桑葚酵素食用凝胶来了！

桑葚酵素食用凝胶

以海藻酸钠、壳聚糖、桑葚酵素为原料，氯化钙为离子交联剂，制备酵素食用凝胶。通过单因素实验和Box-Behnken响应面法，研究海藻酸钠与壳聚糖质量比、交联时间、氯化钙浓度对酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性等质构指标的影响。结果表明，酵素凝胶最佳的制备工艺为：海藻酸钠与壳聚糖质量比5:2.82、交联时间131min、氯化钙浓度17.9mg/mL。在此优化工艺条件下，测得酵素凝胶硬度为7.19N、胶着性为6.60N、咀嚼性为0.70kgf。优化所得结果准确可靠，可为酵素功能性食品的进一步开发与利用提供理论依据和技术参考。

2019年，国家发展和改革委员会将“酵素生产工艺技术开发及工业化、规范化生产”列入《产业结构调整指导目录（2019年本）》鼓励类，作为新兴的功能性微生物发酵产品，酵素前景广阔。目前，酵素研究主要围绕其发酵工艺、组分、生物活性以及菌种的分离、筛选与鉴定等，而针对酵素开发新型功能性食品的研究相对较少。

不同果蔬原料制得的酵素在理化品质和活性等方面均存在差异。桑葚（Morus alba L.）味甜汁多，色泽鲜丽，含有丰富的营养物质和功能成分，是极具开发与利用的果实。目前，桑葚酵素的研制已见报道。基于桑葚发酵液所具有的酸性及生物活性特征，桑葚酵素可为酸溶性凝胶基质的溶解提供条件，并具有作为功能性成分填充或包封于食品水凝胶中以提高食用凝胶营养价值的潜能。

本研究以食用壳聚糖、海藻酸钠、桑葚酵素为原料，利用钙离子的交联作用，制备桑葚酵素食用凝胶，通过单因素实验和响应面分析法优化酵素凝胶制备工艺，旨在为新型酵素功能食品开发提供科学依据和参考。

材料与方法

材料与仪器

桑葚食用酵素、壳聚糖 食品级、海藻酸钠、无水氯化钙。其中，桑葚酵素理化品质相关指标分别为：总酸11.1g/kg、粗多糖1.44mg/mL、总黄酮0.27mg/mL 、总多酚0.35mg/mL、总抗氧化能力88.49U/mL。

LLOYD- LS5万能材料试验机、AE224电子分析天平、DF-101S集热式磁力搅拌器、WP-UP-UV-20电热鼓风干燥箱、HJ-40SI电动搅拌器、Neofuge15R高速冷冻离心机。

实验方法

酵素凝胶的制备

称取一定质量海藻酸钠，加水充分溶解后，取30g海藻酸钠溶液，于搅拌状态下与一定质量的壳聚糖和6.8g桑葚酵素混合，搅拌30min，室温离心（10000r/min）10min。离心后的溶胶按5g/份倒入聚苯乙烯培养皿（φ6cm），保鲜膜密封，置于4℃冰箱冷藏16h后，置于一定浓度的氯化钙溶液中固化交联一定时间，获得桑葚酵素食用凝胶。

单因素实验设计

海藻酸钠与壳聚糖质量比对酵素凝胶的影响

控制交联时间为60min，氯化钙浓度为10mg/mL条件下，将质量比设为5:2、5:3、5:4、5:5 5:6、5:7进行实验，考察不同质量比对酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性等质构指标的影响。

交联时间对酵素凝胶的影响

基于1.2.2.1结果，即海藻酸钠与壳聚糖质量比为5:3，并控制氯化钙浓度为10mg/mL条件下，考察不同交联时间（30min、60min、90min、120min、150min、180min）对酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性等质构指标的影响。

氯化钙交联浓度对酵素凝胶的影响

海藻酸钠与壳聚糖质量比5:3，交联时间120min条件下，研究5mg/mL、10mg/mL、15mg/mL、20mg/mL、25mg/mL、30mg/mL等不同氯化钙浓度对酵素凝胶质硬度、胶着性、咀嚼性等质构指标的影响。

