吳永祥,戴毅,王雅群，江海濤,張夢婷，權泰亨，陳向陽*

1(黃山學院 生命與環(huán)境科學學院,安徽 黃山, 245041) 2(安東國立大學 食品科學與生物技術學院,慶尚北道 安東, 760749)

紅薯(IpomoeabatatasLam.)又稱甘薯、山芋、地瓜、番薯等，屬于旋花科甘薯屬一年或多年生草本植物。紅薯營養(yǎng)豐富，富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素、氨基酸及各種礦物質(zhì)，被營養(yǎng)學家們稱為營養(yǎng)最均衡的天然保健食品，已經(jīng)越來越受到國內(nèi)外消費者的青睞[1]。紅薯是一種高產(chǎn)且適應性強的主要糧食作物，在世界上100多個國家均有種植，其中中國紅薯種植約占全世界總產(chǎn)的80%左右[2]。國內(nèi)對紅薯進行了大量的深加工研究，開發(fā)出的主要產(chǎn)品有紅薯干、紅薯蛋白質(zhì)、紅薯膳食纖維、紅薯飲料、紅薯黃酒等[3-4]。紅薯干具有甜軟韌香、營養(yǎng)豐富的優(yōu)點，并最大程度地保留了紅薯的原有風味，深受消費者喜愛。紅薯干在加工過程中，細胞組織遭到損傷，在氧化酶作用下細胞組織中的酚類物質(zhì)迅速氧化形成醌，醌類物質(zhì)自我聚合形成類黑色素，從而導致紅薯干發(fā)生褐變現(xiàn)象，使其外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)下降，造成經(jīng)濟損失[5-6]。目前，有關紅薯干在加工過程中護色工藝的研究較少，采用不同護色預處理方式對紅薯干品質(zhì)產(chǎn)生的影響尚未見報道。

VC、檸檬酸、CaCl2、亞硫酸鹽等護色劑以及超聲波、熱燙等技術在控制酶促褐變中得到了廣泛應用[7-8]。大量研究表明，含硫護色劑護色效果較好，但容易導致產(chǎn)品中SO2殘留，甚至殘留嚴重超標，影響產(chǎn)品的質(zhì)量與安全，并危害人體的身體健康[9]。目前，食品中SO2殘留量必須控制在較低水平，甚至已經(jīng)在很多食品中禁用。因此，本試驗選擇不同質(zhì)量濃度的無硫護色劑，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken設計方法，運用Design-Expert V8.0.6軟件對紅薯干褐變抑制率的二次回歸模型進行分析，確定最佳的無硫復合護色劑配方，并進一步探討復合護色劑、超聲波-熱燙、亞硫酸鈉3種不同護色處理方式對紅薯干褐變抑制率、體積皺縮比、硬度、色澤及微觀結(jié)構等品質(zhì)指標的影響，旨在為紅薯干加工的護色處理提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅薯原料，采購于浙江省臨安市天目山鎮(zhèn)。挑選新鮮、無病蟲害和機械損傷、成熟度及大小基本一致的紅薯為試驗材料。

VC、檸檬酸、CaCl2、亞硫酸鹽，國藥集團化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

S3400N掃描電鏡，日本日立公司；SpectraMax-190全波長酶標儀，美國Molecular Devices公司；PL203電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SCQ-5201C數(shù)控加熱功率可調(diào)型超聲波清洗器，上海聲彥超聲波儀器有限公司；CR-10plus色差儀，日本柯尼卡美能達公司；GY-4數(shù)顯式水果硬度計，北京金科利達電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 護色劑的護色處理方式

用清水洗去紅薯表面污泥，去皮，切成(10.0±0.5)mm厚的大小均一的紅薯條，并立即進行如下的護色處理，自然瀝干后，經(jīng)榨汁、離心、過濾后，測定褐變指數(shù)，并計算褐變抑制率。按照表1的設計進行紅薯干加工前的單一護色劑優(yōu)化；在單一護色劑質(zhì)量濃度優(yōu)化試驗結(jié)果的基礎上，采用Box-Behnken設計原理，利用3因素3水平的響應面試驗(表2)優(yōu)化VC、檸檬酸、CaCl23種護色劑的最佳配比。

表1 單一護色劑質(zhì)量濃度優(yōu)化設計Table 1 Optimization design for individual use of browning inhibitors at different concentrations

