紅樹莓海藻酸鈣凝膠硬化工藝優化及其罐頭品質分析

紀秀鳳,呂長鑫,*,焦天慧,蘆 宇,劉 夢,于泳渤,王維民,王貴虹,勵建榮,*

(1.渤海大學食品科學與工程學院,遼寧省食品安全重點實驗室, 生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧錦州 121013; 2.大連中超食品有限公司,遼寧大連 116400; 3.遼寧新大地實業發展集團有限公司,遼寧沈陽 110168)

紅樹莓為薔薇科(Rasaceae)懸鉤子屬(RubusL.)多年生植物,主要分布于我國、日本、北美和俄羅斯等北半球溫帶地區[1-2]。紅樹莓果實富含維生素、鞣化酸、黃酮和原花青素等多種對人體有益的活性物質,具有抗氧化、抗癌、降血糖和降血脂等保健功能,被聯合國糧農組織稱為“第三代水果”[3-4]。藍莓和草莓均富含維生素、黃酮、花青素和花色苷等物質[5],具有抗氧化、抗炎癥和抗癌等功效[6-10]。紅樹莓、藍莓和草莓均屬皮薄、肉軟、汁多、營養高的小漿果,貯運中易受機械損傷和微生物侵染,導致腐爛變質無法食用[11-12],多被加工成果汁、果酒和果醬等產品,但此類產品加工過程復雜,營養成分損失嚴重,產生大量廢棄果渣,果實利用率低,而漿果罐頭的加工彌補了上述產品的不足。紅樹莓質地柔軟,加工中易造成果粒破碎、營養成分外流及罐頭湯汁渾濁等現象,影響罐頭品質。

海藻酸鈉與Ca2+反應可形成高硬度的海藻酸鈣凝膠[13]。因此,海藻酸鈉與Ca2+分別滲入果粒細胞內部形成海藻酸鈣,可提高果粒硬度。如鄧永燕[14]利用海藻酸鈣凝膠法硬化橘瓣,橘瓣硬度約為硬化前2倍;劉海軍等[15]研究發現經海藻酸鈣硬化的草莓罐頭硬度優于傳統工藝。目前,海藻酸鈉與氯化鈣復合硬化漿果果粒的研究甚少,對紅樹莓果粒硬度影響的研究還尚未見報道。

實驗以紅樹莓為原料,建立響應面模型優化海藻酸鈣凝膠硬化工藝;同時,對硬化處理的紅樹莓罐頭與藍莓和草莓罐頭果粒中的VC、總酚、還原糖、可溶性固形物(Soluble Solids Content,SSC)和總酸等品質進行比較分析,旨在維持紅樹莓罐頭果粒完整的同時,提高鮮果營養成分保留率,為大眾提供一種高值健康的水果罐頭。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

托樂米紅樹莓 錦州義縣紅樹莓種植示范基地;藍豐藍莓 錦州有機藍莓采摘基地;紅顏草莓 錦州綠色無公害草莓采摘園;海藻酸鈉、氯化鈣 食品級,市售;乙酸鋅、硫酸銅、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉、草酸 分析純,天津市大茂化學試劑廠;福林-酚試劑 分析純,天津市光復精細化工研究所。

TA-XT質構儀 美國SMS公司;UV2700紫外分光光度計 日本島津公司;Centrifuge5804R冷凍離心機 德國Eppendorf艾本德股份公司;DS-1高速組織搗碎機、DHG-9055A真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;WYT手持糖度計 上海滬粵明科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程及操作

操作要點:挑選果粒完整、大小均勻、成熟度相近的紅樹莓果粒,流水洗除泥沙和農藥,于90 ℃的2% NaCl溶液中護色2 min;在硬化劑溶液與果粒體積比1∶1、溫度40℃、真空度0.093 MPa條件下硬化紅樹莓果粒;將上述硬化后的60%果粒、11.2%白砂糖、0.04%檸檬酸、0.4%蜂蜜和28.36%純凈水混合裝罐,預留8 mm頂隙,經75 ℃排氣5 min,90 ℃殺菌10 min,最終得到成品。

