單純形重心法優化西番蓮果汁飲料的穩定劑配方

聶強 何仁 黃永春 劉惠賢 付軍鵬

摘要[目的]提高西番蓮果汁飲料穩定性。[方法]在單因素試驗基礎上，利用單純形重心試驗法優化西番蓮果汁飲料的穩定劑配方。[結果]單因素試驗結果表明，黃原膠、果膠、羧甲基纖維素鈉（CMC）的穩定效果較好，進一步進行{3，2}單純形重心試驗，復配的結果顯示：當黃原膠、果膠、CMC添加量分別為0.089%、0.050%、0.117%，總的添加量為0.256%時，飲料的離心率降低至2.10%。驗證試驗說明，預測值與驗證值相符，產品穩定效果好。[結論]通過上述試驗得到的穩定劑配方可靠，穩定性好，可用于西番蓮果汁飲料中。

關鍵詞 穩定性；單純形重心法；離心率；復配；西番蓮

中圖分類號 TS275.5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-109-03

Abstract[Objective]To enhance the stability of passion fruit beverage.[Method]Based on single factor test， stabilizer formula of passion fruit beverage was optimized by simple centroid method.[Result]Results of single factor test showed that xanthan gum， pectin and sodium carboxymethylcellulose （CMC） had relatively good stabilizing effects.Then， {3，2} simple centroid experiment showed that the eccentricity of beverage reduced to 2.10% when concentrations of xanthan gum， pectin and CMC were 0.089%， 0.05% and 0.117%， respectively， the total added concentration was 0.256%.Verification test showed that the predicted value was consistent with the verification value， and the products had good stabilizing effects.[Conclusion]The stabilizer formula is reliable and stable， and can be used fort the passion fruit beverage

Key words Stability； Simple centroid method； Eccentricity； Compound； Passion fruit

西番蓮（Passiflora coerulea L.），別名雞蛋果，為典型的熱帶、亞熱帶水果，原產于美國南部、巴西、阿根廷地區，在我國主要分布在臺灣、廣東、福建、廣西、云南、浙江、四川等省。目前，在我國廣泛栽培的2個品種主要是黃果西番蓮和紫果西番蓮[1]。西番蓮果特點鮮明，果大，新鮮，果汁淡黃，果汁中含有多種酯類香氣成分，被譽為“百香果”[2]，其果汁還富含多種營養成分，是高級飲料的理想原料，有“飲料之王”的美稱[3]。

由于西番蓮汁含有較多的膠體物質，易產生渾濁和沉淀，嚴重影響果汁質量和穩定性，大大降低商品的價值[4]。工業上除了通過對原材料的控制流程來提高西番蓮果汁飲料穩定性外，最重要的方法便是添加適當穩定劑[5-6]。常用于西番蓮果汁飲料的穩定劑單體有許多種，如瓊脂、羧甲基纖維素鈉（CMC）、海藻酸鈉、瓜爾膠、黃原膠、果膠、海藻酸丙二醇酯（PGA）等，但在西番蓮果汁飲料的實際生產中，大多充分利用各穩定劑單體之間的協同交互作用來增強穩定效果，不僅可降低穩定劑的用量和生產成本，也避免了因穩定劑添加量而引起的風味和口感的問題[7]。單純形重心設計法是一種設計模型簡單，設計方便的混料設計法，因此被廣泛地應用在食品工業中，如果凍、奶茶、蛋糕、巧克力、混合飲料、酒等[8]。該試驗先確定黃原膠、果膠、CMC 3種穩定劑的添加范圍，再對3種穩定劑進行單純形重心優化，以求得到最佳的西番蓮果汁飲料復合穩定劑添加量。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料及主要試劑。

百香果（紫果），市購。羧甲基纖維素鈉（CMC），西隴化工股份有限責任公司；黃原膠，淄博中軒生化有限公司；果膠、瓊脂、海藻酸鈉、海藻酸丙二醇酯（PGA）、瓜爾豆膠，河南高絲寶貿易有限公司；白砂糖，市售；抗壞血酸，廣東光華科技股份有限公司；D異抗壞血酸鈉，江西省德興市百勤異VC鈉有限公司。

