芋頭清汁飲料生產(chǎn)工藝的研究

曹晟，黃雪，鄧天祥，何莉萍

（武昌工學(xué)院食品工程學(xué)院，湖北武漢430065）

芋頭清汁飲料生產(chǎn)工藝的研究

曹晟，黃雪，鄧天祥，何莉萍*

（武昌工學(xué)院食品工程學(xué)院，湖北武漢430065）

為了有效利用芋頭原料，提高其附加值，研究芋頭清汁飲料生產(chǎn)工藝。采用高溫淀粉酶水解芋頭淀粉，先以單因素試驗(yàn)確定酶解參數(shù)，再利用響應(yīng)面設(shè)計，確定芋頭淀粉水解的優(yōu)化工藝：水解溫度83℃，水解時間60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL/100 g。確定芋頭汁飲料均質(zhì)工藝：第1段15 MPa，第2段20 MPa；滅菌條件：135℃，5 s。采用多種穩(wěn)定劑研究芋頭汁飲料穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定劑為：羧甲基纖維素鈉用量為0.20%。

芋頭；清汁；工藝

Abstract：In order to make better use of raw taro and provide added value，the production process of taro juice beverage isoptimized as follows：First，use several single-factor experiments to determine the parameters of the taro starch hydrolysis with thermostable amylase.After response surface analysis design，the parameters of taro starch hydrolysis were：Hydrolysis temperature of 83 ℃，hydrolysis time 60 min，pH 6.50，enzyme concentration 1.3 mL/100 g；The parameters of taro juice beverage homogenization were：PhaseⅠ15 MPa，PhaseⅡ20 MPa；sterilization conditions：135℃，5 s.Also，a variety of stabilizers were tried in experiments，and the best choice was：CMC-Na 0.20%.

Key words：taro；clear juice；processing technology

芋頭（Colocasiaesculenta（L.）Schott）別名芋魁，俗稱芋艿，屬天南星科草本植物。芋頭營養(yǎng)豐富，其塊莖兼具主食和蔬菜的特點(diǎn)，可食用也可藥用，有寬腸胃、補(bǔ)脾胃、降血壓、降脂、消癆散結(jié)等功效。我國芋頭資源十分豐富，但其開發(fā)的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他的含淀粉較高的食物。芋頭塊莖中含水量高，在儲存過程中易被微生物污染導(dǎo)致腐爛，造成極大的資源浪費(fèi)，因此對芋頭進(jìn)行深加工十分必要[1]。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，育種技術(shù)的提高，我國芋頭的年產(chǎn)量也再逐步上升，這為芋頭的精深加工打下牢固的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)有關(guān)芋頭的深加工不足，大部分加工不適合工業(yè)化生產(chǎn)。本研究以芋頭為原料，研究芋頭清汁的生產(chǎn)工藝，以期能夠有效推動芋頭產(chǎn)業(yè)的多樣性發(fā)展，提高芋頭的資源利用率和經(jīng)濟(jì)附加值[2]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

芋頭（湖北武漢）：購于白沙洲大市場；白砂糖、檸檬酸、檸檬酸鈉、D-異抗壞血酸鈉、卡拉膠、羧甲基纖維素鈉均為食品級；高溫淀粉酶（酶活20 000 u/g）：安琪酵母有限公司；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品：合肥博美生物科技有限責(zé)任公司；ONS試劑：武昌工學(xué)院食品工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室自配。

1.1.2 儀器

電熱恒溫水浴鍋：力辰科技有限公司；722型分光光度計：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；分析天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；高速萬能試樣粉碎機(jī)；超聲波清洗器、高壓均質(zhì)機(jī)、MLS-3751L高壓滅菌鍋：日本松下集團(tuán)；超高溫瞬時滅菌機(jī)：恒溫磁力攪拌器。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 芋頭清汁飲料制備工藝流程

1.2.2 高溫淀粉酶水解芋頭淀粉工藝優(yōu)化

1.2.2.1 酶法水解芋頭淀粉單因素試驗(yàn)設(shè)計

芋頭清洗，去皮，切塊，稱取20 g，按料液比1∶5（g/mL）加水，用組織搗碎機(jī)破碎，放在恒溫磁力攪拌器上80℃條件下糊化10 min。調(diào)pH值，放置于不同溫度，加入高溫淀粉酶進(jìn)行水解，分別測定還原糖含量。

