大孔樹脂對長壩柚汁脫苦工藝的研究

唐 輝，肖仔君，鐘瑞敏，林 杰

(韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005)

柚子(Citrus grandis)是柑橘類果實(shí)的一種，為蕓香科植物柚的成熟果實(shí)，因其風(fēng)味獨(dú)特，營養(yǎng)豐富，香味清爽，口感酸甜涼潤，而受到廣大消費(fèi)者的喜愛［1-2］。粵北山區(qū)氣候、土質(zhì)肥沃，適合種植柚子，其中韶關(guān)市長壩沙田柚含糖量高，風(fēng)味濃郁，在全國各地頗受好評(píng)。目前，果園已進(jìn)入盛果期，年產(chǎn)量已達(dá)2萬t，迫切需要對其進(jìn)行深加工。據(jù)文獻(xiàn)記載［3-4］，引起柚汁產(chǎn)生過度苦味的主要物質(zhì)是柚皮苷(Naringin)與檸檬苦素(Limonoids)，柚皮苷是一類黃酮化合物，帶有強(qiáng)烈的苦味，在水中的苦味閾值為20μg/mL［3］。類檸檬苦素中最重要的苦味源是檸堿，其在水溶液中的苦味閾值為1.0μg/mL［4］。如何去除和減少這些苦味物質(zhì)是柚汁加工過程中一個(gè)非常重要的技術(shù)難題。目前，脫去柚汁中苦味物質(zhì)的主要研究有:乙烯利代謝脫苦、β-環(huán)糊精屏蔽脫苦、吸附脫苦、酶法脫苦等［5-6］。其中，乙烯利代謝脫苦雖對檸檬苦素有一定作用，但對柚皮苷沒有明顯的影響［6］。采用β-環(huán)糊精包埋脫苦容易造成苦味物質(zhì)重新析出［6-7］。柚苷酶脫苦時(shí)對類檸檬苦素類物質(zhì)沒有作用，且國產(chǎn)柚苷酶容易失活，進(jìn)口柚苷酶價(jià)格昂貴，不利于實(shí)際生產(chǎn)［8-10］。吸附樹脂亦稱大孔吸附樹脂或大網(wǎng)格吸附樹脂，以吸附為基本特征，是一種新型的有機(jī)高聚合物吸附劑，其化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒，屬多孔性交聯(lián)聚合物，具有較高的比表面積和優(yōu)良的吸附能力［11］。柚汁與大孔樹脂接觸的方式主要有:固定化床技術(shù)、流化床技術(shù)和籠式接觸技術(shù)，其中籠式接觸技術(shù)能使苦味物質(zhì)與吸附劑更好地接觸，其最大特點(diǎn)是可以較好的保留果汁中的風(fēng)味及營養(yǎng)成分［11-12］。本文采用兩種常用的大孔樹脂對長壩柚子汁進(jìn)行搖床模擬籠式接觸技術(shù)脫苦實(shí)驗(yàn)研究，并選擇較優(yōu)的樹脂對脫苦實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)旨在選擇適合于長壩柚汁脫苦的優(yōu)良國產(chǎn)樹脂，探索可實(shí)際應(yīng)用于規(guī)模生產(chǎn)的工藝技術(shù)，為特色水果產(chǎn)業(yè)化及深加工可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長壩柚 采摘于韶關(guān)市金柚公司的果場;柚皮苷標(biāo)準(zhǔn)品、檸檬苦素標(biāo)準(zhǔn)品 均購于廣州市齊云生物技術(shù)有限公司，純度在99.8%以上;大孔樹脂 購于滄州寶恩化工有限公司;二甘醇、無水乙醇、乙醚、氯仿等 均屬于分析純。

膠體磨;三足式離心機(jī);722型可見分光光度計(jì);WHY-2S型水浴搖床;B80型手持糖度儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 指標(biāo)測定方法

1.2.1.1 柚皮苷的測定 采用改良的戴維斯(Davis)法［13-15］，柚皮苷的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖 1。

圖1 柚皮苷的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of Naringin

1.2.1.2 檸檬苦素的測定 參見文獻(xiàn)［16］，檸檬苦素的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。

圖2 檸檬苦素的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of Limonoids

1.2.1.3 脫苦率的計(jì)算

式中，C柚是柚汁原有的未脫苦柚皮苷含量;C1是脫苦后測定的柚皮苷含量;C檸是柚汁原有的未脫苦的檸檬苦素的含量;C2是脫苦后測定的檸檬苦素的含量;檸檬苦素較柚皮苷苦20倍，由此，柚皮苷的苦味權(quán)重取1，檸檬苦素為20。

