葡萄汁加工中葡萄皮色素低溫促溶技術

孫儷娜，米日阿依·伊力夏提，吳曉娟，祁巖龍，馮作山*

(新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

葡萄汁加工中葡萄皮色素低溫促溶技術

孫儷娜，米日阿依·伊力夏提，吳曉娟，祁巖龍，馮作山*

(新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

以“赤霞珠”葡萄為試驗材料、花色苷為測定指標，采用Box-behnken響應曲面設計，研究果膠酶和微波處理組合技術對葡萄皮中色素物質溶出的影響。結果表明果膠酶處理的最佳工藝條件為：添加1.1‰果膠酶，40℃處理3.15h；在酶處理的基礎上確定微波處理的最佳工藝條件為：129.5g樣品微波19s，微波次數3次。方差分析(analysis of variance，ANOVA)表明兩個模型極顯著(P＜0.0001)，失擬性不顯著(P＞0.1)。該模型可用于葡萄汁加工過程中葡萄皮色素溶出效果的分析與預測。通過該技術組合處理，可以得到花色苷物質含量高、顏色鮮艷的葡萄汁。

“赤霞珠”葡萄；原花青素；微波；果膠酶；響應曲面法

葡萄原花青素(grape procyanidins，GPC)是存在于葡萄中的一種天然植物多酚，也稱葡多酚，在葡萄皮、籽中含量豐富。近年來，國內外學者已對GPC進行大量研究，證實GPC具有保護心血管系統、清除自由基、抗氧化、抗突變、抗癌、抗輻射、促進細胞增殖等生物學活性[1-4]。

葡萄汁比任何其他水果、蔬菜及其汁液含有更多的抗氧化物質[5]。在與橙汁及柚子汁的對比試驗中，研究人員發現，葡萄汁對心臟病的預防作用最好，而且紫葡萄汁優于白葡萄汁，紫葡萄汁甚至比預防心臟病的常用藥物阿司匹林效果還好[6]。Facino等[7]實驗發現，GPC可減輕大鼠缺血后的心肌損傷，降低心臟對缺血再灌注損傷的敏感性，這種作用與其提高血漿抗氧化能力有關。Bagchi等[2]研究發現GPC對氧自由基的清除能力遠高于VE和VC。

紫色或紅色葡萄皮中的原花青素受組織和細胞的阻隔，目前的葡萄榨汁方式很難將其溶出進入葡萄汁中，葡萄皮所含的功效成分隨皮渣排出，形成一種資源浪費。采用加熱的方法雖在一定程度上有助于葡萄皮花青素的溶出，但處理溫度高、時間長，花青素等功效成分容易氧化分解，發生褐變，而且還易導致葡萄汁風味變劣、營養成分和活性物質損失[8-9]。

擬采用“微波＋酶”的處理方式探討這一問題的解決方法及工藝優化。通過果膠酶處理水解葡萄皮中的果膠物質，使細胞壁透性增大，易于葡萄皮中的色素物質溶出。吳春等[10]研究葡萄籽中原花青素的酶法提取工藝，結果表明，影響酶法提取原花青素的因素次序為：酶解溫度＞酶解濃度(質量體積比)＞pH值＞乙醇體積分數。采用多次微波處理(溫度控制在50℃以內)，利用微波的高頻震動使細胞壁破裂，促進傳質作用，加快色素物質的溶出[11-14]。本實驗通過響應面設計優化工藝可以在較低的處理溫度下使色素物質大量溶出[15]，避免色素物質降解，得到色素含量高、顏色鮮艷的紅色葡萄汁產品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“赤霞珠”葡萄 烏魯木齊五一農場；果膠酶(食品添加劑) 南寧龐博生物工程有限公司；冰乙酸(分析純) 天津市富宇精細化工有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀(分析純) 天津市永晟精細化工有限公司。

1.2 儀器與設備

WF-4000常壓式微波快速反應系統 上海市市屹堯分析儀器有限公司；TDL80-2B型臺式離心機 上海安亭科學儀器廠；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫療儀器廠；TU-1810 PC分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；PL203分析天平 梅特勒托利多有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將新鮮的赤霞珠葡萄清洗、除梗。破碎，于破碎液中按試驗設計加入果膠酶處理(表1)，再用微波處理(表2)，每次處理后快速冷卻至室溫，再進行下一次微波處理，過濾，清汁進行花色苷含量測定。

