劉 璐,呂春茂*,孟憲軍,辛 廣,李 斌,張麗婷
(沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院,遼寧 沈陽 110866)
樹莓是薔薇科、懸鉤子屬植物,包括400多個品種,其柔軟多汁、風味獨特,深受消費者喜愛[1]。樹莓的營養(yǎng)價值豐富,含有花青素、酚酸、維生素等多種功能性營養(yǎng)物質(zhì)[2]。近年來,隨著人們對健康飲食的重視,許多營養(yǎng)價值豐富的小漿果逐漸受到人們的關注,對樹莓等小漿果的開發(fā)利用也逐步深入,將樹莓加工成果汁、果酒等產(chǎn)品,提高了樹莓利用率,其市場前景日漸廣闊[3]。其中樹莓果汁是樹莓最常見的加工產(chǎn)品,未經(jīng)濃縮還原的樹莓果汁是營養(yǎng)豐富的健康食品[4]。然而樹莓是一種季節(jié)性很強的果品,其成熟季節(jié)集中在每年的夏季,樹莓因其果皮薄且呼吸強度高,在運輸和生產(chǎn)加工過程中極易腐爛變質(zhì),一般樹莓的存放期為5 d左右,這使得樹莓加工受到很大限制[5]。
冷凍技術可更好地保留樹莓的營養(yǎng)成分和品質(zhì),有利于樹莓果汁的長時間批量生產(chǎn),本實驗主要針對冷凍樹莓的解凍方式進行研究。目前國內(nèi)外專家對于果蔬的解凍方式也有一定的研究,章寧瑛等[6]研究不同解凍方式對藍莓營養(yǎng)成分的影響,證明了微波解凍是最佳解凍方式;徐保國[7]研究了低頻超聲波解凍對紅心蘿卜品質(zhì)的影響,證明了低頻超聲波有利于保持蘿卜的硬度及微觀結構;Holzwarth等[8]研究不同解凍方式對草莓顏色的影響,證明4 ℃解凍對色素破壞較嚴重;Park[9]對解凍后西蘭花和菠菜中胡蘿卜素的保留進行評價,結果表明,解凍過程會造成胡蘿卜素的損失。本實驗在前人研究的基礎上,研究不同解凍方式(水浴解凍、室溫解凍、超聲波解凍、微波解凍、冷藏解凍)處理后樹莓汁加工特性的變化情況,通過建立灰色關聯(lián)體系,確定樹莓汁加工過程中最佳的解凍方式,以期降低汁液損失率,減少微生物繁殖以及酶促和非酶促反應帶來的不利影響。
樹莓(Rubus corchorifolius L. f.):品種為新星(Nova),采自沈陽農(nóng)業(yè)大學樹莓種植基地,采收后經(jīng)液氮速凍,保存在-20 ℃冰箱中。
考馬斯亮藍、蒽酮、氫氧化鈉、沒食子酸標準品、抗壞血酸標準品、葡萄糖標準品、氫氧化鉀、氯化鉀、醋酸鈉、牛血清白蛋白標準品 國藥集團化學試劑有限公司;福林-酚試劑 北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司;2,6-二氯靛酚 麥克林國藥集團化學試劑有限公司。
KQ5200DB超聲波儀 昆山市超聲波儀器有限公司;HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;M1-L202B微波爐 美的集團;FYL-YS-81AL智能生化培養(yǎng)箱寧波海曙賽福試驗儀器廠;BCD-215TD GA冰箱 青島市海爾集團;SNB-2數(shù)字黏度計 上海天美有限公司;CR22N高速冷凍離心機 日本日立公司;848 Titino plus自動電位滴定儀 瑞士萬通中國有限公司;UV-1800紫外-可見分光光度計 美國Variance公司;NH310色差儀 深圳市三恩時科技有限公司;11066食品中心溫度計 美國Delta TRAK公司;WYA-2S阿貝折射儀、PHS-25型pH計 上海儀電科學儀器有限公司。
1.3.1 樹莓解凍
將樹莓按不同方法進行解凍,各組利用食品中心溫度計測定樹莓中心溫度變化,溫度到達4 ℃時解凍結束,記錄解凍時間。
水浴解凍:將速凍的樹莓放入恒溫水浴鍋中,外套自封袋,于(20.0±0.5)℃解凍操作。
微波解凍:將速凍樹莓平鋪于平皿后置于微波爐中,調(diào)至解凍檔進行解凍[10]。
