響應面法優化山藥葡萄復合飲料的制作

劉硯耕，高 琦，李雨佳，耿 藝，葉 童，黨 猛，薛友林

（1.遼寧大學輕型產業學院，遼寧沈陽 110036；2.遼寧行政學院，遼寧沈陽 110161）

響應面法優化山藥葡萄復合飲料的制作

劉硯耕1，高 琦2，李雨佳1，耿 藝1，葉 童1，黨 猛1，*薛友林1

（1.遼寧大學輕型產業學院，遼寧沈陽 110036；2.遼寧行政學院，遼寧沈陽 110161）

以山藥和葡萄為主要原料制備復合飲料，采用單因素試驗得出山藥與水的最佳配比為1∶6（g∶g）；在單因素試驗基礎上，經Box-Behnken響應面優化法，最終確定山藥葡萄復合飲料的最佳配方為白砂糖添加量5.17%，檸檬酸添加量0.16%，山藥汁∶葡萄汁配比值0.59，在此配方下山藥葡萄復合飲料感官評分為92.10分。采用正交試驗確定了產品的最佳穩定劑配方，即黃原膠添加量0.15%，CMC添加量0.30%，海藻酸鈉添加量0.10%。

山藥葡萄復合飲料；正交試驗；響應面優化法；感官評價

0 引言

山藥即薯蕷，是多年生草本植物。作為藥食同源農產品，山藥不僅含有蛋白質、淀粉、維生素、皂苷、膽堿等多種營養成分[1-2]，而且性平味甘，能健脾止瀉、補脾養胃、補腎澀精[3]，具有增強免疫、調整腸胃、降血糖、抗衰老、降脂[2，4]、抗腫瘤、抗氧化等作用[5]。

葡萄屬落葉藤本植物，多為圓球形或橢圓球形漿果，色澤隨品種而異。葡萄是一種有益人體健康的水果，具有補虛健胃功效。成熟的葡萄漿果中不但含有葡萄糖、蛋白質，還含有多種微量元素，如VA，VB1，VB2，VC及鉀、磷、鐵等[6]。葡萄中含有的多酚類物質可以阻止細胞受氧化傷害，具有抗衰老、降低心血管疾病發病率及預防癌癥的功效[7]。

飲料是人們常需的食品之一，色澤自然、風味清爽、口感順滑、形態均勻的健康飲品將擁有較廣闊的市場前景。山藥葡萄復合飲料集營養、保健于一體，其制作工藝技術符合當前食品工業發展的新潮流，同時能為山藥、葡萄的深加工開辟新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料

新鮮山藥，產自河南焦作；新鮮葡萄，產自遼寧營口。

1.2 試劑

檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸、食鹽、白砂糖、海藻酸鈉、黃原膠、酸性CMC，均為市售食品級。

1.3 主要儀器

CP114型電子天平，上海奧豪斯儀器有限公司產品；3NH-NR20XE型精密色差儀，深圳三恩馳科技有限公司產品；JYL-G12型九陽多功能榨汁機，九陽股份有限公司產品；JTM60DCB型膠體磨，沈陽市香洋機械廠產品；TG16G型臺式高速離心機，長沙英泰儀器有限公司產品。

1.4 工藝流程

①葡萄→選料→清洗→去籽→打漿→膠體磨研磨→離心→葡萄原漿；

②山藥→選料→清洗→去皮→切片→護色→預煮→打漿→膠體磨研磨→離心→山藥原漿；

①+②→混合→調配→灌裝→滅菌→冷卻→成品。

1.5 操作要點

（1）山藥原漿的制備。山藥清洗、去皮、切片后，置于預先配好的護色劑中浸泡45 min，然后將其放入90~95℃熱水中用電磁爐預煮5 min。將預煮過的山藥冷卻后按質量比1∶6與水混合，并用打漿機打漿。漿液過膠體磨研磨5次，隨后于常溫下以轉速5 000 r/min離心30 min，上清液即為山藥原漿。

（2）葡萄原漿的制備。葡萄清洗后去籽，用打漿機打漿后將葡萄漿倒入容器中，在室溫條件下過膠體磨10次，之后在室溫下以轉速5 000 r/min離心30 min，取其上清液，即得葡萄原漿。

