沙棘原浆冷冻浓缩工艺的响应面优化

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(甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)别名黑刺、酸刺、醋柳果,是胡颓子科酸刺属植物的果实[1]。主要分布于我国华北、西北、西南等地。为药食同源性植物[2]。沙棘浆果富含VC、黄酮[3]及不饱和脂肪酸等多种营养及功能成分[4],具有良好的抗氧化[5]及保健作用[6]。沙棘原浆是将沙棘浆果压榨后获得的果浆,常作为沙棘类产品加工的原料[7]。但原浆在包装、运输和贮藏中费用偏高,因此对沙棘原浆进行有效浓缩是当前沙棘加工中亟待解决的问题[8-9]。

沙棘原浆中的活性成份种类多、含量高[10],其中大多数活性物质[11]均不同程度的热敏,常规的泡沫干燥[12]、喷雾干燥[13]等热加工会导致沙棘原浆有效成分的严重损失。利用热浓缩的加工方法会造成沙棘浆维生素损失率增加且非酶褐变程度加剧[14-16],现阶段被广泛应用在果汁浓缩加工中的冷冻浓缩工艺是一种在冰点以下的浓缩方式[17],目前此方面的研究主要集中在冷冻过程中果汁冰晶的成核[18-19],生长[20-21],及固液分离得到果汁浓缩汁的过程。对热敏性食品的浓缩非常有利[22],可阻碍热加工过程中不良化学产物的生成,能耗较低且风味、香气和营养等品质损失小等优点[23]。但利用冷冻浓缩工艺来处理沙棘原浆的研究尚未见报道。

本研究采用将沙棘原浆在低温冰箱中进行悬浮式冷冻浓缩方式[24],选用单因素实验探究了沙棘浆冷冻浓缩工艺中冷冻温度、沙棘浆浓度、冷冻时间对冰晶结晶质量、结晶纯度的影响。在单因素筛选的基础上,通过响应面设计优化冷冻浓缩工艺,旨在在获得较高出冰量的基础上,最大限度的提高冰晶的纯度,最终可为沙棘原浆冷冻浓缩的工业化运用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

沙棘原浆 由甘肃高原圣果华池沙棘开发有限公司提供,可溶性固形物为12.4 Brix;芦丁,氢氧化钠 分析纯。

BCD-225低温冰箱 青岛海尔集团;TGL-16GR高速台式冷冻离心机 上海安亭科学仪器厂;KT低温温度计 宁波开泰电器实业有限公司;ZYD-B55数显糖度计 北京智云达科技有限公司;HC电子分析天平 上海花潮电器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 沙棘浆的冷冻浓缩 量取500 mL沙棘原浆,注入到低温冰箱中进行冷冻浓缩,在不同的冷冻温度下进行处理,当达到一定的冷冻时间时称量冰晶质量,测定冰晶纯度。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 冷冻温度对浓缩效果的影响 参照陈国辉等的方法[25]。取500 mL浓度为12.2 Brix的沙棘浆,分别设定冷冻温度为-1,-4,-7,-10,-13,-16,-19 ℃在出现冰晶后开始计时,15 min后冷冻离心,并测定冰晶的质量和冰晶的纯度。

1.2.2.2 沙棘浆浓度对浓缩效果的影响 参照曾杨等的方法[26]。将初始浓度为12.4 Brix的沙棘原浆经过冷冻浓缩和稀释处理得到浓度分别为12.2,12.4,12.6,12.8,13.0,13.2,13.4 Brix的溶液,各取500 mL在-10 ℃条件下冷冻,在出现冰晶后开始计时,15 min后冷冻离心,并测定冰晶的质量和冰晶的纯度。

1.2.2.3 冷冻时间对浓缩效果的影响 参照李艳敏等的方法[27]。取500 mL浓度为12.2 Brix的沙棘浆,在-10 ℃的条件下出现冰晶后开始计时,分别冷冻5,10,15,20,25 min之后冷冻离心,并测定冰晶的质量和冰晶的纯度。

1.2.3 响应面优化

1.2.3.1 优化实验设计 使用Design Expert 8.0软件,在单因素实验的基础上进一步对冷冻温度、沙棘浆浓度和冷冻时间对取冰质量、取冰纯度的影响进行优化。

