應用響應面法優化無糖番茄鮮汁配方

代文婷 ，吳宏 *，賈文婷 ，楊慧 ，吳洪斌 ，馬自強

1. 新疆農墾科學院農產品加工研究所（石河子 832000）；2. 新疆農墾科學院農產品加工重點實驗室（石河子 832000）；3. 新疆冠農果茸集團股份有限公司技術中心（庫爾勒 841000）

番茄營養豐富，食用番茄或番茄制品可以降低罹患心血管疾病和多種癌癥風險[1-3]。番茄汁飲料作為一種番茄制品不僅具有獨特顏色和適口的酸味，還有豐富維生素A、維生素C、番茄紅素和多種氨基酸，能夠提高機體免疫力、延緩衰老、護膚美容等[4]。番茄汁相關產品有番茄果醋[5]、復合番茄果蔬汁[6]、番茄發酵乳飲料[7]等。隨著生活水平和健康意識提高，對番茄汁飲料的口感、營養價值、保健功能等方面有更多追求，無糖番茄汁飲料成為研究熱點之一。

天然甜味劑因其高甜度、低熱量及多種功能活性和藥理活性，越來越多地應用于飲料加工中，國內外應用在飲料中的天然甜味劑有木糖醇、羅漢果甜苷、甜菊糖、三氯蔗糖、甘草甜素、甜茶素等[8]。木糖醇口感清涼，甜度是蔗糖的1.2倍左右，熱量只有蔗糖的60%，有防齲齒、防腐、保肝護肝等功能[9-10]；羅漢果甜苷甜度約為蔗糖300倍，具有抗炎癥、化痰、止咳等功效[11-13]；甜菊糖口味非常接近蔗糖，后味苦澀，其甜度是蔗糖200～350倍，熱值僅蔗糖的1/300，具有改善腸道健康、降血壓、調節血糖、抗腫瘤等功能[14-17]。傳統飲料使用的甜味劑主要是蔗糖，研究證實[18-19]，蔗糖雖然味道甘美醇厚，但能量高，易引發肥胖、高血糖、心血管疾病等風險，還會影響胰島素水平，糖尿病患者不能食用，故在飲料行業中采用新型高甜、低熱值的天然甜味劑尤為必要。

將木糖醇、羅漢果甜苷、甜菊糖等天然甜味劑復合應用在番茄汁飲料中鮮見報道。試驗采用木糖醇、羅漢果甜苷、甜菊糖3種天然甜味劑，研制出一款既能滿足追求健康人群、愛美人士，又能滿足肥胖和糖尿病患者需求的新型無糖番茄鮮汁，通過響應面分析法，得到無糖番茄鮮汁最佳配方，以期為無糖番茄鮮汁的工業化生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

加工番茄鮮汁（新疆冠農果茸股份有限公司）；木糖醇（市售）；羅漢果甜苷、甜菊糖（桂林萊茵生物科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設備

CH 2176 J電磁爐（廣東格蘭仕生活電器制造有限公司）；YH-A 2003電子天平（五鑫衡器有限公司）；FA 1104 N型電子天平（上海民橋精密科學儀器有限公司）；TU-1901紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；HSU-20手持式折光儀（上海精密儀器儀表有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

以新疆冠農果茸股份有限公司生產的加工番茄鮮汁為原汁，按單因素和響應面試驗配方，添加木糖醇、羅漢果甜苷和甜菊糖進行調配，充分攪拌，熱力脫氣后，將飲料灌裝至玻璃瓶中，封蓋，放入95～100℃熱水中，殺菌30 min后，分段冷卻至室溫。

1.3.2 感官品評

請10名專業人員（5男5女）組成評價小組，分別從色澤、氣味、滋味三方面評分，為提高評定可信度，要求感官評定人員身體健康、無任何感覺方面的缺陷，在評定前1 h不喝酒，不吸煙，不吃辛辣等刺激性食物，評定過程中禁止相互討論，評定一個樣品后，需以清水漱口并間隔10 min評定下一個樣品[20]。評分標準見表1。

表1 感官評分標準

1.3.3 單因素試驗

1.3.3.1 木糖醇添加量對無糖番茄鮮汁感官評分的影響以番茄鮮汁為基質，在羅漢果甜苷添加量0.002%、甜菊糖添加量0.002%條件下，考察木糖醇添加量（0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%）對無糖番茄鮮汁感官評分的影響。

1.3.3.2 羅漢果甜苷添加量對無糖番茄鮮汁感官評分的影響

以番茄鮮汁為基質，在木糖醇添加量0.8%，甜菊糖添加量0.002%條件下，考察羅漢果甜苷添加量（0.002%，0.004%，0.006%，0.008%和0.010%）對無糖番茄鮮汁感官評分的影響。

1.3.3.3 甜菊糖添加量對無糖番茄鮮汁感官評分的影響

以番茄鮮汁為基質，在木糖醇添加量0.8%，羅漢果甜苷添加量0.002%條件下，考察甜菊糖添加量（0.001%，0.0015%，0.002%，0.0025%和0.003%）對無糖番茄鮮汁感官評分的影響。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，以木糖醇添加量（A）、羅漢果甜苷添加量（B）、甜菊糖添加量（C）3個因素為自變量，感官評分為響應值（Y），采用Design-Expert V 8.0.6.1軟件設計三因素三水平響應面分析試驗，其因素與水平見表2。

