响应面优化葡萄糖氧化酶抑制刺梨果汁褐变工艺

许培振,罗 昱,林 梓,孟 满,丁筑红 *
(贵州大学酿酒与食品工程学院,贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室,贵州 贵阳 550025)

摘 要::以刺梨果汁为原料,研究葡萄糖氧化酶对刺梨果汁在加工贮藏过程中主要褐变因素的影响,为抑制刺梨果汁褐变,探索合适的工艺条件。采用Box-Behnken响应面试验设计优化葡萄糖氧化酶抑制刺梨果汁褐变最佳工艺条件为酶添加量28 U/L、作用时间38 min、作用温度37 ℃,此条件下得到刺梨果汁褐变指数为0.122±0.001,葡萄糖氧化酶能显著消耗刺梨果汁中溶解氧(7 d后溶解氧含量为0.523 mg/L),远低于对照组(5.991 mg/L,P<0.05),抑制刺梨果汁氧化反应。此外,葡萄糖氧化酶处理可有效保存VC和氨基态氮含量,减缓褐变中间产物5-羟甲基糠醛的产生,降低褐变指数的增长速率(P<0.01),有效抑制刺梨果汁褐变的发生。

关键词:刺梨果汁;褐变;葡萄糖氧化酶

刺梨(Rosa roxburghii Tratt.)属蔷薇科蔷薇属落叶灌木。成熟果实为黄色 [1]。刺梨果实中富有VC [2]、氨基酸和超氧化物歧化酶等多种营养物质 [3]。现代医学表明刺梨对增强人体免疫功能、延缓衰老等方面,具有良好的保健功效 [4]。但刺梨果实的加工贮藏过程中易于变化损失,易导致果汁色泽褐变、口感劣变等现象。褐变是果汁加工及贮藏过程中难题之一,在果汁加工和贮藏过程中,非酶褐变极易发生,其产生的深色物质对果汁的外观颜色、风味及其营养价值有极大影响。果汁的非酶褐变主要涉及美拉德反应 [5-7]、多酚氧化缩合反应 [8-9]、VC氧化分解反应 [10]。目前,有关刺梨果汁褐变的研究较少,已有研究表明:果汁经热处理可将酚酶完全钝化,防止酶促褐变的发生 [11]。刺梨果汁在储藏过程中的褐变主要是非酶促褐变,氨基态氮、VC、总酚和还原糖等成分与褐变指数的变化密切相关,刺梨果汁中的氨基态氮和VC是导致刺梨果汁在储藏过程中非酶褐变的重要因素 [12]。目前文献报道通常采用脱氧、澄清、降低pH值、添加植酸、亚硫盐、葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD)等方法来防止刺梨果汁的褐变 [13-14]

GOD是一种需氧脱氢酶,能将葡萄糖分子上的醛基转变为羧基,生成葡萄糖酸,避免褐变的发生。它是一种天然的食品添加剂,对人体无毒、无副作用 [15]。目前主要应用在脱氧、改良面粉、去葡萄糖、测定葡萄糖含量、杀菌5 个方面 [16]。Parpinello等 [17]研究发现GOD能快速高效地去除果汁中的溶解氧。作为去葡萄糖和脱氧剂,GOD在抑制果汁褐变 [18-19]、保鲜 [20]、蛋白酶解加工过程中的褐变抑制 [21]等方面具有明显效果。本实验利用GOD作为抗氧化剂应用于刺梨果汁加工中,探讨其对加热杀菌及较高温度贮藏条件下刺梨果汁VC含量及褐变情况的影响,对刺梨果汁加工及贮藏过程中褐变的抑制措施进行研究,以得到色、香、味俱佳的刺梨果汁,为解决刺梨果汁加工中褐变严重等问题,提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

