响应面分析法优化苹果渣纸型食品防褐变工艺的研究

李章发,廖 兰，*,陈淑贞,杨丽容,赵谋明

(1.福州大学生命科学与工程学院,福建福州 350108;2.福州大学至诚学院,福建福州 350002;3.华南理工大学轻工与食品学院,广东广州 510640)



响应面分析法优化苹果渣纸型食品防褐变工艺的研究

李章发1,廖 兰1，*,陈淑贞2,杨丽容2,赵谋明3

(1.福州大学生命科学与工程学院,福建福州 350108;2.福州大学至诚学院,福建福州 350002;3.华南理工大学轻工与食品学院,广东广州 510640)

利用响应面分析法优化苹果渣纸型食品制备过程中的防褐变工艺,在单因素实验的基础上,选取乙二胺四乙酸-二钠(EDTA-二钠)添加量、柠檬酸添加量、异VC钠添加量为影响因子,苹果片的色泽指标为响应值,通过Box-Benhnken中心组合设计原理,模拟得到二次多项式回归方程的预测模型,确定最佳成膜工艺为:EDTA-二钠添加量0.11%,柠檬酸添加量0.21%,异VC钠添加量0.35%,此条件下苹果片的色泽指标的模型预测值为0.1903,验证值为0.1900。与模型预测值相符。相对误差为0.2%。因此,采用 RSA 法优化得到的护色条件参数准确、可靠,具有实用价值。

苹果渣,纸型食品,护色工艺,响应面分析法

苹果渣是苹果榨汁后的下脚料,目前企业对苹果渣的处理一般用于廉价肥料、饲料或直接当做废物丢弃处理,利用率及经济效益较低、污染环境。纸型食品是近几年国内外研究的热点,方便携带与贮藏、保留了原料的风味与营养物质,具有广阔的市场前景[1]。苹果由于其果实中富含丰富单宁、酚类等物质,在制成苹果渣纸型食品的过程中极易褐变,如在苹果切分时破坏了多酚氧化酶(PPO)和酚类物质在细胞内通过一系列膜系统的区域化分布,促使酶和底物的酚类物质在有氧的条件下互相接触导致酶促褐变的发生,影响苹果的颜色、风味、营养等[2],从而严重影响纸型食品的感官品质。目前,控制苹果褐变最常用的化学药剂是亚硫酸及其盐类,但由于存在毒性残留和加工废水对环境的污染,已被美国FDA禁止在鲜切果蔬上使用[3-4],而漂烫处理是现今应用于果蔬护色防褐变最安全高效的物理处理法之一。因此,研究加工苹果渣纸型食品的非硫化学护色技术,提高漂烫过程中对苹果渣的护色防褐变效果,寻找卫生、安全、有效的褐变控制方法,十分必要。本研究在本实验室前期大量关于水果渣成膜特性的研究[5]基础上,发现苹果片本身褐变程度对苹果渣纸型食品最终色泽影响重大,应必须从最开始抑制或控制其褐变程度。因此,本文重点研究了苹果在去汁、得渣、干燥成膜制得可食型纸片食品前,苹果切片漂烫处理过程的防褐变工艺,并以苹果片色泽指标作为标准,筛选最优的护色剂配方。该研究对于拓展苹果渣乃至其他水果渣的深度开发和利用,有着重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果 市售新鲜苹果;小麦面筋蛋白 河南莲花食品有限公司;蔗糖 广东光华科技股份有限公司;CMC 鹰特化工(石家庄)有限公司;魔芋膳食纤维 湖北一致魔芋生物科技有限公司;特级芭蕉芋粉 黔西南州芭蕉芋淀粉有限责任公司;异VC钠 江西省德兴市百勤异VC钠有限公司;EDTA-二钠 广东光华科技股份有限公司;柠檬酸 西陇化工股份有限公司;其他试剂均为食品级。

WPS-S色差计 上海精密科学仪器有限公司;AM300S-P实验室电动搅拌机 上海昂尼仪器仪表有限公司;祈和KP-767商用打浆机 祈合电器(广州)有限公司;TA. plus质构分析仪 超技仪器有限公司;BSA224S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果渣纸型食品的制备工艺 基于本实验室前期的研究基础,苹果渣纸型食品制备工艺按如下步骤操作:苹果挑选(要求颗粒饱满,无虫蛀,无外伤)→清洗(流水冲洗)→切片(不去皮,刀切1mm厚薄片)→漂烫(放入护色剂的90℃热水中漂烫1min后捞出沥干)[6]→榨汁→过滤得渣→打浆(苹果渣与水按固定比例倒入打浆机中混合固定时间)→调配(依次加入固定比例的成膜剂和增塑剂)→凃膜(调配好的苹果渣取固定量均匀地涂抹在尼龙滤布上)→干燥(75℃下干燥3h)→揭膜(去除涂布)→包装→成品

1.2.2 护色剂配比最优参数的确定 在单因素实验中,依次改变护色剂(EDTA-二钠、柠檬酸、异VC钠)的添加量,分别以苹果片的色泽指标为指标进行研究和分析,并确定三因素三水平的最佳参数进行响应面分析,实验设计中的水平及编码表如表1。

