魏雪琴，陳美鈺，游趙微，魏思艷，吳玉瓊, ，龐 杰

（1.武夷學院茶與食品學院，福建武夷山 354300；2.福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建福州 350002）

益生菌發(fā)酵不僅能使植物的產(chǎn)品風味、質(zhì)地、功效得到改善，而且能去除部分有害成分，增強益生功能[1]。其中，酵素（Jiaosu）是一種以植物或菌類等為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵制得的含有特定生物活性成分的產(chǎn)品[2]，其生物活性成分主要包括：維生素、蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖、寡糖、多酚、礦物質(zhì)、酶及多肽等[3?4]。近年，酵素已在中國、日本及其他亞洲國家地區(qū)盛行[5]。據(jù)報道，酵素具有顯著的抗氧化、抑菌、護肝、減肥等功效[6?9]。2019 年，國家發(fā)展和改革委員會將“酵素生產(chǎn)工藝技術(shù)開發(fā)及工業(yè)化、規(guī)范化生產(chǎn)”列入《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2019 年本）》鼓勵類，作為新興的功能性微生物發(fā)酵產(chǎn)品，酵素前景廣闊。目前，酵素研究主要圍繞其發(fā)酵工藝[10?12]、組分[13?15]、生物活性[16?18]以及菌種的分離、篩選與鑒定[19?21]等，而針對酵素開發(fā)新型功能性食品的研究相對較少[22?23]。

不同果蔬原料制得的酵素在理化品質(zhì)和活性等方面均存在差異[24]。桑葚（Morus albaL.）味甜汁多，色澤鮮麗，含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和功能成分，是極具開發(fā)與利用價值的果實。目前，桑葚酵素的研制已見報道[25?27]。基于桑葚發(fā)酵液所具有的酸性及生物活性特征，桑葚酵素可為酸溶性凝膠基質(zhì)的溶解提供條件，并具有作為功能性成分填充或包封于食品水凝膠中以提高食用凝膠營養(yǎng)價值的潛能。

凝膠化性質(zhì)是多糖大分子生物功能的重要方面，在食品加工中，海藻酸鈉、殼聚糖、卡拉膠等親水膠體最重要的功能特性之一是其凝膠性，凝膠性不僅能夠顯著影響最終產(chǎn)品的質(zhì)地和感官特性，而且能夠改善產(chǎn)品功能性成分的不穩(wěn)定性、生物活性和生物利用度。Li 等[28]利用海藻酸鈉微凝膠包封從南酸棗果皮分離的原花青素組分獲得良好包封率和釋放特性；Yan 等[29]利用海藻酸鈉與玉米醇溶蛋白作為凝膠劑制備可食用雙交聯(lián)乳液凝膠有效改善了姜黃素和白藜蘆醇耐光性和生物有效性；Xie 等[30]將藍莓花色苷與硫酸軟骨素納米復合物嵌入卡拉膠水凝膠中以提升藍莓花色苷的穩(wěn)定性。另外，利用多糖分子間協(xié)同相互作用可實現(xiàn)多糖的凝膠化，如聚陽離子殼聚糖與聚陰離子海藻酸鈉在水溶液中可形成共混凝膠[31]。因此，本研究以食用殼聚糖、海藻酸鈉、桑葚酵素為原料，利用鈣離子的交聯(lián)作用，制備桑葚酵素食用凝膠，通過單因素實驗和響應面分析法優(yōu)化酵素凝膠制備工藝，旨在為新型酵素功能食品開發(fā)提供科學依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桑葚食用酵素 正果生物科技（上海）有限公司，理化品質(zhì)相關(guān)指標分別為：總酸11.1 g/kg、粗多糖1.44 mg/mL、總黃酮0.27 mg/mL、總多酚0.35 mg/mL、總抗氧化能力88.49 U/mL；殼聚糖 食品級，源豐生物科技有限公司；海藻酸鈉 分析純，源葉生物科技有限公司；無水氯化鈣 分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

