黑莓汁树脂降酸工艺研究及其复合果汁制备

张南海，刘芮瑜，董筱睿，郭艺展，余千慧，赵 亮,，张列兵，王成涛，吴 薇，籍保平，葛章春，周 峰,

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，植物源功能食品北京市重点实验室，北京 100083；2.北京工商大学 北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京 100048；3.中国农业大学工学院，北京 100083；4.生命果有机食品股份有限公司，河南 新乡 453300）

黑莓（Rubus spp.）是树莓的一种，属于蔷薇科悬钩子属，其含有丰富营养成分和功能性成分，具有很多健康功效，如眼睛光损伤保护、肝损伤保护、抗氧化、抗炎、降血脂等[1-5]。据调查，黑莓鲜食率不到10%，90%以上黑莓用于初加工或精深加工，黑莓汁是其中重要的产品形式，但黑莓存在酸度较高（总酸质量分数超过1%）及其花色苷稳定性较差等问题，严重影响了黑莓汁的品质，制约了黑莓产品的开发[6-7]。目前部分研究通常加入蔗糖、果葡糖浆等调节黑莓汁的糖酸比，不符合当前健康饮食的需求，且最终果汁口感较单薄，花色苷稳定性未能提高[8-9]。紫薯中含有丰富的淀粉和酰基化花色苷等，将紫薯淀粉经过液化糖化与黑莓汁进行复配，不仅可提高黑莓汁的糖酸比，还可提高黑莓汁中花色苷的稳定性[10-11]。但前期研究发现，采用100%黑莓汁与紫薯糖液调配成复合果汁无法达到理想效果，因此，本实验先将黑莓汁进行降酸，再与紫薯糖液进行调配，以期获得口感良好的果汁。

目前，果汁的降酸方法主要有化学降酸法、生物降酸法和物理降酸法3 种[12]。虽然化学降酸法操作简单、降酸效果良好，但在一定程度上影响了果汁的口感和色泽，且与消费者追求天然无添加剂的消费心理相悖，因而在实际生产中已很少使用；生物降酸法主要应用于果酒的降酸，对酸度较高的果汁降酸效果较差，应用较少；物理降酸法分为冷冻降酸法、离子交换树脂法和电渗析法，冷冻降酸法局限于葡萄汁的降酸，另2 种方法降酸能力强、无需添加化学试剂、能耗低，且对果汁颜色和风味影响较小，但电渗析法成本较高，目前应用较少，而离子交换树脂法易操作、可重复利用、成本较低，适合于大规模工业化生产[13-14]。因此，本实验选用离子交换树脂法对黑莓汁进行降酸。

本实验分析黑莓鲜果的基本成分，选用8 种阴离子交换树脂对黑莓汁进行降酸处理，通过静态和动态吸附实验确定最佳降酸工艺。以感官评分为指标选出最佳黑莓汁与紫薯糖液配比制备黑莓紫薯复合果汁，通过加速贮藏实验研究紫薯糖液对黑莓汁中花色苷稳定性的影响。本研究可为解决黑莓酸度高和花色苷稳定性差等问题提供思路，为黑莓果汁加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑莓鲜果、黑莓浓缩汁（可溶性固形物含量为65.1 °Brix）由河南省生命果有机食品股份有限公司提供，-20 ℃保存；鲜紫薯 北京市购。

201×7树脂、D311树脂、D314树脂 浙江争光实业股份有限公司；LX-300树脂、LXZ-67树脂 西安蓝晓科技有限公司；Lewait MP 62-ENG树脂 德国朗胜集团；Amberlite IRA 67树脂、Amberlite FPA 51树脂 美国罗门哈斯公司；葡萄糖标准品 北京欣经科生物科技有限公司；没食子酸标准品、福林-酚试剂 美国Sigma公司；柠檬酸、L-苹果酸、D-苹果酸标准品 上海源叶生物科技有限公司；乙腈（色谱级） 美国J.T.Baker公司；Liquozyme Supra耐高温α-淀粉酶（135 KNU/g）、Dextrozyme Dx复合糖化酶（葡萄糖淀粉酶170 AGU/g、普鲁兰酶340 NPUN/g） 丹麦诺维信公司；其他所用试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

