高 佳,王寶剛,馮曉元,*,李文生,張開(kāi)春
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,四川 雅安 625014;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,四川 成都 610066;3.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹(shù)研究所,北京 100093)
商業(yè)果膠酶對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的優(yōu)化
高 佳1,2,王寶剛3,馮曉元3,*,李文生3,張開(kāi)春3
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,四川 雅安 625014;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,四川 成都 610066;3.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹(shù)研究所,北京 100093)
以酸櫻桃(Prunus cerasus)成熟果實(shí)為試材,結(jié)合出汁率、透光率、濁度、可溶性固形物、pH值、果膠含量和花色苷含量等指標(biāo),從7種商品果膠酶制劑中篩選出對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果較好的Ultra AFP果膠酶。通過(guò)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面分析確定酸櫻桃果漿酶解最優(yōu)工藝條件。結(jié)果表明:加酶量、酶解溫度和酶解時(shí)間對(duì)出汁率、透光率和濁度具有顯著影響;加酶量1.73mL/kg、酶解溫度46℃、酶解時(shí)間2.3h最優(yōu)條件下,酸櫻桃果漿出汁率為86.2%、透光率為90.5%、濁度為2.67NTU。
酸櫻桃果漿;果膠酶;響應(yīng)面法;優(yōu)化
酸櫻桃(Prunus cerasus Ledeb)又名歐洲酸櫻桃(sour cherry、tart cherry),原產(chǎn)于歐洲,果實(shí)色澤鮮艷,具有獨(dú)特酸香味且營(yíng)養(yǎng)豐富均衡,尤其富含花色苷、褪黑激素、芥子醇、鞣花酸等化合物,具有調(diào)節(jié)睡眠、清除自由基、抗氧化、抗癌等多種功效,主要用于果汁、果酒、果醬等加工制品[1-2]。酸櫻桃果實(shí)細(xì)胞壁中含有大量果膠、纖維素等大分子物質(zhì),破碎后果漿黏稠,壓榨取汁困難且出汁率低[3]。商品果膠酶制劑是一類(lèi)含有果膠酶、纖維素酶和蛋白酶等具有催化活性的復(fù)合酶,能降解果膠、纖維素和蛋白質(zhì)等,降低果漿黏度,改善壓榨性能,提高果汁出汁率和澄清度,減少果渣產(chǎn)生,保留果實(shí)獨(dú)特風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分,有利于后續(xù)的澄清、過(guò)濾和濃縮工序[4]。
響應(yīng)面分析法(response surface methodology,RSM)是一種優(yōu)化反應(yīng)條件、解決多變量問(wèn)題的有效統(tǒng)計(jì)方法[5]。與傳統(tǒng)正交試驗(yàn)相比,RSM試驗(yàn)周期短、求得回歸方程精度高、更有效直觀[6]。本實(shí)驗(yàn)比較7種商品果膠酶對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的差異,應(yīng)用Box-Behnken響應(yīng)面法建立酶解條件和酸櫻桃果漿各項(xiàng)指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型,以探討不同酶解條件下各響應(yīng)值的變化規(guī)律,并得到最佳酶解工藝,為酸櫻桃酶解制汁提供參考。
1.1 材料與試劑
成熟酸櫻桃(Prunus cerasus Ledeb. cv. CAB)鮮果,于2010年6月中旬采于北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹(shù)研究所櫻桃種質(zhì)資源圃。剔除殘、病、次果,清洗、消毒、瀝干、摘除果柄后于-30℃冷凍貯藏,備用。
商品32果膠酶:Pectinex Ultra AFP、Pectinex Ultra Color、Pectinex Ultra Clear、Pectinex Yield Mash 諾維信(中國(guó))投資有限公司;Ra pida se C 80MA X、Klerzyme 150 帝斯曼(中國(guó))有限公司;JN-700 山東棗莊市杰諾生物酶有限公司。其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
1.2 儀器與設(shè)備
TU-1810紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;3K15型高速冷凍離心機(jī) 美國(guó)Sigma公司;DK-S24型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TN100型濁度儀 美國(guó)Euteoh公司;BSA224SCW型電子天平 北京賽多利思科學(xué)儀器有限公司;PAL-1折光儀 日本Atago公司;PHS-3C型精密pH計(jì)上海雷磁儀器廠;SG260E1多功能榨汁機(jī) 浙江蘇泊爾炊具股份有限公司。
