响应面法优化杏梅超声波渗糖工艺

周 彤,陈 恺,董卓群,许 静,李晓凤,闫 雪,生曼丽,靳玉萱,李焕荣,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学科学技术学院,新疆乌鲁木齐 830052)

杏为蔷薇科(Posaceae),杏属(Armeniaca)植物[1],新疆昼夜温差大、杏果品质优良。截止2016年,新疆杏树种植面积达13.24万hm2,占全疆水果种植面积的13.93%;杏产量为128.16万t,占全疆水果产量的14.93%[2]。杏成熟期较短,属于呼吸跃变型果实,采摘后不易长期贮藏及运输，应及时加工处理。目前，杏加工产品主要集中在杏干、杏脯、杏酱、杏汁等,果脯凉果糖渍类产品主要包括蜜李、蜜桃、蜜梅等,其中凉果类产品中少有以杏为原料制备的成品[3-5]。

超声波目前已在提取、渗糖、清洗和稳定性方面有广泛研究应用。在渗糖方面,超声波在液体介质中传播时,能在界面上产生强烈的冲击和空化效应,导致细胞膜的渗透力增强,强化细胞内外的质量传递可有效地提高渗糖效率[6]。由于渗糖方式的不同对糖渍类产品的形态、收缩程度、渗糖效果、色泽影响较大,因此选用超声波渗糖可有效避免常压渗糖中效率较低,且浸渍时间过长容易引起原料变质、煮制渗糖中高温煮制下果实易出现软烂、杏脯皱缩现象等问题[7-9]。盛金凤[10]研究表明:常压、微波、煮制、超声波四种渗糖方式中，超声波可显著提高芒果果脯的糖含量。孙海涛[11]研究表明:含糖量随着超声时间的延长而增加,但猕猴桃的超声时间设置以小时为单位,含糖量却在20%～30%之间。杏坯相比于猕猴桃无核且组织紧密,而经刺孔脱盐后的杏果组织松软易于渗糖,因此超声时间仍有待研究。李军生[12]研究表明:冬瓜、苹果、莲藕三种果蔬经200～600 W超声渗糖后,含糖量在20%～30%范围内逐渐增长。而杏坯经脱盐后含水量较高且质地较软,因此超声功率仍有待研究。

本实验在生产原料上区别于果脯的制作,以盐渍后的杏坯为实验原料,在提高了鲜杏利用率的基础上，解决了运输及工业化生产中鲜杏保质期短的问题,同时区别于传统煮制渗糖法,采用超声波渗糖法制备杏梅。在单因素实验中使用TPA质构测试法结合含糖量筛选最佳条件,并通过响应面法优化杏梅渗糖工艺，为杏梅的渗糖新工艺提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白砂糖、腌菜盐 新疆友好超市南昌路店;赛买提杏 新疆乌市九鼎市场，新鲜赛买提杏要求可溶性固形物含量13.7%±1%,单果重(16.86±2) g,果形指数1.14,硬度(1341.82±300) g,L值55.36±5,a值3.62±3,b值44.41±3；蒽酮、硫酸、蔗糖标准品(分析纯) 致远化学试剂有限公司。

TA-XT2i型质构仪 英国Stable Micro System公司;KQ-250DE型超声波仪 昆山市超声仪器有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒有限公司;TU-1810 型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;TD5A-WS型台式低速离心机 郑州南北仪器设备有限公司;Pawkit型水分活度仪 乌鲁木齐齐祥生仪器有限公司(Decagon Devices Pullman)。

1.2 实验方法

1.2.1 杏坯的制备 杏→淋洗→刺孔→盐渍(护色保脆)→脱盐→调味→糖渍→烘干→包装。

刺孔:用竹签(φ1 mm)刺入果实内部直达果核,密度为8个孔/cm2,孔间距离约2 mm,杏果更容易吸收盐分及糖分,可缩短浸渍时间。盐渍:使用30%氯化钠进行湿腌法盐渍,直至杏坯水分活度值恒定不变时为盐渍终点。护色保脆:在盐渍同时加入0.125% NaHSO3，防止色素分解;1.25% CaCl2保持硬度。脱盐:取500 g杏坯以料液比1∶5 (kg/L)脱盐使得含盐量在2%以下即可。调味:取0.06%(g/kg)的肉桂和豆蔻、0.04%(g/kg)的茴香,0.08%(g/kg)的丁香和陈皮,与糖液一起渗入。糖渍:取500 g杏坯置于超声机内置杯中,按照不同料液比和不同浓度的渗糖液提取一定时间,常压静置渗糖12 h后取出沥干待烘干。烘干:在55 ℃条件下烘制24～30 h,将含水量控制在18%～22%。包装:采用PE包装袋密封包装,常温贮藏。