1.2.2.2 酶法水解芋頭淀粉響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計

酶法水解芋頭淀粉響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計見1。

表1 二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因素水平Table 1 Factors and levels of quadratic regression rotation combination design

1.2.3 芋頭還原糖含量的測定

DNS法測定芋頭還原糖含量[3]。以葡萄糖值（DE值，%）表示水解度。

1.2.4 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取6支刻度為25 mL的試管并編號0～5，分別在試管中加入1 mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，用蒸餾水補(bǔ)至2 mL，在每個試管中加入1.5 mLDNS試劑，沸水浴5 mim，冷卻至室溫，用蒸餾水定容至25 mL，混合均勻。0號試管作為空白對照，測定OD540nm，記錄數(shù)據(jù)并繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose

1.2.5 芋頭清汁飲料感官評價標(biāo)準(zhǔn)

芋頭清汁飲料感官評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 芋頭清汁飲料感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standards fortaro juice beverage sensory evaluation

1.2.6 芋頭清汁飲料穩(wěn)定性的研究

選用1.2.2.2試驗(yàn)所得到的最優(yōu)工藝參數(shù)即：溫度 83 ℃，水解時間 60 min，pH 6.50，加酶量 1.3 mL，分別添加一定量卡拉膠和羧甲基纖維素鈉，通過感官品評確定各穩(wěn)定劑的適宜用量。

1.2.7 均質(zhì)條件對芋頭清汁飲料感官品質(zhì)的影響

選用1.2.6試驗(yàn)所得到的最優(yōu)工藝參數(shù)分別采用兩段式加壓方法進(jìn)行均質(zhì)。①第1段10 MPa，第2段15 MPa；②第 1段 15 MPa，第 2段 20 MPa；③第 1段20 MPa，第2段25 MPa；通過感官品評確定芋頭汁飲料最佳均質(zhì)工藝。

1.2.8 殺菌條件對芋頭清汁飲料感官品質(zhì)的影響

按響應(yīng)面設(shè)計最佳工藝，均質(zhì)加壓方式為第1段15 MPa，第2段20 MPa后，分別采用不同殺菌方法進(jìn)行滅菌。①巴氏滅菌，80℃，30 min；②超高溫瞬時滅菌，135℃，5 s；③高溫滅菌，100℃，10 min；通過感官品評確定芋頭汁最佳工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫淀粉酶法水解芋頭淀粉單因素試驗(yàn)

2.1.1 水解溫度對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響

水解溫度對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響見圖2。

圖2 水解溫度對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on hydrolysis of taro starch

采用耐高溫淀粉酶的目的在于，在較高的溫度水解，防止微生物的污染。隨溫度的升高，水解程度不斷提高，當(dāng)溫度達(dá)到85℃，達(dá)到最高點(diǎn)。之后，溫度越高，水解程度開始下降，且下降幅度較大。這可能是由于溫度升高，分子運(yùn)動加快，酶分子與底物接觸面積大大增加，水解程度加快，但當(dāng)溫度過高時，淀粉酶發(fā)生變性，導(dǎo)致水解程度大大下降。因此，選擇水解溫度為85℃。

2.1.2 pH值對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響

pH值對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響見圖3。

圖3 pH值對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響Fig.3 Effect of pH on hydrolysis of taro starch

由圖3所示，當(dāng)pH值為6.5時，芋頭淀粉的水解度最大；當(dāng)pH值大于6.5時，隨著pH值的升高，芋頭淀粉的水解度逐漸下降。這說明，該淀粉酶在pH值過高或者過低時，均會改變酶的活性中心構(gòu)象，導(dǎo)致酶的變性失活。因此，選擇，該淀粉酶水解芋頭淀粉的最適pH值為6.5。

2.1.3 加酶量對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響

加酶量對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響見圖4。

圖4 加酶量對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響Fig.4 Effect of enzyme addition on hydrolysis of taro starch

