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余甘子果汁热处理过程中色泽变化的动力学



全 文 :第33卷第6期
2015年12月
泉州师范学院学报
Journal of Quanzhou Normal University
Vol.33No.6
Dec.2015
余甘子果汁热处理过程中色泽变化的动力学
杨槟煌1,2,英世宇1,李兴娜1,李林英1,陈洪彬1,2,蔡英卿1,2
(1.泉州师范学院 化学与生命科学学院,福建 泉州 362000;
2.近海资源生物技术福建省高校重点实验室,福建 泉州 362000)
摘 要:研究热处理过程中余甘子果汁色泽的变化规律,预测和控制余甘子果汁的品质.每隔20min测
定不同热处理温度(80,90,100℃)下余甘子果汁的L*值、a*值、b*值、总色差ΔE值、色彩饱和度Chroma
值、褐变指数BI值和褐变度,并对这些指标进行动力学分析.结果表明,在热处理过程中余甘子果汁的b*值、
Chroma值和BI值的反应常数k随温度的升高而降低,L*值、a*值的反应常数k随温度升高而增加.比较模
型的相关性系数R2发现,零级反应动力模型能够更好地描述热处理过程中余甘果汁色泽的变化.
关键词:热处理;色泽;动力学模型;余甘子果汁
收稿日期:2015-09-30
作者简介:杨槟煌(1982-),女,福建石狮人,助理研究员,硕士,从事农产品加工及贮藏研究.
基金项目:福建省教育厅科技项目(JA13264);泉州师范学院开放实验室项目(20140125)
中图分类号:TS255.36    文献标识码:A   文章编号:1009-8224(2015)06-0031-06
余甘子(Phyllanthus emblica L.)又名余甘、油柑、滇橄榄、庵摩勒等,是我国南方亚热带重要的特
产果树之一,主要分布在福建、广东、广西、云南等省(区)[1-2].据不完全统计,福建泉州惠安县现有余甘
子种植面积约2 000hm2(不含野生),年产鲜果近2万t[2].余甘子果实营养价值极高,富含超氧化物歧
化酶(SOD)、维生素C、微量元素硒等,具有健胃消食、生津止咳、增强机体免疫能力等功效[3].目前,余
甘子加工产品种类较多,余甘子果汁饮料为主要发展方向[4-5].色泽稳定性是余甘子果汁加工过程中重
要指标之一,而引起余甘子果汁色泽变化主要有酶促褐变和非酶褐变.热处理(主要是热杀菌和灭酶处
理)是果汁加工工艺中重要的单元操作,可以保证果汁产品的安全性,但也是促进果汁非酶褐变的主要
因素.因此,热处理会影响果汁的色泽变化.目前,有关余甘子果汁研究主要集中在果汁沉淀和褐变控制
技术及加工工艺优化等[6-8],对余甘子果汁热处理过程中色泽变化的动力学研究尚未见报道.本文以福
建主栽“粉甘”余甘子为材料,探讨果汁生产过程中常用的热杀菌温度(80,90和100℃)及不同处理时
间对余甘子果汁褐变度、色差值变化的影响规律,建立其色泽变化动力学模型,对余甘子果汁热处理过
程中相关参数进行有效预测和监控,为优化余甘子果汁加工工艺和品质控制提供科学依据.
1 材料与方法
1.1 主要材料与仪器
余甘子采自福建泉州惠安县紫山镇的余甘子生产示范园,品种为“粉甘”;测色色差计:WSC-S型,
上海精密仪器仪表有限公司;冷冻高速离心机:TGL-16G型,上海安亭科学仪器厂;紫外可见分光光度
计:V-1200型,上海美谱达仪器有限公司;高速匀浆机:FS-1型,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司.
1.2 试验方法
1.2.1 余甘子果汁制备 余甘子鲜果清洗去核、破碎灭酶(90℃,5min)粗滤澄清(0.02%
果胶酶45℃处理1h)过滤、离心余甘子果汁.
将余甘子果汁按每200mL分装于一个带塞的锥形瓶中,分别置于80,90,100℃下恒温处理,每隔
20min取样1次,测定褐变度和色差值,每个温度处理重复3次.
DOI:10.16125/j.cnki.1009-8224.2015.06.006
1.2.2 褐变度的测定 参考 Meydav等[9]介绍的方法,果汁的褐变度以420nm波长处的吸光度表示.
取3mL待测果汁样品,于8 000r/min离心20min,取上清液测定A420nm值.
1.2.3 色差值的测定 利用测色色差计测定余甘子果汁的色差值L*,a*,b*,每个果汁样品重复3
次.根据式(1)计算总色差ΔE值,式(2)计算色彩饱和度Chroma值,式(3)计算褐变指数BI值[10-11].
ΔE = L*t -L*( )0 2+ a*t -a*( )0 2+ b*t -b*( )0[ ]2  1/2, (1)
Chroma值 = a*t 2+b*t( )2  1/2, (2)
BI=x-0.310.17 ×100
,x= a

