復合澄清劑澄清姜汁的工藝

張睿，盧藝惠，王朝宇，畢艷紅*，趙祥杰，刁怡涵

1. 淮陰工學院化學工程學院（淮安 223003）；2. 淮陰工學院生命科學與食品工程學院（淮安 223003）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）是姜科姜屬多年生宿根草本植物的根莖，味辛，性溫，具有獨特的芳香味和姜辣味[1-2]。生姜具有化痰止咳、溫中止嘔、發散風寒、興奮神經、加速血液循環及解毒等功效[3]，同時還含有豐富的人體必需營養素及一些微量元素[4]。殼聚糖對許多物質都具有鰲合吸附作用，其帶電的陽離子可與果汁中帶負電的膠體物質產生靜電從而使之絮凝沉淀，達到澄清的目的[5-7]。研究表明，殼聚糖對梨汁[8]、哈密瓜汁[9]、枇杷汁[10]、甘蔗汁[11]等具有較好澄清效果，但是在實際應用中，也存在如吸附選擇性不好、適用pH范圍較窄，達到平衡所需時間長等缺點，所以對殼聚糖進行改性研究，使其達到較理想的吸附效果顯得尤為重要。凹土是一種稀有的天然非金屬黏土礦物，在我國主要集中在蘇皖地區，其中盱眙地區的凹土已探明儲量約占全球49%。主要礦物成分是凹凸棒石，具有層內貫穿孔道，表面凹凸相間布滿溝槽的特點，可將大部分的陽離子、水分子和部分有機分子直接吸附進孔道中，且凹凸棒石具有熱穩定性好、機械強度高、抗微生物腐蝕以及抗有機溶劑等優點，因此廣泛用于脫色劑和吸附劑等領域[12-13]。由于中國豐富的姜資源及姜本身具有的一系列功效，姜汁飲品逐步受到廣大消費者喜愛，但是姜汁在貯存過程中，容易產生渾濁，對姜汁的批量生產造成很大的困難。常用的澄清方法雖然較為成熟，但在實際應用中存在操作復雜、成本較高、澄清效果不佳及澄清周期長等缺點。

采用凹土-殼聚糖對姜汁進行澄清，考察護色劑添加量、凹土-殼聚糖添加量、澄清溫度、澄清時間四個因素對澄清效果的影響。同時，將其與純化凹土、酸化凹土進行澄清試驗的對比，進一步考察凹土-殼聚糖的澄清效果，制得顏色鮮艷、透光度高的姜汁產品，為姜資源的開發利用增添新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜（淮安市售）；凹凸棒黏土（淮安盱眙產）；鹽酸、草酸、乙酸、無水乙醇、氫氧化鈉（均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；香草醛（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；牛血清蛋白、考馬斯亮藍（均為生化試劑，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 儀器與設備

MS系列磁力攪拌器（上海般特儀器有限公司）；HHS2型數顯恒溫水浴鍋（金壇市榮華儀器制造有限公司）；DHG-9030型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；J-26XP高速冷凍離心機（貝克曼庫爾特商貿（中國）有限公司）；PHS-3C酸度計（上海鴻蓋儀器有限公司）；UV-1800紫外可見分光光度計（上海美譜達儀器有限公司）；FA2004B精密電子天平（上海精科天美科學儀器有限公司）；WH-3微型漩渦混合儀（上海滬西分析儀器廠有限公司）；小型打漿機（山東九陽小家電有限公司）。

1.3 試驗方法

凹土-殼聚糖的制備，參照趙振剛等[14]的方法制備凹土-殼聚糖；姜辣素的測定，參照廖欽洪等[15]的方法測定姜辣素含量，以mg/g表示；蛋白質含量的測定，用考馬斯藍亮法測定蛋白質的含量，以μg/mL表示；可溶性固形物含量的測定，通過折光法測定可溶性固形物的含量；澄清度的測定，用紫外-可見分光光度計在650 nm波長下對凹土-殼聚糖處理的澄清液測定其透光度，確定生姜汁澄清的最佳工藝條件。

1.4 姜汁澄清工藝的研究

1.4.1 檸檬酸添加量的確定方法

1.4.2 單因素試驗方法

凹土-殼聚糖添加量：在30 mL姜汁中分別加入0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 g凹土-殼聚糖，攪拌，室溫靜置1 h后離心，取上清液測其透光率。

澄清溫度：在30 mL姜汁中加入0.3 g凹土-殼聚糖，攪拌后，分別將其放入20，30，40，50，60和70℃水浴中保溫靜置1 h后離心，取上清液測其透光率。

澄清時間：在30 mL姜汁中加入0.3 g凹土-殼聚糖，攪拌后，在室溫下分別靜置10，20，30，40，50和60 min后離心，取上清液測其透光率。

而且今年，我們還很高興邀請到了專攻新西蘭葡萄酒的專家，劉玲女士輔助David作翻譯講解。David的專業講解，劉玲老師在翻譯之余也時不時拋出自己的經驗和種種干貨，讓參與嘉賓贊聲連連。也難怪有嘉賓表示：“內容很多干貨。看得出大師選酒很用心。每款酒都能代表產區特色、品種風格，哪怕是同樣品種，不同酒款的特色也很鮮明，讓我們深入感受到，個性新西蘭，何止長相思。”

