混料設計優化荔枝-蘋果混合果汁飲料配方

林文祥，胡卓炎*，余 愷，余小林

(華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642)

近年來隨著人們生活水平的提高，消費者對營養和口感良好的復合型果汁飲料需求增加。荔枝作為我國南方特有的水果，具有濃郁誘人的香氣和豐富的營養物質[1-2]，可用于果汁加工。濃縮蘋果汁是國際果汁市場的主要產品，也是混合果汁的重要原料之一[3]。國外如南非已有荔枝蘋果混合果汁飲料生產和銷售，但國內種類較少。

混料設計日益受到人們的重視，在實際生產中廣泛用于冶金、化工、制藥、食品等領域[4-7]。混料設計是研究各因子在配料中的比例，而不涉及配料的總量，試驗中各因子的取值按所占百分比計，且其總和等于1(100%)[8]。莫惠棟[9]在配料混合試驗的設計和分析中表明，基礎的設計方法有3種，即頂點和邊界點設計、矩心設計和極頂設計。其中極頂設計中提及到其各因子空間受到一定的限制，最常見的情形是不需要或不應該包含Xi＝0或1的水平(嚴格來說，0或1水平不能構成混合設計)，因而不存在頂點處理組合。前人的研究[10-12]表明，混料設計作為一種有效的試驗手段可用于產品配方的優化研究，但對荔枝蘋果混合果汁配方的優化研究則還鮮見于報道。故可利用荔枝和蘋果果汁作混合果汁主要配料，采用極頂設計，以產品的感官評定分數為考察指標，優化荔枝汁和蘋果汁的配比，選出優化的產品配方，為實際生產提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

荔枝汁：“黑葉”品種荔枝，產地為廣西。經剝皮、去核、榨汁和過濾后，－18℃凍藏，解凍后使用。

蘋果汁：濃縮蘋果汁(70oBrix)，煙臺北方安德利果汁股份有限公司生產，使用時以加水稀釋復原汁(12°Brix)計算其用量。

HBV601果汁打漿機 意大利Bertuzzi公司；WZ103糖度計 上海天呈科技有限公司；Delta320 pH計 上海精密科學儀器有限公司；UV mini-1240紫外-可見掃描儀分光光度計 日本Shimadzu公司；HWS24 電熱恒溫水浴鍋 上海恒科學儀器有限公司。

1.2 試驗設計與樣品制備

根據實際生產和飲料通則中規定果汁飲料中果汁含量比例，應用混料設計中的極頂設計[9]，將混合果汁飲料中果汁含量按質量分數計設定在10%～30%，即荔枝汁(5%～15%)和蘋果汁(5%～15%)。運行Design Expert軟件中試驗設計程序，分別設定水、荔枝汁和蘋果汁三者的限定范圍，通過軟件設計得到不同的配料組合配方，如圖1和表1所示。

圖 1 極頂設計中荔枝蘋果混合果汁飲料配方實驗點分布圖Fig.1 Distribution of beverage formulations in extreme vertex design

表 1 荔枝-蘋果混合果汁飲料配方的混料設計組合設計表Table 1 Mixture design matrix for blended beverage formulations

果汁混合后，添加檸檬酸和蔗糖，以質量分數計，使樣品的酸含量為0.2%(pH3.8～3.9)和總可溶性固形物含量12%，經20MPa均質后，熱灌裝于200mL玻璃瓶，封蓋后并在90℃熱水中殺菌10min，冷卻后，室溫下貯藏。

1.3 感官評定

采用5段嗜好尺度[10,13]，考察各因素對樣品的感官指標(香氣、滋味、色澤和總體評定)的影響，感官評定標準如表2所示，參考Meilgaard等[13]的方法和感官評定實驗的要求，樣品用3個數字組成的編號標記，隨機將其分成兩組，其中一組含7個樣品，另一組含6個樣品，分別在當天上午和下午由26位經過培訓的食品科學與工程專業學生對產品進行評定。

表 2 5段嗜好尺度感官評定標準Table 2 5-point hedonic scale for sensory evaluation of blended beverage

1.4 統計方法

采用Design-Expert 7.0統計軟件統計分析數據，建立回歸方程，進行多目標的優化分析。

2 結果與分析

2.1 感官評定與回歸方程的建立

表 3 荔枝-蘋果混合果汁飲料的香氣、滋味、色澤和總體評價的感官分數Table 3 Sensory scores for aroma, taste, color, and overall quality of blended beverages

為了考察3個因素對指標的響應作用，建立回歸方程如下：

式中：Yi為預計所得分數；β1、β2、β3、β12、β13、β23、β123為線性和非線性項的系數。

選用常用的分析模型Linear和Sp-cubic回歸方程分析法分析，得到預測方程組，如表4所示。根據Design-Expert建議，香氣和色澤選用線性分析模型，而滋味和總體評定則選用立方分析模型。

表 4 感官指標評價的預測模型及方差分析Table 4 Predictive models in terms of actual components for the sensory responses