t +1.75L*t
5.645L*t +a*t -3.012b*t
. (3)
其中:L*t ,a*t ,b*t 分别代表余甘子果汁在热处理时间t时测得的色差值.
1.2.4 动力学模型 食品在加工贮藏过程中的品质变化可用动力学模型进行拟合分析,品质因子C
(如色泽、货架期、硬度等)的变化速率可以近似用式(4)表示[10-13].
dC
dt=-kC
n. (4)
其中:C为任意时间t时的品质因子;n为反应级数;k为变化速率常数,单位由反应级数n决定;t为时
间,单位为min.
根据已有的研究报道,大多数食品加工过程中品质因子与时间呈现零级(n=0)或一级(n=1)的反
应模型[12-14],其动力学方程分别为:
kt=C0-C, (5)
kt=lnC0-lnC. (6)
其中:C0为品质因子的初始值.
而变化速率常数k与温度T 的关系符合阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation):
lnk=-EaRT+lnk0.
(7)
其中:k为变化速率常数;k0为指前因子;Ea为表观活化能,单位为kJ/mol;R 为摩尔气体常数,8.314
J/(mol·K);T为热力学温度,单位为K.
取353,363,373K时模型的反应速率常数k值,作lnk~1/T图,则斜率为Ea/R,可计算得表观活
化能Ea.
1.3 数据分析
以上实验数据采用Excel 2007、SPSS1 9.0数据分析软件进行分析处理.
2 结果与分析
2.1 色差参数
2.1.1 L*,a*,b*和ΔE值的变化及动力学分析 L*值表示亮度,其值越大,余甘子果汁的颜色越亮.
由图1可知,余甘子果汁的L*值随热处理时间的延长而逐渐降低;热处理温度越高,L*值下降速率越
快.这说明,在热处理过程中,余甘子果汁的逐渐开始发生褐变,色泽变暗淡,热处理温度越高,时间越
长,果汁颜色加深更明显.
a*值表示红绿度,正值偏红,负值偏绿.由图2可知,余甘子果汁的a*值随热处理时间的延长而逐
渐降低;80,90和100℃温度下处理120min后,余甘子果汁的a*值分别下降了2.06,2.40和2.58.这
说明,热处理温度越高,余甘子果汁的a*值下降越明显.
b*值表示黄蓝度,正值偏黄,负值偏蓝.由图3可知,余甘子果汁的b*值随热处理时间的增加而呈
上升趋势;80,90和100℃温度下处理120min后,余甘子果汁的b*值分别升高了2.11,4.68和6.15.
这说明,热处理温度越高,余甘子果汁的b*值升高越明显,余甘子果汁逐渐向偏黄色转变,可能与余甘
果汁热处理过程中美拉德反应产生的棕褐色物质有关.
23   泉州师范学院学报 2015年12月 
图1 热处理过程中余甘子果汁L*值的变化     图2 热处理过程中余甘子果汁a*值的变化
Fig.1 Change of L*value of emblica juice       Fig.2 Change of a*value of emblica juice
during thermal treatments           during thermal treatments
  ΔE值表示总色差,由色差L*值、a*值、b*值根据公式(1)计算而得.由图4可知,余甘子果汁的ΔE
值随热处理时间的增加而增加;80,90和100℃温度下处理120min后,余甘子果汁的ΔE值分别增加
了2.48,4.59和5.71.这说明,热处理温度越高,余甘子果汁的ΔE值增加越明显.一般而言,ΔE值在
2.0~4.0时表示果汁颜色的变化是可以被接受的,大于4.0时被认为不可以接受[13].从图4中可以看
出,余甘果汁80,90,100℃下分别热处理120,80,40min,其ΔE值均小于4.0,说明不同温度下适宜热
处理时间不一.综上所述,在热处理过程中,余甘子果汁发生化学反应,使得果汁的色泽改变,因此,在余
甘果汁热处理过程中应该选择合适的热处理温度和时间.
 图3 热处理过程中余甘子果汁b*值的变化     图4 热处理过程中余甘子果汁ΔE值的变化
 Fig.3 Change of b*value of emblica juice     Fig.4 Change ofΔEvalue of emblica juice
 during thermal treatments             during thermal treatments
根据余甘子果汁的各色差参数(L*值、a*值、b*值和ΔE值)在热处理过程中变化规律,进行动力学
分析,来评价热处理对余甘果汁色泽的影响.由公式(5)和(6)对各色差参数进行零级和一级反应动力学
模型进行拟合,得到各色差值的动力学参数见表1.
由表1可知,在零级反应动力学模型中,L*值、a*值拟合得到的k值随温度的增加而增大,b*值拟
合得到的k值随温度的增加而下降,ΔE值拟合得到的k值也随温度的增加而下降;在一级反应动力学
模型中,L*值、a*值拟合得到的k值随温度的增加而增大,b*值拟合得到的k值随温度的增加而下降,
ΔE值拟合得到的k值随温度的增加而升高.对拟合得到的相关系数R2值进行分析可知,相比一级反应
动力学模型,零级反应动力学模型能更好地描述热处理对余甘子果汁色差值的变化规律.通常认为反应
的活化能在40~400kJ/mol范围内,若Ea小于40kJ/mol,则认为反应速率非常大[15].从表1中可以看
