曹家樂,遲巖,孫靜瑤,張兵,王馨,楊海燕
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052)
新疆是世界杏屬植物起源中心之一,是我國杏的主產(chǎn)區(qū)[1]。李光杏皮光滑無毛,外表光亮鮮美,肉質(zhì)酸甜多汁,既可以鮮食又可以加工,是新疆主栽品種之一[2]。李光杏由于采收期集中,貨架期短,采后易腐且儲運(yùn)性差,因此對李光杏進(jìn)行干制加工來延長果實的貯藏期。然而,李光杏在脫水干制過程中極易發(fā)生褐變,嚴(yán)重影響了李光杏干制品貨架期和商品價值。褐變可分為酶促褐變和非酶促褐變。傳統(tǒng)鮮杏干制采用硫熏蒸或亞硫酸鹽浸泡,抑制鮮杏干制過程中的褐變,但過量使用含硫物質(zhì)對人類健康具有潛在危害[3]。因此,研究無硫護(hù)色技術(shù)對提高李光杏干制品食用安全性具有重要意義。
多酚氧化酶(PPO)是果蔬中重要的內(nèi)源酶,主要促使多酚物質(zhì)的鄰羥基氧化生成鄰醌,進(jìn)一步與多酚或蛋白質(zhì)發(fā)生縮合反應(yīng),引起色澤變化。熱燙預(yù)處理可鈍化果蔬中存在的氧化酶,抑制酶促褐變,還可起到滅菌滅蟲,進(jìn)而提高干制品的品質(zhì)[4,5]。非酶促褐變的主要原因包括抗壞血酸降解反應(yīng)、多酚類物質(zhì)氧化聚合反應(yīng)、美拉德反應(yīng)以及焦糖化反應(yīng)等[6,7]。其中,抗壞血酸、總酚、還原糖等關(guān)鍵組分直接或間接參與非酶褐變反應(yīng),這些成分的含量和活性決定了非酶促褐變的反應(yīng)程度和速率。目前,對于李光杏干制過程中非酶褐變相關(guān)物質(zhì)種類和含量變化與褐變關(guān)系的研究鮮有報道。
本試驗以李光杏為研究試材,探索復(fù)配無硫護(hù)色劑對李光杏干制過程中褐變的抑制作用,并利用相關(guān)性分析其干制過程中引起褐變的主要因素相關(guān)程度,為李光杏干制和貯藏過程有效抑制褐變提供一定的參考價值。
李光杏:2020年7月購于新疆烏魯木齊市九鼎農(nóng)產(chǎn)品果蔬批發(fā)市場,篩選出成熟度一致、無病蟲害、無機(jī)械傷、形狀均一的果實,置于溫度為(4±1) ℃、相對濕度為90%的冷庫中備用。
檸檬酸、植酸、L-半胱氨酸(均為食品級),浙江一諾生物科技有限公司;Folin-酚試劑、亮氨酸,北京索萊寶科技有限公司;甲醇、草酸、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、3,5-二硝基水楊酸等(均為分析純),天津市大茂化學(xué)試劑廠。
JZ-350色彩色差計,深圳市金準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司;AL204電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;UV-1200紫外可見分光光度計,上海美譜達(dá)儀器有限公司;KQ-250DE數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司。
1.3.1 工藝流程
鮮杏→分揀→沖洗→漂燙→冷卻→護(hù)色→瀝水→干制→成品→品質(zhì)測定
1.3.2 操作要點
(1)漂燙、護(hù)色:通過預(yù)實驗篩選出熱燙溫度為90 ℃、時間3 min;護(hù)色液體積為李光杏的2倍,浸漬時間4 h。
(2)瀝干:將李光杏置于瀝水籃中至無明顯液體滴落為止。
(3)干制:采用傳統(tǒng)露天干制,直至杏果實質(zhì)量損失率為80%,在此過程中,質(zhì)量每損失10%時取樣,液氮速凍,置于-40 ℃冰箱保藏,備用。
1.3.3 單因素試驗
分別以0.20%、0.40%、0.60%、0.80%、1.00%的檸檬酸,0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%的植酸,0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%的L-半胱氨酸為單因素進(jìn)行試驗,研究各單因素對熱燙后的李光杏干制過程中L*值的影響,確定各單因素的最佳范圍。
