芒果果汁抗褐变工艺优化*

尚朝杰，王维民，谌素华，张晓迪，徐玉娟

1(广东海洋大学食品科技学院，广东湛江，524088)

2(广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广东广州，510610)

芒果是世界五大水果之一，它肉质细嫩、香甜，营养丰富，素有“热带水果之王”的美称，深受人们的喜爱。我国芒果产量丰富，是世界第二大芒果生产国，2010年种植面积达 12.90 万 hm2，总产量 90.64 万t［1］。但芒果采收期短、贮运困难、损耗大，因此，芒果除作鲜果食用外，约有85%芒果加工成为芒果汁、芒果原浆和芒果罐头等。

果汁在加工和贮藏过程中，会发生褐变，不仅影响果汁的外观、风味，而且还会造成营养物质的丢失，甚至果汁的变质。传统的亚硫酸盐能很好地抑制褐变，但安全性存在风险，美国FDA已于1986年限制了它在果蔬中的使用［2］。抗坏血酸也可用于抑制褐变，但其抗褐变效果有浓度依赖性，添加量少，作用不明显，添加量多，会导致非酶褐变［3］。因此研究和开发更加安全有效的褐变抑制剂很有必要。

目前果汁褐变的研究主要集中在苹果、梨、蓝莓等，对芒果果汁的褐变研究较少。芒果带皮生产果汁可以提高芒果的利用率，减少果皮资源浪费，降低果汁生产成本，但果皮的加入，使得果汁中总酚含量增加，果汁更易褐变，因而防止褐变是芒果带皮果汁生产的关键。本文通过添加D-异抗坏血酸钠、L-半胱氨酸［4-5］、植酸［6］等5种褐变抑制剂对酶法生产芒果带皮果汁的褐变情况进行研究，利用响应面法优化出最佳的复合褐变抑制剂。

1 材料与方法

1.1 实验材料

金煌芒芒果(九成熟)，购自广东湛江水果市场;果胶酶(酶活力10万U/g)和纤维素酶(酶活力10万U/g)，和氏璧生物技术有限公司;D-异抗坏血酸钠(食品级)，河北百味生物科技有限公司;L-半胱氨酸(食品级)，河南金润食品添加剂有限公司;植酸(食品级)，桐乡鑫洋食品添加剂有限公司;CaCl2和NaCl(食品级)，连云港冠苏实业有限公司。

1.2 仪器和设备

UX420H、AUW120型电子天平，日本岛津;DH2230型打浆机，蒙达电器有限公司;HHS型电热恒温水浴锅，上海博迅实业有限公司医疗设备厂;TDZ5-WS台式低速离心机，湖南赫西仪器装备有限公司;722S可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 果汁生产工艺流程

1.3.2 果汁褐变程度的测定

实验方法参考许鹏丽［7］并改进。果汁褐变产生的色素在420 nm处有较大吸收，因此可用分光光度计测果汁420 nm处的吸光度来反应褐变度［8］。将制得的果汁置于250 mL烧杯后，称取一定量的果汁，4 000 r/min离心10 min，取上清液在420 nm处测定吸光度(A0)，剩余果汁开口置于室温下充分氧化褐变，24 h后再测其吸光度(A24)，每个试样重复3次，取平均值。计算2次吸光度之差(△A)再由△A计算出褐变变化率，用以表示褐变程度，△A%值越小，抑制褐变的作用越大。

1.3.3 抑制剂最佳添加时间的确定

在酶法生产芒果果汁过程中，破碎、酶解，灭酶、冷却这4个阶段都有可能引起果汁的褐变，因此分别在破碎前、酶解前、灭酶前和冷却前4个阶段加入0.3%的L-半胱氨酸，压榨过滤取汁，测定果汁的褐变度，空白组不加抑制剂，其他操作相同，找出褐变抑制剂的最佳添加时间。

1.3.4 实验设计

以褐变变化率为指标，在最佳添加时间下选取D-异抗坏血酸钠(0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%)、L-半胱氨酸 (0、0.03%、0.06%、0.09%、0.12%、0.15%)、植 酸 (0、0.004%、0.008%、0.012%、0.016%、0.02%)、NaCl(0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%)、CaCl2(0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%)进行单因素试验，考察 5 种褐变抑制剂对芒果果汁的褐变抑制效果。

不同的褐变抑制剂抑制褐变的机制不同，而单一的褐变抑制剂难取得好的抑制效果。因此根据单因素的实验结果，选取D-异抗坏血酸钠、L-半胱氨酸、植酸3种效果较好的褐变抑制剂进行复合抑制剂的优化。利用 Design-Expert 8.0软件中 Box-Behnken试验设计原理，设计3因素3水平的Box-Behnken中心组合实验，实验因素与水平见表1，利用Design-expert 8.0软件进行响应面分析，确定最优复合抑制剂。

