响应面法优选果坯复配低硫护色保藏剂

王　菲,黄　月,黄　苇,*

(1.广州市轻工职业学校,广东广州 510640;2.华南农业大学食品学院,广东广州 510642)



响应面法优选果坯复配低硫护色保藏剂

王菲1,黄月2,黄苇2,*

(1.广州市轻工职业学校,广东广州 510640;2.华南农业大学食品学院,广东广州 510642)

为了解决果坯保藏期间硫用量过高,容易导致产品中残硫超标的问题,本文采用响应面优化法研究了抗坏血酸(又称维生素C,简称VC)、L-半胱氨酸(L-Cys)、焦亚硫酸钠(简称焦亚,分子式Na2S2O5)、柠檬酸(citric acid,简称CA)、柠檬酸亚锡二钠(DSC)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)及其优选因素的复配保藏液对苹果果坯褐变的抑制效果,并在李子果坯中验证。结果表明:各护色剂都能不同程度地抑制褐变,L-Cys、Na2S2O5、VC对褐变的抑制效果较佳;L-Cys与Na2S2O5间交互作用明显,存在护色增效作用,Na2S2O55.00 g/L,VC2.55 g/L和L-Cys 0.40 g/L复配保藏液的护色效果与果坯生产常用量Na2S2O520.00 g/L的护色效果相当,显著减少了Na2S2O5的用量,降低了成品中残硫超标的风险。

凉果,褐变,低硫

凉果蜜饯是我国传统特色风味食品之一,在食品市场中占有重要地位。为保证凉果周年生产,需要对鲜果原料进行盐渍、护色等预处理加工成果坯,以果坯半成品的形式保藏起来,留待后续成品加工使用。果坯的保藏目前普遍采用硫藏方法,该方法成本低廉,且具有防腐能力强、漂白、防褐变的作用,而国家标准仅对成品而未对半成品果坯中二氧化硫残留进行限制。由此带来的问题是:为确保保藏效果,果坯生产中往往加入过量的亚硫酸盐,制作成品前若脱硫不足,会导致成品中的二氧化硫残留超标[1]。

凉果蜜饯中二氧化硫残留量超标是当前困扰凉果生产的关键问题之一。果坯的低硫保藏是解决该问题的重要途径。目前对鲜切果蔬[2-6]及果酒[7-9]的低硫保藏已有研究,例如李冬梅研究了不同褐变抑制剂的对鲜切苹果在4 ℃贮藏12 d期间褐变的影响[2],卢影以苹果、梨子为试材通过研究不同护色保鲜剂对鲜切果片的保鲜效果并得到了一种低硫复合护色保鲜液结合壳聚糖涂膜处理的新型鲜切果蔬保鲜技术[4],Lee C研究了气调包转技术与不同护色剂对加工土豆的护色效果[5],石启龙研究了低温气流膨化技术生产脱水苹果的无硫技术[6],郭安鹊[7]、Fulcrand[8]等研究了葡萄酒的褐变机理并通过复配EDTA降低了硫的用量。但是果坯的相关研究还鲜见报道[10]。因此,果坯的低硫保藏研究具有重要意义。

本文主要通过研究抗坏血酸(又称维生素C,简称VC)、L-半胱氨酸(L-Cys)、柠檬酸(citric acid,简称CA)、柠檬酸亚锡二钠(DSC)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)、焦亚硫酸钠(简称焦亚,分子式Na2S2O5)护色效果,筛选出护色效果较好的几种因素进行响应面复配实验,然后将优选出的复配保藏液进行应用验证。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

CR-410彩色色差仪日本柯尼卡美能达;LRH-250型生化培养箱广东省医疗器械厂;DS-1高速组织捣碎机上海标本模型厂。

1.2实验方法

1.2.1样品处理为了加速实验并消除样品间的个体差异,采用果坯进行打浆处理来进行保藏液的优选研究:苹果去皮、去核后切成约2 mm的薄片,经2%氯化钙硬化12 h后沥干水,然后以质量比计,按照果块∶保藏液∶食盐=1.0∶1.0∶0.5比例混匀腌制果坯,24 h后10000 r/min高速匀浆1 min,分装密封,定期取样测定果坯浆的L值并计算褐变率,以筛选配方。