1.2.2 硬化工藝單因素實驗

1.2.2.1 海藻酸鈉濃度實驗 在抽空時間Ⅰ 30 min、氯化鈣濃度0.30%和抽空時間Ⅱ 30 min條件下,考察海藻酸鈉濃度分別為0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%時,對紅樹莓果粒硬度及感官評分的影響。

1.2.2.2 抽空時間Ⅰ實驗 在海藻酸鈉濃度0.8%、氯化鈣濃度0.30%和抽空時間Ⅱ 30 min條件下,考察抽空時間Ⅰ分別為10、20、30、40、50 min時,對紅樹莓果粒硬度及感官評分的影響。

1.2.2.3 氯化鈣濃度實驗 在海藻酸鈉濃度0.8%、抽空時間Ⅰ 30 min和抽空時間Ⅱ 30 min條件下,考察氯化鈣濃度分別為0%、0.15%、0.30%、0.45%、0.6%時,對紅樹莓果粒硬度及感官評分的影響。

1.2.2.4 抽空時間Ⅱ實驗 在海藻酸鈉濃度0.8%、抽空時間Ⅰ 30 min和氯化鈣濃度0.30%條件下,考察抽空時間Ⅱ分別為10、20、30、40、50 min時,對紅樹莓果粒硬度及感官評分的影響。

1.2.3 紅樹莓果粒硬度測定 對不同硬化條件下紅樹莓果粒進行感官評價,并在此基礎上選擇適宜的因素梯度測定其硬度。

樣品處理:經硬化工藝制備的紅樹莓罐頭4℃貯藏24 h后,取大小均勻的紅樹莓果粒于濾紙上,待吸干表面糖液后測定果粒硬度。

測定條件[16]:質構儀探頭型號P/50;測試參數:預壓速度1.0 mm/s、測試速度1.5 mm/s、測后速度1.0 mm/s、受壓變形60%、兩次壓縮停頓時間5 s、觸發力5 g;各樣品平行測定6次,取其平均值。

1.2.4 紅樹莓果粒感官評價 為確定紅樹莓果粒硬化的最佳工藝條件,隨機選取專業感官評價人員10名,根據表1感官評價標準,對不同硬化條件下紅樹莓果粒的氣味、色澤、滋味、組織狀態進行感官評價。

表1 紅樹莓果粒感官評價標準Table 2 The sensory scoring criteria of red-raspberry grain

1.2.5 響應面優化紅樹莓果實硬化實驗 在單因素實驗基礎上,選取海藻酸鈉添加量(A)、抽空時間Ⅰ(B)、氯化鈣添加量(C)和抽空時間Ⅱ(D)為主要因素,以硬度為響應值,采用State-East公司的Design-Expert 8.0.6軟件Box-Behnken進行實驗設計,見表2。

表2 響應面實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.6 品質測定 分別對紅樹莓、藍莓、草莓鮮果及貯藏7 d的罐頭進行搗碎、濾布過濾和4 ℃,6000 r/min離心10 min后,取上清液進行品質檢測對比分析,指標及方法如下。

1.2.6.2 VC測定 依據GB 5009.86-2016《食品中抗壞血酸的測定》中2,6-二氯靛酚滴定法[18],結果以mg/100 g表示。

1.2.6.3 總酸測定 依據GB/T12456-2008《食品中總酸的測定》中酸堿滴定法[19],結果以g/kg表示。

1.2.6.4 可溶性固形物含量測定 依據GB/T 10786-2006《罐頭食品的檢驗方法》中折光計法[20],結果以百分含量(%)表示。

1.2.6.5 還原糖測定 依據GB/T5009.7-2008《食品中還原糖的測定》中直接滴定法[21],結果以g/100 g表示。

1.2.6.6 鈣的測定 依據GB 5009.92-2016《食品中鈣的測定》中EDTA滴定法[22],結果以mg/kg表示。

1.2.6.7 微生物測定 依據GB 4789.26-2013《食品微生物學檢驗 商業無菌檢驗》[23]進行微生物檢驗。

1.3 數據處理

實驗數據以“平均值±標準差”形式表示,采用Microsoft Word 2003 軟件對數據進行整理繪圖,SPSS 22.0軟件對數據進行顯著性分析,顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 硬化工藝單因素實驗結果與分析

