李作美,張飛躍,汪春涵,吳珊珊

(1.蚌埠學院食品與生物工程學院,安徽蚌埠 233030;2.中國科學技術大學生命科學院,安徽合肥 230027)

庫爾勒香梨屬于新疆梨種,原產于南疆巴音郭楞蒙古自治州和阿克蘇等地,是11種國家地理標志保護特色林果之一,具有較強的地域特性,享有“梨中王子”的美譽,遠銷歐美等國家[1]。庫爾勒香梨屬于果糖與葡萄糖含量高、糖酸比高的類型,果膠含量也很高,帶負電的果膠由于表面活性和靜電吸引力包裹在脂滴表面形成一層保護膜,阻止脂肪酶與脂滴的接觸[2-5]。香梨中還含有大量的維生素B,對人的生長發(fā)育有著重要作用[6]。庫爾勒香梨的成熟果實表皮呈綠色、肉質細脆、甜度高,且具有皮薄、渣少等特性,這是區(qū)別于其他品種的典型品質特征[7]。常吃庫爾勒香梨可以緩解疲勞[8],同時香梨具有很多作用,比如:解渴、化痰、清熱、潤燥、解酒等;有研究表明,為了提高庫爾勒香梨的產量和質量,延長貯藏保鮮期[9],可以選擇培育抗寒新品種。隨著科技的發(fā)展,庫爾勒香梨產業(yè)的附加值和經濟效益都獲得了顯著提高[10]。

目前,果蔬保鮮的方法很多,保鮮膜的種類也繁多,但就其材質而言,主要有三種:聚乙烯(PE)膜、聚氯乙烯(PVC)膜和聚偏二氯乙烯(PVDC)保鮮膜。這三種膜雖然具有一定的保鮮功能,但是它們都不具備抗菌性和生物可降解性,是環(huán)境的白色污染源。因此,需要開發(fā)且具有保鮮功能、可食性、可降解的抗菌保鮮膜,可食性復合膜保鮮技術操作工藝簡單,是成本較低的一種保鮮技術[11-12]。可食性膜作為食品工業(yè)的研究熱點,可廣泛應用于多個領域,如果蔬保鮮、肉制品和水產品的加工保鮮、油炸、焙烤食品和糖果的包被膜等。因此,本論文對此進行了研究,以玉米淀粉為原料,羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose)為增稠劑,甘油為增塑劑,利用茶多酚的抑菌性質,從而達到保鮮效果。本文通過對市場上出售的庫爾勒香梨進行涂膜保鮮,從而達到延長保質期的目的,最終采用響應面優(yōu)化試驗以找到各因素間最優(yōu)配比。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

庫爾勒香梨、淀粉、去離子水等均為食用級 購于大潤發(fā)超市；茶多酚 浙江東方茶葉科技有限公司;羧甲基纖維素鈉(CMC) 上海申光食用化學品有限公司;甘油 鄭州食全食美商貿有限公司。

APTP416A型分析天平 購于諸暨市超澤衡器設備有限公司;ZILI-8-100型均質機 購于浙江奉化巨浪機械制造廠;DH-360ASB型恒溫干燥箱 購于上海市三發(fā)科學儀器有限公司;HH-2型數顯恒溫水浴鍋 購于金壇市杰瑞爾電器有限公司;UV-600型分光光度計 購于上海予華科技儀器有限公司;LX-C型硬度測試儀 購于濟南美特斯測試技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 香梨預處理 準確稱取一定量某種類的淀粉,在100 mL去離子水中溶解完全,然后加入一定量的甘油、CMC、茶多酚混合液并將其編號,攪拌混勻,將混合液放置于溫度為80 ℃恒溫水浴鍋中,攪拌30 min使其充分溶解,即可制得涂膜保鮮劑。將涂膜保鮮劑均勻涂至庫爾勒香梨表面,將涂膜后的庫爾勒香梨放置于30 ℃恒溫干燥箱中干燥45 min,直至庫爾勒香梨表面無水分殘留。稱量涂抹后果實質量,30 ℃恒溫貯藏30 d,每5 d稱量一次,計算失重率。未經過涂膜的對照組也在同樣的條件下計算失重率。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 淀粉種類的選擇 分別稱取1、2、3、4、5、6 g玉米淀粉、小麥淀粉和木薯淀粉,加入去離子水溶解,然后分別加入1 g甘油、0.3 g CMC和0.3 g茶多酚的混合液,并將其編號,攪拌混勻,將混合液放置于溫度為80 ℃恒溫水浴鍋中,攪拌30 min使其充分溶解,即可制得涂膜保鮮劑。然后將涂膜保鮮劑均勻涂至庫爾勒香梨表面,將涂膜后的庫爾勒香梨放置于30 ℃恒溫干燥箱中干燥45 min,直至庫爾勒香梨表面無水分殘留。稱量涂抹后果實質量,30 ℃恒溫貯藏30 d,每5 d稱量一次,計算失重率。