1.2.2 超声波浸糖工艺单因素实验 在超声频率为40 kHz,超声温度30 ℃条件下选取超声时间、超声功率、糖液浓度、料液比为单因素实验研究条件[13-15]。

1.2.2.1 杏梅超声时间的确定 在糖液浓度35%,超声功率200 W,超声料液比1∶5 kg/L的条件下,研究不同超声时间(0、10、20、30、40、50 min)对浸糖效果的影响。

1.2.2.2 杏梅超声功率的确定 在超声时间30 min,糖液浓度35%,超声料液比1∶5 kg/L的条件下,研究不同超声功率(100、150、200、225、250 W)对浸糖效果的影响。

1.2.2.3 杏梅渗糖浓度的确定 在超声时间30 min,超声功率200W,超声料液比1∶5 kg/L的条件下,研究不同糖液浓度(25%、30%、35%、40%、45%)对超声浸糖效果的影响。

1.2.2.4 杏梅超声料液比的确定 在糖液浓度35%,超声时间30 min,超声功率200 W的条件下,研究不同料液比(1∶5、1∶7、1∶9、1∶11、1∶13 kg/L)对超声浸糖效果的影响。

1.2.3 响应面实验设计 在单因素实验的前期研究基础上,根据Box-Behnken中心组合实验设计的原理[16],以超声波处理时间、超声波功率、糖液浓度三个条件为响应因素,以杏梅含糖量、硬度为响应值,建立三因素三水平响应面实验从而确定最佳浸糖工艺,因素水平表见表1。

表1 Box-Behnken实验因素与水平表

1.2.4 指标测定

1.2.4.1 总糖测定 蒽酮试剂法,参考曹建康版《果蔬采后生理生化指导》[17]。取1 g样品加5 mL蒸馏水研磨匀浆置于25 mL试管中并添加10 mL蒸馏水,加塞沸水浴30 min后,以4000 r/min的转速离心20 min取上清液,浊液加15 mL蒸馏水，沸水浴15 min离心取上清液,将两次上清液混合定容至100 mL后稀释100倍,制备样液待测。

1.2.4.2 水分测定 取1 g样品置于已称重的铝盒内,放入真空干燥箱内连接真空泵,抽出真空干燥箱内空气并加热至60 ℃,关闭真空泵停止抽气,使真空干燥箱内保持一定的温度和压力,经4 h后,放入干燥器中0.5 h后称量,并重复以上操作至前后两次质量差不超过2 mg,即为恒重[16]。

1.2.4.3 水分活度的测定 将杏坯切为5 mm×5 mm的小方块置于水分活度计配置盒内,安装待测。

1.2.4.4 质构测试 将样品统一在杏核开口方向纵切去核一分为二,每部分切分为8 mm×8 mm的小方块。测试时将样品平稳放置于测试板,以降低操作误差,方向、位置及测试部位尽量保持一致,在质构剖面分析模式(TPA)中选取硬度、弹性、凝聚性、咀嚼性、回复性为质构指标。使用圆柱形探头 P/5(直径:5 mm Cyl.Stainless)对杏梅进行TPA测试,测试参数:测试前速度5.0 mm/s,测试中速度3.0 mm/s,测试后速度3.0 mm/s,两次压缩间隔时间5.0/s,试样位移3 mm,触发力5 g,样本量n=10[19].