室溫解凍:將速凍樹莓置于溫度(25.0±0.5)℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行解凍。
超聲波解凍:將速凍樹莓裝入自封袋置于超聲波儀中進行解凍,超聲波頻率為40 kHz,水溫控制為(20.0±0.5)℃[11]。
冷藏解凍:將速凍樹莓在4 ℃的冰箱中進行解凍。
1.3.2 樹莓原果汁的制備
速凍樹莓解凍后制成勻漿,經(jīng)50 目濾布過濾后,于4 ℃的冰箱保存,測定指標前以4 000 r/min離心5 min,去除果汁中的雜質(zhì)。
1.3.3 解凍效率的測定
以解凍結束的時間表征解凍效率。
1.3.4 汁液損失率的測定
分別測定解凍前后的樹莓質(zhì)量,按式(1)計算汁液損失率。
式中:m1為速凍樹莓的質(zhì)量/g;m2為解凍后樹莓的質(zhì)量/g。
1.3.5 加工特性指標測定
出汁率:解凍后的樹莓制成勻漿,用50 目的濾布壓榨至無汁液流出,以果汁質(zhì)量和果漿質(zhì)量之比表示出汁率。
色澤:利用色差儀,以白板為對照,測定速凍樹莓的亮度L*、紅綠度a*、黃藍度b*值和解凍后樹莓汁的L、a、b值,按式(2)計算色差值ΔE[12]。
褐變度:參照Vega-Gálvez等[13]的方法,略有改動,將5 mL樹莓果汁與5 mL、體積分數(shù)95%乙醇混合,以5 000 r/min、4 ℃離心10 min,取上清液,在420 nm波長處測定吸光度,即為褐變度(以蒸餾水為空白對照)。
可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)(soluble solid content,SSC):采用阿貝折射儀測定,以蒸餾水為對照,單位為%。
粗蛋白含量:采用考馬斯亮藍比色法,以0.1 mg/mL牛血清白蛋白為標準品,單位為g/100 g[14]。
總糖質(zhì)量分數(shù):采用蒽酮比色法,以葡萄糖質(zhì)量分數(shù)計,單位為%[15]。
總酸質(zhì)量分數(shù):以檸檬酸質(zhì)量分數(shù)計,滴定過程采用電位滴定儀,選擇通用水溶液pH滴定復合電極,滴定模式為動態(tài)滴定(DET)模式,起始進樣量為0.000 1 mL,最大漂移信號為50 mV/min,最大終止體積為25 mL,設定滴定終止條件為pH 8.2,以0.1 mol/L氫氧化鈉溶液進行滴定,記錄消耗氫氧化鈉溶液的體積。
糖酸比:總糖質(zhì)量分數(shù)與總酸質(zhì)量分數(shù)的比值。
還原糖質(zhì)量分數(shù):采用滴定法,以葡萄糖質(zhì)量分數(shù)計,單位為%。
VC含量:采用2,6-二氯靛酚滴定法,滴定過程采用電位滴定,使用鉑滴定電極,其他條件同總酸滴定,設定滴定終止條件為出現(xiàn)等電點(滴定曲線的一階導數(shù)極大值大于5),記錄消耗2,6-二氯靛酚的體積[16]。
花色苷質(zhì)量濃度:采用pH示差法,稱取1.000 0 g樹莓原汁,用體積分數(shù)70%乙醇定容至10 mL,超聲波提取30 min(35 ℃、100 W),重復3 次合并提取液。配制pH 1.0的緩沖溶液:分別將2.98 g氯化鉀和3.3 mL濃鹽酸定容至200 mL,取定容后的50 mL氯化鉀溶液和134 mL濃鹽酸混合,用0.1mol/L氫氧化鉀溶液調(diào)pH值至1.0;配制pH 4.5的緩沖溶液:分別將16.4 g醋酸鈉和16.5 mL濃鹽酸定容至200 mL,取定容后的50 mL醋酸鈉溶液和25 mL濃鹽酸混合,加180 mL蒸餾水,用0.1 mol/L鹽酸調(diào)pH值至4.5。取pH 1.0和pH 4.5緩沖溶液4.5 mL,分別加入0.5 mL樹莓提取液,室溫靜置20 min后,于510 nm和700 nm波長處測定吸光度(A),按照公式(3)計算花色苷質(zhì)量濃度[17]。