表1 Box-Behnken实验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of experimental design for Box-Behnken

1.3.5 数据处理方法

单因素实验结果采用Origin8.5软件进行作图，响应面实验结果采用Design-expert 8.0软件进行分析处理。每个实验重复3次，数据用“平均数±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 不同添加时间的果汁褐变度结果与分析

由图1可以看出，4个阶段添加褐变抑制剂都对果汁褐变都有一定的抑制效果，且添加时间越晚果汁褐变度越大，褐变越严重，其中破碎前添加褐变抑制效果最好，冷却前添加褐变抑制效果最差。对比破碎前加入和酶解前加入可知，果汁褐变度相差很小，这是由于在实验过程中，破碎阶段时间较短，期间发生酶促褐变程度较小。对比灭酶前加入和冷却前加入可知，果汁褐变度相差也较小，这是由于灭酶阶段时间短，温度高，从而褐变相对较小。对比酶解前加入和灭酶前加入可知，果汁褐变度变化较大，这是由于酶解阶段时间较长，酶解温度(40.6℃)与芒果多酚氧化酶最适温度［9］(50℃)比较接近，有利酶促褐变的发生。综合实验操作方便和褐变抑制效果，选取酶解前为褐变抑制剂最佳添加时间。

图1 不同添加时间的果汁褐变度Fig.1 The browning degree of juice in different adding time

2.2 单因素实验结果与分析

L-半胱氨酸是一种可溶性氨基酸，本身含有氨基、羧基，又含有巯基(—SH)，能与酶促褐变中间产物醌形成稳定的无色化合物，从而抑制褐变［10］。由图2可以看出，酶解前加入L-半胱氨酸对果汁的褐变变化率影响较明显，当用量在0.09%之前时，褐变变化率随用量的增加而迅速减小，用量超过0.09%后，褐变变化率变化不明显，基本保持不变，说明0.09%的L-半胱氨酸用量抑制褐变效果较好。

D-异抗坏血酸钠在酸性条件下可形成异抗坏血酸，异抗坏血酸与抗坏血酸互为旋光异构体，一样具有还原性，能将有色物质邻二醌还原成无色物质邻二酸，从而起到抑制褐变的作用［11］。由图3可知，D-异抗坏血酸钠可较明显的降低褐变变化率，抑制褐变。当用量为0.06%时，褐变变化率最小，0.06%之前时随用量的增加，褐变变化率逐渐减小，0.06%之后褐变变化率略微有些变化，总体基本不变，说明0.06%的D-异抗坏血酸钠用量抑制褐变效果较好。

图2 L-半胱氨酸用量对芒果果汁褐变变化率的影响Fig.2 Effects of L-Cys dosage on change rate of mango juice browning

图3 D-异抗坏血酸钠用量对芒果果汁褐变变化率的影响Fig.3 Effects of sodium D-isoascorbate dosage on change rate of mango juice browning

植酸也叫肌醇六磷酸，具有很强的螯合能力，且在很宽的pH范围内都很稳定，它可以鳌合PPO中的铜辅基，并具有很强的抗氧化能力，从而抑制褐变［12］。由图4可知，植酸可降低果汁褐变变化率，抑制褐变。随着植酸用量的增加，果汁的褐变变化率呈逐渐减小的趋势，当植酸达到最大允许添加量0.020%时，褐变变化率最小。为方便做响应面优化，选取0.016%为植酸最优用量。

图4 植酸用量对芒果果汁褐变变化率的影响Fig.4 Effects of phytic acid dosage on change rate of mango juice browning

NaCl一定程度上可降低水溶液中的氧含量，使酚类物质难与氧气接触，且Na+与多酚氧化酶中Cu2+竞争，从而降低多酚氧化酶活性，抑制褐变［13］。由图5可以看出，氯化钠用量对芒果果汁的褐变影响很小，随着用量的增加褐变变化率几乎没什么变化，说明氯化钠对芒果果汁褐变抑制不明显。

图5 NaCl用量对芒果果汁褐变变化率的影响Fig.5 Effects of NaCl dosage on change rate of mango juice browning

CaCl2对褐变的抑制作用有2个解释，一是钙与氨基酸结合成为不溶性化合物，因此钙盐有协同SO2控制褐变的作用;二是Ca2+与PPO中的Cu2+的竞争，从而抑制褐变［14］。由图6可知，CaCl2用量对芒果果汁褐变影响很小，随着用量的增加，褐变变化率变化较小，说明CaCl2对芒果果汁褐变抑制不明显。

图6 CaCl2用量对芒果果汁褐变变化率的影响Fig.6 Effects of CaCl2dosage on change rate of mango juice browning

