荸荠预处理条件优化

孟秀梅，赵文超，张兰，伍梦瑶，佘昊

1. 江苏食品药品职业技术学院（淮安 223003）；2. 宿迁苏秋饮品有限公司（宿迁 223999）

荸荠（Eleocharis tuberosa），在我国又被称为马蹄、地梨等，在我国主要分布在湖南、湖北、浙江、江苏、广东等长江流域及以南地区[1]。荸荠中水分83.6%、碳水化合物14.2%、蛋白质1.2%、脂肪0.2%、膳食纤维1.1%，还含有丰富的维生素和矿物元素等，肉质洁白，美味多汁，清脆可口，具有重要的营养价值与药用价值[2]。随着种植业结构的不断调整，荸荠种植面积持续上升，同时结合现代种植生产技术，荸荠的品质和产量不断提升。荸荠亩产量可达1 500 kg左右，最高产量可达2 200 kg[3]，但由于受到荸荠自身特性和加工技术的影响，以鲜食消费为主，利用率不高。随着人们生活水平的提高，对饮料的健康及功能需求日益提升，将荸荠加工成饮料，既能起到解渴、防暑的作用，又有清热解烦、祛痰消积[4]、止崩、降血压的保健作用[5]。荸荠饮料营养丰富，同时还具有养生保健功能，符合市场需求[6]。荸荠饮料在工业化生产中受到原料预处理的制约，人工预处理不仅费工费时，处理后质量参差不齐，严重影响后续工艺，因此对荸荠原料进行预处理研究，制备色泽、气味和状态均匀的荸荠浆液，解决工业化生产中存在的问题，促进荸荠产业健康可持续发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜荸荠（淮安大学城城南菜场）；抗坏血酸，石药集团维生药业（石家庄）有限公司；纯净水（食品科技园饮料实训车间自制）。

1.2 仪器与设备

KFS-C4电子天平（浙江凯丰集团公司）；JP-100超声波清洗机（深圳市洁盟清洗设备有限公司）；J-HH-4A精密数显恒温水浴锅（上海冠森生物科技有限公司）；QC-LL2435破壁料理机（佛山乾程电气科技有限公司）；TDL-40C低速台式大容量离心机（上海安亭科学仪器厂）。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

荸荠挑选→清洗→称重→预处理→破碎→离心→荸荠浆液→备用

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 荸荠预处理

选择无破损、无虫洞、颜色较深的新鲜荸荠，成熟度较好，荸荠甜度较高；将荸荠清洗干净，置于超声波清洗机中常温超声处理5～10 min；清洗后置于一定比例的纯净水中，在水浴锅中按照设定温度预处理一段时间，处理完毕后从水浴锅中取出，沥干。

1.3.2.2 荸荠浆液

预处理后荸荠加入纯净水，质量比1∶1，按照荸荠质量0.01%加入抗坏血酸后置于破壁机中，破碎后以4 000 r/min离心10 min，上层溶液即为荸荠浆液，下层沉淀物烘干粉碎后加入焙烤食品中。

1.4 评价指标

总黄酮类测定采用硝酸铝络合分光光度法[7]，可溶性固形物按GB/T 12143—2008《饮料通用分析方法》规定的方法执行[8]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 不同液料比处理对荸荠浆液的影响

将荸荠洗净沥干，精确称重后按照液料比加入纯净水，置于75 ℃水浴锅中，处理15 min，取出沥干后按照质量比1∶1加入纯净水，在破壁机中进行破碎，破碎浆液经离心后即得荸荠浆液，测定荸荠浆液中总黄酮和可溶性固形物含量。

由图1可见，随着液料比逐渐增加，总黄酮及可溶性固形物含量均呈现逐渐上升后快速下降的趋势，尤其是可溶性固形物的下降趋势更显著。推测是因为一定程度的预处理会加快荸荠细胞的膨胀，导致细胞间隙变大或细胞膜壁破裂，有利于黄酮的释放[9-10]，淀粉受热会发生糊化和降解[11]，但随着料液比增大，流失于水中的黄酮及还原糖量显著大于释放量，导致总黄酮和可溶性固形物出现下降的情况。液料比为15∶1（mL/g）时总黄酮及可溶性固形物达到峰值，因此选择10∶1，15∶1和20∶1（mL/g）进一步优化，确定最佳液料比。

