基于混料回歸設計的柳橙、草莓果味飲料配方設計及優化

吳 丹，章振武，張愛群，葉興乾，*，陳健初

(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江杭州310058;2.杭州佳禾食品有限公司，浙江杭州310001)

柳橙屬于柑橘類水果，營養豐富，不僅含人體所需的6大營養元素，而且氨基酸齊全、VC含量較高［1-2］。柳橙果汁因糖酸比適宜，風味佳，深受消費者喜愛，是全球最受歡迎的果汁飲品之一，約占世界果汁類飲料消費的2/3［3］。大量的研究表明，食用柑橘類水果利于抗癌和防止心血管疾病［4-6］。草莓在歐洲有“水果皇后”美譽之稱，其VC含量比蘋果高11.7倍，同時含類黃酮和酚酸類物質，具有抗氧化、增強免疫力、預防心腦血管疾病、預防貧血、抗癌等作用［7］。自上個世紀90年代開始，人們就對橙汁飲料和草莓汁飲料進行了大量的研究，主要包括清汁或者濁汁飲料［8-10］、果蔬或水果復合飲料［11-13］、發酵飲料［14-15］、乳飲料類［16-17］等。

果汁類飲料的配方設計涉及混料問題。混料設計是工農業科學實驗中經常運用到的實驗設計［18-22］。在混料實驗中，每個組分以占有的百分數來表示，各個組分加和計算為1。目前的文獻報道中以正交實驗來優化果汁飲料配方的較為多見，而混料設計方法在柳橙果味飲料和草莓果味飲料的配方優化中還未涉及。本文結合食品感官評定法對柳橙和草莓果味飲料配方進行混料回歸設計優化實驗，得出優選的柳橙和草莓果味配方組合，同時通過增加相關的色香味輔料進一步實驗實現果味飲料色香味的優化，最終確定較優的柳橙味飲料配方和草莓味飲料配方。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柳橙汁(糖度:66°Bé，酸度:4.16%)、草莓汁(糖度:62.5°Bé，酸度:1.16%) 杭州博多工貿有限公司提供;蔗糖、食鹽 市售;檸檬酸 購自山東省中創檸檬生化有限公司;色素和香精 購自杭州綠精香精有限公司;黃原膠(食品級)和瓜爾豆膠(食品級) 購自河北金豐化工有限公司。

WX-300的索尼數碼相機 購自日本索尼公司。

1.2 果味飲料的制備

將蔗糖和檸檬酸、食鹽等各種配料按照混料設計表中的比例放入煮沸的純凈水充分溶解，待冷卻到50～60℃時，加入純果汁混勻，用均質機在18～22MPa下進行均質處理，而后裝罐巴氏殺菌得到成品。

1.3 實驗方法

1.3.1 混料設計 本研究利用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5，采用混料設計方法，對柳橙和草莓果味飲料的配方進行設計優化。經過初步預實驗后，果汁濃度范圍選定為3%～5%，蔗糖的濃度范圍選定為20%～40%，檸檬酸的濃度范圍為0.2%～0.5%，食鹽的濃度范圍為0.04%～0.08%，其余為純凈水。混料設計表如表1。

1.3.2 感官評價 22位感官評價員通過評分檢驗法對得到的果味飲料從色澤、香味、口感、外觀三方面進行感官評定。感官評價標準如表2。

1.3.3 配方優化 在混料設計基礎配方的基礎上，通過日落黃和檸檬黃的濃度添加實驗進行柳橙果味飲料的色澤優化，通過誘惑紅和胭脂紅的濃度添加實驗進行草莓果味飲料的色澤優化;通過柳橙香精和草莓香精的濃度添加實驗進行果味飲料的香味優化;通過黃原膠和瓜爾豆膠的濃度添加實驗進行果味飲料的口感優化。

1.3.4 顏色特征參數的提取 在室內自然光照下固定位置，采用型號WX-300的索尼數碼相機攝取各個樣品的數字圖像。拍攝角度為樣品正上方的垂直方向。以數碼相機的自動曝光模式控制曝光時間和色彩平衡，圖像的分辨率采用1920像素×1080像素。圖像分析與色彩特征值的提取采用Adobe Photoshopcs 7.0進行，選取照片中的樣品區域，利用Adobe Photoshopcs 7.0讀取各樣品圖像的R、G、B值的各項平均值。樣品間色差值計算公式為:

R:樣品圖像R值與參比物圖像R值差;G:樣品圖像G值與參比物圖像G值差;B:樣品圖像B值與參比物圖像B值差。

表1 果味飲料混料設計表Table 1 Mixture design for fruity drinks

表2 感官評價標準Table 2 Standard of sense evaluation

1.3.5 數據分析與處理 采用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5進行混料實驗設計和回歸分析;采用Adobe Photoshopcs 7.0進行圖像分析;采用EXCEL進行圖表處理。

2 結果與討論

2.1 數學模型的建立

根據表1的混料設計配方，最終得到2種口味飲料的感官評價值，見表3。

表3 果味飲料感官評價值Table 3 Sense evaluation for fruity drinks

表4 二次多項式回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model equation

表5 優化配方的感官評定值Table 5 Sense evaluation under the optimized formula of fruit drinks

利用數據處理軟件，對實驗結果進行混料設計統計，建立回歸模型，見如下方程，根據回歸方程可以預測不同配方情況下的果味飲料感官評定值(見表3):

柳橙評分方程:

草莓評分方程:

柳橙果味飲料的二次多項回歸方程的復相關系數R2為0.98，校正后的復相關系數R2為0.96。草莓果味飲料二次多項回歸方程的復相關系數R2為0.92，校正后的復相關系數R2為0.89。對以上2個方程進行方差分析，得到方差分析表4。從表中可以看出，這2個方程的線性模型和二次模型的p值達到0.0001，均達到顯著性水平。可以看出擬合的方程能很好的反映果味配方指標與感官評價值之間的關系。