1.3.4 李光杏護(hù)色的響應(yīng)面優(yōu)化試驗
響應(yīng)面試驗基于單因素試驗結(jié)果,分別選取檸檬酸、植酸、L-半胱氨酸濃度3個影響因素進(jìn)行考察,以L*值為響應(yīng)值,設(shè)計三因素三水平試驗,進(jìn)行響應(yīng)面分析,優(yōu)化李光杏干制防褐變工藝條件,各因素和水平見表1。
表1 Box-Behnken試驗因素水平表Table 1 Level table of Box-Behnken experimental factors
1.3.5 指標(biāo)測定
1.3.5.1 無硫杏干色澤的測定
參照吳松霞等[8]的方法稍作修改,對李光杏干制品圍繞赤道部位取六個點,進(jìn)行參數(shù)L*值的測定,取其平均值。
1.3.5.2 抗壞血酸含量的測定
參照2,6-二氯酚靛酚滴定法測定[9]。
1.3.5.3 還原糖含量的測定
參照 3,5-二硝基水楊酸比色法[10]。由標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.5109x?0.0045(R2=0.9991),計算待測樣品還原糖含量,結(jié)果以干基表示。
1.3.5.4 總酚含量的測定
參照 Folin-Ciocalteu比色法[11]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.1199x?0.0094(R2=0.9994),計算待測樣品總酚含量,結(jié)果以干基表示。
1.3.5.5 游離氨基酸總量的測定
參照茚三酮顯色法[12]。并由已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.0709x+0.0015(R2=0.9996),計算待測樣品游離氨基酸總量,結(jié)果以干基表示。
每個指標(biāo)平行測定三次,采用Origin 2019軟件作圖,利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和差異顯著性分析,p<0.05表示差異顯著,并用Design ExPert 10軟件對李光杏干制無硫護(hù)色參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
2.1.1 檸檬酸對李光杏干制品L*值的影響
圖1 檸檬酸對李光杏干制品L*的影響Fig.1 The effect of citric acid on the L* of dried Liguang apricot products
由圖1可知,隨著檸檬酸濃度的增大,李光杏干制品L*值呈先上升后下降的趨勢。對比CK組(L*值為 31.37),0.60%檸檬酸處理顯著抑制了李光杏干制過程中的褐變(p<0.05),其L*值為38.11,李光杏干制品色澤(L*值)升高21.49%。這與張芳[13]等研究結(jié)果一致,張芳等的試驗結(jié)果顯示:0.60%檸檬酸可顯著降低杏脯色差值,且與CK組相比,下降了11.93%。這可能是由于檸檬酸通過降低pH,使溶液氧氣溶解度降低而兼有抗氧化性。Zhou[14]等通過CD光譜證實由于酸性條件下PPO的β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲含量增加,從而使 PPO的構(gòu)象變化,抑制褐變。Queiroz[15]等研究發(fā)現(xiàn)其促進(jìn)羰氨反應(yīng)中的縮合物水解,破壞了李光杏干制過程中褐變物質(zhì)的反應(yīng)。當(dāng)檸檬酸濃度高于0.60%時,其L*值顯著下降(p<0.05),這可能是因為對金屬離子螯合作用減弱。綜合考慮,檸檬酸溶液濃度選用0.60%時護(hù)色效果最好。
2.1.2 植酸對李光杏干制品L*值的影響
圖2 植酸對李光杏干制品L*的影響Fig.2 The effect of phytic acid on the L* of dried Liguang apricot products
