玫瑰香葡萄汁冷冻浓缩响应面工艺优化与品质研究

蒋文鸿，余金橙，刘素稳，*，柴迎辰

（1.中粮华夏长城葡萄酒有限公司，河北秦皇岛066600；2.河北科技师范学院食品科技学院，河北秦皇岛066604）

玫瑰香葡萄，又名麝香葡萄（Muscat），原产于英国，1871年传入我国[1]，主要种植地区是河北昌黎县[2-3]。玫瑰香葡萄除含糖量高外，还含有钙、钾、磷、铁、葡萄糖、果糖、酒石酸和多种维生素。近年来，随着玫瑰香葡萄的产量剧增[4]，且鲜葡萄的保存期较短，人们口味的变化，葡萄汁越来越受到大众的青睐。果汁经过浓缩后能够延长保藏期，且能够很好地保存原有的营养成分[5]。研究表明，冷冻浓缩技术[6]相较于热浓缩、膜浓缩[7]，对于果汁香气及营养成分的保留具有很大优势。在桑葚[8]、葡萄[9]、苹果[10]、柠檬[11]等果汁的冷冻浓缩中发现，冷冻工艺对营养成分及风味物质破坏程度相对偏低，具有保留独特风味的优势[12]。为了增加玫瑰香葡萄的产值，结合冷冻浓缩过程中冰晶极度强烈生长的机理，将玫瑰香葡萄冷冻浓缩为高浓度果汁，有利于生产中降低果汁贮藏和运输成本。本文根据葡萄汁浓度与冰晶生长状态的关系，优化冷冻浓缩工艺，开发改进并确定三级冷冻浓缩工艺，分析浓缩前后葡萄汁的营养成分变化，旨在为葡萄汁的工业化冷冻浓缩提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜玫瑰香葡萄：昌黎葡萄沟；果胶酶（60 000 U）：国药集团；FDU-1200小型冷冻装置：青岛海尔股份有限公司；WYT-4数字糖度计：日本埃朗科技；LZ-0.5多功能榨汁机：江苏科威机械有限公司；UV-2910紫外分光光度计：日本日立公司。

1.2 试验方法

1.2.1 葡萄汁制备

玫瑰香葡萄→挑选→洗净→去梗修整→打浆破碎→加入0.04%果胶酶→热处理（水浴45℃、1 h）→压榨分离果浆→灭酶冷却（微波处理3 min）→澄清（静置）→离心抽滤→新鲜葡萄汁

1.2.2 单因素试验

每次分别量取3份40 mL经过离心去杂的新鲜玫瑰香葡萄原汁，放到冷冻装置[13]中，调节到合适的温度（-3℃～-5℃，冷冻5 min后每隔30 s观察1次，直至葡萄汁中出现雪花状、絮状小冰晶，即表示达到冰点。继续冷冻后固液分离[14]，获得浓缩葡萄汁和冰晶，分别称量浓缩汁以及冰晶的质量，用数字糖度计测出浓缩汁浓度和冰晶融化后冰液中的可溶固形物含量[15]。

1.2.2.1 冷媒温度对结晶强度、冰晶纯度的影响

将可溶固形物含量为16°Brix的玫瑰香葡萄汁，在冷冻温度为-7、-9、-11、-13、-15、-16、-17、-19、-21、-23、-25℃下进行冷冻，当容器内葡萄汁达到冰点后开始计时，出现冰晶后延长1 h。固液分离称量冰晶重量并测定融化后的可溶固形物含量。

1.2.2.2 果汁浓度对结晶强度、冰晶纯度的影响

将冷媒温度预设为-15℃，设定浓度为12、14、16、18、20、22、24、26、28、30 °Brix，测定结晶强度与纯度。

1.2.2.3 冷冻时间对结晶强度、冰晶纯度的影响

预设冷媒温度为-15℃，设定冷冻时间为30、60、90、120、150 min，达到设定时间后测定结晶强度与纯度。

1.2.3 响应面优化试验

基于单因素试验用Box-Behnken模型分析软件，考虑到各种因素对冷冻浓缩葡萄汁结晶强度的影响以及冰晶的纯度，使用Expert 8.0.6.1建立的软件分析响应面优化[16]以得到理想工艺[17]，试验设计见表1。

表1 试验的因素水平表Table 1 Levels of three factors in the experiment

1.3 多级冷冻浓缩

多级冷冻浓缩葡萄汁处理流程示意图见图1。

图1 多级冷冻浓缩葡萄汁处理流程示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-stage freeze-concentrated grape juice treatment process

