壳聚糖对玛咖汁澄清作用的影响

徐 涓，张 弘 ，孙彦琳，周梅村，郑 华，李 坤，涂行浩

(1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，国家林业局特色森林资源工程技术研究中心，云南昆明650224;2.昆明理工大学化学工程学院，云南昆明650224)

玛咖(Lepidium meyenii Walp.)，是十字花科独行菜属的草本植物，原产于高海拔的秘鲁安第斯山区，玛咖被印第安人作为药食兼用的植物有两千多年的历史［1-2］。玛咖可食部位为块根，其营养丰富，含有多糖、蛋白质、粗纤维、维生素等，以及多种次生代谢物质:芥子油苷及其水解产物、生物碱、多酚等，具有抗疲劳、抗氧化、提高生育能力、抑制癌细胞等功效［3-10］。玛咖收获期较集中，鲜玛咖含水量高，细胞呼吸强度大，在贮藏和运输过程中易腐烂变质，将其加工成玛咖汁是有效解决途径之一。但由于玛咖浆汁中含有易引起果汁混浊、沉淀的果胶以及蛋白质等物质，在加工过程中若未除去，则会使玛咖汁在加工、储存过程中产生沉淀，因此，有必要采用澄清方法处理玛咖汁。主要的澄清方法有酶法澄清、澄清剂澄清和冷冻澄清等［11］。酶法澄清和冷冻澄清因其操作复杂、成本高和周期长［12］，在加工过程中常不被采用。相对而言，澄清剂法操作较简单、成本低和周期短，在果汁澄清过程中，澄清剂中的壳聚糖被广泛应用［13-14］。壳聚糖是从蟹虾外壳中提取的一类氨基葡萄糖直链多聚糖，其澄清机理是当壳聚糖溶于稀酸溶液时，氢离子和氨基结合形成带正电荷的离子，该离子和果蔬汁中带负电荷的微粒作用，使其中的果胶、蛋白质和多酚等胶态颗粒絮凝沉降下来，从而达到澄清的目的［15-16］，且该法高效、快捷和经济。本文采用壳聚糖絮凝玛咖汁中的沉淀，研究其对玛咖汁澄清效果的影响，拟为玛咖澄清工艺的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

冰鲜玛咖块根 中国林业科学研究院资源昆虫研究所滇中高原实验站提供;壳聚糖(食品级) 济南海得贝海洋生物工程有限公司;氯化钯(分析纯) 上海强顺化学试剂有限公司;盐酸(分析纯) 重庆川东化工集团有限公司;三氯甲烷(分析纯) 上海申博化工有限公司;蒽酮(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、过氧化氢、三氯乙酸(分析纯) 天津市风船化学试剂科技有限公司;愈创木酚、2，6-二氯酚靛钠盐、考马斯亮蓝G250(分析纯) 上海晶纯实业有限公司。

DU800 型紫外-可见光分光光度计 美国贝克曼库尔特有限公司;HX-7.5D 小型电加热蒸汽发生器 上海华征特种锅炉有限公司;DK509 多功能食品加工机 青岛东亚电子有限公司;HH-6 型数显恒温水浴锅 常州澳华科技有限公司;Z323K 通用型高速冷冻离心机 德国HERMIE 公司;AB204-S 精密型电子天平 梅特勒-托利多(中国)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.2 澄清度的测定 采用分光光度法，以去离子水做参比。在660nm 下测定果汁的透光率，用透光率T(%)表示果汁的澄清度。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 壳聚糖的浓度 量取20mL 的玛咖汁，自然pH(5.2)条件下，果汁中壳聚糖的浓度分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/L，于50℃的处理温度下恒温静置30min，研究不同壳聚糖浓度对玛咖汁澄清度的影响。

1.2.3.2 处理温度 量取20mL 的玛咖汁，壳聚糖的浓度为0.2g/L，自然pH(5.2)条件下，分别于30、40、50、60、70℃的温度下静置30min，研究不同处理温度对玛咖汁澄清度的影响。

