干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝優化

張海燕，康三江*，張 芳，張霽紅，曾朝珍，袁 晶

（甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅 蘭州 730070）

干裝蘋果罐頭是指以蘋果為原料，經去皮、去籽巢、切塊、抽空、脫水、裝罐、密封、殺菌等工藝制成的蘋果罐頭產品[1]，是近年來國內外市場極具開發潛力的綠色食品。因其在加工工藝上保持了蘋果原汁原味和具有再造性的品質特性，深受廣大消費者尤其是歐美國家消費者的歡迎，據調查，國際市場需求量每年以15%的速度遞增，已形成穩定的消費群體，產品主要出口德國、西班牙、英國、美國、愛爾蘭等歐美國家[2]。但由于其在加工過程中受漂燙、殺菌等因素的影響，使得果塊的成型穩定性降低，發生變形、軟化，從而降低其品質及感官質量，嚴重影響了產品的出口及生產企業的發展。

減壓預抽可以提高果蔬加工生產效率，改善和保持果蔬產品的品質，同時還創造了抑制細菌生長及抑氧的環境，使加工的產品符合衛生要求，廣泛應用于蜜餞、罐頭、脫水、凍結、功能性產品開發等果蔬加工領域[3-5]。鈣處理是果蔬固化的傳統方法，大量研究人員采用浸泡或真空浸漬協同氯化鈣、乳酸鈣等無機鈣或有機鈣的方法，提高了加工產品的硬度。但本課題組經過多年研究發現，減壓預抽輔助堿性鈣處理彌補了傳統果蔬固化劑溶解性差、有異味或苦味等缺點，顯著提高了干裝蘋果罐頭的硬度和柔韌性[6-7]，但其作用機理尚不明確，有待深入研究。目前，普遍認為Ca2+直接參與了植物細胞壁的構成，Ca2+可以與果蔬細胞壁中的果膠物質產生不溶性的果膠酸鹽類，形成交叉鏈橋狀的凝膠，進一步增強了細胞的穩定性，從而延緩果蔬及其加工產品組織結構變軟崩潰[8]。De Roeck等[9]研究發現，由于Ca2+的存在，使果膠保持了更好的凝膠網絡結構，Ca2+處理可以改善細胞間黏附力，更好地保護細胞壁中膠層。研究表明，果實的軟化與果膠組分和半纖維素組分的變化密切相關[10-12]，影響果膠凝膠的因素較多，主要有金屬離子的濃度、pH值、酯化度等，其中受濃度的影響較大[13]。因此，本研究通過考察Ca2+質量濃度、減壓預抽真空度以及預抽液pH值對干裝蘋果罐頭鈣形態和細胞壁組分的影響，并以氯化鈉溶性鈣含量和螯合劑溶性果膠（chelator soluble pectin，CSP）含量為響應值，采用響應面法優化干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝，旨在為進一步調控干裝蘋果罐頭果肉組織軟化機制和應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

秦冠蘋果由天水昌盛食品有限公司提供。

檸檬酸、D-異抗壞血酸鈉（均為食品級），氧化鈣、去離子水、NaCl、醋酸、鹽酸、醋酸鈉、環己二胺四乙酸、Na2CO3、NaBH4、KOH（均為分析純） 中瑞化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

DQ-XP30蘋果削皮機 自制；SK-12抽真空機、Bw4T250封罐組合機、0806脫氣設備 汕頭市金平區順成食品機械廠；DHG9240A型鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；PHS-3C酸度計 上海雷磁儀器廠；BL-2200H電子天平 日本島津公司；3500透析袋美國Sigma公司；CARY 100紫外-可見分光光度計 美國瓦里安有限公司；TGL-16LM高速冷凍離心機 湖南星科科學儀器有限公司；ICE-3500型原子吸收分光光度計美國賽默飛世爾科技公司。

1.3 方法

1.3.1 干裝蘋果罐頭樣品的制備

常溫常壓下，將適量檸檬酸充分溶解于水中，再根據Ca2+質量分數將氧化鈣與D-異抗壞血酸鈉分別溶解于檸檬酸溶液中，分別配制成一定pH值的預抽液，按照預抽液與果肉的質量比例為10∶7，將切分好的果塊分別浸入配制好的預抽液中，經設定好的真空度減壓預抽30 min，蒸汽漂燙3 min，包裝、殺菌。常溫貯藏10 d后測定各項指標，每處理3 個重復。