1.4.3 正交試驗方法

綜合單因素影響試驗的結果，分別選取凹土-殼聚糖添加量、澄清溫度、澄清時間中對姜汁澄清影響顯著的3個因素，在單因素試驗的基礎上采用三因素三水平的正交試驗。

2 結果與分析

2.1 香草醛回歸方程的確定

以無水乙醇作空白，用紫外-可見分光光度計測定香草醛溶液在最大吸收波長280 nm處的吸光度A，試驗結果見表1。

根據表1繪制標準曲線，見圖1。所得線性回歸方程式A=0.022 2C+0.002 8，R2=0.999 6，表明香草醛在2～12 μg/mL范圍內很好地符合朗伯-比爾定律。

表1 香草醛標準溶液濃度與吸光度

圖1 香草醛標準曲線回歸方程

2.2 蛋白質標準曲線的確定

用紫外-可見分光光度計測定蛋白質溶液在最大吸收波長595 nm處的吸光度A，試驗結果見表2。

根據表2繪制標準曲線，見圖2。所得線性回歸方程式A=0.282C-0.005 3，R2=0.999 1，表明蛋白質在0～140 μg/mL范圍內很好地符合線性關系。

表2 蛋白質標準溶液濃度與吸光度

圖2 蛋白質標準曲線回歸方程

2.3 姜汁澄清工藝的優化

2.3.1 檸檬酸添加量的確定結果

從表3可以看出，隨著檸檬酸添加量增加，姜汁色由原先的棕黃色變成鮮艷明亮的淡黃色。檸檬酸用量0.4%時，可以起到較好護色效果，得到的姜汁呈鮮艷淡黃色；繼續增加檸檬酸添加量，姜汁色澤變化不明顯，但是姜汁較酸，對姜汁的品質產生較大的影響。因此，確定檸檬酸添加量為0.4%。

表3 檸檬酸添加量與姜汁護色效果的關系

2.3.2 姜汁澄清工藝的單因素試驗結果

1) 凹土-殼聚糖添加量的確定

在澄清溫度50 ℃，澄清時間40 min條件下，考察凹土-殼聚糖添加量對姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白質及可溶性固形物含量的影響，試驗結果如圖3和表4所示。凹土-殼聚糖添加量0.1～0.3 g時，姜汁透光度提高迅速；澄清劑添加量大于0.3 g時，姜汁透光度逐漸趨于平衡。澄清姜汁中，蛋白質及可溶性固形物含量均隨著澄清劑添加量增加不斷減少，這可能是因為凹土具有較強吸附作用，殼聚糖又是陽離子型絮凝劑，凹土與殼聚糖結合可與酸性環境中帶負電荷的可溶性蛋白質、纖維素、果膠、懸浮顆粒等物質發生很強的凝集作用[16-18]。添加量0.3 g時，透光度和姜辣素含量較平衡，選取0.2，0.3和0.4 g作為正交試驗的范圍。

表4 凹土-殼聚糖添加量對姜汁主要成分的影響

圖3 凹土-殼聚糖添加量對姜汁澄清效果的影響

2) 澄清溫度的確定

在凹土-殼聚糖添加量0.3 g，澄清時間40 min條件下，考察澄清溫度對姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白質及可溶性固形物含量的影響，試驗結果如圖4和表5所示。在20～50 ℃之間，隨著溫度上升，姜汁的透光度逐漸增大，而蛋白質及可溶性固形物含量下降；此后隨著溫度上升，透光度呈現下降趨勢，而蛋白質及可溶性固形物含量隨著溫度升高呈現回升趨勢。這可能是因為在開始階段，隨著溫度升高，果汁的澄清速率加快；溫度繼續升高，解吸速率的增加及蛋白質、糖分等遭到破壞，從而導致透光度下降[19]。綜合澄清度與姜辣素的含量，選取40，50和60 ℃作為正交試驗的范圍。

表5 澄清溫度對姜汁主要成分的影響

圖4 澄清溫度對姜汁澄清效果的影響

3) 澄清時間的確定

在凹土-殼聚糖添加量0.3 g，澄清溫度50 ℃條件下，考察澄清時間對姜汁透光度、姜辣素含量、蛋白質及可溶性固形物含量的影響，試驗結果如圖5和表6所示。在10～50 min之間，隨著澄清時間增加，透光度逐漸增大；50 min以后，略有下降。這說明隨著時間延長，凹土-殼聚糖顆粒與姜汁中膠體顆粒的接觸越來越充分，澄清效果增強。這是因為凹土-殼聚糖與姜汁中的膠體物質發生相互作用，產生絮凝沉淀物的沉降速度有限，沉降需要一定時間，但若絮凝沉淀物在果汁中停留時間過長，會造成部分沉淀物重新溶解，導致姜汁再次產生輕微混濁[20]。

