响应面法优化鲜切菠萝壳聚糖涂膜保鲜的研究

李崇高，黄建初，邱红妹

1(广州城市职业学院 食品系，广东 广州，510405) 2(广州工商学院 物流系，广东 广州，510850)

菠萝是世界四大热带水果之一。菠萝营养丰富、风味独特、酸甜可口；富含有机酸、膳食纤维以及菠萝蛋白酶，具有减肥、助消化，促进食欲，清理肠胃等功效，因而成为广受消费者欢迎的热带水果[1]。但新鲜菠萝有一层多刺、较多芽眼的非可食性果皮，鲜食时去皮麻烦，给消费者食用带来很大的不方便[2]。

鲜切水果是新鲜水果经清洗、去皮、切分、包装等处理而成。因其新鲜、卫生、方便，近20年来广泛流行于欧美，在我国也发展迅速，越来越受消费者青睐。但鲜切水果在切分时产生创伤，导致发生呼吸加快、褐变、失重、微生物污染等问题。为了延长其货架寿命，通常采用漂烫、有机酸、盐、涂膜等处理[3]。壳聚糖是一种安全无毒的天然多糖，具有良好的成膜性、阻氧性和抑菌性，所形成的膜能抑制呼吸，减少水分散失，起护色、抑菌作用[4-5]。异抗坏血酸钠具有良好的褐变抑制。柠檬酸能抑制褐变，控制李斯特氏菌生长；柠檬酸、异抗坏血酸钠还能保持鲜切水果的硬度[6]。

本文以柠檬酸、异抗坏血酸钠、壳聚糖为材料，采用响应面优化法，以期建立多元回归数学模型，来分析和预测它们对鲜切菠萝保鲜品质的影响，探讨壳聚糖涂膜的最佳配比，以期为解决鲜切菠萝的褐变、失重、腐烂等提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

菠萝：选择大小、成熟度一致的新鲜菠萝，市售。

食品添加剂：柠檬酸(食品级，山东潍坊英轩实业有限公司)，异抗坏血酸钠(食品级，山东诸城华源生物工程有限公司)，壳聚糖(食品级，脱乙酰度90%，分子量为18万，潍坊海之源生物制品有限公司)。化学试剂：NaOH(分析纯，上海优试化工有限公司)，酚酞(北京惠宝联化科技有限公司)。包装材料：聚丙烯(PP)塑料托盘(1.2 cm×15.7 cm×9.3 cm)，聚乙烯(PE)保鲜膜(4 μm)，市售。

1.2 仪器和设备

分析天平(SI-2002，丹佛仪器北京有限公司)，海尔冰箱(BCD-215KAGA，海尔集团)，数显手持糖度计(PAL-1，日本爱宕ATAGO)不锈钢水果刀，砧板，圆底托盘，烧杯，容量瓶，滴定管，温度计。

1.3 实验方法

1.3.1 鲜切菠萝的处理

菠萝→挑选→预冷→去皮→切分→护色→涂膜、沥干→装盘、密封→冷藏→检验

挑选大小、成熟度一致的新鲜菠萝。放入5～10 ℃下预冷2～3 h。用水果刀将菠萝切头去尾，削外皮，用专用菠萝刀斜削，边削边旋削除芽眼，切成4大块，去除硬芯，切成4 cm×2 cm×2 cm小块。切好的菠萝放在1%(质量分数)食盐水中暂存。用不同配比的涂膜液浸泡1.5 min，沥干。装入托盘，用保鲜膜密封，每盘120 g，每个处理10盘。将果盘放入5 ℃冰箱中贮存。分别于0、2、4、6、8、10 d，取样检验分析，记录数据。