1.3.1 葡萄汁冰点曲线

将不同浓度的葡萄汁在最佳冷媒温度下依次放到冷冻装置内，将已标定的温度探头悬挂于葡萄汁溶液中。每隔30s记录1次溶液中的温度，当容器内葡萄汁出现冰晶时即为此时被测浓度葡萄汁的冰点温度，按照此方法严格记录所有浓度的葡萄汁冰点温度。

1.3.2 水分冻结率曲线

冻结率即冷冻浓缩中形成冰晶的水分占原果汁中总水分的百分比。

冻结率/%=[1/（1-X）]×[1-（X/Y）]×100

式中：X为果汁初始浓度，°Brix；Y为果汁浓缩后浓度，°Brix。

根据葡萄汁的冰点曲线可以进一步作物料衡算[18]，以冰点曲线为基础算出葡萄浓缩汁水分的冻结率，并绘制出冻结率曲线图。

1.3.3 多级冷冻浓缩效率

通过多步浓缩法[19]增加葡萄汁的浓度，计算损失率和浓缩率，公式如下：

式中：M1为结晶强度，g；M2为果汁初始质量，g ；C1为冰晶浓度，°Brix；C2为浓缩后果汁浓度，°Brix。

式中：C2为浓缩后果汁浓度，°Brix；C3为果汁初始浓度，°Brix。

1.3.4 可溶固形物含量与浓缩级数的回归方程

测定并记录不同冷冻级数中浓缩前、浓缩后冰液中的可溶固形物含量，得出回归方程并计算浓缩效率，分析高浓度葡萄汁与液态冰浓度系列之间的线性关系。

1.4 营养成分及理化指标的测定方法

三级冷冻浓缩后，将28.2°Brix的玫瑰香葡萄浓缩汁稀释至初始固形物含量12°Brix。达到与新鲜葡萄原汁等同的浓度，测定两种葡萄汁中的理化指标。

1.4.1 葡萄汁中黄酮含量的测定

制备芦丁[20]标准溶液，称取芦丁质量15.4 mg，用30%的乙醇定容至50mL，稀释至不同浓度，测定510nm波长下吸光度值。标准曲线回归方程为：Y=0.011 8X+0.002 5，R2=0.999 5。精密吸取1.0 mL葡萄汁样品置于10 mL刻度试管中，加5% NaNO2溶液0.3 mL，摇匀后放置 6 min，继续加 10% Al（NO3）3溶液 0.3 mL，摇匀后放置6 min，再加1.5 mol/L NaOH溶液 4.0 mL，再加60%乙醇至满刻度，摇匀后放置10min；测定510nm波长下吸光度值。

1.4.2 葡萄汁中总酚含量的测定

称取没食子酸0.110 g，溶解定容至1 000 mL，制作不同浓度梯度标液，测定760 nm吸光度[21]，标准曲线回归方程为Y=0.048X-0.007 1，R2=0.999 1。精密吸取1.0 mL葡萄汁样品，加入3.0 mL的福林酚试剂，摇匀避光静置30 s，再加入6.0 mL12% Na2CO3溶液，定容至25 mL，在760 nm处测定吸光度。

1.4.3 理化指标测定

pH值采用酸度计测定[22]，还原糖测定采用GB/T 5009.7-2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》[23]，总糖测定采用GB/T 31321-2014《冷冻饮品检验方法》[24]，VC含量测定采用 2，6-二氯酚靛法[25]，总酸测定采用文献中总酸含量的测定法[26]，色差值测定采用HunterLab 色差仪[27]。

随机选取25位同学参加感官评定，依据具体评分表分别从外观、色泽、香气、口感4个方面对新鲜葡萄汁、复原葡萄汁进行综合评价，判定冷冻浓缩后的葡萄汁是否具有投入市场销售的优良潜质。感官评价标准见表2。

1.5 统计分析

为减小试验误差，所测指标均重复3次，结果取其平均值。最终结果用“平均值±标准偏差”表示。用SPSS22.0进行Duncan′s多重差异分析试验数据的显著性，P＜0.05为差异显著，P＜0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 冷媒温度对结晶强度、冰晶纯度的影响

冷媒温度对结晶强度、冰晶纯度的影响见图2。

图2 冷媒温度对结晶强度、冰晶纯度的影响Fig.2 Effect of refrigerant temperature on crystallization strength and ice crystal purity

