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2010, Vol. 31, No. 14食品科学工艺技术106 枇杷果浆酶解工艺的响应面法优化 张 瑶 1，蒲 彪1,*，刘 云2，刘兴艳1 (1.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014；2.西南林学院资源学院，云南 昆明 650224) 摘 要：以五星枇杷为原料，在单因素试验的基础上，确定果胶酶质量浓度、酶解温度和酶解时间 3 个因素的 取值范围，并根据中心组合设计原理和响应面分析枇杷果浆酶解工艺最优条件。结果表明：果胶酶用量、酶解温 度和酶解时间对出汁率和透光率有较显著的影响；在果胶酶用量 166.05mg/kg、酶解温度 40.60、酶解时间 5.64h 的最优条件下，枇杷果浆的实测出汁率为 91.17%、透光率为 76.24%，回归模型的预测值与实测值的相对误差小于 1%，此回归方程与实际情况拟合较好。 关键词：枇杷果浆；酶解工艺；响应面法；模型预测 Using Response Surface Methodology for Optimizing Pectinase Hydrolysis of Loquat Slurry ZHANG Yao1，PU Biao1,*，LIU Yun2，LIU Xing-yan1 (1. College of Food Science, Sichuan Agricultural University, Ya an 625014, China ； 2. Faculty of Natural Resources, Southwest Forestry College, Kunming 650224, China) Abstract ：The goal of this study was to develop an optimum process for hydrolyzing loquat slurry. A series of single factor experiments were carried out to address the effects of enzyme concentration, hydrolysis temperature and length of hydrolysis on juice yield and transmittance. Central composite design coupled with response surface methodology was employed to optimize these 3 hydrolysis conditions. It was indicated that all of the conditions significantly influenced juice yield and transmittance and that their optimum values were determined as follows: enzyme concentration 166.05 mg/kg, hydrolysis temperature 40.60 and hydrolysis duration 5.64 h. Under these optimum conditions, the experimental values of juice yield and transmittance were 91.17% and 76.24%, respectively, presenting a relative error of less than 1% when compared with the predicted counterparts. Key words：loquat slurry；enzyme technique；response surface methodology (RSM)；predicted pattern 中图分类号：TS255.44 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)14-0106-05 收稿日期：2009-10-17 作者简介：张瑶(1982 )，女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail： * 通信作者：蒲彪(1956 )，男，教授，博士，研究方向为果蔬贮藏加工。E-mail： 枇杷(Eriobotrya japonica Lindl.)是我国亚热带珍稀 特产水果，色泽美观，酸甜爽口，营养丰富，具有 止渴、润肺、止咳、清热、健胃等保健作用 1 。我 国枇杷的产量约占世界产量的 2/3，居世界首位2，大 部分以鲜果销售。因此，将枇杷制成果汁，直接饮用 或加工成混合果汁、果奶、果酒、果醋等高附加值保 健食品，不仅能缓解鲜果销售市场的压力，而且能够 常年满足不同消费人群对枇杷的需求。 果胶酶是一类具有催化活性的蛋白质，可软化果肉 和果皮组织中的果胶物质，通过降解果胶的多糖链，将 其分解成半乳糖醛酸和果胶酸，降低果汁的黏度，从 而提高出汁率，增强澄清效果3-4。复合果胶酶中除了 含有果胶酶外，还含有蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等 多种酶，对于果汁中含有的少量浑浊成分如蛋白质、淀 粉、纤维素等也有一定的清理作用5，同时能够充分保 留果实的独特风味和营养成分。因此，自 1983 年 Wilson 提出了澄清果汁生产工艺后，在果汁与果酒的生产中常 使用果胶酶处理6以提高成品出汁率和澄清度。 