表1 响应面分析因素及水平编码Table 1 Codes and factors in BBD experiment

1.2.3.2 响应面优化验证实验 在响应面最终得到的优化条件基础上展开3次验证实验,以确保优化条件的准确度。

1.2.4 冰晶质量、冰晶纯度的测定 于特定的冷冻温度、沙棘浆浓度和冷冻时间条件下对沙棘浆进行冷冻浓缩,在转速3000 r/min、运转时间5 min,相应冷冻温度下冷冻离心分离冰晶与浓缩沙棘汁。称量冰晶质量,利用糖度计测定冰晶融化液的可溶固形物含量即冰晶纯度。

1.3沙棘原浆冷冻浓缩前后及复原液成分测定

对冷冻浓缩前后的沙棘浆以及浓缩后加水回复至原体积的沙棘复原液中的pH、总酸、总固形物及总黄酮含量的进行测定和对比,研究冷冻浓缩处理对沙棘原浆中的活性成份与品质的影响。

1.3.1 pH的测定 用pH计直接测定。

1.3.2 总酸的测定 酸碱滴定法测定。

1.3.3 总固形物的测定 便携式糖度计直接测定。

1.3.4 总黄酮的测定 标准曲线的制作。采用芦丁标定绘制出标准曲线,分别配制浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1 g/L的标准溶液用紫外分光光度计在415 nm处测定出溶液的吸光值并制作标准曲线,最终得到回归方程。

取一定量冷冻前后的沙棘溶液及沙棘冷冻浓缩后加蒸馏水复原至浓缩前体积的复原液稀释至一定浓度用紫外分光光度计测定其吸光值,并带入回归方程计算出总黄酮含量。

1.4数据统计与分析

上述所有实验均重复3次。全部数据采用Excel 2010计算平均值和标准误差(±SE),采用SPSS 19.0进行Duncan’s多重差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1各单因素对沙棘原浆冷冻浓缩工艺中冰晶质量和纯度的影响

冷冻温度越低冰晶形成的速度越快,原浆在冷冻温度为-1 ℃时已有肉眼可见的冰晶产生,当温度从-1 ℃降至-19 ℃,相同的冷冻时间里形成的冰晶质量逐渐增大,从4.35 g增加到50.24 g,但原浆产生大量冰晶的温度范围集中于-4～-10 ℃,在此范围内,冰晶的质量增加了28.09 g，增幅达到1.9倍。当温度继续从-10 ℃降至-19 ℃后,冰晶生成的增加量差异不大并逐渐趋于平缓,增幅仅为18%。但随着冷冻温度从-1 ℃到-19 ℃的变化,冰晶中夹带出的可溶性固形物含量却逐渐增加,从1.8 Brix增加到了15.2 Brix。特别是在-7 ℃到-10 ℃范围内,冰晶中固形物含量显著增加,增幅达72%(图1)。这是因为随着冷冻温度的降低与大量冰晶的形成,剩余可结冰的自由水含量逐渐减少导致的成冰量减少,同时结冰量越多,冰晶形成的过程中带出的可溶性固形物含量越多,导致冰晶纯度变小[28]。

图1 冷冻温度对冰晶质量和纯度的影响Fig.1 Quality and purity of ice crystal affected by Refrigerant temperature

沙棘浆浓度越大冰晶形成的速度越慢,当沙棘浆初始可溶性固形物含量从12.2 Brix升至13.4 Brix,相同冷冻时间里形成的冰晶质量逐渐减少,从45.26 g减少到12.52 g,但沙棘浆浓度在12.2 Brix到13 Brix之间时冰晶质量下降幅度较为缓慢,在此范围内,冰晶的质量减少了14.89 g，减幅达到33%。当浓度继续从13 Brix升至13.4 Brix后,冰晶的生成量继续减少,减幅增大,达到59%。但随着沙棘浆浓度从12.2 Brix到13.4 Brix的升高,冰晶中的可溶性固形物含量却逐步增加,从9.2 Brix增大到了11.9 Brix。特别是沙棘浆浓度在12.2 Brix到12.6 Brix范围内,冰晶中固形物含量显著增加，增幅达15%(图2)。这是由可结冰的自由水分向外传递的效果逐渐变差造成的。随着沙棘原浆浓缩后溶液浓度的升高,导致水分向外迁移时受到内部固-液界面上由溶质造成的阻力增大,冰晶生成量减少[29]。同时沙棘浆浓度的增大导致溶质分子与水分之间的束缚作用增加难以分离,冰晶夹带的溶质较多,加大损失,浓缩效果变差[30]。