LLOYD-LS5 萬能材料試驗機 美國勞埃德；AE224 電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；DF-101S 集熱式磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；WP-UP-UV-20 電熱鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司；HJ-40SI 電動攪拌器常州高德儀器制造有限公司；Neofuge 15R 高速冷凍離心機 上海力申科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酵素凝膠的制備 稱取一定質(zhì)量海藻酸鈉，加水充分溶解后，取30 g 海藻酸鈉溶液，于攪拌狀態(tài)下與一定質(zhì)量的殼聚糖和6.8 g 桑葚酵素混合，攪拌30 min，室溫離心（10000 r/min）10 min。離心后的溶膠按5 g/份倒入聚苯乙烯培養(yǎng)皿（φ 6 cm），保鮮膜密封，置于4 ℃冰箱冷藏16 h 后，置于一定濃度的氯化鈣溶液中固化交聯(lián)一定時間[32]，獲得桑葚酵素食用凝膠。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比對酵素凝膠的影響 控制交聯(lián)時間為60 min，氯化鈣濃度為10 mg/mL條件下，將質(zhì)量比設為5:2、5:3、5:4、5:5、5:6、5:7 進行實驗，考察不同質(zhì)量比對酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)指標的影響。

1.2.2.2 交聯(lián)時間對酵素凝膠的影響 基于1.2.2.1結(jié)果，即海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比為5:3，并控制氯化鈣濃度為10 mg/mL 條件下，考察不同交聯(lián)時間（30、60、90、120、150、180 min）對酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)指標的影響。

1.2.2.3 氯化鈣交聯(lián)濃度對酵素凝膠的影響 基于

1.2.2.1 與1.2.2.2 結(jié)果，即海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比5:3，交聯(lián)時間120 min 條件下，研究5、10、15、20、25、30 mg/mL的不同氯化鈣濃度對酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)指標的影響。

1.2.3 響應面試驗設計 在單因素實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，選取m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）（A）、交聯(lián)時間（B）、氯化鈣濃度（C）為自變量，以酵素凝膠的硬度、膠著性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)參數(shù)為響應值，采用響應曲面法中Box-Behnken Design（BBD）設計三因素三水平的優(yōu)化試驗。根據(jù)響應面試驗設計結(jié)果，優(yōu)化桑葚酵素凝膠最佳制備工藝。響應面試驗因素水平編碼表如表1所示。

表1 響應面試驗因素水平設計Table 1 Factors and levels for response surface test

1.2.4 酵素凝膠質(zhì)構(gòu)的測試 采用萬能材料試驗機對酵素凝膠進行TPA（硬度、膠著性、咀嚼性）測定。測定前，將樣品通過打孔器切割成φ 1.5 cm×2 mm的圓柱體。測定條件為：選擇φ 38.1 mm的柱型壓縮探頭，預載應力為1 gf、預載/應力速度為2 mm/min，壓縮速度為2 mm/min、回復速度為2 mm/min，壓縮到樣品高度的40%，兩次壓縮停頓持續(xù)時間為5 s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

響應面設計和優(yōu)化分析采用Design Expert 8.0.6 統(tǒng)計軟件，實驗數(shù)據(jù)整理與繪圖采用Microsoft 2016 Excel。每組實驗重復3 次，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比對酵素凝膠的影響在交聯(lián)時間60 min，氯化鈣濃度10 mg/mL 條件下，不同海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比對凝膠硬度、膠著性、咀嚼性的影響如圖1 所示。由圖1 可知，當m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:2 時，酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性處于最小值；當海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比降至5:3 時，酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性均達到最大值，而后明顯下降。這可能與天然聚陽離子殼聚糖與天然聚陰離子海藻酸鈉之間的相互作用有關(guān)[33]。在桑葚酵素酸性環(huán)境中，殼聚糖中氨基質(zhì)子化后帶正電荷，當海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比較高時，殼聚糖分子鏈上的氨基與海藻酸鈉的羧基靜電相互作用力強，形成的復合凝膠結(jié)構(gòu)致密，表現(xiàn)為較高的硬度、膠著性、咀嚼性；當復合體系中殼聚糖比例進一步增大，即海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比降低時，殼聚糖分子鏈上帶正電的氨基相互排斥力增強，復合凝膠體系致密性下降，從而使質(zhì)構(gòu)參數(shù)降低。因此，優(yōu)選海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比為5:3。

