不同澄清工藝對檸檬果汁品質影響及檸檬苦素貯存期間降解速率預測模型建立

蔣永波,汪開拓,*,代領軍,邱玲嵐,張幫奎,黎春紅,雷長毅,龔 月,皮裕琳(.重慶三峽學院生物與食品工程學院,重慶 40400;.重慶匯達生物科技股份有限公司,重慶 40660)

檸檬(Citruslimon(L.)Burm.F.)為蕓香科柑橘屬常綠小喬木植物,成熟的檸檬果實色澤鮮艷、風味濃郁、質地飽滿、果汁酸澀且出汁率高,同時富含各種水溶性維生素、礦物質、植物蛋白和不飽和脂肪酸等微量元素以及酚酸、類黃酮和苦素等功能性物質,展現出優質的食品加工特性和較高的營養價值[1]。但由于檸檬果實酸澀的味覺特征,鮮果除少部分作為鮮食外,很大部分檸檬果實需進行深加工處理[2]。非濃縮還原果汁(Not From Concentrate,NFC)是鮮榨果汁經過巴氏消毒直接灌裝而成,既能保持果實原有風味,又可將果實中各種功能性成分和營養物質最大限度保留下來,可作為鮮食產品或食品加工原料,因此在檸檬果實深加工中具有較大的應用潛力[3]。

傳統NFC橙汁加工過程中,果汁鮮榨后存在“后苦”和混濁現象,因此需進行脫苦和澄清處理以使橙汁中苦味物質(如柚皮苷和類檸檬苦素)含量降低并增加透光度,從而在味覺和視覺上滿足消費者要求[4]。從保健角度而言,檸檬苦素是一種氧化性四環三萜類(Triterpenoids)有機物,動物實驗證實該化合物具有有效降低血脂、促進腸道菌落平衡、提高神經興奮性、預防腫瘤和改善免疫力等功能,故富集和開發價值極高[5]。前期在開發檸檬NFC果汁的過程中發現,檸檬原果汁口感極為酸澀,不適宜直接飲用,但可作為沖調飲料、調味替代品或食品加工原料,故果汁開發過程中,可適量保留檸檬苦素,以增加產品的功能性。

因此,本研究主要分析較適合工業生產的四種澄清工藝(瓊脂絮凝法、酶解-吸附聯用法、酶解-絮凝聯用法和凍融細胞破碎法)對檸檬鮮榨果汁的澄清效果,并構建在不同溫度貯存下檸檬清汁中檸檬苦素降解的預測模型,從而為檸檬NFC果汁的開發和類苦素的自然降解提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

檸檬(品種為“尤力克”)NFC原果汁 由重慶市潼南區匯達檸檬科技集團有限公司飲料加工廠提供,鮮榨果汁透光度為47.7%;檸檬苦素標準品(≥95%) Sigma公司;酸性纖維素酶(10000 U/mL)、果膠酶(10000 U/mL) 食品級,山東隆科特酶制劑有限公司;瓊脂 食品級,浙江百宏食化有限公司;酸性殼聚糖 食品級,南京熙美諾生物科技有限公司;活性白土 濟南清海化工有限公司;檸檬酸、無水乙醇、硫酸銨、三氯化鐵 分析純,成都市科龍試劑廠;對二甲氨基苯甲醛 分析純,天津市大茂化學試劑廠;濃硫酸、三氯乙酸 分析純,重慶川東化工集團有限公司;咔唑 分析純,百靈威科技有限公司。

DK-98-ⅡA型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;TDL-5-A型離心機 上海安亭科學儀器廠;752型紫外可見分光光度計 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;Agilent 1100型高效液相色譜儀 美國安捷倫公司;LHS-250HC-I型恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司;超濾機 重慶佳和過濾技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 瓊脂絮凝法:初榨檸檬果汁→適量溶解的瓊脂粉→絮凝→200目尼龍網粗濾→5000 r/min離心5 min(20 ℃)

酶解-吸附聯用法:初榨檸檬果汁→一定量的果膠酶+一定量的纖維素酶(40 ℃)酶解一定時間→一定量的活性白土吸附→5000 r/min離心5 min(20 ℃)

酶解-絮凝聯用法:初榨檸檬果汁→加入一定量的果膠酶(40 ℃)酶解一定時間→殼聚糖絮凝→5000 r/min離心5 min(20 ℃)

凍融細胞破碎法:初榨檸檬果汁→一定溫度下冷凍24 h→一定溫度下解凍4 h→200目尼龍網粗濾→5000 r/min離心5 min(20 ℃)

