红树莓海藻酸钙凝胶硬化工艺优化及其罐头品质分析

纪秀凤,吕长鑫,*,焦天慧,芦 宇,刘 梦,于泳渤,王维民,王贵虹,励建荣,*

(1.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; 2.大连中超食品有限公司,辽宁大连 116400; 3.辽宁新大地实业发展集团有限公司,辽宁沈阳 110168)

红树莓为蔷薇科(Rasaceae)悬钩子属(RubusL.)多年生植物,主要分布于我国、日本、北美和俄罗斯等北半球温带地区[1-2]。红树莓果实富含维生素、鞣化酸、黄酮和原花青素等多种对人体有益的活性物质,具有抗氧化、抗癌、降血糖和降血脂等保健功能,被联合国粮农组织称为“第三代水果”[3-4]。蓝莓和草莓均富含维生素、黄酮、花青素和花色苷等物质[5],具有抗氧化、抗炎症和抗癌等功效[6-10]。红树莓、蓝莓和草莓均属皮薄、肉软、汁多、营养高的小浆果,贮运中易受机械损伤和微生物侵染,导致腐烂变质无法食用[11-12],多被加工成果汁、果酒和果酱等产品,但此类产品加工过程复杂,营养成分损失严重,产生大量废弃果渣,果实利用率低,而浆果罐头的加工弥补了上述产品的不足。红树莓质地柔软,加工中易造成果粒破碎、营养成分外流及罐头汤汁浑浊等现象,影响罐头品质。

海藻酸钠与Ca2+反应可形成高硬度的海藻酸钙凝胶[13]。因此,海藻酸钠与Ca2+分别渗入果粒细胞内部形成海藻酸钙,可提高果粒硬度。如邓永燕[14]利用海藻酸钙凝胶法硬化橘瓣,橘瓣硬度约为硬化前2倍;刘海军等[15]研究发现经海藻酸钙硬化的草莓罐头硬度优于传统工艺。目前,海藻酸钠与氯化钙复合硬化浆果果粒的研究甚少,对红树莓果粒硬度影响的研究还尚未见报道。

实验以红树莓为原料,建立响应面模型优化海藻酸钙凝胶硬化工艺;同时,对硬化处理的红树莓罐头与蓝莓和草莓罐头果粒中的VC、总酚、还原糖、可溶性固形物(Soluble Solids Content,SSC)和总酸等品质进行比较分析,旨在维持红树莓罐头果粒完整的同时,提高鲜果营养成分保留率,为大众提供一种高值健康的水果罐头。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

托乐米红树莓 锦州义县红树莓种植示范基地;蓝丰蓝莓 锦州有机蓝莓采摘基地;红颜草莓 锦州绿色无公害草莓采摘园;海藻酸钠、氯化钙 食品级,市售;乙酸锌、硫酸铜、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠、草酸 分析纯,天津市大茂化学试剂厂;福林-酚试剂 分析纯,天津市光复精细化工研究所。

TA-XT质构仪 美国SMS公司;UV2700紫外分光光度计 日本岛津公司;Centrifuge5804R冷冻离心机 德国Eppendorf艾本德股份公司;DS-1高速组织捣碎机、DHG-9055A真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;WYT手持糖度计 上海沪粤明科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程及操作

操作要点:挑选果粒完整、大小均匀、成熟度相近的红树莓果粒,流水洗除泥沙和农药,于90 ℃的2% NaCl溶液中护色2 min;在硬化剂溶液与果粒体积比1∶1、温度40℃、真空度0.093 MPa条件下硬化红树莓果粒;将上述硬化后的60%果粒、11.2%白砂糖、0.04%柠檬酸、0.4%蜂蜜和28.36%纯净水混合装罐,预留8 mm顶隙,经75 ℃排气5 min,90 ℃杀菌10 min,最终得到成品。

1.2.2 硬化工艺单因素实验

1.2.2.1 海藻酸钠浓度实验 在抽空时间Ⅰ 30 min、氯化钙浓度0.30%和抽空时间Ⅱ 30 min条件下,考察海藻酸钠浓度分别为0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%时,对红树莓果粒硬度及感官评分的影响。

1.2.2.2 抽空时间Ⅰ实验 在海藻酸钠浓度0.8%、氯化钙浓度0.30%和抽空时间Ⅱ 30 min条件下,考察抽空时间Ⅰ分别为10、20、30、40、50 min时,对红树莓果粒硬度及感官评分的影响。

1.2.2.3 氯化钙浓度实验 在海藻酸钠浓度0.8%、抽空时间Ⅰ 30 min和抽空时间Ⅱ 30 min条件下,考察氯化钙浓度分别为0%、0.15%、0.30%、0.45%、0.6%时,对红树莓果粒硬度及感官评分的影响。

