響應面法優化蘭州百合干無硫護色劑配方

李 霞，李永才*，畢 陽，馬彥青

（甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

響應面法優化蘭州百合干無硫護色劑配方

李 霞，李永才*，畢 陽，馬彥青

（甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

為有效解決蘭州百合干制過程的褐變問題，開發蘭州百合干無硫護色技術，選取護色劑抗壞血酸、檸檬酸、L-半胱氨酸、氯化鈉為影響因子，以百合干色澤（L*值）為響應值。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken試驗設計構建二次多項式回歸方程的模型，進行響應面分析。結果表明：護色劑復合作用對百合干色澤的影響程度依次為：L-半胱氨酸＞抗壞血酸＞氯化鈉＞檸檬酸，復合護色劑的最優配方（質量分數）為：0.65%氯化鈉、0.3%抗壞血酸、0.3% L-半胱氨酸、0.8%檸檬酸，在此條件下，加工的百合干色澤L*值為78.69，護色效果好。

蘭州百合；干制；護色劑；褐變；響應曲面

我國以食用為目的百合主要有宜興百合、龍牙百合以及蘭州百合3個品系[1]。各品系不僅營養成分的含量有明顯差異，品質和風味也各不一樣。蘭州百合（Lanzhou Lily）是百合科（Liliaccae）百合屬（Lilium）川百合的一個變種，是一種多年生鱗莖類草本植物，其色澤潔白如玉、肉質肥厚香甜[2-4]，且以含糖量高、粗纖維甚低而著稱[5]，其品質聞名于天下，故有“蘭州百合甲天下”美譽。

由于鮮百合含水量高，不便于貯藏和長途運輸。因此百合干便成為蘭州百合的主要加工產品之一。但百合在干燥過程極易發生褐變，嚴重影響其外觀品質。褐變現象的機理可分為酶促褐變與非酶促褐變[6]。目前蘭州百合干生產中多用含二氧化硫的護色劑（如焦亞硫酸鈉等）[7-8]。亞硫酸鹽由于不僅能有效抑制酶促褐變，還能抑制非酶褐變（包括羰氨反應、焦糖化和抗壞血酸的自動氧化），從而延緩或抑制褐變發生[9-10]。雖然含二氧化硫的護色劑護色效果較好，但產品中會存在二氧化硫的殘留，不僅嚴重影響百合干出口，還易導致二氧化硫超標、百合干清香喪失和口味酸化，對人體健康也有一定危害[11-12]。因此，研究開發代替二氧化硫的蘭州百合干護色技術對保障該產品的食品安全性具有重要意義。

本實驗以蘭州百合為原料，選擇不同的無硫護色劑及其質量分數，采用響應面優化法，以百合干制過程色澤的變化為檢驗指標，確定最佳的無硫復合護色劑配方，為無硫脫水百合干的加工提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮百合購自蘭州市西果園百合種植基地，要求新鮮、個大色白、鱗片肥厚、無病蟲害及機械損傷，貯藏于冷庫中（0～2 ℃）備用；抗壞血酸、檸檬酸、L-半胱氨酸、氯化鈉均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

AL-24電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；恒溫干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；SP62-色度測試儀 美國愛色麗股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

百合→剝片→清洗→燙漂→護色→干燥→成品→測定百合干色澤

1.3.2 護色處理

取新鮮的百合，剝片、清洗，在100 ℃熱水中燙漂2 min后，浸泡于備好的護色液中，浸泡時間5 min。然后取出漂洗，瀝干水分，放入恒溫干燥箱中干燥，干燥溫度60 ℃，干至水分含量約為8%。

1.3.3 無硫百合干色澤測定

取干燥后的百合片，用色度測試儀測定百合干的色澤。在預實驗中測量百合色澤時發現a*值多為負值，而b*值也偏小，百合顏色呈現出的是白色，所以L*值作為標準更適合百合色澤的測定。色度儀中的L*值表示表面色澤的明暗度，主要取決于產品表面的反射率。L*值越大表明顏色越白，褐變程度越低；反之則暗、褐變程度高[13]。采用色度儀對百合干的褐變程度進行評價，能夠客觀地反映色澤的差異，且便于統計和比較。

