基于響應面法和模糊數學評價的紅薯飲料生產工藝優化

劉雪飛,賀 磊,宋俊偉,楊松濤,鄭 良,*

(1.西南交通大學生命科學與工程學院,四川成都 610031;2.四川省農業科學院作物所,四川成都 610066)

紅薯(Sweet Potato)又名甘薯、番薯、地瓜、紅苕等,品種繁多,常見的為多年生雙子葉旋花科植物,高產穩定,價格低廉,是我國重要的糧食、飼料和工業原料作物。此外,由于紅薯富含淀粉、膳食纖維、蛋白質、胡蘿卜素、VA、VC及鉀、鐵、銅、硒、鈣等多種微量元素,又多次被世界衛生組織評為最佳蔬菜[1,2]。其薯肉不僅含糖量高,口感甘甜,且具有獨特的香氣,非常適宜作為果蔬飲料的主要原料。此外還有大量研究報道指出,紅薯內含有調節人體生理活性的營養物質,如去氫表雄酮(Dehydroepiandrosterone,DHEA)、黏液蛋白、黃酮、綠原酸等[3]。現已證實紅薯具有抗氧化活性[4]、保肝性[5]、抗癌性[6]、抗炎性[7]。因此，如能將紅薯薯肉作為主要原料,加工成口感易接受,營養豐富,貨架期長的果蔬飲料,則可大大擴展其加工應用領域,為其深加工開辟新的市場。然而，紅薯作為主要成分的果蔬飲料，在開發過程中會存在多酚氧化酶導致的褐變、果肉沉降老化導致的分層、蒸煮加工導致的口感變差等技術難題。

本文針對紅薯飲料中的變色、分層、口感不佳等問題，進行了一系列改進,開發了一款口感良好,色澤光亮、穩定性較好,且工藝簡單,成本低廉的紅薯飲料,以改變目前紅薯飲料在飲料市場幾乎絕跡的現狀。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅皮紅心紅薯 川薯228;鮮榨蘋果汁 購自成都林灣村市場;檸檬酸、氯化鈉、抗壞血酸、黃原膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、分子蒸餾單甘酯、蔗糖 鄭州卓研生物科技有限公司;蜂蜜 武漢蜂之巢生物工程有限公司;山梨酸鉀、脫氫乙酸鈉 河南三化生物科技有限公司。

HH-2K2型數顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司;QT-0888W型破壁營養料理機 德國AOJING公司;BSA224S型電子天平 廣州深華-德國賽多利斯集團;721-V5000型可見分光光度計 上海元析儀器有限公司;GR22G型高速低溫離心機 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅薯飲料制作流程 該飲料的制作分為以下三個主要步驟:a. 紅薯薯肉前處理;b. 護色、穩定性處理、風味調配等關鍵步驟;c. 飲料后處理。具體工藝流程為:選料→清洗→去皮→切碎→護色→預煮→破碎→離心→穩定→調配→脫氣→均質→罐裝→殺菌→冷卻

首先去除霉爛變質紅薯,將表面無損的紅薯用清水浸泡洗滌后去皮,薯肉切成約5 mm×5 mm×2 mm小塊,取1 kg薯肉,在1 L護色劑中進行護色處理;處理一定時間后，將薯塊放入95 ℃熱水中,預煮10 min,利用破壁機果蔬檔自動破壁90 s，得到紅薯原漿,在10 ℃條件下離心(5000 r/min)10 min，分別獲取紅薯原汁和紅薯薯肉。通過添加穩定劑對紅薯汁進行穩定性處理,并加入風味調節劑，改善其口感風味,最后對產品進行防腐(山梨酸鉀0.3 g/L,脫氫乙酸鈉0.2 g/L)、滅菌(95～98 ℃,25～30s)等后期處理。

1.2.2 紅薯飲料護色工藝優化

1.2.2.1 紅薯飲料護色單因素實驗設計 飲料護色的主要影響因素包括護色劑種類以及護色時間。本試驗選用3種常用的護色劑:抗壞血酸,檸檬酸和氯化鈉,具體試驗步驟為:分別將30 g塊狀薯肉浸沒于300 mL不同質量濃度的抗壞血酸溶液(0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 g/L),檸檬酸溶液(0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 g/L),和氯化鈉溶液(0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 g/L)組成的護色劑中而后恒溫(95 ℃)加熱10 min,以蒸餾水作為參比液,采用比色法,在430 nm波長下測定紅薯汁吸光度A,以A×10表示褐變度(DB)值[13],每個濃度測量DB值三次,結果取平均值。

1.2.2.2 紅薯飲料護色響應面分析 根據單因素實驗結果，確定響應面實驗各因素及水平,以DB值為考察指標,優化最佳復合護色劑配比。四因素三水平響應面分析實驗的因素與水平表如表1所示。