1.3 方法
1.3.1 商品果膠酶的篩選
酸櫻桃冷凍鮮果常溫解凍后去除果核,迅速打漿。將7種商品果膠酶制劑(Ultra AFP、Ultra Color、Ultra Clear、Yield Mash、Rapidase C80MAX、Klerzyme 150、JN-700)用去離子水稀釋10倍后分別加入等量酸櫻桃果漿中混勻,50℃保溫水浴1h,果膠酶的添加量統(tǒng)一為1.4mL/kg。酶解后迅速加熱到90℃滅酶2min,于8000r/min離心10min,上清液用快速濾紙抽濾,除去少量雜質(zhì)后即為酸櫻桃粗汁。測(cè)定各種果膠酶酶解后酸櫻桃粗汁的理化指標(biāo)。
1.3.2 酶解單因素試驗(yàn)
將1.3.1節(jié)中篩選出的果膠酶進(jìn)行酶解單因素試驗(yàn)。由于酸櫻桃果漿pH值較低,已在試驗(yàn)所用果膠酶的適用范圍內(nèi),因此試驗(yàn)中不再調(diào)節(jié)pH值。采用篩選好的果膠酶分別進(jìn)行果膠酶添加量0.6~2.0mL/kg、酶解溫度30~70℃、酶解時(shí)間0.5~5h的單因素試驗(yàn)。當(dāng)選定某一因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí),其余酶解條件控制在加酶量1.4mL/kg、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間1h。
1.3.3 酶解條件響應(yīng)面優(yōu)化分析
在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以果膠酶用量、酶解溫度和酶解時(shí)間為影響因素,出汁率、透光率和濁度為響應(yīng)值,運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面分析方法進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-expert 7.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析,確定酸櫻桃酶解最佳工藝條件,并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
1.3.4 酸櫻桃清汁相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算或測(cè)定
出汁率:酶解后酸櫻桃清汁質(zhì)量占酶解前果漿質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。
透光率(T)[7]:采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)660nm處酶解后酸櫻桃粗汁的透光率,以超純水作對(duì)照(計(jì)為 100%)。
濁度:采用濁度儀測(cè)定(單位NTU);pH值:采用精密pH計(jì)測(cè)定;可溶性固形物(soluable solid,SS)含量:采用折光儀測(cè)定,以超純水作對(duì)照;果膠定性[4]:取1mL酶解后的酸櫻桃粗汁于試管中,加入5mL酸化乙醇(濃鹽酸體積分?jǐn)?shù)1%),輕輕倒轉(zhuǎn)幾次試管混合均勻,靜置3 0min,觀察果汁狀態(tài),若有絮狀沉淀,表明果膠未分解完全,以“+”的多少描述沉淀量多少。
花色苷含量:采用pH示差法[8]測(cè)定。于兩只25mL具塞試管中分別加入2mL酸櫻桃粗汁,一只試管加入8mL pH1.0緩沖溶液[0.2mol/L KCl溶液-0.2mol/L HCl溶液(1:3,V/V)],適當(dāng)調(diào)節(jié)pH(1.0±0.1),另一只試管加入8mL pH4.5緩沖溶液[1mol/L NaAc溶液-1mol/L HCl溶液-H2O(10:6:9,V/V)],適當(dāng)調(diào)節(jié)pH(4.5±0.1),混勻后靜置30min,測(cè)定510nm和700nm波長(zhǎng)處的吸光度A510nm和A700nm。分別以對(duì)應(yīng)pH1.0緩沖溶液和pH4.5緩沖溶液作對(duì)照,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,計(jì)算平均值。
式中:A為吸光度;ε為矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù),26900L/(mol·cm);MW為花色苷的摩爾質(zhì)量,449.2g/mol;DF為稀釋倍數(shù);L為比色皿的寬度,1 c m。
1.3.5 數(shù)據(jù)分析
結(jié)果采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α= 0.05)。
2.1 7種商品果膠酶酶解效果比較
商業(yè)用果膠酶制劑通常是由聚半乳糖醛酸酶、果膠裂解酶、果膠酯酶等構(gòu)成的多種酶的混合物,有的還含有蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等[4],因此不同公司生產(chǎn)的酶活性和各組分功能、作用機(jī)理各不相同。本實(shí)驗(yàn)采用7種不同來(lái)源商品果膠酶進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),得出不同果膠酶對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的比較。從表1可見(jiàn),酶解后的酸櫻桃清汁出汁率、透光率、花色苷顯著增高,濁度降低,可溶性固形物略有增加, pH值變化不明顯。其中出汁率均提高7%以上,透光率提高5%以上,濁度降低10NTU以上,可見(jiàn)果膠酶對(duì)酸櫻桃果漿降低黏度、改善壓榨性能,提高出汁率、澄清度和降低濁度都有明顯促進(jìn)作用。果膠酶對(duì)細(xì)胞壁的分解也有利于色素和可溶性固形物的溶出[9]。