由圖2可知,隨著植酸濃度的增大,李光杏干制品L*值呈先上升后下降的趨勢,對比CK組(L*值為31.37),0.06%植酸處理顯著抑制了李光杏干制過程中的褐變(p<0.05),其L*值為40.28,李光杏干制品色澤(L*值)升高28.40%。這與李鳳霞[16]等研究結(jié)果相似,李鳳霞等的研究發(fā)現(xiàn):0.12%植酸處理蘋果果脯,其感官評價與L*值均顯著上升。這可能是由于李光杏中金屬離子較少,低濃度植酸基本螯合完全。黃艷斌[17]等研究表明其能夠螯合促進(jìn)氧化作用的微量金屬離子,且絡(luò)合物不能活化氧分子,使雙鍵的加成反應(yīng)和過氧化物的形成難以實現(xiàn),以阻斷醛、酮等產(chǎn)物。傅釋儀等[18]研究發(fā)現(xiàn)植酸能夠很好抑制抗壞血酸氧化,抑制褐變。當(dāng)植酸濃度增大到0.08%時,其L*值為37.96,相比濃度為0.04%處(L*值為37.56)差異不顯著(p>0.05),可能是因為pH過低,導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加甚至破壞。綜合考慮,植酸濃度選用0.06%時護(hù)色效果最好。
2.1.3 L-半胱氨酸對李光杏干制品L*值的影響
由圖3可知,隨著L-半胱氨酸濃度的增大,李光杏干制品L*值呈先上升后下降的趨勢,對比CK組(L*值為 31.37),0.20%植酸處理顯著抑制了李光杏干制過程中的褐變(p<0.05),其L*值為38.28,李光杏干制品色澤(L*值)升高22.03%,可能是由于L-半胱氨酸阻止了酚類的聚合從而抑制褐變??拙S寶[19]等研究認(rèn)為L-半胱氨酸直接消除醌與其他物質(zhì)的反應(yīng),來抑制褐變;Ali[20]等研究發(fā)現(xiàn)荔枝經(jīng)過0.25%的L-半胱氨酸處理后,其褐變指數(shù)顯著降低,并認(rèn)為產(chǎn)生此變化趨勢的原因與相關(guān)氧化酶有關(guān);后期可從L-半胱氨酸抑制機(jī)理開展試驗,進(jìn)行驗證。當(dāng)L-半胱氨酸濃度高于 0.20%時,其 L*值逐漸下降,0.30%L-半胱氨酸處理組L*值為36.17,與最優(yōu)處理差異顯著(p<0.05),可能有由于其造成李光杏組織破壞,使L*值下降。Ye等[21]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)濃度 L-半胱氨酸保護(hù)蓮藕脯的組織,從而使褐變度降低,當(dāng)濃度大幅度增加,蓮藕脯的組織遭到破壞,褐變度增加。綜合考慮,L-半胱氨酸濃度選用0.20%時護(hù)色效果最好。
圖3 L-半胱氨酸對李光杏干制品L*的影響Fig.3 The effect of L-cysteine on the L* of dried Liguang apricot products
2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果
采用Box-Behnken試驗設(shè)計原理對李光杏復(fù)配無硫護(hù)色劑進(jìn)一步優(yōu)化,整個試驗共進(jìn)行17次,并利用Design-Export 10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,李光杏復(fù)配無硫護(hù)色劑優(yōu)化見表2。
2.2.2 因素與李光杏干制品色澤(L*值)模型的建立
采用Design Export 10軟件對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,擬合所得李光杏干制品L*值(Y)與檸檬酸(A)、植酸(B)和L-半胱氨酸(C)的實際回歸方程如下:Y=42.13+0.10A+0.78B-0.11C+0.50AB-0.13AC+0.15B C-0.84A2-2.46B2-1.37C2
表2 Box-Behnken 試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments
表3 Box-Behnken 試驗結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of Box-Behnken test results
由表3分析結(jié)果表明,模型p<0.0001,說明該模型差異性極顯著;失擬項P=0.4561>0.05,即模型失擬項不顯著;相關(guān)系數(shù) R2=0.9983,調(diào)整相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.9962,說明該模型擬合相關(guān)性較好,可用于李光杏干制過程色澤的分析。顯著性分析結(jié)果表明:B(植酸)、交叉項AB及二次項A2、B2、C2對李光杏干制品色澤影響極顯著(p<0.01),A(檸檬酸)、C(L-半胱氨酸)、交叉項AC、BC對試驗結(jié)果有顯著性影響(p<0.05)。交互作用強(qiáng)弱:AB>BC>AC;各因素對李光杏干制品色澤強(qiáng)弱的影響為:B(植酸)>C(L-半胱氨酸)>A(檸檬酸)。
2.2.3 響應(yīng)面圖分析
圖4 檸檬酸濃度與植酸濃度對李光杏色澤(L*)的響應(yīng)面圖Fig.4 The response surface plot of citric acid concentration and phytic acid concentration on the color of Liguang apricot (L*)
圖5 植酸濃度與L-半胱氨酸濃度對李光杏色澤(L*)的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of phytic acid concentration and L-cysteine concentration on the color of Liguang apricot (L*)
圖6 檸檬酸濃度與L-半胱氨酸濃度對李光杏色澤(L*)的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plot of citric acid concentration and L-cysteine concentration on the color of Liguang apricot (L*)
響應(yīng)面圖可以直觀反映各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系及因素間的交互作用。圖4~6顯示檸檬酸(A)、植酸(B)、L-半胱氨酸(C)之間的交互作用對李光杏干制品色澤(L*)的影響。其中圖4與圖5的曲面相對陡峭,表明因素的交互作用較強(qiáng),與方差分析結(jié)果相同。
2.2.4 最佳工藝驗證試驗
通過對回歸方程進(jìn)行分析并求解,得到李光杏干制護(hù)色的最優(yōu)工藝:檸檬酸濃度為0.62%,植酸濃度為0.06%,L-半胱氨酸濃為0.20%,預(yù)測李光杏L*值為42.20,考慮到實際生產(chǎn)的情況,將各參數(shù)修正為:檸檬酸濃度 0.60%,植酸濃度 0.06%,L-半胱氨酸濃0.20%,采用上述條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗,得到L*值為 42.18±0.22,與預(yù)測值接近,可見回歸模型能很好地預(yù)測李光杏干制后的L*值。
2.3.1 李光杏干制過程色澤(L*)的變化
圖7 不同質(zhì)量損失下李光杏L*的變化Fig.7 Changes of Liguang apricot L* under different mass losses
由圖7可知,在李光杏干制過程中,其L*值呈現(xiàn)出下降的趨勢,至干制結(jié)束,其L*值 42.18,相比于鮮杏 L*值 55.57,李光杏在干制過程中 L*下降了24.10%。畢家鈺[22]等人用 0.90%植酸、0.30%檸檬酸組成的復(fù)合護(hù)色液浸漬香蕉片20 min,褐變抑制率達(dá)84.40%,與本試驗結(jié)果不一致,這可能是由于品種不同,護(hù)色劑對干制過程中非酶促褐變抑制趨勢不一致。Pham[23]等研究認(rèn)為酸性條件下,抗壞血酸、還原糖分解成糠醛化合物及5-HMF促進(jìn)褐變;Gao[24]等研究表明多酚物質(zhì)自身縮合氧化是蘋果切片褐變的主要原因;后期可進(jìn)行李光杏干制過程非酶褐變分析,以進(jìn)行驗證。干制過程中隨著質(zhì)量損失的增大,褐變顯著增加,主要是因為干制后期,褐變產(chǎn)物的累計,導(dǎo)致明顯的褐變。