一是增加x波段多普勒天氣雷達等局地警戒監測設施,加強對小尺度強天氣的識別、發展的監測分析,提高監測預報預警的精準性;二是提高氣象災害監測站網密度,加大在全縣范圍內氣象災害易發區、防御薄弱區、監測空白區等地的監測站點建設,并科學增加原有區域自動氣象站的監測要素;三是落實氣象探測環境保護責任制,加強區域自動氣象站探測環境保護。

表1 護色因素及水平取值表Table 1 Factors and levels graph of color-keeping experiments

1.2.3 紅薯飲料穩定工藝優化 本文采用響應面試驗設計,以離心沉淀高度為優化指標[9],對該飲料的穩定工藝進行了優化。選用羧甲基纖維素鈉、黃原膠、海藻酸鈉、分子蒸餾單甘酯這四種常用的市售穩定劑[14],進行了四因素三水平響應面分析試驗,確定了這四種穩定劑的配比。離心高度計算方法如下:在離心管中加入10 mL紅薯飲料,在10 ℃ 條件下離心10 min(3000 r/min)，而后測量最大離心沉淀高度(cm)。離心沉淀高度越小,說明飲料穩定性越好[14]。穩定工藝試驗因素水平見表2。

表2 穩定因素及水平表Table 2 Factors and levels table of stabilization experiments

1.2.4 飲料風味調節工藝優化 飲料的風味對其受歡迎程度影響巨大,是影響其貨架銷售的一個重要因素。為了盡量客觀準確,本研究采用模糊數學評價法,優化調節飲料的風味。以口感(k1)、滋味(k2)、香氣(k3)和色澤(k4)為感官指標，對該飲料的風味進行了綜合評定[15]。風味配比正交試驗因素水平如表3所示。具體操作如下:取250 mL的紅薯原汁和750 mL純凈水，混合成1 L紅薯飲料,以蜂蜜、蔗糖、蘋果汁為因素,進行L9(33)正交設計試驗。

表3 調味劑配比因素及水平表Table 3 Factors and levels table of flavoring agents

風味(K)是多種感官感受(Ki)的集合,不同感官感受在整個風味評定中所占權重不同[16]。K=(k1,k2,…,ki,…，km),其和為1。本研究使用用戶調查法及二次對比決定法，確定各個不同感官感受在整個風味中所占權重的大小[17-18],隨機挑選5名男性青年志愿者和5位女性青年志愿者(18～24歲)，進行風味評定權重的確定。志愿者們首先對參與評價的感官因素作一對一比較,認為重要的因素得1分,認為次要的因素得0分,自身的比較按照1分記。各項風味評定指標的總得分與總分100的比值即為該項感官指標的權重。紅薯飲料風味權重評定表如表5所示,權重集K={K1,K2,K3}={0.31,0.32,0.22,0.15},其總和為1。

表5 風味權重評定表Table 5 Statistics of flavor weight assessment

確定各指標權重后,志愿者們分別對不同風味飲料的口感、滋味、香氣和色澤進行評定,評定等級分為優秀(V1)、中等(V2)、較差(V3)三個。每次風味評定以1 min為時間間隔,評定每份樣品后以清水漱口。風味評定以志愿者的主觀感受為標準,感官評價分級見表4。

表4 感官評定分級表Table 4 Sensory evaluation standards

10名志愿者對該正交設計中不同試驗組紅薯飲料樣品的口感、滋味、香氣、色澤逐項進行評價,得到各個評價因素的等級,然后統計對應的等級票數,按照各等級(優秀、中等、較差)票數計算每個等級的選擇頻數,從而得到每個風味樣品的口感、滋味、香氣、色澤4個因素的模糊矩陣Aj值。最后,根據模糊矩陣變換原理,得到每個樣品的風味評定R值。

j=1,2,3,…,9為不同風味樣品的編號,i=1,2,3,4為感官感受因素,ri1,ri2,ri3分別為第i個因素評價等級的選擇頻數。

本文以風味評定R值中優秀的比例為正交實驗的評價指標,對其風味進行分析。

2 結果與分析

2.1 護色工藝優化

2.1.1 護色劑單因素實驗結果 分別添加不同濃度檸檬酸、抗壞血酸、氯化鈉時，樣品DB值變化如圖1。由單因素護色劑護色結果可見,檸檬酸濃度在0～6 g·L-1、抗壞血酸濃度在0～3 g·L-1、氯化鈉濃度在0～3 g·L-1時，DB值下降較快,基于實驗結果和果汁營養方面的考慮,可將上述濃度范圍作為護色劑復配實驗的參考水平。