1.2.2.2 單因素實驗的選擇 選取在1.2.2.1基礎上確定的淀粉,設置淀粉的添加量為0、1、2、3、4、5 g時,甘油的添加量是1 g,茶多酚的添加量是3 g,CMC的添加量是0.3 g;設置甘油的添加量為 0、1、2、3、4、5 g時,淀粉的添加量是5 g,茶多酚的添加量是3 g,CMC的添加量是0.3 g;設置CMC的添加量0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g時,淀粉的添加量是5 g,茶多酚的添加量是3 g,甘油的添加量是1 g;當茶多酚的用量0、1、2、3、4、5 g時,淀粉的添加量是5 g,CMC的添加量是0.3 g,甘油的添加量是1 g。

1.2.3 響應面試驗設計 采用響應面分析軟件,研究了CMC、茶多酚和甘油三種影響因素的響應面優(yōu)化分析,并建立了三因素和三水平Box-Behnken試驗設計。根據響應面試驗原理,分析了涂膜庫爾勒香梨的失重率,因為果實的新鮮程度主要是看果實是否飽滿、水分是否充足等指標來衡量的,所以以失重率作為考察的目標，優(yōu)化各指標工藝參數。

表1 響應面因素水平表Table 1 Factors and level of response surface

1.2.4 驗證實驗 準確稱取玉米淀粉5.00 g,茶多酚3.00 g,甘油1.00 g,CMC 0.30 g各三份,分別用去離子水溶解,并定容至100 mL,將其編號分別為1～3號,攪拌混勻,按照步驟1.2.1處理,每個試驗重復3次,最后計算失重率。

1.2.5 貯藏實驗

1.2.5.1 貯藏條件 在貯藏溫度為30 ℃,濕度為70%的條件下,分別在10、20、30 d對香梨的空白組、對照組和樣品組進行硬度、可溶性固形物、可滴定酸及多酚氧化酶活性的測定,空白組是沒有進行涂膜保鮮的一組,樣品組是經響應面優(yōu)化后各成分最佳的涂膜保鮮組,對照組是沒有添加茶多酚成分,其他成分和樣品組相同的一組。

1.2.5.2 硬度測定 將果實放置于測試平板上,采用φ2 mm柱頭進行穿刺實驗。測試參數為測前速度2 mm/s,測后速度5 mm/s,最小感知力5 g,穿刺深度10 mm,每個果實測定兩次,每隔10 d測定一次,并記錄[13]。

1.2.5.3 可溶性固形物的測定 取果實上、中、下不同部位的果肉,將果肉混合,用鑷子取汁液在手持測糖儀上測定。每個果實重復2次,取平均值。每隔10 d測定一次,并記錄。

1.2.5.4 可滴定酸的測定 去皮稱取50 g,加入50 mL水,用組織搗碎機搗碎并混合均勻。取適量樣品50 g,用移液管吸取15 mL將其移入250 mL容量瓶中,在75～80 ℃水浴鍋上加熱30 min,冷卻后定容,用濾紙過濾,棄去初始濾液25 mL,收集濾液到錐形瓶中備用,移取50 mL濾液于三角瓶中,加酚酞指示劑3～4滴。用標定的0.01 mol/L的NaOH溶液滴至粉紅色,持續(xù)30 s不褪色,記下消耗的NaOH溶液體積。每個樣品重復滴定2次,取其平均值。每隔10 d測定一次,并記錄。

1.2.5.5 多酚氧化酶活性的測定 取5.0 g洗凈的原料,加入5 mL 0.05 mol/L pH5.5磷酸緩沖溶液,研磨成勻漿,在4000 r/min離心15 min,上清液移入25 mL容量瓶中,沉淀用緩沖液再提取2次,轉入容量瓶中定容,得粗酶液,低溫保存?zhèn)溆谩Ｈ缓筮M行活性測定,反應體系包括1 mL 0.05 mol/L pH5.5磷酸緩沖液,1 mL 0.1 mol/L鄰苯二酚和1 mL粗酶液,在30 ℃保溫10 min,立即加入2 mL 20%三氯乙酸,用分光光度計在525 nm處測吸光度,吸光度越高,多酚氧化酶的活性就越高。每隔10 d測定一次,并記錄數據[14]。

