葡萄汁澄清工藝的研究

楊 旭，屈小玄，郭慶賀，蘭雪萍，呂遠平

（四川大學食品工程系，四川成都610065）

葡萄中含有多種果酸、礦物質、維生素和人體必需氨基酸[1]，營養價值很高。研究表明，葡萄含有白藜蘆醇、花青素、多酚類等生物活性物質[2]，具有抗菌、抗過敏、抗癌、抗貧血、降低胃酸、抗動脈粥樣硬化、利尿、美容等多種生理活性[3-4]。

近年來，葡萄被廣泛應用于加工葡萄酒、葡萄汁、葡萄干以及糖水罐頭等。但是在葡萄汁的生產和儲存過程中，常出現沉淀渾濁等現象，嚴重影響了其感官品質和穩定性。葡萄汁產生沉淀的原因主要為三個方面：一是由果膠引起的渾濁，二是由其中多酚類物質的不穩定性引起，三是酒石酸的析出[5]。目前解決沉淀主要是通過過濾、吸附、超濾[6]等物理方法，以及添加朊蛋白[7]、蜂蜜[8]、果膠酶[9]、蛋白酶、植物黑素[10]等化學、生物方法。親水性的膠體如明膠、羧甲基纖維素鈉以及黃原膠，可通過吸附作用與葡萄汁中的可溶性蛋白、多酚、金屬離子等物質發生絮凝反應，再通過離心、過濾等物理澄清法可將其除去，從而達到很好的澄清和穩定效果，在石榴、苦蕎[11]、百合[12]等飲料中被廣泛使用。然而，它們作為澄清劑和穩定劑，對于葡萄汁的澄清效果卻很少被報道。從成本、來源、過程控制等多方面來看，親水性膠體對葡萄汁的澄清均具有良好的研究價值和市場前景。

本實驗選用果膠酶、明膠、羧甲基纖維素鈉、黃原膠這四種澄清劑，研究葡萄汁的最佳澄清工藝，為生產提供理論依據，以提高葡萄汁在生產和儲存中的穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葡萄品種為紅寶石 產于貴州省畢節地區黔西縣；羧甲基纖維素鈉（食品級） 河南天潤生物科技有限公司；黃原膠（食品級） 河南百福食品添加劑有限公司；明膠、果膠酶（10萬U/g，食品級） 鄭州馨香源食品添加劑有限公司。

HR1848榨汁機 珠海飛利浦家庭電器有限公司；TU-1901紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；LD4-2A低速離心機 北京醫用離心機廠；HWS-26電熱恒溫水浴鍋 上海齊欣科學儀器有限公司；WAY-2S阿貝折射儀 上海索光光電技術有限公司；GZX-GF101-2-BS電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫療器械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 原料→挑選→清洗→破碎→榨汁→300目濾布過濾→含20%原汁的葡萄汁→加入不同澄清劑進行澄清處理（羧甲基纖維素鈉、黃原膠、明膠、果膠酶）→離心分離→微孔過濾→滅菌→澄清葡萄汁。

1.2.2 澄清劑選擇實驗 將葡萄進行挑選、清洗，加入打漿機破碎打漿，得到的汁液過濾后，用蒸餾水按1∶4的料液比稀釋為含有20%原汁的葡萄汁。在葡萄汁自然pH3.89條件下，分別加入羧甲基纖維素鈉、黃原膠、明膠、果膠酶對葡萄汁進行澄清處理。其中，羧甲基纖維素鈉、黃原膠和明膠的添加量均為0.06%，在常溫下（20℃）攪拌處理40min[13]；果膠酶的添加量為0.04g/L，在40℃下酶解40min。離心、過濾后，測定葡萄汁的透光率和可溶性固形物含量。

1.2.3 明膠對葡萄汁的澄清實驗 以明膠的添加量（0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%）為單因素，在常溫下（20℃）對濃度為20%葡萄汁處理40min，離心過濾后分別測定葡萄汁的透光率、可溶性固形物含量以及單位明膠沉淀量。由于明膠的澄清機理是與葡萄汁中的多酚、金屬離子等不穩定物質發生絮凝而產生沉淀，因此，單位明膠沉淀量也應該作為評價明膠澄清效果的重要指標，從而確定出明膠的最適添加量。

