響應面設計對牛蒡無糖保健飲料口味的優化

朱丹實，梁潔玉，李 慧，曹雪慧，趙麗紅，馮敘橋

(渤海大學食品科學研究院，渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧錦州121013)

牛蒡又稱蒡翁菜，為菊科兩年生草本植物，原產于北歐、西伯利亞和中國東北地區及河北、江蘇、浙江、山東等省。牛蒡的根肉質肥大，所含粗纖維是地下根莖類蔬菜中最高的，可供藥食兩用，它味甘、性寒、祛風、清熱。對牛蒡營養成分和活性成分的研究表明，牛蒡中氨基酸含量高達28.71%，富含七種必需氨基酸，還含有具有特殊藥理作用的天門冬氨酸和精氨酸等;無機元素 Ca、Fe、Mg、Zn、Cu 和維生素B1、B2均比山藥和蓮藕含量高，VC含量高于山藥低于蓮藕;黃酮含量達到 6.59%［1－2］。牛蒡具有多種生理活性，主要的藥理作用為降血糖［3］、抗病毒［4］、抗腫瘤活性［5］、鎮咳［2］及護肝作用［6］，牛蒡多糖還具有調節機體免疫功能［7－9］。近期國內外很多學者的研究都證實了牛蒡具有抗氧化活性［10－13］，對清除體內的超氧陰離子和活性氧具有重要作用。而且許多研究證實了牛蒡根具有良好的降血脂和減肥作用［14－15］。近年來國內已開發出一系列牛蒡產品，如牛蒡茶、牛蒡絲、速溶牛蒡沖劑、牛蒡蒜茸醬、牛蒡粥、速凍牛蒡、牛蒡微粉、類咖啡風味的牛蒡咀嚼片等［16－19］，并且逐步開始推向國內外市場。鑒于牛蒡豐富的營養及藥用價值，適合針對特殊人群開發出方便快捷的即食保健食品。飲料作為一種方便食品，隨時補充人體所需的水分及部分營養，廣受青睞，隨著人們生活水平和健康意識的提高，對飲料要求也逐漸由實用型向營養保健型轉變。開發牛蒡無糖保健飲料，可以滿足肥胖者、糖尿病人等特殊人群的要求，提供牛蒡降血糖、降血脂等多種保健功能。因此本文采用響應面實驗對牛蒡無糖飲料的配方進行了優化，初步研究了牛蒡飲料的加工工藝和產品指標，以期為工業化生產牛蒡無糖飲料提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛蒡(Arctium tomentosum Mill.) 市售;VC、甜蜜素、檸檬香精、檸檬酸 均為食品級。

NDJ－79型旋轉粘度計 上海昌吉地質儀器有限公司;DZF－6020型真空干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;BCM－1000A型生物潔凈工作臺 蘇州凈化過濾設備有限公司;FJ－200型高速分散均質機 上海標本模型廠制造;JJ－2(2003－61)型組織搗碎勻漿機 常州國華電器有限公司制造;TD5A－WS型臺式低速離心機 湘儀離心機廠制造;303－6A型數顯電熱保溫箱 上海陽光實驗儀器有限公司制造;WAY(2WAJ)阿貝折射儀 上海申光儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 牛蒡→揀選→清洗→去皮→切塊→預煮→護色→打漿→過濾→調配→均質→脫氣→灌裝封口→殺菌→冷卻→檢驗→成品

1.2.2 操作要點 原料選擇:選擇二年生開花前的根莖，莖肉飽滿、無蟲蛀、蟲斑、無霉爛變質新鮮牛蒡，應以須根少、表皮無變色者，尤其以整根粗細度大約一致者為佳;清洗及切片:用高壓水沖洗凈牛蒡表面的泥沙污物，然后在水中用不透鋼刀削去表皮，以防變色，用不透鋼刀切為1.0～2.0mm均勻薄片，以利于粉碎磨漿，切片后需用清水浸泡，防止酶促褐變;漂燙:把切好塊的牛蒡放入沸水中，熱燙10min后，迅速冷卻;護色:將預煮后的牛蒡片用質量分數為0.2%的VC水溶液浸泡3～5min;打漿:把熱燙好的牛蒡送入到組織搗碎機中搗碎10min，即得牛蒡汁;過濾:使用100目的濾布將搗碎的牛蒡汁液過濾;混合調配:按配方用量和生產量計算并稱取所需檸檬酸、檸檬香精、甜蜜素、等各種輔料和牛蒡汁一起攪拌均勻;均質、脫氣:將調配好的混合液預熱至50～60℃，用高壓均質機均質，均質時壓力19～20MPa左右，使組織更均勻。由于上述操作中料液與外界大量接觸，使一定量的空氣混入到料液中，它的存在可以導致飲料氧化變質，使VC和香氣損失，所以在均質后料液應在40～50℃，真空度為0.06～0.08MPa下脫氣;灌裝、殺菌、冷卻:脫氣后的半成品汁液倒入已殺菌的玻璃瓶中封口，然后采用常壓殺菌方式殺菌，殺菌完畢迅速投入流動水中冷卻或噴淋冷卻，使溫度盡快降至40℃以下，冷卻至室溫。

