孫儷娜，米日阿依·伊力夏提，吳曉娟，祁巖龍，馮作山*

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

葡萄汁加工中葡萄皮色素低溫促溶技術(shù)

孫儷娜，米日阿依·伊力夏提，吳曉娟，祁巖龍，馮作山*

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

以“赤霞珠”葡萄為試驗(yàn)材料、花色苷為測(cè)定指標(biāo)，采用Box-behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，研究果膠酶和微波處理組合技術(shù)對(duì)葡萄皮中色素物質(zhì)溶出的影響。結(jié)果表明果膠酶處理的最佳工藝條件為：添加1.1‰果膠酶，40℃處理3.15h；在酶處理的基礎(chǔ)上確定微波處理的最佳工藝條件為：129.5g樣品微波19s，微波次數(shù)3次。方差分析(analysis of variance，ANOVA)表明兩個(gè)模型極顯著(P＜0.0001)，失擬性不顯著(P＞0.1)。該模型可用于葡萄汁加工過程中葡萄皮色素溶出效果的分析與預(yù)測(cè)。通過該技術(shù)組合處理，可以得到花色苷物質(zhì)含量高、顏色鮮艷的葡萄汁。

“赤霞珠”葡萄；原花青素；微波；果膠酶；響應(yīng)曲面法

葡萄原花青素(grape procyanidins，GPC)是存在于葡萄中的一種天然植物多酚，也稱葡多酚，在葡萄皮、籽中含量豐富。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)GPC進(jìn)行大量研究，證實(shí)GPC具有保護(hù)心血管系統(tǒng)、清除自由基、抗氧化、抗突變、抗癌、抗輻射、促進(jìn)細(xì)胞增殖等生物學(xué)活性[1-4]。

葡萄汁比任何其他水果、蔬菜及其汁液含有更多的抗氧化物質(zhì)[5]。在與橙汁及柚子汁的對(duì)比試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄汁對(duì)心臟病的預(yù)防作用最好，而且紫葡萄汁優(yōu)于白葡萄汁，紫葡萄汁甚至比預(yù)防心臟病的常用藥物阿司匹林效果還好[6]。Facino等[7]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GPC可減輕大鼠缺血后的心肌損傷，降低心臟對(duì)缺血再灌注損傷的敏感性，這種作用與其提高血漿抗氧化能力有關(guān)。Bagchi等[2]研究發(fā)現(xiàn)GPC對(duì)氧自由基的清除能力遠(yuǎn)高于VE和VC。

紫色或紅色葡萄皮中的原花青素受組織和細(xì)胞的阻隔，目前的葡萄榨汁方式很難將其溶出進(jìn)入葡萄汁中，葡萄皮所含的功效成分隨皮渣排出，形成一種資源浪費(fèi)。采用加熱的方法雖在一定程度上有助于葡萄皮花青素的溶出，但處理溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，花青素等功效成分容易氧化分解，發(fā)生褐變，而且還易導(dǎo)致葡萄汁風(fēng)味變劣、營(yíng)養(yǎng)成分和活性物質(zhì)損失[8-9]。

擬采用“微波＋酶”的處理方式探討這一問題的解決方法及工藝優(yōu)化。通過果膠酶處理水解葡萄皮中的果膠物質(zhì)，使細(xì)胞壁透性增大，易于葡萄皮中的色素物質(zhì)溶出。吳春等[10]研究葡萄籽中原花青素的酶法提取工藝，結(jié)果表明，影響酶法提取原花青素的因素次序?yàn)椋好附鉁囟龋久附鉂舛?質(zhì)量體積比)＞pH值＞乙醇體積分?jǐn)?shù)。采用多次微波處理(溫度控制在50℃以內(nèi))，利用微波的高頻震動(dòng)使細(xì)胞壁破裂，促進(jìn)傳質(zhì)作用，加快色素物質(zhì)的溶出[11-14]。本實(shí)驗(yàn)通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝可以在較低的處理溫度下使色素物質(zhì)大量溶出[15]，避免色素物質(zhì)降解，得到色素含量高、顏色鮮艷的紅色葡萄汁產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“赤霞珠”葡萄 烏魯木齊五一農(nóng)場(chǎng)；果膠酶(食品添加劑) 南寧龐博生物工程有限公司；冰乙酸(分析純) 天津市富宇精細(xì)化工有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀(分析純) 天津市永晟精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

WF-4000常壓式微波快速反應(yīng)系統(tǒng) 上海市市屹堯分析儀器有限公司；TDL80-2B型臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；TU-1810 PC分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；PL203分析天平 梅特勒托利多有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將新鮮的赤霞珠葡萄清洗、除梗。破碎，于破碎液中按試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入果膠酶處理(表1)，再用微波處理(表2)，每次處理后快速冷卻至室溫，再進(jìn)行下一次微波處理，過濾，清汁進(jìn)行花色苷含量測(cè)定。