葡萄汁中逐渐产生冰晶表明：供应制冷的冷媒温度不仅仅可以提供葡萄汁中形成冰晶所需的能量损失，还会随着冷冻室温度的持续下降逐渐产生一定量的冰晶。在将冷却液温度从-13℃降低到-17℃的过程中，果汁会产生大量的冰晶，在-15℃以后增长缓慢，有效质量为21.8 g。选取冷媒温度在-13、-15、-17、-19℃4个突出点采用分析软件SPSS作显著性分析，方差分析表明：冷媒温度在-13℃和-15℃之间（P＜0.01）结晶强度极显著差异，在-13℃和-17℃之间（P＜0.05）显著差异；冷媒温度在-13℃和-19℃之间（P＜0.01）对冰晶纯度存在极显著差异。考虑冷冻效率和节能，选取-15℃浓缩效果最佳。

2.1.2 果汁浓度对结晶强度、冰晶纯度的影响

果汁浓度对结晶强度、冰晶纯度的影响见图3。

他转向一面墙，上面挂着一些靶子。所谓的靶子就是一个正方形胶合板，上有三个红色圆圈，我们每个人都有各自的靶子。只见老四双脚分开站立，双手握枪，瞄准目标，然后射击。一声巨响震痛了我的耳朵，我伸长脖子去看靶子，子弹刚好穿过了中间圆圈的正中心。

图3 果汁浓度对结晶强度、冰晶纯度的影响Fig.3 Effect of juice concentration on crystal strength and ice crystal purity

如图3所示，当果汁浓度增加，冰晶生成量明显减少。与此同时，由于玫瑰香葡萄汁本身糖度较高，有一定的黏度；随着果汁浓度的增加，黏度进一步增加，物质之间的键合效应增加，使得溶质分子难以与溶液中的冰晶分离，夹带在冰晶中的溶质的量增加，损失增加，不能获得理想效果。

葡萄汁浓度在 12、14、16、18 °Brix 之间对结晶强度、冰晶纯度均不存在显著差异（P>0.05）。综合表明温度在-15℃时，葡萄汁在16°Brix时冷冻浓缩效果较好。

2.1.3 冷冻时间对结晶强度、冰晶纯度的影响

冷冻时间对结晶强度、冰晶纯度的影响见图4。

冷冻时间增加，结晶强度和冰晶纯度随之增加。果汁中冰晶的纯度在90 min后，迅速增加。延长冷冻时间，冰晶夹带的可溶性固形物含量逐渐升高。因此，选择恰当的时间去除冰晶能有效地提高冷冻浓缩的效率，降低果汁损失率。

图4 冷冻时间对结晶强度、冰晶纯度的影响Fig.4 Effect of freezing time on crystallization strength and ice crystal purity

冷冻时间在60 min和120 min之间（P＜0.01）对结晶强度存在极显著差异；其余数据之间均不存在显著差异。冷冻时间在90 min和120 min之间（P＜0.01）对冰晶纯度存在极显著差异。故可得温度在-15℃时，果汁浓度在16°Brix时，冷冻时间在90 min时冷冻浓缩效果最佳。

2.2 响应面优化结果

响应面分析结果见表3。

表3 响应面分析结果Table 3 Response surface analysis results

2.2.1 结晶强度、冰晶纯度回归方程的建立及显著性检测

使用响应面软件[28]以结晶强度、冰晶纯度作为响应值，得到如下公式：

Y=25.4-2.99A-0.27B+3.41C+0.8AB+0.38AC-0.4BC-2.54A2-0.61B2+1.31C2

Y=7.46-1.1A+1.41B+2.84C+0.35AC+0.52BC+1.81A2+2.38B2+1.88C2

响应面回归方程方差分析见表4。

表4 响应面回归方程方差分析Table 4 Analysis of variance of response surface regression equation

由表4可知，在结晶强度方面表明通过试验获得的回归方程在F0.0001水平上是显著的，并且模型设计是合理且可靠的。R2adj=0.855 2表明试验设计模型与实测数据吻合良好，可以准确模拟实际测试数据。在冰晶纯度方面，F模型=29.26>（F0.01（9，4）=14.66），R2adj=0.940 8可得该模型的设计亦是合理的、准确的。交互项显著性检验见表5。

表5 交互项显著性检验Table 5 Interactive item significance test

由表5可知，结晶强度一次项A、二次项A2影响极显著，一次项C影响高度显著；冰晶纯度中一次项A、B、二次项 A2、C2影响极显著，一次项 C、二次项 B2影响高度显著。

2.2.2 响应值的联合优化结果与分析

两因素间交互作用的响应面图见图5～图7。

当冷冻时间为120 min时，随着冷媒温度的降低，预期值逐渐增高；冷媒温度与果汁浓度对模型预期值的相互作用[29]不显著（图5）。当冷媒温度在-16℃～-17℃、果汁浓度在 17°Brix～18°Brix时，模型的预期值[30]达到最高点0.909。