離心后的檸檬果汁經中空纖維膜進行超濾(外徑<300 μm,內徑>100 μm)后得到檸檬清汁,再經巴氏滅菌法(68 ℃,30 min)進行滅菌處理,隨后保溫30 min再進行瓶灌(20 mL PET瓶)。

1.2.2 澄清工藝參數的優化 通過預實驗得出以下實驗因素水平,瓊脂絮凝法選取瓊脂粉用量和絮凝時間為主要因素,設計2因素3水平交互試驗(表1);酶解-吸附聯用法選取果膠酶用量、纖維素酶用量、酶解時間和活性白土用量為主要因素,設計4因素3水平正交試驗(表2);酶解-絮凝聯用法選取果膠酶用量、酶解時間、殼聚糖用量和絮凝時間為主要因素,設計4因素3水平正交試驗(表3);凍融細胞破碎法選取速凍溫度和解凍溫度為主要因素,設計2因素3水平交互試驗(表4)，以上實驗均以澄清度為指標。

表1 檸檬NFC果汁瓊脂絮凝澄清工藝交互試驗設計表Table 1 Design of interaction trials in clarification process of lemon NFC juice by agar flocculation

表2 檸檬NFC果汁酶解-吸附聯用澄清工藝正交試驗因素水平設計表Table 2 Design of factors and levels in orthogonal trials of clarification process of lemon NFC juice by combination of enzymolysis and adsorption

表3 檸檬NFC果汁酶解-絮凝聯用澄清工藝正交試驗因素水平表Table 3 Design of factors and levels in orthogonal trials of clarification process of lemon NFC juice by combination of enzymolysis and flocculation

表4 檸檬NFC果汁凍融細胞破碎澄清工藝交互試驗設計表Table 4 Design of interaction trials in clarification process of lemon NFC juice by freezing and thawing

1.2.3 檸檬清汁產品的貯藏 按1.2.1所述,經四種工藝澄清得到的檸檬清汁產品(20 mL分裝)分別置于設定為278.15 K(5 ℃)、283.15 K(10 ℃)、288.15 K(15 ℃)、293.15 K(20 ℃)、298.15 K(25 ℃)和303.15 K(30 ℃)6個梯度溫度的培養箱中貯存(70%～80%,R.H.)。其中,果汁在278.15 K(5 ℃)或283.15 K(10 ℃)溫度下貯存48 d,期間每隔6 d虹吸取樣;在288.15 K(15 ℃)或293.15 K(20 ℃)溫度下貯存32 d,期間每隔4 d虹吸取樣;在298.15 K(25 ℃)或303.15 K(30 ℃)溫度下貯存16 d,期間每隔2 d虹吸取樣,所有樣品均用于檸檬苦素含量的測定。

1.2.4 檸檬苦素含量降解預測模型 根據檸檬清汁中檸檬苦素含量在貯存期間含量變化的數據,通過苦素含量與貯存時間的多級方程擬合,得出各貯存溫度下檸檬清汁中檸檬苦素含量與貯存時間均滿足一級反應模型,預測模型可表示為方程(1):

式(1)

其中,Ct-某一溫度下某一時間下檸檬清汁中檸檬苦素含量,mg/mL;C0-檸檬清汁中檸檬苦素貯存前含量(t=0),mg/mL;k-降解速率常數,d-1;t-貯存時間,d。

進一步,方程(1)中各貯存溫度下檸檬苦素降解速率常數k值滿足Arrhenius方程,即:

式(2)

其中,A-Arrhenius因子或指前因子,min·d-1;R-通用氣體常數,8.314 J/(mol·K);T-絕對溫度,K;Ea-活化能,J/(mol·K)。

聯立方程(1)和方程(2),可得:

式(3)

方程(3)即為有關檸檬清汁貯存期間檸檬苦素含量降解的一級動力學模型。左式是檸檬苦素含量相關函數,右式與貯存時間和溫度有關。前期澄清工藝對函數的具體內容有影響,需通過試驗進行分析。檸檬苦素為檸檬清汁產品的重要功能性指標,其變化規律可利用Arrhenius方程進行預測。

1.2.5 測定指標

1.2.5.1 澄清度測定 檸檬果汁澄清度參考金麗梅等[6]方法進行測定,以果汁在625 nm 處透光度來表示。

1.2.5.2 品質測定 檸檬果汁中可溶性固形物(TSS)和可滴定酸(TA)的測定分別采用手持折光儀法和酸堿滴定法進行測定[7]。

1.2.5.3 果膠含量測定 檸檬果汁中總果膠含量的測定參考Simpson等[8]方法進行測定,略有調整。取5 mL果汁用95%(v/v)乙醇定容至20 mL并在沸水浴上加熱30 min,隨后在5000×g下離心10 min,取沉淀后加入40 mL去離子水再在50 ℃下水浴30 min并抽濾,濾液定容至50 mL測定可溶性果膠;同時,抽濾后的沉淀加入100 mL 0.5 mol/L硫酸溶液,沸水浴1 h后冷卻并定容至100 mL測定原果膠。原果膠和可溶性果膠含量加和即為總果膠含量。

