沙棘原漿冷凍濃縮工藝的響應面優化

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(甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)別名黑刺、酸刺、醋柳果,是胡頹子科酸刺屬植物的果實[1]。主要分布于我國華北、西北、西南等地。為藥食同源性植物[2]。沙棘漿果富含VC、黃酮[3]及不飽和脂肪酸等多種營養及功能成分[4],具有良好的抗氧化[5]及保健作用[6]。沙棘原漿是將沙棘漿果壓榨后獲得的果漿,常作為沙棘類產品加工的原料[7]。但原漿在包裝、運輸和貯藏中費用偏高,因此對沙棘原漿進行有效濃縮是當前沙棘加工中亟待解決的問題[8-9]。

沙棘原漿中的活性成份種類多、含量高[10],其中大多數活性物質[11]均不同程度的熱敏,常規的泡沫干燥[12]、噴霧干燥[13]等熱加工會導致沙棘原漿有效成分的嚴重損失。利用熱濃縮的加工方法會造成沙棘漿維生素損失率增加且非酶褐變程度加劇[14-16],現階段被廣泛應用在果汁濃縮加工中的冷凍濃縮工藝是一種在冰點以下的濃縮方式[17],目前此方面的研究主要集中在冷凍過程中果汁冰晶的成核[18-19],生長[20-21],及固液分離得到果汁濃縮汁的過程。對熱敏性食品的濃縮非常有利[22],可阻礙熱加工過程中不良化學產物的生成,能耗較低且風味、香氣和營養等品質損失小等優點[23]。但利用冷凍濃縮工藝來處理沙棘原漿的研究尚未見報道。

本研究采用將沙棘原漿在低溫冰箱中進行懸浮式冷凍濃縮方式[24],選用單因素實驗探究了沙棘漿冷凍濃縮工藝中冷凍溫度、沙棘漿濃度、冷凍時間對冰晶結晶質量、結晶純度的影響。在單因素篩選的基礎上,通過響應面設計優化冷凍濃縮工藝,旨在在獲得較高出冰量的基礎上,最大限度的提高冰晶的純度,最終可為沙棘原漿冷凍濃縮的工業化運用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

沙棘原漿 由甘肅高原圣果華池沙棘開發有限公司提供,可溶性固形物為12.4 Brix;蘆丁,氫氧化鈉 分析純。

BCD-225低溫冰箱 青島海爾集團;TGL-16GR高速臺式冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠;KT低溫溫度計 寧波開泰電器實業有限公司;ZYD-B55數顯糖度計 北京智云達科技有限公司;HC電子分析天平 上海花潮電器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 沙棘漿的冷凍濃縮 量取500 mL沙棘原漿,注入到低溫冰箱中進行冷凍濃縮,在不同的冷凍溫度下進行處理,當達到一定的冷凍時間時稱量冰晶質量,測定冰晶純度。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 冷凍溫度對濃縮效果的影響 參照陳國輝等的方法[25]。取500 mL濃度為12.2 Brix的沙棘漿,分別設定冷凍溫度為-1,-4,-7,-10,-13,-16,-19 ℃在出現冰晶后開始計時,15 min后冷凍離心,并測定冰晶的質量和冰晶的純度。

1.2.2.2 沙棘漿濃度對濃縮效果的影響 參照曾楊等的方法[26]。將初始濃度為12.4 Brix的沙棘原漿經過冷凍濃縮和稀釋處理得到濃度分別為12.2,12.4,12.6,12.8,13.0,13.2,13.4 Brix的溶液,各取500 mL在-10 ℃條件下冷凍,在出現冰晶后開始計時,15 min后冷凍離心,并測定冰晶的質量和冰晶的純度。

1.2.2.3 冷凍時間對濃縮效果的影響 參照李艷敏等的方法[27]。取500 mL濃度為12.2 Brix的沙棘漿,在-10 ℃的條件下出現冰晶后開始計時,分別冷凍5,10,15,20,25 min之后冷凍離心,并測定冰晶的質量和冰晶的純度。

1.2.3 響應面優化

1.2.3.1 優化實驗設計 使用Design Expert 8.0軟件,在單因素實驗的基礎上進一步對冷凍溫度、沙棘漿濃度和冷凍時間對取冰質量、取冰純度的影響進行優化。