（3）調配。將山藥原漿、葡萄原漿按一定比例混合，取混合汁于容器中，將一定比例的白砂糖、檸檬酸和最佳配比的酸性CMC、黃原膠、海藻酸鈉混合，待攪拌均勻后加入容器中，將混合汁加熱到50℃，緩慢攪拌后過膠體磨研磨5次。

（4） 脫氣、滅菌。于70~75℃下脫氣10 min，85~90℃下滅菌15 min并冷卻至室溫。經7 d儲存試驗，經檢查無染菌、分層和脹蓋等現象，即制得山藥葡萄復合飲料成品。

1.6 試驗方法

1.6.1 原料與水的配比選擇

采用單因素試驗方法，根據感官評分標準，比較不同加水量對山藥原漿的影響，并選擇最適添加量。

山藥原漿的感官評分標準見表1。

1.6.2 飲料配方的優化

（1）單因素試驗。考察白砂糖添加量（3%，4%，5%，6%，7%）、山藥汁與葡萄汁配比（1∶3，2∶3，3∶3，4∶3，5∶3）、檸檬酸添加量（0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%）單因素對復合飲料感官綜合評分的影響，確定復合飲料生產的基本配方。

（2） 響應面優化復合飲料的配方工藝。根據Design Expert 7.0軟件中的Box-Behnken試驗設計原理，在單因素試驗基礎上，選取白砂糖添加量、山藥汁與葡萄汁配比、檸檬酸添加量分別為因素X1，X2，X3，進行三因素三水平響應面分析試驗，以感官評分為Y值，進一步優化正交試驗所得到的最佳配方，并進行各因素間交互作用分析。

響應面分析因素與水平設計見表2。

表1 山藥原漿的感官評分標準

表2 響應面分析因素與水平設計

1.6.3 穩定劑的選擇

根據前期研究基礎[8]，選取3種穩定劑，即酸性CMC、黃原膠、海藻酸鈉，采用正交試驗的方法進行復合飲料的穩定性研究，以確定復合穩定劑添加量。

各種穩定劑添加量水平取值見表3。

表3 各種穩定劑添加量水平取值/%

1.7 成品品質評價

1.7.1 感官評價

采用感官評價方法進行評定，感官評價小組由10名具有一定感官評價經驗的人員組成，感官評定參照GB/T 31121—2014果蔬汁類及飲料中的感官要求，以10人評分的平均值作為評價結果。

復合飲料的感官綜合評價標準見表4。

1.7.2 穩定效果的評價方法

穩定效果用沉淀率來衡量。沉淀率的測定：取10 g樣品，在室溫條件下以轉速3 000 r/min離心10 min，稱取上清液的質量。

表4 復合飲料的感官綜合評價標準

1.7.3 理化指標測定方法

理化指標測定：可溶性固形物（20℃折光計法），按GB/T 12143—2008規定執行；蛋白質測定，按GB/T 5009.5—2010規定執行；總糖測定，按GB/T 5009.8—2008規定執行；總酸測定（以檸檬酸換算），按GB/T 12456—2008規定執行。

1.7.4 衛生指標檢測

菌落總數、大腸桿菌、致病菌的檢測，參照GB 4789.21—2003食品衛生微生物學檢驗：冷凍食品、飲料檢驗。

2 結果與分析

2.1 原料與水的比例選擇

單因素試驗中，選擇10人進行品鑒，按照感官評分標準打分。山藥與水配比（g∶g） 為1∶5和1∶6時最佳，漿料濃度適宜，組織狀態均勻，有山藥的清香味，色澤鮮亮。考慮到原料成本，選擇1∶6。