1.2.1.4 感官評(píng)定 挑選10名食品專業(yè)人員進(jìn)行脫苦前后柚汁的感官評(píng)價(jià)，以5分記(苦味強(qiáng)烈記0～1分;有苦味，無柚汁濃郁香味記2～3分;無感官苦味，明顯品嘗出柚汁濃郁香味記4～5分)。

1.2.2 柚汁的加工工藝［8］柚子→去皮去囊衣→搗碎→膠體磨榨汁→加入果膠酶(0.1%)→酶解(40℃、1.5h)→鈍酶(95℃、15min)→三足式離心機(jī)過濾、澄清(3%硅藻土)→柚汁→待用

1.2.3 大孔樹脂的選擇 首先活化D101、HPD450兩類常用于苦味物質(zhì)吸附的大孔樹脂［6，11］，然后取100mL柚汁(自然pH5.0)水浴加熱至40℃溫度，分別添加3%已活化的D101和HPD450的樹脂，在攪拌的情況下(轉(zhuǎn)速200r/min)將添加樹脂的果汁水浴恒溫保持5min，用300目以上的濾布過濾，截留樹脂，所得果汁即脫苦后的果汁，并測定柚皮苷含量、檸檬苦素含量，計(jì)算出脫苦率，比較兩種樹脂的吸附效果。

本文支持單值、模糊單值、區(qū)間值三種QoS數(shù)值表達(dá)方式。如，響應(yīng)時(shí)間為單值屬性；安全性描述為一個(gè)集合{高，中，低}對應(yīng)的數(shù)值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價(jià)格區(qū)間100元以內(nèi)，為區(qū)間型屬性。本文將數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)一劃歸成精確型單值數(shù)據(jù)來表示。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 通過樹脂的選擇實(shí)驗(yàn)，選擇對柚汁苦味物質(zhì)吸附較多的大孔樹脂D101進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。主要研究樹脂添加量對脫苦率的影響(在樹脂保留時(shí)間5min、吸附溫度40℃、柚汁 pH5.0、搖床轉(zhuǎn)速200r/min的條件下，添加量分別取1%、3%、6%、9%、12%);樹脂保留時(shí)間對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、吸附溫度40℃、柚汁pH5.0、搖床轉(zhuǎn)速200r/min的條件下，保留時(shí)間分別取2、5、10、20、40min);吸附溫度對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留時(shí)間10min、柚汁pH5.0、搖床轉(zhuǎn)速200r/min的條件下，吸附溫度分別取10、20、40、80℃);搖床轉(zhuǎn)速對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留10min、吸附溫度40℃、柚汁pH5.0的條件下，搖床轉(zhuǎn)速分別取 100、200、300、400r/min);柚汁pH對脫苦率的影響(在樹脂添加量為6%、樹脂保留時(shí)間10 min、吸附溫度40℃、搖床轉(zhuǎn)速200r/min 的條件下，分別調(diào)整 pH2.0、3.0、4.0、5.0。

1.2.5 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素的基礎(chǔ)上，選擇樹脂添加量、樹脂保留時(shí)間、吸附溫度等因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以脫苦率為指標(biāo)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的因素和水平見表1。

表1 因素水平表Table 1 The table of factor and level

1.2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三次脫苦實(shí)驗(yàn)，測定脫苦率，并對其進(jìn)行感官鑒評(píng)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型的大孔樹脂對脫苦的影響

選擇極性強(qiáng)的大孔樹脂HPD450與非極性大孔樹脂D101進(jìn)行柚汁脫苦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 D101與HPD450的脫苦效果比較Table 2 Comparison of the debittering effect of D101 and HPD450

