鲜切佛手山药的护色条件优化

胡 婷，谈 叶，吴 鹏，王蔚新，占剑峰

(湖北省经济林木种质改良重点实验室，大别山特色资源开发湖北省协同创新中心，黄冈师范学院生物与农业资源学院，湖北 黄冈 438000)

佛手山药产于湖北省黄冈市蕲春、武穴等地，因其形状似手掌而得名[1]。2012年佛手山药被省农业厅授予“首届湖北名优蔬菜”，已成为了传统特色经济作物[2]。佛手山药不仅是有着糯香可口风味品质的常见蔬菜，更是一种拥有卓越药用保健功效的中药[3]。作为一种天然功能性食品，它具有强筋骨、健脾脏、除湿、益肾等作用，而相关研究也表明佛手山药中含有的多糖具有降血脂、抗肿瘤、增强免疫力等功能[4]。

新鲜的佛手山药中含有大量的多酚氧化酶，在其遇到氧气后会将其中的酚类物质氧化成为醌类物质，然后再与细胞内蛋白质中的氨基酸基团发生反应，产生黑色与褐色物质，导致褐变，影响佛手山药的外观与口感，从而很大程度上限制了佛手山药的加工与应用，因此，研究佛手山药的护色条件具有十分重要的意义。

Chilaka[5]提出了过氧化物酶(POD)在山药褐变机理中起着重要作用，山药的护色研究主要在于如何抑制多酚氧化酶(PPO)与POD的活性，从而降低褐变度。

大量研究表明，采用护色剂对山药进行处理，可以有效的防止山药在加工过程中发生褐变[6-12]，提高山药的色泽和口感，但是关于佛手山药护色的研究未见报道。目前，市面上护色剂有很多种类，例如维生素C、亚硫酸钠、氯化钙、柠檬酸、D-异抗坏血酸钠等。食品级的维生素C价格偏高，不够经济实用，而柠檬酸、氯化钙以及D-异抗坏血酸钠常被作为护色剂[6-10]，用途广泛，护色效果好，且价格低廉。胡月芳等人[6]采用两种护色剂即D-异抗坏血酸钠和柠檬酸制成的复合护色液对淮山药能够有明显的护色效果，娄文娟等人[7]则选用柠檬酸、无水氯化钙、亚硫酸钠三种护色剂浸泡淮山药，发现可减缓其褐变程度。但是，娄文娟等人选取的护色液中有亚硫酸钠，不是无硫的护色配方。因此本研究决定选用不同浓度的柠檬酸、氯化钙、D-异抗坏血酸钠溶液分别对鲜切佛手山药进行护色处理，再通过响应面法确定最佳护色条件，以期降低鲜切佛手山药的褐变程度，为佛手山药深加工产品的开发提供技术支撑与理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

佛手山药：湖北省武穴市；

柠檬酸：郑州苍宇食品化工有限公司；

氯化钙、D-异抗坏血酸钠：河南万邦实业有限公司。

1.2 主要仪器

色差计：东莞市汇东仪器设备有限公司；

电子天平(CP413)：奥豪斯仪器(常州)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1样品的制备

选取未发生霉变、质地较硬的新鲜佛手山药，清洗干净后去皮，切成3 mm左右的片状。将切好的山药片迅速放入已准备好的护色液中，以去离子水为对照，浸泡30 min后捞出，漂洗后沥干水分，放入塑料盘中，待其晾干后测定样品的褐变度。

1.3.2褐变度的测定

采用色差计[13]测定鲜切佛手山药的褐变度。可以用总色差(△E)来评价褐变程度，这种色差的差别用△E来判断。一般△E越小，褐变度越小。先通过色差计测得鲜切佛手山药浸泡前后的a、b和L值(其中a表示红绿，+表示偏红，-表示偏绿，b表示黄蓝，+表示偏黄，-表示偏蓝，L表示黑白，+表示偏白，-表示偏暗)，然后使用公式计算：

△E=[(△a)2+(△b)2+(△L)2]1/2

式中：△L=L样品L标准(明度差异)

△a=a样品a标准(红/绿差异)

△b=b样品b标准(黄/蓝差异)

