響應面法優化余甘子汁澄清工藝研究

孟曉,金劉翠,冉然,張穎,蔣麗施,景林

(1.成都中醫藥大學 公共衛生學院,成都 611137;2.成都紡織高等專科學校輕工與材料學院,成都 611731)

余甘子(PhyllanthusemblicaL.)俗稱油甘子、印度醋栗,是大戟科植物的干燥成熟果實[1-3]。余甘子營養豐富,含有鈣、維生素C、礦物質等成分[4]。現代研究表明,余甘子具有保肝、抗糖尿病、 抗氧化、抗衰老等作用[5-8]。

目前,余甘子主要被加工成飲料、蜜餞、糖果等產品[9]。而較常見的加工方式是將余甘子榨汁,但在果汁的貯藏過程中,由于部分懸浮物和大分子物質的存在,果汁體系的穩定性較差,極易出現沉淀[10-11]。針對這一問題,目前已經存在多種提高果汁飲料穩定性的方法,例如超濾膜過濾法、澄清劑吸附法、添加穩定劑等[12]。超濾膜過濾法所需條件較苛刻,且操作繁瑣;從劉盈盈等[13]的研究結果來看,使用澄清劑明膠處理余甘子果汁,果汁中的維生素C含量損失較大;向果汁中添加穩定劑,既可以有效地澄清果汁,又不會影響果汁成分及性質,還能改善口感,且操作簡單、成本低[14]。李俊等[15]利用穩定劑處理茶飲料,明顯提高了飲料的透光率,得到的飲料澄清透明、口感純正、風味獨特。綜上所述,對比其他提高產品穩定性的方法,向產品中添加穩定劑更加快捷簡便,且成本低、效果好。復合穩定劑一般比單一穩定劑的效果好,但穩定劑本身易受溫度、pH等因素的影響。由于余甘子汁本身呈酸性,本研究采用具有耐酸堿性質的果膠、黃原膠復合處理余甘子汁,并進一步探究溫度對穩定劑的影響,研究結果發現,在一定溫度下經果膠-黃原膠復合穩定劑處理過的余甘子汁澄清透明,儲存期間不易產生沉淀。

本研究以余甘子原汁作為研究原料,在單因素試驗的基礎上選擇響應曲面設計方法(response surface methodology,RSM)中的Box-Behnken設計法[16-17],以透光率為評價指標,研究復合穩定劑添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度4個因素對余甘子汁透光率的影響,以確定對余甘子濃縮汁二次沉淀的改良作用的最佳工藝條件,為工藝生產提供理論支撐和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃原膠(食用級):鄂爾多斯市中軒生化股份有限公司;果膠(食用級):新疆阜豐生物科技有限公司;余甘子:市售成熟果實。

1.2 儀器與設備

可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司;HH-6數顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司;ESJ200-4B萬分之一電子天平 沈陽龍騰電子有限公司;TDL-6A離心機 上海菲恰爾分析儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

余甘子新鮮果實→清洗→破碎→榨汁→粗濾(留濾液)→添加復合穩定劑處理→離心(留上清液作為待測樣品)。

1.3.2 單因素試驗設計

以余甘子原汁為研究對象,以透光率為評價指標,研究不同復合穩定劑添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度對余甘子汁澄清效果的影響,以確定對余甘子汁的最佳澄清工藝條件。

1.3.2.1 最佳復合穩定劑添加量的確定

取50 g余甘子原汁若干份,在復合穩定劑質量比為1∶3的條件下,改變復配穩定劑添加量為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%,于35 ℃溫度下反應30 min后,經4 000 r/min離心10 min,測其透光率。

1.3.2.2 最佳復合穩定劑質量比的確定

取50 g余甘子原汁若干份,在復合穩定劑添加量為0.02%的條件下,改變復合穩定劑質量比為1∶4、1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1,于35 ℃溫度下反應30 min后,經4 000 r/min離心10 min,測其透光率。

1.3.2.3 最佳澄清時間的確定

取50 g余甘子原汁若干份,在復合穩定劑添加量為0.02%、復合穩定劑質量比為1∶3、反應溫度為35 ℃的條件下,改變澄清時間為10,30,50,70,90 min,經4 000 r/min離心10 min,測其透光率。