表1 響應面分析因素及水平編碼Table 1 Codes and factors in BBD experiment

1.2.3.2 響應面優化驗證實驗 在響應面最終得到的優化條件基礎上展開3次驗證實驗,以確保優化條件的準確度。

1.2.4 冰晶質量、冰晶純度的測定 于特定的冷凍溫度、沙棘漿濃度和冷凍時間條件下對沙棘漿進行冷凍濃縮,在轉速3000 r/min、運轉時間5 min,相應冷凍溫度下冷凍離心分離冰晶與濃縮沙棘汁。稱量冰晶質量,利用糖度計測定冰晶融化液的可溶固形物含量即冰晶純度。

1.3沙棘原漿冷凍濃縮前后及復原液成分測定

對冷凍濃縮前后的沙棘漿以及濃縮后加水回復至原體積的沙棘復原液中的pH、總酸、總固形物及總黃酮含量的進行測定和對比,研究冷凍濃縮處理對沙棘原漿中的活性成份與品質的影響。

1.3.1 pH的測定 用pH計直接測定。

1.3.2 總酸的測定 酸堿滴定法測定。

1.3.3 總固形物的測定 便攜式糖度計直接測定。

1.3.4 總黃酮的測定 標準曲線的制作。采用蘆丁標定繪制出標準曲線,分別配制濃度為0.2、0.4、0.6、0.8、1 g/L的標準溶液用紫外分光光度計在415 nm處測定出溶液的吸光值并制作標準曲線,最終得到回歸方程。

取一定量冷凍前后的沙棘溶液及沙棘冷凍濃縮后加蒸餾水復原至濃縮前體積的復原液稀釋至一定濃度用紫外分光光度計測定其吸光值,并帶入回歸方程計算出總黃酮含量。

1.4數據統計與分析

上述所有實驗均重復3次。全部數據采用Excel 2010計算平均值和標準誤差(±SE),采用SPSS 19.0進行Duncan’s多重差異顯著性分析。

2 結果與討論

2.1各單因素對沙棘原漿冷凍濃縮工藝中冰晶質量和純度的影響

冷凍溫度越低冰晶形成的速度越快,原漿在冷凍溫度為-1 ℃時已有肉眼可見的冰晶產生,當溫度從-1 ℃降至-19 ℃,相同的冷凍時間里形成的冰晶質量逐漸增大,從4.35 g增加到50.24 g,但原漿產生大量冰晶的溫度范圍集中于-4～-10 ℃,在此范圍內,冰晶的質量增加了28.09 g，增幅達到1.9倍。當溫度繼續從-10 ℃降至-19 ℃后,冰晶生成的增加量差異不大并逐漸趨于平緩,增幅僅為18%。但隨著冷凍溫度從-1 ℃到-19 ℃的變化,冰晶中夾帶出的可溶性固形物含量卻逐漸增加,從1.8 Brix增加到了15.2 Brix。特別是在-7 ℃到-10 ℃范圍內,冰晶中固形物含量顯著增加,增幅達72%(圖1)。這是因為隨著冷凍溫度的降低與大量冰晶的形成,剩余可結冰的自由水含量逐漸減少導致的成冰量減少,同時結冰量越多,冰晶形成的過程中帶出的可溶性固形物含量越多,導致冰晶純度變小[28]。

圖1 冷凍溫度對冰晶質量和純度的影響Fig.1 Quality and purity of ice crystal affected by Refrigerant temperature

沙棘漿濃度越大冰晶形成的速度越慢,當沙棘漿初始可溶性固形物含量從12.2 Brix升至13.4 Brix,相同冷凍時間里形成的冰晶質量逐漸減少,從45.26 g減少到12.52 g,但沙棘漿濃度在12.2 Brix到13 Brix之間時冰晶質量下降幅度較為緩慢,在此范圍內,冰晶的質量減少了14.89 g，減幅達到33%。當濃度繼續從13 Brix升至13.4 Brix后,冰晶的生成量繼續減少,減幅增大,達到59%。但隨著沙棘漿濃度從12.2 Brix到13.4 Brix的升高,冰晶中的可溶性固形物含量卻逐步增加,從9.2 Brix增大到了11.9 Brix。特別是沙棘漿濃度在12.2 Brix到12.6 Brix范圍內,冰晶中固形物含量顯著增加，增幅達15%(圖2)。這是由可結冰的自由水分向外傳遞的效果逐漸變差造成的。隨著沙棘原漿濃縮后溶液濃度的升高,導致水分向外遷移時受到內部固-液界面上由溶質造成的阻力增大,冰晶生成量減少[29]。同時沙棘漿濃度的增大導致溶質分子與水分之間的束縛作用增加難以分離,冰晶夾帶的溶質較多,加大損失,濃縮效果變差[30]。