表1 不同商業(yè)果膠酶酶解效果Table 1 Effect of different commercial pectinases on juice yield, transmittance and turbidity
各種商品果膠酶制劑中所含的實(shí)質(zhì)性酶種類(lèi)和活性不同,對(duì)不同果品的酶解效力也不同。比較7種果膠酶,其中Ultra AFP和Klerzyme 150作用后的果漿出汁率、透光率和濁度顯著優(yōu)于其他種類(lèi)的果膠酶,果膠定性檢測(cè)表明酶解后果膠含量相對(duì)較低;Yield Mash和JN-700作用后的果漿雖然具有較高的出汁率,但透光率較低、濁度較高。比較Ultra AFP和Klerzyme 150,雖然Klerzyme 150透光率較高,但Ultra AFP在提高水果出汁率、花色苷含量和果膠分解上更好。因此,采用Ultra AFP果膠酶進(jìn)行后續(xù)研究。
2.2 酶解單因素試驗(yàn)
2.2.1 果膠酶添加量對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的影響
圖1 果膠酶添加量對(duì)酶解效果的影響Fig.1 Effect of pectinase concentration on juice yield, transmittance and turbidity
由圖1可見(jiàn),果膠酶添加量對(duì)酸櫻桃果漿出汁率和濁度的影響較大,對(duì)透光率的影響變化趨勢(shì)相對(duì)較緩。隨著加酶量的增加,出汁率和透光率均逐漸升高;加酶量大于1.2mL/kg后,變化較平緩。濁度變化趨勢(shì)相反,隨著加酶量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),在1.2~1.8mL/kg保持較低水平。濁度是液體中不溶性顆粒多少的指標(biāo),表示液體的渾濁程度[10]。出現(xiàn)上述變化規(guī)律是由于果膠酶添加量增加使果膠、纖維素等大分子物質(zhì)的分解更加充分,細(xì)胞壁分解,水分被釋出,出汁率和透光率增大[11-12]。當(dāng)加酶量超過(guò)1.8mL/kg后,由于果膠酶本身也屬于蛋白質(zhì),過(guò)量加入引起果汁的渾濁。為進(jìn)一步驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)采用加酶量1.0~2.0mL/kg進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化。
2.2.2 酶解溫度對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的影響
由圖2可知,隨著酶解溫度的升高,出汁率和透光率在40~50℃之間得到最大值,之后逐漸降低。濁度在40~55℃之間較低,超過(guò)60℃之后迅速升高。這是因?yàn)殡S著溫度的升高,酶活性增加,當(dāng)溫度超過(guò)60℃時(shí),酶蛋白變性,導(dǎo)致酶解速度降低。同時(shí),較高溫度對(duì)色素、VC等熱敏性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的破壞較大[13]。綜合考慮,選取酶解溫度在35~55℃之間進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。
圖2 酶解溫度對(duì)酶解效果的影響Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on juice yield, transmittance and turbidity
2.2.3 酶解時(shí)間對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果的影響
由圖3可知,隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng),酸櫻桃果漿出汁率和透光率逐漸升高,當(dāng)酶解時(shí)間大于3.5h后,出汁率和透光率降低;濁度變化趨勢(shì)相反,在1~2.5h之間較低。分析原因,隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng),酶活性受損,果漿溶出物質(zhì)增加,導(dǎo)致濁度升高,使榨汁困難,出汁率和透光率降低。同時(shí),長(zhǎng)時(shí)間溫度處理對(duì)香味等營(yíng)養(yǎng)成分損失較大,可能引起微生物污染[5]。因此,酶解時(shí)間確定為1~2.5h為宜。
圖3 酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響Fig.3 Effect of hydrolysis duration on juice yield, transmittance and turbidity
2.3 酶解工藝條件的響應(yīng)面優(yōu)化分析