1.1.2 主要儀器與設備。恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；膠體磨，廊坊通用機械有限公司； SHP6060型高壓均質機，上海科司大均質機電設備有限公司；TDL5臺式大容量離心機，南京東邁科技儀器有限公司；電子天平，余姚市金諾天平儀器有限公司；美國BROOKFIELD博力飛DVII+可編程控制式黏度計，上海智尊工業自動化有限公司。

1.2 方法

1.2.1 西番蓮果汁飲料加工工藝流程。西番蓮（新鮮、成熟）→切果、掏果肉→過膠體磨（3次）→與穩定劑、白砂糖、水、抗壞血酸等調配→過膠體磨（3次）→均質（40 MPa、15 min）→滅菌（90 ℃、1 min）→灌裝（65～70 ℃）→倒瓶（1 min）→冷卻→成品。

1.2.2 西番蓮果汁飲料穩定性的分析方法。

1.2.2.1

果汁未分層分析法。未分層度為評價指標，均質后的果汁放入燒杯中，在4 ℃條件下密封保溫7 d，觀察果汁分層度，假設果汁均勻分散，無分層沉淀現象，它的未分層度為100%，當出現沉淀分層，用尺子測量液位和果漿沉淀厚度的總高度，計算未分層度，計算公式如下[ 2 ]：

果汁未分層度（%）=[1-（果肉沉淀度/總液面高度）]×100

1.2.2.2

離心沉淀法。沉淀率（sedimentation rate，SR）表示體系的穩定性，SR值越小，穩定性越好。每一個樣品的離心沉淀率平行測定3次，取平均值。取40 mL已制備好的西番蓮果汁于50 mL離心管中，以4 000 r/min的轉速離心30 min，將上清液分離后倒置30 min，測定離心沉淀率SR。

1.2.2.3

黏度測定。使用博力飛黏度計，選取轉子號為2的轉子在常溫下測定3次，取其平均值。

1.2.3 增稠劑選擇試驗。

將濃度（質量體積比）為 0.2%的黃原膠、海藻酸鈉、PGA、果膠、瓊脂、CMCNa、瓜爾豆膠分別與西番蓮渾濁原汁調配均勻后，在4 ℃條件下密封保溫7 d，觀察其穩定效果，比較穩定性能，穩定效果通過產品分層程度進行判斷，篩選出其中穩定效果較好的3種穩定劑。

1.2.4 增稠劑單因素試驗。

取 300 mL 西番蓮汁加入適量蒸餾水稀釋5倍左右，經過膠體磨、均質、殺菌等的工藝流程后，在4 ℃條件下密封保溫7 d。分別討論不同膠體對百香果果汁飲料穩定體系的影響，各膠體添加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。測定加入不同膠體后西番蓮果汁飲料的黏度、沉淀率的變化，以確定最佳穩定體系配方，得到穩定的西番蓮果汁飲料體系。

1.2.5 增稠劑的復配試驗。

選擇 3 種穩定性能較好的親水性膠體，采用{3，2}單純形重心試驗設計，對它們進行復配。檢測的指標是在4 ℃條件下密封保溫7 d的離心沉淀率，重復3次取平均值。

2 結果與分析

2.1 增稠劑的選擇

由表1可見，CMC、黃原膠、果膠的效果比其他增稠劑效果更佳。 CMC不僅提高了產品黏度，而且能縮小粒子與料液的密度差，從而使得產品的穩定性得以提高。黃原膠在水溶液中以雙螺旋結構存在，具有良好的穩定性，使其在低濃度、低剪切力時具有較高黏度，且不受高溫殺菌的影響，而且耐酸耐堿性好，可用作各種果汁飲料、植物蛋白飲料的增稠穩定劑。果膠主要是果膠酸和半乳糖醛酸存在的緣故，使果膠在酸性條件下使得體系保持更穩定。