表1 响应面实验因素水平编码表Table 1 Factors and levels of response surface experiments

1.2.3 色泽指标测定 采用WPS-S型色差计测色差。其中L表示透明度,L=0为黑色,L=100为白色;a(正值)表示红色程度;b(正值)表示黄色程度;ΔE(正值)表示以空白样品(即新鲜苹果片)为参照时,实验值与之相对照的总色差值。本实验主要以ΔE值大小作为苹果褐变程度的指标,ΔE值越小,表示褐变程度越轻。

参照值:将鲜切的苹果片置于色差计固体皿的玻璃片上旋紧,测量出苹果片色差值,以此为参照值(L1,a1,b1)。

实验值:将护色后的苹果片置于色差计固体皿的玻璃片上旋紧,在参照值的基础上测量出苹果片色差值(L2,a2,b2),即为ΔE值。

ΔE=((L2-L1)2+(a2-a1)2+(b2-b1)2)1/2

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 EDTA-二钠添加量对苹果渣纸片防褐变效果的影响 称取一定量的苹果切片,取0.05%,0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,0.3%的EDTA-二钠分别与0.3%柠檬酸和0.3%异VC钠组成护色剂,溶于热水中,测量水温为90℃时,将切片后苹果进行1min漂烫护色,然后将苹果片捞出,用色差计测量苹果片的色泽指标。不同的EDTA-二钠添加量对苹果片的影响见图1,当EDTA-二钠为0.05%～0.2%时,苹果片的色泽指标随着EDTA-二钠添加量增加而降低。原因可能是EDTA-二钠从PPO酶位点螯合金属离子降低苹果片中PPO酶活性,从而进行护色,使苹果片的色泽指标降低。当EDTA-二钠添加量继续增加时,苹果片的色泽指标升高,原因可能是苹果中的微量金属离子是一定的,EDTA-二钠添加量大于0.2%时,最大程度螯合了苹果中金属离子,当再增加EDTA-二钠的添加量反而促进了酶褐变[7],导致苹果片的褐变程度加剧。因此,选取0.2%为中心点。由于响应面数据梯度均为0.1%,所以以0.1%,0.2%,0.3%为EDTA-二钠的三水平进行响应面分析以确定EDTA-二钠最佳添加量。

图1 EDTA-二钠添加量对色泽指标的影响Fig.1 Effect of ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt content on the index of color of papier-mache food by apple residue

2.1.2 柠檬酸添加量对苹果渣纸片防褐变效果的影响 称取一定量的苹果切片,取0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0. 5%,0.6%的柠檬酸分别与0.2%EDTA-二钠和0.3%异VC钠组成护色剂,溶于热水中,测量水温为90℃时,将切片后苹果进行1min漂烫护色,然后将苹果片捞出,用色差计测量苹果片的色泽指标。不同的柠檬酸添加量对苹果片的影响见图2,当柠檬酸添加量为0.1%～0.3%时,苹果片的色泽指标随着柠檬酸添加量增加而降低,原因可能是柠檬酸属有机酸,在低浓度时螯合酶相对活性中心离子从而降低酶的相对活性[8],抑制了酶促褐变。当柠檬酸添加量大于0.3%时,苹果片的色泽指标升高,原因可能是苹果片的酸性增强,多酚氧化酶的活性增强[7,9],引起褐变。因此,选取0.2%,0.3%,0.4%为柠檬酸的三水平进行响应面分析以确定柠檬酸最佳添加量。

图2 柠檬酸添加量对色泽指标的影响Fig.2 Effect of citric acid content on the index of color of papier-mache food by apple residue

2.1.3 异VC钠对苹果渣纸片防褐变效果的影响 称取一定量的苹果切片,取0.05%,0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,0.3%,0.35%,0.4%,0.45,0.5%的异VC钠分别与0.2% EDTA-二钠和0.2%柠檬酸组成护色剂,溶于热水中,测量水温为90℃时,将切片后苹果进行1min漂烫护色,然后将苹果片捞出,用色差计测量苹果片的色泽指标。不同的异VC钠添加量对苹果片的影响见图3,当异VC钠添加量为0.1%～0.35%时,苹果片的色泽指标总体呈随着柠檬酸添加量增加而降低的趋势,原因可能是异VC钠是一种强还原剂,空气中的氧气先氧化异VC钠,使苹果片得到保护不被氧化,所以苹果片的色泽指标降低。当异VC钠添加量大于0.35%时,苹果片的色泽指标升高,原因可能是由于异VC钠氧化后形成的酮化合物与氨化合物发生非酶褐变,加剧苹果片的变色[8,10-11]。因此,以0.35%为中心点,梯度为0.1%,所以选取0.25%、0.35%和0.45%为异VC钠的三水平进行响应面分析以确定异VC钠最佳添加量。