2.3.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,以果膠酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間為自變量,分別以X1、X2、X3表示,以出汁率、透光率和濁度為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì),方案及結(jié)果見(jiàn)表2,17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)隨機(jī)進(jìn)行,重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。
表2 酶解工藝條件優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and experimental results
2.3.2 酶解條件對(duì)酸櫻桃果漿出汁率的影響
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,建立響應(yīng)面回歸模型,得到出汁率的回歸方程:
表3 出汁率回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis for juice yield with various hydrolysis conditions
由表3方差分析結(jié)果可知,出汁率回歸方程(模型)的回歸效果極顯著。對(duì)響應(yīng)值出汁率作用顯著的是X1、X2、X3、X2X3、X12、X22、X32;各因素對(duì)出汁率影響的大小順序?yàn)楣z酶添加量>酶解溫度>酶解時(shí)間。
RSM的圖形是特定的響應(yīng)值(Y)對(duì)應(yīng)自變量構(gòu)成的一個(gè)三維空間圖,可以直觀地反映出自變量對(duì)響應(yīng)變量的影響[9]。如圖4所示,酸櫻桃果漿出汁率在加酶量1.75mL/kg、酶解溫度45℃、酶解時(shí)間2h時(shí)較高,圖形表現(xiàn)為凸起。
圖4 各因素交互作用對(duì)出汁率影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plot showing the interactive effects of pectinase concentration, hydrolysis temperature and hydrolysis duration on juice yield
2.3.3 酶解條件對(duì)酸櫻桃果漿透光率的影響
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,建立響應(yīng)面回歸模型,得到透光率的回歸方程:
表4 透光率回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis for transmittance with various hydrolysis conditions
由表4方差分析結(jié)果可知,透光率回歸方程(模型)的回歸效果極顯著。對(duì)響應(yīng)值透光率作用顯著的是X1、X3、X12、X22、X32;各因素對(duì)透光率影響的大小順序?yàn)楣z酶添加量>酶解時(shí)間>酶解溫度。
圖5 各因素交互作用對(duì)透光率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot showing the interactive effects of pectinase concentration, hydrolysis temperature and hydrolysis duration on transmittance
如圖5所示,酸櫻桃果漿透光率在加酶量1.5mL/kg、酶解溫度45℃、酶解時(shí)間2h時(shí)較高,圖形中表現(xiàn)為凸起。
2.3.4 酶解條件對(duì)酸櫻桃果漿濁度的影響
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,建立響應(yīng)面回歸模型,得到濁度的回歸方程:
表5 濁度回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis for turbidity with various hydrolysis conditions
由表5方差分析結(jié)果可知,濁度回歸方程(模型)的回歸效果極顯著。對(duì)響應(yīng)值濁度作用顯著的是X1、X2、X3、X2X3、X12、X22、X32;各因素對(duì)濁度影響的大小順序?yàn)楣z酶添加量>酶解溫度>酶解時(shí)間。
圖6 各因素交互作用對(duì)濁度影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot showing the interactive effects of pectinase concentration, hydrolysis temperature and hydrolysis duration on turbidity
如圖6所示,酸櫻桃果漿濁度在加酶量1.5mL/kg、酶解溫度45℃、酶解時(shí)間2h時(shí)較低,圖形中表現(xiàn)為凹陷。
2.4 酶解工藝條件驗(yàn)證