圖2 沙棘漿濃度對冰晶質量和純度的影響Fig.2 Quality and purity of ice crystal affected by concentration of sea buckthorn protoplasm

冷凍時間越長生成的冰晶質量越大,當冷凍時間從5 min增至25 min,相同冷凍溫度下形成的冰晶質量逐漸增達,從12.35 g增加到53.66 g,但原漿產生大量冰晶的時間范圍集中于5 min到15 min,在此范圍內,冰晶的質量增加了30.3 g。增幅達到2.5倍。當冷凍時間繼續從15 min升至25 min后,冰晶的生成量趨于平緩,增幅不大,僅為25%。但隨著冷凍時間從5 min到25 min增長,冰晶中的可溶性固形物含量卻逐步增加,從8 Brix增加到了10.5 Brix。整個增長過程較為平緩(圖3)。這是因為隨著冷凍時間的延長與大量冰晶的形成,剩余未結冰的沙棘漿濃度增大,導致結冰點溫度降低[31]。所以后期濃縮越困難。同時結冰量越多,冰晶形成的過程中帶出的可溶性固形物含量越多,導致冰晶純度變小。因此為了有效的增加冷凍濃縮效率,減少沙棘漿的成分損失,選擇合適的冷凍時間尤為重要。

圖3 冷凍時間對冰晶質量和純度的影響Fig.3 Quality and purity of ice crystal affected by freeze time

由單因素實驗最終得到的冷凍濃縮工藝條件為:當冷凍溫度-10 ℃、沙棘漿濃度12.2 Brix、冷凍時間15 min,此條件下實際結晶強度為45.26 g,結晶純度為9.2 Brix。

2.2沙棘原漿冷凍濃縮條件的響應面優化

2.2.1 結晶質量回歸方程的建立及顯著性分析 依據響應面Box-Behnken的實驗設計,最終完成17組實驗,結果見表2。Design Expert 軟件回歸分析后得到以下多元二次方程:

Y1=40.48-1.42A+0.87B-0.81C-0.16AB-0.98AC-2.12BC-4.30A2-4.61B2-12.40C2,方差分析結果與模型系數顯著性檢驗結果見表3、表4。

表2 實驗設計與結果Table 2 Experiment design and results

檢驗回歸方程中各系數的顯著性可知(表4),冷凍溫度A和交叉項BC的p值均<0.05,表明差異顯著;3個二次項A2、B2和C2的p值均<0.0001,表示差異極顯著。

表7 Design Expert聯合優化方案Table 7 Design expert joint optimization proposal

表3 回歸模型方差分析Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

表4 方程系數顯著性檢驗Table 4 The equation coefficient significance test

注:***. 差異極顯著(p<0.001);**. 差異較顯著(p<0.01);*. 差異顯著(p<0.05)，表6同。

2.2.2 結晶純度回歸方程的建立及顯著性分析 依據響應面Box-Behnken的實驗設計,最終完成17組實驗,結果見表5。Design Expert軟件回歸分析后得到以下多元二次方程:

Y2=9.02-0.13A+0.010B-0.075C+0.025AB-0.025AC-0.47BC-0.70A2-0.30B2-0.95C2

方差分析結果與模型系數顯著性檢驗結果見表5、表6。

表5 回歸模型方差分析Table 5 ANOVA for response surface quadratic model

表6 方程系數顯著性檢驗Table 6 The equation coefficient significance test

檢驗回歸方程中各系數的顯著性可知(表6),冷凍溫度A、沙棘漿濃度B和二次項B2的p值均<0.05,表明差異顯著;交叉項BC、二次項A2和C2的p值均<0.0001,表明差異極顯著。

圖4 兩因素交互作用對冰晶質量與純度期望值的影響Fig.4 Quality and purity value of expectation of ice crystal interacted by both two factorsA:冷凍溫度與沙棘漿濃度對期望值的影響;B:冷凍溫度與冷凍時間對期望值的影響;C:沙棘漿濃度與冷凍時間對期望值影響。