2.3.2 李光杏干制過程抗壞血酸的變化
在非酶褐變反應(yīng)動力學(xué)中,抗壞血酸作為其氧化褐變的一種呋喃前體,其含量變化是褐變反應(yīng)的特定參數(shù)之一[25]。因此,分析鮮杏干制過程抗壞血酸含量的變化,對于研究非酶褐變有著重要意義。由圖8可知,在李光杏干制過程中,抗壞血酸含量呈下降的趨勢,當(dāng)干制結(jié)束時,其抗壞血酸含量為1.39 mg/100 g,相比于鮮杏,其抗壞血酸含量下降了85.68%,王威[26]等人研究發(fā)現(xiàn)完熟期賽買提杏曬干后抗壞血酸含量是鮮杏的9.99%,與本試驗相似,這可能因為抗壞血酸易被氧化成雙羰基化合物,進(jìn)一步形成有色物質(zhì)。徐亦秀[27]研究認(rèn)為抗壞血酸有氧分解進(jìn)一步生成還原酮,進(jìn)而參與美拉德反應(yīng)的中間及最終階段,無氧分解形成糠醛,形成褐色物質(zhì)。
圖8 不同質(zhì)量損失下李光杏抗壞血酸的變化Fig.8 Changes of anti-chemical blood acid of Liguang apricot under different mass losses
2.3.3 李光杏干制過程還原糖的變化
圖9 不同質(zhì)量損失下李光杏還原糖的變化Fig.9 Changes of reducing sugar of Liguang apricot under different mass losses
游離還原糖與游離氨基酸之間的羰氨反應(yīng)是果蔬加工品非酶褐變的影響因素之一[28,29]。由圖9可知,在李光杏干制過程中,還原糖呈現(xiàn)下降的趨勢,干制前后,其含量分別為21.30 g/100 g、13.52 g/100 g,降低了 36.53%(p<0.05),在質(zhì)量損失 40%、50%時,還原糖含量分別為16.67 g/100 g、16.22 g/100 g,變化相對較小,李瓊[30]等研究發(fā)現(xiàn)鮮杏中還原糖含量為20.10 g/100 g,自然曬制條件下還原糖含量降至11.45 g/100 g,下降幅度42.99%,干制過程一段時間含量變化較為平穩(wěn)。這可能是由于還原糖在干制過程分解參與美拉德反應(yīng),且一段時間內(nèi)蔗糖水解與美拉德反應(yīng)處于動態(tài)平衡。鮑若晗[31]證實還原糖含量下降可能參與羰氨反應(yīng),升高是由多糖在酸性條件下水解所引起的。干制后期,還原糖含量趨于平衡,可能是由于糖類與氨基酸化合物生成糖胺,導(dǎo)致pH降低抑制反應(yīng)進(jìn)行。
2.3.4 李光杏干制過程總酚的變化
酚類物質(zhì)能夠有效清除自由基,防止組織發(fā)生氧化[32],是果蔬中的次生代謝產(chǎn)物之一。由圖10可知,李光杏在脫水干制過程中總酚含量總體呈下降的趨勢,干制結(jié)束時總酚含量為0.27 mg/g,相比于鮮杏的0.75 mg/g,其下降了64.00%。徐玉娟[33]等用熱泵干制龍眼,發(fā)現(xiàn)至干制結(jié)束,總酚從3.34 mg/g下降至2.54 mg/g,降低了23.94%。這可能是由干制方法和品種不同,進(jìn)而使酚類物質(zhì)促進(jìn)5-HMF的重要前體3-脫氧葡萄糖的形成速率不同。Wilke[34]等證實多酚物質(zhì)中的原花青素B1易水解為兒茶素與表兒茶素,在美拉德反應(yīng)中作為促氧劑生成 D-葡萄糖酮,進(jìn)而引起色澤變化。當(dāng)質(zhì)量損失40%、50%時,總酚含量分別為0.36 mg/g、0.42 mg/g,其含量顯著增加(p<0.05)。李曉麗[35]等研究發(fā)現(xiàn)無核白葡萄脫水過程中質(zhì)量損失40%~50%階段總酚突然增加,并開始出現(xiàn)褐變現(xiàn)象,與本研究結(jié)果相同。干制后期,總酚含量下降趨勢趨于平緩,可能是由多酚物質(zhì)中多酚氧化縮合的主要物質(zhì)含量降低。