1.3.2 Box-behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2.1 果膠酶處理Box-behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

表1 果膠酶處理Box-behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels in the Box-behnken design for optimizing pectinase treatment

1.3.2.2 微波處理Box-behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

1.3.3 花色苷測(cè)定

花色苷測(cè)定采用pH示差法[16-18]。取2.0mL葡萄汁，分別用pH1.0和pH4.5的緩沖溶液定容至25.0mL，置于室溫處平衡2h，用蒸餾水做對(duì)照，在520nm處測(cè)定吸光度，根據(jù)Fuleki公式[19]求出總花色苷含量。

式中：C為每毫升葡萄汁中花色苷的含量/(mg/mL)；A1.0、A4分別為pH1.0、pH4.5時(shí)花色苷在520nm波長(zhǎng)處的吸光度；V1為稀釋體積/mL；V2為樣品體積/mL；n為稀釋倍數(shù)；M為cy-3-glu的相對(duì)分子質(zhì)量，其值為449g/mol；μ為ε-cy-3-glu的消光系數(shù)(其值為29600)。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠酶處理

2.1.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)曲面法的要求，開展17組試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 果膠酶處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Experimental design and results of parameter optimization for pectinase treatment

利用Design Expert軟件進(jìn)行回歸分析，得到二次多項(xiàng)方程(模型)，見方程(1)：

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析(analysis of variance，ANOVA)，結(jié)果見表4，模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見表5。由表4回歸模型方差分析可以看出：F模型＝31.60＞(F0.01(9,4)＝14.66)，P＜0.0001表明模型極其顯著。F失擬＝3.7＜(F0.05(9,3)＝8.81)，失擬項(xiàng)P＝0.1193＞0.1，表明模型失擬不顯著。模型的確定系數(shù)R2=0.9760，調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.9451，說(shuō)明該模型能解釋94.51%響應(yīng)值的變化，因而該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，該模型是適用的。

表4 果膠酶處理回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of the established regression model describing pectinase treatment

表5 果膠酶處理方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance testing of each coefficient of the regression model describing pectinase treatment

由表5回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，模型中一次項(xiàng)果膠酶添加量A(P＜0.0001)極顯著，時(shí)間B(P＝0.0235)、交互項(xiàng)AB(P＝0.1764)顯著；二次項(xiàng)A2(P＝0.0007)、

B2(P＝0.0005)、C2(P＜0.0001)極顯著。

2.1.2 果膠酶處理響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

圖1 果膠酶處理響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果Fig.1 Response surface and contour plots showing the effects of pectinase dosage and treatment time on anthocyanin content in grape juice

對(duì)模型進(jìn)行求解，得花青素質(zhì)量濃度最大為0.991mg/mL，預(yù)測(cè)得到的優(yōu)化條件為A＝0.20、B＝0.15、C＝－0.05，進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化后得，果膠酶添加量1.1‰、處理時(shí)間3.15h、溫度 40.0℃(計(jì)算值為39.75℃)。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果見圖1，隨著酶添加量的增加和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，花青素質(zhì)量濃度呈升高趨勢(shì)，當(dāng)酶添加量1.1‰、處理時(shí)間3.15h時(shí)，花青素質(zhì)量濃度最大，為0.960mg/mL，再增加酶量后呈降低趨勢(shì)。

2.2 微波處理

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)曲面法的要求，開展17組試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 微波處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 6 Experiment design and results of parameter optimization for microwave treatment

葉新紅等[11]比較了不同處理方法對(duì)葡萄皮中花色苷等多酚類物質(zhì)溶出效果的影響，發(fā)現(xiàn)與熱浸提相比，微波和超聲波處理均能促進(jìn)葡萄皮中的色素物質(zhì)的溶出，但微波處理時(shí)間較短，葡萄汁顏色鮮艷。本試驗(yàn)將微波處理工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，利用Design Expert軟件進(jìn)行回歸分析，得到二次多項(xiàng)方程(模型)，見方程(2)：

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7，模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見表8。由表7回歸模型方差分析可以看出：F模型＝9.65＞F0.05(9,4)＝6，P＝0.0034表明模型極顯著。F失擬＝4.13＜F0.05(9,3)=8.81，失擬項(xiàng)P＝0.1021＞0.1，表明模型失擬不顯著。模型的確定系數(shù)R2＝0.9254，調(diào)整確定系數(shù)R2Adj＝0.8259，說(shuō)明該模型能解釋82.59%響應(yīng)值的變化，因而該模型擬合程度較好，但試驗(yàn)誤差偏大，故對(duì)該模型進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化，去掉不顯著項(xiàng)。

表7 微波處理回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of the regression model describing microwave treatment

