响应面法优化百香果的酶解工艺

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(1.贺州学院食品科学与工程技术研究院,广西贺州 542899; 2.贺州学院食品与生物工程学院,广西贺州542899)

响应面法优化百香果的酶解工艺

康超1,2,杨玉霞2,刘俐俐2,谢有强2,伍淑婕1,2,段振华1,2

(1.贺州学院食品科学与工程技术研究院,广西贺州 542899; 2.贺州学院食品与生物工程学院,广西贺州542899)

以百香果为原料，响应面法优化果胶酶、纤维素酶酶解百香果全果的最佳酶解工艺。单因素实验研究料液比、pH、酶解时间、酶解温度、酶添加量对百香果出汁率的影响，利用Box-Behnken设计实验响应面法优化三个因素对酶解全果百香果果汁工艺。响应面法优化结果表明，百香果酶解最佳工艺参数为温度38.8 ℃，果胶酶添加量0.06‰，纤维素酶添加量0.09‰，在此条件下酶解百香果全果果汁60 min，出汁率为94.21%，和理论值94.237%模拟较好。本研究建立百香果酶解工艺二次线性回归模型准确有效，优化百香果酶解工艺参数是可行的，有一定的实用价值，可为百香果果汁、果酒及果醋等进一步研究提供理论依据。

百香果,酶解工艺,出汁率,响应面法

百香果(passifloraceae),学名西番莲,又称巴西果、鸡蛋果,是西番莲科多年生木质藤本植物果实的通称,因其香气浓郁,可散发出菠萝、香蕉等多种水果香味,故得名百香果[1-2]。它是世界上已知最香的水果之一,被国内外誉为“果汁之王”[3-4]。研究表明,百香果富含天然活性成分类黄酮是减除烦躁和缓减压力的基本元素,能生津止渴,提神醒脑,食用后能增进食欲,促进消化腺分泌,有助消化。果实中含有多种维生素,能降低血脂,防治动脉硬化,降低血压,其果汁需求量在国际市场上呈供不应求的趋势[5-7]。

百香果细胞壁是由果胶、纤维素、半纤维素等物质组成的网状结构,其阻止细胞内容物流出,使百香果打浆后的果浆粘稠,果渣含量高,出汁率低,生产效率低[8-9]。目前百香果酶解工艺研究中多以单一的果胶酶酶解工艺优化为主,然而,仅使用果胶酶无法彻底水解细胞壁的网状结构,为进一步提高出汁率,彻底水解果胶、纤维素等物质,采用混合酶是关键[10-11],杨峰、张佳艳等发现采用酶解技术可以降低百香果鲜榨果汁不溶性固形物含量,提高西番莲果渣的出汁率[12-13];黄国清等[14]采用正交实验得到果胶酶提高西番莲出汁率的酶解工艺:果胶酶0.25%,温度45 ℃,时间2.5 h;MugwizaTelesphore[15]利用果胶酶与淀粉酶提高西番莲出汁率。目前,常规方法制备的百香果果汁普遍存在出汁率低、浑浊的缺点,即使采用酶解工艺,也是果皮与果汁分离后再混合进行酶解,不仅工艺繁琐,费时费力,酶解效果不能达到最佳,且饮用时口感黏滞,不够清爽,直接影响了果汁的品质和外观。因此,本研究以百香果全果为原料,采用双酶解技术及响应面法优化百香果果汁的酶解工艺,旨在为我国及省市百香果资源的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜百香果 贺州本地市售紫果种;白砂糖 市售;氢氧化钠、柠檬酸等 均为食品级;果胶酶、纤维素酶 诺维信生物技术有限公司(果胶酶10000 u/g,纤维素酶100 FBG/g)。

HU-600WN多功能榨汁机 韩国Hurom;ZQZY-VC恒温振荡培养箱 上海知楚分析仪器制造有限公司;BSA124S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;HH-8数显恒温水浴锅 江苏金坛市环宇科学仪器厂。