1.3.2 单因素实验

壳聚糖溶液的配制：在60 ℃下，以质量分数为1%的乙酸为溶剂，将壳聚糖搅拌至溶解后冷却待用。

将菠萝切片用0.05%、0.10%、0.15%(以下各处均指质量分数)的柠檬酸溶液处理1.5 min，确定柠檬酸的适宜用量。将菠萝切片用0.5%、1.0%、1.5%(以下各处均指质量分数)的异抗坏血酸钠处理1.5 min，确定异抗坏血酸钠的用量。将菠萝切片用1.0%、1.5%、2.0%(以下各处均指质量分数)的壳聚糖溶液处理1.5 min，确定壳聚糖的用量。

1.3.3 响应面优化实验

在单因素实验基础上，以柠檬酸、异抗坏血酸钠、壳聚糖为因素，感官评分、失重率、固酸比为响应值，设计响应面优化实验，见如表1。参考陈涵等[7-8]的响应面分析法，根据Box-Behnken Design(BBD)实验设计，通过Design-Expert.V 8.0.6软件，对实验结果进行回归拟合分析，得出二次多元回归方程，进行方差分析和p值显著性检验。进一步拟合优化，建立二次多元回归数学模型。

表1 3因素3水平响应面优化实验Table 1 Three-factors three-level response surface optimization experiment

1.4 测定方法

1.4.1 感官评定

参考张水华[9]的食品感官鉴评，结合菠萝的感官评价，设计表2。评定小组由10人组成，每份样品随机编码，随机发放，按照感官评定标准进行评价，结果取平均值。

表2 鲜切菠萝感官评分表Table 2 Fresh cut pineapple sensory score table

1.4.2 失重率测定：

失重率采用称重法。

(1)

1.4.3 固酸比的测定

(1)可溶性固形物含量测定[10]：用日本爱宕ATAGO PAL-1数显手持糖度计测定。取少量果汁，滴入手持糖度计槽中，读取读数%，重复测定3次。

(2)总酸度含量测定[11]：采用酸碱滴定法，单位为度(°T)(以10 g样品所消耗的0.1 mol/L NaOH体积，mL计)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 柠檬酸用量对鲜切菠萝感官品质的影响

图1 柠檬酸用量对鲜切菠萝感官品质的影响Fig.1 Citric acid dosage on the sensory quality of fresh-cutpineapple

由图1可知，随着鲜切菠萝贮藏时间延长，感官评分呈下降趋势；经过柠檬酸处理的鲜切菠萝感官评分比空白组的感官评分要高，其中以0.10%柠檬酸溶液处理的鲜切菠萝感官评分保持较高，第4天仍保持78分。这是因为柠檬酸处理降低了鲜切菠萝的PH值，抑制了微生物生长，从而保持其品质。但柠檬酸添加过多，会改变固酸比而影响到滋味的评分。

2.1.2 异抗坏血酸钠用量对鲜切菠萝感官品质的影响

由图2可见，随着鲜切菠萝贮藏时间的延长，感官评分呈下降趋势，经异抗坏血酸钠溶液处理的鲜切菠萝感官评分比空白组的感官评分要高，其中1.0%处理的感官评分保持较高，第4天仍保持75分。因为异抗坏血酸钠是一种褐变抑制剂，具有抗氧、保鲜和护色等作用。

图2 异抗坏血酸钠用量对鲜切菠萝感官品质的影响Fig.2 Effect of sodium ascorbate on the sensory quality of fresh-cut pineapple

2.1.3 壳聚糖用量对鲜切菠萝感官品质的影响

由图3可见，随着鲜切菠萝贮藏时间的延长，感官评分呈不断下降趋势。经壳聚糖溶液处理的鲜切菠萝感官评分比空白组的感官评分要高，其中1.5%溶液处理的感官评分保持较高，第4天仍保持77分。因为壳聚糖具有成膜性和抑菌性，减少了营养、香气和重量的损失，提高了鲜切菠萝的抗病性。

图3 壳聚糖用量对鲜切菠萝感官品质的影响Fig.3 Effect of chitosan dosage on organoleptic quality of fresh-cut pineapple