1.3.4 單因素試驗

分別以0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%的抗壞血酸，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的檸檬酸，0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的L-半胱氨酸，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的氯化鈉為單因素進行試驗，研究各單因素對百合干制后的色澤（L*值）的影響，確定各護色劑的最佳作用范圍。

1.3.5 響應面法對護色劑配方的優化

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken的試驗設計原理[14-15]，以百合干制后的色澤（L*值）為響應值，設計四因素三水平響應面分析試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 氯化鈉對百合干色澤（L*值）的影響

圖1 氯化鈉對百合干色澤（L*值）的影響Fig.1 Effect of sodium chloride treatment on L* value of dried lily

由圖1可知，在低質量分數時隨著氯化鈉質量分數的增大，百合干色澤（L*值）逐漸升高，當質量分數達到0.6%時，L*值最大，但隨著質量分數進一步提高，百合L*值減小，并逐漸趨于平緩。

氯化鈉之所以能起到一定的護色效果，是由于其溶于水后，能減少水中的溶解氧，從而使酚類氧化酶難與氧直接接觸[16]。且鈉離子與多酚氧化酶中的銅離子競爭，降低多酚氧化酶的活性。此外氯化鈉溶液質量分數大時具有高的滲透壓，也可以使酶脫水失活，起到抑制酶促褐變的作用[17]。

2.1.2 抗壞血酸對百合干色澤（L*值）的影響

圖2 抗壞血酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.2 Effect of ascorbic acid treatment on L* value of dried lily

由圖2可知，抗壞血酸處理能有效地抑制百合干加工過程中的褐變，且隨著抗壞血酸質量分數的增加，低質量分數時L*值逐漸增大，當抗壞血酸質量分數超過0.25%時，L*值增加趨于平緩。

抗壞血酸本身不是一種酶抑制劑，其主要通過將O-醌還原成二羥基酚而間接地抑制酶活性[18]。如果有足夠的抗壞血酸存在，氧化形成的產物就能被抗壞血酸迅速地還原，從而達到抑制酶促褐變的目的。抗壞血酸的作用主要是保護色素以及風味物質和一些營養物質，避免與其氧氣作用發生變化，從而起到護色的效果[19]。

2.1.3 L-半胱氨酸對百合干色澤（L*值）的影響

由圖3可知，隨著L-半胱氨酸質量分數的逐漸增加，L*值逐漸增大，當L-半胱氨酸質量分數達到0.25%時，L*值達到最大值，護色效果最好，之后隨著L-半胱氨酸質量分數的增加，L*值迅速減小。

圖3 3 L-半胱氨酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.3 Effect of L-cysteine treatment on L* value of dried lily

L-半胱氨酸抑制褐變的機理有兩種解釋：第一種是作為硫醇類化合物可以結合酶活性中心的銅離子，從而抑制酶的活力；第二種是硫醇類化合物可以在酶促反應過程中與生成的產物醌發生快速的非酶催化反應，而結合形成一種穩定的無色化合物[20-21]，通常認為起主要作用的是第二種機理。

2.1.4 檸檬酸對百合干色澤（L*值）的影響

圖4 檸檬酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.4 Effect of citric acid treatment on L*value of dried lily

檸檬酸對百合干色澤的影響呈現先增加后降低的趨勢（圖4），低質量分數下隨著檸檬酸質量分數的逐漸增加，L*值顯著增加，當質量分數達到0.6%時，L*值最大，之后趨于平穩，但當質量分數超過1%時，L*值迅速減小。

檸檬酸可降低pH值，使氧氣溶解度降低，且檸檬酸中的羰基可與多酚氧化酶中的銅離子產生比較強的螯合作用，對多酚氧化酶的活性有一定地抑制作用，即主要抑制酶促褐變。但當檸檬酸質量分數過高時，pH值太低，對金屬離子的螯合作用較弱[22-23]。且檸檬酸添加過多口感偏酸。

