響應面法優化杏梅超聲波滲糖工藝

周 彤,陳 愷,董卓群,許 靜,李曉鳳,閆 雪,生曼麗,靳玉萱,李煥榮,*

(1.新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830052;2.新疆農業大學科學技術學院,新疆烏魯木齊 830052)

杏為薔薇科(Posaceae),杏屬(Armeniaca)植物[1],新疆晝夜溫差大、杏果品質優良。截止2016年,新疆杏樹種植面積達13.24萬hm2,占全疆水果種植面積的13.93%;杏產量為128.16萬t,占全疆水果產量的14.93%[2]。杏成熟期較短,屬于呼吸躍變型果實,采摘后不易長期貯藏及運輸，應及時加工處理。目前，杏加工產品主要集中在杏干、杏脯、杏醬、杏汁等,果脯涼果糖漬類產品主要包括蜜李、蜜桃、蜜梅等,其中涼果類產品中少有以杏為原料制備的成品[3-5]。

超聲波目前已在提取、滲糖、清洗和穩定性方面有廣泛研究應用。在滲糖方面,超聲波在液體介質中傳播時,能在界面上產生強烈的沖擊和空化效應,導致細胞膜的滲透力增強,強化細胞內外的質量傳遞可有效地提高滲糖效率[6]。由于滲糖方式的不同對糖漬類產品的形態、收縮程度、滲糖效果、色澤影響較大,因此選用超聲波滲糖可有效避免常壓滲糖中效率較低,且浸漬時間過長容易引起原料變質、煮制滲糖中高溫煮制下果實易出現軟爛、杏脯皺縮現象等問題[7-9]。盛金鳳[10]研究表明:常壓、微波、煮制、超聲波四種滲糖方式中，超聲波可顯著提高芒果果脯的糖含量。孫海濤[11]研究表明:含糖量隨著超聲時間的延長而增加,但獼猴桃的超聲時間設置以小時為單位,含糖量卻在20%～30%之間。杏坯相比于獼猴桃無核且組織緊密,而經刺孔脫鹽后的杏果組織松軟易于滲糖,因此超聲時間仍有待研究。李軍生[12]研究表明:冬瓜、蘋果、蓮藕三種果蔬經200～600 W超聲滲糖后,含糖量在20%～30%范圍內逐漸增長。而杏坯經脫鹽后含水量較高且質地較軟,因此超聲功率仍有待研究。

本實驗在生產原料上區別于果脯的制作,以鹽漬后的杏坯為實驗原料,在提高了鮮杏利用率的基礎上，解決了運輸及工業化生產中鮮杏保質期短的問題,同時區別于傳統煮制滲糖法,采用超聲波滲糖法制備杏梅。在單因素實驗中使用TPA質構測試法結合含糖量篩選最佳條件,并通過響應面法優化杏梅滲糖工藝，為杏梅的滲糖新工藝提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白砂糖、腌菜鹽 新疆友好超市南昌路店;賽買提杏 新疆烏市九鼎市場，新鮮賽買提杏要求可溶性固形物含量13.7%±1%,單果重(16.86±2) g,果形指數1.14,硬度(1341.82±300) g,L值55.36±5,a值3.62±3,b值44.41±3；蒽酮、硫酸、蔗糖標準品(分析純) 致遠化學試劑有限公司。

TA-XT2i型質構儀 英國Stable Micro System公司;KQ-250DE型超聲波儀 昆山市超聲儀器有限公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒有限公司;TU-1810 型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;TD5A-WS型臺式低速離心機 鄭州南北儀器設備有限公司;Pawkit型水分活度儀 烏魯木齊齊祥生儀器有限公司(Decagon Devices Pullman)。

1.2 實驗方法

1.2.1 杏坯的制備 杏→淋洗→刺孔→鹽漬(護色保脆)→脫鹽→調味→糖漬→烘干→包裝。

刺孔:用竹簽(φ1 mm)刺入果實內部直達果核,密度為8個孔/cm2,孔間距離約2 mm,杏果更容易吸收鹽分及糖分,可縮短浸漬時間。鹽漬:使用30%氯化鈉進行濕腌法鹽漬,直至杏坯水分活度值恒定不變時為鹽漬終點。護色保脆:在鹽漬同時加入0.125% NaHSO3，防止色素分解;1.25% CaCl2保持硬度。脫鹽:取500 g杏坯以料液比1∶5 (kg/L)脫鹽使得含鹽量在2%以下即可。調味:取0.06%(g/kg)的肉桂和豆蔻、0.04%(g/kg)的茴香,0.08%(g/kg)的丁香和陳皮,與糖液一起滲入。糖漬:取500 g杏坯置于超聲機內置杯中,按照不同料液比和不同濃度的滲糖液提取一定時間,常壓靜置滲糖12 h后取出瀝干待烘干。烘干:在55 ℃條件下烘制24～30 h,將含水量控制在18%～22%。包裝:采用PE包裝袋密封包裝,常溫貯藏。