1.2.2实验设计考虑到原材料的季节性和个体差异性,本文的单因素实验和响应面实验采用苹果果坯匀浆的方法进行研究;考虑到实验验证周期和生产的需要,本文验证实验采取50 ℃加速破坏实验,同时选用了苹果果坯和凉果常用原料李子果坯进行验证。

1.2.2.1单因素实验设计分别配制浓度为0.00 g/L(空白对照,CK)、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00 g/L的VC、L-Cys、CA、DSC、EDTA-2Na、Na2S2O5保藏液,按照1.2.1的方法进行样品处理,定期测定L值并计算褐变率。

有研究证实乳腺癌组织中基质金属蛋白酶2（MMP‐2）和VEGF的表达较正常乳腺组织增高，癌细胞降解细胞外基质、促进上皮间质化、激活生长因子及受体、促进血管生成、增加血管通透性等能力较强，而这些与肿瘤生长、侵袭及转移密切相关。范盼红等［28］用染料木黄酮处理乳腺癌MDA‐MB‐231细胞，可观察到染料木黄酮能显著降低细胞的体外侵袭和迁移能力，进一步研究结果显示染料木黄酮可能通过抑制MMP‐2和VEGF的表达，降低乳腺癌细胞侵袭和迁移能力。

1.2.2.2响应面实验设计在单因素实验基础上,选择护色效果较优的VC、L-Cys、Na2S2O5三种保藏剂为响应变量,以L值为响应值,做三因素三水平的响应面实验设计。

表1　响应面实验因素水平表

1.2.3测定指标

1.2.3.1L值的测定采用CR-410彩色色差计测定L值:称取30.00 g混合均匀的果坯浆,置于50 mm×30 mm的固定称量皿中,取固定白板作为底色,以白板调零,测定L值,重复测量3次,取平均值。

1.2.3.2褐变率的测定

式中,L0表示果坯浆L值的初始值,Li表示第i天果坯浆的L值。

1.2.4数据处理采用Excel 2007软件进行标准差分析。利用Box-Behnken中心组合实验设计和响应面分析法,借用Design Expert8.0.4软件进行响应面数据处理。

2　结果与分析

2.1单一保藏剂对果坯浆褐变率的影响

2.1.1VC对果坯浆褐变率的影响VC不仅可以降低pH,还能螯合Cu2+,在果蔬护色方面的效果显著[11-12]。VC对果坯浆褐变率影响的结果见图1。

图1　不同浓度VC处理对果坯浆褐变率的影响Fig.1　Effect of different concentration of VC on browning rate of fruit slurry

由图1可知,在CK处理和各浓度VC处理下,果坯浆褐变率均随贮藏时间的延长而增大。贮藏20 d后,各浓度VC处理下的果坯浆褐变率都低于7%,而CK处理下的褐变率却增大至38%,说明VC能有效减缓褐变反应的发生。3.00 g/L的抗褐变效果优于其它浓度,VC浓度过高或过低均不利于护色。这可能是由于VC自身分解导致非酶促褐变造成的[13]。

2.1.2L-Cys对果坯浆褐变率的影响L-Cys不仅能与酚类物质结合成无色物质,还能螯合Cu2+、替代PPO活性位点的组氨酸残基,阻止酚类物质的聚合,是效果非常理想的护色剂[14-15]。L-Cys对果坯浆褐变率的影响见图2。

图2　不同浓度L-Cys处理对果坯浆褐变率的影响Fig.2　Effect of different concentration of L-Cys on browning rate of fruit slurry

