复合澄清剂澄清姜汁的工艺

张睿，卢艺惠，王朝宇，毕艳红*，赵祥杰，刁怡涵

1. 淮阴工学院化学工程学院（淮安 223003）；2. 淮阴工学院生命科学与食品工程学院（淮安 223003）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）是姜科姜属多年生宿根草本植物的根茎，味辛，性温，具有独特的芳香味和姜辣味[1-2]。生姜具有化痰止咳、温中止呕、发散风寒、兴奋神经、加速血液循环及解毒等功效[3]，同时还含有丰富的人体必需营养素及一些微量元素[4]。壳聚糖对许多物质都具有鳌合吸附作用，其带电的阳离子可与果汁中带负电的胶体物质产生静电从而使之絮凝沉淀，达到澄清的目的[5-7]。研究表明，壳聚糖对梨汁[8]、哈密瓜汁[9]、枇杷汁[10]、甘蔗汁[11]等具有较好澄清效果，但是在实际应用中，也存在如吸附选择性不好、适用pH范围较窄，达到平衡所需时间长等缺点，所以对壳聚糖进行改性研究，使其达到较理想的吸附效果显得尤为重要。凹土是一种稀有的天然非金属黏土矿物，在我国主要集中在苏皖地区，其中盱眙地区的凹土已探明储量约占全球49%。主要矿物成分是凹凸棒石，具有层内贯穿孔道，表面凹凸相间布满沟槽的特点，可将大部分的阳离子、水分子和部分有机分子直接吸附进孔道中，且凹凸棒石具有热稳定性好、机械强度高、抗微生物腐蚀以及抗有机溶剂等优点，因此广泛用于脱色剂和吸附剂等领域[12-13]。由于中国丰富的姜资源及姜本身具有的一系列功效，姜汁饮品逐步受到广大消费者喜爱，但是姜汁在贮存过程中，容易产生浑浊，对姜汁的批量生产造成很大的困难。常用的澄清方法虽然较为成熟，但在实际应用中存在操作复杂、成本较高、澄清效果不佳及澄清周期长等缺点。

采用凹土-壳聚糖对姜汁进行澄清，考察护色剂添加量、凹土-壳聚糖添加量、澄清温度、澄清时间四个因素对澄清效果的影响。同时，将其与纯化凹土、酸化凹土进行澄清试验的对比，进一步考察凹土-壳聚糖的澄清效果，制得颜色鲜艳、透光度高的姜汁产品，为姜资源的开发利用增添新途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜（淮安市售）；凹凸棒黏土（淮安盱眙产）；盐酸、草酸、乙酸、无水乙醇、氢氧化钠（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；香草醛（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；牛血清蛋白、考马斯亮蓝（均为生化试剂，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

MS系列磁力搅拌器（上海般特仪器有限公司）；HHS2型数显恒温水浴锅（金坛市荣华仪器制造有限公司）；DHG-9030型电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；J-26XP高速冷冻离心机（贝克曼库尔特商贸（中国）有限公司）；PHS-3C酸度计（上海鸿盖仪器有限公司）；UV-1800紫外可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司）；FA2004B精密电子天平（上海精科天美科学仪器有限公司）；WH-3微型漩涡混合仪（上海沪西分析仪器厂有限公司）；小型打浆机（山东九阳小家电有限公司）。

1.3 试验方法

凹土-壳聚糖的制备，参照赵振刚等[14]的方法制备凹土-壳聚糖；姜辣素的测定，参照廖钦洪等[15]的方法测定姜辣素含量，以mg/g表示；蛋白质含量的测定，用考马斯蓝亮法测定蛋白质的含量，以μg/mL表示；可溶性固形物含量的测定，通过折光法测定可溶性固形物的含量；澄清度的测定，用紫外-可见分光光度计在650 nm波长下对凹土-壳聚糖处理的澄清液测定其透光度，确定生姜汁澄清的最佳工艺条件。

1.4 姜汁澄清工艺的研究

1.4.1 柠檬酸添加量的确定方法

1.4.2 单因素试验方法

凹土-壳聚糖添加量：在30 mL姜汁中分别加入0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 g凹土-壳聚糖，搅拌，室温静置1 h后离心，取上清液测其透光率。

澄清温度：在30 mL姜汁中加入0.3 g凹土-壳聚糖，搅拌后，分别将其放入20，30，40，50，60和70℃水浴中保温静置1 h后离心，取上清液测其透光率。

澄清时间：在30 mL姜汁中加入0.3 g凹土-壳聚糖，搅拌后，在室温下分别静置10，20，30，40，50和60 min后离心，取上清液测其透光率。

而且今年，我们还很高兴邀请到了专攻新西兰葡萄酒的专家，刘玲女士辅助David作翻译讲解。David的专业讲解，刘玲老师在翻译之余也时不时抛出自己的经验和种种干货，让参与嘉宾赞声连连。也难怪有嘉宾表示：“内容很多干货。看得出大师选酒很用心。每款酒都能代表产区特色、品种风格，哪怕是同样品种，不同酒款的特色也很鲜明，让我们深入感受到，个性新西兰，何止长相思。”

