60Co-γ輻照辣椒紅油護色工藝的優化

汪菡月，陳謙，謝珂，唐藝文，黃敏，王丹，陳浩*

(1.西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621002；2.四川省原子能研究院，成都 610101；3.輻照保藏四川省重點實驗室，成都 610101)

辣椒紅油(chili oil)，俗稱辣椒油、紅油，是一種調料，一般將辣椒和各種配料混合，然后與熱油混合制得[1-2]。因其味型香辣，廣受我國關中地區、西南地區人們的歡迎，更是川菜中不可缺少的一味調料，如蘭州的牛肉面和四川的夫妻肺片、紅油兔丁都會用到辣椒油。近年來，中國休閑食品發展迅速，市場規模逐年提升[3]，預計2020年中國休閑食品市場總份額將達到1482億元。其中辣味休閑食品已經成為所有休閑食品上市的主流口味，所以辣椒紅油在休閑食品中的應用也相當廣泛，目前，辣椒紅油休閑食品的市場規模以每年30%的速度遞增，發展潛力巨大。

目前高溫殺菌法是食品企業常用的殺菌方法，但是過高的溫度會改變食品的色澤、口感等，導致產品的品質變差，市場接受度降低[4-5]。輻照殺菌技術是指利用X射線、60Co或137Cs衰變所釋放的γ射線、電子加速器所產生的電子束等電離輻射，與食品發生物理、化學或生物學效應，達到殺滅食品中有害微生物的目的[6-7]。與傳統殺菌方法相比，輻照殺菌是一種“冷殺菌”，可以最大程度地保證食品原有的風味[8]。FAO/IAEA/WHO聯合專家委員會在1980年曾經宣布“任何食物受到10 kGy以下照射量的輻照，都不會因輻照引起毒性危害”[9]。目前已有50多個國家批準可進行輻照處理的食品有200多種，已有38個國家對食品輻照進行了商業化應用。因此，將輻照處理技術應用在紅油休閑食品的保藏加工中，是該行業未來發展的趨勢之一，市場應用前景巨大。

前期研究發現，辣椒紅油休閑食品經過輻照殺菌后會出現“褪色”現象，影響產品的市場接受度，與崔文甲等的研究結果相符[10]。這種“褪色”現象嚴重制約了輻照殺菌技術在辣椒紅油休閑食品產業中的應用。陳菁等研究發現，加入抗氧化劑能有效提高辣椒紅素的穩定性[11]。因此，本研究選擇了幾種對輻照辣椒紅油有護色作用的天然抗氧化劑，通過響應面試驗，獲得輻照辣椒紅油護色的最優工藝參數，避免含辣椒紅油的休閑食品輻照后出現褪色現象，為推進輻照殺菌技術在辣椒紅油休閑食品保藏中的應用提供了理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

干紅辣椒：產地四川省廣元市，購于京東超市；5 L桶裝菜籽油：產地四川省德陽市，購于京東超市；番茄紅素粉末(有效成分含量10%)：曲阜市圣嘉德生物科技有限公司；竹葉黃酮粉末(有效成分含量24%)、玉米黃質油劑(有效成分含量10%)：信陽市沐凡生物科技有限公司；β-胡蘿卜素粉末(有效成分含量10%)：西安瑞林生物科技有限公司；蝦青素油劑(有效成分含量5%)：湖北雅仕達生物技術有限公司。

丙酮(分析純)：成都科隆化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

Eppendorf 5415R小型高速冷凍離心機 德國Eppendorf股份公司；BSA224S-CW型電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；UV-1700型分光光度計 日本島津公司；TH-02-260型電熱恒溫鼓風干燥箱 成都易華天宇試驗設備有限責任公司；粉碎攪拌機 廣東小熊電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 辣椒油的制備

二荊條干辣椒剪成段，去籽，40 ℃烘干4 h后打粉備用；菜籽油與辣椒粉質量比為5∶1，將菜籽油加熱至130～145 ℃后，與辣椒粉混合，避光，晾涼至室溫后，用雙層紗布過濾，制得辣椒紅油，備用。

1.3.2 輻照處理

輻照處理在四川省原子能研究院輻照工程中心進行，使用200萬居里全自動60Co-γ輻照裝置對樣品進行輻照，源強約為3.33×1016Bq，輻照源劑量率為35 Gy/min，以重鉻酸銀劑量計測定樣品的實際吸收劑量。