式中:A=(A510nm-A700nm)pH1.0-(A510nm-A700nm)pH4.5;DF為稀釋因子(10);Mw為矢車菊-3-葡萄糖苷摩爾質(zhì)量(449.2 g/mol);ε為矢車菊-3-葡萄糖苷摩爾消光系數(shù)(26 900 L/(mol·cm));L為比色皿光程(1 cm)。
總酚含量:采用福林-酚比色法,以0.1 mg/mL沒食子酸為標準品,單位為g/100g[18]。
黏度:利用黏度計測定,選擇2號轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速為6 r/min。
1.3.6 評價指標的篩選
應用主成分分析與聚類分析結合的方法,通過累計方差貢獻率確定16 項指標的主成分并對指標進行分類,在每一個分類中,分別計算單獨某個指標y與其他多個指標X1、X2、……、Xk之間的復相關系數(shù),選擇聚類分析中每一類復相關系數(shù)最大的指標作為最終篩選的指標。
1.3.7 權重賦予
對篩選后的指標賦予權重,采用熵權法,首先對各項指標進行正向化處理,在適宜的范圍內(nèi),指標值越大、評價越好的指標稱為正向指標;指標值越小、評價越好的指標稱為逆向指標,用取倒數(shù)法將逆向指標進行正向化處理。正向化處理后,將全部指標進行標準化處理,使原始數(shù)據(jù)處于同一數(shù)量級,更適于進行綜合評價,見公式(4)。
式中:Yij為指標的標準化值;Xij為指標的現(xiàn)狀值;max Xij為指標的最大值;min Xij為指標的最小值。
指標的貢獻度(Pij)按式(5)計算,各指標的貢獻率(Ej)按式(6)計算。
式中:m表示指標個數(shù)。
將貢獻率(Ej)進行歸一化處理,按式(7)確定篩選指標的權重系數(shù)(ω)。
1.3.8 灰色關聯(lián)度計算
構建理想?yún)⒖贾担焊鶕?jù)灰色理論,在灰色關聯(lián)度體系中的各元素需要構建一個理想?yún)⒖贾担╔0),選擇正向指標的最大值作為X0,逆向指標的最小值作為X0[19]。
數(shù)據(jù)無量綱化處理:正向指標用各指標的比較數(shù)列Xi除以對應的X0,逆向指標用X0除以Xi。
計算關聯(lián)系數(shù),見公式(8)。
式中:ζi(k)為關聯(lián)系數(shù);Δi(k)為Xi數(shù)列與X0數(shù)列在k點的絕對差;miniminkΔi(k)為二級最小差,即Δi(k)的最小值;maximaxkΔi(k)為二級最大差,即Δi(k)的最大值;ρ為分辨系數(shù)(0.5)。
加權關聯(lián)度(ri*)按公式(9)計算。
SPSS 19.0軟件的單因素方差分析進行差異顯著性分析,使用Excel 2016軟件制作圖表。使用SPSS 19軟件對采集的數(shù)據(jù)進行復相關系數(shù)計算和主成分分析[20]。
圖1 不同解凍方式對樹莓解凍效率的影響Fig. 1 Effects of different thawing methods on thawing efficiency of raspberry
如圖1所示,不同解凍組解凍時間差異極顯著。微波解凍的時間最短,解凍效率最高,其次是超聲波解凍,因為微波是一種高頻電磁波,當食物處于微波場中時會吸收微波能量使自身加熱,微波能夠以2 450 MHz的振蕩頻率快速穿透樹莓,從而節(jié)省解凍時間[21];超聲波也可進入樹莓內(nèi)部,同時這種方法以水為介質(zhì),也可加速解凍。水浴解凍、室溫解凍和冷藏解凍均屬于外部解凍,其中水浴解凍通過樹莓與水接觸,可增加傳熱速率;室溫解凍與冷藏解凍屬于緩慢解凍方式,冷藏解凍溫度低、速度最慢。