1.2.3 響應面實驗設計

1.2.3.1 口味配方的初步研究 為使牛蒡飲料具有良好的風味，添加適量甜蜜素作為甜味劑，甜蜜素是一種新型食品甜味劑，單獨使用甜度是蔗糖的40倍而沒有苦味，根據國家標準［20］規定甜蜜素在飲料中的最大添加量為0.65g/kg，因此在此范圍內進行單因素實驗研究。檸檬酸是基本的配料之一，其主要作用是調節飲料的酸甜比;由于牛蒡提取液中有一定的土腥味，因此需要加入一定的檸檬香精，可用來掩蔽使其風味較好。根據國家標準規定，檸檬酸可按生產需要適量使用［20］，檸檬香精也沒有具體規定限量，因此二者根據經驗在添加量為1.0%內進行單因素實驗。

1.2.3.2 數據分析 利用Design－Expert 8.0.6進行響應面優化設計及方差分析。根據Box－Benhnken實驗設計原理，設計4因素3水平的響應面分析實驗，因素水平編碼如表1所示。

1.2.4 分析及檢測方法

1.2.4.1 可溶性固形物 采用阿貝折射儀測定。

1.2.4.2 總酸 以滴定酸計［21］。

1.2.4.3 粘度 采用旋轉粘度計測定，本實驗采用×0.1的轉子。

表1 Box－Behnken設計實驗因素水平及編碼Table 1 Box－Behnken design test factors，levels and coding

1.2.4.4 VC采用 2、6－二氯靛酚鈉滴定法［21］。

1.2.4.5 牛蒡飲料的感官指標 以飲料產品的色澤、風味、組織狀態及食品感官評定理論為基礎［22］，確定牛蒡無糖飲料的感官評價標準，見表2。為使實驗結果更準確，特邀請專家、老師和學生三個不同層次20人對本產品進行品評打分。

表2 牛蒡無糖飲料的感官評價表Table 2 Sensory evaluation standards for sugar－free burdock beverage

1.2.4.6 菌落總數及大腸菌群數的測定 采用食品安全國家標準菌落總數測定［23］以及大腸菌群計數［24］的方法測定。

2 結果與討論

2.1 牛蒡無糖保健飲料口味配方的初步研究

牛蒡飲料的風味與牛蒡的料液比、甜蜜素添加量、檸檬香精添加量和檸檬酸添加量之間的配比有密切的關系，只有合理的配方和調配工藝才能使牛蒡飲料有良好的風味。通過單因素實驗，初步考察了各成分的添加對牛蒡飲料感官口味的影響。根據經驗，當添加甜蜜素為0.5‰，檸檬酸為0.4%時考察牛蒡汁的添加量對口感的影響，其結果見圖1。從圖1中可以看出，隨著牛蒡汁添加量的增加，感官評分呈現先上升后下降的趨勢，牛蒡汁的添加量在20%左右感官評價分值較高。圖2為牛蒡汁含量為20%，檸檬酸0.4%，檸檬香精0.4%時的甜蜜素添加量的單因素實驗。從圖2中可以看出，甜蜜素的添加量在0.2‰時感官得分最高，因此初步確定甜蜜素的添加量為0.2‰。圖3為牛蒡汁含量為20%，甜蜜素添加量為0.2‰時檸檬香精和檸檬酸的單因素實驗結果，從圖中可以看出，檸檬酸的添加量在0.2%～0.6%的范圍內感官評分值較高，檸檬香精的添加量在0.3%～0.6%之間感官評分都較高。

圖1 牛蒡汁的添加對飲料口味的影響Fig.1 The effect of burdock juice on taste of drink

圖2 甜蜜素的添加對飲料口味的影響Fig.2 The effect of sodium cyclamate on taste of burdock drink

圖3 檸檬酸及檸檬香精的添加對飲料口味的影響Fig.3 The effect of citric acid and flavoring lemon essence on taste of burdock drink

2.2 牛蒡無糖保健飲料風味的響應面分析

選擇牛蒡汁、甜蜜素、檸檬酸和檸檬香精［21］4個因素，各取3個水平，在單因素實驗初步確立的較佳的口感范圍內進行響應面優化研究。根據感官評價的色澤、風味、組織狀態進行綜合評分，然后對結果進行分析，從而確定最優方案。響應面實驗分析結果如表3所示。