由上表可知，鮮榨柚汁未脫苦時(shí)，由于其苦味物質(zhì)的溶出，檸檬苦素達(dá)66.63μg/mL，較閾值高出60多倍，柚皮苷達(dá)253.00μg/mL，較閾值也高出了10多倍，苦味非常明顯。選擇常用的兩種樹脂對其進(jìn)行脫苦，結(jié)果表明，兩種樹脂對柚汁的苦味物質(zhì)均有吸附作用，而 D101樹脂對長壩柚汁的脫苦率比HPD450樹脂高4.11%，差異較明顯。D101樹脂吸附苦味物質(zhì)后，柚汁的檸檬苦素仍達(dá)21.19μg/mL，較閾值高出20多倍，柚皮苷仍達(dá)81.75μg/mL，較閾值也高出了4多倍。為了進(jìn)一步降低鮮榨柚汁的苦味物質(zhì)至閾值，選擇D101樹脂對脫苦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 樹脂添加量對脫苦率的影響 由圖3可知，隨著樹脂添加量的增加，脫苦率明顯增加，當(dāng)樹脂添加量達(dá)6%左右時(shí)，脫苦率的增幅趨于平緩。樹脂添加量過多會(huì)影響柚汁營養(yǎng)成分和風(fēng)味，引起可溶性固形物含量及VC的大幅下降［5-7］。樹脂添加量過少，達(dá)不到脫苦效果。因此，本實(shí)驗(yàn)確定樹脂的最佳添加量為6%。

圖3 樹脂添加量對脫苦率的影響Fig.3 Effect of including different amount of resin on the debittering rate

2.2.2 樹脂保留時(shí)間對脫苦率的影響 由圖4可知，隨著樹脂保留時(shí)間的增加，脫苦率呈現(xiàn)由急到緩的增加趨勢，當(dāng)保留時(shí)間達(dá)到10min左右，脫苦率的增幅趨于平緩。保留時(shí)間過長，會(huì)吸附柚汁一些營養(yǎng)酸性成分，改變其pH，引起柚汁的沉淀［5-6］，且經(jīng)濟(jì)效益降低。保留時(shí)間過短，脫苦效果不明顯。因此，本實(shí)驗(yàn)確定樹脂保留的最佳時(shí)間為10min左右。

圖4 樹脂保留時(shí)間對脫苦率的影響Fig.4 Effect of adsorption time of resin on the debittering rate

2.2.3 吸附溫度對脫苦率的影響 由圖5可知，吸附溫度對脫苦率稍有影響。吸附溫度從20℃上升至40℃時(shí)，脫苦率增幅較大，吸附溫度從40℃上升至80℃時(shí)，脫苦率幾乎無變化。因此，本實(shí)驗(yàn)確定最佳的吸附溫度為40℃。

2.2.4 轉(zhuǎn)速對脫苦率的影響 由圖6可知，較速對脫苦率影響不大。如圖所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，脫苦率基本呈一條直線，說明轉(zhuǎn)速對脫苦率沒有明顯的影響。D101樹脂為非極性吸附樹脂，通過與小分子內(nèi)的疏水部分的作用及多孔性結(jié)構(gòu)吸附其中的苦味物質(zhì)，當(dāng)柚汁與樹脂充分接觸時(shí)，轉(zhuǎn)速的快慢對苦味物質(zhì)的吸附影響不大。因此，本實(shí)驗(yàn)確定最終轉(zhuǎn)速維持在設(shè)備較好控制的200r/min。

圖5 吸附溫度對脫苦率的影響Fig.5 Effect of adsorption temperature of resin on the debittering rate

圖6 轉(zhuǎn)速對脫苦率的影響Fig.6 Effect of rotation speed on the debittering rate

2.2.5 pH對脫苦率的影響 由圖7可知，酸性條件下，柚汁的pH對脫苦率的影響較小，pH2.0、3.0、4.0、5.0時(shí)，脫苦率基本無變化。而若改變柚汁的pH為堿性時(shí)，會(huì)改變柚汁的性質(zhì)，引起一系列化學(xué)變化，導(dǎo)致柚汁絮凝［5-7］。因此，本實(shí)驗(yàn)確定柚汁的pH取自然pH5.0為最終實(shí)驗(yàn)條件。

圖7 pH對脫苦率的影響Fig.7 Effect of pH on the debittering rate

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單因素實(shí)驗(yàn)研究了不同的脫苦條件對長壩柚子汁的影響。但實(shí)際上對脫苦率影響較大的是樹脂添加量、吸附時(shí)間、吸附溫度，為了進(jìn)一步優(yōu)化脫苦工藝條件，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，以樹脂添加量、樹脂保留時(shí)間、吸附溫度為自變量，以脫苦率為響應(yīng)值，研究這3個(gè)因素的主效應(yīng)和交互效應(yīng)對脫苦率的影響，以期求得最佳的脫苦條件。設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析(RSA)實(shí)驗(yàn)(共17次實(shí)驗(yàn)，其中12次為析因?qū)嶒?yàn)，5次為中心實(shí)驗(yàn)以估計(jì)誤差)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Response surface methodology experiment design and experimental result