1.2.2.4 抽空时间Ⅱ实验 在海藻酸钠浓度0.8%、抽空时间Ⅰ 30 min和氯化钙浓度0.30%条件下,考察抽空时间Ⅱ分别为10、20、30、40、50 min时,对红树莓果粒硬度及感官评分的影响。

1.2.3 红树莓果粒硬度测定 对不同硬化条件下红树莓果粒进行感官评价,并在此基础上选择适宜的因素梯度测定其硬度。

样品处理:经硬化工艺制备的红树莓罐头4℃贮藏24 h后,取大小均匀的红树莓果粒于滤纸上,待吸干表面糖液后测定果粒硬度。

测定条件[16]:质构仪探头型号P/50;测试参数:预压速度1.0 mm/s、测试速度1.5 mm/s、测后速度1.0 mm/s、受压变形60%、两次压缩停顿时间5 s、触发力5 g;各样品平行测定6次,取其平均值。

1.2.4 红树莓果粒感官评价 为确定红树莓果粒硬化的最佳工艺条件,随机选取专业感官评价人员10名,根据表1感官评价标准,对不同硬化条件下红树莓果粒的气味、色泽、滋味、组织状态进行感官评价。

表1 红树莓果粒感官评价标准Table 2 The sensory scoring criteria of red-raspberry grain

1.2.5 响应面优化红树莓果实硬化实验 在单因素实验基础上,选取海藻酸钠添加量(A)、抽空时间Ⅰ(B)、氯化钙添加量(C)和抽空时间Ⅱ(D)为主要因素,以硬度为响应值,采用State-East公司的Design-Expert 8.0.6软件Box-Behnken进行实验设计,见表2。

表2 响应面实验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.6 品质测定 分别对红树莓、蓝莓、草莓鲜果及贮藏7 d的罐头进行捣碎、滤布过滤和4 ℃,6000 r/min离心10 min后,取上清液进行品质检测对比分析,指标及方法如下。

1.2.6.2 VC测定 依据GB 5009.86-2016《食品中抗坏血酸的测定》中2,6-二氯靛酚滴定法[18],结果以mg/100 g表示。

1.2.6.3 总酸测定 依据GB/T12456-2008《食品中总酸的测定》中酸碱滴定法[19],结果以g/kg表示。

1.2.6.4 可溶性固形物含量测定 依据GB/T 10786-2006《罐头食品的检验方法》中折光计法[20],结果以百分含量(%)表示。

1.2.6.5 还原糖测定 依据GB/T5009.7-2008《食品中还原糖的测定》中直接滴定法[21],结果以g/100 g表示。

1.2.6.6 钙的测定 依据GB 5009.92-2016《食品中钙的测定》中EDTA滴定法[22],结果以mg/kg表示。

1.2.6.7 微生物测定 依据GB 4789.26-2013《食品微生物学检验 商业无菌检验》[23]进行微生物检验。

1.3 数据处理

实验数据以“平均值±标准差”形式表示,采用Microsoft Word 2003 软件对数据进行整理绘图,SPSS 22.0软件对数据进行显著性分析,显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 硬化工艺单因素实验结果与分析

2.1.1 海藻酸钠浓度对红树莓果粒硬度影响分析 海藻酸钠溶液在真空条件下可替代红树莓果实中的空气浸入组织内部间隙,提高果粒硬度。如图1所示,随海藻酸钠浓度增加,红树莓果粒硬度呈上升趋势,感官分数呈先上升后下降趋势。当海藻酸钠浓度低于1.2%时,红树莓果粒硬度与感官分数均呈上升趋势,且各添加量间差异显著(p<0.05)。此时,海藻酸钠不能充分填充红树莓果粒空隙,果粒硬度较小,易变形破碎,口感过软,无嚼劲;当海藻酸钠浓度高于1.2%时,红树莓果粒硬度无显著性差异(p>0.05),说明果粒内部空隙较紧,同时氯化钙与表面高浓度的海藻酸钠形成凝胶,不利于氯化钙的渗入,导致红树莓果粒内部凝胶强度不足,进而果粒硬度提高不大[15]。与此同时,感官分数呈显著下降趋势(p<0.05),表明海藻酸钠浓度过高,果粒被凝胶包裹,致使糖液较难渗入,滋气味不足,味道较淡。综上所述,确定海藻酸钠适宜浓度范围为0.8%～1.6%。

图1 海藻酸钠添加量对红树莓果粒硬度影响Fig.1 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different concentration of sodium alginate solution注:不同小写字母表示同一指标不同实验组 数据差异显著(p<0.05);图2～图4同。