1.3.2 單因素試驗

以干裝蘋果罐頭的不同形態鈣含量、細胞壁組分含量為評價指標，分別以預抽液Ca2+質量質量濃度（0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/L）、預抽真空度（0、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 MPa）、預抽液pH值（0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0）為影響因素進行單因素試驗，確定各因素的影響效果與適宜范圍。

1.3.3 響應面優化試驗

根據單因素試驗結果，采用Box-Behnken模型試驗設計原理[14-15]，以Ca2+質量濃度、預抽真空度、預抽液pH值為自變量，以X1、X2、X3表示，并以1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平，以對干裝蘋果罐頭細胞結構影響較大的氯化鈉溶性鈣和CSP為響應值，進行3因素3水平響應面分析，試驗重復3 次，優化干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝條件，響應面試驗因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Coded levels and actual corresponding levels of independent variables used for response surface analysis

1.3.4 不同形態鈣含量測定

參照王玲利[16]、小西茂毅[17]等的方法，分別用去離子水、1 mol/L NaCl、2%醋酸、5%鹽酸逐步提取水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣、鹽酸溶性鈣，用原子吸收分光光度計測定樣品不同形態鈣含量。

1.3.5 細胞壁組分的測定

綜合參考Houben[18]、Moore[19]、蔣明鳳[20]等的方法，采用乙醇不溶物法，測定細胞壁各組分物質水溶性果膠（water-soluble pectin，WSP）、CSP、碳酸鈉溶性果膠（Na2CO3-soluble pectin，NSP）以及半纖維素（hemicellulose fraction，HF）的含量。

1.4 數據處理

采用Excel 2007軟件，顯著性分析采用DPSv7.05軟件，多重比較采用Duncan新復極差法，Box-Behnken設計的試驗數據采用Design-Expert 8.0軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 Ca2+濃度對干裝蘋果罐頭鈣形態及細胞壁組分的影響

圖1 Ca2＋質量濃度對干裝蘋果罐頭鈣形態（a）及細胞壁組分（b）的影響Fig. 1 Effects of Ca2+ concentration on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

由圖1a可以看出，堿性鈣處理增加了干裝蘋果罐頭中水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣含量。隨著Ca2+質量濃度的增加，水溶性鈣含量逐漸升高，各處理間差異極顯著（P＜0.01）；氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣先升高后降低，且在Ca2+質量濃度為2.0 g/L時含量最高，分別為50.26、9.41、7.68 mg/kg，氯化鈉溶性鈣含量與各處理間差異極顯著（P＜0.01），醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣差異不顯著（P＞0.01）。說明進入到果肉組織中的鈣主要以水溶性鈣和氯化鈉溶性鈣的形態存在，果膠酸鈣是氯化鈉溶性鈣的主要成分，水溶性鈣中的Ca2+進一步與果膠結合形成果膠酸鈣，作為主要鈣形態存在于果肉組織中，但還有大量的水溶性鈣存在。

如圖1b所示，干裝蘋果罐頭中CSP含量最高，其次是NSP，WSP和HF含量較低。隨著Ca2+質量濃度的增加，WSP含量先降低后升高，Ca2+質量濃度為2.0 g/L時含量最低，為1.84 mg/g，極顯著低于于其他處理（P＜0.01）；鈣處理增加了干裝蘋果罐頭中CSP、NSP和HF的含量，Ca2+質量濃度為2.0 g/L時含量最高，分別為12.72、10.76、4.76 mg/g，均極顯著高于其他處理（P＜0.01），其后逐漸降低。這是因為經減壓預抽輔助堿性鈣處理后，WSP與其他果膠及Ca2+交聯，形成穩定性更好、不易溶解的果膠組分，CSP和NSP含量增加，這與Houben等[18]研究干裝蘋果罐頭貯藏過程中質地與細胞壁組分變化的結果一致，而隨著Ca2+質量濃度的進一步升高，CSP和NSP降解為WSP，細胞黏著力下降，結構破損。

綜合Ca2+質量濃度對干裝蘋果罐頭鈣形態（水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣、鹽酸溶性鈣）和細胞壁組分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影響，選擇Ca2+質量濃度1.5～2.5 g/L進行后續響應面試驗。

2.1.2 預抽真空度對干裝蘋果罐頭鈣形態及細胞壁組分的影響

圖2 預抽真空度對干裝蘋果罐頭鈣形態（a）及細胞壁組分（b）的影響Fig. 2 Effect of vacuum degree on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