如圖4可知，隨著酶量的增加，水解度越高，但加酶量達(dá)到1.2 mL時，其水解度與加酶量在1.4 mL的水解度相差不大。考慮到成本問題，選擇加酶量為1.2 mL。

2.1.4 水解時間對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響

水解時間對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響見圖5。

圖5 水解時間對高溫淀粉酶水解芋頭淀粉的影響Fig.5 Effect of hydrolysis time on the hydrolysis of taro starch

由圖5可知，水解時間越長，芋頭水解程度越高，前60 min內(nèi)，芋頭淀粉的水解程度迅速增加，60 min之后，水解度上升緩慢，并趨向穩(wěn)定。因此，選擇水解時間為60 min。

2.2 酶法水解芋頭淀粉響應(yīng)面試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 4 Experiment design and results

續(xù)表4 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Continue table 4 Experiment design and results

表5 試驗(yàn)回歸分析結(jié)果Table 5 Variance analysis of test results

通過Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行相應(yīng)面回歸分析，R2=0.931 9，回歸模型的失擬性檢驗(yàn)，差異不顯著，可認(rèn)為所選模型與實(shí)際試驗(yàn)擬合性充分，得到如下多元二次相應(yīng)面回歸模型：Y=40.94-1.19A+0.92B+0.43C+1.41D-0.34AB-0.12AC-0.75AD-0.045BC-0.81BD+0.10CD-2.42A2-1.72B2-3.31C2-0.38D2

由表5所示，回歸方程顯著性檢驗(yàn)P＜0.001，表明該模型差異極顯著。在所取因素水平范圍內(nèi)，對酶解芋頭淀粉影響的順序?yàn)椋杭用噶浚舅鉁囟龋舅鈺r間＞pH值。

圖6為通過Box-Behnken試驗(yàn)得到的多元二次回歸模型所作的相應(yīng)面圖。

在其他試驗(yàn)因素固定不變的條件下，考察4個因素兩兩交互后對酶法水解淀粉的影響。相應(yīng)面坡度越陡峭，表明響應(yīng)值對于各條件的改變越敏感，該因素對酶法水解淀粉的影響越大；反之則小。得到水解芋頭淀粉最佳參數(shù)為：水解溫度83.45℃，水解時間61 min，pH 6.52，加酶量 1.304 mL，DE 值為 41.630 7。考慮到實(shí)際操作情況，將水解溫度修正為83℃，水解時間60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL。根據(jù)最優(yōu)參數(shù)條件，進(jìn)行3次驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到DE值為40.05。

圖6 各因素交互作用對酶法水解淀粉的影響Fig.6 Effect of interaction of factors on enzymatic hydrolysis of starch

2.3 芋頭清汁飲料穩(wěn)定性的研究

未加入穩(wěn)定劑的芋頭汁飲料在儲存過程中，其澄清度快速下降，這主要是由于芋頭汁仍然有一定含量的大分子的糖類存在。為使芋頭汁飲料的感官品質(zhì)更佳，考慮加入穩(wěn)定劑來保證芋頭清汁透明無沉淀。選擇常用于飲料的穩(wěn)定劑黃原膠、魔芋膠、瓜兒豆膠、羧甲基纖維素鈉和卡拉膠為研究對象。為保證飲料的澄清度及透明度高，則需要加入羧甲基纖維素鈉和卡拉膠這透明度高的穩(wěn)定劑，通過適當(dāng)提高其用量及復(fù)配實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。加入不同穩(wěn)定劑經(jīng)121℃15 min處理后的芋頭汁感官品質(zhì)評分見圖7。

圖7 加入不同穩(wěn)定劑經(jīng)121℃15 min處理后的芋頭汁感官品質(zhì)評分Fig.7 Sensory evaluation of taro juice with different stabilizers after 121℃15 min treatment