响应面分析法(response surface methodology， RSM)是利用合理的设计，采用多元二次逐步回归方差 拟合因素与响应值之间的函数关系，通过回归方程分析 寻找最佳工艺参数，精确表达各因素及其交互作用在工 艺过程中对非独立变量的影响，是一种优化反应条件、 解决多变量问题的有效统计方法7-8。 目前，对于枇杷果浆的酶解工艺，国内的研究9-11 主要是通过果胶酶作用的单因素试验进行的，未能确定 107工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 14 因素之间的交互作用，因而影响结果的准确性。本实 验通过中心组合设计(central composite design，CCD)响 应面分析法对果胶酶用量、酶解温度和酶解时间 3 个主 要因素与枇杷果浆酶解效果的关系进行研究，获得具有 较高出汁率和透光率的枇杷汁的优化条件，为枇杷清汁 的深度开发和利用提供一定的参考。 1材料与方法材料与方法 1.1材料与试剂 枇杷鲜果，采自四川省泸州市，品种为五星，充 分成熟；复合果胶酶(30000U/g) 成都市科龙试剂有限 公 司 。 1.2仪器与设备 UV-2102 PCS 型紫外分光光度计 日本岛津公司； Millipore 纯水仪 美国 Millipore 公司；A-88 组织捣碎匀 浆机 江苏省金坛市医疗仪器厂；HH-4 型数显恒温水 浴锅 上海光地仪器设备有限公司；LD5-2型离心机 北 京医用离心机厂；ESl20-4 型电子天平 沈阳龙腾电子称 量仪器有限公司。 1.3方法 1.3.1枇杷果浆的制备工艺流程 枇杷鲜果挑选清洗去核护色破碎打浆 备用 1.3.2出汁率的测定 各处理完毕后，用 300 目双层滤布手挤榨取汁液， 至挤不出汁为准，以获得汁液质量与枇杷原浆质量百分 比表示出汁率。 1.3.3透光率的测定 取部分挤出的汁液加热到 90灭酶 5min，果汁静 置 24h 后，4000r/min 离心 30min，用紫外分光光度计在 510nm 处测定枇杷汁的透光率11，以超纯水作对照(计为 100%)。 1.3.4单因素酶解试验 由于枇杷果浆的 pH 值已在试验所用果胶酶的适用 范围内，且在实际生产中通常不调节 pH 值，因此试验 中保持枇杷果浆的自然 pH 值，在预先制备的果浆中加入 果胶酶，进行酶解条件试验。果胶酶用量60180mg/kg、 酶解温度 3050、酶解时间 210h。 1.3.5酶解条件响应面优化设计 在单因素试验的基础上，以果胶酶用量、酶解温 度和酶解时间为影响因素，出汁率和透光率为响应值， 运用中心组合设计原理进行响应面分析试验。实验数据 采用 Design-expert7.0 统计软件进行回归分析。 2结果与分析结果与分析 2.1单因素试验结果分析 2.1.1果胶酶用量对枇杷果浆酶解效果的影响 在自然 pH 值、酶解温度 40、酶解时间 4h 的条 件下，选取果胶酶用量 60、90、120、150、180mg/kg 5 个水平，比较不同果胶酶用量对枇杷果浆出汁率和透 光率的影响，结果见图 1 。 由图 1 可知，随着果胶酶用量的增大，出汁率和 透光率也在增加。出汁率在 60120mg/kg 之间增加显 著，达到 120mg/kg 后变化趋于平缓。透光率在 60 120mg/kg 之间增加明显，在 150mg/kg 处出现最大值， 之后略有下降，这是因为果胶酶本身属于蛋白质，过 量加入会引起果汁浑浊。综合考虑，果胶酶用量在 150mg/kg 左右为宜。 2.1.2酶解温度对枇杷果浆酶解效果的影响 在自然 pH 值、果胶酶用量 150mg/kg、酶解时间 4h 的条件下，选取酶解温度 30、35、40、45、50 5 个水平，比较不同酶解温度对枇杷果浆出汁率和透光 率的影响，结果见图 2 。 由图 2 可知，随着酶解温度的升高，出汁率在 40 处得到最大值，之后呈下降趋势。透光率在 3045 之间呈明显上升趋势，超过 40后呈急剧下降趋势。这 图图 1 果胶酶用量对酶解效果的影响 果胶酶用量对酶解效果的影响 Fig.1 Effect of pectinase concentration on juice yield and transmit- tance 95 90 85 80 75 70 出汁率 透光率 出汁率/% 果胶酶用量/(mg/kg) 6090120150180 80 60 40 20 0 透光率/% 图图 2 酶解温度对酶解效果的影响 酶解温度对酶解效果的影响 Fig.2 Effect of hydrolysis temperature on juice yield and transmit- tance 92.0 91.5 91.0 90.5 90.0 89.5 89.0 88.5 出汁率 透光率 出汁率/% 酶解温度 / 3035404550 80 70 60 50 40 30 20 10 0 透光率/% 2010, Vol. 31, No. 14食品科学工艺技术108 是因为果胶酶本质为蛋白质，在反应温度上升时，酶 解速度也在增加，当超过一定温度后，蛋白质变性， 导致酶解速度减小。综合考虑，酶解温度在 40左右 为 宜 。 2.1.3酶解时间对枇杷果浆酶解效果的影响 在自然 pH 值、果胶酶用量 150mg/kg、酶解温度 40的条件下，选取酶解时间 2、4、6、8、10h 五 个水平，比较不同酶解时间对枇杷果浆出汁率和透光率 的影响，结果见图 3 。 2.2.2回归模型的建立及显著性检验 由图 3 可知，随着酶解时间的延长，枇杷果浆的 出汁率和透光率均呈上升趋势。出汁率和透光率在 2 4h 之间上升显著，之后变化较平缓。