1.2.2 超聲波浸糖工藝單因素實驗 在超聲頻率為40 kHz,超聲溫度30 ℃條件下選取超聲時間、超聲功率、糖液濃度、料液比為單因素實驗研究條件[13-15]。

1.2.2.1 杏梅超聲時間的確定 在糖液濃度35%,超聲功率200 W,超聲料液比1∶5 kg/L的條件下,研究不同超聲時間(0、10、20、30、40、50 min)對浸糖效果的影響。

1.2.2.2 杏梅超聲功率的確定 在超聲時間30 min,糖液濃度35%,超聲料液比1∶5 kg/L的條件下,研究不同超聲功率(100、150、200、225、250 W)對浸糖效果的影響。

1.2.2.3 杏梅滲糖濃度的確定 在超聲時間30 min,超聲功率200W,超聲料液比1∶5 kg/L的條件下,研究不同糖液濃度(25%、30%、35%、40%、45%)對超聲浸糖效果的影響。

1.2.2.4 杏梅超聲料液比的確定 在糖液濃度35%,超聲時間30 min,超聲功率200 W的條件下,研究不同料液比(1∶5、1∶7、1∶9、1∶11、1∶13 kg/L)對超聲浸糖效果的影響。

1.2.3 響應面實驗設計 在單因素實驗的前期研究基礎上,根據Box-Behnken中心組合實驗設計的原理[16],以超聲波處理時間、超聲波功率、糖液濃度三個條件為響應因素,以杏梅含糖量、硬度為響應值,建立三因素三水平響應面實驗從而確定最佳浸糖工藝,因素水平表見表1。

表1 Box-Behnken實驗因素與水平表

1.2.4 指標測定

1.2.4.1 總糖測定 蒽酮試劑法,參考曹建康版《果蔬采后生理生化指導》[17]。取1 g樣品加5 mL蒸餾水研磨勻漿置于25 mL試管中并添加10 mL蒸餾水,加塞沸水浴30 min后,以4000 r/min的轉速離心20 min取上清液,濁液加15 mL蒸餾水，沸水浴15 min離心取上清液,將兩次上清液混合定容至100 mL后稀釋100倍,制備樣液待測。

1.2.4.2 水分測定 取1 g樣品置于已稱重的鋁盒內,放入真空干燥箱內連接真空泵,抽出真空干燥箱內空氣并加熱至60 ℃,關閉真空泵停止抽氣,使真空干燥箱內保持一定的溫度和壓力,經4 h后,放入干燥器中0.5 h后稱量,并重復以上操作至前后兩次質量差不超過2 mg,即為恒重[16]。

1.2.4.3 水分活度的測定 將杏坯切為5 mm×5 mm的小方塊置于水分活度計配置盒內,安裝待測。

1.2.4.4 質構測試 將樣品統一在杏核開口方向縱切去核一分為二,每部分切分為8 mm×8 mm的小方塊。測試時將樣品平穩放置于測試板,以降低操作誤差,方向、位置及測試部位盡量保持一致,在質構剖面分析模式(TPA)中選取硬度、彈性、凝聚性、咀嚼性、回復性為質構指標。使用圓柱形探頭 P/5(直徑:5 mm Cyl.Stainless)對杏梅進行TPA測試,測試參數:測試前速度5.0 mm/s,測試中速度3.0 mm/s,測試后速度3.0 mm/s,兩次壓縮間隔時間5.0/s,試樣位移3 mm,觸發力5 g,樣本量n=10[19].

