芋头清汁饮料生产工艺的研究

曹晟，黄雪，邓天祥，何莉萍

（武昌工学院食品工程学院，湖北武汉430065）

芋头清汁饮料生产工艺的研究

曹晟，黄雪，邓天祥，何莉萍*

（武昌工学院食品工程学院，湖北武汉430065）

为了有效利用芋头原料，提高其附加值，研究芋头清汁饮料生产工艺。采用高温淀粉酶水解芋头淀粉，先以单因素试验确定酶解参数，再利用响应面设计，确定芋头淀粉水解的优化工艺：水解温度83℃，水解时间60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL/100 g。确定芋头汁饮料均质工艺：第1段15 MPa，第2段20 MPa；灭菌条件：135℃，5 s。采用多种稳定剂研究芋头汁饮料稳定性，确定稳定剂为：羧甲基纤维素钠用量为0.20%。

芋头；清汁；工艺

Abstract：In order to make better use of raw taro and provide added value，the production process of taro juice beverage isoptimized as follows：First，use several single-factor experiments to determine the parameters of the taro starch hydrolysis with thermostable amylase.After response surface analysis design，the parameters of taro starch hydrolysis were：Hydrolysis temperature of 83 ℃，hydrolysis time 60 min，pH 6.50，enzyme concentration 1.3 mL/100 g；The parameters of taro juice beverage homogenization were：PhaseⅠ15 MPa，PhaseⅡ20 MPa；sterilization conditions：135℃，5 s.Also，a variety of stabilizers were tried in experiments，and the best choice was：CMC-Na 0.20%.

Key words：taro；clear juice；processing technology

芋头（Colocasiaesculenta（L.）Schott）别名芋魁，俗称芋艿，属天南星科草本植物。芋头营养丰富，其块茎兼具主食和蔬菜的特点，可食用也可药用，有宽肠胃、补脾胃、降血压、降脂、消痨散结等功效。我国芋头资源十分丰富，但其开发的程度远远不如其他的含淀粉较高的食物。芋头块茎中含水量高，在储存过程中易被微生物污染导致腐烂，造成极大的资源浪费，因此对芋头进行深加工十分必要[1]。近年来，随着我国农业的发展，育种技术的提高，我国芋头的年产量也再逐步上升，这为芋头的精深加工打下牢固的基础。目前，国内有关芋头的深加工不足，大部分加工不适合工业化生产。本研究以芋头为原料，研究芋头清汁的生产工艺，以期能够有效推动芋头产业的多样性发展，提高芋头的资源利用率和经济附加值[2]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

芋头（湖北武汉）：购于白沙洲大市场；白砂糖、柠檬酸、柠檬酸钠、D-异抗坏血酸钠、卡拉胶、羧甲基纤维素钠均为食品级；高温淀粉酶（酶活20 000 u/g）：安琪酵母有限公司；葡萄糖标准品：合肥博美生物科技有限责任公司；ONS试剂：武昌工学院食品工程学院实验室自配。

1.1.2 仪器

电热恒温水浴锅：力辰科技有限公司；722型分光光度计：上海仪电科学仪器股份有限公司；分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；高速万能试样粉碎机；超声波清洗器、高压均质机、MLS-3751L高压灭菌锅：日本松下集团；超高温瞬时灭菌机：恒温磁力搅拌器。

1.2 试验方法

1.2.1 芋头清汁饮料制备工艺流程

1.2.2 高温淀粉酶水解芋头淀粉工艺优化

1.2.2.1 酶法水解芋头淀粉单因素试验设计

芋头清洗，去皮，切块，称取20 g，按料液比1∶5（g/mL）加水，用组织捣碎机破碎，放在恒温磁力搅拌器上80℃条件下糊化10 min。调pH值，放置于不同温度，加入高温淀粉酶进行水解，分别测定还原糖含量。

1.2.2.2 酶法水解芋头淀粉响应面试验设计

酶法水解芋头淀粉响应面试验设计见1。

表1 二次回归旋转组合设计因素水平Table 1 Factors and levels of quadratic regression rotation combination design

1.2.3 芋头还原糖含量的测定

DNS法测定芋头还原糖含量[3]。以葡萄糖值（DE值，%）表示水解度。

1.2.4 葡萄糖标准曲线的绘制

取6支刻度为25 mL的试管并编号0～5，分别在试管中加入1 mg/mL的葡萄糖标准液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，用蒸馏水补至2 mL，在每个试管中加入1.5 mLDNS试剂，沸水浴5 mim，冷却至室温，用蒸馏水定容至25 mL，混合均匀。0号试管作为空白对照，测定OD540nm，记录数据并绘制葡萄糖标准曲线见图1。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Standard curve of glucose