1.3.2 Box-behnken響應面試驗設計

1.3.2.1 果膠酶處理Box-behnken響應曲面設計

表1 果膠酶處理Box-behnken響應曲面試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in the Box-behnken design for optimizing pectinase treatment

1.3.2.2 微波處理Box-behnken響應曲面設計

1.3.3 花色苷測定

花色苷測定采用pH示差法[16-18]。取2.0mL葡萄汁，分別用pH1.0和pH4.5的緩沖溶液定容至25.0mL，置于室溫處平衡2h，用蒸餾水做對照，在520nm處測定吸光度，根據Fuleki公式[19]求出總花色苷含量。

式中：C為每毫升葡萄汁中花色苷的含量/(mg/mL)；A1.0、A4分別為pH1.0、pH4.5時花色苷在520nm波長處的吸光度；V1為稀釋體積/mL；V2為樣品體積/mL；n為稀釋倍數；M為cy-3-glu的相對分子質量，其值為449g/mol；μ為ε-cy-3-glu的消光系數(其值為29600)。

2 結果與分析

2.1 果膠酶處理

2.1.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗

根據響應曲面法的要求，開展17組試驗，檢測結果見表3。

表3 果膠酶處理試驗設計與結果Table 3 Experimental design and results of parameter optimization for pectinase treatment

利用Design Expert軟件進行回歸分析，得到二次多項方程(模型)，見方程(1)：

對該模型進行方差分析(analysis of variance，ANOVA)，結果見表4，模型系數顯著性檢驗見表5。由表4回歸模型方差分析可以看出：F模型＝31.60＞(F0.01(9,4)＝14.66)，P＜0.0001表明模型極其顯著。F失擬＝3.7＜(F0.05(9,3)＝8.81)，失擬項P＝0.1193＞0.1，表明模型失擬不顯著。模型的確定系數R2=0.9760，調整確定系數R2Adj=0.9451，說明該模型能解釋94.51%響應值的變化，因而該模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是適用的。

表4 果膠酶處理回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of the established regression model describing pectinase treatment

表5 果膠酶處理方程系數顯著性檢驗Table 5 Significance testing of each coefficient of the regression model describing pectinase treatment

由表5回歸方程系數顯著性檢驗可知，模型中一次項果膠酶添加量A(P＜0.0001)極顯著，時間B(P＝0.0235)、交互項AB(P＝0.1764)顯著；二次項A2(P＝0.0007)、

B2(P＝0.0005)、C2(P＜0.0001)極顯著。

2.1.2 果膠酶處理響應面優化結果

圖1 果膠酶處理響應面優化結果Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of pectinase dosage and treatment time on anthocyanin content in grape juice

對模型進行求解，得花青素質量濃度最大為0.991mg/mL，預測得到的優化條件為A＝0.20、B＝0.15、C＝－0.05，進行計算轉化后得，果膠酶添加量1.1‰、處理時間3.15h、溫度 40.0℃(計算值為39.75℃)。響應面優化結果見圖1，隨著酶添加量的增加和處理時間的延長，花青素質量濃度呈升高趨勢，當酶添加量1.1‰、處理時間3.15h時，花青素質量濃度最大，為0.960mg/mL，再增加酶量后呈降低趨勢。

2.2 微波處理

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗

根據響應曲面法的要求，開展17組試驗，結果見表6。

表6 微波處理試驗設計與結果Table 6 Experiment design and results of parameter optimization for microwave treatment

葉新紅等[11]比較了不同處理方法對葡萄皮中花色苷等多酚類物質溶出效果的影響，發現與熱浸提相比，微波和超聲波處理均能促進葡萄皮中的色素物質的溶出，但微波處理時間較短，葡萄汁顏色鮮艷。本試驗將微波處理工藝進行響應面優化，利用Design Expert軟件進行回歸分析，得到二次多項方程(模型)，見方程(2)：

對該模型進行方差分析，結果見表7，模型系數顯著性檢驗見表8。由表7回歸模型方差分析可以看出：F模型＝9.65＞F0.05(9,4)＝6，P＝0.0034表明模型極顯著。F失擬＝4.13＜F0.05(9,3)=8.81，失擬項P＝0.1021＞0.1，表明模型失擬不顯著。模型的確定系數R2＝0.9254，調整確定系數R2Adj＝0.8259，說明該模型能解釋82.59%響應值的變化，因而該模型擬合程度較好，但試驗誤差偏大，故對該模型進行手動優化，去掉不顯著項。

表7 微波處理回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of the regression model describing microwave treatment