ROMI-KON超滤机 美国科氏工业集团；中空纤维超滤膜（聚砜，截留分子质量30 000～50 000 Da）天津大川科技发展公司；AY 2 2 0精密分析天平（0.000 1 g）、LC-10A高效液相色谱仪 日本岛津公司；HZS-H水浴振荡器 哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；pH-21 pH计 德国Sartorius公司；LB80手持糖度计 广州市铭睿电子科技有限公司；HH·SY11-Ni电热恒温水浴锅 北京市长风仪器仪表公司；K9860凯式定氮仪 济南海能仪器股份有限公司；SpectraMax M2e多功能酶标仪 美国Molecular Devices公司；DHG-9075A电热鼓风干燥箱、LRH-70生化培养箱 上海一恒科学仪器有限公司；3K15冷冻离心机 德国Sigma公司；JYL-Y5料理机九阳股份有限公司；RE-2000旋转蒸发仪、SHZ-III循环水真空泵 上海亚荣生化仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 黑莓基本成分分析

水分含量测定：参考GB/T 5009.3—2016《食品中水分的测定》，直接干燥法；蛋白质含量测定：参考GB/T 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》，凯氏定氮法；脂肪含量测定：参考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》，索氏抽提法；膳食纤维含量测定：参考GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》，酶重量法；VC含量测定：参考GB 5009.86—2016《食品中抗坏血酸的测定》，2,6-二氯靛酚滴定法；pH值测定：使用pH计测定；可溶性固形物含量测定：使用手持糖度计测定；总糖含量测定：采用蒽酮比色法[15]；可滴定酸含量测定：参考GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》，电位滴定法，以柠檬酸计；总酚含量测定：采用Folin-Ciocalteu法[16]；花色苷含量测定：采用pH示差折光法测定[17]。

有机酸含量测定：采用高效液相色谱法测定[18-19]，稍有改动。色谱条件：Inertsil ODS-SP C18色谱柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流动相为乙腈-0.02 mol/L NaH2PO4溶液（97∶3，V/V），pH 2.50，流速0.5 mL/min，柱温30 ℃，进样量10 μL，检测波长210 nm。通过外标法进行定量，选择L-苹果酸、D-苹果酸和柠檬酸作为对照标准品。样品或标准品经0.45 μm微孔滤膜过滤后进样检测。

1.3.2 黑莓汁预处理

向黑莓浓缩汁中加入一定量蒸馏水将其复原为黑莓原汁（可溶性固形物含量为10 °Brix），为防止黑莓汁进行树脂降酸时其中大分子物质堵塞树脂，需将黑莓汁经2 352×g离心10 min后使用中空纤维超滤膜超滤，4 ℃贮存备用。

1.3.3 黑莓汁树脂降酸

1.3.3.1 树脂预处理

参照王鸥等[20]的方法进行树脂预处理，树脂使用一定量蒸馏水浸泡24 h后湿法装柱，弃去水溶液，使用2～4 倍树脂体积4% NaOH溶液和4% HCl溶液在离子交换柱中依次洗涤，每次洗涤后用蒸馏水冲洗，直至出水pH值为中性，最后使用2～4 倍树脂体积4% NaOH溶液将树脂转型，再用蒸馏水冲洗至中性。

1.3.3.2 树脂静态吸附动力学实验

准确量取预处理的201×7、D311、D314、LX-300、LXZ-67、Lewait MP 62-ENG、Amberlite IRA 67、Amberlite FPA 51离子交换树脂各20 mL，转移至500 mL烧杯中，分别向烧杯中加入400 mL超滤的黑莓汁，置于摇床振荡6 h，控制转速为130 r/min，每隔10 min测定黑莓汁可滴定酸含量，计算表观交换吸附量，以时间为横坐标，表观交换吸附量为纵坐标作图，绘制树脂静态吸附动力学曲线，并获得树脂交换吸附平衡时间。同时测定平衡后黑莓汁pH值、花色苷含量、可溶性固形物含量和有机酸含量，评价树脂的吸附性能，选择最佳的离子交换树脂。树脂表观交换吸附量按式（1）计算：