2.1.1 海藻酸鈉濃度對紅樹莓果粒硬度影響分析 海藻酸鈉溶液在真空條件下可替代紅樹莓果實中的空氣浸入組織內部間隙,提高果粒硬度。如圖1所示,隨海藻酸鈉濃度增加,紅樹莓果粒硬度呈上升趨勢,感官分數呈先上升后下降趨勢。當海藻酸鈉濃度低于1.2%時,紅樹莓果粒硬度與感官分數均呈上升趨勢,且各添加量間差異顯著(p<0.05)。此時,海藻酸鈉不能充分填充紅樹莓果粒空隙,果粒硬度較小,易變形破碎,口感過軟,無嚼勁;當海藻酸鈉濃度高于1.2%時,紅樹莓果粒硬度無顯著性差異(p>0.05),說明果粒內部空隙較緊,同時氯化鈣與表面高濃度的海藻酸鈉形成凝膠,不利于氯化鈣的滲入,導致紅樹莓果粒內部凝膠強度不足,進而果粒硬度提高不大[15]。與此同時,感官分數呈顯著下降趨勢(p<0.05),表明海藻酸鈉濃度過高,果粒被凝膠包裹,致使糖液較難滲入,滋氣味不足,味道較淡。綜上所述,確定海藻酸鈉適宜濃度范圍為0.8%～1.6%。

圖1 海藻酸鈉添加量對紅樹莓果粒硬度影響Fig.1 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different concentration of sodium alginate solution注:不同小寫字母表示同一指標不同實驗組 數據差異顯著(p<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 抽空時間Ⅰ對紅樹莓果粒硬度影響分析 第一次抽真空目的是使海藻酸鈉填充果粒組織空隙,當Ca2+滲入時與海藻酸鈉分子中古洛糖醛酸片段形成鈣橋,進而強化細胞基本骨架[24]。如圖2所示,當抽空時間少于40 min時,在各抽空時間內果粒硬度與感官分數呈升高趨勢,且差異顯著(p<0.05),此時,海藻酸鈉不能充分浸入果粒組織內部,果粒質地較軟;當抽空40 min時,海藻酸鈉充分浸滿果粒組織內;此后,各抽空時間果粒硬度無顯著性差異變化(p>0.05),是因紅樹莓果粒內部海藻酸鈉濃度達到飽和。其次,果粒在海藻酸鈉溶液中浸泡時間過長,果粒周圍被凝膠包裹,影響紅樹莓果粒的色澤、風味、口感及其它品質,導致感官分數略有下降,且差異顯著(p<0.05)。因此,選取抽空時間Ⅰ適宜范圍為30～50 min。

圖2 抽空時間Ⅰ對紅樹莓果粒硬度影響Fig.2 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different pumping time Ⅰ

2.1.3 氯化鈣濃度對紅樹莓果粒硬度影響分析 成熟的紅樹莓果實果膠和纖維素含量少,單一使用氯化鈣硬化效果較差,利用海藻酸鈉與氯化鈣形成一種不可逆膠體的性質,在真空環境下,海藻酸鈉和氯化鈣滲入到紅樹莓果實中,并形成鈣橋,強化細胞壁纖維結構,從而達到硬化目的[14,25]。如圖3所示,當氯化鈣濃度低于0.3%時,紅樹莓果粒硬度與感官分數均呈顯著升高趨勢(p<0.05),紅樹莓果實組織中形成的海藻酸鈉膠體較少,果粒質地較為柔軟;當氯化鈣濃度高于0.30%時,果粒硬度無顯著性差異(p>0.05),而對果粒感官分數呈顯著下降趨勢(p<0.05),主要表現為果粒苦澀味較重,表面粗糙,品質低劣,嚴重影響感官評價。因此,選擇氯化鈣適宜濃度范圍為0.15%～0.45%。

圖3 氯化鈣添加量對紅樹莓果粒硬度影響Fig.3 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different concentration of CaCl2 solution