瓜爾豆膠、瓊脂和海藻酸鈉均屬大分子多糖產品，在酸性條件下加熱，其大分子長鏈極易水解斷裂，表現出黏性和懸浮性下降，而且，易產生大塊絮狀沉淀[9]。海藻酸鈉溶液具有高黏度性，但化學穩定性差，易受酸堿鹽的影響，且西番蓮果汁中酸性物質比較多，所以添加海藻酸鈉時，分層現象更為嚴重。瓜爾豆膠是天然膠中黏度最高的，同時也是增黏性和吸水性最好的膠體，但穩定效果明顯不足。這說明黏度并不是影響果汁穩定的唯一因素。瓊脂由于其分子中含有羥基能與水分子發生水化作用 ，從而達到穩定的效果，但在酸性加熱條件下， 瓊脂的長鏈大分子結構極易遭到破壞性分解， 使其黏度和懸浮性大幅度降低，而量少時交聯的瓊脂分子也不足以保持果肉穩定。

綜合上述分析，選擇果膠、黃原膠、CMC 3種膠體作為復合增稠劑的單體。

2.2 果膠穩定性單因素試驗

由圖1可以看出，在試驗所選擇的范圍內， 西番蓮果汁飲料的黏度隨果膠添加量的增大而增大，離心率隨果膠添加量的增大而降低。

果膠添加量在0.05%～0.10%時，西番蓮果汁飲料的離心率降低幅度小；添加量在0.10%～0.15%時，西番蓮果汁飲料的離心率隨果膠添加量的增大而急劇下降；添加量在0.15%～0.30%時，西番蓮果汁飲料的離心率變化隨果膠添加量的增大趨于緩慢。因此，從邊際效應及成本角度出發，選擇離心率變化最快區間的末端，即0.15%添加量為控制飲料穩定性的穩定劑添加量中端，分別取0.10%添加量作為果膠添加的下限，0.20%添加量為上限。

2.3 黃原膠穩定性單因素試驗

由圖2可以看出，在試驗所選擇的范圍內， 西番蓮果汁飲料的黏度與黃原膠的添加量呈正相關，離心率與黃原膠的添加量呈負相關。

黃原膠添加量在0.05%～0.15%時， 西番蓮果汁飲料離心率變化呈線性負相關；添加量在0.15%～0.20%時， 西番蓮果汁飲料離心率隨黃原膠添加量的增大而急劇降低；添加量在0.20%～0.30%時， 西番蓮果汁飲料的離心率隨黃原膠添加量的增大變化相對平緩。因此，從邊際效應及成本角度出發，選擇離心率變化幅度最大的末端，即0.20%添加量為控制西番蓮果汁飲料穩定性的穩定劑添加量中端，分別取0.15%的添加量作為黃原膠添加量的末端，0.25%的添加量作為首端。

2.4 CMC穩定性單因素試驗

由圖3可以看出，在試驗所選擇的范圍內， 西番蓮果汁飲料的黏度與CMC的添加量呈正相關，離心率隨CMC的添加量的增加而變小。

CMC的添加量在0.05%～0.15%時，西番蓮果汁飲料離心率呈線性變化；添加量在0.15%～0.20%時，西番蓮果汁飲料離心率下降明顯；添加量超過0.20%時，西番蓮果汁飲料離心率變化相對趨于緩和。因此，選擇添加量0.15%作為CMC穩定劑添加量的下限，上限即選擇添加量為0.25%。

2.5 穩定劑復配試驗結果

常用的親水性膠體在酸性飲料中的應用都會存在一些缺點，都會受到不同程度的應用限制，因此比較傾向于將單體膠體復配后應用于酸性飲料中，這樣不但比使用單體膠體更能增強體系穩定性，而且還可以降低成本和改善飲料口感與風味[10]。