1.2.4 果膠酶對葡萄汁的澄清實驗

1.2.4.1 果膠酶添加量對葡萄汁澄清的影響 以果膠酶的添加量（0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07g/L）為單因素，在40℃下對濃度為20%葡萄汁酶解60min，離心過濾后分別測定葡萄汁的透光率和可溶性固形物含量，確定適宜的果膠酶添加量范圍。

1.2.4.2 酶解溫度對葡萄汁澄清的影響 以果膠酶的酶解溫度（20、30、40、50、60、70℃）為單因素，果膠酶添加量為0.04g/L，對濃度為20%葡萄汁酶解60min，通過測定透光率和可溶性固形物含量來考察其對澄清工藝的影響。

1.2.4.3 酶解時間對葡萄汁澄清的影響 以果膠酶的酶解時間（20、30、40、50、60、70、80min）為單因素，果膠酶添加量為0.04g/L，在40℃下對濃度為20%葡萄汁進行酶解，同樣以透光率和可溶性固形物含量為指標來選擇適宜的酶解時間范圍。

1.2.4.4 正交實驗 在單因素實驗的基礎上，以葡萄汁的透光率為評價指標，設計正交實驗，正交實驗因素水平表見表1。

表1 正交實驗的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal array design

1.2.5 明膠和果膠酶復合對葡萄汁的澄清實驗 葡萄汁中先添加0.06%的明膠，常溫下攪拌處理40min，過濾后再加入0.03g/L的果膠酶，40℃下酶解30min。

葡萄汁中果膠酶的添加量為0.03g/L，40℃下酶解30min，滅酶過濾后再加入0.06%的明膠，常溫下攪拌處理40min。

在葡萄汁中分別加入0.06%的明膠和0.03g/L的果膠酶，40℃下處理30min。

以處理后的葡萄汁的透光率和可溶性固形物含量為測定指標，比較確定適宜的復合澄清處理方式。

1.2.6 測定項目

1.2.6.1 透光率最適波長測定 采用紫外分光光度計法[14]，在200～800nm波長范圍內進行光譜掃描，以測定不同波長下葡萄汁的透光率。

1.2.6.2 透光率測定 以蒸餾水為空白對照，采用紫外分光光度計法[15-16]，在682nm下測定透光率。同條件下，葡萄汁的透光率越大，表示葡萄汁的澄清度越高。此為衡量葡萄汁澄清效果的最主要指標。

1.2.6.3 可溶性固形物含量測定 采用折光法（GB/T 12143-2008)[17]。由于澄清處理會使葡萄汁中的可溶性蛋白、維生素等營養成分和風味成分損失，導致其可溶性固形物含量降低。因此，在考察不同澄清劑對葡萄汁的澄清效果時，應在保證其可溶性固形物含量的基礎上選擇最佳的澄清效果。

1.2.6.4 沉淀量測定 采用離心分離法得到沉淀，將其烘干后稱重[18]，用于單位明膠沉淀量的計算。

2 結果與分析

2.1 澄清劑選擇結果

通過紫外分光光度法，確定出葡萄汁透光率的最適檢測波長為682nm。表2為四種不同澄清劑對葡萄汁的澄清結果。明膠、羧甲基纖維素鈉、黃原膠三種澄清劑在同樣添加量下，以透光率為指標可見，明膠和果膠酶處理的的澄清效果最好，透光率分別達到了75.78%和74.29%。羧甲基纖維素鈉和黃原膠澄清效果較差。明膠可與葡萄汁中的多酚進行結合，從而絮凝沉淀，因此可以解決由于多酚類不穩定物質所引起的沉淀問題。但是在澄清處理過程中，絮凝沉淀可能夾裹攜帶葡萄汁中部分營養和風味物質，造成他們的損失。這可以從輔助評價指標可溶性固形物含量來反映，添加明膠后的葡萄汁測定結果為1.75%，較其他三種澄清劑處理的可溶性固形物含量為最低。果膠酶能分解果膠，有效降低葡萄汁粘度，解決由于果膠所引起的沉淀問題。它的澄清效果雖然比明膠低，但其對可溶性固形物的保留較好。此外，與明膠和果膠酶相比，黃原膠加入葡萄汁會明顯增加其黏度，從而影響澄清葡萄汁的口感；而羧甲基纖維素鈉的成本相比于明膠和黃原膠較高。綜合考慮以上幾個評價指標，選用明膠和果膠酶為澄清劑做進一步的研究。