同時通過數據處理軟件，可以得到柳橙和草莓果味飲料的優化配方，表5為軟件運行得到的最佳組合配方和預測的感官評定值，以及進行人工感官評定得到的實測值。

從表5中可以看到實際測定得到的感官評定值在預測值1%的置信區間范圍內。建立的擬合方程可以很好的模擬配方的感官評價值。

2.2 配方優化

表5中的柳橙和草莓優化配方果味飲料，雖然感官評價值較高，在一定程度上已經能滿足人們的消費需要，但是與原果汁相比在色、香、味方面還是有一定的差距，需要進一步的完善和優化。

2.2.1 色澤優化 按照表5中柳橙優化配方，添加日落黃，其添加量分別為 0，0.0003%，0.0006%，0.0009%，0.0012%，0.0015%，見圖1。其中色差值D以原橙汁溶液為參比物。從圖1中可以看到添加0.0012%的日落黃與原果汁的色差值最小，與原果汁相差色差為5.0，因此將該濃度作為優選添加量。

圖1 日落黃添加量對柳橙果味飲料色差的影響Fig.1 The effect of sunset yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中柳橙優化配方和日落黃優選添加量，進行檸檬黃色素添加實驗，其添加量分別為0，0.003%，0.006%，0.009%，0.012%，0.015%，見圖 2，其中色差值D以原橙汁溶液為參比物。可以看出，當檸檬黃添加量達到0.006%時與原果汁的色差值最小，與原果汁相差色差為2.45，因此可將此濃度作為優選添加量。

圖2 檸檬黃添加量對柳橙果味飲料色差的影響Fig.2 The effect of lemon yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中草莓優化配方，進行誘惑紅色素添加實驗，其添加量分別為0，0.00002%，0.00004%，0.00006%，0.00008%，0.00010%，見圖3，其中色差值D以草莓汁原液為參比物。單獨使用誘惑紅的顏色偏粉紅色，與草莓色澤差異較大，色差值均在100以上。當誘惑紅的濃度大于0.00008%時與原果汁的色差值最小，因此可將此濃度作為優選添加量。

圖3 誘惑紅添加量對柳橙果味飲料色差的影響Fig.3 The effect of allura red on colour difference of strawberry flavored beverages

為了彌補誘惑紅色澤的不足，按照表5中草莓優化配方和誘惑紅最佳添加量，加入胭脂紅色素，其添加量分別為 0，0.0001%，0.0002%，0.0003%，0.0004%，0.0005%，結果見圖4，其中色差值D以草莓汁原液為參比物。從圖中可以看出，當胭脂紅的添加量達到0.0003%時，色澤與草莓顏色最為接近，最低色差值為65.74，因此將此濃度作為優選添加量。

2.2.2 香味優化 圖5和圖6為柳橙和草莓香精對果味飲料香氣影響的研究，其中感官評價值以表2的香氣感官評定標準為參考。從圖中可以看出當柳橙香精添加量達到0.07%，草莓香精添加量達到0.06%時，獲得了最佳的香氣感官評分值。因此這里將這2個添加濃度作為優選的香精添加量。

2.2.3 口感優化 選用黃原膠和瓜爾豆膠作為增稠劑，對柳橙和草莓果味飲料進行口感優化實驗。分別選擇不同的添加比例，并進行描述性感官評定，結果見表6。

圖4 胭脂紅添加量對柳橙果味飲料色差的影響Fig.4 The effect of cochineal on colour difference of strawberry flavored beverages

圖5 柳橙香精對柳橙果味飲料香氣的影響Fig.5 The effect of orange flavour on odor of strawberry flavored beverages

圖6 草莓香精對草莓果味飲料香氣的影響Fig.6 The effect of strawberry flavour on odor of strawberry flavored beverages

表6 黃原膠和瓜爾豆膠對果味飲料口感的影響Table 6 The effect of xanthan gum and guar gum on texture of flavored beverages

從表6可以看出，當黃原膠與瓜爾豆膠的添加比例為2∶5，即黃原膠添加量為0.1%，瓜爾豆膠添加量為0.25%，得到最佳的感官評價，因此可將此添加量作為優選配方濃度。

3 結論

綜上所述，柳橙果味飲料的最佳配方為:蔗糖22.80%、檸檬酸0.50%、果汁5%、食鹽0.04%、日落黃0.0012%，檸檬黃0.006%，柳橙香精0.07%，黃原膠0.1%，瓜爾豆膠0.25%，其余為純凈水。此柳橙果味飲料最佳配方下獲得的產品感官評分值為95分;草莓果味飲料的最佳配方為:蔗糖22.09%、檸檬酸0.50%、果汁5%、食鹽0.04%、誘惑紅0.00008%，胭脂紅0.0003%，草莓香精0.06%，黃原膠0.1%，瓜爾豆膠0.25%，其余為純凈水。此草莓果味飲料最佳配方下獲得的產品感官評分值為94分。

混料設計相比于目前配方設計中經常用到的正交設計可以研究配方里各因子之間的配比和相關性，利用回歸分析建立各因變量的曲線方程，根據回歸方程和目標值推測出因子的最佳配比組合［23］。本實驗通過DPS進行混料設計和統計，建立了預測數學模型，通過方差分析和驗證實驗，表明該方程可以很好的預測各個因素水平與感官指標之間的關系。在得到果味飲料基礎配方的基礎上進一步進行了色、香、味的優化實驗，確定了最終的優化配方。

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