表2 Box-Behnken試驗設計Table 2 Experimental design of Box-Behnken

1.3.3 復合護色劑、超聲波-熱燙、亞硫酸鈉的3種不同護色處理方式

參考文獻[5-6]及本課題組前期護色試驗來選用不同護色處理條件。復合護色劑組：在響應面試驗結(jié)果的基礎上，得到復合護色劑的最佳配比為0.77 g/100 mL VC、2.17 g/100 mL檸檬酸、0.22 g/100 mL CaCl2，將制備好的紅薯條60.0 g浸泡護色30 min；超聲波-熱燙組：將紅薯條60.0 g置于超聲處理器內(nèi)，210 W、80 ℃條件下超聲6 min，用蒸餾水快速沖洗冷卻紅薯條至室溫；亞硫酸鈉組：將紅薯條60.0 g置于2 g/100 mL亞硫酸鈉溶液中浸泡護色30 min。同時設立對照組，為未護色處理的紅薯條。

1.3.4 褐變抑制率測定

參考文獻[10]略作改動：稱取10.0 g經(jīng)護色處理的紅薯條，冰浴條件下用100 mL 0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.0)勻漿，經(jīng)3 000 r/min離心20 min，取上清液，于450 nm波長處測吸光度。以未護色處理組為對照，每樣重復3次，取平均值，并按式(1)計算褐變抑制率：

(1)

式中：I，褐變抑制率，%；AS，護色處理組吸光度；AC，未護色處理組的吸光度。

1.3.5 體積皺縮比測定

參考文獻[11]并修改如下：用粒徑0.105～0.201 mm的石英砂作為置換介質(zhì)，分別測定新鮮紅薯條組體積(VC)、護色處理組紅薯干體積(VS)。每樣重復3次，取平均值，并按式(2)計算體積皺縮比：

(2)

式中：T，體積皺縮比；VS，護色處理組的體積；VC，新鮮紅薯條組的體積。

1.3.6 硬度測定

利用GY-4型數(shù)顯式水果硬度計測定，探頭直徑為7.9 mm，在紅薯干表面隨機選取10個點測量，并記錄數(shù)據(jù)，計算其平均值。平行測定3次，確定紅薯干硬度(N)。

1.3.7 色澤測定

利用CR-10plus型色差儀，在紅薯干表面隨機選取10個點測量，并記錄L*、a*、b*值，計算其平均值。平行測定3次，確定紅薯干色澤。色差儀中的L*值表示紅薯干色澤的明暗度，L*值越大表明顏色越白，褐變程度低；反之越暗、褐變程度高[12]。

1.3.8 微觀組織結(jié)構觀察

利用S3400N型掃描電鏡對紅薯干進行微觀組織結(jié)構觀察。將紅薯干凍干后，固定在樣品托上，采用離子濺射儀在觀察樣品的橫斷面上噴金，掃描電子顯微鏡(500倍)觀察并拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 單一護色劑對紅薯干褐變抑制作用的影響

如圖1所示，VC、檸檬酸、CaCl2的處理均能有效抑制紅薯干加工過程中的褐變，且在低質(zhì)量濃度時隨著濃度逐漸增大對褐變的抑制作用逐漸增強。當VC為1 g/100 mL、檸檬酸為3 g/100 mL、CaCl2為0.2 g/100 mL時，對紅薯干的褐變抑制率均達到最大，分別為52.79%、49.84%、48.90%。VC為還原劑，能將氧化的醌類還原為酚類物質(zhì)，阻止醌類物質(zhì)形成色素物質(zhì)，起到護色效果[9,13]。檸檬酸可以與多酚氧化酶的金屬離子配位形成螯合物，導致酶活性降低，同時檸檬酸可電離3個H+，使護色液中的pH值遠離多酚氧化酶的最適pH值，起到抑制褐變的作用[14-15]。CaCl2的Ca2+能與氨基酸發(fā)生沉淀作用，抑制羰氨反應，且Ca2+能與細胞壁的果膠酸作用形成果膠酸鈣，阻止液泡中組織液外滲到細胞質(zhì)中與酶類接觸，降低酶褐變程度[16]。但當VC、檸檬酸、CaCl濃度再增加，褐變抑制效果呈現(xiàn)一定的下降趨勢。表明VC、檸檬酸、CaCl2在一定濃度范圍內(nèi)能有效抑制褐變作用，當超過一定濃度后，紅薯干可能自身發(fā)生了非酶促褐變，褐變程度加深，抑制效果下降[17]。