1.3.2.4 最佳澄清溫度的確定

取50 g余甘子原汁若干份,在復合穩定劑添加量為0.02%、復合穩定劑質量比為1∶3、反應時間為30 min的條件下,改變澄清溫度為5,15,25,35,45,55 ℃,經4 000 r/min離心10 min,測其透光率。

1.3.3 響應面優化試驗

根據單因素試驗結果,以 Box-Behnken 中心組合設計原理,以復合穩定劑添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度為變量,以透光率為響應值, 設計四因素三水平響應面試驗, 試驗因素水平編碼見表1。

表1 響應面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.4 指標測定方法

1.4.1 透光率的測定

將處理好的余甘子汁在可見光的波長范圍(380～780 nm)內測定透光率,當波長達到 760 nm時,余甘子汁顯示最大透光率,故選擇760 nm為最適測定波長[18]。

1.4.2 數據處理

采用SPSS Statistics 26中的鄧肯分析進行統計學分析,P<0.05表示有統計學顯著性差異,采用Origin 2019和Prism 8.0繪圖,采用Design Expert 10統計軟件進行響應面優化分析,結果用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 復合穩定劑添加量對余甘子汁透光率的影響

復合穩定劑添加量對余甘子汁透光率的影響見圖1。

圖1 復合穩定劑添加量對余甘子汁透光率的影響Fig.1 Effect of compound stabilizer addition amount on the transmittance of Phyllanthus emblica L. juice注:不同小寫字母表示數據間有顯著性差異(P<0.05);相同小寫字母表示數據間無顯著性差異(P>0.05),下圖同。

由圖1可知,隨著果膠與黃原膠的復合添加量增加,透光率呈現先升高后降低的趨勢,在添加量為0.02%時,透光率達到最大值,為39.75%。當復配穩定劑添加量過多時,會出現凝結成膠的現象,導致溶液的黏度增大,流動性減小,阻礙了顆粒物質的沉淀,這可能是導致透光率逐漸減小的原因[19]。上述結果表明,果膠與黃原膠復合穩定劑的最佳添加量為0.02%。

2.1.2 復合穩定劑質量比對余甘子汁透光率的影響

復合穩定劑質量比對余甘子汁透光率的影響見圖2。

圖2 復合穩定劑質量比對余甘子汁透光率的影響Fig.2 Effect of mass ratio of compound stabilizer on the transmittance of Phyllanthus emblica L. juice

由圖2可知,當果膠-黃原膠復合穩定劑質量比為1∶3時,余甘子汁的透光率最高,為43.1%。隨著復合穩定劑質量比的不斷增加,除復合穩定劑質量比為2∶1時有所升高以外,其余條件下余甘子汁的透光率無顯著性變化。黃原膠具有低濃度、高黏度的特性,而果膠溶液的黏度較低,澄清效果較弱,復合使用時對黃原膠的影響較小。上述結果表明,果膠-黃原膠復合穩定劑的最佳質量比為1∶3。

2.1.3 澄清時間對余甘子汁透光率的影響

澄清時間對余甘子汁透光率的影響見圖3。

圖3 澄清時間對余甘子汁透光率的影響Fig.3 Effect of clarification time on the transmittance of Phyllanthus emblica L. juice

由圖3可知,當澄清時間為30 min時,余甘子汁的透光率最高,為39.8%。隨著澄清時間繼續增加,余甘子汁的透光率逐漸減小。這可能是因為隨著時間的延長,復合穩定劑與余甘子汁充分融合,形成均勻的黏稠體,使溶液中的顆粒上浮,從而使透光率逐漸降低。上述結果表明,最佳澄清時間為30 min。

2.1.4 澄清溫度對余甘子汁透光率的影響

澄清溫度對余甘子汁透光率的影響見圖4。

圖4 澄清溫度對余甘子汁透光率的影響Fig.4 Effect of clarification temperature on the transmittance of Phyllanthus emblica L. juice