2.1.2 抽空时间Ⅰ对红树莓果粒硬度影响分析 第一次抽真空目的是使海藻酸钠填充果粒组织空隙,当Ca2+渗入时与海藻酸钠分子中古洛糖醛酸片段形成钙桥,进而强化细胞基本骨架[24]。如图2所示,当抽空时间少于40 min时,在各抽空时间内果粒硬度与感官分数呈升高趋势,且差异显著(p<0.05),此时,海藻酸钠不能充分浸入果粒组织内部,果粒质地较软;当抽空40 min时,海藻酸钠充分浸满果粒组织内;此后,各抽空时间果粒硬度无显著性差异变化(p>0.05),是因红树莓果粒内部海藻酸钠浓度达到饱和。其次,果粒在海藻酸钠溶液中浸泡时间过长,果粒周围被凝胶包裹,影响红树莓果粒的色泽、风味、口感及其它品质,导致感官分数略有下降,且差异显著(p<0.05)。因此,选取抽空时间Ⅰ适宜范围为30～50 min。

图2 抽空时间Ⅰ对红树莓果粒硬度影响Fig.2 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different pumping time Ⅰ

2.1.3 氯化钙浓度对红树莓果粒硬度影响分析 成熟的红树莓果实果胶和纤维素含量少,单一使用氯化钙硬化效果较差,利用海藻酸钠与氯化钙形成一种不可逆胶体的性质,在真空环境下,海藻酸钠和氯化钙渗入到红树莓果实中,并形成钙桥,强化细胞壁纤维结构,从而达到硬化目的[14,25]。如图3所示,当氯化钙浓度低于0.3%时,红树莓果粒硬度与感官分数均呈显著升高趋势(p<0.05),红树莓果实组织中形成的海藻酸钠胶体较少,果粒质地较为柔软;当氯化钙浓度高于0.30%时,果粒硬度无显著性差异(p>0.05),而对果粒感官分数呈显著下降趋势(p<0.05),主要表现为果粒苦涩味较重,表面粗糙,品质低劣,严重影响感官评价。因此,选择氯化钙适宜浓度范围为0.15%～0.45%。

图3 氯化钙添加量对红树莓果粒硬度影响Fig.3 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different concentration of CaCl2 solution

2.1.4 抽空时间Ⅱ对红树莓果粒硬度影响分析 抽空时间Ⅱ主要影响海藻酸钙凝胶形成速度,对红树莓果粒硬度影响较小。随抽空时间延长,果粒组织内部空隙的氯化钙与海藻酸钠结合形成凝胶,硬度不断增大,抽空时间小于30 min时，各组间差异显著(p<0.05)当抽空时间超过30 min,红树莓颗粒表面形成高强度海藻酸钙凝胶,氯化钙较难继续进入果粒内部,因此果粒硬度变化无显著性差异(p>0.05)。感官分数10～20 min时差异不显著(p>0.05),20～30 min时呈显著增加趋势。但随着抽空时间延长,红树莓果粒表面被较厚的凝胶包裹,影响红树莓果粒外观,其次,糖液较难浸入果实内部,影响果粒滋味,导致感官分数显著下降(p<0.05)。因此,选择适宜抽空时间Ⅱ范围为20～40 min。

图4 抽空时间Ⅱ对红树莓果粒硬度影响Fig.4 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different pumping time Ⅱ

2.2 红树莓果粒硬化工艺优化

2.2.1 模型建立与显著性分析 根据表1确定的响应面因素与水平,利用Design Expert 8.0.6软件,通过Box-Behnken设计得到29组果粒硬化实验,中心点实验重复4次,其主要目的是估算整个实验的纯实验误差,结果见表3。

表3 响应面实验设计方案及结果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

利用响应面软件对表3数据进行分析,得到响应面实验模型回归系数及显著性检验结果,见表4。

表4 模型回归系数显著性检验结果Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model

2.2.2 响应面交互作用分析 根据回归方程得到图5～图7各因素交互作用的等高线和响应面图,响应面图较直观地反映了各自变量对响应值的影响,如响应曲面坡度相对陡峭,表明硬度对于因素的改变较敏感[27]。等高线图中椭圆排列越密集,说明因素变化对硬度影响越大,此外,等高线图形较圆,其交互作用不显著,反之即为显著。根据等高线图和响应面图形状,可分析两两因素对红树莓果粒硬度交互作用的影响。

图5 海藻酸钠及抽空时间Ⅰ对红树莓果粒硬度的影响Fig.5 Effects of sodium alginate and pumping time Ⅰ on hardness of red-raspberry grains

图6 氯化钙及抽空时间Ⅰ对红树莓果粒硬度的影响Fig.6 Effects of CaCl2 and pumping time Ⅰ on hardness of red-raspberry grains

图7 氯化钙及抽空时间Ⅱ对红树莓果粒硬度的影响Fig.7 Effects of CaCl2 and pumping time Ⅱ on hardness of red-raspberry grains