1.3 数据处理

采用Design-Expert 8.0.6统计软件进行响应面实验分析;SPSS 19进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声时间对杏梅含糖量及质构的影响 从表2可以看出，在超声功率为200 W,糖液浓度为35%,料液比为1∶5 kg/L的条件下,在超声时间为0～40 min的五个时间段内,随着超声时间的延长，杏梅含糖量呈显著增长的趋势(p<0.05);而40、50 min时，含糖量差异不显著(p<0.05)，是因为随着超声渗糖时间的延长,杏梅内部含糖量逐渐升高,使组织内外浓度差变小,渗透压力变小，糖液不容易透过细胞膜,此时外界糖分渗入杏坯内则需要更大推动力[11],在超声功率不变的条件下推动力无变化,因此在40、50 min时含糖量差异不显著(p>0.05)。由TPA测试可得:在超声时间为0～40 min的五个时间段内,其硬度随着超声时间的延长显著降低(p<0.05),40～50 min时差异不显著(p>0.05)。弹性超声时间为0、10 min时与其他时间差异显著(p<0.05),同时在20与50 min时存在显著差异(p<0.05)。凝聚性10～40 min呈上升趋势,超声时间为10、50 min时差异显著(p<0.05)。咀嚼力无明显趋势,超声时间为20 min时，与10、40 min差异显著(p<0.05)。回复性在超声时间为10～40 min时，呈总体上升趋势,其中30与40 min时存在差异显著性(p<0.05),0与20 min之间也存在差异显著性(p<0.05)。因此在TPA测试中选取差异显著、有明显趋势的硬度作为质地评判指标,并结合含糖量变化趋势选取超声时间40 min作为后续响应面实验参数。

表2 超声时间对杏梅含糖量及质构的影响

2.1.2 超声功率对杏梅品质的影响 从表3可以看出，在超声时间为30 min,糖液浓度为35%,料液比为1∶5 kg/L的条件下,杏梅的含糖量随着超声功率的升高而升高。超声功率为225 W时含糖量达到最大值,与100、150 W时存在差异显著性(p<0.05),而当功率增大到250 W时，含糖量略有下降且差异不显著(p>0.05),这可能是由于超声波产生的空化作用可促进糖分扩散,但当超声功率过大时,可破坏杏坯组织细胞，不利于糖液的渗入[16-17]。由TPA测试可得:当超声功率为225 W时，硬度达到最低值960.14 g,0～225 W之间呈显著下降的趋势(p<0.05)。弹性无明显的变化趋势,0与100 W和其它功率存在差异显著性外(p<0.05),其余功率之间均不存在差异显著性(p>0.05)。凝聚性中100与200、225、250 W之间存在差异显著性(p<0.05)。咀嚼力各组分之间均不存在差异显著性(p>0.05)。回复性在150、225、250 W时与其他组分差异显著(p<0.05)。综合考虑含糖量及硬度的变化,取超声功率225 W作为后续响应面实验参数。

表3 超声功率对杏梅含糖量及质构的影响

2.1.3 糖液浓度对杏梅品质的影响 从表4可以看出，在超声时间为30 min,超声功率为200 W,料液比为1∶5 kg/L的条件下,25%～40%之间时，杏梅的含糖量随着糖液浓度的升高而显著升高(p<0.05)。其中当糖液浓度为40%时，含糖量达到最大值,而当浓度增大到45%时，含糖量略有下降且差异不显著(p>0.05),这可能是由于糖液从高浓度向低浓度扩散,因而浓度差愈大,渗透速率也将随之增加,但当渗糖液糖度过高时,渗糖液黏度大,不利于水分和糖液的均匀置换,使扩散速率减缓[18]。由TPA测试可知，25%～40%各组分之间的硬度随糖液浓度增大呈显著下降趋势(p<0.05),硬度在渗糖浓度为40%时，达到最小值。弹性只在糖液浓度为45%时与其它浓度存在差异显著性(p<0.05),并无明显趋势。凝聚性各组分之间的关系为:除25%和30%、35%和40%的组分之间不存在差异显著性(p>0.05),其余各组分之间均存在差异显著性(p<0.05),总体呈递增趋势。咀嚼力各组分之间差异均不显著(p>0.05)。回复性各组分之间的关系为:除25%和30%、40%和45%的组分之间不存在差异显著性(p>0.05),其余各组分之间均存在差异显著性(p<0.05)。综合考虑含糖量及硬度的变化,取糖液浓度40%作为后续响应面实验参数。

表4 糖液浓度对杏梅含糖量及质构的影响

2.1.4 超声料液比对杏梅品质的影响 从表5可以看出，在超声时间为30 min,超声功率为200 W,糖液浓度为35%的条件下,不同料液比制备出杏梅含糖量差异不显著(p>0.05),且无明显趋势。由TPA测试可知，弹性、凝聚性、咀嚼力差异不显著(p>0.05),硬度、回复性均在料液比为1∶9 kg/L时存在差异但均无明显趋势。结果表明，料液比对杏梅渗糖及其质构特性效果不明显,因此不做后续响应面实验研究。