如圖2a所示，隨著預抽真空度的升高，水溶性鈣含量先降低后升高，真空度為0.08 MPa時，其含量最低，為5.05 mg/kg，與其他各處理相比差異極顯著（P＜0.01）；氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣含量先升高后降低，真空度為0.08 MPa時，含量最高，分別為50.80、9.50、8.56 mg/kg，氯化鈉溶性鈣與其他各處理相比差異極顯著（P＜0.01），醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣差異不顯著（P＞0.01）。說明適宜的真空度有利于Ca2+與細胞壁中膠層的果膠質結合形成果膠酸鈣，從而保持細胞壁的完整性和穩定性，使干裝蘋果罐頭具有較好的形狀和彈性。

如圖2b所示，干裝蘋果罐頭細胞壁組分主要以CSP為主，其次是NSP、WSP和HF含量較低。隨著真空度的升高，WSP含量先降低后升高，真空度為0.08 MPa時，含量最低，為1.82 mg/g，與其他各處理相比差異極顯著（P＜0.01）；CSP、NSP和HF含量先升高后降低，真空度為0.08 MPa時，含量最高，分別為16.15、10.77、3.95 mg/g，與其他各處理相比差異均極顯著（P＜0.01）。說明適宜的預抽真空度有利于Ca2+與WSP結合，形成結合力較強的CSP和NSP，但隨著真空度的進一步升高，在外力作用下，細胞被破壞，CSP和NSP又降解為WSP，細胞結構不斷發生降解，HF含量逐漸降低。

綜合預抽真空度對干裝蘋果罐頭鈣形態（水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣、鹽酸溶性鈣）和細胞壁組分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影響，選擇預抽真空度在0.07～0.09 MPa范圍內進行后續試驗。

2.1.3 預抽液pH值對干裝蘋果罐頭鈣形態及細胞壁組分的影響

圖3 預抽液pH值對干裝蘋果罐頭鈣形態（a）及細胞壁組分（b）的影響Fig. 3 Effects of prepumping pH on calcium forms (a) and cell wall components (b) of canned solid pack apples

如圖3a可以看出，隨著預抽液pH值的升高，水溶性鈣含量先降低后升高，預抽液pH值為3.0時降至最低，且與其他各處理間有極顯著差異（P＜0.01）；氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣含量先升高后降低，當預抽液pH值為3.0時，其含量達到最高值，分別為52.12、9.34、7.84 mg/kg，氯化鈉溶性鈣含量與其他各處理間有極顯著差異（P＜0.01），醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣無顯著差異（P＞0.01）。

如圖3b所示，當預抽液pH值為3.0時，WSP含量降至最低，為2.06 mg/g，與其他各處理相比差異極顯著（P＜0.01），之后隨著預抽液pH值的進一步增大逐漸升高，同時CSP、NSP和HF含量升至最高，分別為14.94、11.86、3.38 mg/g，與其他各處理間有極顯著差異（P＜0.01）。

綜合預抽液pH值對干裝蘋果罐頭鈣形態（水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣、鹽酸溶性鈣）和細胞壁組分（CSP、NSP、WSP、HF）含量的影響，選擇預抽液pH值在2.00～4.00范圍內進行后續實驗。

2.2 響應面法優化干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝

2.2.1 響應面試驗設計及結果

為確定減壓預抽輔助堿性鈣處理干裝蘋果罐頭最佳工藝參數，根據單因素試驗結果，選擇堿性Ca2+質量濃度、預抽真空度、預抽液pH值為影響因素，氯化鈉溶性鈣（Y1）和CSP（Y2）作為響應值，對減壓預抽輔助堿性鈣處理干裝蘋果罐頭工藝條件進行3因素3水平的響應面分析試驗，Box-Behnken試驗設計及結果見表2所示。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken experimental design with experimental results

2.2.2 回歸模型的建立與方差分析

利用Design-Expert 8.0數據分析軟件對所得試驗數據進行多元回歸分析，得到氯化鈉溶性鈣（Y1）和CSP（Y2）對自變量Ca2+質量濃度（X1）、預抽真空度（X2）、預抽液pH值（X3）的二次多項回歸模型方程分別為：

表3 氯化鈉溶性鈣回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model for the content of sodium chloride soluble Ca

