南果梨汁响应面复合酶法制取工艺优化

刘苏苏,吕长鑫,李萌萌,信维平,石　超,王小荟,芦　宇,励建荣

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁省食品安全重点实验室,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)



南果梨汁响应面复合酶法制取工艺优化

刘苏苏,吕长鑫*,李萌萌,信维平,石超,王小荟,芦宇,励建荣*

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁省食品安全重点实验室,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

本文以南果梨为原料,研究了复合酶法制取南果梨汁最优工艺。通过单因素实验研究复合酶添加量、酶解时间、果胶酶与纤维素酶配比和酶解温度对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响;在此基础上,采用Box-Behnken实验设计法,优化复合酶酶解南果梨汁工艺参数,以提高南果梨出汁率和可溶性固形物含量。结果表明:在复合酶添加量0.15%、酶解时间119 min、酶比例3∶1、酶解温度42 ℃的条件下,南果梨出汁率达78.15%,与理论值77.42%基本相符(相对误差0.93%);与未经酶处理相比,出汁率提高了12.92%,可溶性固形物含量提高了1.72%。由实验结果可知,经复合酶酶解后南果梨出汁率和可溶性固形物含量等相关理化指标均有显著提高。

果胶酶,纤维素酶,南果梨,出汁率,响应面

南果梨是蔷薇科梨亚科梨属中的秋子梨(Pyrus ussriensis Maxim),是一种已有100多年栽培历史的辽宁特色水果。其中含有必需氨基酸、脂肪酸与黄酮类等多种成分,具有较高的营养价值[1-3]。南果梨属呼吸跃变型水果,常温下10～15 d后熟以后迅速衰老腐烂,严重影响其商品价值[4]。目前,随着南果梨采后贮藏保鲜技术的深入研究[5-7],南果梨的贮藏期虽得以延长但仍受到限制。将南果梨加工成果汁,不仅解决南果梨的保存问题,且能提高其产品附加值,对推广南果梨产业链发展具有重要意义。果蔬中细胞壁含有果胶和纤维素等物质,致使细胞壁彻底破碎困难,是引起果蔬汁加工中出汁率低等问题的主要原因[8]。果胶酶能促进果胶类物质分解,减小果浆粘度,从而提高出汁率和利用率[9],Joshi等[10]用果胶酶处理桃汁、李子汁、梨汁和杏汁等不同果汁,其出汁率均能提高12%～30%;另外,纤维素酶因可降解植物细胞壁纤维素,常与果胶酶协同使用以提高原料利用率,Sharma等[11]发现果胶酶协同纤维素酶处理胡萝卜浆,其出汁率可增加13.95%。因此本研究采用果胶酶和纤维素酶复合酶解南果梨浆,并运用Box-Behnken实验设计原理和响应面法,对南果梨汁酶解工艺进行优化,为其规模化生产提供理论依据与工艺技术,亦为南果梨深加工开辟一条新途径。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

八成熟南果梨九月中旬采收于辽宁省锦州市义县,可溶性固形物含量13.8%,贮藏于4 ℃冷库后熟备用;D-异抗坏血酸钠食品级;果胶酶(20000 U/g)、纤维素酶(10000 U/g)肇东市日成酶制剂有限公司。

5804R型冷冻离心机德国eppendorf公司;UV-2700紫外可见分光光度计日本岛津仪器有限公司;DS-1型高速组织捣碎机上海精科实业有限公司;PL 303型电子天平梅特勒-托利多仪器上海有限公司;IKA RW 20数显型顶置式高速搅拌广州仪科实验室技术有限公司;WYT-15型手持折光仪泉州光学仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1南果梨汁制备工艺流程南果梨→挑选→清洗→切块→护色→打浆→酶解→粗滤→灭酶→离心→南果梨汁