1.4.3 正交试验方法

综合单因素影响试验的结果，分别选取凹土-壳聚糖添加量、澄清温度、澄清时间中对姜汁澄清影响显著的3个因素，在单因素试验的基础上采用三因素三水平的正交试验。

2 结果与分析

2.1 香草醛回归方程的确定

以无水乙醇作空白，用紫外-可见分光光度计测定香草醛溶液在最大吸收波长280 nm处的吸光度A，试验结果见表1。

根据表1绘制标准曲线，见图1。所得线性回归方程式A=0.022 2C+0.002 8，R2=0.999 6，表明香草醛在2～12 μg/mL范围内很好地符合朗伯-比尔定律。

表1 香草醛标准溶液浓度与吸光度

图1 香草醛标准曲线回归方程

2.2 蛋白质标准曲线的确定

用紫外-可见分光光度计测定蛋白质溶液在最大吸收波长595 nm处的吸光度A，试验结果见表2。

根据表2绘制标准曲线，见图2。所得线性回归方程式A=0.282C-0.005 3，R2=0.999 1，表明蛋白质在0～140 μg/mL范围内很好地符合线性关系。

表2 蛋白质标准溶液浓度与吸光度

图2 蛋白质标准曲线回归方程

2.3 姜汁澄清工艺的优化

2.3.1 柠檬酸添加量的确定结果

从表3可以看出，随着柠檬酸添加量增加，姜汁色由原先的棕黄色变成鲜艳明亮的淡黄色。柠檬酸用量0.4%时，可以起到较好护色效果，得到的姜汁呈鲜艳淡黄色；继续增加柠檬酸添加量，姜汁色泽变化不明显，但是姜汁较酸，对姜汁的品质产生较大的影响。因此，确定柠檬酸添加量为0.4%。

表3 柠檬酸添加量与姜汁护色效果的关系

2.3.2 姜汁澄清工艺的单因素试验结果

1) 凹土-壳聚糖添加量的确定

在澄清温度50 ℃，澄清时间40 min条件下，考察凹土-壳聚糖添加量对姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白质及可溶性固形物含量的影响，试验结果如图3和表4所示。凹土-壳聚糖添加量0.1～0.3 g时，姜汁透光度提高迅速；澄清剂添加量大于0.3 g时，姜汁透光度逐渐趋于平衡。澄清姜汁中，蛋白质及可溶性固形物含量均随着澄清剂添加量增加不断减少，这可能是因为凹土具有较强吸附作用，壳聚糖又是阳离子型絮凝剂，凹土与壳聚糖结合可与酸性环境中带负电荷的可溶性蛋白质、纤维素、果胶、悬浮颗粒等物质发生很强的凝集作用[16-18]。添加量0.3 g时，透光度和姜辣素含量较平衡，选取0.2，0.3和0.4 g作为正交试验的范围。

表4 凹土-壳聚糖添加量对姜汁主要成分的影响

图3 凹土-壳聚糖添加量对姜汁澄清效果的影响

2) 澄清温度的确定

在凹土-壳聚糖添加量0.3 g，澄清时间40 min条件下，考察澄清温度对姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白质及可溶性固形物含量的影响，试验结果如图4和表5所示。在20～50 ℃之间，随着温度上升，姜汁的透光度逐渐增大，而蛋白质及可溶性固形物含量下降；此后随着温度上升，透光度呈现下降趋势，而蛋白质及可溶性固形物含量随着温度升高呈现回升趋势。这可能是因为在开始阶段，随着温度升高，果汁的澄清速率加快；温度继续升高，解吸速率的增加及蛋白质、糖分等遭到破坏，从而导致透光度下降[19]。综合澄清度与姜辣素的含量，选取40，50和60 ℃作为正交试验的范围。

表5 澄清温度对姜汁主要成分的影响

图4 澄清温度对姜汁澄清效果的影响

3) 澄清时间的确定

在凹土-壳聚糖添加量0.3 g，澄清温度50 ℃条件下，考察澄清时间对姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白质及可溶性固形物含量的影响，试验结果如图5和表6所示。在10～50 min之间，随着澄清时间增加，透光度逐渐增大；50 min以后，略有下降。这说明随着时间延长，凹土-壳聚糖颗粒与姜汁中胶体颗粒的接触越来越充分，澄清效果增强。这是因为凹土-壳聚糖与姜汁中的胶体物质发生相互作用，产生絮凝沉淀物的沉降速度有限，沉降需要一定时间，但若絮凝沉淀物在果汁中停留时间过长，会造成部分沉淀物重新溶解，导致姜汁再次产生轻微混浊[20]。