响应面试验设计

在单因素实验结果基础上，选取m(海藻酸钠):m(壳聚糖)（A）、交联时间（B）、氯化钙浓度（C）为自变量，以酵素凝胶的硬度、胶着性、咀嚼性等质构参数为响应值，采用响应曲面法中Box-Behnken Design（BBD）设计三因素三水平的优化试验。根据响应面试验设计结果，优化桑葚酵素凝胶最佳制备工艺。响应面试验因素水平编码表如表1所示。

表1 响应面试验因素水平设计

酵素凝胶质构的测试

采用万能材料试验机对酵素凝胶进行TPA（硬度、胶着性、咀嚼性）测定。

数据处理

响应面设计和优化分析采用Design Expert 8.0.6统计软件，实验数据整理与绘图采用Microsoft 2016 Excel。每组试验重复3次，数据表示为平均值±标准差。

结果与分析

单因素实验结果

海藻酸钠与壳聚糖质量比对酵素凝胶的影响

在交联时间60min，氯化钙浓度10mg/mL条件下，不同海藻酸钠与壳聚糖质量比对凝胶硬度、胶着性、咀嚼性的影响如图1所示。

在桑葚酵素酸性环境中，壳聚糖中氨基质子化后带正电荷，当海藻酸钠与壳聚糖质量比较高时，壳聚糖分子链上的氨基与海藻酸钠的羧基静电相互作用力强，形成的复合凝胶结构致密，表现为较高的硬度、胶着性、咀嚼性；当复合体系中壳聚糖比例进一步增大，即海藻酸钠与壳聚糖质量降低时，壳聚糖分子链上带正电的氨基相互排斥力增强，复合凝胶体系致密性下降，从而使质构参数降低。因此，优选海藻酸钠与壳聚糖质量比为5:3。

图1海藻酸钠与壳聚糖质量比对酵素凝胶的影响

交联时间对酵素凝胶的影响

以m(海藻酸钠) : m(壳聚糖) = 5:3为海藻酸钠与壳聚糖的最优质量比，进一步考察不同交联时间对酵素凝胶质构的影响，结果如图2所示。由图2可知，当交联时间为120min时，酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性均达到最大值。

图2交联时间对酵素凝胶的影响

氯化钙交联浓度对酵素凝胶的影响

在最优海藻酸钠与壳聚糖质量比5:3，交联时间120min条件下，不同氯化钙浓度对酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性的影响见图3所示。由图3可知，随着交联浓度逐渐增大，酵素凝胶的硬度、胶着性、咀嚼性呈现先增大后降低的趋势。当氯化钙浓度为20mg/mL时，各质构指标均达到最大。因此，优选氯化钙交联浓度为20mg/mL。

图3氯化钙浓度对酵素凝胶的影响

响应面试验结果分析

回归模型建立及其方差分析

在单因素实验基础之上，以海藻酸钠与壳聚糖质量比（A）、交联时间（B）、氯化钙浓度（C）为试验因子进行三因素三水平Box-Behnken 试验设计，以酵素凝胶硬度（Y1）、胶着性（Y2）和咀嚼性（Y3）为响应值，结果见表2。

表 2 响应面试验设计及结果 

利用Design Expert 8.0.6软件对上述试验结果进行二次回归拟合，得到酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性的二次回归方程如下：

（1）酵素凝胶硬度回归方程：

Y₁=7.71-0.36A+0.71B-1.11C-1.05AB+0.77AC-1.75BC-3.35A²-2.24B²-2.25C²

（2）酵素凝胶胶着性回归方程：

Y₂=6.16-0.35A+0.67B-0.98C-0.86AB+0.63AC-1.45BC-2.90A²-1.97B²-1.97C²

（3）酵素凝胶咀嚼性回归方程：

Y₃=0.63-0.038A+0.073B-0.10C-0.088AB+0.065AC-0.16BC-0.30A²-0.20B²-0.20C²

如表3所示，酵素凝胶咀嚼性所建立的回归方程的模型：F值为19.35，P=0.0004<0.01，表明该模型极显著，二次模拟的失拟项F=5.90，P=0.0597>0.05不显著，说明模型可接受，可用于评估变量参数对酵素凝胶咀嚼性的影响。