果蔬的含水量是區(qū)分新鮮程度的重要標準[22],如圖2所示,不同解凍方式對樹莓造成的汁液損失差異極顯著,Phothiset等[23]的研究表明,凍融過程均會導致果蔬水分流失,這是因為冰晶可破壞細胞膜和細胞壁,在解凍過程中,受損細胞的水分被釋放出來。由于速凍在細胞內(nèi)形成的冰晶較小,可減少細胞壁損傷,因此本實驗選擇了速凍樹莓作為實驗材料。微波可穿透樹莓,使樹莓內(nèi)的極性分子相互摩擦產(chǎn)生熱量,可達到內(nèi)外同時加熱的目的,降低了汁液損失率。而水浴和超聲波解凍組汁液損失率較高,這是因為這兩種解凍方式都在水中進行,當樹莓表面融化時,冰晶對表面細胞膜的壓力減小,從而使樹莓內(nèi)外產(chǎn)生壓力差,使汁液向外流出。室溫解凍和冷藏解凍的解凍條件較溫和,不會因為溫度瞬間升高造成汁液外滲。
圖2 不同解凍方式對樹莓汁液損失率的影響Fig. 2 Effects of different thawing methods on drip loss of raspberry
2.3.1 樹莓果汁加工特性指標的分析
由表1可知,經(jīng)5 種解凍方式處理后,樹莓汁的16 項加工特性指標差異均顯著,說明不同解凍方式對樹莓果汁的生產(chǎn)加工有較大影響。其中,出汁率、SSC、總糖質(zhì)量分數(shù)、還原糖質(zhì)量分數(shù)的差異可能是解凍過程中的汁液損失不同造成的,微波解凍后這些指標均最高,水浴解凍后最低;解凍過程對樹莓多酚和花色苷含量均有影響,與室溫解凍和冷藏解凍相比,微波解凍能更好地保留酚類和花色苷,這與Khattab等[24]的研究結論一致。
速凍樹莓的L*、a*、b*值分別為31.10±0.42、22.93±0.58、14.36±0.51。Delgado等[25]的研究結果表明,在解凍過程中樹莓的組織損傷導致色素損失,而在本實驗中,解凍后的樹莓的a值有所降低,表明樹莓紅色素發(fā)生降解,樹莓產(chǎn)生色差與褐變有關,褐變越嚴重,色差值ΔE越大,ΔE值最大的是微波解凍組,這與褐變度的結論一致。
超聲波解凍處理后的樹莓總酸質(zhì)量分數(shù)最低,冷藏解凍和室溫解凍后的總酸質(zhì)量分數(shù)較高,可能是由于這兩種方式的解凍時間較長,造成了反酸的現(xiàn)象。
表1 不同解凍方式條件下樹莓果汁加工特性指標Table 1 Processing characteristics of raspberry juice with different thawing treatments
表2 樹莓果汁加工特性指標的相關性分析Table 2 Correlation analysis of processing characteristics of raspberry juice
微波解凍后粗蛋白含量最低,可能是由于微波解凍產(chǎn)生的瞬間溫度較高,使蛋白質(zhì)的結構受到破壞,而超聲波解凍和水浴解凍溫度比微波解凍低,解凍所耗時間較短,更有利于蛋白質(zhì)的保留。
果汁的黏度主要與果汁內(nèi)蛋白質(zhì)和糖的含量有關,速凍樹莓經(jīng)解凍之后,其果汁的黏度差異顯著,超聲波解凍后的樹莓果汁黏度最高,為4.86 mPa·s,微波解凍后的果汁黏度最低,為1.07 mPa·s。
研究表明,VC會在有氧條件下發(fā)生酶促和非酶促褐變而降解[8],同時VC是水溶性、熱敏性維生素,冷藏解凍是緩慢溫和的解凍方式;因此經(jīng)冷藏解凍處理后的樹莓果汁VC含量最高,水浴解凍后VC損失最嚴重。
2.3.2 相關性分析
如表2所示,出汁率與總糖質(zhì)量分數(shù)、還原糖質(zhì)量分數(shù)、SSC、總酚含量、ΔE值呈極顯著正相關,與L、a、b值及褐變度、黏度呈顯著或極顯著負相關;褐變度與L值呈極顯著負相關,說明樹莓褐變越嚴重其亮度越低;黏度與粗蛋白含量、總糖質(zhì)量分數(shù)分別呈極顯著和顯著正相關,說明果汁中的蛋白質(zhì)和糖類含量越高,其黏度越大。此外,總糖質(zhì)量分數(shù)與還原糖質(zhì)量分數(shù)、總酚含量、SSC均呈極顯著正相關,糖酸比與總糖質(zhì)量分數(shù)呈極顯著正相關,與總酸質(zhì)量分數(shù)呈極顯著負相關。16 項指標的相關性說明了這些指標信息的重疊,因此對16 項指標進行主成分分析具有重要意義,有利于簡化和篩選出有代表性的指標,提高分析的準確性[26]。