根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化分析得出理論最優(yōu)酶解工藝條件為加酶量1.73mL/kg、酶解溫度45.73℃、酶解時(shí)間2.26h。此條件下酶解預(yù)測(cè)值為出汁率86.9%、透光率89.9%、濁度2.54NTU。根據(jù)理論推薦酶解工藝和實(shí)際操作的方便性進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。最終得出,在加酶量1.73mL/kg、酶解溫度46℃、酶解時(shí)間2.3h條件下,酸櫻桃果漿酶解出汁率達(dá)86.2%、透光率90.5%、濁度2.67NTU??芍釞烟夜麧{出汁率、透光率和濁度實(shí)際測(cè)定值與理論預(yù)測(cè)值接近,誤差較小,說(shuō)明該方程與實(shí)際情況擬合很好。
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)合出汁率、透光率、濁度、可溶性固形物、pH值、果膠含量和花色苷含量等指標(biāo),從7種商品果膠酶制劑中篩選出對(duì)酸櫻桃果漿酶解效果較好的Ultra AFP果膠酶。
3.2 選用Ultra AFP果膠酶在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)響應(yīng)面分析確定了酸櫻桃果漿酶解工藝條件為:加酶量1.73mL/kg,酶解溫度46℃,酶解時(shí)間2.3h。此條件下酸櫻桃果漿酶解后出汁率86.2%、透光率90.5%、濁度2.67NTU。各因素對(duì)出汁率和濁度影響的大小順序?yàn)楣z酶添加量>酶解溫度>酶解時(shí)間,對(duì)透光率影響的大小順序?yàn)楣z酶添加量>酶解時(shí)間>酶解溫度。
3.3 經(jīng)回歸分析和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)表明,響應(yīng)面法能較好的對(duì)酸櫻桃果漿酶解工藝進(jìn)行分析和參數(shù)優(yōu)化,所得酶解工藝條件可行。
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Optimization of Enzymolysis of Sour Cherry by Commercial Pectinase
GAO Jia1,2,WANG Bao-gang3,F(xiàn)ENG Xiao-yuan3,*,LI Wen-sheng3,ZHANG Kai-chun3
(1. College of Horticulture, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China;
2. Institute of Agro-products Prossessing, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China;
3. Institute of Forestry and Pomology, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China)
Physico-chemical characteristics of juice yield, transmittance, turbidity, soluble solid content, pH, pectin content and anthocyanin content of sour cherry pulp were evaluated after treatment with various commercial pectinases. Ultra AFP was the best enzymes among 7 commercial pectinases. One-factor-at-a-time testing and response surface analysis based on Box-Behnken design were used to determine the optimal conditions for hydrolyzing sour cherry pulp with Ultra AFP. It was indicated that all hydrolysis conditions under investigation significantly influenced juice yield, transmittance and turbidity.Under the optimal hydrolysis conditions: 2.3 h of hydrolysis at 46 ℃ and an enzyme dose of 1.73 mL/kg, the juice yield,transmittance and turbidity of the samples were 86.2%, 90.5% and 2.67 NTU, respectively.
sour cherry pulp;pectinase;response surface methodology (RSM);optimization
TS255.44
A
1002-6630(2012)08-0060-06
2011-04-07
國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(200903019);北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(KJCX201102004)
高佳(1983—),女,博士,研究方向?yàn)楣哔A藏加工。E-mail:tcherry2011@gmail.com
*通信作者:馮曉元(1965—),女,研究員,博士,研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail:xyfeng@yahoo.cn