1.2.3.3 澄清时间 量取20mL 的玛咖汁，自然pH(5.2)条件下，壳聚糖的浓度为0.2g/L，在40℃的温度下分别静置10、20、30、40、50min，研究不同澄清时间对玛咖汁澄清度的影响。

1.2.3.4 pH 量取20mL 的玛咖汁，壳聚糖的浓度为0.2g/L，pH 分别为3、4、5、6、7，在40℃的温度下静置30min，研究不同pH 对玛咖汁澄清度的影响。

1.2.4 玛咖汁澄清条件的优化 在单因素实验基础上，利用Design-expert8.0.6 软件，采用Box-Behnken实验设计，以壳聚糖浓度(g/L)、处理温度(℃)和澄清时间(min)3 个主要因素为响应变量，玛咖汁的澄清度作为响应值进行响应面优化，实验因素水平设计见表1。

1.2.5 验证实验 于最优条件下进行3 组平行实验，并将玛咖汁澄清度的优化验证值与模型预测值相比较。

1.2.6 澄清前后营养成分的对比 芥子油苷:采用氯化钯法［9］;水溶性生物碱:样品经水提醇沉法后，采用酸性染料比色法［17］进行测定;果胶:采用咔唑分光光度法［18］;VC:采用2，6-二氯靛酚法测定［19］;水溶性蛋白质:采用考马斯亮蓝法测定［20］;总糖:采用蒽酮法测定［21］;总酚:福林酚比色法测定［22］。

表1 响应面分析因素与水平表Table 1 Factors and levels of RSM

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 壳聚糖浓度对玛咖汁澄清度的影响 壳聚糖浓度对玛咖汁澄清度的影响见图1，由图1 可知，随壳聚糖浓度的增大，玛咖汁的透光率先增大后减小。当壳聚糖浓度为0.2g/L 时，玛咖汁的透光率能达到96.57%;若继续增加壳聚糖的浓度，由于壳聚糖自身的凝胶作用，玛咖汁的透光率反而降低，因此选择0.1～0.3g/L 为优化条件。

图1 壳聚糖浓度对玛咖汁澄清度的影响Fig.1 Effect of Chitosan concentration on Clarification of Maca juice

2.1.2 不同处理温度对玛咖汁澄清度的影响 处理温度对玛咖汁澄清度的影响如图2 所示，由图2 可知，随着温度的增加，玛咖汁的透光率也随之上升。当温度为40℃时，玛咖汁的透光率为96.27%;温度继续上升，会使壳聚糖自身降解，絮凝效果随之减弱，玛咖汁的透光率也随之下降，所以选取30～50℃为优化条件。

图2 处理温度对玛咖汁澄清度的影响Fig.2 Effect of temperature on Clarification of Maca juice

2.1.3 澄清时间对玛咖汁澄清度的影响 澄清时间对玛咖汁澄清度的影响详见图3。由图3 可以看出，随着澄清时间的延长，玛咖汁的透光率逐渐上升。当时间达到30min 时，随着壳聚糖澄清时间的延长，玛咖汁的透光率趋于平稳，考虑时效问题，选取20～40min为优化水平。

图3 澄清时间对玛咖汁澄清度的影响Fig.3 Effect of time on Clarification of Maca juice

2.1.4 pH 对玛咖汁澄清度的影响 pH 对玛咖汁澄清度的影响见图4，由图4 可以看出:随pH 的增加，玛咖汁的透光率逐渐增加，当pH5、6 时，玛咖汁的透光率较高，分别为96.27% 和95.28%;但继续增大pH，玛咖汁的透光率反而降低，可能因为pH 的增加，减弱了壳聚糖的电中和作用，其絮凝能力也随之降低。由于玛咖汁的pH 在5～6 之间，因此在用壳聚糖澄清玛咖汁时不需调整pH。