1.3.3 吸光度的測定

樣品輻照處理后，取1 mL樣品于離心管中，8000 r/min離心20 min，然后稱取一定量的上清液，用丙酮(分析純)定容于10.0 mL容量瓶中，用分光光度計在460 nm波長處，以丙酮作為參比樣，于1 cm玻璃比色皿中測定其吸光度，被測樣品吸光度控制在0.3～0.7[12]。

1.3.4 結果計算

式中：A為實測試樣溶液的吸光度；f為稀釋倍數；m為試樣質量(g)；100為換算系數。

1.3.5 單因素試驗設計

根據預試驗結果選擇番茄紅素、蝦青素、玉米黃質、β-胡蘿卜素和竹葉黃酮5種添加劑對輻照后辣椒紅油的護色效果進行單因素試驗。添加劑添加量(以辣椒紅油質量計)分別為：番茄紅素0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 g/kg(以有效成分含量計，下同)；蝦青素0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 g/kg；玉米黃質0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g/kg；β-胡蘿卜素0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 g/kg；竹葉黃酮0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g/kg。

1.3.6 Plackett-Burman(PB)設計

根據單因素試驗結果，發現番茄紅素、蝦青素、玉米黃質、β-胡蘿卜素4種添加劑對輻照后辣椒紅油的護色效果較明顯，因此選擇這4種添加劑進行PB試驗。利用Design Expert 10.0.1軟件設計PB試驗，選用試驗次數N=12的設計組合對這4個因素進行分析，另設置7個虛擬變量用于估計誤差，響應值為6 kGy劑量輻照后測定辣椒油的吸光度。每個因素設置高、低兩個水平(見表1)。所有試驗重復3次，取平均值。

表1 PB設計各因素水平Table 1 The factors and levels of Plackett-Burman design

1.3.7 最陡爬坡試驗設計

響應面法優化必須在最優點的附近區域模擬真實情形，為獲得最佳護色劑用量范圍，采用最陡爬坡試驗對影響結果顯著因素進行逼近。根據PB試驗結果，選擇對辣椒紅油有顯著護色作用的護色劑及用量，根據這些因素效應大小及變化方向進行最陡爬坡試驗，由此接近最大響應值的區域，所有試驗重復3次，結果為6 kGy劑量下輻照后辣椒紅油的吸光值，以平均值±標準誤差表示。

1.3.8 響應面試驗設計

根據上述試驗結果，采用Box-Behnken Design組合設計，選取護色效果最明顯的3種護色劑以及效果最明顯的3個添加量，進行響應面試驗。響應面因素水平編碼表見表2。

表2 響應面因素與水平表Table 2 The factors and levels of response surface design

1.4 數據處理

采用SPSS Statistics 17.0對數據進行顯著性分析，應用Microsoft Excel 2010對數據進行整理、作圖，并用Design Expert 10.0.1軟件對PB試驗及響應面試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同添加量番茄紅素對輻照后辣椒紅油的護色效果

圖1 不同添加量番茄紅素對輻照后辣椒紅油的護色效果Fig.1 Color protection effect of lycopene with different additive amount on chili oil after irradiation

由圖1可知，在不同輻照劑量下，隨著番茄紅素濃度的升高，輻照后辣椒紅油的吸光度越高。未輻照時，添加0.01，0.04，0.05 g/kg番茄紅素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在3 kGy輻照劑量下，添加番茄紅素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在5 kGy輻照劑量下，添加0.02，在0.03 g/kg番茄紅素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在8 kGy輻照劑量下，添加0.03 g/kg番茄紅素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)。番茄紅素是一種類胡蘿卜素，在番茄中含量最多，具有著色性和抗氧化性[13]，對光極其敏感，尤其是日光和紫外光[14]。因此射線也會降低其穩定性，使其抗氧化性減弱。

2.1.2 不同添加量蝦青素對輻照后辣椒紅油的護色效果

圖2 不同添加量蝦青素對輻照后辣椒紅油的護色效果Fig.2 Color protection effects of astaxanthin with different additive amount on chili oil after irradiation