图1 不同液料比处理对荸荠浆液的影响

2.1.2 不同温度处理对荸荠浆液的影响

将荸荠洗净沥干，按照液料比15∶1（mL/g）加入纯净水，按照一定的温度处理15 min，取出沥干后进行破碎，破碎浆液经离心后测定总黄酮和可溶性固形物含量。

由图2可见，随着温度不断升高，总黄酮及可溶性固形物含量均呈现先快速上升后下降趋势。推测原因是处理温度在75 ℃及以下时，能促使荸荠细胞中黄酮类物质的释放，但随着温度进一步升高，高温会导致黄酮类物质被破坏[12]，同时加速荸荠中水溶性物质溶出，导致可溶性固形物下降。因此选择65，75及85 ℃进一步优化，获得最佳处理温度。

图2 不同温度处理对荸荠浆液的影响

2.1.3 不同时间处理对荸荠浆液的影响

将荸荠洗净沥干，按照液料比15∶1（mL·g-1）加入纯净水，75 ℃处理一定时间后沥干，破碎浆液经离心后测定总黄酮和可溶性固形物含量。

由图3可见，随着处理时间延长，总黄酮、可溶性固形物含量均呈现先上升后下降趋势。推测是因为预处理过程是以纯净水为传热介质，荸荠中的黄酮类物质以及其他可溶性物质会流失[13]，低于20 min时，所释放黄酮类物质和分解的水溶性物质大于流失量，但随着时间延长，流失的物质高于释放量。综合考虑节能及成本原因，选择10，15及20 min进一步优化，获得最佳处理时间。

图3 不同时间处理对荸荠浆液的影响

2.2 响应面试验及结果分析

根据单因素试验结果，由Box-Behnken的中心组合设计原理，总黄酮与可溶性固形物变化趋势一致，选择响应变量Y为总黄酮，采用三因素三水平的响应面试验，因素水平见表1，响应面试验方案及结果见表2。

表1 响应面试验因素水平表

利用Design Expert 8.0.6.1软件，对表2试验数据进行二次多项回归拟合，得到总黄酮对自变量液料比（A）、处理温度（B）和处理时间（C）的多元回归方程：总黄酮=0.18+0.003 375A-0.000 5B+0.008 125C+ 0.000AB+0.001 25AC+0.000 5BC-0.020A2-0.005 825B2-0.009 075C2。

表2 响应面优化结果

表3中模型的F=99.29，说明对感官评分所建立的回归模型显著，一次项A、二次项B2影响显著，一次项C及二次项A2、C2影响高度显著，其余项影响不显著。失拟项F=0.14，相对误差不显著。相关系数R2=0.992 2，Radj2=0.982 2。

表3 回归模型方差分析表

图4显示，在处理时间恒定的情况下，随着液料比和处理温度不断增大，总黄酮呈先升后降趋势。液料比与处理温度有一定交互影响，液料比影响高于处理温度对荸荠浆液总黄酮的影响。

图4 液料比与处理温度对荸荠浆液总黄酮的交互影响

图5显示，在处理温度恒定的情况下，随着液料比和处理时间的增加，总黄酮呈先升后降趋势。液料比与处理时间有一定交互影响，处理时间的影响高于液料比对荸荠浆液总黄酮的影响。

图5 液料比与处理时间对荸荠浆液总黄酮的交互影响

图6显示，在液料比恒定情况下，随着处理温度和处理时间增加，总黄酮呈先升后降趋势。处理温度与处理时间有一定交互影响，处理时间的影响高于处理温度对荸荠浆液总黄酮的影响。

图6 处理温度与处理时间对荸荠浆液总黄酮的交互影响

处理时间对荸荠浆液总黄酮的影响最大，液料比的影响次之，处理温度的影响最小。

2.3 验证试验

响应面优化最佳结果为液料比15.49∶1（mL/g）、处理温度74.77 ℃、处理时间17 min。荸荠浆液中总黄酮为0.186 415 mg/mL。为验证预测值与真实值之间的拟合程度及方程有效性，采用总黄酮最大响应值对应的响应因素值进行验证，考虑实际情况，对响应因素值进行修正：液料比15.5∶1（mL/g）、处理温度74.8 ℃、处理时间17 min。3组平行试验显示荸荠浆液中总黄酮为0.186 mg/mL，与预测结果0.186 415 mg/mL高度相符，试验模型有效，可溶性固形物达6.29%；而不经处理的荸荠浆液中可溶性固形物为3.35%，总黄酮仅0.097 mg/mL。

3 结论

将荸荠置于15.5倍的纯净水中，在温度74.8 ℃处理17 min后，进行破碎离心制备的荸荠浆液中总黄酮为0.186 mg/mL，可溶性固形物为6.29%，分别是未处理荸荠的1.92倍和1.88倍。荸荠浆液呈米白色、荸荠清香、半透明状态，可用于荸荠饮料、荸荠汁、荸荠浓缩汁以及荸荠速溶粉等产品的制备，丰富荸荠产品类型，提高荸荠的附加值，促进荸荠产业健康可持续发展。