刺梨:贵州龙里县,“贵农5号”人工种植刺梨果,色泽一致、充分成熟,新鲜无霉烂变质果实为试材。

3,5-二硝基水杨酸 国药集团化学试剂有限公司;2,6-二氯酚靛酚 上海源叶生物科技有限公司;福林-酚北京索莱宝科技有限公司;GOD 美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

TU-1810PC紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;6600V2-2多参数分析仪 美国YSI公司;AE100s电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;ZZ102九阳榨汁机 佛山市顺科电器有限公司;DH3600BⅡ恒温培养箱 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 刺梨果汁制备

将新鲜刺梨洗净沥干后,破碎榨汁,实验时现榨现用。

1.3.2 GOD抑制刺梨果汁褐变处理

1.3.2.1 单因素试验设计

考察GOD作用时间对刺梨果汁褐变的影响:取100 mL刺梨果汁,添加30 U/L的GOD,在30 ℃条件下分别处理0、5、15、30、45、60 min后,100 ℃、15 min灭菌后在37 ℃条件下贮藏35 d分析褐变指数变化;考察GOD作用温度对刺梨果汁褐变的影响:取100 mL刺梨果汁,添加30 U/L的GOD,分别在10、20、30、40、50、60 ℃条件下处理45 min后,100 ℃、15 min灭菌后在37 ℃条件下贮藏35 d分析褐变指数变化;考察GOD添加量对刺梨果汁褐变的影响:取100 mL刺梨果汁,分别添加0、10、20、30、40、50 U/L的GOD,在30 ℃条件下处理45 min后,于100 ℃、15 min灭菌后在37 ℃条件下贮藏35 d分析褐变指数变化。

1.3.2.2 响应面试验设计优化工艺条件

在单因素试验的基础上,根据Box-Behnken试验设计原理,以GOD添加量、作用时间和作用温度为自变量,褐变指数为响应值,设计三因素三水平的Box-Behnken响应面分析试验,见表1。

表1 响应面试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

?

1.3.3 GOD对刺梨果汁贮藏过程主要褐变因素的影响

100 mL刺梨果汁中加入30 U/L GOD,30 ℃酶解30 min,100 ℃、15 min灭菌后在37 ℃条件下贮藏,跟踪测定褐变指数及VC、氨基态氮和溶解氧含量变化。

1.3.4 指标测定

褐变指数:采用比色法 [22],以A 420 nm表示;溶解氧值:采用多参数分析仪 [23];5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)含量:采用分光光度法;氨基态氮含量:参考GB/T 12143—2008《饮料通用分析方法》;VC含量:采用2,6-二氯酚靛酚滴定法 [24]

1.4 数据处理

Excel 2013软件对实验数据制图,用SPSS 20.0软件,采用Duncan’s极差法对各项指标进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 GOD抑制刺梨果汁褐变单因素试验结果

2.1.1 GOD作用时间对其作用效果的影响

刺梨果汁经GOD加入刺梨不同时间处理,贮藏35 d后褐变指数的变化情况如图1所示,随着酶作用时间的延长,褐变指数呈现先快速降低后缓慢增加趋势,且各组间差异显著(P<0.01)。以45 min的处理组褐变指数最低,可能是由于作用45 min时,GOD充分除去了刺梨果汁中的溶解氧和葡萄糖,抑制了褐变发生。这与百香果果汁的研究结果 [25]一致。而作用时间为45 min和60 min两组之间差异不大(P>0.05),可能是因为在GOD作用45 min后,刺梨果汁中溶解氧和葡萄糖含量甚微,且又经长时间热处理,导致60 min处理组的褐变度略高于45 min处理组。因此,以GOD作用时间为45 min时,抑制刺梨果汁褐变效果最佳。