1.2.5 芋头清汁饮料感官评价标准

芋头清汁饮料感官评价标准见表2。

表2 芋头清汁饮料感官评价标准Table 2 Standards fortaro juice beverage sensory evaluation

1.2.6 芋头清汁饮料稳定性的研究

选用1.2.2.2试验所得到的最优工艺参数即：温度 83 ℃，水解时间 60 min，pH 6.50，加酶量 1.3 mL，分别添加一定量卡拉胶和羧甲基纤维素钠，通过感官品评确定各稳定剂的适宜用量。

1.2.7 均质条件对芋头清汁饮料感官品质的影响

选用1.2.6试验所得到的最优工艺参数分别采用两段式加压方法进行均质。①第1段10 MPa，第2段15 MPa；②第 1段 15 MPa，第 2段 20 MPa；③第 1段20 MPa，第2段25 MPa；通过感官品评确定芋头汁饮料最佳均质工艺。

1.2.8 杀菌条件对芋头清汁饮料感官品质的影响

按响应面设计最佳工艺，均质加压方式为第1段15 MPa，第2段20 MPa后，分别采用不同杀菌方法进行灭菌。①巴氏灭菌，80℃，30 min；②超高温瞬时灭菌，135℃，5 s；③高温灭菌，100℃，10 min；通过感官品评确定芋头汁最佳工艺。

2 结果与分析

2.1 高温淀粉酶法水解芋头淀粉单因素试验

2.1.1 水解温度对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响

水解温度对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响见图2。

图2 水解温度对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on hydrolysis of taro starch

采用耐高温淀粉酶的目的在于，在较高的温度水解，防止微生物的污染。随温度的升高，水解程度不断提高，当温度达到85℃，达到最高点。之后，温度越高，水解程度开始下降，且下降幅度较大。这可能是由于温度升高，分子运动加快，酶分子与底物接触面积大大增加，水解程度加快，但当温度过高时，淀粉酶发生变性，导致水解程度大大下降。因此，选择水解温度为85℃。

2.1.2 pH值对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响

pH值对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响见图3。

图3 pH值对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响Fig.3 Effect of pH on hydrolysis of taro starch

由图3所示，当pH值为6.5时，芋头淀粉的水解度最大；当pH值大于6.5时，随着pH值的升高，芋头淀粉的水解度逐渐下降。这说明，该淀粉酶在pH值过高或者过低时，均会改变酶的活性中心构象，导致酶的变性失活。因此，选择，该淀粉酶水解芋头淀粉的最适pH值为6.5。

2.1.3 加酶量对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响

加酶量对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响见图4。

图4 加酶量对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响Fig.4 Effect of enzyme addition on hydrolysis of taro starch

如图4可知，随着酶量的增加，水解度越高，但加酶量达到1.2 mL时，其水解度与加酶量在1.4 mL的水解度相差不大。考虑到成本问题，选择加酶量为1.2 mL。

2.1.4 水解时间对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响

水解时间对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响见图5。

图5 水解时间对高温淀粉酶水解芋头淀粉的影响Fig.5 Effect of hydrolysis time on the hydrolysis of taro starch

由图5可知，水解时间越长，芋头水解程度越高，前60 min内，芋头淀粉的水解程度迅速增加，60 min之后，水解度上升缓慢，并趋向稳定。因此，选择水解时间为60 min。

2.2 酶法水解芋头淀粉响应面试验

试验设计及结果见表4。

表4 试验设计及结果Table 4 Experiment design and results

续表4 试验设计及结果Continue table 4 Experiment design and results

表5 试验回归分析结果Table 5 Variance analysis of test results

通过Design-Expert 8.0软件进行相应面回归分析，R2=0.931 9，回归模型的失拟性检验，差异不显著，可认为所选模型与实际试验拟合性充分，得到如下多元二次相应面回归模型：Y=40.94-1.19A+0.92B+0.43C+1.41D-0.34AB-0.12AC-0.75AD-0.045BC-0.81BD+0.10CD-2.42A2-1.72B2-3.31C2-0.38D2

由表5所示，回归方程显著性检验P＜0.001，表明该模型差异极显著。在所取因素水平范围内，对酶解芋头淀粉影响的顺序为：加酶量＞水解温度＞水解时间＞pH值。

图6为通过Box-Behnken试验得到的多元二次回归模型所作的相应面图。

在其他试验因素固定不变的条件下，考察4个因素两两交互后对酶法水解淀粉的影响。相应面坡度越陡峭，表明响应值对于各条件的改变越敏感，该因素对酶法水解淀粉的影响越大；反之则小。得到水解芋头淀粉最佳参数为：水解温度83.45℃，水解时间61 min，pH 6.52，加酶量 1.304 mL，DE 值为 41.630 7。考虑到实际操作情况，将水解温度修正为83℃，水解时间60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL。根据最优参数条件，进行3次验证性试验，得到DE值为40.05。

