2017,
Vol. 26
2. 滨州市农业科学院, 山东 滨州 256600;
3. 上海塞翁福农业发展有限公司, 上海 201403
四季香芹 (Petroselinum crispum) 是伞形科欧芹属的一种高营养保健蔬菜，其营养丰富，香气浓郁，保健价值突出[1-2]，是上海地区主要香芹栽培品种之一，富含碳水化合物、维生素C等营养物质和钙、磷、铁等微量元素，具有降血脂、预防动脉硬化、治疗便秘、增强免疫功能等功效[3-5]，深受消费者喜爱。近年来芹菜汁作为营养健康的保健饮品而受到消费者喜爱，但其出汁率不高是影响制汁业发展的技术瓶颈。
香芹是膳食纤维，以纤维素、半纤维素含量较高的蔬菜[6]，其中粗纤维含量可达2.3%[7]，通过酶解提高其出汁率是研究的重点方向之一。王新惠等[8]通过果胶酶、蛋白酶和纤维素酶协调酶解，能够使草莓出汁率提高30.4%。陈学红等[9]通过纤维素酶酶解，能显著提高芦笋可溶性固形物、总糖及抗氧化活性。陆健康等[10]则利用果胶酶酶解优化红枣制汁工艺取得理想效果。纤维素酶等在酶解樱桃[11]、山楂[12]、胡萝卜[13]等出汁率方面也取得了一系列进展。由于四季香芹中果胶含量很低，纤维素酶对于提高其出汁效果研究方面具有十分关键的作用，通过降解纤维素，促进内容物溶出扩散，进而提高出汁率[14]。
本研究通过纤维素酶添加量、酶解温度和酶解时间的单因素试验，确定四季香芹酶解的单因素最佳的条件。通过响应面试验设计与优化，研究确定纤维素酶酶解工艺参数。以期为香芹出汁率提高提供技术依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料香芹品种为四季香芹 (Petroselinum crispum)，2015年10月6日采自上海市农业科学院实验基地，采收后立即运回上海市农业科学院农产品保鲜加工研究中心实验室，放置于4 ℃冷库预冷后贮藏备用。纤维素酶 (15 000 U/g)，BR (沪试)，购于国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备主要仪器与设备：HWS24型恒温水浴锅 (上海益恒实验仪器有限公司)；BP301S型电子天平 (德国)；1000JP型离心果汁机 (江苏南通金橙机械有限公司)；SPX-250B-Z型生化培养箱 (上海博迅实业有限公司医疗设备厂)；JYL-C020打浆机 (杭州九阳电器有限公司)。
1.3 试验方法 1.3.1 工艺流程及操作要点工艺流程：试材挑选→去根去叶→清洗干净→热烫→沥干水分→切段打浆→浆液酶解→过滤→香芹汁。
操作要点：选择颜色鲜绿的四季香芹 (株高50~60 cm，开展度21~23 cm)，在清洁冷水中浸泡5 min后，通过自来水流水冲洗，洗净表面泥沙。将洗净的香芹置于95 ℃水浴中热烫5 min。捞出后迅速冷却到20 ℃，沥干表面水分后置于打浆机中打浆20 s左右，取50 g浆液置于100 mL烧杯中，添加纤维素酶，酶加入后需搅拌均匀，并用保鲜膜封口。使用200目滤布过滤，得到香芹汁。测定香芹汁的pH为5.9。
在预实验基础上，选取酶解时间1.5 h，酶解温度40 ℃，纤维素酶添加量分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，分别测定四季香芹出汁率，确定纤维素酶最佳添加量，3次重复。
1.3.3 酶解时间对香芹出汁率的影响选取纤维素酶添加量为0.06%，酶解温度为40 ℃，分别将四季香芹浆液放置水浴锅中，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h时间内酶解，分别测定其出汁率，确定最佳酶解时间，3次重复。
1.3.4 酶解温度对香芹出汁率的影响选取纤维素酶添加量为0.06%，酶解时间为1.5 h，分别将四季香芹浆液放置30、35、40、45、50 ℃水浴酶解，分别测定其出汁率，确定最适酶解温度，3次重复。
1.3.5 响应面试验优化在上述单因素试验的基础上，以纤维素酶添加量 (%)、酶解时间 (h)、酶解温度 (℃) 为自变量因素，以出汁率为响应值进行三因素三水平的响应面试验优化，确定纤维素酶添加量、酶解时间、酶解温度对出汁率的影响，确定香芹制汁最佳条件。
1.4 数据处理试验数据通过Excel 2013整理分析并作图。使用Design-Expert8.0.6进行响应面试验数据分析与作图。
2 结果与分析 2.1 单因素试验 2.1.1 纤维素酶添加量对香芹出汁率的影响由图 1可知，香芹出汁率随纤维素酶添加量的增加而升高，反应初期香芹出汁率显著增加，当纤维素酶添加到0.04%时，出汁率达到75.8%。虽然纤维素酶添加量不断增加，但出汁率增加缓慢。当纤维素酶添加量超过0.06%时，达到峰值 (P < 0.05)，之后出汁率随着纤维素酶添加量的增加而无明显升高 (P > 0.05)。因此选取0.06%作为纤维素酶添加量试验的零水平。
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图 1 纤维素酶添加量对出汁率的影响
Fig. 1 Effect of cellulase addition on the yield of celery juice
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由图 2可知，在酶解的初期酶解反应迅速，出汁率随着酶解时间的增加而增加。酶解2.0 h后，出汁率基本无明显升高，但由于1.5 h与2.0 h出汁率的变化不显著 (P > 0.05)，总体考虑，故选取1.5 h作为酶解时间试验的零水平。
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图 2 酶解时间对出汁率的影响
Fig. 2 Effect of enzymatic hydrolysis timeon the yield of celery juice
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由图 3可知，随着酶解温度的升高，出汁率呈先升后降的趋势，在40 ℃时出汁率达到最大值。因此，40 ℃为最佳的酶解温度，故选取40 ℃为酶解温度的零水平。