1.2.2操作要点自冷库挑选大小均匀一致南果梨,去除果柄、清洗沥干后切成1 cm3块状,准确称取100.0 g果块与100.0 g的0.1% D-异抗坏血酸钠溶液[12]混合打浆后置于烧杯中,用保鲜膜封口以免水分蒸发,于恒温水浴锅中预热至酶解温度,再加入定量的酶,充分搅拌酶解后用200目滤布过滤后,经80 ℃灭酶2 min,在4 ℃、6000 r/min离心10 min得到南果梨汁[13-14],计算出汁率,每次实验平行测定3次。

1.2.3单因素实验本实验使用的果胶酶、纤维素酶作用温度范围分别为30～50 ℃、40～60 ℃;两种酶各自最适pH分别为3.5～4.5、3.5～5.5,由于南果梨浆pH为3.72,在两种酶的最适pH范围内,所以实验选择在自然pH条件下进行。预实验中发现,酶添加量一定,果胶酶酶解效果优于纤维素酶,进一步进行复合酶酶解预实验,发现复合酶的酶解效果优于单一酶,且果胶酶在复合酶中的比例不宜过高,因此采用单因素实验探讨复合酶添加量、复合酶(果胶酶∶纤维素酶,下同)比例、酶解温度和酶解时间对南果梨出汁率与可溶性固形物含量的影响。

1.2.3.1单一酶酶解效果比较果浆中分别加入0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的果胶酶和纤维素酶,40 ℃、自然pH条件下酶解60 min后,测定各处理样品出汁率,比较单独添加果胶酶和纤维素酶对南果梨出汁率的影响。

1.2.3.2复合酶添加量的确定依据预实验数据分析,选定40 ℃、果胶酶与纤维素酶比例3∶1,在果浆中分别加入0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的复合酶,自然pH条件下酶解60 min后,测定各处理样品出汁率和可溶性固形物含量,以确定最适复合酶添加量。

1.2.3.3复合酶比例的确定将南果梨果浆预热至40 ℃,分别按比例1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1加入0.20%复合酶,自然pH条件下酶解60 min后,测定各处理样品出汁率和可溶性固形物含量,以确定最适复合酶比例。

1.2.3.4酶解时间的确定将南果梨果浆预热至40 ℃,按3∶1加入0.20%的复合酶,自然pH条件下分别酶解30、60、90、120、150 min后,测定各处理样品出汁率和可溶性固形物含量,以确定最适复合酶解时间。

1.2.3.5酶解温度的确定分别将南果梨果浆预热至酶解温度35、40、45、50、55 ℃,按3∶1加入0.20%的复合酶,自然pH条件下酶解90 min后,测定各处理样品出汁率和可溶性固形物含量,以确定最适复合酶解温度。

1.2.4响应面实验设计在单因素实验基础上,采用Design-Expert 8.0.6软件的Box-Behnken实验设计原理,以混合酶添加量、酶解时间、混合酶比例、酶解温度为自变量,以出汁率为响应值设计实验,将实验数据进行二次回归拟合,得到回归方程[15-16]。实验因素与水平见表1。

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

1.2.5测定方法

1.2.5.1出汁率测定称量待用鲜果并榨汁,称量果汁质量,果汁出汁率计算公式如下:

出汁率(%)=南果梨汁质量(g)-护色液质量(g)/南果梨质量(g)×100

1.2.5.2可溶性固形物含量测定在20 ℃条件下用手持折光仪测定。

1.3数据处理

将重复测量3次、每次3个平行的实验数据用平均值±标准差的形式表示;采用SPSS19.0统计软件中的ANOVA法进行显著性差异分析,差异显著性为p<0.05。

2　结果与分析

2.1单因素实验结果与分析

2.1.1果胶酶和纤维素酶对南果梨出汁率的影响果胶酶可促进果胶类物质分解,减小果浆粘度;纤维素酶可降解植物细胞壁的纤维素,常用于提高果汁出汁率。探讨在酶解温度40 ℃、酶解时间60 min条件下,不同添加量的果胶酶和纤维素酶对南果梨出汁率的影响。由图1可知,果胶酶添加量在0.05%～0.20%范围内,随着果胶酶添加量的增大出汁率显著提高(p<0.05),在0.20%～0.30%范围内,出汁率无显著变化(p>0.05),果胶酶添加量为0.20%时,出汁率达70.45%,比未加酶时提高了6.32%。纤维素酶添加量在0～0.10%范围内,随酶添加量增大出汁率显著提高(p<0.05),纤维素酶添加量在0.10%时,出汁率67.60%,相比未加酶组仅提高3.47%,在0.10%～0.20%范围内,出汁率显著降低(p<0.05),在0.20%～0.30%范围内,出汁率变化不显著(p>0.05)。由此可知,当果胶酶添加量达到一定值时,随着添加量的增加出汁率无显著变化(p>0.05);当纤维素酶添加量达到一定值时,随着添加量的增加出汁率反而降低,这与罗威[17]的研究结果一致。可能是由纤维素酶分解纤维素使果胶物质完全释放,果浆粘度进一步增大所致[9]。所以选择两种酶的复配,以更大幅度地提高南果梨出汁率。

图1　酶添加量对南果梨出汁率的影响Fig.1　The effect of enzyme dosage on Nanguo pear juice yield注:同指标不同字母表示差异性显著水平 (p<0.05),图2～图5同。

2.1.2混合酶添加量对南果梨出汁率和可溶性固形物含量影响确定复合酶比例为3∶1,在复合酶解温度40 ℃、酶解时间60 min的条件下,研究不同复合酶添加量对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响。由图2可知,酶添加量在0～0.20%范围内,随着添加量的增大出汁率显著提高(p<0.05),在酶添加量为0.20%时,出汁率最大77.14%,可溶性固形物含量8.80%;酶添加量超过0.20%时,出汁率随着酶添加量的增加显著降低(p<0.05),可能是因为进一步增大酶用量使果实过度酶解,果汁中半纤维素和多糖类物质增多,果汁黏度增大,导致果汁出汁率降低[18]。相比对照组,随酶添加量的增大,可溶性固形物含量先上升后趋于平稳。根据出汁率与可溶性固形物含量变化情况综合分析,选择复合酶添加量在0.20%比较适宜。

2.1.3混合酶比例对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响依据上述实验结果,确定复合酶添加量0.20%,在酶解温度40 ℃、时间60 min时,研究复合酶比例对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响。从图3中可知,果胶酶与纤维素酶比例1∶1～3∶1范围内,随着复合酶比例的增大出汁率显著提高(p<0.05),当复合酶比例在3∶1～4∶1范围内,出汁率显著减低(p<0.05),当复合酶比例大于4∶1后,出汁率无显著变化(p>0.05);复合酶比例在1∶1～6∶1范围内,可溶性固形物含量变化不显著(p>0.05)。在复合酶配比3∶1时,出汁率高达77.12%,可溶性固形物含量8.40%。根据出汁率与可溶性固形物含量变化情况综合分析,选择酶配比为3∶1较为合适。

图2　混合酶添加量对南果梨出汁率 和可溶性固形物含量的影响Fig.2　The effect of complex enzyme dosage on Nanguo pear juice yield and soluble solid content

图3　混合酶比例对南果梨出汁率 和可溶性固形物含量的影响Fig.3　The effect of complex enzyme proportion on Nanguo pear juice yield and soluble solid content

2.1.4酶解时间对南果梨出汁率和可溶性固形物含量影响依据上述分析确定复合酶添加量为0.20%,复合酶最优比例为3∶1,在酶解温度40 ℃的条件下,研究不同酶解时间对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响。自图4中可知,酶解时间在30～90 min内,随着酶解时间的延长,复合酶与南果梨果浆中的果胶物质充分接触反应,果汁出汁率和可溶性固形物含量均显著升高(p<0.05)。当时间为90 min时,出汁率77.28%,可溶性固形物含量8.30%;当时间超过90 min后,二者变化差异不显著(p>0.05)。因此,考虑果汁长时间处于较高温度下易导致营养成分的流失和生产成本等因素,选择酶解时间90 min较为适宜。

图4　酶解时间对南果梨出汁率 和可溶性固形物含量的影响Fig.4　The effect of enzymolysis time on Nanguo pear juice yield and soluble solid content