對氯化鈉溶性鈣的回歸模型進行方差分析，結果見表3。模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項P值為0.892 2，無顯著性影響（P＞0.05），回歸方程的相關系數R2為0.999 2，說明該模型能夠解釋99.92%的變化，預測值和試驗值之間有較好的相關性，該模型對干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝優化試驗擬合程度較好，可用該回歸方程預測減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝條件。表3顯著性分析結果表明，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32在干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝中對氯化鈉溶性鈣的影響均達到了極顯著水平（P＜0.01）。

對CSP的回歸模型進行方差分析，結果見表4。模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項P值為0.467 9，無顯著性影響（P＞0.05），回歸方程的相關系數R2為0.999 3，說明該模型能夠解釋99.93%的變化，預測值和試驗值之間有較好的相關性，該模型對干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝優化試驗擬合程度較好，可用該回歸方程預測減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝條件。表4顯著性分析結果表明，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32在干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝中對CSP的影響均達到了極顯著水平（P＜0.01）。

表4 CSP回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of regression model for CSP content

2.2.3 響應面分析

圖4 各因素對干裝蘋果罐頭氯化鈉溶性鈣和CSP含量影響的響應面圖及等高線圖Fig. 4 Response surface and contour plots showing the interactive effect of various factors on the contents of sodium chloride soluble Ca and CSP

如圖4所示，Ca2+質量濃度、預抽真空度、預抽液pH值之間的交互作用均極顯著，在試驗考察范圍內，各因素對干裝蘋果罐頭氯化鈉溶性鈣和CSP的影響由大到小依次為：Ca2+質量濃度（X1）＞預抽液pH值（X3）＞預抽真空度（X2），結果與方差分析相似。在適宜的Ca2+質量濃度、真空度以及預抽液pH值范圍內，可以獲得較高的氯化鈉溶性鈣和CSP含量。等高線變化趨勢圖中，Ca2+質量濃度的最佳范圍為1.75～2.00 g/L，預抽真空度控制在0.75～0.80 MPa，預抽液pH值的最佳范圍為2.50～3.00。

通過響應面分析并結合回歸模型，利用Design-Expert 8.0軟件進行最大值分析，優化出減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝為Ca2+質量濃度2.0 g/L、預抽真空度0.08 MPa、預抽液pH 2.80，該條件下，預測氯化鈉溶性鈣含量為54.29 mg/kg，CSP含量為17.07 mg/g。為了確保所建回歸模型的準確性，采用最優速凍條件進行驗證，實驗重復3 次，實際得到的氯化鈉溶性鈣含量為55.26 mg/kg，CSP含量為17.45 mg/g，與預測值的相對誤差較小，說明采用響應面法優化得到的減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝準確可靠，能夠指導生產實踐。

3 討 論

在果蔬加工中，Ca2+濃度適宜的條件下，果膠甲酯酶從果膠分子的還原性末端或其臨近的游離羧基去除甲氧基，形成二價陽離子的游離態半乳糖醛酸區域，與Ca2+形成不溶性凝膠[21]。本研究結果表明，減壓預抽輔助堿性鈣處理顯著提高了干裝蘋果罐頭水溶性鈣和氯化鈉溶性鈣的含量，且水溶性鈣中的Ca2+進一步與果膠結合形成果膠酸鈣，作為主要鈣形態存在于果肉組織中，但對醋酸溶性鈣和鹽酸溶性鈣的影響不大，說明果膠酸鈣可能參與了細胞壁的構成，有效抑制了細胞壁果膠組分、半纖維素組分的降解，起著維持細胞壁結構穩定性和完整性的作用，從而保持了干裝蘋果罐頭果肉組織的質地，這與Silveira等[22]的研究結果一致。果膠組分（WSP、CSP和NSP）和半纖維素組分（HF）的差異引起果肉組織軟化的主要因素。WSP與果膠的降解和果蔬的軟化密切相關；CSP主鏈為鈣離子交聯的半乳糖醛酸聚糖；NSP、CSP和NSP的變化會影響細胞間的黏合力和細胞中間層的變化，二者含量越多，果膠質的穩定性越好；HF反映細胞壁成分的溶解和轉化，與果實的軟化有直接關系。本研究中，WSP含量降低，而CSP、NSP和HF的含量升高，這是因為經減壓預抽輔助堿性鈣處理后，果肉組織中存在大量的Ca2+，WSP與Ca2+結合，形成穩定性更好、不易溶解的果膠組分，增強了果膠質的網絡結構，改善了干裝蘋果罐頭的質地，在提高其硬度的同時增加了柔韌性，從根本上解決組織結構松軟的問題。但有關減壓預抽輔助堿性鈣處理對干裝蘋果罐頭質地的影響及其與鈣形態和細胞壁組分之間的相關性分析有待于進一步研究，同時若能對果肉組織胞間層、初生壁、次生璧等的影響以及Ca2+在細胞壁中的分布變化進行檢測分析，進而從細胞壁微觀結構的改變來推斷鈣形態和細胞壁組分的轉變，這對明確減壓預抽輔助堿性鈣處理在微觀環境下對果肉組織軟化的調控機制具有重要意義。