式中：q为表观交换吸附量/（g/L）；C0为吸附前黑莓汁中可滴定酸质量浓度/（g/L）；C为吸附后黑莓汁中可滴定酸质量浓度/（g/L）；V为处理黑莓汁的体积/mL；L为树脂的体积/mL。

1.3.3.3 树脂动态吸附动力学实验

准确量取20 mL处理后的湿树脂装入Φ20 mm×200 mm离子交换柱中，黑莓汁以流速5～35 BV/h（1 BV=50 mL）通过恒流泵泵入交换柱顶部，流经树脂，降酸后的黑莓汁以10 mL一管接收，检测每管黑莓汁中可滴定酸含量，直至降酸后的黑莓汁中可滴定酸含量不再变化时，表明树脂已达到饱和，即可停止实验。以黑莓汁体积为横坐标，可滴定酸漏出率为纵坐标作图，绘制树脂动态吸附动力学曲线。在实际生产中，降酸后汁液通过混合收集而成，因此，需要计算累计可滴定酸，以黑莓汁体积为横坐标，以累计可滴定酸为纵坐标作图，从而进一步确定二者之间的关系。可滴定酸漏出率按式（2）计算：

式中：LR为可滴定酸漏出率/%；TAi为某一收集体积的黑莓汁中可滴定酸质量浓度/（g/L）；TA0为未流经树脂的黑莓汁中可滴定酸质量浓度/（g/L）。

1.3.3.4 树脂再生

用蒸馏水将使用后的树脂冲洗至流出液澄清，使用4% NaOH溶液以2 BV/h流速洗涤树脂约2～6 h，再使用蒸馏水洗涤至流出液pH值为10～11，保存备用。

1.3.4 黑莓紫薯复合果汁制备

1.3.4.1 紫薯糖液制备

参照前期研究[21]制备紫薯糖液，将鲜紫薯洗净去皮、刨丝，按照质量与体积比1∶0.8比例与蒸馏水进行混合，用料理机进行打浆，获得紫薯浆液，按照0.9 mL/kg添加量加入耐高温α-淀粉酶，搅拌均匀，95 ℃水浴水解3 h，每30 min搅拌一次，得到紫薯液化液，待其降温至60 ℃左右，用柠檬酸调节pH值至4.2～4.3，按照1.2 mL/kg添加量加入复合糖化酶，搅拌均匀，60 ℃水浴水解3.5 h，每30 min搅拌一次，得到紫薯糖化液。使用尼龙纱布过滤紫薯糖化液，2 352×g离心10 min后使用中空纤维超滤膜进行超滤，旋转蒸发打浆时加入的水分，得到紫薯糖液，4 ℃贮存备用。

1.3.4.2 黑莓紫薯复合果汁制备

将降酸后可滴定酸质量浓度为10 g/L树莓汁与紫薯糖液按照一定比例进行混合，邀请10 名经培训的食品专业人员进行感官评价，根据表1感官评价标准进行评分。

表1 黑莓紫薯复合果汁感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of blackberry and purple sweet potato juice blends

1.3.5 黑莓紫薯复合果汁花色苷稳定性

按照上述最佳黑莓汁与紫薯糖液比例，使用蒸馏水代替紫薯糖液作为黑莓汁，使用蒸馏水代替黑莓汁作为紫薯汁，使用柠檬酸和碳酸钠调节黑莓紫薯复合果汁、黑莓汁、紫薯汁pH值至3.30，然后装瓶、灭菌，分别置于37 ℃和47 ℃生化培养箱中进行加速贮藏实验，每隔7 d测定复合果汁的花色苷含量，计算花色苷相对含量（第n天花色苷含量/第0天花色苷含量）。

1.4 数据处理

实验结果采用Excel软件进行处理，以 ±s表示，采用SPSS 25.0统计软件单因素方差分析ANOVA和Duncan多重比较检验分析数据间显著性，P＜0.05，差异显著，采用GraphPad Prism 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 黑莓基本成分分析