2.1.5酶解温度对南果梨出汁率和可溶性固形物含量影响依据上述分析确定复合酶添加量0.20%,复合酶最优比例3∶1,酶解时间90 min的条件下,研究不同酶解温度对南果梨出汁率和可溶性固形物含量的影响。自图5中可知酶解温度在35～40 ℃范围内,随着温度的升高,可溶性固形物含量无显著变化(p>0.05);出汁率显著升高(p<0.05),40 ℃时出汁率最大77.26%,可溶性固形物含量8.40%;当温度超过40 ℃,随着温度的升高出汁率显著降低(p<0.05),可能是温度过高,酶活性降低所致[19]。因此,选择酶解温度40 ℃较为适宜。

图5　酶解温度对南果梨出汁率 和可溶性固形物含量的影响Fig.5　The effect of enzymolysis temperature on Nanguo pear juice yield and soluble solid content

由上述4个单因素实验结果可知,各因素最适条件下出汁率维持在77.12%～77.28%,可溶性固形物含量8.30%～8.80%,出汁率较单独使用果胶酶和纤维素酶分别提高了6.75%和9.60%,再以出汁率为响应值利用响应面法优化实验条件。

2.2响应面优化结果与分析

2.2.1响应面实验设计结果在单因素实验基础上,以出汁率为响应值,通过Box-Benhnken实验设计得到中心点个数为3的27个实验组合点,包含3组中心点重复实验,实验结果见表2,对结果进行分析,以确定最优工艺。

表2　Box-Behnken设计方案与出汁率测定结果Table 2　Box-Behnken design and response values of juice yield

表3　回归方程系数显著性检验表Table 3　Significance test of regression equation module

注:**:差异极显著,p<0.01;*:差异显著,p<0.05。

2.2.3交互因子效应分析响应面(RSM)分析图是特定响应值Y对应自变量构成的1个三维空间图,可直观反映各自变量对响应值的影响[20]。回归模型的响应面图见图6,各图表示A、B、C和D中任意两个变量取零时,其余两个变量对南果梨出汁率的影响。图6d表明当混合酶添加量为0.20%,酶解温度为40 ℃时,混合酶比例和酶解时间对出汁率的交互效应不显著。酶解时间在60～120 min范围,出汁率随着混合酶比例的增大呈先升高后下降;混合酶比例在2∶1～4∶1范围内,出汁率随着酶解时间的延长呈上升趋势。当酶解时间处于较高水平,酶比例处于中间水平时,出汁率相对较大。图6e表明当复合酶添加量为0.20%,复合酶比例为3∶1时,酶解温度和酶解时间对南果梨出汁率的交互效应显著。酶解时间在60～120 min范围内,出汁率随着酶解温度的升高呈先升高后下降趋势;酶解温度在35～40 ℃范围内时,出汁率随着酶解时间的延长无明显变化,在40～45 ℃范围内,出汁率随着时间延长逐渐升高。当酶解温度为40 ℃左右,酶解时间在90～120 min范围时,出汁率相对较大。当酶解时间一定时,酶解温度处于高水平,出汁率反而下降,可能是因为高温破坏了酶的结构,酶的活性降低,导致出汁率减小[21]。由图6a～图6f可知,混合酶添加量与酶解时间、混合酶比例、酶解温度之间的交互作用和混合酶比例与酶解时间、酶解温度之间的交互作用均不显著,这与表3的显著性检验结果相吻合。

图6　交互因子对南果梨出汁率影响的响应面图Fig.6　Response surface for Nanguo pear juice yield from interaction factor