表 3 回归模型的方差分析

不同试验因素回归模型系数检验

表4示出各模型回归系数显著性检验结果。如表4所示，在酵素凝胶硬度回归模型中，一次项 C（P=0.0085<0.01）呈极显著，说明氯化钙浓度对酵素凝胶硬度影响极显著。根据F值可知，3个因素对酵素凝胶硬度的影响大小排序为：C（F=13.11）＞B（F=5.36）＞A（F=1.38），即氯化钙浓度>交联时间>m(海藻酸钠):m(壳聚糖)。

表4 回归模型的方差分析

在酵素凝胶胶着性回归模型中，一次项B（P=0.0379<0.05）呈显著，C（P=0.0074<0.01）达到极显著，说明交联时间对酵素凝胶胶着性影响显著，氯化钙浓度对酵素凝胶胶着性影响极显著。根据F值可知，3个因素对酵素凝胶硬度的影响大小排序为：C（F=13.89 ）＞B（F=6.52）＞A（F=1.83），即氯化钙浓度>交联时间>m(海藻酸钠):m(壳聚糖)。

在酵素凝胶咀嚼性回归模型中，一次项 B（P=0.0359<0.05）呈显著，C（P=0.0072<0.01）达到极显著，说明交联时间对酵素凝胶咀嚼性影响显著，氯化钙浓度对酵素凝胶咀嚼性影响极显著。根据F值可知，3个因素对酵素凝胶硬度的影响大小排序为：C（F=14.03 ）＞B（F=6.71）＞A（F=1.82），即氯化钙浓度>交联时间>m(海藻酸钠):m(壳聚糖)。

响应面交互作用分析与优化

根据二次回归方程模型分别对各因素间交互作用分别绘制以酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性为响应值的3D响应曲面图，响应曲面图能反映两因素之间相互作用的强弱，3D图中曲面的倾斜度越高，坡度越陡，说明两两因素交互作用越显著，结果如图4-6所示。

图4 两两因素交互作用对凝胶硬度影响的响应曲面图

图5 两两因素交互作用对凝胶胶着性影响的响应曲面图

图6 两两因素交互作用对凝胶咀嚼性影响的响应曲面图

由以上响应曲面图可知，响应值均存在最大值。因此，对上述试验因素范围内，选择响应值最大值进行优化，由二次回归方程求解得到酵素凝胶的最佳理论工艺条件为：m(海藻酸钠):m(壳聚糖)=5:2.82、交联时间为131min、氯化钙浓度17.9mg/mL，预测该条件下，酵素凝胶的硬度为7.56 N、胶着性为6.50 N、咀嚼性为0.67 kgf。

验证试验

为检验模型的可靠性，利用最优的预测试验条件，即m(海藻酸钠):m(壳聚糖)=5:2.82、交联时间为131min、氯化钙浓度17.9mg/mL，进行3次平行试验，得到实际凝胶的硬度为7.19N、胶着性为6.60N、咀嚼性为0.70kgf，与模型理论值相对误差分别为4.9%、1.5%、4.5%，均在允许误差5%内[35]，说明该回归方程具有较高的可信度。因此，基于响应面法优化酵素凝胶制备工艺较准确可靠，可为实际生产提供参考。

结论

本研究以壳聚糖、海藻酸钠及桑葚酵素为原料，通过钙离子的交联作用，制备酵素食用凝胶。通过单因素实验研究了海藻酸钠与壳聚糖质量比、交联时间、氯化钙浓度对酵素凝胶硬度、胶着性、咀嚼性等质构指标的影响。

在此基础上，选取较优条件范围，通过响应曲面优化得到最佳工艺条件：海藻酸钠与壳聚糖质量比为5:2.82、交联时间为131min、氯化钙浓度17.9mg/mL。此优化条件下，酵素凝胶硬度为7.19N、胶着性为6.60N、咀嚼性为0.70kgf，与模型所预测理论值相接近，具有实用价值。

文章来源—魏雪琴等《响应面法优化桑葚酵素食用凝胶的制备工艺》，如有侵权，请联系删除。