1.2.5.4 抗壞血酸含量測定 取2 mL果汁加入7 mL 5%(w/v)TCA溶液充分混勻,采用鄰菲羅啉比色法[9]測定樣品中抗壞血酸含量,結果以μg/mL表示。

1.2.5.5 總酚和檸檬苦素含量含量測定 取10 mL果汁加入20 mL含0.2%(v/v)甲酸的冷丙酮,充分混勻后于12000×g下離心20 min(4 ℃),收集上清液用蒸餾水定容至50 mL備用。

總酚含量參考Flion-Ciocalteu法[10]進行測定,結果均以μg/mL表示。檸檬苦素含量的測定參照陳靜等[11]方法,使用安捷倫1100系列HPLC進行測定。相關參數:色譜柱reverse Nova-Pak C18分析柱(250×4.6 mm i.d.,10 μm),流動相為乙腈-四氫呋喃-水(體積比為17.5∶17.5∶65),流速0.5 mL/min,柱溫30 ℃,進樣量為10 μL,在207 nm的檢測波長下應用外標法定量分析提取液中檸檬苦素含量,結果以mg/mL表示。

1.3 數據處理

以上各指標均重復測定3次,整個實驗重復2次。數據均以平均值±標準誤差(means±SE)表示,用Origin 8.5軟件作圖。運用SAS 8.2軟件對數據進行處理,使用Duncan多重比較法分析差異顯著性(5%水平)。

2 結果與分析

2.1 檸檬原果汁瓊脂絮凝澄清工藝的優化

檸檬果實榨汁后細胞壁碎片和析出的多糖、脂肪和蛋白質類成分會使果汁懸浮物含量上升,造成果汁色澤黯淡和粘度上升。瓊脂屬于有機大分子類物質,在果汁中適量添加具有絮凝沉淀不溶物,提高澄清度的作用[12]。由交互試驗表5可知,當絮凝時間大于55 h且瓊脂添加量超過0.2%時,檸檬果汁的澄清度無明顯增加。因此,為兼顧澄清汁透光度的工藝需要以及降低操作流程的物料成本,選擇當瓊脂粉添加量為0.2%,絮凝時間55 h時,作為檸檬鮮榨果汁瓊脂絮凝澄清工藝的最優參數。

表5 檸檬原果汁瓊脂絮凝澄清工藝交互試驗結果Table 5 Results of interaction trials in clarification process of lemon raw juice by agar flocculation

2.2 檸檬原果汁酶解-吸附聯用澄清工藝的優化

果膠酶和纖維素酶是果汁澄清操作中常用的水解酶,兩者可特異性水解植物細胞壁中的果膠和纖維素[13];活性白土又名漂白土,是安全性較高的高效吸附劑,特別適用于吸附油溶性色素和雜質,而且活性白土可重復使用,材料成本較低[14]。表6為檸檬鮮榨果汁酶解-吸附聯用澄清工藝的正交試驗結果。由各因素不同水平間的極差R值可知,活性白土添加量對檸檬原果汁的澄清效果影響最大,其次為果膠酶和酶解時間。各因素最優水平組合為A3B3C2D3:即果膠酶添加量為0.3%、纖維素酶添加量為0.15%、酶解時間2 h、活性白土添加量為4%。

表6 檸檬原果汁酶解-吸附聯用澄清工藝正交試驗結果表Table 6 Results of orthogonal trials in clarification process of lemon raw juice by combination of enzymolysis and adsorption

2.3 檸檬原果汁酶解-絮凝聯用澄清工藝的優化

殼聚糖為綠色的大分子多糖,其游離氨基易在水溶液中形成陽離子聚合體,可特異性吸附色素并且能通過鰲合作用清除金屬離子,因此在果汁澄清操作中具有良好的應用潛力[15]。從表7中極差R值可知酶解-絮凝聯用工藝對檸檬原果汁澄清效果的影響大小,殼聚糖添加量(C)>果膠酶添加量(A)>絮凝時間(D)>酶解時間(B);且各因素最優水平組合為A2B3C3D3。

表7 檸檬原果汁酶解-絮凝聯用澄清工藝正交試驗結果表Table 7 Results of orthogonal trials in clarification process of lemon raw juice by combination of enzymolysis and flocculation