由圖7可知，將更高用量的卡拉膠和羧甲基纖維素鈉加入芋頭汁后，芋頭汁的穩(wěn)定性大大提高。加入卡拉膠的芋頭汁，在較高溫度條件下，其澄清度較好，但芋頭汁冷卻后，卡拉膠含量越高的，其透明度越差，且仍有少量沉淀。將卡拉膠和羧甲基纖維素鈉復(fù)配使用的復(fù)合穩(wěn)定劑，隨卡拉膠的量越低，其澄清度越高。僅加入羧甲基纖維素鈉的芋頭汁透明，感官品質(zhì)評分均較高，在溫度較高時，均未出現(xiàn)沉淀。

當(dāng)芋頭汁冷卻后并放置一周后，羧甲基纖維素鈉添加量為0.1%的芋頭汁，出現(xiàn)極少量沉淀，而含量為0.15%和0.2%的芋頭汁，仍透明無沉淀。經(jīng)加速試驗(yàn)60℃、5 d處理后，僅有羧甲基纖維素鈉含量為0.2%的芋頭汁，仍透明無沉淀。經(jīng)綜合考慮，選擇芋頭汁的穩(wěn)定劑羧甲基纖維素鈉用量為0.2%。

2.4 均質(zhì)條件對芋頭清汁飲料感官品質(zhì)的影響

均質(zhì)條件對芋頭清汁飲料感官品質(zhì)的影響見圖8。

圖8 均質(zhì)條件對芋頭汁飲料感官品質(zhì)的影響Fig.8 Effect of homogenizing conditions on sensory evaluation of taro juice beverage

由圖8可知，均質(zhì)壓力越高，芋頭汁感官品質(zhì)越好，即在壓力作用下，所添加的輔料粒度變細(xì)，分布越均勻，穩(wěn)定性越好。但壓力太高，對均質(zhì)機(jī)的要求較高，因此選擇均質(zhì)壓力為第1段15 MPa，第2段20 MPa。

2.5 殺菌條件對芋頭汁飲料感官品質(zhì)的影響

殺菌條件對芋頭汁飲料感官品質(zhì)的影響見圖9。

圖9 殺菌條件對芋頭汁飲料感官品質(zhì)的影響Fig.9 Effect of sterilization conditions on sensory evaluation of l taro juice beverage

由圖9可知，采用高溫滅菌時，芋頭汁飲料發(fā)生少量凝聚沉淀，芋頭汁感官品質(zhì)下降。采用超高溫瞬時滅菌時，芋頭汁品質(zhì)基本沒發(fā)生變化。在試驗(yàn)中，采取常用的滅菌條件135℃，2 s時，芋頭飲料在儲存的過程中，微生物繁殖較快，貨架期較短，因此，提高了滅菌的時間，但時間太長，芋頭飲料發(fā)生褐變，顏色變化較大，因此，選擇芋頭汁飲料的殺菌采用超高溫瞬時滅菌，即 135℃，5 s。

3 結(jié)論

3.1 芋頭清汁飲料加工工藝

采用高溫淀粉酶水解芋頭淀粉，確定芋頭淀粉水解的最優(yōu)工藝：水解溫度83℃，水解時間60 min，pH 6.50，加酶量1.3 mL。均質(zhì)工藝：第1段10 MPa，第2段15 MPa；滅菌條件：135 ℃，2 s。

3.2 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的有待解決的問題

在試驗(yàn)過程中，特別是在酶解攪拌的過程中，飲料產(chǎn)生了較多氣泡，并且無法采用常用于飲料中的消泡劑如吐溫等去除，因此，未來的試驗(yàn)中，需要再尋找可行的消泡劑。另外，采用超高溫瞬時滅菌雖然能保證飲料的品質(zhì)，但是其貯藏期不佳，容易被產(chǎn)氣菌污染，需要考慮加入防腐劑或者采用其他的滅菌方法。

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Research on the Processing Technology of Taro Clear Juice Beverage

CAO Sheng，HUANG Xue，DENG Tian-xiang，HE Li-ping*
（College of Food Engineering，Wuchang Institute of Technology，Wuhan 430065，Hubei，China）

2017-04-24

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.020

曹晟（1994—），男（漢），本科，研究方向：食品加工技術(shù)。

*通信簡介：何莉萍（1983—），女（漢），講師，碩士，研究方向：食品加工技術(shù)。