表2 黑莓鲜果基本成分Table 2 Chemical components of blackberry fruit

由表2可知，黑莓中水分质量分数最高，为87.75%，蛋白质、总糖、VC含量符合相关报道[22]。黑莓的酸度较高，可滴定酸质量分数超过1%，糖酸比为4.1∶1，主要有机酸种类为L-苹果酸、D-苹果酸和柠檬酸，其中L-苹果酸含量最高，糖酸比用于判断消费者所接受的酸甜程度，而研究发现通常酸甜适口的果汁糖酸比为10∶1～15∶1[23]，因此，黑莓汁需进行降酸以达到消费者可接受程度。除了基本营养成分，黑莓还含有丰富的花色苷等多酚类功能成分，其总酚和总花色苷含量高达（518.9±4.3）mg/100 g和（235.6±0.9）mg/100 g。

2.2 树脂静态吸附降酸结果

2.2.1 不同树脂静态吸附动力学曲线

图1 不同树脂的静态吸附动力学曲线Fig. 1 Static adsorption kinetic curves of different resins

从图1可以看出，随时间的延长，8 种树脂的可滴定酸表观交换吸附量均呈先迅速升高再缓慢升高最后趋于平缓的趋势，可能由于开始树脂上的OH-与黑莓汁中阴离子交换速度快，树脂吸附有机酸能力强，一段时间后阴离子交换接近饱和，树脂吸附有机酸能力减弱，最后树脂吸附量达到饱和。8 种树脂表观交换吸附量由大到小为LX-300＞Amberlite FPA 51＞Amberlite IRA 67＞LXZ-67＞D311＞D314＞Lewait MP 62-ENG＞201×7。按照树脂孔隙度的大小，LX-300、Amberlite IRA 67、LXZ-67、201×7为大孔型树脂，Amberlite FPA 51、D311、D314、Lewait MP 62-ENG为凝胶型树脂，总体来看，凝胶型树脂的降酸效果优于大孔型树脂，结果与杨维军[24]研究结果一致，可能由于大孔型树脂孔径较大，表面积较小，交联度较高，对离子选择性较差，而凝胶型树脂孔径小，对离子选择性优于大孔型树脂[25]。按照树脂官能团的性质，201×7为强碱性阴离子树脂，其余7 种为弱碱性阴离子树脂，201×7的表观交换吸附量最低，由于阴离子树脂降酸主要是树脂吸附果汁中OH-，强碱性阴离子树脂对OH-吸附能力低于弱碱性阴离子树脂，因此强碱性阴离子树脂的降酸效果弱于弱碱性离子树脂[26]。

2.2.2 不同树脂对黑莓汁理化指标的影响

树脂处理黑莓汁过程中，树脂不仅可以吸附有机酸，同时也能吸附黑莓汁中花色苷[27]，而花色苷是黑莓汁主要呈色物质和功能成分，因此，树脂降酸过程中，需尽可能多地保留黑莓汁中的花色苷。由表3可知，黑莓汁表观交换吸附量越大，可滴定酸含量越小，pH值越高，降酸效果越好。经8 种树脂处理后，黑莓汁花色苷和可溶性固形物含量降低，说明树脂对黑莓汁花色苷和可溶性固形物有一定吸附作用，且不同树脂吸附作用不同。其中LX-300降酸效果最好，脱酸率为66.4%；201×7脱酸效果最差，脱酸率不足50%；LXZ-67脱酸率为55.6%。LX-300、Amberlite FPA 51、Lewait MP 62-ENG对黑莓汁花色苷吸附较严重，吸附率均在55%左右；LXZ-67、Amberlite IRA 67和201×7能较好地保留黑莓汁中花色苷，花色苷保留率分别为81.4%、78.5%和74.5%；Amberlite FPA 51树脂的平衡时间最短，表明在相同工作时间内处理的脱酸黑莓汁体积最少，同时Amberlite FPA 51和LX-300树脂处理的黑莓汁中可溶性固形物损失较大。

表3 不同树脂对黑莓汁理化指标的影响Table 3 Effect of different resins on physicochemical indexes of blackberry juice

2.2.3 树脂对黑莓汁中有机酸脱除率的影响

图2 树脂对黑莓汁中有机酸脱除率的影响Fig. 2 Effect of different resins on the removal rate of organic acids from blackberry juice