2.1.4 抽空時間Ⅱ對紅樹莓果粒硬度影響分析 抽空時間Ⅱ主要影響海藻酸鈣凝膠形成速度,對紅樹莓果粒硬度影響較小。隨抽空時間延長,果粒組織內部空隙的氯化鈣與海藻酸鈉結合形成凝膠,硬度不斷增大,抽空時間小于30 min時，各組間差異顯著(p<0.05)當抽空時間超過30 min,紅樹莓顆粒表面形成高強度海藻酸鈣凝膠,氯化鈣較難繼續進入果粒內部,因此果粒硬度變化無顯著性差異(p>0.05)。感官分數10～20 min時差異不顯著(p>0.05),20～30 min時呈顯著增加趨勢。但隨著抽空時間延長,紅樹莓果粒表面被較厚的凝膠包裹,影響紅樹莓果粒外觀,其次,糖液較難浸入果實內部,影響果粒滋味,導致感官分數顯著下降(p<0.05)。因此,選擇適宜抽空時間Ⅱ范圍為20～40 min。

圖4 抽空時間Ⅱ對紅樹莓果粒硬度影響Fig.4 The effect on the hardness of red-raspberry grain under different pumping time Ⅱ

2.2 紅樹莓果粒硬化工藝優化

2.2.1 模型建立與顯著性分析 根據表1確定的響應面因素與水平,利用Design Expert 8.0.6軟件,通過Box-Behnken設計得到29組果粒硬化實驗,中心點實驗重復4次,其主要目的是估算整個實驗的純實驗誤差,結果見表3。

表3 響應面實驗設計方案及結果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

利用響應面軟件對表3數據進行分析,得到響應面實驗模型回歸系數及顯著性檢驗結果,見表4。

表4 模型回歸系數顯著性檢驗結果Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model

2.2.2 響應面交互作用分析 根據回歸方程得到圖5～圖7各因素交互作用的等高線和響應面圖,響應面圖較直觀地反映了各自變量對響應值的影響,如響應曲面坡度相對陡峭,表明硬度對于因素的改變較敏感[27]。等高線圖中橢圓排列越密集,說明因素變化對硬度影響越大,此外,等高線圖形較圓,其交互作用不顯著,反之即為顯著。根據等高線圖和響應面圖形狀,可分析兩兩因素對紅樹莓果粒硬度交互作用的影響。

圖5 海藻酸鈉及抽空時間Ⅰ對紅樹莓果粒硬度的影響Fig.5 Effects of sodium alginate and pumping time Ⅰ on hardness of red-raspberry grains

圖6 氯化鈣及抽空時間Ⅰ對紅樹莓果粒硬度的影響Fig.6 Effects of CaCl2 and pumping time Ⅰ on hardness of red-raspberry grains

圖7 氯化鈣及抽空時間Ⅱ對紅樹莓果粒硬度的影響Fig.7 Effects of CaCl2 and pumping time Ⅱ on hardness of red-raspberry grains

由圖5～圖7的響應面圖可知,各因素值小于中心點時,響應面坡度較陡,而大于中心點時曲面較平緩,主要是由于海藻酸鈉濃度過高時抽空液組織間隙過于緊密,不利于氯化鈣滲入果粒內部并與海藻酸鈉結合。此外,氯化鈣濃度過高時,易與果粒周圍的海藻酸鈉結合形成凝膠,氯化鈣難以滲入果粒內部,導致硬度提高幅度較小。抽空時間Ⅱ主要影響凝膠形成速度,所以對硬度影響較小。圖5～圖7的等高線圖均呈橢圓形,同時根據p值可知AC、BC、BD的交互作用極顯著(p<0.01)。此外,等高線排列密集程度依次為BD、BC、AC,所以,兩因素對紅樹莓果粒硬度影響大小依次為:BD>BC>AC。