随着澄清时间增加，可溶性固形物含量基本没有变化，而蛋白质及姜辣素含量逐渐降低并趋于平稳。凹土-壳聚糖在澄清姜汁时主要是正负电荷的吸附和凹土表面的吸附作用，在50 min时凹土对姜汁的吸附接近吸附平衡。综合透光度和姜辣素含量，选取40，50和60 min作为正交试验范围。

2.3.3 姜汁澄清工艺的正交试验

1) 正交试验结果

采用正交试验优化姜汁澄清工艺，根据透光度大小变化，对影响澄清效果的凹土-壳聚糖添加量（A）、澄清温度（B）、澄清时间（C）3个因素进行L9(33)正交试验，因素水平及正交试验结果见表7和表8。

表6 澄清时间对姜汁主要成分的影响

图5 澄清时间对姜汁澄清效果的影响

表7 因素水平表

表8 正交试验结果分析表

由正交试验结果可以得出影响透光度的主次因素为A＞B＞C，即凹土-壳聚糖添加量＞澄清温度＞澄清时间，优水平为A2B2C2，但是正交试验中的9组试验不包含这一组合，组合试验中第6组A2B1C2透光度最高，因此需要通过验证试验确定透光度的最优方案。

同理，从结果得出影响姜辣素含量的主次因素为B＞A＞C，即澄清温度＞凹土-壳聚糖添加量＞澄清时间，优水平为A1B2C1，但是正交试验中的9组试验不包含这一组合，组合试验中第2组A1B2C2姜辣素含量最高，因此也需要通过验证试验确定姜辣素含量的最优方案。

2) 验证性试验结果

分别将4个组合进行验证性试验，以确定姜汁澄清工艺的最优方案，试验结果如表9所示。

由验证性试验结果可以看出，A1B2C2和A1B2C1的姜辣素含量虽然比较高，但是透光度较低，只有94%左右；而A2B1C2和A2B2C2的姜辣素含量虽然稍低，但是透光度达到97%以上，明显高于另外2个组合。其中，A2B2C2透光度较高且姜辣素含量也略低于A1B2C2和A1B2C1，达到2.72 mg/g。因此，选定A2B2C2组合为生姜汁澄清的最优工艺条件，凹土-壳聚糖添加量0.3 g，澄清温度50 ℃，澄清时间50 min。

表9 验证性试验结果

3) 对比试验结果

为了进一步考察凹土-壳聚糖的澄清效果，将其与纯化凹土、酸化凹土进行澄清试验的对比。如图6所示，纯化凹土、酸化凹土及凹土-壳聚糖对姜汁都起到一定的澄清作用。姜汁经纯化凹土澄清后透光度达为85.5%，经酸化凹土澄清后可达89.1%，凹土-壳聚糖的澄清效果则可达97.0%。因此，使用凹土与壳聚糖复配作为澄清剂可行，并且效果比使用单一澄清剂好。

图6 不同澄清剂对姜汁澄清效果的比较

2.4 贮藏过程中姜汁的变化

姜辣素是生姜呈现辛辣味的主要物质，具有较强抗氧化[21]、止呕、抑菌[22]及降低胆固醇[23]等作用。贮藏温度和时间增加时，姜辣素含量有所降低；温度越高，减少量愈多。

可溶性固形物可直接反映姜汁在贮藏过程中的品质变化。由表10可知，贮藏时间和贮藏温度对姜汁可溶性固形物含量的影响均不明显，其含量变化幅度仅在0.1%～0.2%之间。这与刘兴辰等[24]研究发现一致。

多酚类化合物是一种较为活泼的化合物，其抗氧化性可对一些疾病起到预防的作用。由表10可知，贮藏过程中姜汁的总酚含量随贮藏时间增加呈现降低趋势，且随着贮藏温度升高，总酚含量降幅增加。这可能是因为在贮藏期间，姜汁中的溶解氧形成氧自由基后使酚类物质发生氧化，且酚类物质具有热不稳定性，最终使酚类物质发生降解[25]。

蛋白质是姜汁内的极为重要营养成分，通过蛋白质的变化可以反映姜汁贮藏效果的优劣。由表10可知，在贮藏期间，随着贮藏温度和时间增加姜汁的蛋白质含量持续下降。这可能是因为贮藏过程中澄清姜汁中残存的蛋白质发生团聚，形成沉淀。

表10 贮藏过程中姜汁的品质变化

3 结论

在姜汁澄清过程中，凹土-壳聚糖添加量为1 g凹土-壳聚糖/100 mL，护色剂柠檬酸最适添加量0.4%，澄清温度50 ℃，澄清时间50 min时，所得姜汁姜辣素含量达2.72 mg/g，澄清度达97%，且姜汁的稳定性较好。将凹土-壳聚糖与纯化凹土、酸化凹土进行澄清试验的对比，凹土-壳聚糖的澄清效果最好。虽然缩短澄清时间在一定程度上能提高姜辣素含量，但并不是很明显，且造成澄清度明显降低。