2.3.1 二次回歸擬合與方差分析 利用Design-Expert軟件響應(yīng)面分析程序?qū)?7組實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)值結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，建立二次響應(yīng)面模型，并進(jìn)行方差分析，柚汁脫苦率的回歸分析結(jié)果見表4。

表4 回歸分析結(jié)果Table 4 The result of regression analysis

柚子汁脫苦率的初步回歸方程為:

由表4可知，回歸模型極顯著(p=0.0023＜0.01)，相關(guān)系數(shù) R2=0.9337，p＜0.01，失擬項(xiàng)不顯著(p=0.1861＞0.05)，說明模型擬合程度好，有實(shí)際應(yīng)用意義。對回歸方程系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(表4)，表明:對脫苦率的影響排序?yàn)?樹脂添加量(A)＞樹脂保留時(shí)間(B)＞吸附溫度(C)。其中，A、B和AB對Y的影響差異極顯著，A2對Y的影響顯著，而C、AC、BC、B2、C2對Y的影響不顯著。可見，實(shí)驗(yàn)各因素對兩種品種柚汁的脫苦率影響不是簡單的線性關(guān)系。在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項(xiàng)后，對原模型進(jìn)行優(yōu)化可得:Y=95.03+3.46A+2.90B-2.86AB-2.28A2。

為更直觀的表現(xiàn)三個(gè)因素同時(shí)對脫苦率的影響，利用Design Expert軟件對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到二次回歸方程的響應(yīng)面及其等高線見圖8～圖10。當(dāng)響應(yīng)面值最大時(shí)，樹脂添加量(A)、吸附時(shí)間(B)、吸附溫度(C)對應(yīng)的編碼值分別為 A=0.020、B=1、C=0.44，對應(yīng)長壩柚汁脫苦率的最佳條件為:樹脂添加量6.04%，樹脂保留時(shí)間15min，吸附溫度44.4℃，柚子汁的理論脫苦率值為96.80%。

圖8 因素A和B對脫苦率影響的響應(yīng)面圖Fig.8 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor A and factor B

圖9 因素A和C對脫苦率值影響的響應(yīng)面圖Fig.9 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor A and factor C

圖10 因素B和C對脫苦率影響的響應(yīng)面圖Fig.10 The Response surface graph of the debittering rate for the effect of factor B and factor C

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，按照上述結(jié)論在樹脂添加量6.04%，樹脂保留時(shí)間15min，吸附溫度44.4℃，搖床轉(zhuǎn)速200r/min，柚汁pH為自然pH5.0的最佳工藝條件下，對長壩柚汁進(jìn)行三次脫苦實(shí)驗(yàn)，測定脫苦率，并進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其平均脫苦率為96.31%，該數(shù)值與模型預(yù)測值96.80%基本一致，說明響應(yīng)面模型可以較好的預(yù)測脫苦情況，同時(shí)也說明應(yīng)用響應(yīng)面法來尋求柚汁脫苦的最佳工藝參數(shù)是可行的。另外，由表5可知，柚汁脫苦后柚皮苷及檸檬苦素均顯著下降，接近閾值。脫苦前與脫苦后感官有明顯的差異，脫苦前，感官評(píng)價(jià)在0.6分，有強(qiáng)烈的苦味，脫苦后，平均感官分值較高，達(dá)4.6分(以5分記)，無明顯的感官苦味，并能品嘗出柚汁濃郁的香味。由此可說明用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)D101大孔樹脂對長壩柚子進(jìn)行脫苦具有實(shí)際應(yīng)用前景。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of verification experimental

3 結(jié)論

3.1 通過樹脂選擇實(shí)驗(yàn)可知，D101樹脂對柚汁的脫苦率比HPD450樹脂高4.11%，因此，選擇D101樹脂進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化脫苦實(shí)驗(yàn)。

3.2 通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析，得到D101大孔樹脂對長壩柚汁脫苦率的最佳工藝條件為樹脂添加量6.04%，樹脂保留時(shí)間15min，吸附溫度44.4℃，搖床轉(zhuǎn)速200r/min，柚汁pH為自然pH5.0，柚子汁的理論脫苦率值為96.80%。

3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，在最佳工藝條件下實(shí)際測得的脫苦率為96.31%，與模型預(yù)測值96.80%基本一致。經(jīng)過脫苦條件優(yōu)化，柚汁的柚皮苷與檸檬苦素含量均顯著下降，接近閾值。感官評(píng)價(jià)分值較高，達(dá)4.6分，無明顯的感官苦味。

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