2.2.3 冰晶質量與冰晶純度的聯合優化結果分析 對冰晶質量與冰晶純度兩個響應值聯合求解,利用目標優化原理在Design Expert軟件得出15組優化實驗(表7)。在期望值較高的前提下,選擇冷凍溫度較高,冷凍時間較短的條件比較符合實際生產中對節能的要求,因此選擇第四組實驗作為最佳的解決方案:冷凍溫度-7 ℃,沙棘漿濃度12.32 Brix,冷凍時間13.26 min,在此條件下進行冷凍濃縮得到的理論冰晶純度最大為7.94 Brix,冰晶質量最大為32.44 g。

2.2.4 響應值聯合交互作用分析 當冷凍時間為13.26 min時,隨著沙棘汁濃度的增加,模型的期望值逐漸降低(圖4A)冷凍溫度和沙棘漿濃度的交互作用對期望值的影響極為顯著。當冷凍溫度在-7～-8 ℃之間,沙棘漿濃度12.2～12.4 Brix時,期望值為0.568,達到最高。當沙棘漿濃度為12.32 Brix時,期望值會隨著冷凍溫度的逐漸降低和冷凍時間的增長呈現先升高后降低的變化(圖4B)。這是因為隨著冷凍濃縮程度的加劇,雖然會有大量冰晶生成,但由冰晶夾帶出的溶質量也會大大增加,使冰晶的純度變小,造成產品的損失[25]。冷凍溫度和冷凍時間的交互作用對期望值的影響顯著。當冷凍溫度為-7 ℃時,冷凍時間對期望值的影響并不如沙棘漿濃度的影響顯著(圖4C),期望值的最大值出現在冷凍時間為13.26 min時,2者對模型期望值的交互作用影響不顯著。

2.2.5 驗證實驗結果 由模型可得:當冷凍溫度為-7 ℃,沙棘漿濃度為12.32 Brix(實際操作時取12.4 Brix)、冷凍時間13.26 min(實際操作時取13 min)。此條件為理論得出的最優條件。

進行3次平行驗證實驗,在此最優條件下得到的冰晶質量平均值為33.67 g,與理論值的相對誤差3.8%,冰晶純度的平均值為8.1 Brix,與理論值的相對誤差為2.5%,因此驗證實驗證明此模型的優化結果與實際生產重復性高,準確可靠。

2.3沙棘原漿成分測定

沙棘原液經過冷凍濃縮前后pH、總酸、可溶性固形物和總黃酮均有顯著變化,冷凍后pH由原來的2.95降至2.65,下降程度不大。總酸、可溶性固形物和總黃酮的量在濃縮后均有顯著增加,增加幅度分別為46%,10.5%和6.3%。將濃縮后的沙棘汁加水復原至原體積后測冷凍濃縮過程中成分損失發現,pH上升為3.03,總酸下降至0.303 g/mol損失幅度為9.8%;可溶性固形物下降至11.3,損失量為8.9%,總黃酮下降至4139.54 mg/L,損失量為3.8%。從結果可知,冷凍濃縮過程中沙棘原漿的pH有所升高,總酸、可溶性固形物以及總黃酮的損失量均未超過10%,即達到了較好的濃縮效果,又最大程度上保留了沙棘原漿的有效成分。

表8 冷凍濃縮前后及復原沙棘液營養成分對比Table 8 The nutrients in the sea-buckthorn juices before and after the freeze-concentration

3 結論

兩個響應值取冰質量和取冰純度分別取最大值和最小值進行聯合優化得到的最優冷凍濃縮條件是:冷凍溫度-7 ℃,原漿濃度12.4 Brix,冷凍時間13 min時,在此條件下實際冰晶質量為33.67 g,冰晶純度為8.1 Brix。濃縮汁的總酸、可溶性固形物和總黃酮的量在濃縮后均有顯著增加,增加幅度分別為46%,10.5%和6.3%。冷凍濃縮過程中沙棘原漿的pH有所升高,總酸、可溶性固形物以及總黃酮的損失量均未超過10%。最大限度的保留沙棘原漿中的有效成分,又達到較好的濃縮效果。因此利用冷凍的方法濃縮沙棘原漿具有良好的應用前景。

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