2.2 百合干無硫護色劑最佳配方的確定

根據單因素試驗所確定的各護色劑的最佳作用范圍，以百合干色澤（L*值）為響應值，采用Disign-Expert軟件中的Box-Behnken Design（BBD）試驗設計方法，設計了四因素三水平共29個試驗點的響應面試驗。試驗因素水平選取見表1，試驗方案及結果見表2。

表1 響應面因素水平表Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

表2 響應面分析試驗設計方案及結果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

表3 回歸方程模型方差分析及其系數的顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance for the fitted quadratic model and significance test of its regression coefficients

2.2.1 因素與百合干色澤（L*值）模型的建立

應用Design Expert 8.0.6軟件對表2中的數據進行分析，獲得回歸模型為：

由表3可知，經顯著性檢驗可以看出，回歸模型高度顯著，相關系數R2為0.993 6，調整相關系數R2Adj為0.867 1，說明模型的擬合度好，響應值的86.71%是由于所選變量引起，表明百合干色澤（L*值）實際值與預測值之間具有較好的擬合相關性。模型失擬項表示模型預測值與實際值不擬合的概率[24]，本實驗的模型失擬項的P值為0.642 3＞0.1，模型失擬項不顯著，進一步說明此模型的擬合度良好。變異系數（coeff cient of variance，CV）反映模型的置信度，CV值越低模型的置信度越高[25]，本實驗的CV值為0.58，說明模型方程能夠較好地反映真實值。綜合分析該模型擬合程度良好，故可使用該模型來分析和預測最佳護色劑配方。

對模型中的回歸系數進行顯著性檢驗可以看出，一次項中抗壞血酸、L-半胱氨酸以及交互項中氯化鈉和檸檬酸、抗壞血酸和檸檬酸、L-半胱氨酸和檸檬酸對百合干色澤（L*值）有極顯著影響（P＜0.01）；氯化鈉和抗壞血酸對百合干色澤（L*值）有較顯著影響（P＜0.1）。對回歸方程中一次項系數的絕對值進行比較，由表3可知各試驗因素對百合干色澤（L*值）的影響順序為：L-半胱氨酸＞抗壞血酸＞氯化鈉＞檸檬酸。

剔除不顯著項（P＞0.1），得優化回歸模型為：

2.2.2 交互作用分析

圖5 抗壞血酸和氯化鈉對百合干色澤（L*值）的影響Fig.5 Effects of ascorbic acid and sodium chloride on L* value of dried lily

從圖5可以看出，抗壞血酸和氯化鈉質量分數存在著協同作用，即在一定質量分數區域內，只有兩者同時升高或同時降低，才能提高百合干色澤。當氯化鈉質量分數為0.58%～0.63%，且抗壞血酸質量分數為0.28%～0.3%時，百合干色澤（L*值）取得最大值78.2。兩者之間等高線的形狀呈橢圓形，表明交互影響作用顯著。

圖6 氯化鈉和L-半胱氨酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.6 Effects of sodium chloride and L-cysteine on L* value of dried lily

從圖6可以看出，隨著L-半胱氨酸質量分數的增加，氯化鈉質量分數需相應增加，當L-半胱氨酸質量分數大于0.3%，并且氯化鈉質量分數在0.55%～0.58%之間時，百合干色澤（L*值）取得最大值78.5，當L-半胱氨酸質量分數小于0.3%或氯化鈉質量分數過高或過低時，都將導致百合干色澤（L*值）的降低。

圖7 氯化鈉和檸檬酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.7 Effects of sodium chloride and citric acid on L* value of dried lily

從圖7可以看出，當氯化鈉質量分數為0.55%～0.58%，檸檬酸質量分數為0.55%～0.58%時，百合干色澤（L*值）取得最大值78。當氯化鈉和檸檬酸質量分數過高或者過低時都將導致百合干色澤（L*值）的降低。

圖8 抗壞血酸和L-半胱氨酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.8 Effects of ascorbic acid and L-cysteine on L* value of dried lily