△E——总色差

1.4 单因素实验

将鲜切片状佛手山药分为五份，每份5片(厚薄均匀，大小基本一致)，使用色差计检测其a、b、L值，然后立即分别投入到不同柠檬酸浓度(0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、2.50%)、氯化钙浓度(0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)和D-异抗坏血酸钠浓度(0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)的护色液中，30min后捞出，漂洗后沥干水分，将其置于塑料盘中晾干，检测其a、b、L值。

1.5 响应面实验

结合单因素实验结果，以鲜切佛手山药总色差值(△E)为响应值(Y)，选取柠檬酸浓度(A)、氯化钙浓度(B)及D-异抗坏血酸钠浓度(C)为影响因素，运用DesignExpert 8.0.6软件进行三因素三水平响应面优化实验的设计，响应面因素水平见表1。

表1 响应面试验设计因素水平Tab.1 Level of design factors in response interview

2 结果与分析

2.1 单因素对鲜切佛手山药褐变度的影响

2.1.1柠檬酸浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响

柠檬酸是一种褐变抑制剂，它的用途也比较广泛，护色效果比较好。Ali[14]等人也提出了柠檬酸能抑制褐变，降低PPO的活性。柠檬酸浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响如图1所示，随着柠檬酸浓度的增加，鲜切佛手山药褐变度先显著下降后缓慢上升，当柠檬酸浓度为1.50%时，鲜切佛手山药褐变度达到最低。当柠檬酸浓度高于1.50%时，鲜切佛手山药褐变度逐渐增加，这是由于此时pH过低，导致柠檬酸与发生褐变过程的关键酶PPO中金属离子的螯合作用达到了饱和状态，对鲜切佛手山药褐变的抑制能力逐渐趋于平缓[15-17]，此外柠檬酸添加量过大会影响食用的品质，由此可得柠檬酸的最适浓度为1.5%。

图1 柠檬酸浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响Fig.1 Effect of the concentration of citric acid on the browning degree of fresh-cut Foshou yam

2.1.2氯化钙浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响

氯化钙的护色机理是钙与氨基酸发生沉淀作用而抑制羟氨反应，同时钙的存在使Ca2+与细胞壁上的果胶酸作用形成果胶酸钙，增加组织的硬度，从而阻止液泡中组织液外渗到细胞质中与酶类接触，从而降低褐变程度[17]，因此常被选择作为护色剂。氯化钙浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响如图2所示，随着氯化钙浓度的增加，鲜切佛手山药褐变度先降低后升高，当氯化钙浓度为0.50%时，鲜切佛手山药褐变度达到最低。当氯化钙浓度高于0.50%时，鲜切佛手山药褐变度逐渐增加，这是由于氯化钙保护细胞壁和细胞膜的完整性而只能起到减少部分PPO溢出，因此其护色能力有限，而浓度过高的话会使护色能力缓慢下降[18]，由此可得氯化钙的最适浓度为0.50%。

图2 氯化钙浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响Fig.2 Effect of the concentration of calcium chloride on browning degree of fresh-cut Foshou yam

2.1.3D-异抗坏血酸钠浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响

D-异抗坏血酸钠作为一种新型的抗氧化剂，可以有效抑制PPO活性的上升[8,18]，因此其也可以作为护色试剂。D-异抗坏血酸钠浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响如图3所示，随着D-异抗坏血酸钠浓度的增加，鲜切佛手山药褐变度先降低后升高。当D-异抗坏血酸钠浓度为0.75%时，鲜切佛手山药褐变度达到最低。当D-异抗坏血酸钠浓度高于0.75%时，鲜切佛手山药褐变度逐渐增加，这主要是由于D-异抗坏血酸钠的浓度达到0.75%后，D-异抗坏血酸钠作为强还原剂将醌还原为酚的同时，自身被氧化为脱氢抗坏血酸而导致对鲜切佛手山药的护色能力减弱[19]，由此可得D-异抗坏血酸钠的最适浓度为0.75%。

图3 D-异抗坏血酸钠浓度对鲜切佛手山药褐变度的影响Fig. 3 Effect of the concentration of D-sodium erythorbate on the browning degree of fresh-cut Foshou yam