1.2实验方法

挑选清洗:选择颜色均匀、大小差异不大的新鲜百香果。流动水冲洗,将表面泥沙、虫卵、微生物、农药残留等杂质洗净;将清洗好的鲜果称量,切块,置于打浆机中,按照预实验结果,综合考虑可溶性固形物、果汁含量、口感等因素,确定料液比为1∶3加水混合打浆1 min左右,得百香果浆;酶解:取100 g浆汁置于250 mL三角瓶中,酶制剂加入后要搅拌均匀,并用保鲜膜封口,分别进行单因素及响应面实验;过滤:使用抽滤装置进行过滤,得到百香果汁及滤渣,称量计算出汁率,每次实验平行测定3次。

1.2.2 酶解技术对百香果出汁率的影响

1.2.2.1 单一果胶酶添加量对百香果出汁率的影响 设定果胶酶添加量分别为0、0.02‰、0.03‰、0.04‰、0.05‰、0.06‰,料液比1∶3,酶解时间60 min,酶解温度40 ℃进行实验,测定百香果出汁率,以确定最适果胶酶添加量。

1.2.2.2 单一纤维素酶添加量对百香果出汁率的影响 设定纤维素酶添加量分别为0、0.05‰、0.06‰、0.07‰、0.08‰、0.09‰,料液比1∶3,酶解时间60 min,酶解温度40 ℃进行实验,测定百香果出汁率,以确定最优纤维素酶添加量。

1.2.2.3 酶解时间对百香果出汁率的影响 设定酶解时间分别为15、30、45、60、75 min,果胶酶添加量为0.05‰(或纤维素酶0.08‰),料液比1∶3,酶解温度40 ℃进行实验,测定百香果出汁率,考察酶解时间对百香果出汁率的影响。

1.2.2.4 酶解温度对百香果出汁率的影响 设定酶解温度分别为30、35、40、45、50、55 ℃,料液比1∶3,酶解时间60 min,果胶酶添加量为0.05‰(或纤维素酶0.08‰),测定百香果出汁率,考察温度对百香果出汁率的影响。

1.2.2.5 pH对百香果出汁率的影响 设定pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0,酶解时间60 min,料液比1∶3,果胶酶添加量为0.05‰(或纤维素酶0.08‰),测定百香果出汁率,考察pH对百香果出汁率的影响。

1.2.2.6 酶解工艺的响应面实验优化 综合单因素实验结果,以果胶酶添加量、纤维素酶添加量、酶解温度3 个因素为自变量,以出汁率为响应值设计实验,根据Box-Behnken实验设计原理,在单因素实验的基础上,采用3因素3水平的响应面分析方法,实验因素与水平设计见表1。

二是由评价实践主体具备的“技巧、技能”等处在的状态、水平发展成为对实践主体及事物所处状态、层次的评价。如《天问》：“穆王巧挴，夫何为周流。”洪兴祖补注：“巧挴，言巧于贪求也。”[15]由此，“巧”有了“擅长、善于”义。

表1 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and levels table of response surface analysis

1.2.3 出汁率的计算 将酶解后的百香果浆至于最后获得滤汁。每次实验取汁操作相同,按式(1)计算出汁率:

出汁率(%)=m1/m2×100

式(1)

式中:m1为百香果汁质量,g;m2为百香果原料质量,g。

1.3数据统计分析

所有数据均为3 次重复实验的平均值,并表示为平均值±标准差,单因素实验数据运用Origin 9.0软件绘制趋势曲线图;响应面实验采用Design-Expert 8.0.6 软件进行方差分析,以显著性为研究指标(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1单因素酶解工艺确定

2.1.1 果胶酶添加量对百香果出汁率的影响 不同果胶酶添加量对百香果出汁率的影响见图1,添加果胶酶可以提高百香果出汁率,并且随着酶添加量的增加(0.04‰～0.06‰),出汁率增大速度变得缓慢,综合考虑,后期优化实验选择果胶酶添加量0.04‰～0.06‰作为响应面实验水平。

图1 果胶酶添加量对出汁率的影响Fig.1 Effect of pectinase in different dosage on the yield of passifloraceae juice