果膠的鈣化衍生物果膠酸鈣是由果膠中游離羧基與Ca2+反應而生成，果膠中的甲氧基含量越低,游離羧基越多，越容易與鈣離子反應生成果膠鈣[23]。隨著Ca2+質量濃度的增加可以使凝膠強度增加，當超過最佳濃度比時，會使凝膠三維結構收縮，使凝膠強度變弱，這可能是由于Ca2+的加入會影響凝膠形成過程中的動力學行為，會使未酯化的羧基基團參與到凝膠形成過程中，在一定范圍內增加鈣離子濃度，會使凝膠強度增強[24-25]。本研究結果顯示，Ca2+質量濃度為2.0 g/L時，對干裝蘋果罐頭鈣形態（水溶性鈣、氯化鈉溶性鈣、醋酸溶性鈣、鹽酸溶性鈣）和細胞壁組分（WSP、CSP、NSP、HF）含量的影響效果顯著，說明適當濃度的鈣離子可以增強果膠凝膠的網狀結構。因此，在果蔬加工中，可以利用適宜的Ca2+質量濃度形成凝膠，阻止果膠的降解，從而抑制果蔬組織結構的軟化。減壓預抽主要為了脫除干裝蘋果罐頭果塊組織中的殘留空氣，防止氧化褐變，以及提高傳熱速率進而提高殺菌效率。但是，僅僅對蘋果果塊抽真空直接殺菌，容易出現果塊松散軟爛問題[26]。為此，采用減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝加以解決，使殺菌后的果塊形態完整而且口感柔韌。本研究以鈣形態和細胞壁組分為評價指標，對適宜的減壓預抽真空度進行了研究。結果表明，減壓預抽真空度為0.08 MPa時，氯化鈉溶性鈣、CSP、NSP和HF的含量最高。酸性條件下，鈣離子滲到果肉中，不僅能與果膠生成不易熱解、酶解的果膠酸鈣，也能與其他膠質結合，生成不易熱解、酶解的物質，增加了難容難降解物質的含量及分子間的鏈接作用，適當的酸性條件有利于凝膠的形成，果膠分子上的COO-較多，果膠分子間排斥越嚴重，凝膠就越難形成，適當降低pH值，果膠分子上帶電荷的COO-隨之減少，當帶電荷總數降低到某一值的時候，凝膠開始形成，且隨著體系pH值的下降凝膠強度增強。但如果pH值過低，果膠分子間會形成一種低強度、非均勻的“預凝膠”[27]。因此本研究考察了不同預抽液pH值對干裝蘋果罐頭鈣形態和細胞壁組分的影響。結果表明，預抽液pH值為3.0時，對干裝蘋果罐頭鈣形態和細胞壁組分的影響顯著。因此，本研究以Ca2+質量濃度、減壓預抽真空度、預抽液pH值為影響因素，在此基礎上，采用Box-Behnken試驗設計方法和Design-Expert 8.0數據分析軟件，以氯化鈉溶性鈣含量和CSP含量為響應值，優化出干裝蘋果罐頭減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝為Ca2+質量濃度2.0 g/L、預抽真空度0.08 MPa、預抽液pH 2.8，此條件下預測氯化鈉溶性鈣含量為54.29 mg/kg，CSP含量為17.07 mg/g。

4 結 論

通過單因素和響應面試驗設計優化減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝，得出各因素對干裝蘋果罐頭鈣形態和細胞壁組分的影響顯著；優化出減壓預抽輔助堿性鈣處理工藝參數為Ca2+質量濃度2.0 g/L、真空度0.08 MPa、預抽液pH 2.8，此條件下預測氯化鈉溶性鈣含量為54.29 mg/kg，CSP含量為17.07 mg/g，為控制干裝蘋果罐頭果肉組織軟化和指導生產實踐提供部分理論資料。