而最大限度地获得果蔬汁的新型果蔬加工工艺。果胶酶 NCB－PE40是复合酶，其中果胶酶分解草莓中的果胶质，降低粘度解决由果胶质引起的浑浊问题与纤维素酶、半纤维素酶的复合使用能更有效地裂解原料的细胞壁，提高原料的利用率。草莓汁中的花色素是色泽的主要来源，花色素是可溶性色素，在酶解过程中，越来越多的花色素溶解出来，因此能够使花色素的含量升高，使果汁的颜色清亮。

图5 Y=f(X1，X3)响应面分析图Fig.5 Response surface plot and contour map of interaction of(X1、X3)

图6 Y=f(X2，X3)响应面分析图Fig.6 Response surface plot and contour map of interaction of(X2，X3)

对回归方程进行显著性检验、方差分析及各因素最佳点分析，结果表明，模型是显著的，出汁率回归模型的相关系数平方R12=0.9678;透光率回归模型的相关系数是R22=0.9542。通过对草莓汁出汁率和透光率的二次多项数学模型解逆矩阵，得出草莓出汁率及透光率在果胶酶添加量0.06%、酶解时间80min、酶解pH3.8、酶解温度40.0℃的工艺条件下，出汁率的最大预测值90.40%，透光率的最大预测值88.98%。

图7 Y=f(X3，X4)响应面分析图Fig.7 Response surface plot and contour map of interaction of(X3，X4)

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