由于枇杷果浆营 养物质丰富，长时间放置会受微生物污染而造成风味 和营养成分的损失。综合考虑，酶解时间在 4h 左右 为 宜 。 2.2酶解工艺条件的响应面优化分析 2.2.1响应面法试验设计及结果 综合单因素试验结果，根据中心组合试验设计原 理，以果胶酶用量、酶解温度、酶解时间为自变量， 分别由 X1、X2、X3表示，以出汁率和透光率为响应值， 进行试验设计12。试验因素水平编码见表 1，试验方案 及结果见表 2 。 试验共有 20 个试验点，其中 14 个分析因子，6 个 零点以估计试验误差13，各试验点以随机顺序进行，重 复实验 3 次，结果取平均值。 试验号X1/(mg/kg)X2/X3/h出汁率/%透光率/% 112035279.1173.7 218035289.6174.7 312045289.1460.8 418045290.4769.9 512035685.6876.5 618035689.5877.1 712045691.3868.4 818045690.0077.8 999.5540479.758.9 10200.4540491.173.8 1115031.59484.9778.9 1215048.41491.0371.2 13150400.6488.8768.2 14150407.3690.7072.3 1515040491.6675.0 1615040490.8874.7 1715040489.8674.5 1815040490.5674.3 1915040491.2575.1 2015040490.1674.7 表表 2 条件优化响应面试验方案及结果 条件优化响应面试验方案及结果 Table 2 Central composite design matrix and experimental results 通过对试验结果进行回归分析，建立响应面回归模 型，分别得到出汁率和透光率的回归方程： 出汁率 = 131.47588+1.22858X1+5.14165X2+ 6.13570X30.012042X1X20.019396X1X30.059625X2X3 0.00195837X120.033732X220.053050X32 透光率 =149.14455+0.38847X1 4.95647X2 1.82166X3+0.014083X1X20.000208333X1X3+0.12875X2X3 0.00280250X12+0.022147X220.28585X32 图图 3 酶解时间对酶解效果的影响 酶解时间对酶解效果的影响 Fig.3 Effect of hydrolysis duration on juice yield and transmittance 93 92 91 90 89 88 87 86 85 出汁率 透光率 出汁率/% 酶解时间 /h 246810 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 透光率/% 因素编码值 因素 X1 果胶酶用量/(mg/kg)X2酶解温度/X3酶解时间/h r(+1.682)200.4548.417.36 1180456 0150404 1120352 r(1.682)99.5531.590.64 表表 1 条件优化响应面试验因素水平编码表 条件优化响应面试验因素水平编码表 Table 1 Factors and levels in the central composite design 来源总和自由度均方F值P值显著性 模型237.02926.3417.78 0.0001* X182.28182.2855.56 0.0001* X254.18154.1836.580.0001* X39.5019.506.410.0298* X1X226.10126.1017.620.0018* X1X310.83110.837.320.0221* X2X32.8412.841.920.1960 X1244.77144.7730.230.0003* X2210.25110.256.920.0251* X320.6510.650.440.5230 残差14.81101.48 纯误差2.2750.45 总误差251.8319 表表 3 出汁率回归模型的方差分析 出汁率回归模型的方差分析 Table 3 Variance analysis for juice yield with various hydrolysis conditions 注：*.差异极显著，P 0.001；*.差异高度显著，P 0.01；*. 差异显著，P 0.05。下同。 109工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 14 来源总和自由度均方F值P值显著性 模型474.83952.7615.120.0001* X1149.321149.3242.78 0.0001* X2106.011106.0130.370.0003* X355.76155.7615.980.0025* X1X235.70135.7010.230.0095* X1X30.001310.00130.000360.9853 X2X313.26113.263.800.0799 X1291.68191.6826.270.0004* X224.4214.421.270.2869 X3218.84118.845.400.0425* 残差34.90103.49 纯误差0.4550.090 总误差509.7419 表表 4 透光率回归模型的方差分析 透光率回归模型的方差分析 Table 4 Variance analysis of juice transmittance with various hydrolysis conditions 由表 3、4 方差分析结果可知，出汁率和透光率回 归方程(模型)的回归效果极显著。