2.3.3 主成分分析
由表3可知,16 項指標的主成分分析中前4 個主成分的初始特征值大于1,且前4 個主成分的累計方差貢獻率達到95.043%,可以代表這16 項指標的大部分信息[27],因此共提取出4 個主成分。
表3 主成分分析中解釋主成分的特征值與總方差Table 3 Characteristic value and total variance explained of principal components in principal component analysis
表4 16 項指標主成分分析的成分載荷矩陣Table 4 Component load matrix of principal component analysis of 16 indicators
由表3、4可知,第1主成分的方差貢獻率達到31.4%,主要綜合了a值、b值、褐變度、ΔE值、總酸質(zhì)量分數(shù)的信息,其中a值、b值、褐變度、總酸質(zhì)量分數(shù)與第1主成分呈正相關,ΔE值與第1主成分呈負相關。第2主成分的方差貢獻率為30.311%,綜合了L值、黏度、粗蛋白含量、花色苷質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量分數(shù)、SSC的信息,其中花色苷質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量分數(shù)、SSC與第2主成分呈正相關,L值、黏度、粗蛋白含量與第2主成分呈負相關。第3主成分的方差貢獻率為22.622%,包含了出汁率、總糖質(zhì)量分數(shù)、總酚含量、VC含量的信息,這些指標與第3主成分均呈正相關。第4主成分方差貢獻率為10.71%,主要是糖酸比,其與第4主成分呈正相關。
圖3 5 種解凍方式的主成分分析二維排序圖Fig. 3 Two dimension distribution figure of principal component analysis of 5 kinds of thawing methods
如圖3所示,主成分分析圖可以反映出不同解凍方式對16 項指標的影響情況,參照公麗艷等[20]的主成分分析圖制作方法,分別以第1主成分為橫坐標,第2、3、4主成分為縱坐標作圖。冷藏解凍和水浴解凍在第1主成分(PC1)的正向,說明經(jīng)過冷藏解凍和水浴解凍處理后,樹莓中與第1主成分呈正相關的指標(a值、b值、褐變度、總酸質(zhì)量分數(shù))較高。微波解凍、室溫解凍、超聲波解凍在第1主成分的負向,說明樹莓顏色變化(ΔE)較大;第2主成分中,水浴解凍和超聲波解凍位于負向,說明經(jīng)兩種解凍方式處理后,樹莓果汁的蛋白質(zhì)含量較高,黏度較大。第3主成分中,冷藏解凍、室溫解凍和微波解凍同樣位于正向,說明這3 種解凍方式有利于保留樹莓的總糖、總酚、VC等營養(yǎng)成分,且出汁率較高。第4主成分中,微波解凍處于正向,說明微波處理后的樹莓糖酸比較高,口感更好。結合2.3.1節(jié)的結論,說明5 種解凍方式各具特點,因此有必要進一步對16 項指標進行聚類分析和灰色關聯(lián)度分析,對5 種解凍方式進行綜合評價。
2.3.4 聚類分析
圖4 16 項指標的聚類分析Fig. 4 Clustering analysis of 16 indicators
運用聚類分析對16 項指標分類[28]。圖4為16 項指標的聚類分析結果,共可分為3大類,第1類為出汁率、還原糖質(zhì)量分數(shù)、SSC、總糖質(zhì)量分數(shù)、總酚含量、花色苷質(zhì)量濃度、糖酸比和ΔE;第2類為黏度、粗蛋白含量、L值;第3類為a值、褐變度、總酸質(zhì)量分數(shù)、b值和VC含量。