由圖4可知,隨著溫度的升高,余甘子汁的透光率呈現先上升后下降的趨勢,當溫度達到35 ℃時,余甘子汁的透光率最高,為39.95%。低溫條件下,果膠容易產生膠凝作用,故效果較弱。隨著溫度逐漸升高,余甘子汁的流動性逐漸增大,導致顆粒物質上浮,這可能是導致透光率逐漸下降的原因。上述結果表明,最佳澄清溫度為35 ℃。

2.2 響應面法優化試驗設計及結果分析

2.2.1 響應面試驗結果與方差分析

應用Design Expert 10對試驗結果進行多元回歸分析,結果見表2。

表2 復合穩定劑處理余甘子汁的響應面試驗設計與結果Table 2 Response surface test design and results of compound stabilizer treatment of Phyllanthus emblica L. juice

對表2中試驗數據進行回歸分析,得到余甘子汁透光率與復合穩定劑添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度的二次回歸方程模型:透光率(%)=38.34-2.88A+0.27B-1.27C-3.33D+2.10AB-1.20AC-0.93AD+1.65BC-0.28BD+0.68CD-2.73A2-0.85B2-0.80C2-0.80D2。

對余甘子汁透光率回歸模型進行方差分析,結果見表3。

表3 余甘子汁透光率回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model of transmittance of Phyllanthus emblica L. juice

由表3可知,回歸模型顯著性檢驗P<0.000 1,說明兩者二次多元回歸模型極顯著。回歸模型失擬項的P=0.615 2>0.05,不顯著,可以認為所選回歸模型與實際試驗擬合性充分模型失擬不顯著,說明該模型是有效的。相關系數R2=0.975 7,說明該模型的擬合程度很好,誤差小,試驗條件的選擇適宜。同時,離散系數C.V.表示試驗的精確度,C.V.值越小,試驗的可靠性越高,本試驗的C.V.值為2.15%。綜合上述指標表明,該模型可應用于實際生產。另外,根據一次項F值的大小可以判斷各試驗因素對余甘子汁透光率的影響順序為澄清溫度>復合穩定劑添加量>澄清時間>復合穩定劑質量比。

2.2.2 響應面交互作用分析

通過Design Expert 10軟件中響應面優化分析方法得出復合穩定劑添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度各因素交互對透光率影響的響應面圖和等高線圖,見圖5～圖8。

圖5 復合穩定劑質量比和復合穩定劑添加量的交互作用對透光率影響的響應面圖和等高線圖Fig.5 Response surface diagram and contour line of the effect of interaction between mass ratio of compound stabilizer and addition amount of compound stabilizer on the transmittance

圖6 復合穩定劑添加量和澄清時間的交互作用對透光率影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface diagram and contour line of the effect of interaction between addition amount of compound stabilizer and clarification time on the transmittance

圖7 復合穩定劑質量比和澄清時間的交互作用對透光率影響的響應面圖和等高線圖Fig.7 Response surface diagram and contour line of the effect of interaction between mass ratio of compound stabilizer and clarification time on the transmittance

圖8 復合穩定劑添加量和澄清溫度的交互作用對透光率影響的響應面圖和等高線圖Fig.8 Response surface diagram and contour line of the effect of interaction between addition amount of compound stabilizer and clarification temperature on the transmittance

響應面陡峭越明顯、等高線越密集且呈橢圓形, 表明兩因素的交互作用對試驗結果的影響越顯著[20]。結合表3可知,一次項A、C、D,交互項AB、AC、BC、A2均達到了極顯著水平,AD、B2、C2、D2達到了顯著水平。由圖5～圖8可知,復合穩定劑質量比與復合穩定劑添加量、澄清溫度的交互作用的曲面較陡峭且等高線呈橢圓形,復合穩定劑添加量與澄清時間的交互作用的曲面較平緩且等高線稀疏,說明復合穩定劑添加量、澄清時間、澄清溫度對余甘子汁透光率的影響極顯著(P<0.01),復合穩定劑質量比與復合穩定劑添加量、澄清時間的交互作用對余甘子汁透光率的影響極顯著(P<0.01),復合穩定劑添加量和澄清溫度的交互作用對余甘子汁透光率的影響顯著(P<0.05)。