2.2 响应面法优化实验

3因素3水平响应面优化实验方案及结果见表3。

2.2.1 响应面优化法的感官评分

感官评价是利用人的感官来测量食品的口味接受性，是人们对食品喜爱程度的重要指标。响应面法实验的感官评分结果见图4～图6，它是不同因素间两两作用对鲜切菠萝感官评分影响的响应面图和等高线图。

表3 3因素3水平响应面优化实验方案及结果Table 3 Three-factors three-level response surface optimization experimental program and results

图4 柠檬酸与异抗坏血酸钠对鲜切菠萝感官评分影响的响应面图(a)和等高线图(b)Fig.4 Response surface (a) and contour plot (b) of citric acid and sodium erythorbate on the sensory score of fresh-cut pineapple

从图4可看出，随柠檬酸和异抗坏血酸用量增加，鲜切菠萝的感官评分先缓慢升高，后缓慢下降。

图5 柠檬酸与壳聚糖对鲜切菠萝感官评分影响的响应面图(a)和等高线图(b)Fig.5 Response surface (a) and contour (b) of citric acid and chitosan on the sensory score of fresh-cut pineapple

从图5可看出，随柠檬酸用量增加，鲜切菠萝的感官评分先缓慢升高，后缓慢下降；随壳聚糖用量增加，感官评分迅速上升，到最高峰时，开始下降。

图6 异抗坏血酸钠与壳聚糖对感官评分影响的响应面图(a)和等高线图(b)Fig.6 Response surface (a) and contour (b) of the effect of sodium erythorbate and chitosan on the sensory score

从图6可看出，随异抗坏血酸用量增加，鲜切菠萝的感官评分缓慢升高；随壳聚糖用量增加，感官评分迅速上升，到最高峰时，开始下降。

将实验所得的结果，通过Design-Expert.V 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到多元回归方程：

感官评分=1.092 5+88.71A+10.986B+92.579C-14.0AB+31.2AC-3.08BC-652.8A2-2.568B2-28.168C2

对多元回归方程进行方差分析，以p值进行显著性检验，结果如表4。

表4 感官评分的多元回归方程方差分析Table 4 Sensory score multiple regression equation analysis of variance

注：*表示已达到显著水平(p<0.05)，**表示达到极显著水平(p<0.01)，下同。

由表4可知，感官评分的二次多元回归方程具有极显著性(p<0.000 1)，失拟项为0.253 8>0.05，不显著，说明该方程对感官评分有显著意义，拟合良好，能做出较准确预测。决定系数(R-Squared)0.979 7；校正拟合度(Adj R-Squared)0.953 5，预测拟合度(Pred R-Squared)0.791 5，二者较接近且其差值处于合理、有意义范围内，表明该方程能显著表示本实验中各因素对感官评分的影响。C、C2的影响为极显著(p值<0.000 1)，A2的影响为显著(p值<0.05)，根据回归方程的方差分析结果，壳聚糖、柠檬酸为影响感官评分的显著性因素。根据F值大小，影响感官评分顺序依次为壳聚糖>柠檬酸>异抗坏血酸钠。

2.2.2 响应面优化法的失重率

失重率是衡量鲜切菠萝品质变化的重要指标。将实验的结果，通过Design-Expert.V 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到多元回归方程：

失重率=14.173 75-28.66A+0.109B-11.974C+17.5AB+5.7AC-0.23BC+23.3A2-0.547B2+3.353C2

对多元回归方程进行方差分析，以p值进行显著性检验，结果如表5。

表5 失重率的多元回归方程方差分析Table 5 Weight loss rate of multiple regression analysis of variance analysis

由表5可知，失重率的二次多元回归方程具有极显著性(p<0.000 1)，失拟项0.327 1>0.05，不显著，说明该回归方程对失重率具有显著意义，拟合良好，能做出较准确预测。决定系数(R-Squared)0.929 7，校正拟合度(Adj R-Squared)0.839 4，预测拟合度(Pred R-Squared)0.340 7，但精密度(Adeq Precision)9.798>4，比例是理想的，说明该模型可用于预测。C、C2的影响为极显著(p值<0.000 1)，AB的影响为显著(p值<0.05)，根据回归方程方差分析，壳聚糖、柠檬酸、异抗坏血酸钠均是影响失重率的显著性因素。根据F值大小，影响失重率的顺序依次为壳聚糖>异抗坏血酸钠>柠檬酸。