1.2.5.6 參數指標的計算方法 失重率計算公式如下[15]:

失重率(%)=(貯藏前果實的質量-貯藏N d果實的質量)/貯藏前果實的質量×100

1.3 數據分析

通過Design-Expert軟件,對響應面試驗的結果進行分析,實驗結果與響應面測試分析的結果進行比較。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同淀粉對香梨失重率的影響 從圖1可以看出,玉米淀粉、小麥淀粉及木薯淀粉隨著添加量的增加,失重率隨之降低,三種淀粉在1～4 g,失重率降低明顯,但玉米淀粉相對于小麥淀粉和木薯淀粉失重率的降低要少一些。當三種淀粉的添加量在4～6 g,降低趨勢不太明顯。綜合考慮,玉米淀粉對香梨失重率的影響要小于小麥淀粉和木薯淀粉,這可能是由于玉米淀粉形成了高直鏈玉米淀粉膜,具有較高的阻隔性和抗拉強度,透明度、抗水性能均優(yōu)于小麥淀粉和木薯淀粉,所以選擇玉米淀粉進行試驗。

圖1 淀粉種類的確定Fig.1 Determination of grain species

2.1.2 不同添加量的玉米淀粉對香梨失重率的影響 可食用膜制作中添加一定量的淀粉,是因為其具有透明度高,耐折性好,透氣率低等優(yōu)點[16]。從圖2可以看出隨著貯藏天數的延長,不同添加量的玉米淀粉失重率也隨之增加,在沒有添加玉米淀粉的對照組失重率變化最大,在15 d時失重率為20.37%,此時香梨表面已出現(xiàn)了腐爛現(xiàn)象。在玉米淀粉添加量為1～5 g時,隨著貯藏天數的延長,香梨的失重率增大較小的一組是添加量為5 g的玉米淀粉。 因此后續(xù)選擇5 g的玉米淀粉進行試驗。

圖2 玉米淀粉使用量的確定Fig.2 Determination of corn starch content

2.1.3 甘油的添加量對保鮮效果的影響 甘油具有相對低的極性,可阻隔空氣,抑制水分揮發(fā)和細菌生長,降低在搬運過程中的劃痕,在貯藏過程中控制水果產生腐爛[17]。從圖3可看出,隨甘油添加量增加,香梨的失重率隨之下降,當甘油添加量為1 g時,在第5 d失重率降低至2.79%±0.1%。當貯藏時間在第25 d時,甘油用量從1 g增加到5 g的過程中,失重率增大了約為3.46%,而對照組在15 d時失重率為20.54%,香梨表面出現(xiàn)了黑斑,果肉出現(xiàn)了腐爛現(xiàn)象。這可能是甘油有親水性,可與水混溶,原因可能是其具有流動性,并且該流動性伴隨水分增加而增加,故而有利于霉菌的生長,導致失重率增大[18]。因此選擇甘油的添加量在1 g進行后續(xù)的試驗。

圖3 甘油添加量的確定Fig.3 Determination of glycerol content

2.1.4 CMC的添加量對保鮮效果的影響 CMC是具有無臭、無味、無毒、不易燃的白色化合物,在冷水中溶解以形成透明的、粘稠的溶液。食品級CMC具有許多功能,它可以改善口感,提高產品的檔次和質量,并延長保質期[19]。從圖4可看出,在5～30 d之間,隨著CMC添加量增加,香梨的失重率隨之下降,當CMC在30 d添加量為0.3 g時,失重率降低至4.88%。當CMC添加量超過0.3 g時,失重率又開始增大。而對照組在15 d時失重率為17.98%,并且香梨的表面開始出現(xiàn)黑斑,有腐爛現(xiàn)象。 所以選擇在0.2～0.4 g范圍進行下一步試驗。

2.1.5 茶多酚的添加量對保鮮效果的影響 茶多酚是從茶葉中提取的主要化學成分,在天然食品添加劑中,目前是最具應用前景的天然食品添加劑。茶多酚具有很強的還原性,在食品中作保鮮劑和抗氧化劑[20]。茶多酚還可抑制食品中亞硝胺的生成,從而起防腐作用。從圖5可看出,茶多酚分別為1、2、3、4、5 g時在5～30 d之間的變化趨勢,隨著貯藏時間的延長,添加量不同的茶多酚組分的香梨失重率也隨之增加,當茶多酚添加量為3 g時,在30 d后測得失重率降低至4.02%。對照組隨著貯藏時間的延長,失重率也隨之增加,且在第15 d時出現(xiàn)了腐爛變質現(xiàn)象。 所以選擇茶多酚在2～4 g范圍進行下一步試驗。