图4 pH 对玛咖汁澄清度的影响Fig.4 Effect of pH on Clarification of Maca juice

2.2 RSM 分析

RSM 优化所得结果详见表2。用 Design -expert8.0.6 软件对所得的数据进行多元回归拟合，得到以玛咖汁澄清度为目标函数的三次多项回归方程如下:

对上述回归模型进行方差分析，结果见表3，由表3 可以看出，该模型极显著(p ＜0.0001)，回归模型R2=0.9975，表明该模型与实际拟合较好，模型中影响玛咖汁澄清度的因素主次是A ＞B ＞C，其中A、B的影响是极显著的(p ＜0.01)。

模型的响应曲面及等高线见图5，该图较直观的显现了交互项对玛咖汁澄清度的影响。由图7 可知，两因素交互作用由大到小为:壳聚糖浓度和处理温度＞壳聚糖浓度和澄清时间＞处理温度和澄清时间。

表2 中心组合设计实验结果Table 2 Central composite design matrix and experimental results

表3 玛咖汁澄清度回归方程方差分析Table 3 ANOVA for regression coefficients of the fitted regression model

2.3 验证实验

在优化实验结果的基础上，利用Design-expert得到各个因素的最优条件组合为聚糖浓度0.22g/L、处理温度38.67℃、澄清时间32.22min，在此条件下玛咖汁澄清度的预测值可达到98.55%。为检验其模型的合理性，根据实际操作情况，将最优条件优化为:壳聚糖浓度0.22g/L、处理温度39℃、澄清时间32min进行验证实验，玛咖汁的澄清度为98.36%。证明采用RSM 优化壳聚糖澄清玛咖汁的最佳工艺条件是合理的。

表4 壳聚糖对玛咖汁营养成分的影响Table 4 The effects of clarification on the quality of maca juice

图5 各因素交互作用影响玛咖汁澄清度的响应曲面图Fig.5 Response surface plots showing the effect of three factors on Clarification of Maca juice

2.4 营养成分测定

壳聚糖处理玛咖汁对其营养成分的影响详见表4。由表4 可知，壳聚糖澄清玛咖汁对其营养成分均有不同程度的影响，果胶、水溶性蛋白质和总酚含的损失率依次为58.90%、42.93%和2.16%，可能是因为壳聚糖的絮凝作用使得大部分果胶和水溶性蛋白以及小部分酚类物质沉降，使其含量下降;芥子油苷、水溶性生物碱、VC和总糖的损失率分别为0.56%、0.33%、0.34%和0.89%，损失相对较小，说明壳聚糖在澄清玛咖汁时，对其活性成分影响较小。

3 结论

3.1 壳聚糖浓度、处理温度和澄清时间3 因素对玛咖汁的澄清度都有不同程度的影响，以壳聚糖浓度影响最大，其次是处理温度和澄清时间。通过响应面分析法优化，建立了壳聚糖澄清玛咖汁的三次回归模型，该模型拟合度良好，能较好地预测壳聚糖浓度、处理温度和澄清时间和玛咖汁澄清度之间的关系。

3.2玛咖汁的最佳澄清条件为壳聚糖浓度0.22mg/mL、处理温度38.67℃、澄清时间32.22min，在此条件下玛咖汁澄清度的模型预测值可达到98.55%。根据实际操作情况，将最优条件优化为:壳聚糖浓度0.22mg/mL、处理温度39℃、澄清时间32min 进行3 组平行实验，玛咖汁的澄清度验证值为98.36%。

3.3 壳聚糖澄清玛咖汁时，其易引起果汁混浊的物质果胶、水溶性蛋白质、总酚的损失率依次为58.90%、42.93%、2.16%，玛咖汁中主要活性成分芥子油苷、水溶性生物碱、VC和总糖的损失率依次为0.56%、0.33%、0.34%和0.89%，由此可见，壳聚糖澄清能较好的保留玛咖汁中的的主要活性成分。

［1］Wang YL，Wang YC，MN Brian，et al.Maca:An Andean crop with multi - pharmacological functions［J］. Food Research International，2007，40:783-792.