表8 微波處理方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 8 Significance testing of each coefficient of the regression model describing microwave treatment

由表8回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，模型中一次項(xiàng)樣品質(zhì)量A＇(P=0.0419)顯著，時(shí)間B＇(P=0.0029)高度顯著；二次項(xiàng)A＇2(P=0.0011)、B＇2(P=0.0042)高度顯著，C＇2(P=0.0436)顯著。

2.2.2 微波處理響應(yīng)面優(yōu)化

在原有擬合方程基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行手動(dòng)簡(jiǎn)化，去掉不顯著項(xiàng)(不包括非交互項(xiàng)C＇，)，模型的F值變成18.32(P＜0.0001)，失擬項(xiàng)F值變?yōu)?.39(P=0.2095)，表明手動(dòng)簡(jiǎn)化結(jié)果可行。簡(jiǎn)化后回歸方程為：

對(duì)此模型進(jìn)行求解，得花青素質(zhì)量濃度最大為1.372mg/mL，預(yù)測(cè)得到的優(yōu)化條件為：A＇＝0.59，B＇＝0.39、C＇＝0.23，進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化后得樣品質(zhì)量129.50g、微波時(shí)間19s(模型計(jì)算值為18.9s)、微波次數(shù)3次(模型計(jì)算值為3.46次)。響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果見圖2。當(dāng)處理次數(shù)為2.3次時(shí)，隨著處理樣品質(zhì)量增加和時(shí)間的延長(zhǎng)，花青素含量先呈緩慢增大趨勢(shì)，后迅速下降。

圖2 微波處理響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Response surface and contour plot showing the effects of grape amount and microwave treatment time on anthocyanin content in grape juice

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為證明模型的可靠性，采用優(yōu)化條件開展3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明實(shí)際花青素溶出平均值為1.352mg/mL，相對(duì)誤差為－1.43%，因此響應(yīng)面設(shè)計(jì)所得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié) 論

利用Box-behnken響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)優(yōu)化了深色葡萄榨汁過程中色素物質(zhì)“微波＋果膠酶”的低溫促溶工藝。結(jié)果顯示：利用Design Expert軟件建立二次多項(xiàng)回歸方程，方差分析表明兩個(gè)模型極顯著(P＜0.0001)，失擬性不顯著(P＞0.1)。

對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解得果膠酶處理的最佳工藝條件為：添加1.1‰果膠酶，40℃處理3.15h；在酶處理的基礎(chǔ)上確定微波處理的最佳工藝條件為：129.5g樣品微波19s，微波次數(shù)3次。

本實(shí)驗(yàn)將酶解處理和微波處理結(jié)合，利用Design Expert軟件建立二次多項(xiàng)回歸方程，優(yōu)化了“微波＋果膠酶”低溫促溶工藝。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明響應(yīng)面設(shè)計(jì)所得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該模型可用于葡萄汁加工過程中葡萄皮色素溶出效果的分析與預(yù)測(cè)。

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Process Parameter Optimization for Pectinase Hydrolysis Followed by Microwave Treatment for Promoting Dissolution of Grape Skin Anthocyanins in Grape Juice Processing

SUN Li-na，MIRIAYI Yilixiati，WU Xiao-juan，QI Yan-long，F(xiàn)ENG Zuo-shan*

(College of Food Science and Pharmaceutical Science, Xinjiang Agricultural Universitymqi 830052, China)

In order to accelerate the dissolution of intracellular anthocyanins into grape juice, Cabernet Cauvignon grapes were mechanically crushed and subjected to pectinase hydrolysis followed by microwave treatment. The conditions of pectinase hydrolysis and microwave treatment were optimized by Box-Behnken experimental design combined with response surface methodology for maximizing anthocyanin content in grape juice. Based on Box-Behnken experimental design, two regression models describing pectinase hydrolysis and microwave treatment were established. The optimal pectinase hydrolysis conditions were pectinase amount 1.1‰, hydrolysis temperature 40 ℃, and hydrolysis time 3.15 h, and the optimal microwave treatment conditions were grape amount 129.5 g, treatment time 19 s, and number of repeated treatments 3. Analysis of variance indicated that the two mathematical models were highly statistically significant (P＜0.0001), the lack of fit of each of which was not significant (P＞0.1), thereby being applicable to analyze and predict the dissolution of anthocyanins during grape juice processing. Grape juice with a higher anthocyanin content and a brilliant color can be obtained by the combined use of pectinase hydrolysis and microwave treatment.

Cabernet Cauvignon grape；anthocyanin；microwave；pectinase；response surface design

TS255.44

A

1002-6630(2011)16-0036-05

2010-10-28

新疆維吾爾自治區(qū)重大專項(xiàng)(200731136-3)

孫儷娜(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：shalunna@yahoo.com.cn

*通信作者：馮作山 (1963—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：fengzuoshan@126.com