2.1.2 纤维素酶添加量对百香果出汁率的影响 纤维素酶添加量对百香果出汁率的影响见图2,添加纤维素可以提高百香果出汁率,并且随着酶添加量的增加(0.07‰～0.09‰),出汁率增加不大,综合考虑,后期优化实验选择纤维素酶添加量为0.07‰～0.09‰。

图2 纤维素酶添加量对出汁率的影响Fig.2 Effect of cellulase in different dosage on the yield of passifloraceae juice

2.1.3 酶解时间对百香果出汁率的影响 由图3可知,百香果出汁率随酶解时间延长而提高,当酶解0～45 min区间内出汁率增加迅速,差异较显著,45 min后增加速率相对放缓,酶解至60 min以后出汁率基本不再变化。

图3 酶解时间对出汁率的影响Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the yield of passifloraceae juice

2.1.4 酶解温度对百香果出汁率的影响 由图4可知,35～45 ℃温度区间内,百香果出汁率均较30 ℃有所提高,出汁率随着温度升高呈先增加后减小的趋势,酶解温度在35～45 ℃时,出汁率相对较高,因此,最佳酶解温度应在40 ℃附近。

图4 酶解温度对出汁率的影响Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on the yield of passifloraceae juice

2.1.5 pH对百香果出汁率的影响 实验表明,pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,酶解时间60 min、果胶酶添加量0.05‰(或纤维素酶0.08‰),百香果出汁率变化均不大(见图5),分析原因可能是所用商品酶果胶酶和纤维素酶的pH均在pH3.0～7.0范围内,故pH不作为后续优化因素。

图5 pH对出汁率的影响Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis pH on the yield of passifloraceae juice

2.2百香果酶解工艺响应面实验优化

2.2.1 响应面优化模型建立分析 应用Box-Behnken对百香果酶解工艺进行响应面分析实验,用Design-Expert V8.0.6软件对响应面实验结果(表2)进行回归分析,以酶解后百香果出汁率(%)为Y值(响应值),获得出汁率对果胶酶添加量、纤维素酶添加量和酶解温度3个因素的二次多项回归模型:

出汁率(%)=92.38+0.80A+0.27B+0.086C+0.25AB+0.10AC-0.44BC+0.44A2+0.054B2-0.014C2。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

表3 响应面二次回归方程模型方差分析结果Table 3 ANOVA results of quadratic regression model for response surface

图6 果胶酶添加量与纤维素酶添加量 交互影响出汁率的响应面图Fig.6 Response surface and contour of effects of pectinase and cellulase in different dosage amount on the yield of passifloraceae juice

图7 果胶酶添加量与酶解温度交互影响出汁率的响应面图Fig.7 Response surface and contour of effects pectinase in different dosage and temperature amount on the yield of passifloraceae juice

图8 纤维素酶添加量与酶解温度交互影响出汁率的响应面图Fig.8 Response surface and contour of effects cellulase in different dosage and temperature amount on the yield of passifloraceae juice

注：*表示差异显著(p<0.05),**表示差异极显著(p<0.01)。

2.2.2 响应面结果分析与优化 根据回归方程做响应面图及其等高线图,考察所拟合的响应面的形状,分析果胶酶添加量、纤维素酶添加量及酶解温度对出汁率的影响,相应的响应面见图6～图8。由图可知,该结果与之前的单因素实验结果一致,并且单因素值增加,响应值随之增加,但是当响应值达到某一程度后,会出现下降趋势。综合表3与图6～图8,并进行二次多项回归模型线性拟合后可知,百香果酶解工艺的最佳条件是:果胶酶添加量0.06‰,纤维素酶添加量0.09‰,酶解温度38.75 ℃,在此工艺条件下,百香果出汁率的理论值为94.237%。为验证响应面实验法获得结果的可信度,根据工艺(果胶酶添加量0.06‰,纤维素酶添加量0.09‰,酶解温度38.8 ℃)进行实验,重复3次,平均出汁率为94.21%,所得实验值与理论值相对误差小,说明经响应面分析方法优化获得的工艺参数是可信的,具有较好的实用价值。

3 结论与讨论

[1]陈孝英.台湾新兴作物——百香果[J].台湾农业情况,1985(3):18-20.