如图2所示，有机酸的脱除率与其在黑莓汁中的含量呈正比，且树脂不同，对不同有机酸的吸附效果不同。所有树脂的L-苹果酸脱除率均在50%以上，Amberlite FPA 51和201×7树脂的L-苹果酸脱除率较低，其余树脂之间无显著差异；柠檬酸的脱除率为35%～40%，D314树脂的柠檬酸脱除率最低，201×7树脂的柠檬酸脱除率最高，其余树脂之间差异较小；D-苹果酸的脱除率为9%～18%，Lewait MP 62-ENG树脂的D-苹果酸脱除率最低，其余树脂之间差异较小。结果的差异主要与树脂的骨架结构和有机酸的结构有关[20,28]。

从静态吸附降酸结果可以看出，LXZ-67和Amberlite IRA 67的降酸效果和花色苷、可溶性固形物保留效果均较好且接近，但进口树脂Amberlite IRA 67价格昂贵，因此，综合考虑生产成本，选择LXZ-67树脂作为黑莓汁降酸用树脂，研究其动态吸附降酸。

2.3 树脂动态吸附降酸结果

2.3.1 流速对可滴定酸漏出率和累计可滴定酸的影响

图3 流速对LXZ-67树脂可滴定酸漏出率（A）和累计可滴定酸（B）的影响Fig. 3 Effect of flow rate on leakage rate of titratable acid (A) and accumulated titratable acid (B) adsorbed onto LXZ-67 resin

由图3A可知，在降酸初始阶段，可能由于LXZ-67树脂上的交换离子浓度较大，交换动力较强，可滴定酸漏出率变化速率较快，且流速越大，漏出率变化速率越快[20]。处理一定体积黑莓汁后可滴定酸漏出率变化速率减缓，当漏出率达到100%时，树脂吸附量达到饱和，记作漏点出现。从漏点出现时间来看，流速20 BV/h处理的黑莓汁体积最大，其次为35 BV/h，最小为5 BV/h。

由图3B可知，当累计可滴定酸达到10 g/L时，LXZ-67树脂以流速5、20 BV/h和35 BV/h处理的黑莓汁体积分别为8、10.5 BV和6 BV，处理体积越大，表明树脂的脱酸效率越高，因此，树脂以20 BV/h流速处理黑莓汁脱酸效率最高，而流速过快，树脂与黑莓汁接触时间短，吸附有机酸不够充分，树脂的利用率降低；流速过低，树脂与黑莓汁接触时间延长，处理的黑莓汁体积变少，还可能加大树脂对黑莓汁中花色苷、可溶性固形物等物质的吸附作用。

图4 流速对LXZ-67树脂可滴定酸漏出率（A）和累计可滴定酸（B）的影响Fig. 4 Effect of flow rate on leakage rate of titratable acid (A) and accumulated titratable acid (B) adsorbed onto LXZ-67 resin

为确定黑莓汁最适降酸流速，则缩小流速范围，研究15、20 BV/h和25 BV/h流速下LXZ-67树脂对黑莓汁的降酸效果。从图4A可以看出，3 个流速下黑莓汁可滴定酸漏出率的变化趋势接近，达到漏点出现时间时，流速20 BV/h处理的黑莓汁体积略大于15 BV/h和25 BV/h。

从图4B可知，3 个流速下黑莓汁累计可滴定酸含量变化趋势接近，当累计可滴定酸质量浓度达到10 g/L时，流速25 BV/h处理的黑莓汁体积略低于15 BV/h和20 BV/h。在实际生产过程中，为获得降酸效果、体积越大的黑莓汁，需综合考虑生产效率、生产成本及树脂利用率，其中15 BV/h和20 BV/h在有限的时间内可以处理黑莓汁的体积接近，在达到同等可滴定酸含量时流速越大，所需时间越短，生产效率越高。综上，流速20 BV/h更适合黑莓汁树脂降酸。