2.2 响应面法优化护色剂添加量

2.2.1 响应面优化设计与结果 综合分析单因素条件,以色泽指标为响应值,选取EDTA-二钠、柠檬酸和异VC钠为单因素设计3因素3水平的响应面分析实验,根据Box-Behnken中心组合实验设计原理[12],本设计为17个实验点,其中12个析因实验点,5个零点,即实验区域的中心点。

苹果渣纸型食品实验结果见表2,利用软件进行非线性回归的二次多项式拟合,得到预测模型如下所示:

Y=+0.27-0.02A+0.064B+0.034C-0.13AB+9.125E-003AC-0.050BC+0.026A2+0.058B2+0.12C2

图3 异VC钠添加量色泽指标的影响Fig.3 Effect of sodium erythorbate content on the index of color of papier-mache food by apple residue

实验号X1X2X3Y色泽指标111001962-10-103643011051840-1104245-1-10024660-1-1027270000353800002479000024310-11005641101-10567121010480130000243141-1003921510-1037816000024317-1010430

表3为苹果渣纸片色泽指标的方差分析结果,由该表可以看出:模型回归显著(p<0.05),说明三种护色剂对色泽指标的影响显著;失拟项不显著(p>0.05),说明其他因素对两者干扰很小,并且该模型相关系数R2值分别为0.9619,非常接近1,说明该模型和实际实验拟合较好,可用于苹果渣纸片护色效果的预测。各因素对响应值影响程度分析,各因素的F值可以反应出对实验响应值的重要性,F值越大,表明该因素对响应值的影响越大,从方差分析表可得出,影响苹果渣纸片色泽褐变程度的主次因素均为:柠檬酸>异VC钠>EDTA-二钠。

2.2.2 各因素之间的交互作用 见图4～图6。

图4～图6为各因素的交互作用的响应面图,分别表示以柠檬酸、EDTA-二钠和异VC钠取零水平时,其余两个水平对苹果片色泽指标的影响。

由Design-Expert处理数据得出苹果片漂烫过程中护色剂添加量最佳工艺条件为:EDTA-二钠添加量为0.11%,柠檬酸添加量为0.21%,异VC钠添加量为0.35%。此条件下苹果片色泽指标的模型预测值为:0.1903。为检验响应面所得到的结果的可靠性,采用上述条件进行验证性实验,得到的苹果片色泽

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis results of regression and variance

注:**表示极显著(p<0.01);*表示显著(p<0.05)。

图4 EDTA-二钠和异VC钠对色泽指标的影响响应面图Fig.4 Response surface of ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt and sodium erythorbate on the index of color of papier-mache food by apple residue

图5 异VC钠和柠檬酸对色泽指标的影响响应面图Fig.5 Response surface of sodium erythorbate and critic acid on the index of color of papier-mache food by apple residue

图6 柠檬酸和EDTA-二钠对色泽指标的影响响应面图Fig.6 Response surface of critic acid and thylenediaminetetraacetic acid disodium salt on the index of color of papier-mache food by apple residue

指标为:0.1900。与模型预测值的相对误差为:0.2%。说明响应面优化后得到的回归方程具有一定意义的实际指导意义。

3 结论

在单因素素的基础上,将响应面法用于优化苹果片在去汁得渣干燥成可食型纸片食品前的漂烫处理中的防褐变工艺。通过Box-Benhnken中心组合设计实验建立了3因素(EDTA-二钠添加量、柠檬酸添加量、异VC钠添加量)和1个响应值(色泽指标)相互作用的数学模型,响应面分析结果表明:EDTA-二钠添加量为0.11%,柠檬酸添加量为0.21%,异VC钠添加量为0.35%。此条件下苹果片的模型预测值为:0.1903。验证值为:0.1900。与模型预测值的相对误差为:0.2%。因此,采用 RSA 法优化得到的护色条件参数准确、可靠,具有实用价值。

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Optimization of the color protecting technique of apple residue forpapier-mache food by response surface methodology

LI Zhang-fa1,LIAO Lan1，*,CHEN Shu-zhen2,YANG Li-rong2,ZHAO Mou-ming3

(1.College of Bioscience and Biotechnology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2.Fuzhou University ZhiCheng College,Fuzhou 350002,China;3.College of Light Industry and Food Science,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China)

Response surface analysis methodology was used for control browning technique by the apple residue for papier-mache food. Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt,critic acid and sodium erythorbate were selected as influencing factors based on single-factor experiments. The simulated quadratic polynomial regression equation of prediction model was set up by Box-Benhnken central composite design and response surface analysis theory with the index of color as measure indicator. The optimum film forming technique was obtained as follows:Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt 0.11%,critic acid 0.21%,sodium erythorbate 0.35%. The index of color under the condition was 0.1903,respectively. The verified value was 0.1900,and was in close agreement with the predicted values.

apple residue;papier-mache food;color protecting;response surface analysis

2014-04-29

李章发(1991-)，男，硕士，研究方向：食品生物技术。

*通讯作者:廖兰(1982-)，女，博士，硕士生导师，研究方向：食品生物技术。

国家自然科学青年基金项目(31201287)。

TS255.1

B

1002-0306(2015)05-0204-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.034