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图 3 酶解温度对出汁率的影响
Fig. 3 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on the yield of celery juice
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以纤维素酶添加量 (%)、酶解时间 (h)、酶解温度 (℃) 为自变量因素，以出汁率为响应值进行三因素三水平的响应面试验优化，具体编码水平见表 1。
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表 1 响应面优化试验因素水平表 Tab.1 Factors and levels used in response surface optimization test |
通过纤维素酶添加量、酶解时间、酶解温度进行三因素三水平的响应面试验，利用Design-Expert8.0.6进行Box-Behnken响应面设计，以香芹出汁率为响应值，中心点重复5次，共17次试验。试验结果见表 2。
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表 2 响应面试验设计与结果 Tab.2 Design and results for response experiment |
利用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据分析得知，香芹出汁率响应面回归方程为
从表 3可以看出，模型F值为641.57，P < 0.000 1，表明模型达到极显著水平。失拟项F值为2.80，P=0.172 8 > 0.05，说明差异不显著。判定系数R2=0.999 1，表明模型预测值与实测值相关性很好；校正决定系数 (RAdj2)=0.988 0，表明98.80%试验的变异性可以用该回归方程解释[15]。精密度 (AdeqPrecision)=有效信号/噪音，本试验其值=78.235 > 4.0，说明本试验设计合理[16]。综合分析可知，该回归方程能预测香芹出汁率的最佳优化。
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表 3 响应面试验结果方差分析 Tab.3 Analysis of variance for response experiment |
表 3显著性水平发现，A、B、A2、B2、C2的P < 0.01，表明影响极显著。AC、BC的P < 0.05，表明影响显著。C、AB的P > 0.05，表明影响不显著。F值大小说明因素的主次影响[17]，本试验因素的贡献率：纤维素酶添加量 > 酶解时间 > 解温度。
2.2.4 响应面因素分析通过软件对响应面试验结果进行统计分析，绘制响应面曲面图和等高线图，分析纤维素酶添加量、酶解时间、酶解温度两两因素交互作用[18](图 4)。
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图 4 出汁率响应面图及等高线图
Fig. 4 The response surface and contour plots of juice yield
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从图 4a可以看出，设定试验酶解温度40 ℃，固定酶解时间，香芹出汁率随着纤维素酶添加量的增加呈现先增加后减少的趋势；固定纤维素酶添加量，香芹出汁率随着酶解时间的增加而增加。
从图 4b可知，设定试验酶解时间1.5 h，固定纤维素酶添加量，香芹出汁率随着酶解温度的增加出现先增加后略微减少的趋势，但不明显；固定酶解温度，香芹出汁率随着纤维素酶添加量的增加呈现先增加后降低的趋势。
从图 4c可知，设定试验纤维素酶添加0.06%，固定酶解时间，香芹出汁率随着酶解温度的升高呈现出先增加后略微较少的趋势；固定酶解温度，香芹出汁率随着酶解时间的延长也表现出先增加后略微较少的趋势。
2.2.5 响应面最优条件预测与验证试验通过Design-Expert8.0.6对回归方程进行极大值求解，得到最佳优化条件。软件预测的最佳因素组合为：A纤维素酶添加0.06%，B酶解时间1.56 h，C酶解温度40.14 ℃，R出汁率预测值为78.38%。根据此优化组合进行验证实验，结合实际实验操作方便，选取纤维素酶添加0.06%、酶解温度40.1 ℃、酶解时间1.5 h条件下进行三次重复实验，香芹出汁率可达78.72%±0.25%，与预测值拟合性较好，可以作为实际香芹制汁工艺的参考。
3 结论与讨论出汁率是影响制汁加工产量与质量的关键指标之一，也是蔬菜汁产业发展的技术瓶颈之一，为研究四季香芹制汁效果，通过单因素试验分别研究纤维素酶添加量、酶解时间、酶解温度对香芹出汁率的影响，并通过Box-Behnken试验设计进行响应面分析试验优化，建立回归方程预测模型。响应面分析确定影响出汁率的主次关系为：纤维素酶添加量＞酶解时间＞酶解温度。
陈学红等[19]发现酶解温度43 ℃、纤维素酶添加量0.07%，可显著降解纤维素酶提高芦笋出汁率。阿依古丽·外力等[20]报道纤维素酶添加2.5 g/kg、酶解温度40 ℃、酶解时间78.77 min，杏子出汁率可达88.19%。由此可以发现，虽然不同材料中纤维素酶最佳酶解温度有所差异，但纤维素酶最佳酶解温度大致在40~45 ℃左右，但不同果蔬出汁率的纤维素酶添加量和酶解时间差异显著。这与不同果蔬组织构成及结构有关，因此在实际工艺生产过程中，还需考虑物料的破碎程度对酶解工艺的影响，以进一步优化制汁工艺，提高出汁率。
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2. Binzhou Academy of Agriculture Sciences, Binzhou 256600, Shandong, China;
3. Shanghai Saiwengfu Agricultural Development Co., Ltd, Shanghai 201403, China