表2 四種不同澄清劑對葡萄汁的澄清結果Table 2 Effect of four clarificants on grape juice

2.2 明膠對葡萄汁的澄清效果

圖1為葡萄汁可溶性固形物含量、透光率和單位明膠沉淀量隨明膠添加量的變化曲線。由圖1可以看出，隨著明膠添加量的增加，葡萄汁的透光率逐漸增加。當明膠的添加量為0.07%時，透光率達到最大75.95%，隨后，明膠量繼續增加，透光率逐漸減小，這可能是由明膠過量造成的。同時結合單位明膠沉淀量的測定結果，當明膠添加量為0.06%時，單位明膠沉淀量為最大，達2.22g/g。由明膠與多酚的反應模式可知，在低濃度明膠溶液中，眾多的多酚分子在蛋白質表面結合形成單分子疏水層，單位明膠沉淀量隨明膠濃度增加而加大。當明膠濃度較大時，明膠分子間產生交聯，提供給多酚分子結合的表面積降低，因而隨明膠一起沉淀的單位明膠沉淀量反而減少[18]。

結果表明當明膠添加量為0.07%時，其透光率最大，澄清效果最好，而添加量為0.06%時的單位沉淀量最大。此時，根據可溶性固形物含量測定結果，明膠添加量為0.06%時的可溶性固形物含量較0.07%時更高，表示其對可溶性固形物的保留效果更好。綜合考慮，確定明膠的適宜添加量為0.06%。此時，葡萄汁透光率可達75.78%，可溶性固形物含量為1.75%。

圖1 明膠添加量與葡萄汁可溶性固形物含量、透光率以及單位明膠沉淀量的關系Fig.1 Effect of gelatin dosage on soluble solids content，transmittance and unit amount of precipitation in grape juice

2.3 果膠酶對葡萄汁的澄清效果

圖2為可溶性固形物含量和透光率隨果膠酶添加量的變化曲線。葡萄汁的透光率隨著果膠酶用量的增加而逐漸增大，當果膠酶用量為0.03g/L時，其透光率達到最大，為75.34%，此時的可溶性固形物含量為2.75%。隨后，果膠酶用量繼續增加，透光率基本不變。確定果膠酶的適宜添加量范圍為0.02～0.04g/L。

果膠酶處理溫度的單因素實驗結果（圖3）表明，葡萄汁的透光率隨著果膠酶處理溫度的不斷升高，呈現出先增加后下降的趨勢。開始時，果膠酶活性隨著溫度的升高逐漸增加，透光率逐漸增大。當溫度為40℃時，酶活達到最高，此時的透光率為74.92%，可溶性固形物含量為2.44%。處理溫度繼續升高，葡萄汁的透光率逐漸下降，這可能是果膠酶活性降低造成的。確定果膠酶處理的適宜溫度范圍為30～50℃。

圖2 果膠酶添加量與葡萄汁可溶性固形物含量、透光率的關系Fig.2 Effect of pectinase dosage on soluble solids content and transmittance of grape juice

圖3 酶解溫度與葡萄汁可溶性固形物含量、透光率的關系Fig.3 Effect of temperature on soluble solids content and transmittance of grape juice

圖4為酶解時間的單因素實驗結果。葡萄汁的透光率隨著酶解時間的延長，呈現出先增加后下降的趨勢。開始時，酶解時間不斷增加，葡萄汁的透光率也隨之增大。當酶解時間達到40min時，此時透光率達到最大，為77.09%，可溶性固形物為2.58%。隨著酶解時間的延長，透光率反而降低。這可能是因為在果膠酶處理前，葡萄汁并未進行滅菌處理，酶解時間過長，引起葡萄汁中微生物的發酵，從而造成透光率的下降[10]。確定果膠酶處理的適宜時間范圍為30～50min。

圖4 酶解時間與葡萄汁可溶性固形物含量、透光率的關系Fig.4 Effect of hydrolysis time on soluble solids content and transmittance of grape juice

在單因素實驗結果的基礎上，進行了三因素三水平的正交實驗，結果見表3。結果表明，各因素對葡萄汁透光率影響的的主次順序為：酶解時間＞酶解溫度＞果膠酶添加量，酶解的最佳組合為A2B2C1，即果膠酶添加量為0.03g/L，酶解溫度為40℃，酶解時間為30min。經過驗證實驗，組合A2B2C1的透光率為79.29%，比表3中所有組合的透光率均高，說明此組合合理可行。表4為正交實驗的方差分析，結果驗證了各因素對葡萄汁透光率影響的主次順序。F檢驗結果表明果膠酶添加量、酶解溫度、酶解時間這三個因素對透光率的影響都不顯著，這可能是由于實驗誤差以及誤差自由度太小使得檢驗的靈敏度低，從而掩蓋了考察因素的顯著性。