由图2可知,各浓度L-Cys处理及对照果坯浆的褐变率均随贮藏时间的延长而增大。贮藏20 d后,各浓度L-Cys处理下的果坯浆褐变率均低于7%,而CK处理下的褐变率增大到38%,表明其能有效减缓褐变反应发生。0.50～5.00 g/L处理间对褐变的抑制效果差异不显著,高浓度10.00 g/L护色能力反而下降。这可能是由于过量的L-Cys导致了缓慢的美拉德反应所致。

2.1.3Na2S2O5对果坯浆褐变率的影响Na2S2O5溶液处理果蔬能起到很好的护色效果[6],但若果坯中过量使用(常用量为20 g/L Na2S2O5,即1 L水溶解20 g Na2S2O5加入1000 g果),漂洗不充分,会导致二氧化硫残留超标的问题。本实验选用较低浓度梯度进行实验,结果见图3。

图3　不同浓度Na2S2O5处理对果坯浆褐变率的影响Fig.3　Effect of different concentration of Na2S2O5 on browning rate of fruit slurry

用Na2S2O5处理后的果坯浆褐变率随贮藏时间的延长呈先下降后上升的趋势,20 d后褐变率均低于CK处理下的果坯浆褐变率,说明Na2S2O5具有漂白和良好的抑制褐变作用。Na2S2O5对果坯浆褐变的抑制能力随其浓度的加大而增强。

2.1.4DSC对果坯浆褐变率的影响DSC是一种毒性较低的新型护色剂,其护色原因是对PPO产生了抑制作用,机理可能是因为DSC螯合了酶中的Cu2+,从而导致其活性丧失[15-16]。如图4所示,各浓度的DSC处理对果坯浆褐变均有抑制效果,但浓度间差异不显著。保藏20 d后,DSC褐变率达8%左右,说明DSC能够抑制褐变,但效果较L-Cys、Na2S2O5、VC差。

图4　不同浓度DSC处理对果坯浆褐变率的影响Fig.4　Effect of different concentration of DSC on browning rate of fruit slurry

2.1.5EDTA-2Na对果坯浆褐变率的影响EDTA-2Na是金属离子螯合剂,能将金属离子螯合转变成不活泼的物质,从而起到抑制氧化和电子传递的作用。在抑制酶促褐变的过程中,EDTA-2Na通过螯合PPO的活性部位的Cu2+而抑制酶的活性[15,17]。如图5所示,EDTA-2Na处理果坯浆对褐变均有抑制效果,各浓度间差异不显著。保藏20 d后,EDTA-2Na处理后的褐变率达到18%左右,说明EDTA-2Na均能够抑制褐变,但抑制效果较L-Cys、Na2S2O5、VC差。

图5　不同浓度EDTA-2Na处理对果坯浆褐变率的影响Fig.5　Effect of different concentration of EDTA-2Na on browning rate of fruit slurry

2.1.6CA对果坯浆褐变率的影响CA可以降低pH,螯合Cu2+,与抗坏血酸有协同护色效果[12,15]。如图6所示,CA处理前期有一定的护色效果,但20 d后,褐变率与对照差异不显著,长期护色效果不佳。

图6　不同浓度CA处理对果坯浆褐变率的影响Fig.6　Effect of different concentration of citric acid on browning rate of fruit slurry

2.2响应面法优化实验设计及配方的优选

2.2.1响应面实验在单因素实验基础上,本实验选取护色效果较优的保藏剂Na2S2O5、VC、L-Cys 3个因素,使用Design-Expert 8.0.4做三因素三水平共17个实验点(共5个中心点)的响应面分析实验,具体实验结果见表2:

表2　响应面法优化实验方案及结果

经回归拟合后,实验因子对响应值的影响可用回归方程表示为:

Y=80.23-1.19X1+0.74X2+2.33X3-0.85X2X3-1.56X1X1

从表3可知,方程的F值为20.22,F>F0.01(9,7)=6.71,说明用上述回归方程描述各因素与响应值之间的关系时,其因变量和全体自变量之间的线性关系显著,即这种实验方法是可靠的。从回归方程各项方差的进一步检验也可看出,X1、X2、X3、X2X3、X12对结果影响显著(p<0.05),因此各具体实验因子对响应值的影响不是简单的线性关系。回归方程各项的方差分析结果还可以看出方程的失拟项很小p=0.0742>0.05,表明该方程对实验拟合情况好,实验误差小,因此可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析和预测。

回归模型预测的保藏液配方为VC用量为2.55 g/L,L-Cys用量为0.40 g/L,Na2S2O5用量为5.00 g/L,其响应值L为82.85。

表3　回归方程各项回归分析

注:*p<0.05,表示显著;**p<0.01,表示极显著。

由图7可以看出,L-Cys和Na2S2O5响应曲面坡度陡峭,交互作用显著。当L-Cys浓度一定时,L值随Na2S2O5浓度的增大而增大。而当Na2S2O5浓度一定时,L值随L-Cys浓度的增大先缓慢增大后变化趋势不明显,在L-Cys浓度为0.20～0.40 g/L时随浓度的增大缓慢增大,在L-Cys浓度为0.40～0.60 g/L时随浓度的增大变化趋势不明显。这可能是由于L-Cys能螯合与SO2结合的醌类物质[13],从而阻止了SO2漂白作用的可逆性[18],同时SO2与醌类物质的可逆结合会达到平衡,所以出现了先缓慢增大后变化不明显的趋势。

图7　Na2S2O5和L-Cys对L值影响的响应值Fig.7　The response value on the L value of Na2S2O5 and L-Cys

2.2.2保藏保藏液配方优选根据优化结果进行验证实验:样品放置20 d后进行色差测定,得到的响应值L为82.93,与理论值误差0.96%,说明该模型能较好的预测褐变度。同时以目前生产常用量20.00 g/L Na2S2O5处理的果坯做对照实验,得到的L值为83.35。经优化保藏液配方处理的果坯L值已接近对照,Na2S2O5用量大幅度减少为目前常规用量的四分之一,减小了成品中二氧化硫残留超标的风险。

2.2.3响应面法优选配方在保藏过程中的应用效果为了加速验证优选保藏液的应用效果,对苹果果坯及李子果坯进行了50 ℃加速褐变的破坏性实验,结果如表4、图8的所示,处理与对照间的差异都不显著,但Na2S2O5的用量却从20.00 g/L降低至5.00 g/L,表明优选的保藏液配方对果坯的褐变依然具有较好的抑制效果,推测该配方常温条件下,在更长的时间内可对果坯起到良好的护色保藏作用。

表4　响应面优选配方与20.00 g/L

图8　响应面优选配方与20.00 g/LNa2S2O5 50 ℃保藏1个月的效果比较Fig.8　Comparison of response surface optimization formulaand the effect of 20.00 g/L Na2S2O5 under 50 ℃ for one moth注:a为苹果果坯,b为李子果坯。

3　结论

为了解决果坯保藏过程中褐变及硫超量使用的问题,低硫保藏保藏剂的应用是有效的解决途径。本文研究表明,各护色剂都能不同程度地抑制褐变。其中,以L-Cys、Na2S2O5、VC对褐变的抑制效果较佳,L-Cys与Na2S2O5间交互作用明显,存在护色增效作用。果坯保藏过程中Na2S2O55.00 g/L、VC2.55 g/L和L-Cys 0.40 g/L的复配保藏液能达到与生产常用量Na2S2O520.00 g/L相当的护色效果,显著减少了Na2S2O5的用量,降低了成品中残硫超标的风险。

[1]王菲,黄月,黄苇.果坯低硫保藏方法的研究[J].农产品加工:创新版(中),2014,15:12-14.