從圖8可以看出，當抗壞血酸質量分數為0.28%～0.32%，L-半胱氨酸質量分數為0.29%～0.32%時，百合干色澤（L*值）取得最大值78.8。當抗壞血酸質量分數大于0.32%或小于0.28%，L-半胱氨酸質量分數大于0.32%或小于0.29時，百合干色澤（L*值）下降。

圖9 抗壞血酸和檸檬酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.9 Effects of ascorbic acid and citric acid on L* value of dried lily

從圖9可以看出，當抗壞血酸質量分數為0.32%～0.34%，檸檬酸質量分數大于0.7%時，百合干色澤（L*值）有最大值78.6。當抗壞血酸質量分數小于0.32%或大于0.34%，檸檬酸質量分數小于0.7%時，百合干色澤（L*值）呈下降趨勢。

圖10 10 L-半胱氨酸和檸檬酸對百合干色澤（L*值）的影響Fig.10 Effects of L-cysteine and citric acid on L* value of dried lily

從圖10可以看出，當L-半胱氨酸質量分數為0.36%～0.38%，檸檬酸質量分數大于0.79%時，百合干色澤（L*值）有最大值79.2。當L-半胱氨酸質量分數小于0.36%或大于0.38%，檸檬酸質量分數小于0.79%時，百合干色澤（L*值）呈下降趨勢。

2.2.3 最佳護色劑配方的確定及驗證實驗

根據二次回歸的數學模型分析結果，得出最佳護色劑配方為：氯化鈉質量分數0.65%、抗壞血酸質量分數0.3%、L-半胱氨酸質量分數0.3%、檸檬酸質量分數0.8%，此時百合干L*值的預測值為79.92。為了驗證響應面法的可行性，將響應面二次回歸所得最佳條件重復實驗3次，百合干的實測L*值78.69，與理論值相差不大，充分驗證了模型的正確性，表明響應面法適用于百合干無硫護色劑配方的優化。

3 結 論

在單因素試驗設計的基礎上，對百合干無硫護色劑進行了四因素三水平的Box-Behnken響應面試驗設計，建立了響應值和各個因素之間的數學模型，依據此數學模型確定的最佳護色配方為氯化鈉質量分數0.65%、抗壞血酸質量分數0.3%、L-半胱氨酸質量分數0.3%、檸檬酸質量分數0.8%， 此時百合干L*值的實測值為78.69。模型方差分析和響應面的分析表明，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好，對無硫脫水百合干的生產有一定應用價值。

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Formula Optimization of Non-Sulfur Color-Protective Agents for Dried Lanzhou Lily by Response Surface Methodology

LI Xia, LI Yong-cai*, BI Yang, MA Yan-qing
(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

This study aimed to solve the problem of browning of Lanzhou lily during drying process and to develop a nonsulfur color-protective agent for dried Lanzhou lily. Four components including ascorbic acid, citric acid, L-cysteine and sodium chloride were used as influencing factors and the color (L* value) of dried lily was used as response value. Based on one-factor-at-a-time experiments, Box-Behnken design (BBD) was applied to establish the correspon ding mathematical model. The results showed that the protective effects of these four components on lily color followed the decreasing order: L-cysteine > ascorbic acid > sodium chloride > citric acid. The optimum formula (by mass) was composed of 0.65% sodium chloride, 0.3% ascorbic acid, 0.3% L-cysteine and 0.8% citric acid. Under the optimal conditions, the L* value of dried lily was 78.69 indicating a good color-protecting effect.

Lanzhou lily; drying process; color-protectiive agent; browning; response surface methodology

TS255.52；TS201.1

A

1002-6630（2014）04-0016-05

10.7506/spkx1002-6630-201404004

2013-03-14

甘肅省應用技術研究與開發專項計劃項目（1004TCYA039）；蘭州市高新技術產業化項目（2011-1-34）

李霞（1987—），女，碩士，研究方向為采后生物學。E-mail：lixia5625@126.com

*通信作者：李永才（1973—），男，副教授，博士，研究方向為果蔬的采后防腐鮮技術。E-mail：liyongcai@gsau.edu.cn