2.3 牛蒡飲料回歸模型的顯著性檢驗和方差分析

采用Design－Expert 8.0.6數據分析軟件對表3中的響應值與各因素進行回歸擬合，得到感官評分Y對各成分編碼值的完整二次多項回歸方程:

Y=89.26－8.00X1+5.16X2－1.68X3+2.67X4－0.25X1X2+0.70X1X3+0.85X1X4－1.51X2X3－7.03X2X4－5.38X3X4－4.30X12－5.03X22－1.39X32－0.65X42

表3 牛蒡飲料配方的響應面設計Table 3 Design and results of response surface experiment of burdock drink

牛蒡飲料口感調配的回歸模型分析結果見表4。由表4可知，模型p=0.00013＜0.01，表明回歸模型極顯著;失擬p=0.7142＞0.05，表明失擬不顯著，模型合適，實驗數據有意義;決定系數R2=0.9435，表明該回歸方程擬合較好，可以利用該模型來確定牛蒡無糖飲料的口味配方。回歸方程系數的顯著性分析結果表明，X1和X2的一次項回歸系數達到極顯著水平，即牛蒡汁含量和甜蜜素添加量對牛蒡無糖飲料的口味為主的感官評價有顯著性影響;X1和X2的二次項回歸系數達到顯著水平;X2和X4交互項回歸系數以及X3和X4交互項回歸系數都顯著，表明檸檬酸的添加量與甜蜜素的添加以及檸檬香精的添加都有一定的交互作用;而其他項之間的影響不顯著。

2.4 牛蒡無糖飲料的響應面分析與最佳配方

圖4為牛蒡汁的添加量和甜蜜素的相互作用對牛蒡無糖飲料感官影響的響應面圖。圖5為甜蜜素和檸檬酸的交互作用對牛蒡無糖飲料感官評價影響的響應面圖。從圖4中可知，隨著牛蒡汁含量的增加，感官評價分值總體呈現下降趨勢;而隨著甜蜜素添加量的增加，感官評價分值總體呈升高趨勢。從圖5中可以看出，隨著甜蜜素和檸檬酸添加量的增高，感官評價分值都呈現增高趨勢，但是在高濃度下二者的交互作用較大。

表5 驗證實驗結果Table 5 Results of verifying test

圖4 牛蒡汁的含量及甜蜜素的添加量對感官評價的影響Fig.4 Effect of burdock－juice and sodium cyclamate on sensory evaluation of drink

利用Design－Expert 8.0.6軟件分析得到牛蒡無糖飲料的口味調配的最佳配比為:牛蒡汁的質量分數為15.25%，甜蜜素添加的質量分數為0.32‰，檸檬香精添加的質量分數為0.32%，檸檬酸的添加量為0.42%，此時感官評價值可達到95.31。

2.5 驗證實驗

圖5 牛蒡飲料甜蜜素和檸檬酸的添加量對感官評價的影響Fig.5 Effect of sodium cyclamate and citric acid on sensory evaluation of burdock drink

根據根據Box－Benhnken實驗設計和響應面分析法得出的結論，即牛蒡汁的質量分數為15.25%，甜蜜素添加的質量分數為0.32‰，檸檬香精添加的質量分數為0.32%，檸檬酸的添加量為0.42%時配制飲料，并請十人對飲料重新進行感官評價，感官評分的得分情況見表5。從感官評價的得分情況可以看出，飲料的優化配方得分較高，從而驗證了 Box－Benhnken實驗設計和響應面分析法得出的結論。

2.6 牛蒡無糖保健飲料的指標

感官指標:有新鮮牛蒡飲料的乳白色;具有宜人牛蒡風味，無甜膩感，酸甜適口;均勻穩定，細膩，無分層、沉淀現象。

理化指標:總酸(滴定酸)0.5%;動力粘度2.3(mpa.s);VC3.77%;可溶性固形物含量≥4.0%。

微生物指標:細菌總數≤100cfu/mL;大腸菌群≤3cfu/100mL。

3 結論

牛蒡無糖保健飲料加工時用質量分數為0.5%的VC水溶液浸泡15分鐘進行護色。產品以甜蜜素為甜味料，可使飲料產生類似蜂蜜的滋味，加檸檬酸后甜酸適口而柔和，使整體風味更為豐富，通過實驗確定較佳的口味配比為:牛蒡汁15.25%，甜蜜素0.32‰，檸檬香精0.32%，檸檬酸0.42%。制得的牛蒡飲料具有牛蒡的特殊香氣，味感柔和，酸甜適口，乳白色，均勻一致無沉淀。飲料以牛蒡為原料，不含糖分，具有降糖、降血脂、抗氧化等功能性質，特別適合糖尿病人、肥胖患者食用，而且符合大眾回歸自然、追求綠色的消費心理。該產品市場前景廣闊，具有良好的經濟效益的同時還能產生良好的社會效益和生態效益。

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