表3 L9（34）正交實驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal array design

表4 正交實驗結果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal array design

2.4 明膠和果膠酶復合對葡萄汁的澄清效果

在明膠和果膠酶復合澄清處理葡萄汁的實驗中，對考察的不同處理次序的三種情況進行比較。結果顯示，三種處理方式下葡萄汁的可溶性固形物含量基本不變，先進行果膠酶處理后進行明膠處理的葡萄汁的透光率最高，澄清效果最好。這可能是因為當先進行明膠澄清處理后，殘留的少量明膠由于本身具有的膠體體系特性，會對原有的膠體體系產生一定的保護和穩定作用，從而影響果膠酶的處理效果；當同時加入明膠和果膠酶進行澄清處理時，為了保證果膠酶的作用效果，處理溫度為40℃，此時有部分明膠溶于葡萄汁中，導致葡萄汁的后渾濁[19]。因此，采用先加果膠酶后加明膠的方式進行復合處理。

將果膠酶澄清、明膠澄清、明膠和果膠酶復合澄清的葡萄汁三者進行對比，結果如表5所示。明膠和果膠酶復合澄清的葡萄汁的透光率達到84.92%，而果膠酶澄清的葡萄汁透光率為79.29%，明膠處理的葡萄汁透光率為75.78%。從可溶性固形物含量來看，復合處理的葡萄汁的可溶性固形物含量為2.38%，介于果膠酶和明膠單獨處理之間，說明其在較好的保留了葡萄汁中的部分營養和風味成分的基礎上提高了澄清效果。綜合兩個指標，果膠酶和明膠復配使用的澄清效果更為理想。

表5 明膠和果膠酶復合使用對葡萄汁的澄清效果Table 5 Clarification effect of gelatin and pectinase used together on grape juice

近年來，葡萄汁由于其良好的口感和豐富的營養受到廣泛的關注，而生產和貯藏過程中出現的沉淀問題也成為研究熱點。劉崑等人以葡萄汁的透光率為指標研究了殼聚糖對葡萄汁的澄清工藝[20]；晉艷曦等人比較研究了五種不同植物來源的蜂蜜對紅葡萄汁的澄清效果，以透光率和濁度為指標進行分析測定[8]；屈慧鴿對小麥谷朊蛋白作為澄清劑的澄清效果進行了研究，以沉淀量為主要指標確定最佳的添加量[7]；吳漢東研究比較了果膠酶和殼聚糖對葡萄汁的澄清效果[2]。本研究則是從作用機理、成本等方面考慮，選用了果膠酶、明膠、羧甲基纖維素鈉和黃原膠這四種不同的澄清劑，對其澄清效果進行了研究。與以往的研究相比，增加了可溶性固形物含量為考察指標，對明膠添加量進行分析時，增加了單位明膠沉淀量為指標，有助于科學的進行判斷，以選取最適的添加量和處理條件。同時，本研究不僅僅是對不同澄清劑的澄清效果進行比較，還對澄清效果較好的澄清劑的復合使用進行了考量，從而確定出葡萄汁澄清的最佳工藝。

實驗表明，果膠酶和明膠均具有良好的澄清效果，兩者復配使用能夠解決果膠和單寧等引起的沉淀問題。在工業生產中，兩種澄清劑具有生產周期快、成本較低、制備簡單等特點，且在澄清過程中條件易于控制，因此，具有良好的應用前景。

3 結論

對葡萄汁澄清工藝的研究實驗結果表明，明膠的添加量為0.06%時，葡萄汁透光率可達75.78%，可溶性固形物含量為1.75%，單位明膠沉淀量為2.22g/g。單因素實驗基礎上的正交實驗確定了果膠酶澄清的最佳工藝條件為：果膠酶添加量0.03g/L，酶解時間30min，酶解溫度40℃，此時透光率可達79.29%。將明膠與果膠酶復配使用，透光率可達84.92%，可溶性固形物為2.38%。因此，將其作為葡萄汁澄清的最佳工藝。本研究能夠為實際的工業生產提供理論依據和工藝參數。

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