圖5 茶多酚使用量的確定Fig.5 Determination of the amount of tea polyphenols

2.2 響應面優(yōu)化試驗結果分析

2.2.1 響應面設計與結果 通過單因素實驗結果,根據 Box-Behnken 試驗設計原理[21],采用3因素3水平的響應面分析法,如表2所示。對香梨保鮮工藝參數進行優(yōu)化分析,如表2所示。

表2 試驗設計以及結果Table 2 Experimental design and result

2.2.2 方差分析 以香梨的失重率為考察指標,通過運用Design Expert 8.0數據分析軟件對上述表中的失重率實驗數據進行分析處理,結果如表3。

表3 二次模型及回歸系數分析Table 3 Quadratic model and regression coefficient analysis

從表3中可以看出F=58.01,相應的概率P<0.0001,證明實驗所選用的二次模型具有顯著性。得出二次方程為:

Y=4.16-0.19A-0.20B-1.05C-0.42AB+0.01AC-0.24BC+1.32A2+1.29B2+1.54C2。失擬項的P值為0.0511>0.05,表明試驗模型回歸模型失擬項不顯著,該方程可以準確預測實驗結果。R=0.9407表明預測值和實測值之間具有高度的相關性。由表3可以看出,C、A2、B2、C2對響應值的影響達到高度顯著水平,三因素兩兩交互中AB對香梨失重率的影響顯著。

2.2.3 響應面圖形分析 如圖6所示，隨著甘油添加量不斷增加,香梨的失重率隨之降低。當甘油添加量達到0.90～1.10 g時,失重率達到極值,而當甘油添加量繼續(xù)增加時,失重率增大。隨著CMC添加量的不斷增加,香梨的失重率隨之降低。當CMC添加量達到0.3 g時,失重率達到極值,而當甘油添加量繼續(xù)增加時,失重率增大。

圖6 甘油和CMC的添加量Fig.6 Addition of glycerin and CMC

如圖7所示，隨著甘油添加量的不斷增加,響應面趨勢上升比較陡峭,香梨的失重率隨之降低。而當甘油添加量大于1.10 g,響應面趨勢下降比較平緩,失重率逐漸增大。隨著茶多酚添加量的不斷增加,香梨的失重率隨之降低。當茶多酚添加量達到3 g時,失重率達到極值,而當茶多酚添加量繼續(xù)增加時,失重率增大。

圖7 甘油和茶多酚的添加量Fig.7 Addition of glycerin and tea polyphenols

如圖8所示，隨著MC的添加量的不斷增加,在0.2～0.25 g之間時響應面趨勢上升比較陡峭,0.25～0.3 g之間時響應面趨勢上升比較平緩,香梨的失重率隨之降低。而當CMC添加量大于0.3 g時,響應面趨勢下降比較平緩,失重率逐漸增大。而隨著茶多酚添加量的不斷增加,在2.0～3.0 g之間時響應面趨勢上升比較陡峭,香梨的失重率隨之降低。當茶多酚添加量達到3 g時,失重率達到極值,而當茶多酚添加量繼續(xù)增加時,響應面趨勢下降比較平緩,失重率增大。

圖8 茶多酚和CMC的添加量Fig.8 Addition of tea polyphenols and CMC

2.3 驗證實驗結果分析

通過響應面軟件優(yōu)化數值分析得出茶多酚復合可食性涂膜制備的最佳工藝,為方便操作,將其修正成甘油1 g,茶多酚3 g,CMC 0.3 g。理論上30 d后香梨的失重率為4.36%。在此條件下進行驗證實驗,平行三次。測得的庫爾勒香梨的失重率平均值為4.33%±0.2%,與最佳制備工藝的理論值差別較小,說明該模型優(yōu)化的茶多酚復合可食性涂膜制備最佳工藝具有較高的應用價值。