图2 沙棘浆浓度对冰晶质量和纯度的影响Fig.2 Quality and purity of ice crystal affected by concentration of sea buckthorn protoplasm

冷冻时间越长生成的冰晶质量越大,当冷冻时间从5 min增至25 min,相同冷冻温度下形成的冰晶质量逐渐增达,从12.35 g增加到53.66 g,但原浆产生大量冰晶的时间范围集中于5 min到15 min,在此范围内,冰晶的质量增加了30.3 g。增幅达到2.5倍。当冷冻时间继续从15 min升至25 min后,冰晶的生成量趋于平缓,增幅不大,仅为25%。但随着冷冻时间从5 min到25 min增长,冰晶中的可溶性固形物含量却逐步增加,从8 Brix增加到了10.5 Brix。整个增长过程较为平缓(图3)。这是因为随着冷冻时间的延长与大量冰晶的形成,剩余未结冰的沙棘浆浓度增大,导致结冰点温度降低[31]。所以后期浓缩越困难。同时结冰量越多,冰晶形成的过程中带出的可溶性固形物含量越多,导致冰晶纯度变小。因此为了有效的增加冷冻浓缩效率,减少沙棘浆的成分损失,选择合适的冷冻时间尤为重要。

图3 冷冻时间对冰晶质量和纯度的影响Fig.3 Quality and purity of ice crystal affected by freeze time

由单因素实验最终得到的冷冻浓缩工艺条件为:当冷冻温度-10 ℃、沙棘浆浓度12.2 Brix、冷冻时间15 min,此条件下实际结晶强度为45.26 g,结晶纯度为9.2 Brix。

2.2沙棘原浆冷冻浓缩条件的响应面优化

2.2.1 结晶质量回归方程的建立及显著性分析 依据响应面Box-Behnken的实验设计,最终完成17组实验,结果见表2。Design Expert 软件回归分析后得到以下多元二次方程:

Y1=40.48-1.42A+0.87B-0.81C-0.16AB-0.98AC-2.12BC-4.30A2-4.61B2-12.40C2,方差分析结果与模型系数显著性检验结果见表3、表4。

表2 实验设计与结果Table 2 Experiment design and results

检验回归方程中各系数的显著性可知(表4),冷冻温度A和交叉项BC的p值均<0.05,表明差异显著;3个二次项A2、B2和C2的p值均<0.0001,表示差异极显著。

表7 Design Expert联合优化方案Table 7 Design expert joint optimization proposal

表3 回归模型方差分析Table 3 ANOVA for response surface quadratic model

表4 方程系数显著性检验Table 4 The equation coefficient significance test

注:***. 差异极显著(p<0.001);**. 差异较显著(p<0.01);*. 差异显著(p<0.05)，表6同。

2.2.2 结晶纯度回归方程的建立及显著性分析 依据响应面Box-Behnken的实验设计,最终完成17组实验,结果见表5。Design Expert软件回归分析后得到以下多元二次方程:

Y2=9.02-0.13A+0.010B-0.075C+0.025AB-0.025AC-0.47BC-0.70A2-0.30B2-0.95C2

方差分析结果与模型系数显著性检验结果见表5、表6。

表5 回归模型方差分析Table 5 ANOVA for response surface quadratic model

表6 方程系数显著性检验Table 6 The equation coefficient significance test

检验回归方程中各系数的显著性可知(表6),冷冻温度A、沙棘浆浓度B和二次项B2的p值均<0.05,表明差异显著;交叉项BC、二次项A2和C2的p值均<0.0001,表明差异极显著。

图4 两因素交互作用对冰晶质量与纯度期望值的影响Fig.4 Quality and purity value of expectation of ice crystal interacted by both two factorsA:冷冻温度与沙棘浆浓度对期望值的影响;B:冷冻温度与冷冻时间对期望值的影响;C:沙棘浆浓度与冷冻时间对期望值影响。