出,在余甘子果汁热处理过程中,反应的活化能相对较小,说明非酶褐变较容易进行.在零级和一级反应
动力学模型中,ΔE值对应的活化能最小,说明余甘子果汁热处理过程中发生非酶褐变对ΔE值影响最
大.
33 第6期 杨槟煌,等:余甘子果汁热处理过程中色泽变化的动力学  
表1 热处理过程中余甘子果汁L*值、a*值、b*值和ΔE值的动力学参数
Tab.1 Kinetic parameters of L*value,a*value,b*value andΔEvalue of emblica juice during thermal treatments
参数
热 处
理 温
度/℃
零级反应
k/min-1  C0  R2 
Ea/(kJ·
mol-1)
一级反应
k/min-1  C0  R2 
Ea/(kJ·
mol-1)
L*
80  0.012 8  55.710 2  0.986 5
90  0.020 4  55.720 4  0.975 5
100  0.033 0  55.583 7  0.991 8
51.816 7
0.000 23  55.713 4  0.986 6
0.000 37  55.728 4  0.974 9
0.000 61  55.600 9  0.993 3
53.361 4
a*
80  0.016 6  2.725 8  0.964 0
90  0.019 7  2.569 9  0.996 8
100  0.020 3  2.108 2  0.895 1
41.081 8
0.011 9  3.161 0  0.845 5
0.019 6  3.457 7  0.861 6
0.043 9  4.747 4  0.861 3
71.277 0
b*
80 -0.016 5  24.369 8  0.951 9
90 -0.038 3  24.674 0  0.992 1
100 -0.046 5  24.911 8  0.974 4
57.021 6
-0.000 6  24.383 3  0.956 8
-0.001 4  24.717 2  0.988 2
-0.001 7  24.970 6  0.968 3
57.021 6
ΔE
80 -0.027 7 -0.200 6  0.964 7
90 -0.045 8  0.341 2  0.994 7
100 -0.054 3  1.144 5  0.992 3
36.999 4
-0.017 8  0.421 0  0.987 9
-0.014 8  1.114 3  0.950 9
-0.012 2  1.930 7  0.940 8
20.667 2
2.1.2 Chroma和BI值的变化及动力学分析 色度值Chroma表示含有颜色的多少,即颜色的饱和程
度,数值低表示颜色稀疏,数值高表示颜色饱满.由图5可知,余甘子果汁的色度值Chroma随热处理时
间的延长而逐渐升高;热处理温度越高,色度值Chroma增加得越快.热处理对该值的变化趋势与色差
b*值的变化规律相似.因此,在热处理过程中,余甘子果汁的颜色种类逐渐增多,热处理温度越高,时间
越长,果汁颜色更加饱满.
图5 热处理过程中余甘子果汁Chroma值的变化   图6 热处理过程中余甘子果汁褐变指数BI值的变化
Fig.5 Change of Chroma value of emblica juice    Fig.6 Change of browing index(BI)of emblica juice
during thermal treatments             during thermal treatments
BI值为褐变指数,表示余甘子果汁非酶褐变的程度,BI值越大,表示非酶褐变反应越严重.由图6
可知,随着热处理时间的延长和温度的升高,余甘子果汁的BI值逐渐升高,温度越高BI值增加幅度越
大;当热处理温度为100℃时,BI值由59.50增加到84.30,增加幅度最大.这说明较高的热处理温度可
能使余甘子果汁中的氨基酸、蛋白质等与还原糖发生美拉德反应,生成棕褐色的色素类物质.
根据公式(5)和(6),拟合热处理过程中余甘子果汁色彩饱和度值和褐变指数进行零级反应和一级
反应动力学的模型,相应的动力学参数见表2.
由表2可知,在零级反应动力学模型中,色彩饱和度值和褐变指数拟合得到的k值均随温度的增加
而降低;在一级反应动力学模型中,色彩饱和度值和褐变指数拟合得到的k值也均随温度的增加而下
降.对各拟合方程的相关系数R2值进行分析,可知零级反应和一级反应动力学模型均能较好地描述热
处理对余甘子果汁色彩饱和度值和褐变指数的变化规律,零级反应模型相对拟合程度更好.
43   泉州师范学院学报 2015年12月 
表2 热处理过程中余甘子果汁色彩饱和度值和褐变指数的动力学参数
Tab.2 Kinetic parameters of Chroma value and browing index(BI)of emblica juice during thermal treatments
参数
热 处
理 温
度/℃
零级反应
k/min-1  C0   R2  
Ea/(kJ·
mol-1)
一级反应
k/min-1  C0   R2  
Ea/(kJ·
mol-1)
Chro-
ma
80
-0.015