圖1 海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比對酵素凝膠的影響Fig.1 Effect of mass ratio of sodium alginate to chitosan on Jiaosu gel

2.1.2 交聯(lián)時間對酵素凝膠的影響 以m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:3 為海藻酸鈉與殼聚糖的最優(yōu)質(zhì)量比，進一步考察不同交聯(lián)時間對酵素凝膠質(zhì)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，當交聯(lián)時間為120 min 時，酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性均達到最大值。當交聯(lián)時間小于120 min 時，凝膠硬度、膠著性、咀嚼性均隨著交聯(lián)時間的延長而增大，這是由于交聯(lián)時間的延長使得海藻酸鈉與鈣離子之間進行充分的交聯(lián)，凝膠變得更加致密，硬度、膠著性、咀嚼性隨之增大；當交聯(lián)時間大于120 min 時，凝膠硬度、膠著性、咀嚼性均呈下降趨勢，這可能與凝膠吸水率增大有關(guān)[34]。因此，適宜的交聯(lián)時間為120 min。

因循慎終追遠式的反思，人類與外部世界及其自身關(guān)系的體認，已經(jīng)掀開了人和自然矛盾沖突的面紗，觸及如何審察人類生存危機的基本命題。伴隨著“中心—邊緣”物質(zhì)關(guān)系交換謎題的交錯起落，理論界面臨著如何詮釋人和自然、人和人、人和社會整體關(guān)系的全新論題?？v觀思想風暴的中心區(qū)域，剝離人類中心主義“思想王權(quán)”的呼聲跌宕起伏，添置自然中心主義“精神桂冠”的吁求不絕于耳。

圖2 交聯(lián)時間對酵素凝膠的影響Fig.2 Effect of crosslinking time on Jiaosu gel

2.1.3 氯化鈣交聯(lián)濃度對酵素凝膠的影響 在最優(yōu)海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比5:3，交聯(lián)時間120 min 條件下，不同氯化鈣濃度對酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性的影響見圖3 所示。由圖3 可知，隨著交聯(lián)濃度逐漸增大，酵素凝膠的硬度、膠著性、咀嚼性呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當氯化鈣濃度為20 mg/mL時，各質(zhì)構(gòu)指標均達到最大。因此，優(yōu)選氯化鈣交聯(lián)濃度為20 mg/mL。

圖3 氯化鈣濃度對酵素凝膠的影響Fig.3 Effect of calcium chloride concentration on Jiaosu gel

2.2 響應面試驗結(jié)果分析

2.2.1 回歸模型建立及其方差分析 在單因素實驗基礎(chǔ)之上，以海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比（A）、交聯(lián)時間（B）、氯化鈣濃度（C）為試驗因子進行三因素三水平Box-Behnken 試驗設計，以酵素凝膠硬度（Y1）、膠著性（Y2）和咀嚼性（Y3）為響應值，結(jié)果見表2。

表2 響應面試驗設計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

利用Design Expert 8.0.6 軟件對上述試驗結(jié)果進行二次回歸擬合，得到酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性的二次回歸方程如下：

a.酵素凝膠硬度回歸方程：

對該回歸模型進行方差分析，并對模型系數(shù)進行顯著性檢驗，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，酵素凝膠硬度所建立的回歸方程的模型的F值為19.60，P=0.0004<0.01，表明回歸模型極顯著；失擬性檢驗F值為5.61，P=0.0645>0.05，失擬項不顯著，說明模型可接受，此模型可用于評估變量參數(shù)對酵素凝膠硬度的影響。多元相決定系數(shù)R2=0.9618，校正后=0.9128，說明所得模型預測值與硬度實際值相關(guān)性較好，可用于酵素凝膠工藝參數(shù)的預測與優(yōu)化。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

b.酵素凝膠膠著性回歸方程：

如表3 所示，酵素凝膠膠著性所建立的回歸方程的模型：F值為20.38，P=0.0003<0.01，表明該模型極顯著；二次模擬的失擬項F=4.87，P=0.0800>0.05不顯著，說明模型可接受，可用于評估變量參數(shù)對酵素凝膠膠著性的影響。多元決定系數(shù)R2=0.9632，校正后=0.9160，說明所得模型可用于酵素凝膠工藝參數(shù)的預測與優(yōu)化。