2.2 响应面优化实验结果与分析

2.2.1响应面优化实验结果

对表2中各单因素与鲜切佛手山药总色差值(Y)进行多项拟合回归分析，得到回归方程为：

Y=1.78-0.00625A+0.17B-0.21C-0.035AB-0.11AC-0.13BC+0.25A2+0.44B2+0.31C2

式中:A为柠檬酸浓度，B为氯化钙浓度，C为D-异抗坏血酸钠浓度。

响应面回归模型方差分析结果(表3)显示：该模型P<0.01，说明回归模型达到显著水平；失拟项=0.2520>0.05，表现为不显著，即模型与试验值的差异较小，说明该模型是合适可用的；相关系数R2=0.9355>0.9，说明该模型的拟合度较好，试验误差小；CV=4.71%，说明置信度较高。在回归方程中，P值可用来检验影响因素的重要性，其值也能反映各影响因素之间的相互作用，P值越小，说明影响因素也越重要[13]，所以B、C、A2、B2和C2对Y值影响极其显著(P<0.01)，BC对Y值影响显著(P<0.05)，而A、AB和AC对Y值影响不显著。由方差结果分析可得，各响应因素对佛手山药褐变度影响的主次顺序依次为C>B>A。

表2 响应面试验设计及结果Tab. 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 响应面回归模型结果方差分析Tab. 3 Analysis of variance of response surface regression model

2.2.2响应面交互作用分析

各因子交互作用响应面分析表示，因素的边线越陡说明该因素对鲜切佛手山药护色效果的影响越大[20]。等高线图越接近椭圆，说明两因素交互作用对鲜切佛手山药护色效果的影响越大[21]。通过图4～6可对实验过程中三个因素的相互作用及对鲜切佛手山药护色效果的影响进行分析与评价，从而确定鲜切佛手山药的最佳护色条件。固定C为0水平时，A和B及二者之间的交互作用对鲜切佛手山药护色效果的影响从图4可以看出：与A方向比较，B响应面曲线较陡，说明对鲜切佛手山药护色效果的影响大小为：B>A。固定B为0水平时，A和C及二者之间的交互作用对鲜切佛手山药护色效果的影响从图5可以看出：与A方向比较， C响应面曲线较陡，说明对鲜切佛手山药护色效果的影响大小为：C>A。固定A为0水平时，B和C及二者之间的交互作用对鲜切佛手山药护色效果的影响从图6可以看出：B方向比较，C响应面曲线较陡，说明对鲜切佛手山药护色效果的影响大小为：C>B。该结果与方差分析结果一致。

图4 柠檬酸与氯化钙浓度对鲜切佛手山药褐变度影响的响应面图Fig.4 Response surface diagram of the effect of the concentration of citric acid and calcium chloride on the browning degree of fresh-cut Foshou yam

图5 柠檬酸和D-异抗坏血酸钠浓度对鲜切佛手山药褐变度影响的响应面图Fig.5 Response surface diagram of the effect of the concentration of citric acid and D-sodium erythorbate on the browning degree of fresh-cut Foshou yam

图6 氯化钙与D-异抗坏血酸钠浓度对鲜切佛手山药褐变度影响的响应面图Fig.6 Response surface diagram of the effect of the concentration of calcium chloride and D-sodium erythorbate on the browning degree of fresh-cut Foshou yam

2.3 模型验证

利用Design Expert软件进行分析，得到最佳护色条件为：柠檬酸浓度1.54%、氯化钙浓度0.47%、D-异抗坏血酸钠浓度0.83%，在此条件下鲜切佛手山药总色差预测值为1.73。考虑实验的可操作性，在实际的实验中调整工艺参数为：柠檬酸浓度为1.50%、氯化钙浓度为0.50%、D-异抗坏血酸钠浓度为0.80%，在此条件下进行3次平行实验，得到鲜切佛手山药总色差为1.74±0.01，此结果与预测值1.73接近，说明此模型结果可靠，适用于鲜切佛手山药护色工艺的研究。

本实验利用了常见的果蔬护色剂来对鲜切佛手山药的护色工艺进行研究，由实验结果可以看出柠檬酸、氯化钙和D-异抗坏血酸钠的复合使用有较明显的护色效果，并且确定了最佳护色条件为：柠檬酸1.50%、氯化钙0.50%、D-异抗坏血酸钠0.80%。该复合护色液不仅价格低廉，而且为无硫护色配方。佛手山药本身具有极高的加工价值和销售价值，但鲜切佛手山药的快速褐变十分影响其色泽与口感，护色这一步是佛手山药加工中不可忽略的重要过程，本实验结果对佛手山药的深加工具有重要的参考价值。