24.504 7  0.944 8
90
-0.037

24.790 2  0.992 5
100
-0.045

24.997 9  0.976 3
59.742 7
-0.000 6  24.517 8  0.949 7
-0.001 4  24.833 7  0.989 1
-0.001 7  25.058 2  0.971 4
57.317 6
BI
80
-0.046

59.379 9  0.960 7
90
-0.131

59.864 6  0.991 2
100
-0.190

59.853 8  0.983 1
77.2381
-0.000 7  59.424 1  0.965 2
-0.002 0  60.087 4  0.988 7
-0.002 7  60.340 3  0.985 4
74.246 0
2.2 褐变度
图7 热处理过程中余甘子果汁褐变度(BD)的变化
Fig.7 Change of browning degree(BD)
of emblica juice during thermal treatments
颜色是评价余甘果汁品质好坏的重要指标之一,一般
常用A420nm值来表示余甘子果汁的褐变程度.由图7可知,
随着热处理温度的升高,褐变度值增大,处理时间越长,余
甘子果汁褐变度越高.80,90,100℃处理120min后,褐变
度从最初0.643分别增加到1.017,1.067,1.207,热处理温
度越高褐变越严重.由表3可知,在零级和一级反应动力学
模型中,褐变度拟合得到的k值均随温度的增加而升高,零
级反应动力学模型能够较好地描述余甘果汁热处理过程中
褐变度的变化.同时,零级和一级反应的活化能分别为8.
148 1和3.529 4kJ/mol,均相对较低,温度越高发生褐变反
应越容易.
表3 热处理过程中余甘子果汁褐变度的动力学参数
Tab.3 Kinetic parameters of browing degree(BD)of emblica juice during thermal treatments
热 处
理 温
度/℃
零级反应
k/min-1  C0  R2
Ea/(kJ·
mol-1)
一级反应
k/min-1  C0  R2
Ea/(kJ·
mol-1)
80
-0.003

0.667 4  0.905 5
90
-0.003

0.715 6  0.838 6
100
-0.004

0.758 0  0.826 8
8.148 1
-0.004

0.672 0  0.879 9
-0.004

0.713 7  0.807 4
-0.004

0.752 4  0.780 1
3.529 4
3 结论
在热处理过程中,余甘子果汁的色泽变化较明显.通过拟合两种动力学模型,发现余甘子果汁在热
处理过程中色泽的变化遵循零级和一级反应动力模型.模型的反应速率常数(k值)受温度影响,温度越
高,k值变化越快,色泽变化也越快.比较两个模型的相关性系数R2可知,零级反应动力模型能够更好
地描述热处理过程中余甘子果汁色泽的变化.该试验结果为余甘子果汁热处理过程中色泽变化进行有
效预测和监控,并为优化余甘子果汁加工工艺和品质控制提供参考.
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Kinetic Study of Color Change of EmblicaJuice
during Thermal Treatments
YANG Binhuang1,2,YING Shiyu1,LI Xingna1,
LI Linying1,CHEN Hongbin1,2,CAI Yingqing1,2
(1.School of Chemistry and Life Sciences,Quanzhou Normal University,Quanzhou 362000,China;2.Key Laboratory
of Offshore Resources and Biological Technology,Fujian Province University,Quanzhou 362000,China)
Abstract:In order to predict and control the quality of emblica juice,the kinetics of color change of em-
blica juice during thermal treatments were studied.The values of L*,a*,b*,total color change(ΔE),
chroma,browning index(BI)and browning degree of emblica juice thermal at 80℃,90℃and 100℃
were determined in this experiment,then a kinetic analysis of those quality indexes were studied.The
results showed that as the thermal temperature increase,the rate constants(k)of L*and a*values
tended to be higher,while the rate constants(k)of b*,chroma and BI values decreased.Based on the
R2 value of the model,the zero-order model could provide a better explanation of the color change ki-
netics of emblica juice during thermal.
Key words:thermal treatment;color change;kinetic model;emblica juice
(责任编辑 杨珠)
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