图5 冷媒温度和果汁浓度对综合值影响的响应面图Fig.5 Response surface map of the effects of refrigerant temperature and juice concentration on the composite value

图6 冷媒温度和冷冻时间对综合值影响的响应面图Fig.6 Response surface map of the effect of refrigerant temperature and freezing time on the composite value

图7 果汁浓度和冷冻时间对综合值影响的响应面图Fig.7 Response surface diagram of the effects of juice concentration and freezing time on the composite value

当果汁浓度为17.8°Brix时，随着冷媒温度的降低，冷冻时间增加，预期值逐渐升高，当冷媒温度在-14℃～-18℃、冷冻时间在110 min～120 min时，模型的预期值达到最高点0.909。冷媒温度与冷冻时间对模型预期值的相互作用不显著（图6）。

当冷媒温度为-16.14℃时，随着果汁浓度的升高，预期值逐渐升高。此时的等高线图不为椭圆形，果汁浓度与冷冻时间对模型预期值的相互作用不显著（图7）。

2.2.3 验证试验

响应面优化过程的最佳条件是冷却温度-15.39℃，果汁浓度15.35°Brix，时间93.6 min。在实际操作中，冷却温度-15.39℃难以控制，并且葡萄汁浓度为15.35°Brix操作准确性未知。故冷冻时间定为93.6 min，选择的冷冻温度为-15.0℃，果汁浓度为15.4°Brix。验证试验结果见表6。

表6 验证试验Table 6 Verification test

为确保响应面条件的绝对优化，故进行5次验证试验[31]，试验得出浓缩过程中冰晶平均强度为27.30 g，相对误差为3.4%，冰晶纯度为8.06°Brix，相对误差为2.6%。表明响应曲面设计优化结果准确可靠，可以帮助解决实际问题。

2.3 葡萄汁多级冷冻浓缩结果

2.3.1 葡萄汁冰点曲线及回归方程的建立

葡萄汁的冰点曲线见图8。

图8 葡萄汁的冰点曲线Fig.8 The freezing point curve of grape juice

由图8可以得出，葡萄汁冰点回归方程为y=-0.204 1x+0.870 3，在试验操作或葡萄汁冷冻浓缩生产过程中，可根据冰点回归方程式，迅速计算出葡萄汁浓度当前的冰点温度，当冷冻浓缩过程中出现此温度时，为使冰晶缓慢生长，可以降低冷却温度、降低能量消耗减少损失。

2.3.2 葡萄汁的冻结率曲线

葡萄汁冻结率曲线见图9。

图9 葡萄汁冻结率曲线Fig.9 Grape juice freezing rate curve

由图9看出，冻结率呈现先上升后下降趋势，说明浓度越高的葡萄汁在冷冻浓缩过程中需要耗费的能量越高，与此同时冰晶含量减少且果汁夹带率较高。由图9可知，葡萄汁的浓度逐渐升高，冻结点也相应地降低。

2.3.3 葡萄汁的多级冷冻浓缩效率

该部分试验选用果汁浓度为12°Brix的葡萄原汁为材料，利用小型冷冻浓缩装置多次对其进行冷冻浓缩。测定的结果如表7所示。

表7 各级浓缩葡萄汁可溶固形物含量Table 7 Concentrated grape juice soluble solids content

计算出每级冷冻浓缩状态下果汁可溶固形物含量的损失率以及各级葡萄汁浓缩效率，并作出多级冷冻浓缩葡萄汁损失率与浓缩率曲线图，如图10所示。

图10 多级冷冻浓缩葡萄汁损失率与浓缩率曲线Fig.10 Grape juice loss rate and concentration rate curves

由表7、图10可知，一级浓缩处理后提高31.67%；二级浓缩提高了33.38%；三级处理后提高36.89%；四级增多23.4%，最终得到葡萄汁浓度约为原汁的3倍，浓缩效果明显。综合浓缩高效性考虑，最优选择是在第三级浓缩结束后终止冷冻浓缩操作工艺，减少夹携的溶质损失并保证经济效益。

2.3.4 可溶固形物含量与浓缩级数的回归方程

浓缩级数对浓缩后固液浓度的影响如图11所示。经多级浓缩，冰晶液体中可溶性固形物含量从8.1°Brix增加到 19.2 °Brix。

图11 浓缩级数对浓缩后固液浓度的影响Fig.11 Effect of concentration number on solid-liquid concentration after concentration