由圖2可知，在不同輻照劑量下，蝦青素對輻照后辣椒紅油有很明顯的護色效果，并且隨著蝦青素添加量的增加，護色效果越明顯。未輻照時，添加0.03，0.04，0.05 g/kg蝦青素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在3 kGy輻照劑量下，添加0.03，0.04 g/kg的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在5 kGy和8 kGy輻照劑量下，添加0.03，0.04，0.05 g/kg蝦青素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)。蝦青素有極強的抗氧化性，對人體也有一定的保健作用，這可能是蝦青素在高劑量輻照下也可以對辣椒紅油有較明顯護色效果的原因。

2.1.3 不同添加量β-胡蘿卜素對輻照后辣椒紅油的護色效果

圖3 不同添加量β-胡蘿卜素對輻照后辣椒紅油的護色效果

由圖3可知，未輻照、3 kGy和5 kGy輻照劑量下，添加β-胡蘿卜素的辣椒紅油與對照組相比，吸光度沒有顯著變高；在8 kGy輻照劑量下，添加0.6 g/kg β-胡蘿卜素的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)。在β-胡蘿卜素作為一種天然抗氧化劑，深受人們的喜愛，在保健品中應用很廣泛。但是光照條件下，β-胡蘿卜素也很不穩定，研究發現，在紫外光照射下，β-胡蘿卜素分解率很高，甚至超過了番茄紅素[15]，這是β-胡蘿卜素對辣椒紅油護色效果不明顯的原因。

2.1.4 不同添加量玉米黃質對輻照后辣椒紅油的護色效果

圖4 不同添加量玉米黃質對輻照后辣椒紅油的護色效果Fig.4 Color protection effect of f zeaxanthin with different additive amount on chili oil after irradiation

由圖4可知，未輻照時，添加0.4 g/kg玉米黃質的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在3 kGy和8 kGy輻照劑量下，添加玉米黃質的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；在5 kGy輻照劑量下，添加0.3，0.4，0.5 g/kg玉米黃質的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)。玉米黃質有延緩衰老的功效，見光易分解，所以射線也有可能會造成玉米黃質的分解。

2.1.5 不同添加量竹葉黃酮對輻照后辣椒紅油的護色效果

圖5 不同添加量竹葉黃酮對輻照后辣椒紅油的護色效果Fig.5 Color protection effect of bamboo flavone with different additive amount on chili oil after irradiation

由圖5可知，在3 kGy輻照劑量下，添加竹葉黃酮的辣椒紅油吸光度顯著高于對照組(P<0.05)；而未輻照、5 kGy、8 kGy輻照劑量下，不同添加量的竹葉黃酮對辣椒紅油的護色效果都不顯著。竹葉黃酮也具有很強的抗氧化性，但是研究發現，竹葉黃酮在光照條件下，自由基清除率明顯下降，因此射線極有可能降低竹葉黃酮的抗氧化性，使其對辣椒紅油沒有護色效果。

2.2 Plackett-Burman(PB)試驗

采用PB試驗設計可以直觀地看出不同的護色劑對輻照后辣椒紅油的護色效果，方便進一步研究。利用Design Expert 10.0.1軟件對結果進行回歸分析，試驗結果見表3，回歸分析結果見表4。

表3 N=12的PB設計及結果Table 3 Plackett-Burman design and results of N=12

表4 PB試驗結果回歸分析Table 4 Regression analysis of Plackett-Burman experimental results

由表4可知，此回歸模型的主效應P值為0.0032，表明PB試驗設計因素在所選取的水平范圍內對輻照后辣椒紅油的護色作用顯著，同時決定系數為0.9993，調整決定系數為0.9961，說明回歸模型設計可靠。另外，由表4還可知，這4種護色劑對辣椒紅油的護色作用由高到低依次為蝦青素>玉米黃質>番茄紅素>β-胡蘿卜素，其相關性可用方程表示：

R=2.278+3.783A+12B-0.149C+0.645D+0.051E+0.04F+0.039H-0.058K-0.04433L。其中，番茄紅素、蝦青素、玉米黃質對輻照后辣椒紅油的護色效果為正效應，而β-胡蘿卜素為負效應。