如表3 所示，酵素凝膠咀嚼性所建立的回歸方程的模型：F值為19.35，P=0.0004<0.01，表明該模型極顯著，二次模擬的失擬項F=5.90，P=0.0597>0.05 不顯著，說明模型可接受，可用于評估變量參數(shù)對酵素凝膠咀嚼性的影響。多元決定系數(shù)R2=0.9613，校正后=0.9117，說明該模型可用于酵素凝膠工藝參數(shù)的預測與優(yōu)化。

2.2.2 不同試驗因素回歸模型系數(shù)檢驗 表4 為各模型回歸系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果。如表4 所示，在酵素凝膠硬度回歸模型中，一次項C（P=0.0085<0.01）呈極顯著，說明氯化鈣濃度對酵素凝膠硬度影響極顯著。根據(jù)F值可知，3 個因素對酵素凝膠硬度的影響大小排序為：C（F=13.11）>B（F=5.36）>A（F=1.38），即氯化鈣濃度>交聯(lián)時間>m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）。交互項AB（P=0.0459<0.05）達到顯著，BC（P=0.0050<0.01）達到極顯著，說明m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）與交聯(lián)時間的交互作用對酵素凝膠硬度有顯著影響，而交聯(lián)時間與氯化鈣濃度交互作用的影響則呈極顯著。二次項A2、B2、C2均達到極顯著水平（P<0.01），表明各因素對硬度響應值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of regression models

在酵素凝膠膠著性回歸模型中，一次項B（P=0.0379<0.05）呈顯著，C（P=0.0074<0.01）達到極顯著，說明交聯(lián)時間對酵素凝膠膠著性影響顯著，氯化鈣濃度對酵素凝膠膠著性影響極顯著。根據(jù)F值可知，3 個因素對酵素凝膠膠著性的影響大小排序為：C（F=13.89）>B（F=6.52）>A（F=1.83），即氯化鈣濃度>交聯(lián)時間>m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）。交互項BC（P=0.0058<0.01）呈極顯著，說明交聯(lián)時間和氯化鈣濃度之間的交互作用對酵素凝膠膠著性有極顯著影響。二次項A2、B2、C2均達到極顯著水平（P<0.01），表明各因素對膠著性響應值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

在酵素凝膠咀嚼性回歸模型中，一次項B（P=0.0359<0.05）呈顯著，C（P=0.0072<0.01）達到極顯著，說明交聯(lián)時間對酵素凝膠咀嚼性影響顯著，氯化鈣濃度對酵素凝膠咀嚼性影響極顯著。根據(jù)F值可知，3 個因素對酵素凝膠咀嚼性的影響大小排序為：C（F=14.03）>B（F=6.71）>A（F=1.82），即氯化鈣濃度>交聯(lián)時間>m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）。交互項BC（P=0.0054<0.01）對方程有極顯著影響，說明交聯(lián)時間與氯化鈣濃度之間的交互作用對酵素凝膠咀嚼性有極顯著影響。二次項A2、B2、C2均達到極顯著水平（P<0.01），表明各因素對咀嚼性響應值的影響不是簡單的線性關(guān)系。

2.2.3 響應面交互作用分析與優(yōu)化 根據(jù)二次回歸方程模型分別對各因素間交互作用分別繪制以酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性為響應值的3D 響應曲面圖，響應曲面圖能反映兩因素之間相互作用的強弱，3D 圖中曲面的傾斜度越高，坡度越陡，說明兩兩因素交互作用越顯著，結(jié)果如圖4～圖6 所示。

由圖4a 可知，響應面的傾斜度高，坡度陡峭，當海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比不變時，隨著交聯(lián)時間的延長，酵素凝膠硬度呈先增后減的趨勢；當交聯(lián)時間不變時，隨著m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）比值的增大，酵素凝膠硬度也呈先增后減的趨勢；當m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:2.66，交聯(lián)時間達120 min 時，曲面達到最高點，等高線呈橢圓形，說明m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）與交聯(lián)時間之間的交互作用對酵素凝膠硬度影響顯著。由圖4b 可知，當m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:2.66，氯化鈣濃度達20 mg/mL時，曲面達到最高點；由圖4c 可知，交聯(lián)時間與氯化鈣濃度之間的交互作用對酵素凝膠硬度影響顯著，當交聯(lián)時間達120 min，氯化鈣濃度達20 mg/mL，曲面達到最高點。