2.2.3 冰晶质量与冰晶纯度的联合优化结果分析 对冰晶质量与冰晶纯度两个响应值联合求解,利用目标优化原理在Design Expert软件得出15组优化实验(表7)。在期望值较高的前提下,选择冷冻温度较高,冷冻时间较短的条件比较符合实际生产中对节能的要求,因此选择第四组实验作为最佳的解决方案:冷冻温度-7 ℃,沙棘浆浓度12.32 Brix,冷冻时间13.26 min,在此条件下进行冷冻浓缩得到的理论冰晶纯度最大为7.94 Brix,冰晶质量最大为32.44 g。

2.2.4 响应值联合交互作用分析 当冷冻时间为13.26 min时,随着沙棘汁浓度的增加,模型的期望值逐渐降低(图4A)冷冻温度和沙棘浆浓度的交互作用对期望值的影响极为显著。当冷冻温度在-7～-8 ℃之间,沙棘浆浓度12.2～12.4 Brix时,期望值为0.568,达到最高。当沙棘浆浓度为12.32 Brix时,期望值会随着冷冻温度的逐渐降低和冷冻时间的增长呈现先升高后降低的变化(图4B)。这是因为随着冷冻浓缩程度的加剧,虽然会有大量冰晶生成,但由冰晶夹带出的溶质量也会大大增加,使冰晶的纯度变小,造成产品的损失[25]。冷冻温度和冷冻时间的交互作用对期望值的影响显著。当冷冻温度为-7 ℃时,冷冻时间对期望值的影响并不如沙棘浆浓度的影响显著(图4C),期望值的最大值出现在冷冻时间为13.26 min时,2者对模型期望值的交互作用影响不显著。

2.2.5 验证实验结果 由模型可得:当冷冻温度为-7 ℃,沙棘浆浓度为12.32 Brix(实际操作时取12.4 Brix)、冷冻时间13.26 min(实际操作时取13 min)。此条件为理论得出的最优条件。

进行3次平行验证实验,在此最优条件下得到的冰晶质量平均值为33.67 g,与理论值的相对误差3.8%,冰晶纯度的平均值为8.1 Brix,与理论值的相对误差为2.5%,因此验证实验证明此模型的优化结果与实际生产重复性高,准确可靠。

2.3沙棘原浆成分测定

沙棘原液经过冷冻浓缩前后pH、总酸、可溶性固形物和总黄酮均有显著变化,冷冻后pH由原来的2.95降至2.65,下降程度不大。总酸、可溶性固形物和总黄酮的量在浓缩后均有显著增加,增加幅度分别为46%,10.5%和6.3%。将浓缩后的沙棘汁加水复原至原体积后测冷冻浓缩过程中成分损失发现,pH上升为3.03,总酸下降至0.303 g/mol损失幅度为9.8%;可溶性固形物下降至11.3,损失量为8.9%,总黄酮下降至4139.54 mg/L,损失量为3.8%。从结果可知,冷冻浓缩过程中沙棘原浆的pH有所升高,总酸、可溶性固形物以及总黄酮的损失量均未超过10%,即达到了较好的浓缩效果,又最大程度上保留了沙棘原浆的有效成分。

表8 冷冻浓缩前后及复原沙棘液营养成分对比Table 8 The nutrients in the sea-buckthorn juices before and after the freeze-concentration

3 结论

两个响应值取冰质量和取冰纯度分别取最大值和最小值进行联合优化得到的最优冷冻浓缩条件是:冷冻温度-7 ℃,原浆浓度12.4 Brix,冷冻时间13 min时,在此条件下实际冰晶质量为33.67 g,冰晶纯度为8.1 Brix。浓缩汁的总酸、可溶性固形物和总黄酮的量在浓缩后均有显著增加,增加幅度分别为46%,10.5%和6.3%。冷冻浓缩过程中沙棘原浆的pH有所升高,总酸、可溶性固形物以及总黄酮的损失量均未超过10%。最大限度的保留沙棘原浆中的有效成分,又达到较好的浓缩效果。因此利用冷冻的方法浓缩沙棘原浆具有良好的应用前景。

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