1.3 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6統計軟件進行響應面實驗分析;SPSS 19進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 超聲時間對杏梅含糖量及質構的影響 從表2可以看出，在超聲功率為200 W,糖液濃度為35%,料液比為1∶5 kg/L的條件下,在超聲時間為0～40 min的五個時間段內,隨著超聲時間的延長，杏梅含糖量呈顯著增長的趨勢(p<0.05);而40、50 min時，含糖量差異不顯著(p<0.05)，是因為隨著超聲滲糖時間的延長,杏梅內部含糖量逐漸升高,使組織內外濃度差變小,滲透壓力變小，糖液不容易透過細胞膜,此時外界糖分滲入杏坯內則需要更大推動力[11],在超聲功率不變的條件下推動力無變化,因此在40、50 min時含糖量差異不顯著(p>0.05)。由TPA測試可得:在超聲時間為0～40 min的五個時間段內,其硬度隨著超聲時間的延長顯著降低(p<0.05),40～50 min時差異不顯著(p>0.05)。彈性超聲時間為0、10 min時與其他時間差異顯著(p<0.05),同時在20與50 min時存在顯著差異(p<0.05)。凝聚性10～40 min呈上升趨勢,超聲時間為10、50 min時差異顯著(p<0.05)。咀嚼力無明顯趨勢,超聲時間為20 min時，與10、40 min差異顯著(p<0.05)。回復性在超聲時間為10～40 min時，呈總體上升趨勢,其中30與40 min時存在差異顯著性(p<0.05),0與20 min之間也存在差異顯著性(p<0.05)。因此在TPA測試中選取差異顯著、有明顯趨勢的硬度作為質地評判指標,并結合含糖量變化趨勢選取超聲時間40 min作為后續響應面實驗參數。

表2 超聲時間對杏梅含糖量及質構的影響

2.1.2 超聲功率對杏梅品質的影響 從表3可以看出，在超聲時間為30 min,糖液濃度為35%,料液比為1∶5 kg/L的條件下,杏梅的含糖量隨著超聲功率的升高而升高。超聲功率為225 W時含糖量達到最大值,與100、150 W時存在差異顯著性(p<0.05),而當功率增大到250 W時，含糖量略有下降且差異不顯著(p>0.05),這可能是由于超聲波產生的空化作用可促進糖分擴散,但當超聲功率過大時,可破壞杏坯組織細胞，不利于糖液的滲入[16-17]。由TPA測試可得:當超聲功率為225 W時，硬度達到最低值960.14 g,0～225 W之間呈顯著下降的趨勢(p<0.05)。彈性無明顯的變化趨勢,0與100 W和其它功率存在差異顯著性外(p<0.05),其余功率之間均不存在差異顯著性(p>0.05)。凝聚性中100與200、225、250 W之間存在差異顯著性(p<0.05)。咀嚼力各組分之間均不存在差異顯著性(p>0.05)。回復性在150、225、250 W時與其他組分差異顯著(p<0.05)。綜合考慮含糖量及硬度的變化,取超聲功率225 W作為后續響應面實驗參數。

表3 超聲功率對杏梅含糖量及質構的影響

2.1.3 糖液濃度對杏梅品質的影響 從表4可以看出，在超聲時間為30 min,超聲功率為200 W,料液比為1∶5 kg/L的條件下,25%～40%之間時，杏梅的含糖量隨著糖液濃度的升高而顯著升高(p<0.05)。其中當糖液濃度為40%時，含糖量達到最大值,而當濃度增大到45%時，含糖量略有下降且差異不顯著(p>0.05),這可能是由于糖液從高濃度向低濃度擴散,因而濃度差愈大,滲透速率也將隨之增加,但當滲糖液糖度過高時,滲糖液黏度大,不利于水分和糖液的均勻置換,使擴散速率減緩[18]。由TPA測試可知，25%～40%各組分之間的硬度隨糖液濃度增大呈顯著下降趨勢(p<0.05),硬度在滲糖濃度為40%時，達到最小值。彈性只在糖液濃度為45%時與其它濃度存在差異顯著性(p<0.05),并無明顯趨勢。凝聚性各組分之間的關系為:除25%和30%、35%和40%的組分之間不存在差異顯著性(p>0.05),其余各組分之間均存在差異顯著性(p<0.05),總體呈遞增趨勢。咀嚼力各組分之間差異均不顯著(p>0.05)。回復性各組分之間的關系為:除25%和30%、40%和45%的組分之間不存在差異顯著性(p>0.05),其余各組分之間均存在差異顯著性(p<0.05)。綜合考慮含糖量及硬度的變化,取糖液濃度40%作為后續響應面實驗參數。

表4 糖液濃度對杏梅含糖量及質構的影響

2.1.4 超聲料液比對杏梅品質的影響 從表5可以看出，在超聲時間為30 min,超聲功率為200 W,糖液濃度為35%的條件下,不同料液比制備出杏梅含糖量差異不顯著(p>0.05),且無明顯趨勢。由TPA測試可知，彈性、凝聚性、咀嚼力差異不顯著(p>0.05),硬度、回復性均在料液比為1∶9 kg/L時存在差異但均無明顯趨勢。結果表明，料液比對杏梅滲糖及其質構特性效果不明顯,因此不做后續響應面實驗研究。