图1 GOD作用时间对褐变指数的影响
Fig. 1 Effect of hydrolysis time on browning indexse

2.1.2 GOD作用温度对其作用效果的影响

图2 GOD作用温度对褐变指数的影响
Fig. 2 Effect of hydrolysis temperature on browning index

温度对GOD的活性有影响,且GOD的最适温度为30~60 ℃ [16]。由图2可知,随着酶作用温度逐渐升高,褐变指数呈先降低后升高的趋势,各组间差异显著(P<0.05)。以10 ℃和20 ℃两组处理的褐变指数较大,褐变度较高;40 ℃处理组的褐变度最低,抑制褐变效果较好,表明酶作用温度过高或过低均不利于GOD发挥抑制褐变的作用。因此当作用温度为40 ℃时,GOD对刺梨果汁褐变抑制效果较好。

2.1.3 GOD添加量对其作用效果的影响

图3 GOD添加量对褐变指数的影响
Fig. 3 Effect of enzyme dosage on browning index

由图3可知,随GOD添加量逐渐升高,褐变指数先快速降低后逐渐趋于平缓,其中以添加量为50 U/L时,褐变指数最小,且与添加量为0、10 U/L和20 U/L 3 组之间差异显著(P<0.01),但与30 U/L和40 U/L两组间差异不显著(P>0.05)。可能是因为当添加量达到30 U/L时,刺梨果汁中溶解氧和葡萄糖几乎被耗尽,再增加GOD的添加量不会对褐变指数有明显影响。综合考虑褐变指数与成本,确定添加量为30 U/L时,GOD抑制刺梨果汁褐变的效果最佳。

2.2 响应面优化设计结果

利用Design-Expert 8.0软件进行试验设计,优化出17 组试验安排,试验设计及结果见表2,方差分析和回归模型系数显著性检验结果见表3。

表2 响应面试验设计及结果
Table 2 Response surface Box-Behnken design arrangement and experimental resuullttss

?

Box-Behnken响应面设计有各因素自变量取值所构成的12 个三维顶点和重复5 次试验以估计误差的区域中心零点,共17 个试验点。

以褐变指数为响应值,经Design-Expert 8.0软件对表2中数据进行回归拟合分析得到回归方程为:Y=0.127-0.001A+0.015B+0.004C-0.020AB-0.001AC-0.015BC+0.020A 2+0.023B 2+0.020C 2

由表3可以看出,P 模型=0.020 7<0.05,表明回归模型达到显著水平。R 2 模型=86.93%,表明该模型与实际拟合较好,可以用此模型来分析和预测GOD抑制刺梨果汁褐变的工艺参数。各因素对刺梨果汁褐变指数的影响次序为:作用时间>作用温度>GOD添加量。

根据回归方程绘出等高线图和响应面,如图4所示。可以直观看出各因素对刺梨果汁褐变指数的影响。等高线形状可反映出交互效应的强弱,圆形表示两因素交互作用不显著,椭圆表示两因素交互作用显著。

表3 试验结果方差分析表
Table 3 Analysis of variance for the experimental results

注:*. P<0.05,差异显著;**. P<0.01,差异极显著。

?

图4 GOD响应面优化各因素交互作用响应面及等高线图
Fig. 4 Response surface and contour plots showing the effect of various factors on browning index

通过Design-Expert 8.0软件分析得,利用GOD抑制刺梨果汁褐变的最佳工艺参数为GOD添加量27.69 U/L、作用时间37.39 min、作用温度36.95 ℃,此时果汁褐变指数为0.123。考虑到实际可操作性,将最优工艺参数定为GOD添加量28 U/L、作用时间38 min、作用温度37 ℃。按最优工艺参数进行3 次重复验证实验,结果取平均值,得到刺梨果汁褐变指数为0.122±0.001,与预测值基本相符,表明得到的最优工艺参数准确可靠。