表5 料液比对杏梅含糖量及质构的影响

单因素实验中:TPA测试中，硬度在不同渗糖条件下,总体呈现递减趋势,含糖量总体呈现递增趋势,差异显著,其余特性在不同条件下，变化趋势不明显。因此选择含糖量及硬度为指标,进行响应面实验。

2.2 杏梅糖渍工艺响应面优化实验结果及分析

按照表6利用 Design-Expert 8.0 统计软件对实验数据进行二次多项回归拟合,分别获得含糖量(Y1)对自变量超声功率(A)、超声时间(B)、糖液浓度(C)的多元回归方程:Y1=49.92+0.58A+0.82B+1.18C+0.24AB-0.10AC-0.040BC-1.38A2-1.34B2-1.34C2;对实验数据进行二次多项回归拟合,分别获得硬度(Y2)对自变量超声功率(A)、超声时间(B)、糖液浓度(C)的多元回归方程:Y2=907.61+8.83A-9.97B-13.64C+2.12AB+4.86AC+0.49BC+42.05A2+9.91B2+14.95C2。

表6 响应面实验设计及结果

由表7可知,当模型F=41.32时,p<0.0001,模型极显著,当失拟项F=1.14时,p=0.4322>0.05,失拟项不显著,说明所得回归方程模型是可行的;因变量与自变量之间的线性关系显著R2=0.9815,表明杏梅中含糖量的实测值与预测值之间具有较好的拟合度,实验所得二次回归方程能很好地对响应值进行预测和分析。其中一次项A、B、C与二次项A2、B2、C2表现为极显著(p<0.01),表明超声时间、超声功率、糖液浓度都对杏梅含糖量有极大影响,由F值可推断出对糖含量影响大小为:C>B>A,即糖液浓度对杏梅含糖量影响最大,超声时间次之,超声功率影响最小。

表7 响应面试验方差分析(含糖量)

由表8可知,当模型F=19.66时,p<0.01,模型极显著,当失拟项F=1.14时,p=0.1518>0.05,失拟项不显著,说明所得回归方程模型是可行的;因变量与自变量之间的线性关系显著R2=0.9619,表明杏梅中硬度的实测值与预测值之间具有较好的拟合度,实验所得二次回归方程能很好地对响应值进行预测和分析。其中一次项C与二次项A2、C2表现为极显著(p<0.01),一次项A、B与二次项 B2表现为显著(p<0.05)，表明超声时间、超声功率、糖液浓度都对杏梅硬度都有较大影响,由F值可推断出对糖含量影响大小为:C>B>A,即糖液浓度对杏梅硬度影响最大,超声时间次之,超声功率影响最小。

表8 响应面试验方差分析(硬度)

2.2.1 响应面分析与优化 为了考察不同因素对糖含量、硬度的影响,利用Design-Expert 8.06软件对回归方程进行运算,得出三维响应面图,如图1～图2所示。

图1 各因素交互作用对含糖量影响的响应面图

从图1～图2可知，随着控制条件的增加,糖含量逐渐增大后趋于平稳、硬度逐渐减低后趋于平稳,各因素间交互作不显著。通过响应面软件分析,杏梅渗糖最佳工艺为:超声功率224.46 W、超声时间43.65 min、糖液浓度42.22%,通过该方式含糖量理论值可达50.36%,硬度可达902.03 g。

2.2.2 验证实验 使用响应面得出的最佳浸糖方式进行验证实验,考虑到仪器及设备的局限和操作方便,将超声功率设置为225 W、超声时间为45 min、糖液浓度设定为43%进行验证实验,经三次验证实验得出实际测得含糖量为51.02%±0.21%、硬度为(904.64±20) g，与理论值相比分别增加了1.31%、0.29%,说明该回归方程与实际含量拟合度较好,该响应面模型是可用的。

3 结论

本研究通过单因素实验发现，在保证杏梅硬度的前提下,合理提高超声时间、超声功率和糖液浓度，可有效提高杏梅含糖量。采用响应面法优化杏梅渗糖工艺,最终确定超声功率225 W、超声时间45 min、糖液浓度43%,通过该方式含糖量可达51.02%±0.21%,硬度可达(904.64±20) g。