[2]李东梅,高红亮,杨雪霞,等.鲜切苹果保鲜性能研究.食品科技,2009,34(2):40-44.

[3]李慧芸,张宝善.果汁非酶褐变的机制及控制措施.食品研究与开发. 2005,26(6):145-147.

[4]卢影.鲜切果品保鲜技术研究[D].广东:华南理工大学,2010.

[5]Lee C Y,Gunes G. Color of minimally Processed Potatoes as affected by modified AtomospHere Packing and anti—browning agents[J]. J FoodSci,1997(62):572-575,582.

[5]石启龙,张培正.脱水苹果的非硫护色工艺研究[J].食品工业科技,2001,22(2):50-51.

[6]杨春城,古能平,侯文贤.硫处理在果蔬保鲜与加工中的利与弊[J].保鲜与加工,2004(4):37-38.

[7]郭安鹊.葡萄酒氧化褐变的机制及二氧化硫抗氧化替代物的研究[D].西安:西北农林科技大学，2007.

[8]Fulcrand.Phenolic reactions during wine making and aging[J]. American Joural of Enology and Viticulture,2006,57(3):289-297.

[9]I Saguy.Effect of non-enzymatic browning in grapefruit juice thermal and concentration process:kineties and predietion[J]. Joumal of Food Processing and Preservation,1978:175-184.

[10]黄苇,孙远明,余小林,等.蜜李坯中二氧化硫脱除方法的研究[C].农业工程科技创新与建设现代农业——中国农业工程学会学术年会论文集第四分册,2005:149-152.

[11]李胜元,谷向春.抗坏血酸对玫瑰香干白葡萄酒的抗氧化作用[J].酿酒科技,2006(6):65-66.

[12]覃海元,杨昌鹏.柠檬酸和异抗坏血酸钠处理对冷藏鲜切菠萝质量的影响[J].食品工业科技,2006,27(8):155-159.

[13]李西海,梁文娜,刘献祥.中药研究的新模式——美拉德反应[N].中国中医药报,2007年10月29日第007版.

[14]孔维宝,陆健,赵海锋,等.L-半胱氨酸抑制多酚氧化酶的机制研究[J].食品科学,2007,28(11):66-70.

[15]王清章,彭光华,金悠等.莲藕中酚类物质的提取分析及酶促褐变底物的研究[J].分析科学学报,2004,20(1):38-40.

[16]金定樑.柠檬酸亚锡二钠对果蔬及其制品护色的研究[D].无锡:江南大学，2009.

[17]杨贤良. EDTA在果酒饮料中的应用[J].软饮料工业,1997(1):37-38.

[18]周德庆,张双灵,辛胜昌.亚硫酸盐在食品加工中的作用及其应用[J].食品科学,2004,25(12):198-201.

Application of response surface methodology for optimization of preservable fruit with low sulfur

WANG Fei1，HUANG Yue2,HUANG Wei2,*

(1.Guangzhou Industry Technical School,Guangzhou 510640,China;>2.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to decrease the residue content of sulfite of preservable fruit,the color preservation technology of apple were investigated by response surface methodology and verified in plum billet. The effect of VC、L-Cys、Na2S2O5、CA、DSC、EDTA-2Na were researched. The best compound fixative was determined as follows:Na2S2O55.00 g/L,VC2.55 g/L and L-Cys 0.40 g/L. The effect of this compound fixative was equal than sulfur-containing(Na2S2O520.00 g/L). This study provided the theoretical basis and technical support for further development of low sulfur preservable fruit.

the preserved fruit;browning;low sulfur usage

2015-11-30

王菲(1986-),女,硕士,讲师,研究方向:食品加工、包装与保藏,E-mail:123856902@qq.com。

黄苇(1967-),女,教授,研究方向:食品加工、包装与保藏,E-mail:weih007@scau.edu.cn。

国家科技支撑计划课题(2012BAD31B03)。

TS255.36

B

1002-0306(2016)16-0308-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.16.052