2.3 GOD对刺梨果汁褐变因素的影响

2.3.1 GOD对刺梨果汁贮藏中褐变指数的影响

褐变指数可以直观显示出刺梨果汁的褐变程度。GOD不仅可以减少果汁中葡萄糖,还能消耗溶解氧,阻断或减缓美拉德反应和VC氧化反应,有效减缓非酶褐变速度 [26-27]。由图5可看出,在37 ℃贮藏条件下,实验组与对照组刺梨果汁褐变指数均随时间推移逐渐升高;实验组的褐变指数均显著低于对照组(P<0.01),说明GOD可有效减缓刺梨果汁贮藏过程中褐变。

图5 GOD对刺梨果汁贮藏中褐变指数的影响
Fig. 5 Effect of glucose oxidase treatment on browning index in Rosa roxburghii juice during storage

2.3.2 GOD对刺梨果汁中溶解氧含量的影响

图6 GOD对刺梨果汁贮藏中溶解氧含量的影响
Fig. 6 Effect of glucose oxidase treatment on the amount of dissolved oxygen in Rosa roxburghii juice during storage

溶解氧的存在可加快果汁褐变的发生 [28],如图6所示,随贮藏时间逐渐延长,果汁中溶解氧含量逐渐减少,且在贮藏初期急速下降,随后逐渐趋于稳定,可能是因为贮藏初期溶解氧参与引起褐变的反应,从而导致含量急剧下降;随后果汁中反应底物逐渐减少,褐变反应发生速率减慢,导致溶解氧含量逐渐趋于稳定,这与康文怀 [29]研究结果相似。添加GOD的处理组贮藏7 d后,果汁中溶解氧含量为0.523 mg/L,远远低于对照组5.991 mg/L(P<0.01),GOD能有效地消除刺梨果汁中的溶解氧含量。

2.3.3 GOD对刺梨果汁贮藏中5-HMF含量的影响

图7 GOD对刺梨果汁贮藏中5-HMF含量的影响
Fig. 7 Effects of glucose oxidase treatment on 5-HMF in Rosa roxburghii juice during storage

5-HMF是美拉德反应和VC氧化反应的中间产物,会发生一系列反应生成有色物质,导致褐变。刺梨对氨基态氮和VC的保护可减缓5-HMF的生成。GOD可消除溶解氧从而降低美拉德反应和VC氧化反应速率 [13]。由图7可知,随时间延长,37 ℃贮藏条件下刺梨果汁中5-HMF含量逐渐增加,且对照组含量明显高于实验组(P<0.01)。添加GOD的实验组在14 d时检测出5-HMF且含量增加缓慢,GOD可有效推迟5-HMF的检出时间,减缓褐变的发生。

2.3.4 GOD对刺梨果汁贮藏中氨基态氮含量的影响

美拉德反应是以氨基酸和还原糖为反应底物,生成深色物质,导致果汁发生褐变。氨基态氮含量可直接反映果汁中氨基酸的含量,同时间接地反映美拉德反应发生情况。由图8可知,在37 ℃贮藏条件下,随时间延长,刺梨果汁中氨基态氮含量逐渐减少,且对照组明显低于实验组(P<0.05);对照组氨基态氮的降低速率明显高于实验组中的降低速率。GOD可消耗刺梨果汁中葡萄糖含量 [30],从而控制美拉德反应的发生,减缓氨基态氮的损失,以减缓刺梨果汁褐变发生的速度。

2.3.5 GOD对刺梨果汁贮藏中VC含量的影响

图9 GOD对刺梨果汁贮藏中VC含量的影响
Fig. 9 Effect of glucose oxidase treatment on VC content in Rosa roxburghii juice during storage

刺梨果汁含有丰富的VC,其在非酶体系下的氧化降解是导致刺梨果汁非酶褐变的主要因素之一,VC的氧化分解分为有氧性及厌氧性分解反应 [31]。从图9可以看出,在37 ℃条件下,随着贮藏时间延长,果汁中VC含量逐渐降低。贮藏14 d内,由于对照组中含有溶氧或贮藏瓶的顶隙中含氧,VC主要通过氧降解途径消耗明显减少。贮藏后期,当氧气消耗到一定程度,VC经无氧降解被消耗,下降减缓。但实验组中VC含量明显高于对照组(P<0.01)。从而可知,GOD可有效减缓刺梨果汁中VC的降解速率从而延缓褐变发生。