隨著澄清時間增加，可溶性固形物含量基本沒有變化，而蛋白質及姜辣素含量逐漸降低并趨于平穩。凹土-殼聚糖在澄清姜汁時主要是正負電荷的吸附和凹土表面的吸附作用，在50 min時凹土對姜汁的吸附接近吸附平衡。綜合透光度和姜辣素含量，選取40，50和60 min作為正交試驗范圍。

2.3.3 姜汁澄清工藝的正交試驗

1) 正交試驗結果

采用正交試驗優化姜汁澄清工藝，根據透光度大小變化，對影響澄清效果的凹土-殼聚糖添加量（A）、澄清溫度（B）、澄清時間（C）3個因素進行L9(33)正交試驗，因素水平及正交試驗結果見表7和表8。

表6 澄清時間對姜汁主要成分的影響

圖5 澄清時間對姜汁澄清效果的影響

表7 因素水平表

表8 正交試驗結果分析表

由正交試驗結果可以得出影響透光度的主次因素為A＞B＞C，即凹土-殼聚糖添加量＞澄清溫度＞澄清時間，優水平為A2B2C2，但是正交試驗中的9組試驗不包含這一組合，組合試驗中第6組A2B1C2透光度最高，因此需要通過驗證試驗確定透光度的最優方案。

同理，從結果得出影響姜辣素含量的主次因素為B＞A＞C，即澄清溫度＞凹土-殼聚糖添加量＞澄清時間，優水平為A1B2C1，但是正交試驗中的9組試驗不包含這一組合，組合試驗中第2組A1B2C2姜辣素含量最高，因此也需要通過驗證試驗確定姜辣素含量的最優方案。

2) 驗證性試驗結果

分別將4個組合進行驗證性試驗，以確定姜汁澄清工藝的最優方案，試驗結果如表9所示。

由驗證性試驗結果可以看出，A1B2C2和A1B2C1的姜辣素含量雖然比較高，但是透光度較低，只有94%左右；而A2B1C2和A2B2C2的姜辣素含量雖然稍低，但是透光度達到97%以上，明顯高于另外2個組合。其中，A2B2C2透光度較高且姜辣素含量也略低于A1B2C2和A1B2C1，達到2.72 mg/g。因此，選定A2B2C2組合為生姜汁澄清的最優工藝條件，凹土-殼聚糖添加量0.3 g，澄清溫度50 ℃，澄清時間50 min。

表9 驗證性試驗結果

3) 對比試驗結果

為了進一步考察凹土-殼聚糖的澄清效果，將其與純化凹土、酸化凹土進行澄清試驗的對比。如圖6所示，純化凹土、酸化凹土及凹土-殼聚糖對姜汁都起到一定的澄清作用。姜汁經純化凹土澄清后透光度達為85.5%，經酸化凹土澄清后可達89.1%，凹土-殼聚糖的澄清效果則可達97.0%。因此，使用凹土與殼聚糖復配作為澄清劑可行，并且效果比使用單一澄清劑好。

圖6 不同澄清劑對姜汁澄清效果的比較

2.4 貯藏過程中姜汁的變化

姜辣素是生姜呈現辛辣味的主要物質，具有較強抗氧化[21]、止嘔、抑菌[22]及降低膽固醇[23]等作用。貯藏溫度和時間增加時，姜辣素含量有所降低；溫度越高，減少量愈多。

可溶性固形物可直接反映姜汁在貯藏過程中的品質變化。由表10可知，貯藏時間和貯藏溫度對姜汁可溶性固形物含量的影響均不明顯，其含量變化幅度僅在0.1%～0.2%之間。這與劉興辰等[24]研究發現一致。

多酚類化合物是一種較為活潑的化合物，其抗氧化性可對一些疾病起到預防的作用。由表10可知，貯藏過程中姜汁的總酚含量隨貯藏時間增加呈現降低趨勢，且隨著貯藏溫度升高，總酚含量降幅增加。這可能是因為在貯藏期間，姜汁中的溶解氧形成氧自由基后使酚類物質發生氧化，且酚類物質具有熱不穩定性，最終使酚類物質發生降解[25]。

蛋白質是姜汁內的極為重要營養成分，通過蛋白質的變化可以反映姜汁貯藏效果的優劣。由表10可知，在貯藏期間，隨著貯藏溫度和時間增加姜汁的蛋白質含量持續下降。這可能是因為貯藏過程中澄清姜汁中殘存的蛋白質發生團聚，形成沉淀。

表10 貯藏過程中姜汁的品質變化

3 結論

在姜汁澄清過程中，凹土-殼聚糖添加量為1 g凹土-殼聚糖/100 mL，護色劑檸檬酸最適添加量0.4%，澄清溫度50 ℃，澄清時間50 min時，所得姜汁姜辣素含量達2.72 mg/g，澄清度達97%，且姜汁的穩定性較好。將凹土-殼聚糖與純化凹土、酸化凹土進行澄清試驗的對比，凹土-殼聚糖的澄清效果最好。雖然縮短澄清時間在一定程度上能提高姜辣素含量，但并不是很明顯，且造成澄清度明顯降低。