圖10 不同質(zhì)量損失下李光杏總酚含量的變化Fig.10 Changes of total phenolic content of Liguang apricot under different mass losses
2.3.5 李光杏干制過程游離氨基酸的變化
游離氨基酸參與美拉德反應(yīng)、抗壞血酸的氧化褐變反應(yīng)以及多酚類物質(zhì)的縮合反應(yīng)[36],是探究李光杏干制期間非酶褐變的重要指標(biāo)。由圖11可知,李光杏在干制過程中,游離氨基酸總量呈下降的趨勢,至干制結(jié)束,李光杏干制品游離氨基酸總量為 39.33 mg/100 g,相比于鮮杏的51.10 mg/100 g,其下降了23.03%。張哲[37]等研究發(fā)現(xiàn)新鮮龍眼果肉經(jīng)熱風(fēng)干制后游離氨基酸的含量顯著下降(p<0.05),質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8.70%降到2.52%,下降了71.03%。這可能是由于其參與了美拉德反應(yīng)。胡云峰[38]等研究也認(rèn)為游離氨基酸大部分與還原糖發(fā)生了美拉德反應(yīng)。在質(zhì)量損失40%、50%時,其含量分別為44.75 mg/100 g、41.36 mg/100 g,下降幅度較大,這可能是因為這一階段蛋白質(zhì)水解速率減慢。曹一菲[39]等研究水煮藕帶非酶褐變時認(rèn)為抗壞血酸前期的大量消耗,促使了接下來的美拉德反應(yīng);后期可進(jìn)行干制過程游離氨基酸總量變化機(jī)理的試驗,探究其變化的具體原因。干制后期,游離氨基酸含量趨于平緩,可能是因為大量產(chǎn)物積累,致使反應(yīng)受阻。
圖11 不同質(zhì)量損失下李光杏游離氨基酸含量的變化Fig.11 Changes of free amino acid content of Liguang apricot apricot under different mass losses
以X1(抗壞血酸)、X2(還原糖)、X3(總酚)、X4(游離氨基酸)為自變量,以L*值為因變量,對復(fù)合護(hù)色劑對李光杏干制品褐變的各因素進(jìn)行相關(guān)性分析。
表4 各因素間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among various factors
由表4可知,李光杏干制過程中,抗壞血酸(X1)、還原糖(X2)、總酚(X3)、游離氨基酸(X4)含量均與L*值(Y)極顯著相關(guān)(p<0.01),其中,還原糖(X2)對李光杏干制品的L*值顯著性明顯高于其他因素,其次是游離氨基酸(X4)、抗壞血酸(X1)、總酚(X3),表明在李光杏干制過程中,美拉德反應(yīng)和抗壞血酸氧化引起的非酶褐變主要的。這與陳思奇[40]等研究刺梨果糕不同干燥溫度條件發(fā)生非酶褐變的主要原因是美拉德反應(yīng)的結(jié)果基本一致。
通過單因素并結(jié)合響應(yīng)面試驗得出李光杏干制過程中無硫護(hù)色劑最佳復(fù)配條件為0.60%檸檬酸、0.06%植酸、0.20% L-半胱氨酸,植酸對李光杏干制品色澤(L*值)影響最大,其次是L-半胱氨酸、檸檬酸,在此條件下,李光杏干制品預(yù)測 L*值 42.20,實際為42.18±0.22,相對誤差為0.05%,誤差較小,說明該模型能夠較好的預(yù)測實際值;通過復(fù)合無硫護(hù)色劑處理,李光杏干制品抗壞血酸含量為1.39 mg/100 g、還原糖含量為13.52 g/100 g、總酚含量為0.27 mg/g、游離氨基酸含量為39.33 mg/100 g,并利用相關(guān)性分析得出干制過程中對非酶褐變影響的順序為還原糖>游離氨基酸>抗壞血酸>總酚。這為今后更有針對性研究無硫護(hù)色劑抑制李光杏干制過程中色澤的變化提供一定的理論依據(jù)。