［2］余龙江，金文闻.国际良种-药食两用植物MACA［M］.武汉:华中科技出版社，2003:1.

［3］M Gasco，J Aguilar，GF Gonzales.Effect of chronic treatment with three varieties of Lepidium meyenii(Maca)on reproductive parameters and DNA quantification in adult male rats［J］.Andrologia，2007，39:151-158.

［4］GF Gonzales，M Gasco，A Malheiros - pereira，et al.Antagonistic effect of Lepidium meyenii(red maca)on prostatic hyperplasia in adult mice［J］.Andrologia，2008，40:179-185.

［5］T Zenico，AFG Cicero，L Valmorri，et al.Subjective effects of Lepidium meyenii (Maca)extract on well - being and sexual performances in patients with mild erectile dysfunction:a randomised，double-blind clinical trial［J］.Andrologia，2009，41:95-99.

［6］GF Gonzales，C Gonzales，C Gonzales-castañeda.Lepidium meyenii(Maca):A plant from the highlands of Peru - from tradition to science［J］. Forsch Komplementmed，2009，16:373-380.

［7］郑华，张弘，甘瑾，等.秘鲁参在中国引种栽培及其化学利用的研究概况［J］.林产化学与工业，2009，29:255-259.

［8］冯颖，何钊，徐珑峰，等.云南栽培玛咖的营养成分分析与评价［J］.林业科学研究，2009，22(5):696-700.

［9］金闻文，药食两用植物玛咖(Lepidium meyenii)的功效物质研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［10］C Clement，J Kneubühler，A Urwyler，et al.Effect of maca supplementation on bovine sperm quantity and quality followed over two spermatogenic cycles［J］. Theriogenology，2010，74:173-183.

［11］陈立阁，王陆玲.果胶酶和壳聚糖对菠萝汁澄清作用的比较研究［J］.广州食品工业科技，2004，1:48-50.

［12］刘畅，张锐.不同澄清剂对胡萝卜汁澄清效果影响的研究［J］.农业科技与装备，2011，12:54-56.

［13］付云霄，张桂.壳聚糖澄清梨汁的研究［J］.食品工业科技，2012，33(9):290-300.

［14］许英一，徐雅琴.崔崇士.壳聚糖对南瓜汁澄清效果的研究［J］.食品工业科技，2007，28(11):76-80.

［15］吕玉珍，黄进宝，董大鹏.胡萝卜山楂复合果肉饮料加工工艺及稳定性研究［J］.食品与机械，2010，26(4):132-135.

［16］刘崑，高婷婷，杨柳.壳聚糖对葡萄汁的澄清作用［J］.食品与发酵工业，2011，37(3):118-121.

［17］黄土木，彭雪，罗新根.壳聚糖对板蓝根水提取液的絮凝工艺考察［J］.中国药师，2012，15(5):664-667

［18］甘瑾，冯颖，何钊，等.云南栽培3 种颜色玛咖中总生物碱含量分析［J］.食品科学，2010，31(24):415-419.

［19］NY 8211-1988，果汁测定方法果胶的测定［S］.北京:北京农业工程大学，1988.

［20］许韩山，张慜，孙国才.速冻毛豆漂烫工艺［J］.食品生物技术学报，2010，29(5):653-659.

［21］大连轻工业学院，华南理工大学，郑州轻工业学院，等.食品分析［M］.北京:中国轻工业出版社，2004:286-289.

［22］袁道强，黄建华.生物化学实验和技术［M］.北京:中国轻工业出版社，2006:126-132.

［23］李巨秀，王柏玉.福林-酚比色法测定桑椹中总多酚［J］.食品科学，2009，30(18):292-295.