2.3 响应面实验结果与分析

2.3.1 回归模型的建立与分析

响应面设计与分析结果见表2。利用软件Design-expert 8.0 进行 D-异抗坏血酸钠用量(A)、L-半胱氨酸用量(B)、植酸用量(C)3个因素对褐变变化率(Y)影响的多元回归拟合分析，建立二次多项式回归方程为:

表2 响应面设计及实验结果Table 2 The Box-Behnken design and experimental results

从表3可知，回归模型(P＜0.01)极显著，失拟项(P ＞0.05)不显著，且 R2=0.971 1，拟合程度 ＞0.90，说明预测值与实验值具有高度相关性，模型能反应响应值的变化，可用该模型对芒果果汁的褐变变化率进行很好的分析和预测。由表3还可看出，因素B、C2对芒果果汁褐变变化率影响极显著(P＜0.01)，因素 A、C、AB、AC 对芒果果汁褐变变化率影响显著(P ＜0.05)，因素 BC、A2、B2对芒果果汁褐变变化率影响不显著(P＞0.05)。由各因素均方值可知，各因素对果汁褐变变化率的影响顺序为:L-半胱氨酸＞D-异抗坏血酸钠＞植酸。

表3 回归系数显著性Table 3 The significance test of regression coefficients

2.3.2 响应面等高线和响应曲面图分析

等高线的形状反映交互作用的强弱大小，圆形表示两因素交互作用不显著，而椭圆形则与之相反［15］。从图7-a可以看出，当植酸用量为0.016%时，L-半胱氨酸用量和D-异抗坏血酸钠用量对芒果果汁褐变变化率的交互作用较显著。D-异抗坏血酸钠用量在0.04% ～0.08%时，随L-半胱氨酸用量的增加褐变变化率逐渐增加，且当用量处于高水平时褐变变化率增加趋势不明显。L-半胱氨酸用量在0.06% ～0.12%范围时，随D-异抗坏血酸钠用量的增加，褐变变化率小幅上升，变化趋势不明显。由图7-b可以看出，当L-半胱氨酸用量为0.09%时，D-异抗坏血酸钠用量和植酸用量对芒果果汁褐变变化率的交互作用较显著。植酸用量在0.012% ～0.020%时，随 D-异抗坏血酸钠用量的增加，褐变变化率先下降后趋于稳定。D-异抗坏血酸钠用量在0.04% ～0.08%范围时，随植酸用量的增加，褐变变化率先下降后略微上升。图7-c表明，当D-异抗坏血酸钠用量0.06%时，植酸用量和L-半胱氨酸用量对芒果果汁褐变变化率的交互作用不显著。植酸用量在0.012% ～0.020%时，随L-半胱氨酸用量的增加，褐变变化率呈逐渐增加趋势。L-半胱氨酸用量在0.06% ～0.12%时，随植酸用量的增加，褐变变化率呈先下降后上升趋势。

图7 D-异抗坏血酸钠、L-半胱氨酸、植酸的交互作用对褐变变化率影响的等高线和响应曲面图Fig.7 Response surface and contour plots for the interaction effect of sodium D-isoascorbate，L-Cys and phytic acid on change rate of browning

2.3.3 最佳复合褐变抑制剂的确定和验证实验

根据Box-Behnken实验所得数据，利用Design-Expert8.0软件处理，可得芒果褐变最佳复合抑制剂为:D-异抗坏血酸钠用量为0.047%，L-半胱氨酸用量为0.060%，植酸用量为0.017%，在此条件下预测的褐变变化率为11.91%。为了检验响应面法的可行性，用所得的最佳条件进行验证性实验，通过3组平行实验得到的褐变变化率为(12.19±0.14)%，与预测值11.91%吻合率达到97.70%。因此，采用响应面法法优化得到的最佳褐变复合抑制剂用量准确可靠，具有实际参考价值。

3 结论

通过破碎前、酶解前、灭酶前和冷却前4个阶段添加褐变抑制剂，得到酶解法生产芒果果汁褐变抑制剂的最佳添加时间为酶解前。褐变抑制剂D-异抗坏血酸钠，L-半胱氨酸和植酸对芒果果汁褐变抑制效果较好，NaCl和CaCl2对芒果果汁褐变基本无抑制效果。

采用响应面法对芒果果汁褐变复合抑制剂进行优化，得到最佳的复合抑制剂为D-异抗坏血酸钠用量 0.047%，L-半胱氨酸用量 0.06%，植酸用量0.017%，在此条件下果汁的褐变变化率为12.19%，与预测值11.91%吻合率达到97.70%，说明实验结果与模型拟合性较好，优化后的复合抑制剂合理可行，对以后芒果果汁工业生产控制褐变具有较好的指导意义。

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