表5 料液比對杏梅含糖量及質構的影響

單因素實驗中:TPA測試中，硬度在不同滲糖條件下,總體呈現遞減趨勢,含糖量總體呈現遞增趨勢,差異顯著,其余特性在不同條件下，變化趨勢不明顯。因此選擇含糖量及硬度為指標,進行響應面實驗。

2.2 杏梅糖漬工藝響應面優化實驗結果及分析

按照表6利用 Design-Expert 8.0 統計軟件對實驗數據進行二次多項回歸擬合,分別獲得含糖量(Y1)對自變量超聲功率(A)、超聲時間(B)、糖液濃度(C)的多元回歸方程:Y1=49.92+0.58A+0.82B+1.18C+0.24AB-0.10AC-0.040BC-1.38A2-1.34B2-1.34C2;對實驗數據進行二次多項回歸擬合,分別獲得硬度(Y2)對自變量超聲功率(A)、超聲時間(B)、糖液濃度(C)的多元回歸方程:Y2=907.61+8.83A-9.97B-13.64C+2.12AB+4.86AC+0.49BC+42.05A2+9.91B2+14.95C2。

表6 響應面實驗設計及結果

由表7可知,當模型F=41.32時,p<0.0001,模型極顯著,當失擬項F=1.14時,p=0.4322>0.05,失擬項不顯著,說明所得回歸方程模型是可行的;因變量與自變量之間的線性關系顯著R2=0.9815,表明杏梅中含糖量的實測值與預測值之間具有較好的擬合度,實驗所得二次回歸方程能很好地對響應值進行預測和分析。其中一次項A、B、C與二次項A2、B2、C2表現為極顯著(p<0.01),表明超聲時間、超聲功率、糖液濃度都對杏梅含糖量有極大影響,由F值可推斷出對糖含量影響大小為:C>B>A,即糖液濃度對杏梅含糖量影響最大,超聲時間次之,超聲功率影響最小。

表7 響應面試驗方差分析(含糖量)

由表8可知,當模型F=19.66時,p<0.01,模型極顯著,當失擬項F=1.14時,p=0.1518>0.05,失擬項不顯著,說明所得回歸方程模型是可行的;因變量與自變量之間的線性關系顯著R2=0.9619,表明杏梅中硬度的實測值與預測值之間具有較好的擬合度,實驗所得二次回歸方程能很好地對響應值進行預測和分析。其中一次項C與二次項A2、C2表現為極顯著(p<0.01),一次項A、B與二次項 B2表現為顯著(p<0.05)，表明超聲時間、超聲功率、糖液濃度都對杏梅硬度都有較大影響,由F值可推斷出對糖含量影響大小為:C>B>A,即糖液濃度對杏梅硬度影響最大,超聲時間次之,超聲功率影響最小。

表8 響應面試驗方差分析(硬度)

2.2.1 響應面分析與優化 為了考察不同因素對糖含量、硬度的影響,利用Design-Expert 8.06軟件對回歸方程進行運算,得出三維響應面圖,如圖1～圖2所示。

圖1 各因素交互作用對含糖量影響的響應面圖

從圖1～圖2可知，隨著控制條件的增加,糖含量逐漸增大后趨于平穩、硬度逐漸減低后趨于平穩,各因素間交互作不顯著。通過響應面軟件分析,杏梅滲糖最佳工藝為:超聲功率224.46 W、超聲時間43.65 min、糖液濃度42.22%,通過該方式含糖量理論值可達50.36%,硬度可達902.03 g。

2.2.2 驗證實驗 使用響應面得出的最佳浸糖方式進行驗證實驗,考慮到儀器及設備的局限和操作方便,將超聲功率設置為225 W、超聲時間為45 min、糖液濃度設定為43%進行驗證實驗,經三次驗證實驗得出實際測得含糖量為51.02%±0.21%、硬度為(904.64±20) g，與理論值相比分別增加了1.31%、0.29%,說明該回歸方程與實際含量擬合度較好,該響應面模型是可用的。

3 結論

本研究通過單因素實驗發現，在保證杏梅硬度的前提下,合理提高超聲時間、超聲功率和糖液濃度，可有效提高杏梅含糖量。采用響應面法優化杏梅滲糖工藝,最終確定超聲功率225 W、超聲時間45 min、糖液濃度43%,通過該方式含糖量可達51.02%±0.21%,硬度可達(904.64±20) g。