圖4 兩兩因素交互作用對凝膠硬度影響的響應曲面圖Fig.4 Response surface diagram of the interaction between two factors on the hardness of gel

如圖5a 所示，當固定其中一個影響因素水平時，酵素凝膠的膠著性分別隨著m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）和交聯(lián)時間的增大呈先增后減的趨勢，且當交聯(lián)時間增加后，曲面變得更加陡峭，由此可見延長交聯(lián)時間對凝膠膠著性的影響更加顯著。由圖5c 可知，響應面的傾斜度高，坡度陡峭，等高線呈橢圓形，說明交聯(lián)時間與氯化鈣濃度之間的交互作用對酵素凝膠膠著性影響顯著，且當交聯(lián)時間和氯化鈣濃度增大后，曲面變得更加陡峭，說明交聯(lián)時間和氯化鈣濃度對凝膠膠著性的影響均顯著，這與表4 回歸模型方差分析的結(jié)果相一致。

如圖6a 所示，在固定一個影響因素水平的情況下，酵素凝膠的咀嚼性分別隨著m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）與交聯(lián)時間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。相對而言，當交聯(lián)時間增加，曲面變得更加陡峭，由此可見交聯(lián)時間對酵素凝膠咀嚼性的影響較m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）更為顯著。由圖6c 可知，響應面的傾斜度高，坡度陡峭，說明交聯(lián)時間與氯化鈣濃度之間的交互作用對酵素凝膠咀嚼性有顯著影響，且交聯(lián)時間和氯化鈣濃度對凝膠膠著性的影響均顯著，以上結(jié)果與表4 回歸模型方差分析的結(jié)果相一致。

圖6 兩兩因素交互作用對凝膠咀嚼性影響的響應曲面圖Fig.6 Response surface diagram of the interaction between two factors on the chewiness of gel

由以上響應曲面圖可知，響應值均存在最大值。因此，對上述試驗因素范圍內(nèi)，選擇響應值最大值進行優(yōu)化，由二次回歸方程求解得到酵素凝膠的最佳理論工藝條件為：m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:2.82、交聯(lián)時間為131 min、氯化鈣濃度17.9 mg/mL，預測該條件下，酵素凝膠的硬度為7.56 N、膠著性為6.50 N、咀嚼性為0.67 kgf。

2.3 驗證實驗

為檢驗模型的可靠性，利用最優(yōu)的預測實驗條件，即m（海藻酸鈉）:m（殼聚糖）=5:2.82、交聯(lián)時間為131 min、氯化鈣濃度17.9 mg/mL，進行3 次平行試驗，得到實際凝膠的硬度為7.19 N、膠著性為6.60 N、咀嚼性為0.70 kgf，與模型理論值相對誤差分別為4.9%、1.5%、4.5%，均在允許誤差5%內(nèi)[35]，說明該回歸方程具有較高的可信度。因此，基于響應面法優(yōu)化酵素凝膠制備工藝較準確可靠，可為實際生產(chǎn)提供參考。

3 結(jié)論

以殼聚糖、海藻酸鈉及桑葚酵素為原料，通過鈣離子的交聯(lián)作用，制備酵素食用凝膠。通過單因素實驗研究了海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比、交聯(lián)時間、氯化鈣濃度對酵素凝膠硬度、膠著性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)指標的影響。在此基礎(chǔ)上，選取較優(yōu)條件范圍，通過響應曲面優(yōu)化得到最佳工藝條件：海藻酸鈉與殼聚糖質(zhì)量比為5:2.82、交聯(lián)時間為131 min、氯化鈣濃度17.9 mg/mL。此優(yōu)化條件下，酵素凝膠硬度為7.19 N、膠著性為6.60 N、咀嚼性為0.70 kgf，與模型所預測理論值相接近，具有實用價值。