原料與水配比對產品品質的影響見表5。

表5 原料與水配比對產品品質的影響

2.2 山藥葡萄復合飲料配方的優化

2.2.1 單因素試驗

（1）白砂糖添加量的確定。在山藥汁與葡萄汁配比為2∶3（g∶g），檸檬酸添加量0.2%的條件下，隨著白砂糖添加量的增加，感官評分呈現先增大后減小的趨勢。

白砂糖添加量對山藥葡萄復合飲料感官評分的影響見圖1。

當白砂糖添加量為5%時，感官評分最高。繼續添加白砂糖時，會較明顯感覺到復合飲料過于甜膩，因此感官評分明顯降低。

圖1 白砂糖添加量對山藥葡萄復合飲料感官評分的影響

（2）山藥汁與葡萄汁配比的確定。在白砂糖添加量5%，檸檬酸添加量0.2%的條件下，隨著山藥汁與葡萄汁配比的增加，感官評分呈現出先增大后減小的趨勢。

山藥汁與葡萄汁配比對感官評分的影響見圖2。

圖2 山藥汁與葡萄汁配比對感官評分的影響

當山藥汁與葡萄汁配比為2∶3時，感官評分最高。山藥汁與葡萄汁配比過小，感覺不到山藥的風味；而山藥汁與葡萄汁配比超過2∶3時，葡萄的風味過淡。

（3）檸檬酸添加量的確定。

檸檬酸添加量對感官評分的影響見圖3。

圖3 檸檬酸添加量對感官評分的影響

由圖3可知，在山藥汁與葡萄汁配比為2∶3，白砂糖添加量5%的條件下，檸檬酸的最佳添加量為0.2%。當檸檬酸添加量高于0.2%后，會明顯感覺到復合飲料偏酸而不易被接受，從而導致山藥葡萄復合飲料的感官評分降低。

2.2.2 響應面分析方案設計

對白砂糖添加量、山藥汁與葡萄汁配比（g∶g）、檸檬酸添加量3個影響復合飲料配方因素采用響應面優化法進行優化，以5.00%，0.67，0.20%為中心，選取白砂糖添加量的3個水平分別為4.00%，5.00%，6.00%；山藥汁與葡萄汁配比分別為1∶3，2∶3，3∶3；檸檬酸添加量分別為0.10%，0.20%，0.30%，建立三因素三水平中心組合，試驗設計包括17個試驗方案，5個中心試驗點，用以計算試驗誤差。

響應面分析方案見表6。

表6 響應面分析方案

2.2.3 響應面試驗結果分析

采用Design Expert 7.0統計軟件對所得數據進行回歸分析，對各因素回歸擬合后，得到回歸方程：

結果表明，“Prob>F”值<0.001，模型呈顯著性（p<0.05）；失擬項值等于0.194 0，失擬項不顯著（p>0.05）；線性相關系數R2=0.996 3，表明回歸方程擬合度較好。說明該模型與實際擬合良好，可以用此模型進行分析預測。

p值用來檢驗影響因素的重要性，其值也能暗示各影響因素之間的相互作用[10]。p值越小，說明這個影響因素越重要[11]。所以，白砂糖添加量（X1）、山藥汁與葡萄汁配比（X2）、檸檬酸添加量（X3）、白砂糖添加量與檸檬酸添加量交互相（X1X3）、白砂糖添加量二次項（X12）、山藥汁與葡萄汁配比值二次項（X22）、檸檬酸添加量二次項（X32）對感官評分都有顯著的影響，而其他因素的影響較小。由F值檢驗貢獻率，得到各響應因素對響應值顯著性的排序為X3>X1>X2。

方差分析見表7。

2.2.4 響應面因素交互作用分析

為綜合考察交互項對感官評分的影響，固定其中1個因素，選擇任意2個因素觀察其對感官評分的影響。利用Design Expert 8.05軟件對表3的數據進行回歸擬合得到回歸方程的3D響應面圖和2D等高線圖[12]。

Y=f（X1，X2）等值線和響應面見圖4，Y=f（X1，X3）等值線和響應面見圖5，Y=f（X2，X3）等值線和響應面見圖6。

表7 方差分析

圖4 Y=f（X1，X2）等值線和響應面

通過比較3組圖可知，白砂糖添加量（X1）與檸檬酸添加量（X3）的交互作用對感官評分影響顯著，其他因素之間的交互作用對感官評分的影響不顯著。由圖5可以看出，感官評分隨著白砂糖添加量增加呈先上升后下降的趨勢，隨檸檬酸添加量增加先上升后趨于平緩。

由Design Expert 7.0軟件分析得到山藥葡萄復合飲料的感官品質最佳配方為白砂糖添加量5.17%，山藥汁與葡萄汁的配比值0.59，檸檬酸添加量0.16%，理論上預測山藥葡萄復合飲料感官評分為92.4分。對優化的最佳配方進行試驗驗證，進行3次平行試驗，得出感官評分的平均值為92.1±1.58分，與預測值差異不顯著，說明實際試驗值與軟件預測值吻合良好，在實際應用中具有可操作性[13]。