由图5～图7的响应面图可知,各因素值小于中心点时,响应面坡度较陡,而大于中心点时曲面较平缓,主要是由于海藻酸钠浓度过高时抽空液组织间隙过于紧密,不利于氯化钙渗入果粒内部并与海藻酸钠结合。此外,氯化钙浓度过高时,易与果粒周围的海藻酸钠结合形成凝胶,氯化钙难以渗入果粒内部,导致硬度提高幅度较小。抽空时间Ⅱ主要影响凝胶形成速度,所以对硬度影响较小。图5～图7的等高线图均呈椭圆形,同时根据p值可知AC、BC、BD的交互作用极显著(p<0.01)。此外,等高线排列密集程度依次为BD、BC、AC,所以,两因素对红树莓果粒硬度影响大小依次为:BD>BC>AC。

2.2.3 验证实验 由回归方程求解得出红树莓果粒硬度最佳工艺条件为海藻酸钠1.24%、抽空时间Ⅰ 41 min、氯化钙0.32%、抽空时间Ⅱ 31 min,预测红树莓果粒硬度在此工艺条件下为442.877 g。为验证响应面法优化工艺结果的可靠性,在此工艺条件下进行6组硬度和感官平行验证实验,结果显示硬度平均值为451.180 g,与理论预测值相比其相对误差为1.88%,说明该回归方程与实际拟合度较好,感官分数平均值为90.23分,说明此工艺加工的红树莓罐头色泽诱人、酸甜可口、状态完好,深受大众喜爱。因此,该响应面实验模型适用于优化红树莓果粒硬化工艺,对实际工业化应用具有指导意义。

2.3 品质检测结果与分析

由图8可知,鲜果和罐头品质存在一定差异性,主要是因罐头在加工中受热进而导致部分热敏性成分损失,同时抑制了果粒部分酶促褐变反应[28]。由图8a可知,鲜果和罐头的VC含量由大到小依次为草莓、红树莓、蓝莓,且含量变化存在显著性差异(p<0.05),但鲜果制作成罐头后,其保留率依次为54.22%、68.82%和40.85%;鲜果和罐头的总酚含量由高至低依次为蓝莓、红树莓、草莓,将其加工成罐头后,保留率依次为49.18%、79.98%、67.7%,且蓝莓罐头和红树莓罐头不存在显著性差异(p>0.05)。由此可知,红树莓罐头能较好保留鲜果中的活性物质,是因硬化后的红树莓果粒内部空隙及外围均形成海藻酸钙凝胶,有效地阻止了活性成分外流。由图8b可知,红树莓鲜果及其罐头和蓝莓鲜果总酸含量无显著性差异(p>0.05),但草莓鲜果及其罐头总酸含量略高,且罐头制品总酸含量相对于鲜果均略有升高,可能是由罐液中部分柠檬酸浸入果粒内部所致;鲜果及其罐头还原糖含量和SSC含量由高至低依次为蓝莓、草莓和红树莓,罐头加工受热使部分还原糖受热发生美拉德反应[29],还原糖含量降低,但灌装时加入的罐液致使其含量升高。因此,红树莓罐头较好地保留了鲜果的原有营养成分,是一种集营养、低糖和低能量的健康水果罐头,更加符合现代人们所追求的健康、绿色和安全饮食习惯。

图8 鲜果及罐头品质测定Fig.8 Quality determination of fresh fruits and canned foods注:不同小写字母表示同一指标 不同实验组数据差异显著(p<0.05)。

2.4 产品质量检验

感官指标:红树莓罐头成品密封完好,无泄漏、无胖听现象;色泽鲜红均匀,具有红树莓特有的香气,酸甜可口,有嚼劲,无碎粒现象。

理化指标:固形物>55%,总酸1.24 g/kg,SSC 11.8%,还原糖6.72 g/100 g,钙24.99 mg/kg,产品合格。

微生物指标:符合商业无菌要求,产品合格。

3 结论

本实验通过建立响应面模型,优化了红树莓果粒的海藻酸钙凝胶硬化工艺,确定最佳硬化工艺参数为:海藻酸钠1.24%、抽空时间Ⅰ 41 min、氯化钙0.32%、抽空时间Ⅱ 31 min,此硬化条件下红树莓果粒硬度451.18 g,感官分数为90.23分。并对在此工艺条件下制作的红树莓罐头与市售蓝莓和草莓罐头的主要品质指标进行检测,结果表明红树莓、蓝莓和草莓鲜果和罐头均含有较高的VC和总酚含量,但红树莓罐头果粒保留率远高于其它。还原糖和可溶性固形物含量红树莓均最低,说明红树莓罐头是一种低糖的健康产品。红树莓与蓝莓的总酸含量相差不大,均低于草莓。因此,通过海藻酸钙凝胶硬化红树莓果粒,可使其在加工贮藏过程中保存完整,并能较好的保留红树莓果粒的营养成分。

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