2.3.2 流速对花色苷含量的影响

表4 流速对黑莓汁中花色苷含量的影响Table 4 Effect of flow rate on retention rate of anthocyanins

从表4可以看出，在处理10 BV和15 BV黑莓汁时，流速20 BV/h处理黑莓汁后花色苷质量浓度最高，处理20 BV黑莓汁时，流速20 BV/h和25 BV/h处理黑莓汁后花色苷质量浓度较高，可能由于流速过低，延长了树脂与黑莓汁的接触时间，加大了树脂对花色苷的吸附程度。从树脂动态吸附降酸结果可以看出，流速过低，树脂与黑莓汁的离子交换速率较慢，达到漏点出现时间时处理黑莓汁体积较少，对黑莓汁中花色苷的吸附程度变大，花色苷保留率越低；流速过大，树脂上的OH-与黑莓汁中阴离子交换不充分，树脂利用率较低。从实际生产效率、生产成本和树脂利用率考虑，选择20 BV/h作为黑莓汁降酸流速。

2.4 黑莓紫薯复合果汁调配结果

表5 黑莓紫薯复合果汁感官评价结果Table 5 Sensory evaluation of blackberry and purple sweet potato juice blends

如表5所示，随着糖液添加量的增加，复合果汁的糖酸比逐渐升高，糖液开始弥补黑莓汁酸度对复合果汁口感的影响，感官评分逐渐升高，糖液添加量为25 mL时，感官评分最高，为82.11，糖酸比为14.6∶1，酸甜适口。糖液添加量进一步增加，可能由于甜度过大，口感变得厚重，且紫薯糖液会掩盖树莓的香气，感官评分降低。综上，黑莓汁与紫薯糖液复合果汁最佳调配体积比为4∶1。

2.5 紫薯糖液对黑莓汁花色苷稳定性的影响

图5 37 ℃（A）和47 ℃（B）贮藏期间复合果汁花色苷相对含量的变化Fig. 5 Changes in the relative content of anthocyanins in fruit juice blends during storage at 37 ℃ (A) and 47 ℃ (B)

将调配好的黑莓紫薯复合果汁于37 ℃和47 ℃恒温培养箱中进行加速贮藏实验，如图5所示。随着贮藏时间的延长，花色苷相对含量均呈逐渐降低的趋势，47 ℃条件下果汁花色苷相对含量下降速度快于37 ℃，47 ℃条件下第7天3 种果汁花色苷含量均降低了50%，而37 ℃条件下第7天紫薯汁和复合果汁花色苷含量仍高于初始的50%，由于花色苷稳定性受温度影响较大，温度越高，导致花色苷从有色型化合物形式向无色的查尔酮形式转变，且花色苷降解速率越大[29]。3 种果汁的花色苷降解速率由小到大顺序为紫薯汁＜复合果汁＜黑莓汁，可能由于紫薯中主要是酰基化花色苷，研究表明酰基结构可与吡喃结构的π键共轭或者堆叠，从而避免C骨架被水亲核攻击，表现出较为稳定的状态[11,29]；而黑莓中主要为非酰基化花色苷，在贮藏过程中降解速率快[30]；复合果汁中添加了一定量紫薯糖液，紫薯酰基化花色苷可提高黑莓汁的花色苷稳定性，其花色苷降解速率介于紫薯汁和黑莓汁之间。

3 结 论

分析黑莓鲜果的基本成分，发现其富含有机酸、花色苷等营养与功能成分，但糖酸比过低，为了减少其有机酸含量，本实验使用阴离子交换树脂对黑莓汁进行脱酸处理。通过静态吸附实验，从8 种树脂中选出降酸效果、花色苷和可溶性固形物保留效果均较好、价格相对低廉的LXZ-67树脂对黑莓汁进行降酸处理。通过动态吸附实验，确定以20 BV/h流速处理黑莓汁时LXZ-67树脂的处理效率和花色苷保留率较高，适合实际生产及推广。使用紫薯糖液进一步调节降酸后黑莓汁的糖酸比，通过感官评价，得出黑莓汁与紫薯糖液的最佳配比为4∶1，此时黑莓紫薯复合果汁酸甜适口，通过将复合果汁进行加速贮藏实验，结果表明紫薯糖液可提高黑莓汁的花色苷稳定性。