2.4 檸檬原果汁細胞凍融破碎澄清工藝的優化

凍融是物理性的細胞破碎法,其主要通過反復凍融操作使細胞內冰晶的形成及胞內外溶劑濃度的突然改變而破壞細胞[16]。在本試驗中,當速凍溫度越低,檸檬果汁的澄清度越高;解凍溫度對果汁澄清度的影響不顯著(P>0.05)。因此,速凍溫度為-30 ℃,解凍溫度為10 ℃可作為細胞凍融破碎法的最佳工藝(見表8)。

表8 檸檬原果汁細胞凍融破碎澄清工藝交互實驗Table 8 Results of interaction trials in clarification process of lemon raw juice by freezing and thawing

2.5 四種澄清工藝對檸檬原果汁品質的影響

檸檬原果汁經上述四種澄清工藝處理后的品質參數如表9所示,其中各工藝中參數均為上述優化的最優工藝,結果顯示,四種澄清處理均可顯著降低檸檬原果汁中果膠含量,提高透光度,其中酶解-吸附聯用和酶解-絮凝聯用的澄清效果較瓊脂絮凝法和細胞凍融破碎法更為顯著(P<0.05)。澄清操作對檸檬果汁中可滴定酸、抗壞血酸和檸檬苦素含量無顯著(P>0.05)影響,但卻降低了果汁中可溶性固形物和總酚含量。因此,酶解-絮凝聯用和酶解-吸附聯用對檸檬原果汁可起到較好澄清效果,其中酶解-吸附聯用效果更優。

表9 四種澄清工藝對檸檬果汁品質的影響Table 9 Effects of four clarification processes on quality of lemon juice

2.6 檸檬清汁在不同溫度貯存下檸檬苦素含量的變化

檸檬原果汁以及經瓊脂絮凝法、酶解-吸附聯用、酶解-絮凝聯用或細胞凍融破碎法等澄清工藝制備的檸檬清汁中的檸檬苦素含量隨貯存時間的延長均呈現逐漸降低趨勢,說明檸檬苦素存在明顯的自然降解現象(圖1～圖5)。

圖1 檸檬原果汁中檸檬苦素在不同溫度貯存期間的含量變化Fig.1 Changes of limonoids contents in the lemon raw juice during the storage under different temperatures

圖2 經瓊脂絮凝法澄清的檸檬清汁中檸檬苦素在不同溫度貯存期間的含量變化Fig.2 Changes of limonoids content in the lemon juice clarified by agar flocculation during the storage under different temperatures

圖3 經酶解-吸附聯用法澄清的檸檬清汁中檸檬苦素在不同溫度貯存期間的含量變化Fig.3 Changes of limonoids content in the lemon juice clarified by combination of enzymolysis and adsorption during the storage under different temperatures

圖4 經酶解-絮凝聯用法澄清的檸檬清汁中檸檬苦素在不同溫度貯存期間的含量變化Fig.4 Changes of limonoids content in the lemon juice clarified by combination of enzymolysis and flocculation during the storage under different temperatures

圖5 經凍融細胞破碎法澄清的檸檬清汁中檸檬苦素在不同溫度貯存期間的含量變化Fig.5 Changes of limonoids content in lemon juice clarified by freezing and thawing during the storage under different temperatures

表10 檸檬清汁中檸檬苦素降解速率常數(k)和活化能(Ea)及模型驗證Table 10 Degradation rate constant and activation energy of limonin in clarified lemon juice and model verification