[2]果汁之王——百香果[J].农村百事通,2005(1):40.

[3]刘坤,刘炳仁.“果汁之王”——百香果[J].科学种养,2007(9):53.

[4]紫星百香果——果汁之王[J].农业新技术,2004(4):32.

[5]霍丹群,蒋兰,马璐璐,等.百香果功能研究及其开发进展[J].食品工业科技,2012(19):391-395.

[6]张爱玉.西番莲果汁加工及其原汁含量检测方法的研究[D].长沙:湖南农业大学,2005.

[7]赵玲艳,李罗明,蒋立文,等.西番莲饮料的加工工艺研究[J].中国食物与营养,2013,19(5):53-57.

[8]黄国清,肖仔君,梁小颖,等. 西番莲果汁加工工艺研究[J]. 食品科学,2006,27(8):187-190.

[9]张佳艳,任仙娥. 西番莲果汁的研究进展[J]. 食品研究与开发,2016(11):219-224.

[10]秦星,张华方,张伟,等.酶制剂在果汁生产中的应用研究进展[J].中国农业科技导报,2013,15(5):39-45.

[11]李莉萍.西番莲综合开发利用研究进展[J].安徽农业科学,2012,40(28):13840-13843,13846.

[12]杨锋,黄永春,何仁,等.酶处理对降低百香果鲜榨汁中不溶性固形物含量的影响[J].食品科技,2008(4):42-45.

[13]张佳艳,林欢,秦战军. 西番莲果渣酶解工艺的研究[J].食品研究与开发,2016(19):95-99.

[14]黄国清,肖仔君,梁小颖,等.西番莲果汁加工工艺研究[J].食品科学,2006,27(8):187-190.

[15]Mugwiza Telesphore.利用酶与亲水胶体制备混浊西番莲汁的配料及其稳定性的研究[D]. 无锡:江南大学,2010.

Optimizationofenzymolysistechnologyofpassifloraceaebyresponsesurfacemethodology

KANGChao1,2,YANGYu-xia2,LIULi-li2,XIEYou-qiang2,WUShu-Jie1,2,DUANZhen-hua1,2

(1.Research Institute of Food Science & Engineering Technology,Hezhou University,Hezhou 542899,China; 2.College of Food and Biological Engineering,Hezhou University,Hezhou 542899,China)

Passifloraceae was utilized as raw material to brew fruit juice via enzymatic hydrolysis of passifloraceae with pectinase and cellulose by response surface methodology(RSM). The one-factor-at-a-time method was adopted to investigate the effect of the ratio of material,cellulase to pectinase ratio,pH,hydrolysis temperature and time on juice yield. The interactions of the three independent variables were analyzed using Box-Behnken design and response surface analysis. The optimal hydrolysis conditions for producing passifloraceae juice were found to be enzymatic hydrolysis with a mixture of pectinase(0.06‰)and cellulose(0.09‰)for 60 min at 38.8 ℃. Under these conditions,juice yield of 94.21% was agreeing with the predicted value(94.237%).Response surface methodology to optimize enzymatic hydrolysis of passifloraceae with pectinase and cellulase for increasing juice yield was viable,which would provide the theoretical basis for the further research of passifloraceae juice,wine and vinegar.

passifloraceae;enzymolysis technology;juice yield;response surface methodology

2017-05-08

康超(1985-)，女，博士，讲师，研究方向：酶工程与发酵工程，E-mail:kangchao8529@163.com。

国家自然科学基金(21365011)；广西特色果蔬深加工与保鲜技术研究(YS201601) ；贺州学院博士启动基金(HZUBS201515)；广西特聘专家专项经费(厅发[2016]21号)；广西大学生创新创业项目(201711838021)。

TS255

B

1002-0306(2017)21-0157-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.032