2.2.3 驗證實驗 由回歸方程求解得出紅樹莓果粒硬度最佳工藝條件為海藻酸鈉1.24%、抽空時間Ⅰ 41 min、氯化鈣0.32%、抽空時間Ⅱ 31 min,預測紅樹莓果粒硬度在此工藝條件下為442.877 g。為驗證響應面法優化工藝結果的可靠性,在此工藝條件下進行6組硬度和感官平行驗證實驗,結果顯示硬度平均值為451.180 g,與理論預測值相比其相對誤差為1.88%,說明該回歸方程與實際擬合度較好,感官分數平均值為90.23分,說明此工藝加工的紅樹莓罐頭色澤誘人、酸甜可口、狀態完好,深受大眾喜愛。因此,該響應面實驗模型適用于優化紅樹莓果粒硬化工藝,對實際工業化應用具有指導意義。

2.3 品質檢測結果與分析

由圖8可知,鮮果和罐頭品質存在一定差異性,主要是因罐頭在加工中受熱進而導致部分熱敏性成分損失,同時抑制了果粒部分酶促褐變反應[28]。由圖8a可知,鮮果和罐頭的VC含量由大到小依次為草莓、紅樹莓、藍莓,且含量變化存在顯著性差異(p<0.05),但鮮果制作成罐頭后,其保留率依次為54.22%、68.82%和40.85%;鮮果和罐頭的總酚含量由高至低依次為藍莓、紅樹莓、草莓,將其加工成罐頭后,保留率依次為49.18%、79.98%、67.7%,且藍莓罐頭和紅樹莓罐頭不存在顯著性差異(p>0.05)。由此可知,紅樹莓罐頭能較好保留鮮果中的活性物質,是因硬化后的紅樹莓果粒內部空隙及外圍均形成海藻酸鈣凝膠,有效地阻止了活性成分外流。由圖8b可知,紅樹莓鮮果及其罐頭和藍莓鮮果總酸含量無顯著性差異(p>0.05),但草莓鮮果及其罐頭總酸含量略高,且罐頭制品總酸含量相對于鮮果均略有升高,可能是由罐液中部分檸檬酸浸入果粒內部所致;鮮果及其罐頭還原糖含量和SSC含量由高至低依次為藍莓、草莓和紅樹莓,罐頭加工受熱使部分還原糖受熱發生美拉德反應[29],還原糖含量降低,但灌裝時加入的罐液致使其含量升高。因此,紅樹莓罐頭較好地保留了鮮果的原有營養成分,是一種集營養、低糖和低能量的健康水果罐頭,更加符合現代人們所追求的健康、綠色和安全飲食習慣。

圖8 鮮果及罐頭品質測定Fig.8 Quality determination of fresh fruits and canned foods注:不同小寫字母表示同一指標 不同實驗組數據差異顯著(p<0.05)。

2.4 產品質量檢驗

感官指標:紅樹莓罐頭成品密封完好,無泄漏、無胖聽現象;色澤鮮紅均勻,具有紅樹莓特有的香氣,酸甜可口,有嚼勁,無碎粒現象。

理化指標:固形物>55%,總酸1.24 g/kg,SSC 11.8%,還原糖6.72 g/100 g,鈣24.99 mg/kg,產品合格。

微生物指標:符合商業無菌要求,產品合格。

3 結論

本實驗通過建立響應面模型,優化了紅樹莓果粒的海藻酸鈣凝膠硬化工藝,確定最佳硬化工藝參數為:海藻酸鈉1.24%、抽空時間Ⅰ 41 min、氯化鈣0.32%、抽空時間Ⅱ 31 min,此硬化條件下紅樹莓果粒硬度451.18 g,感官分數為90.23分。并對在此工藝條件下制作的紅樹莓罐頭與市售藍莓和草莓罐頭的主要品質指標進行檢測,結果表明紅樹莓、藍莓和草莓鮮果和罐頭均含有較高的VC和總酚含量,但紅樹莓罐頭果粒保留率遠高于其它。還原糖和可溶性固形物含量紅樹莓均最低,說明紅樹莓罐頭是一種低糖的健康產品。紅樹莓與藍莓的總酸含量相差不大,均低于草莓。因此,通過海藻酸鈣凝膠硬化紅樹莓果粒,可使其在加工貯藏過程中保存完整,并能較好的保留紅樹莓果粒的營養成分。

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