圖1 VC(A)、檸檬酸(B)、CaCl2(C)對紅薯干褐變抑制率的影響Fig.1 Effect of VC (A), citric acid (B), calcium chloride (C) on browning inhibition rate of candied sweet potato注：不同大小寫字母表示差異顯著，下同。

2.2 響應面優(yōu)化復合護色劑配比

2.2.1 回歸模型的建立

以VC、檸檬酸、CaCl2為試驗因子，紅薯干褐變抑制率為響應值，設計3因素3水平Box-Behnken試驗，試驗結(jié)果見表2。由表2的數(shù)據(jù)用Design-Expert V8.0.6分析可得回歸方程為：Y=58.24+4.54A+2.04B-0.35C-1.95AB-0.71AC-0.011BC-5.44A2-3.72B2-1.63C2。

表3 響應面試驗結(jié)果Table 3 The results of response surface methodology

2.2.2 響應面試驗的方差分析

由表4可知，本試驗所選模型差異極顯著(模型的P=0.000 2)，說明回歸模型對紅薯干褐變抑制率有很好的預測性。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance (ANOVA) regression model

注：*表示差異顯著(P< 0.05)；**表示差異極顯著(P< 0.01)。

由表4可知，從顯著性檢驗P值的大小可以得到各因素對紅薯干褐變抑制作用影響的順序為VC(A)>檸檬酸(B)> CaCl2(C)，其中A和B因素對紅薯干褐變抑制作用的影響極顯著，A和B因素交互作用影響顯著(P<0.05)，A和C、B和C因素交互作用影響均不顯著(P>0.05)，A2、B2對紅薯干褐變抑制作用影響極顯著(P<0.001)，C2對紅薯干褐變抑制作用影響不顯著(P>0.05)。將表4中數(shù)據(jù)進行響應面曲線分析，二者呈較好的二次拋物線關系，紅薯干褐變抑制率存在最大值。

2.2.3 復合護色劑最佳配比的確定及驗證試驗

利用Design-Expert V 8.0.6軟件對復合護色劑的配比進行優(yōu)化，得到紅薯干褐變度抑制率最佳條件為：VC濃度0.77 g/100 mL、檸檬酸濃度2.17 g/100 mL、 CaCl2濃度0.22 g/100 mL；在此工藝條件下，紅薯干褐變度抑制率的預測值為59.35%。采用上述條件，進行驗證試驗(n=3)，得到紅薯干褐變度抑制率實測值為(58.66±0.56)%，與預測值59.35%的相對誤差為1.18%，進一步說明此模型對試驗的擬合度較好，得到的回歸方程在本試驗中有實際意義。

2.3 不同護色處理對紅薯干褐變抑制作用的影響

如圖2所示，復合護色劑、超聲波-熱燙、亞硫酸鈉3種不同護色處理均能有效抑制紅薯干加工過程中的褐變，褐變抑制率分別為58.66%、15.37%、20.24%。

圖2 不同護色處理對紅薯干褐變抑制率的影響Fig.2 Effect of different color protection treatments on browning inhibition rate of candied sweet potato

與超聲波-熱燙組、亞硫酸鈉組相比，復合護色劑組的紅薯干褐變抑制率最大，且存在著顯著性差異(P<0.05)。超聲波-熱燙處理是一種較為強烈的熱力物理作用，能在較短時間內(nèi)導致酶活性降低，起到抑制褐變的作用，但易造成組織軟化和部分營養(yǎng)物質(zhì)流失等問題[18-19]。亞硫酸鈉可對多酚氧化酶產(chǎn)生不可逆的抑制作用，能控制酶促褐變的速度，同時對非酶促褐變亦能產(chǎn)生抑制作用，但亞硫酸鈉的使用存在著SO2殘留問題，嚴重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與安全[9, 20]。