2.3.5 指標的篩選
由于聚類分析的第1類中包含指標較多,且主成分分析中共分為4 個主成分,因此考慮在16 項指標中篩選4 項有代表性的指標進行灰色關聯(lián)度分析。本實驗主要通過比較各指標的復相關系數(shù)(R)對指標進行篩選,在聚類分析中,第1類指標的復相關系數(shù)R出汁率=0.990、R總糖=0.974、R花色苷=0.977、R總酚=0.964、R還原糖=0.946、R糖酸比=0.985、RΔE=0.976、RSSC=0.938,出汁率和糖酸比的R較大,且糖酸比為主成分分析中第4主成分的重要指標,因此選擇出汁率和糖酸比作為評價指標。第二類指標中,R粗蛋白=0.928、RL=0.824、R黏度=0.937,選擇黏度作為評價指標。第三類指標中,R總酸=0.869、Rb=0.701、R褐變度=0.966、Ra=0.960、RVC=0.548,選擇褐變度作為評價指標。因此最終篩選的指標為出汁率、黏度、糖酸比、褐變度。
2.3.6 確定權重
在統(tǒng)計分析中,當對出汁率、黏度、糖酸比和褐變度進行綜合評價時,4 項指標對評價結果并不是同等重要,權重系數(shù)反映了4 項指標的重要程度,評價指標權重系數(shù)越大,對結果影響越大。確定權重系數(shù)的方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法,主觀賦權法主要通過多位專家根據(jù)經(jīng)驗對評價指標進行打分,對指標賦權[29]。本實驗選擇的熵權法屬于客觀賦權法,這種方法更為科學簡便。如表5所示,出汁率、黏度、糖酸比、褐變度的貢獻率分別為0.784、0.823、0.774、0.716,權重系數(shù)分別為0.239、0.196、0.250、0.315。
表5 評價指標的權重系數(shù)Table 5 Weight coefficients of evaluation indicators
2.3.7 灰色關聯(lián)度分析
在確定灰色關聯(lián)度之前需設定每個指標的理想?yún)⒖贾?,正向指標選取最大值作為參考值,逆向指標選取最小值作為參考值,在適當范圍內(nèi)4 項指標中出汁率、黏度、糖酸比屬于正向指標,褐變度屬于逆向指標,因此選取的理想?yún)⒖贾担撼鲋蕿?5.92%,黏度為4.86 mPa·s,糖酸比為3.23,褐變度為0.32。
表6 不同解凍方式的灰色關聯(lián)度分析Table 6 Grey correlation degree analysis of different thawing methods
表6是由公式(8)計算所得的關聯(lián)系數(shù),結合權重系數(shù),計算加權關聯(lián)度,其中微波解凍的加權關聯(lián)度最高,為0.659,說明經(jīng)綜合評價微波解凍能夠更好地保持樹莓的品質(zhì),微波解凍后的樹莓果汁質(zhì)量最好,關聯(lián)度最低的為水浴解凍,該解凍方式營養(yǎng)流失較嚴重。
采用不同解凍方法解凍樹莓的解凍時間、汁液損失率差異極顯著,解凍時間從短到長的順序為:微波解凍<超聲波解凍<水浴解凍<室溫解凍<冷藏解凍,汁液損失率從小到大的順序為:微波解凍<室溫解凍<冷藏解凍<超聲波解凍<水浴解凍,微波解凍所耗時間最短,且樹莓汁液損失率最低。
16 項樹莓汁加工特性指標的主成分分析和聚類分析表明:微波解凍后樹莓的總糖、還原糖、總酚等營養(yǎng)成分保留較好,但顏色變化較大;水浴解凍和超聲波解凍有利于保留樹莓汁中的蛋白質(zhì),但解凍后的樹莓汁黏度較大。
經(jīng)灰色關聯(lián)度分析綜合評價,微波解凍對16 項樹莓汁加工特性指標影響較小,與其他4 種解凍方式相比,經(jīng)微波處理后的樹莓更加適合制作樹莓汁。