图6 各因素交互作用对酶法水解淀粉的影响Fig.6 Effect of interaction of factors on enzymatic hydrolysis of starch

2.3 芋头清汁饮料稳定性的研究

未加入稳定剂的芋头汁饮料在储存过程中，其澄清度快速下降，这主要是由于芋头汁仍然有一定含量的大分子的糖类存在。为使芋头汁饮料的感官品质更佳，考虑加入稳定剂来保证芋头清汁透明无沉淀。选择常用于饮料的稳定剂黄原胶、魔芋胶、瓜儿豆胶、羧甲基纤维素钠和卡拉胶为研究对象。为保证饮料的澄清度及透明度高，则需要加入羧甲基纤维素钠和卡拉胶这透明度高的稳定剂，通过适当提高其用量及复配实验进行测试。加入不同稳定剂经121℃15 min处理后的芋头汁感官品质评分见图7。

图7 加入不同稳定剂经121℃15 min处理后的芋头汁感官品质评分Fig.7 Sensory evaluation of taro juice with different stabilizers after 121℃15 min treatment

由图7可知，将更高用量的卡拉胶和羧甲基纤维素钠加入芋头汁后，芋头汁的稳定性大大提高。加入卡拉胶的芋头汁，在较高温度条件下，其澄清度较好，但芋头汁冷却后，卡拉胶含量越高的，其透明度越差，且仍有少量沉淀。将卡拉胶和羧甲基纤维素钠复配使用的复合稳定剂，随卡拉胶的量越低，其澄清度越高。仅加入羧甲基纤维素钠的芋头汁透明，感官品质评分均较高，在温度较高时，均未出现沉淀。

当芋头汁冷却后并放置一周后，羧甲基纤维素钠添加量为0.1%的芋头汁，出现极少量沉淀，而含量为0.15%和0.2%的芋头汁，仍透明无沉淀。经加速试验60℃、5 d处理后，仅有羧甲基纤维素钠含量为0.2%的芋头汁，仍透明无沉淀。经综合考虑，选择芋头汁的稳定剂羧甲基纤维素钠用量为0.2%。

2.4 均质条件对芋头清汁饮料感官品质的影响

均质条件对芋头清汁饮料感官品质的影响见图8。

图8 均质条件对芋头汁饮料感官品质的影响Fig.8 Effect of homogenizing conditions on sensory evaluation of taro juice beverage

由图8可知，均质压力越高，芋头汁感官品质越好，即在压力作用下，所添加的辅料粒度变细，分布越均匀，稳定性越好。但压力太高，对均质机的要求较高，因此选择均质压力为第1段15 MPa，第2段20 MPa。

2.5 杀菌条件对芋头汁饮料感官品质的影响

杀菌条件对芋头汁饮料感官品质的影响见图9。

图9 杀菌条件对芋头汁饮料感官品质的影响Fig.9 Effect of sterilization conditions on sensory evaluation of l taro juice beverage

由图9可知，采用高温灭菌时，芋头汁饮料发生少量凝聚沉淀，芋头汁感官品质下降。采用超高温瞬时灭菌时，芋头汁品质基本没发生变化。在试验中，采取常用的灭菌条件135℃，2 s时，芋头饮料在储存的过程中，微生物繁殖较快，货架期较短，因此，提高了灭菌的时间，但时间太长，芋头饮料发生褐变，颜色变化较大，因此，选择芋头汁饮料的杀菌采用超高温瞬时灭菌，即 135℃，5 s。

3 结论

3.1 芋头清汁饮料加工工艺

采用高温淀粉酶水解芋头淀粉，确定芋头淀粉水解的最优工艺：水解温度83℃，水解时间60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL。均质工艺：第1段10 MPa，第2段15 MPa；灭菌条件：135 ℃，2 s。

3.2 试验中发现的有待解决的问题

在试验过程中，特别是在酶解搅拌的过程中，饮料产生了较多气泡，并且无法采用常用于饮料中的消泡剂如吐温等去除，因此，未来的试验中，需要再寻找可行的消泡剂。另外，采用超高温瞬时灭菌虽然能保证饮料的品质，但是其贮藏期不佳，容易被产气菌污染，需要考虑加入防腐剂或者采用其他的灭菌方法。

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Research on the Processing Technology of Taro Clear Juice Beverage

CAO Sheng，HUANG Xue，DENG Tian-xiang，HE Li-ping*
（College of Food Engineering，Wuchang Institute of Technology，Wuhan 430065，Hubei，China）

2017-04-24

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.020

曹晟（1994—），男（汉），本科，研究方向：食品加工技术。

*通信简介：何莉萍（1983—），女（汉），讲师，硕士，研究方向：食品加工技术。