從表4可知，對于香氣指標，P＜0.01，R2＝0.6932，說明荔枝汁、蘋果汁和水各自的線性作用對香氣有極顯著作用；對于滋味指標，P＝0.0548，R2＝0.8177，說明荔枝汁、蘋果汁和水有一定的交互作用，但顯著性不強；對于色澤指標，P＜0.01，R2＝0.7606，說明荔枝汁、蘋果汁和水各自的線性作用對色澤有極顯著作用；對于總體評定指標，0.01＜P＜0.05，說明荔枝汁、蘋果汁和水具有顯著的交互作用。

2.2 不同的果汁配比對香氣、滋味、色澤和總體評定的影響

圖 2 3種配料配比對香氣感官分數影響的等高線圖及響應曲面圖Fig.2 Response surface and contour plots showing the effects of different proportions of water, lychee juice and apple juice on aroma score

在混料設計中，各因素的變化對指標的影響作用可以在等高線圖及響應曲面上描述，在實驗中，水、荔枝汁和蘋果汁三者的交互作用下，對香氣、滋味、色澤和總體評定的作用如圖2～5所示。

圖2描述了3種配料配比對香氣的影響作用，如圖所示，三角響應曲面圖為一平面，說明三者間沒有交互作用，隨著荔枝汁和蘋果汁的添加量的增大，香氣的得分也隨之增大，并且可以看到，響應平面向荔枝汁的添加量增長的方向往上傾斜，說明荔枝汁的作用較強，在三者中起主導作用。

主要原因可能是，荔枝汁含有豐富的香氣成分，Li Chunmei等[14]對荔枝汁的加工過程中的風味物質研究表明，荔枝原汁中一共檢測出44種化合物(17種醇類、5種酯類、2種酮類、9種烯烴類、2種酸、7種醛類和2種呋喃類)，且其主體香氣成分為：4種醇類、(苯基乙醇、香葉醇、芳樟醇、香茅醇)、2種烯類(D-檸檬烯、β-月桂烯)和3種醛類(香葉醛、橙花醛、壬醛)。可以看出，荔枝汁含有復雜多樣的香氣成分，相比之下，段亮亮等[15]對蘋果濃縮汁加工中香氣回收成分分析表明，蘋果濃縮液中只富含蘋果典型酯類香氣物質(乙酸-2-甲基-1-丁酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯等)和醇類香氣物質(2-甲基-1-丁醇等)，香氣成分較為單一，所以可知荔枝汁對果汁香氣影響作用較強。

圖 3 3種配料比例對滋味感官分數影響的等高線圖及響應曲面圖Fig.3 Response surface and contour plots of the effects of different proportions of water, lychee juice and apple juice on taste score

圖3描述了3種配料配比對滋味的影響作用，如圖3所示，三角響應曲面圖為一曲面，說明三者間具有一定的交互作用。雖然曲面圖出現輕微的馬鞍形，但在荔枝汁和蘋果汁添加量較大處，曲面還是呈現一定的球面狀，并隨混合果汁添加量的增大，滋味的分越高。說明在果汁飲料中，果汁的添加量對其滋味起決定性作用。

圖 4 3種配料比例對色澤感官分數影響的等高線圖及響應曲面圖Fig.4 Response surface and contour plots of the effects of different proportions of water, lychee juice and apple juice on color score

圖4描述了3種配料比例對色澤的影響作用，如圖4所示，三角響應曲面圖為一平面，說明三者間沒有交互作用，隨著蘋果汁的添加量的增大，色澤的得分卻隨之下降，并且可以看到，響應平面向蘋果汁的添加量增長的方向往下傾斜，說明蘋果的對色澤的影響作用較強，起主導作用。

圖 5 3種配料配比對總體評價感官分數影響的等高線圖及響應曲面圖Fig.5 Response surface and contour plots of the effects of different proportions of water, lychee juice and apple juice on overall quality score

其原因可能是，蘋果汁為濃縮汁，經過真空濃縮加工及貯藏后，蘋果汁產生褐變，呈棕紅色，而荔枝汁為鮮榨原汁，呈黃白色，在二者搭配中，蘋果汁的色素物質必定影響整個體系的呈色作用，對于澄清果汁飲料，感官者認為較為清淡的顏色較優，所以蘋果汁的添加需要在一個適當值為佳。

圖5描述了3種配料配比對產品的總體評定的影響作用，如圖所示，三角響應曲面圖為一曲面，說明三者間具有一定的交互作用。從響應曲面中可看到 ，曲面呈現明顯的馬鞍形，分析效果不明顯；原因可能是，此指標是產品的綜合評定，即對香氣、滋味、色澤、口感等多個方面的綜合評價，評定者的主觀因素更為強烈，如果要得到更為準確的響應值，應增加評定者樣品容量數；但從圖5可以看到，指標的總趨勢是往混合果汁添加量增加的方向上升，即隨著混合果汁添加量的增加，果汁評價最佳。

2.3 配方的優化及驗證實驗

表 5 荔枝蘋果混合果汁飲料感官屬性指標同時優化的參數、預測值和期望值Table 5 Optimal blended beverage formulations with predicted sensory scores for aroma, taste, color, and overall quality and overall expected values