圖1 單因素護色劑護色效果Fig.1 Color-keeping results of single-factor color-keeping reagents

2.1.2 護色響應面試驗結果 該飲料的護色工藝響應面試驗結果如表6所示。方差分析如表7所示,所得回歸方程為:

表6 護色工藝響應面試驗結果Table 6 Response surface methodology of color-keeping experiments

表7 護色工藝響應面方差分析表Table 7 Response surface methodology variance analysis of color-keeping experiments

經分析,在抗壞血酸濃度為1.85 g/L、檸檬酸濃度6.67 g/L、氯化鈉濃度1.98 g/L、護色時間為32.25 min時，得到極值點,此時其響應值為10.2507。按上述最優條件進行三次重復試驗，測定其DB值分別為10.13、10.30、10.25。平均DB值為10.2267。其相對誤差分別為1.18%、0.48%、0%。誤差在可接受范圍,表明該模型較準確。

2.2 穩定工藝響應面結果分析

該飲料的穩定工藝響應面試驗結果如表8所示。方差分析表如表9,所得回歸方程為:

表8 穩定劑配比響應面試驗結果Table 8 Response surface methodology of stabilization experiments

表9 穩定工藝響應面方差分析表Table 9 Response surface methodology variance analysis of stabilization experiments

經分析,在羧甲基纖維素鈉濃度為1.24 g/L、黃原膠濃度0.61 g/L、海藻酸鈉濃度0.87 g/L、分子蒸餾單甘脂為0.76 g/L時，得到極值點,此時其響應值為2.588。

按上述最優條件，進行三次重復試驗，測定其離心沉淀高度分別為2.57、2.45、2.56 cm。平均離心沉淀高度為2.53 cm。其相對誤差分別為0.70%、5.30%、1.10%。誤差在可接受范圍,表明該模型較準確。

2.3 風味優化結果

由表5可以看出,滋味對該飲料的風味影響最大,其次為口感和香氣,影響最小的為色澤。表10為10位志愿者對9組不同風味的紅薯飲料進行感官分析，得到的風味評定所對應的等級選擇頻數。

通過表10中10位志愿者等級選擇頻數統計,可得到各組不同風味紅薯飲料的模糊矩陣Aj。而后，利用模糊矩陣變換原理，計算得到各組組飲料的綜合感官評定R值,9組不同風味紅薯飲料的風味評價正交試驗結果表,如表11所示。從表11可以看出,各個風味調節劑對飲料口感影響由大到小依次為:C>A>B,即:蘋果汁>蔗糖>蜂蜜,并得到最佳風味調節配方為:A2B1C3,即:當蔗糖添加量為40 g/L,蜂蜜添加量為20 g/L,蘋果汁添加量6 g/L時,該飲料口感受到大多數試飲者的歡迎。由表12可知,蔗糖、蜂蜜、蘋果汁對感官評分中優秀占比都沒有顯著影響。在正交實驗得出的最佳組合條件下,再次進行感官評分,并做3組平行。實驗結果如表13所示,實驗表明:蔗糖添加量為40 g/L,蜂蜜添加量為20 g/L,蘋果汁添加量為6 g/L時,感官評分中優秀占比分別為61.4%、58.5%、61.2%，平均值為60.4%。

表10 風味評定等級選擇頻數表Table 10 Statistics of sensory grade frequency

表11 調味劑正交試驗結果Table 11 Orthogonal test result of the flavoring agent

表12 正交試驗數據方差分析表Table 12 Variance analysis of Orthogonal data

表13 風味評定正交實驗驗證表Table 13 Orthogonal experiment verification of flavor evaluation

3 結論

采用響應面分析試驗和模糊數學評價,本文對以紅薯薯肉為主要原料的紅薯飲料的護色工藝、穩定性處理、風味調配進行了較為細致的研究,得到一款新型功能性紅薯飲料,其主要工藝及相關配方如下:(1)護色劑的配比為:1.85 g/L抗壞血酸,6.67 g/L檸檬酸,1.98 g/L氯化鈉,護色工藝為25 ℃,浸泡32.25 min,在此條件下得到的DB值為10.23;(2)穩定劑的配比為:1.24 g/L羧甲基纖維素鈉,0.61 g/L黃原膠,0.87 g/L海藻酸鈉,0.76 g/L分子蒸餾單甘脂,在此條件下離心沉淀高度為2.53 cm;(3)風味劑的配比為:40 g/L蔗糖,20 g/L蜂蜜,6 g/L蘋果汁,在此條件下得到的優秀率為60.4%。

該飲料以紅薯薯肉為主要原料，廉價易得，整個制作過程操作簡單，且其飲料成品色澤飽滿，穩定性好，久置不分層，風味良好，易于接受。該研究證實，紅薯可作為果蔬飲料的加工原料，且具有良好的市場前景，本研究可為紅薯的深加工提供一定的理論基礎。