3 討論

果實經過壓榨可得到原果汁,但在加工過程中會產生碎裂的果肉、果皮以及籽粒,并且由于果實細胞破碎會釋放出多糖(淀粉或糊精)、蛋白質、果膠和(半)纖維素等大分子物質,這些雜質溶入果汁形成難去除的膠體物質,從而造成果汁顏色黯淡、混濁,嚴重降低鮮榨果汁的市場接受度[17]。在原果汁中加入多糖類(如殼聚糖、瓊脂和羧甲基纖維素鈉等)、蛋白類(如明膠、白蛋白和酪蛋白等)、吸附劑(如白土和活性炭)或水解酶(如果膠酶、淀粉酶和纖維素酶)等澄清劑或采用膜過濾和凍融等物理方法可有效降低果汁中的懸浮物含量并提高透光度[18]。饒炎炎等分析了殼聚糖、明膠、聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)、果膠酶和皂土五種材料對樹莓汁澄清效果,發現五種澄清劑均具有較好的澄清效果[19];在物理方法方面,采用超濾膜或聚偏二氟乙烯膜(PVDF)可過濾掉鮮榨楊梅汁[20]和石榴汁[21]中的蛋白和多糖類不溶物,提高果汁澄清度。低溫凍融方法也可顯著降低蠶砂提取液中可溶性蛋白和多糖含量,提高提取液澄清度[22]。但單一澄清工藝同時也存在效率不高的缺點,采用多種工藝聯用可更有效提高果汁澄清效果。本研究使用瓊脂絮凝法、酶解-吸附聯用、酶解-絮凝聯用和細胞凍融破碎等四種澄清方法對檸檬NFC原果汁進行處理,均可得到檸檬清汁產品,透光度較原果汁顯著(P<0.05)增加;酶解-吸附聯用法處理的澄清效果要顯著(P<0.05)優于其他三種方法,但此方法也造成檸檬清汁中可溶性固形物和總酚含量的顯著(P<0.05)降低。這說明,酶解-吸附聯用法在提高檸檬NFC原果汁澄清度的同時,也存在造成果汁感官品質及功能性物質損失的可能性。這主要是由于檸檬果汁呈酸性,殼聚糖和瓊脂等多糖類澄清劑在此環境中帶正電荷,從而能夠特異性吸附果汁中果膠、鞣質和纖維素組成的帶負電的膠體物質,不容易破壞釋放游離氫后帶正電的酚類以及含檸檬苦素類物質[15];而活性白土比表面積大且具有陽離子交換性,因此對帶正電大分子有機化合物具有較強清除能力,易造成酚類含量的下降[23]。與本研究結果相類似,使用蛋白類澄清劑處理石榴汁后,果汁中酚酸和花色苷含量以及抗氧化活性明顯下降[24]。因此,在果汁澄清操作中,澄清劑的選擇需考慮果汁澄清與功能性物質維持的關系。

檸檬苦素為高含氧的三萜類化合物,保健功能較強;同時,檸檬苦素也是鮮榨橙汁類產品中的主要呈苦物質,在加工過程中需去除操作以改善口感[25]。但檸檬果實由于自身極為酸澀的感官特性,其NFC果汁主要定位為調味代替品或其他飲料原料,因此期望在產品中保留一定的檸檬苦素含量以提升產品營養價值。本研究利用動力學方程來預測檸檬清汁中檸檬苦素含量在貯存期間的含量變化。結果顯示,檸檬果汁或清汁在不同溫度貯存期間(278.15～303.15 K),檸檬苦素含量與貯存時間符合一級動力學方程。澄清處理未對檸檬果汁中檸檬苦素含量造成明顯影響,但經澄清處理的檸檬清汁中檸檬苦素含量的k值顯著高于檸檬鮮榨原汁,且經Arrhenius方程計算得到的清汁中檸檬苦素Ea也明顯低于原汁水平,說明澄清處理對后續檸檬清汁在貯存期間的檸檬苦素具有一定破壞作用。這其中,經酶解-吸附聯用法澄清得到的檸檬清汁中檸檬苦素在貯存期間Ea顯著(P<0.05)低于經瓊脂絮凝法、酶解-絮凝聯用和細胞凍融破壞處理的產品,表明檸檬NFC原果汁經酶解-吸附聯用法澄清得到的檸檬清汁在貯存期間檸檬苦素降解所需能級較小,降解速率快,不利于其含量的維持。這可能與活性白土非特異性選擇吸附性有關,但相關機理仍待進一步研究。

4 結論

瓊脂絮凝法、酶解-吸附聯用、酶解-絮凝聯用和細胞凍融破碎等四種澄清方法均可明顯改善檸檬原果汁的透光度,具有明顯的澄清效果;綜合考慮其各工藝澄清效果及果汁澄清后的品質,酶解-吸附聯用法處理的澄清效果要明顯優于其他三種方法。

檸檬果汁瓊脂絮凝澄清法的最優參數為瓊脂粉添加量0.2%,絮凝時間為55 h;酶解-吸附聯用工藝最優參數為果膠酶用量0.3%,纖維素酶用量0.15%,酶解時間2 h,活性白土用量為4%;酶解-絮凝聯用最優工藝產生為果膠酶用量為0.2%,酶解時間4 h,殼聚糖用量0.12%,絮凝時間2.5 h;凍融細胞破碎法最優參數為冷凍溫度-30 ℃,解凍溫度10 ℃。

經瓊脂絮凝法、酶解-吸附聯用、酶解-絮凝聯用和細胞凍融破碎等四種澄清方法處理的檸檬清汁在貯存過程中,檸檬苦素降解速度明顯加快,不利于其含量的維持。