2.3 響應面試驗模型的驗證

根據響應面優化試驗得出的最佳工藝條件對響應面試驗模型進行驗證,驗證結果見表4。

表4 響應面優化最佳工藝條件試驗結果Table 4 Test results of optimal process conditions optimized by response surface method

根據回歸模擬方程,得到的最佳工藝條件為果膠-黃原膠添加量0.03%、復合穩定劑質量比1∶2.4、澄清時間10 min、澄清溫度25 ℃,此時透光率預測值為38.82%,在該工藝條件下進行3組平行試驗,得到余甘子汁的透光率為(38.1±0.5)%。將試驗得到的最佳工藝條件與回歸模型推薦的最佳工藝條件相比,在試驗得到的最佳工藝條件下,余甘子汁的透光率為(40.5±0.9)%,相較于回歸模型推薦組效果更佳,且考慮到成本問題,試驗得到的最佳工藝條件復合穩定劑的用量相對較少,成本更低,故選用果膠-黃原膠添加量0.02%、復合穩定劑質量比1∶3、澄清時間10 min、澄清溫度25 ℃為最佳澄清工藝。

3 結論與討論

本研究以余甘子原汁為原料,通過單因素試驗篩選兩種適合余甘子汁的穩定劑,來解決余甘子飲料產品在儲存過程中易產生沉淀的問題。通過響應面試驗分析構建了果膠-黃原膠添加量、復合穩定劑質量比、澄清時間、澄清溫度4個因素和余甘子汁透光率之間的回歸模型,通過此回歸模型得出余甘子汁澄清工藝的最佳條件為果膠-黃原膠添加量0.02%、復合穩定劑質量比1∶3、澄清時間10 min、澄清溫度25 ℃,該工藝條件下余甘子汁的透光率為(40.5±0.9)%,所得余甘子汁清澈透亮,長時間儲存不會產生沉淀。

相較于本研究結果,羅妍琛等[21]利用瓜爾豆膠、明膠、羧甲基纖維素鈉處理慈姑甘蔗汁,研究結果表明,在瓜爾豆膠用量0.06%、明膠用量0.20%、羧甲基纖維素鈉用量0.25%的條件下,所得慈姑甘蔗復合飲料的透光率為89.438%,澄清效果好。與其研究相比較,本研究在單一穩定劑的基礎上采用復合穩定劑,且進一步研究了復合穩定劑的質量比對余甘子汁透光率的影響,為余甘子飲料產品在實際生產中的工藝探索提供了一定參考價值。唐婕等[22]利用殼聚糖澄清香蕉醋飲料,研究結果表明,在殼聚糖添加量0.5%、澄清溫度 40 ℃、澄清時間60 min的條件下,該產品的透光率高達 93.8%,處理過的香蕉醋飲料澄清透明透亮。本研究與其研究進行對比,研究結果差異較大,原料性質的不同可能是引起這一差異的原因。李劍華等[23]利用黃原膠、CMC-Na復合處理余甘子飲料,研究結果表明,在CMC-Na(0.15%)-黃原膠(0.04%)的條件下,可使果汁澄清,貯存期間未產生任何沉淀。本研究與其研究相比,試驗結果偏小,余甘子的產地、品種的差異可能是導致此問題的原因。此外,本研究在此基礎上進一步探究了澄清溫度和澄清時間對余甘子汁透光率的影響,結果表明,澄清時間和澄清溫度都是影響澄清效果的重要因素,為余甘子飲料的加工提供了重要參考。綜上所述,在余甘子汁中添加穩定劑可以有效提高余甘子汁的透光率,使余甘子汁澄清透亮,在后續儲存過程中不易產生沉淀。該方法操作簡單、成本小,具有一定的優勢,可以為余甘子加工提供一定的參考價值。

余甘子具有較高的營養價值和藥用價值,但在其加工過程中還存在許多其他問題需要深入研究。余甘子本身苦澀味較重,嚴重影響口感,且極易氧化褐變,影響感官。可針對此問題進一步研究余甘子脫澀、護色的工藝條件。此外,余甘子產品還存在營養物質易損失、副產物資源損失、果汁廢物污染等問題。目前我國對余甘子的加工形式單一,針對余甘子產品開發中遇到的問題也沒有較為系統的解決方法,未來可針對這些問題展開具體研究。