2.4 貯藏實驗

2.4.1 硬度測定結果分析 如圖9所示，隨著貯藏時間的逐漸增加,果實硬度也隨之降低,空白組的硬度隨著貯藏天數的延長,硬度變化幅度最大,降低最快,在20 d以后完全腐敗;樣品組的硬度下降較緩慢;對照組的果實硬度下降速度相對于空白組較低,并于20 d以后出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象。由此可見,適量的茶多酚可食性膜能延遲果實的軟化。可能的原因是香梨經涂膜后,玉米淀粉與甘油形成了緊密的膜,使香梨質地緊實,其中的水分不易流失,減慢了香梨硬度下降速度。

圖9 硬度測定結果Fig.9 Measurement of the hardness

2.4.2 可溶性固形物測定結果分析 隨著貯藏時間的逐漸增加,果實的可溶性固形物也隨之上升,空白組上升速度最快,而對照組和樣品組果實的可溶性固形物上升的速度相對于空白組較慢。在貯藏時間為30 d時,空白組測得的可溶性固形物含量達到13.6%,涂膜的樣品組測得的固形物含量為9.9%,結果如圖10所示。造成可溶性固形物含量不斷增加的原因可能是香梨中的有機酸和淀粉轉化成了可溶性糖,隨著貯藏時間的延長,涂膜的樣品組是由于在香梨的表明涂上了一層均勻的保護膜,減弱了香梨的生理活動[22],而空白組未經涂膜保護,所以可溶性固形物含量相對多一些。

圖10 可溶性固形物含量測定的結果Fig.10 Determination of soluble solids

2.4.3 可滴定酸的測定結果分析 隨著貯藏時間的延長,香梨的可滴定酸含量隨之下降,未涂膜的空白組下降速度最快,在30 d時可滴定酸含量為0.23%,而涂膜的樣品組和對照組可滴定酸含量下降的速度比空白組要慢,在貯藏時間為30 d時樣品組測得的可滴定酸的含量為0.62%,結果如圖11所示。導致香梨在貯藏過程中可滴定酸含量下降的原因,可能是香梨的呼吸作用使有機酸不斷被消耗,致使空白組降低較快。涂膜的樣品組和對照組是由于茶多酚可食性膜在香梨的表面形成了均勻、緊密的保護層,降低了香梨在貯藏中有機酸轉化的速度,且茶多酚有抑制微生物的生長的作用,減少了微生物分解營養(yǎng)成分產生的酸類物質。

圖11 可滴定酸含量測定的結果Fig.11 Determination of titratable acid content

2.4.4 多酚氧化酶的活性測定結果分析 在525 nm處測吸光度,隨著貯藏時間的逐漸增加,香梨的多酚氧化酶的活性也隨之升高,空白組明顯升高速度最快,并在20 d時完全腐敗變質,而樣品組和對照組香梨的多酚氧化酶的活性升高速度相對于空白組較低,涂膜的樣品組在30 d時,測得的吸光度值為0.13 Au,結果如圖12所示。由于香梨在貯藏過程中未經滅酶處理,所以空白組酶的活性很高,一直上升較快,而涂膜的樣品組和對照組相對空白組上升較慢,可能是膜中的成分影響到了多酚氧化酶作用的條件,抑制了酶的分解作用。

圖12 多酚氧化酶的活性測定結果Fig.12 Determination of the polyphenol oxidase activity

3 結論

本論文的研究結果說明了茶多酚復合可食性涂膜對香梨的保鮮起到了一定的作用。對前人的研究方法進行了改進,添加的茶多酚具有很強的抑菌能力。本文研究的不足之處,就是沒有進行具體的抑菌試驗,今后會作進一步的研究。本文采用響應面優(yōu)化設計試驗對玉米淀粉、CMC、甘油、茶多酚進行了優(yōu)化,得到最佳香梨保鮮涂膜制作工藝條件為:玉米淀粉添加量為5 g,甘油添加量為1 g,茶多酚添加量為3 g,CMC添加量為0.3 g,在此優(yōu)化條件下,30 d香梨的失重率為4.33%,為了驗證實驗結果的準確性,進而對香梨進行了貯藏實驗的測定,在30 ℃條件下分別在10、20和30 d對香梨的樣品組、對照組和空白組進行了硬度、可溶性固形物、可滴定酸、多酚氧化酶的活性的測定,測定結果表明，在30 d香梨的實驗組硬度為30 N/cm2,可溶性固形物9.9%,可滴定酸0.62%,在525 nm處的吸光度值0.13 Au,這和空白組及對照組相比,香梨在貯藏期間保鮮期最長,空白組和對照組在貯藏20 d時就已發(fā)生腐爛現(xiàn)象,從而進一步證實了實驗模型的可靠性。