圖5 Y=f（X1，X3）等值線和響應面

圖6 Y=f（X2，X3）等值線和響應面

2.3 穩定劑的選擇

正交試驗中，采用復合穩定劑對山藥葡萄復合飲料的穩定性進行研究，穩定劑的穩定效果以沉淀率來衡量。

穩定劑的選擇見表8。

根據對表8結果的直觀分析，各因素的最優水平組合為A2B3C2，即黃原膠添加量0.15%，CMC添加量0.30%，海藻酸鈉添加量0.10%。由表8的極差（R）可知，黃原膠（A），CMC（B），海藻酸鈉（C）3個影響復合飲料穩定狀況因素的主次順序為A>B>C，即黃原膠>CMC>海藻酸鈉，且均為主要影響因素。

表8 穩定劑的選擇

2.4 山藥葡萄復合飲料品質指標

2.4.1 感官指標

山藥葡萄復合飲料的品質指數：①色澤。山藥葡萄復合飲料為淡紫色，色澤均一；②風味。具有山藥與葡萄相協調的風味，酸甜適宜，口感柔和清爽；③組織形態。質地均勻，無明顯沉淀。

2.4.2 理化指標

可溶性固形物含量為11%，蛋白質含量為0.015%，總糖含量為10.5%，總酸含量為0.3%，pH值為3.5。

2.4.3 衛生指標

細菌菌落總數≤100 CFU/mL；大腸菌群≤3 MPN/100 mL；致病菌未檢出。

3 結論

以新鮮山藥和葡萄為主要原料制備山藥葡萄復合飲料，通過單因素試驗、正交試驗及響應面優化法確定復合飲料的最佳工藝，山藥葡萄復合飲料的最佳配方為白砂糖添加量5.17%，檸檬酸添加量0.16%，山藥汁與葡萄汁配比值0.59；復合穩定劑的最佳配方為0.15%黃原膠+0.30%CMC+0.10%海藻酸鈉，復合穩定劑添加量0.55%。復合飲料經70~75℃脫氣10 min，灌裝后于85~90℃條件下滅菌15 min，冷卻至室溫，經5~7 d儲存試驗，檢查無染菌、分層、脹蓋現象，即為山藥葡萄復合飲料成品。采用以上配方及生產工藝生產出具有較好風味和品質的山藥葡萄復合飲料，符合現代人的飲食需求，增加飲料品種多樣性的同時，也為現代人健康飲食提供了更多選擇。

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Optimization of Technology of Yam and Grape Compound Beverage by Response Surface Methodology

LIU Yangeng1，GAO Qi2，LI Yujia1，GENG Yi1，YE Tong1，DANG Meng1，*XUE Youlin1
（1.Light Industry College，Liaoning University，Shenyang，Liaoning 110036，China；2.Liaoning Vocational College of Basiness，Shenyang，Liaoning 110161，China）

In this work，yam and grapes are used as the main materials to produce a new kind of compound beverage.In an attempt to reach a better sensory quality，we carry out a lot of studies.Firstly，the optimum of grinding process is achieved by adding 1/6 weight of water for yam using single-factor tests.Then，the formula of the compound beverage is optimized by the Box-Behnken response surface methodology（RSM）.The optimum formula of the compound beverage is to mix yam juice and grape juice in the weight ratio of 0.59 with the addition of 5.17%sucrose and 0.16%citric acid and the sensory score under the optimal conditions is 92.10.Finally，the optimum composite stabilizer is a mixture of 0.15%xanthan gum，0.30%CMC and 0.10%sodium alginate determined by the orthogonal experiment.

yam and grape compound beverage；orthogonal test；response surface optimization method；sensory evaluation

TS275.4

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.02.028

1671-9646（2017）02b-0001-05

2017-01-09

國家自然科學基金青年項目（31201285）；教育部留學回國人員科研啟動基金（2013693）；遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014009）；遼寧大學大學生創新創業訓練計劃項目（X201610140202，X201610140218，X201610140221，X201610140222）。

劉硯耕（1994— ），男，本科，研究方向為農產品加工。

*通訊作者：薛友林（1980— ），男，博士，副教授，研究方向為農產品加工及食物營養。