2.3 最陡爬坡試驗

根據PB試驗的結果，4種護色劑對輻照后辣椒紅油的護色效果都比較顯著，根據此結果設計最陡爬坡試驗，試驗設計及結果見表5。

表5 最陡爬坡試驗設計及結果Table 5 The steepest climbing test design and results

由表5可知，隨著試驗序號的增加，護色劑對輻照后辣椒紅油的護色效果呈上升趨勢，且試驗6的復合護色劑對輻照后辣椒紅油的護色效果最優?？紤]到GB 2760-2014中規定的食品添加劑添加量和護色劑使用成本等問題，選擇第5組試驗的條件作為響應面優化的中心點，并設定第4，6組試驗條件為邊界條件，進行下一步的響應面優化試驗。

2.4 響應面優化試驗

為進一步確定輻照后辣椒紅油的最優護色劑組成和用量，將β-胡蘿卜素的濃度固定在0.3 g/kg，以番茄紅素、蝦青素、玉米黃質的濃度為變量，添加護色劑在6 kGy劑量下輻照后辣椒紅油的吸光度為響應值，進行Box-Behnken響應面優化，結果見表6。

表6 BBD試驗設計及結果Table 6 Box-Behnken design and results

采用Design Expert 10.0.1軟件對表6中試驗數據進行二次多元回歸擬合，獲得變量(番茄紅素添加量X1，蝦青素添加量X2，玉米黃質添加量X3)與響應值辣椒油吸光度(Y)之間的回歸模型方程：

Y=7.77+269.375X1+369.912X2-87.604X3-2907.5X1X2-4.5X1X3-403X2X3-1486.5X12-274X22+134.64X32。

表7 回歸模型方差分析Table 7 Analysis of variance of regression model

對該回歸模型進行方差分析，由表7可知，模型的P為0.0002，而失擬項不顯著(P=0.0552)，說明該模型顯著，擬合度良好，表明試驗值與預測值之間一致性好。響應值Y的R2為0.9688，調整決定系數(RAdj2)為0.9287，說明回歸模型能在92.87%的概率上解釋此試驗結果，有7.13%的變異不能由該模型解釋。因此，該回歸模型擬合程度較高，誤差較小，能分析和預測護色劑對輻照后辣椒紅油的護色效果。

另外，一次項X1、X2和二次項X32對辣椒紅油吸光度影響表現出極顯著水平，X12表現出顯著水平。交互項X1X2、X2X3對辣椒紅油吸光度影響表現為極顯著水平。且根據顯著性與F值大小可知，對輻照后辣椒紅油護色效果從高到低為蝦青素(X2)>番茄紅素(X1)>玉米黃質(X3)。

為了反映各因素及其交互作用對輻照后辣椒紅油吸光值的影響，對回歸方程繪制三維響應面圖，見圖6。

圖6 各因素交互作用對輻照后辣椒紅油吸光度影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface diagrams and contour plots of the influence of the interaction of various factors on the absorbance of chili oil after irradiation

由圖6可知，蝦青素的護色作用最為明顯，隨著蝦青素的增加，辣椒油顏色越深；其次是番茄紅素，隨著番茄紅素濃度的增加，辣椒油顏色越深，但是當番茄紅素濃度增加到0.05 g/kg時，辣椒油顏色不再增加；玉米黃質的護色效果隨著濃度的增加呈現先減少后增加的趨勢，考慮到使用成本，綜合模型預測及實際成本，辣椒紅油最佳的護色工藝為番茄紅素0.05 g/kg，蝦青素0.06 g/kg，玉米黃質0.35 g/kg，β-胡蘿卜素0.3 g/kg。

2.5 最優護色工藝的確定及驗證

3 結論

通過單因素試驗、PB試驗、最陡爬坡試驗以及響應面試驗，得出在番茄紅素有效成分濃度0.05 g/kg，蝦青素有效成分濃度0.06 g/kg，玉米黃質有效成分濃度0.35 g/kg，β-胡蘿卜素有效成分濃度0.3 g/kg時，辣椒紅油在6 kGy的劑量輻照后的吸光度最高。該試驗結果表明，加入一定量具有抗氧化性的食品添加劑可以在一定程度上減少輻照后辣椒紅油的褪色現象，有利于推進輻照殺菌技術在辣椒紅油食品中的應用。