表8 微波處理方程系數顯著性檢驗Table 8 Significance testing of each coefficient of the regression model describing microwave treatment

由表8回歸方程系數顯著性檢驗可知，模型中一次項樣品質量A＇(P=0.0419)顯著，時間B＇(P=0.0029)高度顯著；二次項A＇2(P=0.0011)、B＇2(P=0.0042)高度顯著，C＇2(P=0.0436)顯著。

2.2.2 微波處理響應面優化

在原有擬合方程基礎上，對模型進行手動簡化，去掉不顯著項(不包括非交互項C＇，)，模型的F值變成18.32(P＜0.0001)，失擬項F值變為2.39(P=0.2095)，表明手動簡化結果可行。簡化后回歸方程為：

對此模型進行求解，得花青素質量濃度最大為1.372mg/mL，預測得到的優化條件為：A＇＝0.59，B＇＝0.39、C＇＝0.23，進行計算轉化后得樣品質量129.50g、微波時間19s(模型計算值為18.9s)、微波次數3次(模型計算值為3.46次)。響應面優化結果見圖2。當處理次數為2.3次時，隨著處理樣品質量增加和時間的延長，花青素含量先呈緩慢增大趨勢，后迅速下降。

圖2 微波處理響應面優化結果Fig.2 Response surface and contour plot showing the effects of grape amount and microwave treatment time on anthocyanin content in grape juice

2.3 驗證實驗

為證明模型的可靠性，采用優化條件開展3次驗證實驗。結果表明實際花青素溶出平均值為1.352mg/mL，相對誤差為－1.43%，因此響應面設計所得結果準確可靠。

3 結 論

利用Box-behnken響應曲面法設計優化了深色葡萄榨汁過程中色素物質“微波＋果膠酶”的低溫促溶工藝。結果顯示：利用Design Expert軟件建立二次多項回歸方程，方差分析表明兩個模型極顯著(P＜0.0001)，失擬性不顯著(P＞0.1)。

對模型進行優化求解得果膠酶處理的最佳工藝條件為：添加1.1‰果膠酶，40℃處理3.15h；在酶處理的基礎上確定微波處理的最佳工藝條件為：129.5g樣品微波19s，微波次數3次。

本實驗將酶解處理和微波處理結合，利用Design Expert軟件建立二次多項回歸方程，優化了“微波＋果膠酶”低溫促溶工藝。驗證實驗表明響應面設計所得結果準確可靠。該模型可用于葡萄汁加工過程中葡萄皮色素溶出效果的分析與預測。

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Process Parameter Optimization for Pectinase Hydrolysis Followed by Microwave Treatment for Promoting Dissolution of Grape Skin Anthocyanins in Grape Juice Processing

SUN Li-na，MIRIAYI Yilixiati，WU Xiao-juan，QI Yan-long，FENG Zuo-shan*

(College of Food Science and Pharmaceutical Science, Xinjiang Agricultural Universitymqi 830052, China)

In order to accelerate the dissolution of intracellular anthocyanins into grape juice, Cabernet Cauvignon grapes were mechanically crushed and subjected to pectinase hydrolysis followed by microwave treatment. The conditions of pectinase hydrolysis and microwave treatment were optimized by Box-Behnken experimental design combined with response surface methodology for maximizing anthocyanin content in grape juice. Based on Box-Behnken experimental design, two regression models describing pectinase hydrolysis and microwave treatment were established. The optimal pectinase hydrolysis conditions were pectinase amount 1.1‰, hydrolysis temperature 40 ℃, and hydrolysis time 3.15 h, and the optimal microwave treatment conditions were grape amount 129.5 g, treatment time 19 s, and number of repeated treatments 3. Analysis of variance indicated that the two mathematical models were highly statistically significant (P＜0.0001), the lack of fit of each of which was not significant (P＞0.1), thereby being applicable to analyze and predict the dissolution of anthocyanins during grape juice processing. Grape juice with a higher anthocyanin content and a brilliant color can be obtained by the combined use of pectinase hydrolysis and microwave treatment.

Cabernet Cauvignon grape；anthocyanin；microwave；pectinase；response surface design

TS255.44

A

1002-6630(2011)16-0036-05

2010-10-28

新疆維吾爾自治區重大專項(200731136-3)

孫儷娜(1984—)，女，碩士研究生，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：shalunna@yahoo.com.cn

*通信作者：馮作山 (1963—)，男，教授，博士，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：fengzuoshan@126.com