3種穩定劑果膠、CMC、黃原膠按混料回歸{3，2}單純形重心設計試驗方案，其中X1為黃原膠，X2為果膠，X3為CMC。由單因素試驗可得知，0.15≤a1≤0.25，0.10≤a2≤0.20，0.15≤a3≤0.25（a1、a2、a3各代表黃原膠、果膠、CMC添加量），由于復配時穩定劑間存在協同交互作用，當以單因素的添加量使用范圍進行單純重心設計，則總的添加量明顯超過正常飲料中穩定劑添加量的標準范疇，因此該試驗設計將單因素得到的穩定劑使用范圍進行減半處理，即0.075≤a1≤0.125，0.050≤a2≤0.100，0.075≤a3≤0.125。Zi=下限+（上限-下限）×Xi，結果見表2[9]。

對表2試驗數據進行處理得到回歸方程為：

Y=2.93X1+2.69X2+2.28X3+2X1X2-1.42X2X3+2.06X2X3-6.93X1X2X3。利用Excel中規劃求解對回歸方程組求解最小值得：當X1=0.27，X2=0，X3=0.83時，回歸方程取得最小值為2.18%，對應3種穩定劑的實際添加量為：Z1=0.177%，Z2=0.100%，Z3=0.223%。在試驗的基礎上，西番蓮汁離心率平均為2.10%，與理論值的相對誤差約為3.80%，表明由回歸方程得到的理論值與實際值基本吻合。因此，通過單純形重心設計法得到西番蓮果汁飲料中復合穩定劑的黃原膠、果膠、CMC的添加量分別為0.089%、0.050%、0.117%，總的添加量為0.256%，此時西番蓮果汁飲料的離心率降低為2.10%。

3 結論

該研究先采用單因素試驗方法，分別考察了羧甲基纖維素鈉（CMC）、黃原膠、果膠、瓊脂、海藻酸鈉、海藻酸丙二醇酯（PGA）、瓜爾豆膠等單一增稠劑對果汁穩定性的影響，篩選出7個單體中穩定效果較為顯著的3個因素，繼續用{3，2}單純形重心試驗進行優化。

在單因素試驗基礎上，{3，2}單純形重心試驗結果顯示，當黃原膠、果膠、CMC添加量分別為0.089%、0.050%、0.117%，總的添加量為0.256%時，西番蓮果汁飲料的離心率降低至2.10%，通過試驗得到的穩定劑配方可靠，穩定性好，可用于西番蓮果汁飲料中。該配方符合生產實踐的要求，并且量少，穩定性高，克服了單一穩定劑的不足。

參考文獻

[1]趙玲艷，李羅明，蔣立文，等.西番蓮飲料的加工工藝研究[J].中國食物與營養，2013（5）：53-57.

[2]黃國清，肖仔君，梁小穎，等.西番蓮果汁加工工藝研究[J].食品科學，2006（8）：187-190.

[3]趙元藩.西番蓮的加工與應用[J].云南師范大學學報（自然科學版），1999（1）：45-47.

[4]辛建剛，芮漢明.酶法澄清西番蓮果汁的工藝研究[J].飲料工業，2005（4）：22-26，40.

[5]吳瓊，劉曉娟.合歡花安神復合飲料的研制[J].長春大學學報，2016（2）：32-36.

[6]趙秀玲，王昊.紅豆紅棗野菊花保健飲料的研制[J].河北科技師范學院學報，2015（3）：45-52.

[7]凌光庭，唐述潮，陶民強.食品添加劑手冊[M].北京：化學工業出版社，2003：718-771.

[8]羅玲泉.單純形重心設計法復配酸乳飲料穩定劑研究[J].食品工業科技，2008（11）：205-207.

[9]趙海珍，黃娟，王曄，等.常用增稠劑在飲料中的應用特性[J].飲料工業，1998（5）：29-31，34.

[10]曹盼.燕麥果汁復合飲料的研制[D].無錫：江南大學，2012.