3 结 论

本实验通过研究刺梨果汁在热处理和贮藏过程中各褐变反应的主要反应物的含量变化,探讨研究贮藏过程中GOD对刺梨果汁褐变因子的影响,发现GOD能消耗刺梨果汁中溶解氧,较好地保存VC和氨基态氮含量,减缓褐变中间产物5-HMF的产生,降低褐变指数的增长速率,有效抑制刺梨果汁褐变的发生。通过研究不同GOD的作用条件对刺梨果汁褐变的抑制效果,发现刺梨刺梨GOD抑制刺梨果汁褐变的最优工艺为GOD添加量28 U/L、酶作用时间38 min、酶作用温度37 ℃,此条件下得到刺梨果汁褐变指数为0.122±0.001,GOD能显著消耗刺梨果汁中溶解氧(7 d后溶解氧含量为0.523 mg/L),远远低于对照组(5.991 mg/L,P<0.05),抑制刺梨果汁氧化反应。研究所得到的刺梨果汁褐变抑制工艺条件,能为改善刺梨果汁易于褐变等问题提供良好的指导,但控制刺梨果汁产品的褐变研究仍然有提升空间,进一步研究可以从改善杀菌条件、加强果汁前处理等方面进行。

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Optimization of Browning Inhibition of Rosa roxburghii Tratt. Juice by Glucose Oxidase Using Response Surface Methodology

XU Peizhen, LUO Yu, LIN Zi, MENG Man, DING Zhuhong *
(Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store Processing of Guizhou Province, School of Liquor and Food Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract:This research was conducted to study the effect of glucose oxidase on the browning inhibition and quality of Rosa roxburghii Tratt. juice during processing storage and to explore the conditions for browning inhibition. Using Box-Behnken design combined with response surface methodology, the optimal conditions for browning inhibition were determined as 28 U/L, 38 min and 37 ℃ for enzyme dosage, hydrolysis time and temperature, respectively, yielding a browning index of 0.122 ± 0.001. Under these conditions, glucose oxidase significantly depleted the dissolved oxygen in R. roxburghii Tratt. juice (P < 0.05), decreasing to a level (0.523 mg/L) signifi cantly (P < 0.05) lower than that of the control group (5.991 mg/L), and as a result inhibited the oxidation of R. roxburghii Tratt. juice. Moreover, glucose oxidase treatment could better maintain the VC and amino nitrogen contents of R. roxburghii Tratt. juice, slowed down the formation of the browning intermediate product 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), blocked the increase in browning index (P < 0.01), and effectively inhibited the occurrence of R. roxburghii Tratt. juice browning.

Key words:Rosa roxburghii Tratt. juice; browning; glucose oxidase

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201624008

中图分类号:TS255.44

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2016)24-0055-06

引文格式:

许培振, 罗昱, 林梓, 等. 响应面优化葡萄糖氧化酶抑制刺梨果汁褐变工艺[J]. 食品科学, 2016, 37(24): 55-60. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201624008. http://www.spkx.net.cn

XU Peizhen, LUO Yu, LIN Zi, et al. Optimization of browning inhibition of Rosa roxburghii Tratt. juice by glucose oxidase using response surface methodology[J]. Food Science, 2016, 37(24): 55-60. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201624008. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-04-16

基金项目:贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教合KY字(2015366));贵州省重大科技专项(黔科重大合字[2013]6006-2)

作者简介:许培振(1989—),男,硕士研究生,研究方向为食品营养与安全。E-mail:hezexpz@126.com

*通信作者:丁筑红(1966—),女,教授,本科,研究方向为农产品加工。E-mail:gzdxdzh@163. com