表 6 優化配方驗證實驗的感官屬性指標評定Table 6 Actual sensory scores for aroma, taste, color, and overall quality of optimal blended beverage formulations

期望香氣、滋味、色澤和總體評定的分數同時達到最大值，因素水平在設定范圍以內，運行軟件的多目標同時優化程序，得到具體的兩個組合配方，即：70%水、15%荔枝汁和15%蘋果汁(配方1)；75%水、10%荔枝汁和15%蘋果汁(配方2)，如表5所示。分析優化結果的期望值可知，越接近1即所得綜合評價越佳，隨著混合果汁的總添加量的增大，期望值增大，且在實驗點(0.7，0.15，0.15)處達到最高，故可作為產品的優化配方。

得到優化配方后再作驗證實驗，對目標配方1、2作相應的感官評定，結果見表6。除了配方2中的色澤指標與預測值存在顯著差異外(P＜0.05)，其他配方及指標均不存在顯著差異(P＞0.05)，說明中所獲得的目標配方及預測值可靠性較強，與實驗值一致。

圖 6 優化配方對所有指標的總體期望值的等高線圖和響應曲面Fig.6 Response surface and contour plots showed the effects of different proportions of water, lychee juice and apple juice on overall expected value

3 結 論

配方中不同的荔枝、蘋果果汁比例對混合果汁飲料的香氣和色澤交互作用不顯著，但其中荔枝汁對香氣起主導作用，蘋果汁對色澤起主導作用；而不同的荔枝、蘋果果汁比例在滋味和總體評價中存在著一定的交互作用，而且總趨勢是隨著果汁添加量的增大，感官評定值越高。

通過建立回歸方程及多目標優化分析，獲得優化的荔枝蘋果混合果汁配方為70%水、15%荔枝汁和15%蘋果汁，經實驗驗證，優化配方的荔枝蘋果混合果汁飲料的香氣、滋味、色澤和總體評價指標分值分別為4.19、3.92、4.12和3.73，與預測值相符。產品質量屬性指標描述：略帶淡黃色，澄清透明；具有荔枝特有的味感，荔枝和蘋果搭配協調柔和，無異味，易入口，味綿長，口感清新；酸含量為0.2%(pH3.8～3.9)，可溶性固形物含量為12%。

[1] 胡卓炎, 余小林, 余愷, 等. 荔枝加工研究現狀與展望[J]. 中國熱帶農業, 2010(4)： 36-40.

[2] 崔珊珊, 胡卓炎, 余愷, 等. 不同產地妃子笑荔枝果汁的氨基酸組分[J]. 食品科學, 2011, 32(12)： 269-273.

[3] 董根中, 遠兵強, 高紅梅, 等. 我國蘋果生產與加工現狀[J]. 農產品加工： 創新版, 2009(10)： 64-67.

[4] SMITH W F. Experimental design for formulation[M]. New York： Society for Industrial & Applied Mathematics, 2005.

[5] 劉清飛, 羅國安, 王義明. 混料均勻設計法在燈盞花素骨架片處方配比中的應用研究[J]. 中成藥, 2006, 28(5)： 632-635.

[6] JUAN S, EDRA E M, SALES E V, et al. Utilization of peanut fines in the optimization of peanut polvoron using mixture response surface methodology[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2006, 41(7)： 768-774

[7] MARIANI R, AWANG B, HO C M. Optimisation of natural ingredient based lipstick formulation by using mixture design[J]. Journal of Applied Sciences, 2007, 7(15)： 2099-2103.

[8] 王小利, 周建斌, 鄭險峰, 等. 控釋氮肥養分控釋效果及合理施用研究[J]. 植物營養與肥料研究, 2003, 9(4)： 390-395.

[9] 莫惠棟. 配料混合試驗的設計和分析[J]. 揚州大學學報： 農業與生命科學版, 2004, 25(1)： 1-5.

[10] VIEIRA M C, SILVA C L M. Optimization of a Cupua?u (Theobroma grandiflorum) nectar formulation[J]. Journal of Food Process Engineering, 2004, 27(3)：181-196.

[11] KARAMAN S, YILMAZ M T, KAYACIER A. Simplex lattice mixture design approach on the rheological behavior of glucomannan based salep-honey drink mixtures： an optimization study based on the sensory properties[J]. Food Hydrocolloids, 2011, 25(5)： 1319-1326.

[12] ZHOU Jianzhong, LIU Xiaoli, HUANG Kaihong, et al. Application of the mixture design to design the formulation of pure cultures in Tibetan kefir[J]. Agricultural Sciences in China, 2007, 6(11)： 1383-1389.

[13] MEILGAARD M, CIVILLE G V, CARR B T. Sensory evaluation techniques[M]. 3rd ed. New York： CRC Press Inc, 1999.

[14] LI Chunmei, HAO Jufang, ZHONG Huizhen, et al. Aroma components at various stages of litchi juice processing[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2009, 89(14)： 2405-2414.

[15] 段亮亮, 郭玉蓉, 謝文佩, 等. 蘋果濃縮汁加工中香氣回收成分分析[J]. 食品工業科技, 2011, 32(3)： 112-115.