2.3最佳工艺条件及结果验证

以南果梨出汁率为响应值,在优化实验结果基础上,利用Design-Expert得到各个因素组合最优条件为复合酶添加量0.15%、酶解时间118.8 min、酶比例3∶1、酶解温度41.7 ℃,考虑实际生产条件,调整为复合酶添加量0.15%、酶解时间119 min、酶比例3∶1、酶解温度42 ℃,在此条件下南果梨出汁率的预测值可达到77.42%,在此基础上进行3组验证实验,得到出汁率平均值为78.15%,与理论值的相对误差仅为0.93%,基本与预测值接近,说明该方程与实际情况拟合很好,充分验证了所建模型的正确性,此工艺条件准确可靠且有科学性。另外,比较了在上述条件下酶解与未经酶处理所得南果梨汁的相关理化指标,见表4。结果表明,相比未加酶组,酶解后南果梨汁的出汁率、澄清度、总酸和可溶性固形物含量均显著提高,pH显著降低(p<0.05)。这与张丽霞[22]、邵勤[23]等的研究结果一致。由此可知,酶解不仅可显著提高南果梨果汁得率,而且其相关理化指标亦有显著变化。

表4　酶解前后南果梨汁相关理化指标的比较Table 4　Physicochemical indexes comparison of Nanguo pear juice before and after enzyme hydrolysis

3　结论

由实验可知,果胶酶和纤维素酶复配对提高南果梨的出汁率和可溶性固形物含量作用显著。两者按3∶1比例复合酶解优于单一使用果胶酶或纤维素酶的效果,因此选用两种酶协同作用。通过单因素实验和响应面分析法建立二次回归模型拟合度良好,能较好地预测各因素与南果梨出汁率之间的关系。结果表明,复合酶添加量、酶解时间和酶解温度对南果梨出汁率具有显著影响,酶解时间和酶解温度间的交互作用影响显著,各因素对果汁出汁率的影响顺序为:酶解时间>复合酶添加量>酶解温度>复合酶比例。根据模型优化的最佳工艺条件为:复合酶添加量0.15%、酶解时间119 min、复合酶比例3∶1、酶解温度42 ℃。在此条件下,南果梨实际出汁率和可溶性固形物含量分别为78.15%和8.92%,分别比未加酶提高了12.54%和1.47%;经酶处理与未经酶处理比较表明,南果梨汁相关理化指标变化显著(p<0.05)。

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Optimization technology of composite enzyme hydrolysis of Nanguo pear juice by response surface methodology

LIU Su-su,LV Chang-xin*,LI Meng-meng,XIN Wei-ping,SHI Chao,WANG Xiao-hui,LU Yu,LI Jian-rong*

(College of Food Science and Technology,Bohai University,Food Safety Key Lab of Liaoning Province,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Jinzhou 121013,China)

Nanguo pear was used as raw material,the optimal technical process of complex enzyme extracting juice was researched. The effect of composite enzyme dosage,enzyme proportion,enzymolysis time and enzymolysis temperature on Nanguo pear juice yield and soluble solids content were studied respectively by single factor experiment. Based on the above results,in order to improve Nanguo pear juice yield and soluble solids content,complex enzyme enzymolysis processing parameters were optimized by Box-Behnken design method. The results showed that the optimal parameters were as follows:0.15%,119 min,3∶1,42 ℃ for composite enzyme dosage,enzymolysis time,enzyme proportion,enzymolysis temperature,respectively. Under the condition,the juice yield was 78.15% with the relative error of 0.93% which was consistent with the prediction value 77.42% from response surface fitting equation with the relative error of 0.93%. Compared to the group without enzyme treatment,the juice yield and the soluble solid content were increased by 12.92% and 1.72%,respectively. From the test result,we got that related physical and chemical indicators such as juice yield and the soluble solids content could significantly increase after compound enzyme enzymolysis.

pectinase;cellulase;Nanguo pear;juice yield;response surface methodology

2015-07-09

刘苏苏(1991-), 女，硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏，E-mail：liususu1129@163.com。

吕长鑫(1964-), 男，硕士，教授，主要从事农产品贮藏加工与食品资源开发等方面研究，E-mail：lvchangxin6666@163.com。

励建荣(1964-),男,博士,教授，主要从事水产品和果蔬贮藏加工及质量安全研究，E-mail：lijr6491@163.com。

辽宁省科技厅农业攻关计划项目(2011205001)；辽宁省食品安全重点实验室暨辽宁省高校重大科技平台开放课题项目(LNSAKF2011028)。

TS255.4

B

1002-0306(2016)03-0240-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.042