根据图11，浓缩玫瑰香葡萄汁可溶固形物含量与浓缩级数的关系：

Y=6.36X+9.2 （R2=0.999 1）

冰液中可溶固形物含量与浓缩级数的关系为：

Y=3.73X+3.95 （R2=0.991 4）

果汁中浓度随着冷冻浓缩级数慢慢升高，浓缩级数与浓缩后固液浓度呈现正相关关系。各级浓缩葡萄汁升高的百分比分别为：131.7%、130.4%、136.9%、123.4%。在第3次冷冻浓缩时有突出的效果。

2.4 营养成分及理化指标测定结果

新鲜葡萄汁与复原葡萄汁营养成分比较见表8。

表8 新鲜葡萄汁与复原葡萄汁营养成分比较Table 8 Comparison of nutritional components of fresh and restored grape juice

由表8可知，葡萄汁复原后的黄酮、总酚含量都随着冷冻浓缩的进行呈现下降趋势，比较表明，新鲜葡萄汁和复原葡萄汁总糖、总酚无显著差异。雷小青等[32]分析了冷冻浓缩技术对赤霞珠葡萄、葡萄汁及葡萄酒品质的影响，得出经过冷冻浓缩后总酚、花色苷、总黄烷醇等成分的含量均有明显提高。张炫等[33]分析了冷冻浓缩处理对桑果汁品质的影响，经冷冻浓缩复原后pH值、可溶性固形物、总酸、含氮物质保留较好，变化不显著。可以看出，冷冻浓缩工艺可以使葡萄汁中储存大量营养素。

由表8可知，经冷冻浓缩工艺后的复原葡萄汁与新鲜葡萄汁相比，总糖含量无显著差异（P>0.05），还原糖含量显著高于复原葡萄汁0.5%（P＜0.05）。曾杨等[34]研究了冷冻浓缩处理对荔枝汁品质的影响，结果表明和原汁相比，复原汁中还原糖得到很好的保存。

酸类物质是协调葡萄汁酸甜口感的重要风味物质，特别是含量直接影响果汁的味道和香气。酸性物质有助于果汁形成较低的pH值环境，抑制有害细菌的活动，从而达到延长保存目的的作用。数据表明了浓缩葡萄汁复原后pH值发生变化，升高了0.45。从表8中可以看出，复原葡萄汁与新鲜玫瑰香葡萄果汁相比，复原葡萄汁中的总酸含量增加，原因可能是在浓缩过程中，葡萄汁经过反复冻融破坏细胞壁，使得细胞内的酸性物质流出。

另一方面，维生素C（抗坏血酸）在多步浓缩后仍具有79%的高保留率。抗坏血酸和酚类物质一样，易溶于水，损失于冰晶中。张炫等[33]得出冷冻浓缩后的VC含量略微下降，损失率不超过10%。

由感官评价综合得分可知，在外观方面复原葡萄汁与新鲜葡萄汁均表现为澄清透明，无沉淀；在色泽方面复原葡萄汁与新鲜葡萄汁均表现为果汁色正常，光泽好；在香气方面复原葡萄汁与新鲜葡萄汁均表现为香气浓郁纯正，并伴有玫瑰香葡萄特有香气；在口感方面两种葡萄汁均表现为甘甜爽口，具有玫瑰香特征。两者评分分别达到93.8、88.4分，都属于优质产品，综合评定均为优质产品，证明冷冻浓缩工艺对葡萄汁外观、色泽、香气、口感影响无显著差异（P>0.05）。

2.5 葡萄汁色差值测定

色差值比较见表9。

表9 色差值比较Table 9 Comparison of color difference values

由表9可知，△E*即变色程度出现了变化，较标准溶液相比新鲜葡萄汁颜色为稍有差异，而复原葡萄汁有差异。原因可能是花色苷和其他呈色物质溶于水，损失于冰晶中。

3 结论

通过响应面软件优化，获得冷冻浓缩玫瑰香葡萄汁的适宜温度为-15.0℃，果汁浓度为15.4°Brix，冷冻93.6 min。得到结晶强度27.3 g，浓缩液纯度为8.06°Brix。从葡萄汁冰点温度关系看，可溶性固形物含量与冰点温度呈负相关，随着含量的增加，凝固点降低，回归方程式如下：y=-0.204 1x+0.870 3（R2=0.985 2）。多级浓缩会导致固形物损失，从效率和节能考虑，选择第3个阶段的冷冻作为浓度的终点。

冷冻浓缩糖的总浓度和糖的保持率保持在85%以上。在感官方面与新鲜原汁相比，冷冻浓缩对葡萄汁的外观、色泽、香气、口感影响不大，保留了葡萄汁原有的玫瑰清鲜香气，果汁香气浓郁。具备优质果汁的基本特性。同时可以节约成本，增加经济效益，延长应季玫瑰香葡萄汁的上市期限，若投入市场具有广阔的发展前景。