2.4 不同護色處理對紅薯干體積皺縮比與硬度的影響

體積皺縮反映紅薯干加工前后體積的變化程度，皺縮比越接近1，表明體積外形改變越小。如圖3所示，與對照組的體積皺縮比(0.84±0.01)相比，復合護色劑組、超聲波-熱燙組、亞硫酸鈉組的體積皺縮比分別為(0.93±0.02)、(0.51±0.01)、(0.83±0.02)，具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。復合護色劑處理后的紅薯干體積收縮變化小，呈現(xiàn)出飽滿的體積形態(tài)。超聲波-熱燙組的體積皺縮比差異顯著，表明超聲波-熱燙處理使紅薯組織產(chǎn)生了部分萎縮和變形，物料表觀形態(tài)體積呈縮小趨勢[21-22]。與對照組相比，亞硫酸鈉組皺縮比差異不顯著(P>0.05)。此外，超聲波-熱燙組、亞硫酸鈉組的硬度與對照組存在顯著差異，硬度值分別為(4.94±1.16)N、(3.48±0.12)N，分別高于對照組硬度值的74.25%、22.57%。與對照組相比，復合護色劑的硬度值沒有明顯差異(P>0.05)。這可能由于超聲波-熱燙、亞硫酸鈉的護色處理使產(chǎn)品內(nèi)部組織結(jié)構萎縮和變形，增加了組織的堅實性，呈現(xiàn)出較高的產(chǎn)品硬度[23-24]。

圖3 不同護色處理對紅薯干體積皺縮比和硬度的影響Fig.3 Effect of different color protection treatments on shrinkage rates and hardness of candied sweet potato

2.5 不同護色處理對紅薯干色澤的影響

L*值表示紅薯干色澤的明暗度，L*值越大表明顏色越白，褐變程度低。如表5所示，復合護色劑、超聲波-熱燙、亞硫酸鈉處理后的紅薯干L*值存在著顯著差異(P<0.05)，均明顯高于對照組的L*值，其中復合護色劑組的L*值最大。3組的a*值之間存在顯著差異(P<0.05)，顯著低于對照組；3組的b*值之間亦存在顯著差異(P<0.05)，顯著高于對照組。結(jié)果表明，3種不同護色處理對紅薯干的色澤存在著不同程度的影響，且其與對紅薯干褐變抑制作用的影響呈現(xiàn)出較好的一致性。

表5 不同護色處理對紅薯干色澤的影響Table 5 Effect of different color protection treatments on color parameters of candied sweet potato

注：同列不同字母表示在統(tǒng)計學上具有顯著差異(P<0.05)。

2.6 不同護色處理對紅薯干微觀組織結(jié)構的影響

如圖4所示，與新鮮紅薯組相比，紅薯干在加工過程中細胞結(jié)構形態(tài)發(fā)生了顯著改變，細胞壁發(fā)生了一定程度的皺縮。與對照組相比，復合護色劑、亞硫酸鈉處理的紅薯干細胞形態(tài)相對飽滿且規(guī)則，細胞結(jié)構形態(tài)發(fā)生改變或破壞相對較少。相對于復合護色劑組，超聲波-熱燙處理后，紅薯干細胞微觀結(jié)構形態(tài)引起了較大程度的改變和破壞，細胞輪廓結(jié)構呈雜亂不規(guī)則狀，細胞壁出現(xiàn)嚴重皺縮，卷曲現(xiàn)象更明顯。3組護色處理微觀結(jié)構電鏡掃描觀察呈現(xiàn)的結(jié)果與前期研究的體積皺縮比、硬度具有一定的吻合度，從微觀結(jié)構上對不同護色處理后紅薯干品質(zhì)指標差異產(chǎn)生原因進行了進一步的解釋和驗證。

a～e分別為新鮮組、對照組、復合護色劑組、超聲波-熱燙組、亞硫酸鈉組。圖4 不同護色處理對紅薯干微觀組織結(jié)構的影響(×500)Fig.4 Effect of different color protection treatments on microstructure of candied sweet potato (×500)

3 結(jié)論

在單因素試驗設計的基礎上，對紅薯干無硫護色劑進行了3因素3水平的Box-Behnken響應面試驗設計，確定了復合護色劑最佳配比為0.77 g/100 mL VC、2.17 g/100 mL檸檬酸、0.22 g/100 mL CaCl2。在此條件下預測紅薯干褐變抑制率為59.35%， 而經(jīng)驗證試驗得到的實際值為58.66%，預測值與實際值的吻合率為98.84%，說明回歸模型與實際情況擬合良好。通過對比試驗可知，復合護色劑對紅薯干的褐變抑制作用、體積皺縮比、硬度、色澤及微觀組織結(jié)構等指標的影響均顯著優(yōu)于超聲波-熱燙、亞硫酸鈉處理組，得到的紅薯干品質(zhì)最佳，更符合工業(yè)化生產(chǎn)需求。本研究結(jié)果為紅薯干加工的護色處理提供了技術參考。