2.2.3 响应面优化法的固酸比

固酸比是影响食品滋味、品质和保质期的重要指标。将实验结果，通过Design-Expert.V 8.0.6软件进行多元回归拟合，得到多元回归方程：

固酸比=138.713 75-44.705A-18.098B-121.539 5C+91.3AB+6.6AC+1.05BC-275.6A2+3.294B2+34.364C2

对多元回归方程进行方差分析，以p值进行显著性检验，结果如表6所示。

表6 固酸比的多元回归方程方差分析Table 6 Curing ratio of multiple regression equation analysis of variance

由表6可知，固酸比的二次多元回归方程具有极显著性(p<0.000 1)，失拟项为0.215 5>0.05，不显著，说明该方程对固酸比具有显著意义，拟合良好，能做出较准确预测。决定系数(R-Squared)0.974 3，校正拟合度(Adj R-Squared)0.941 2，预测拟合度(Pred R-Squared)0.723 4，但精密度(Adeq Precision)14.901>4，比例是理想的，说明该模型可用于预测。C、C2的影响为极显著(p值<0.000 1)，AB的影响为显著(p值<0.05)，根据回归方程的方差分析，壳聚糖、柠檬酸、异抗坏血酸钠均是影响固酸比的显著性因素。根据F值大小，影响固酸比的顺序依次为壳聚糖>异抗坏血酸钠>柠檬酸。

2.3 响应面法优化涂膜条件的预测及验证

根据所得响应面数据，对上述3个多元回归方程，用Design-Expert 8.0.6软件拟合优化，得到最优的涂膜条件：柠檬酸0.12%、异抗坏血酸钠0.5%、壳聚糖1.69%，以及拟合优化后的预测值分布图，见图7。

图7 Design-Expert 8.0.6拟合后的预测值分布图Fig.7 Design-Expert 8.0.6 fitted predicted value distribution

从图7可看出，Desirability的预测值的可信程度达到0.970，感官评分的预测值为86.037，失重率的预测值为2.33，固酸比的预测值为21.489 1。

根据拟合优化的最佳涂膜条件(柠檬酸0.12%、异抗坏血酸钠0.5%、壳聚糖1.69%)，对鲜切菠萝进行涂膜验证实验，所得的验证实验结果与响应面优化所得的预测值进行比较，见表7。

表7 涂膜处理鲜切菠萝品质指标的预测值与实测值Table 7 Coated fresh pineapple quality indicators of the forecast value and the measured value

从表7可知，验证实验结果表明：优化的涂膜条件处理鲜切菠萝的感官评分、失重率、固酸比与预测值相当，说明该方法与实际情况拟合良好，验证了所建数学模型的正确性。说明响应面优化法能较好地适用于壳聚糖涂膜鲜切菠萝保鲜的回归分析和参数优化。

实验结果与前人的研究[7，12-13]有相同，也有不同(如柠檬酸用量)。这是因为新鲜菠萝的可溶性固形物、总酸均较好，固酸比为22～32∶1，如柠檬酸用量过大，会直接影响菠萝甜酸适中的口感，影响感官评分。

3 结论

本文探讨了柠檬酸、异抗坏血酸、壳聚糖对鲜切菠萝的感官评分、失重率、固酸比等品质的影响，建立了二次多元回归方程数学模型，对模型进行了响应面图分析，得到了优化的涂膜条件：柠檬酸0.12%、异抗坏血酸0.5%、壳聚糖1.69%。经此处理的鲜切菠萝，品质达到最高，色泽鲜黄，香味浓郁，甜酸适宜，较好保持了鲜切菠萝的品质。