对响应值出汁率作用 显著的是 X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X12、X22；对 响应值透光率作用显著的是 X1、X2、X3、X1X2、X12、 X32。同时可以看出，各因素对出汁率和透光率影响的 大小顺序均为果胶酶用量酶解温度酶解时间。 2.2.3酶解条件对枇杷果浆出汁率的影响 果胶酶能降解果胶物质，破坏胶体的黏附性及颗 粒稳定悬浮的特性，使果汁黏度降低，悬浮颗粒沉 降，出汁率得以提高14。如表 3 所示，枇杷果浆出汁 率回归模型中果胶酶用量和酶解温度的一次项和二次项 均显著(P 0.05)。从图 4 可以看出，在高酶解温度低 果胶酶用量区域和低酶解温度高果胶酶用量区域，枇 杷果浆的出汁率较高，即两因素间有显著的交互作 用。从图 5 可以看出，酶用量不变，随着酶解时间的 延长，枇杷果浆的出汁率呈直线上升；酶解时间不 变，随着果胶酶用量的增大，枇杷果浆的出汁率呈先 升后降的趋势。 2.2.4酶解条件对枇杷果浆透光率的影响 图图 4 出汁率与酶解温度、果胶酶用量的响应面图 出汁率与酶解温度、果胶酶用量的响应面图 Fig.4 Response surface plot showing the interactive effects of hydrolysis temperature and pectinase concentration on juice yield 92.00 出汁率/% 酶解温度 / 89.25 86.50 83.75 81.00 45.042.5 40.0 37.5 35.0 120 135150 165180 果胶酶用量/(mg/kg) 图图 5 出汁率与酶解时间、果胶酶用量的响应面图 出汁率与酶解时间、果胶酶用量的响应面图 Fig.5 Response surface plot showing the interactive effects of hydrolysis duration and pectinase concentration on juice yield 91.60 出汁率/% 酶解时间/h 6 120 果胶酶用量/(mg/kg) 89.75 87.90 86.05 84.20 5 4 3 2 135150 165 180 图图 7 透光率与酶解时间、果胶酶用量的响应面图 透光率与酶解时间、果胶酶用量的响应面图 Fig.7 Response surface plot showing the interactive effects of hydrolysis duration and pectinase concentration on transmittance 77 透光率/% 酶解时间/h 6 120 果胶酶用量/(mg/kg) 74 71 68 65 5 4 3 2 135150 165 180 图图 6 透光率与酶解温度、果胶酶用量的响应面图 透光率与酶解温度、果胶酶用量的响应面图 Fig.6 Response surface plot showing the interactive effects of hydrolysis temperature and pectinase concentration on transmittance 79.00 透光率/% 45.0 120 果胶酶用量/(mg/kg) 75.25 71.50 67.75 64.00 42.540.0 37.5 35.0 135150 165 180 酶解温度 / 透光率的大小反映了果汁的澄清情况，而澄清度是 衡量成品果汁质量的重要指标之一。复合果胶酶中含有 的果胶酶、纤维素酶和蛋白酶等，能降解果胶、纤维 素和蛋白质等，从而降低果浆的黏度，提高果汁的澄 清度15。如表 4 所示，枇杷果浆透光率回归模型中果胶 酶用量和酶解时间的一次项和二次项均显著(P 0.05)。 2010, Vol. 31, No. 14食品科学工艺技术110 从图 6 可以看出，果胶酶用量不变，随着酶解温度的升 高，枇杷果浆的透光率逐渐降低；酶解温度不变，随 着果胶酶用量的增加，枇杷果浆的透光率呈先升后降的 趋势。从图 7 可以看出，在长酶解时间低果胶酶用量区 域和短酶解时间高果胶酶用量区域，枇杷果浆的透光率 较高，即两因素间有显著的交互作用。 2.2.5酶解条件的优化及验证实验 综合考虑，在实验所设定的参数范围内，获得较 高出汁率的同时获得较高透光率的酶解工艺条件为果 胶酶用量 166.05mg/kg、酶解温度 40.60、酶解时间 5.64h，由此获得的枇杷果浆理论出汁率和透光率分别为 91.60% 和 76.52%。 为了验证此方法的可靠性，采用所得到的最佳酶解 工艺条件进行枇杷果浆酶解效果的验证实验，即在果胶 酶用量 166.05mg/kg、酶解温度 40.60、酶解时间 5.64h 条件下，重复实验 3 次，结果取平均值，验证实验结 果见表 5。可知枇杷果浆出汁率和透光率相对误差较小 (相对误差 1%)，说明该方程与实际情况拟合很好。 对枇杷果浆酶解工艺进行分析和参数优化，所得酶解工 艺条件可行。 参考文献： 1张玉, 王建清. 枇杷的营养及功能成分研究进展J. 食品科学, 2005, 26(9): 602-604. 2林顺权, 刘成明. 全国枇杷生产初步统计表C/ 中国园艺学会枇杷 分会. 全国枇杷学术研讨会论文集, 北京: 中国园艺学会枇杷分会, 2004. 3慕倩华. 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