表2 因素水平編碼表

1.4 理化指標及微生物指標檢測

可溶性固形物參考GB/T 12143—2008的規定檢驗；番茄紅素參考GB/T 14215—2008的規定檢驗；菌落總數參考GB 4789.2—2016的規定檢驗；大腸菌群參考GB 4789.3—2016的規定檢驗；致病菌：沙門氏菌、志賀氏菌、金黃色葡萄球菌分別按GB/T 4789.4—2016、GB/T 4789.5—2016、GB/T 4789.10—2016的規定檢驗。

1.5 數據分析

采用SPASS 20.0和Design-Expert V 8.0.6.1軟件進行統計分析，結果用“平均值±標準差”表示；采用Origin 7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

由圖1可知，木糖醇添加量對無糖番茄鮮汁的感官評分有顯著性影響（p＜0.05），隨著木糖醇添加量增加，感官評分呈先增大后減小趨勢，木糖醇添加量1%時，感官評分達到最高值82.67±0.58分。木糖醇添加量過少，無糖番茄鮮汁的口感寡淡，且酸味較為明顯，木糖醇添加量超過1%，產品的口感過于甜膩，因此，選擇木糖醇添加量1.0%為宜。

羅漢果甜苷添加量對無糖番茄鮮汁的感官評分影響顯著（p＜0.05），隨著羅漢果甜苷添加量增加，感官評分先增大后降低，羅漢果甜苷添加量0.004%時，感官評分達到最高值84.33±0.58分。羅漢果甜苷添加量過少，無糖番茄鮮汁的口感單調，羅漢果甜苷添加量超過0.004%時，產品呈現出不和諧的甜膩感，因此，選擇羅漢果甜苷添加量0.004%。

甜菊糖添加量對無糖番茄鮮汁的感官評分也有顯著性影響（p＜0.05），感官評分隨著甜菊糖添加量增加呈先增大后減小趨勢，甜菊糖添加量0.002%時，感官評分達到最高值75.5±0.5分。甜菊糖添加量過少，無糖番茄鮮汁的口感單調寡淡，而甜菊糖添加量超過0.002%時，口感會過于甜膩，后味苦澀，影響無糖番茄鮮汁的整體風味，這與湯瑾等[21]對甜菊糖在楊梅汁飲料中研究結果較相似。故選擇甜菊糖添加量0.002%為宜。

圖1 單因素試驗結果

2.2 響應面試驗結果

響應面法優化無糖番茄鮮汁的試驗結果見表3。

表3 響應面試驗設計及結果

2.2.1 回歸方程的建立和顯著性分析

以感官評分（Y）為響應值對表3的試驗結果進行多元回歸擬合，得到感官評分（Y）對木糖醇添加量（A）、羅漢果甜苷添加量（B）、甜菊糖添加量（C）的二次多項回歸模型。

對該回歸模型進行方差分析，結果見表4。

由表4可知，模型p＜0.000 1，響應回歸模型達到了極顯著的水平，其中，失擬項p=0.069 9＞0.05，不顯著，說明模型擬合程度良好。模型校正系數R2=0.994 5，模型修正系數R2adj=0.987 4，說明響應值與因素之間建立的響應值可靠，也較好地反映木糖醇添加量、羅漢果甜苷添加量與甜菊糖添加量之間關系，可用于理論預測。

回歸系數顯著性的檢驗可以表明，A、B、C與二次項A2、B2、C2對產品感官評分有極顯著的影響，交互項AC和BC對產品感官評分有極顯著影響。由表4中F值的大小可以判斷各因素對無糖番茄鮮汁感官評分影響的強弱，F值越大，對感官評分影響作用越強[22]，3個因素對感官評分的影響大小為C＞B＞A，即甜菊糖添加量＞羅漢果甜苷添加量＞木糖醇添加量。

表4 感官評分回歸方程方差分析

2.2.2 響應曲面分析

圖2直觀地反映了各因素對響應值Y的影響。

由圖2可知，響應面的圖形基本都是凸起、開口朝下的曲面，由此得出感官評分值存在極值，該值為響應面的最高點，而且各個因素的最佳作用點都在試驗設計的范圍之內。采用降維分析法[23]可知，圖2（b）為木糖醇添加量與甜菊糖添加量之間交互作用。固定羅漢果甜苷添加量零水平情況下，木糖醇添加量較低時，隨著甜菊糖添加量增加，無糖番茄鮮汁的感官評分迅速上升后降低趨勢，升高幅度明顯，木糖醇添加量較高時，隨著甜菊糖添加量增加，產品的感官評分也是迅速上升后明顯降低趨勢，幅度明顯；甜菊糖添加量較低時，隨著木糖醇添加量增加，無糖番茄鮮汁的感官評分迅速上升，甜菊糖添加量處于中等和較高水平時，隨著木糖醇添加量增加，產品的感官評分先上升后平緩降低趨勢。木糖醇添加量與甜菊糖添加量之間交互作用極顯著。圖2（c）為羅漢果甜苷添加量與甜菊糖添加量之間交互作用，固定木糖醇添加量為零水平情況下，羅漢果甜苷添加量較低時，無糖番茄鮮汁的感官評分隨甜菊糖添加量增加呈先上升后降低趨勢，上升趨勢明顯，羅漢果甜苷添加量較高時，隨著甜菊糖添加量增加，飲料的感官評分也是迅速上升后降低趨勢，升高幅度明顯；甜菊糖添加量較低時，無糖番茄鮮汁感官評分隨羅漢果甜苷添加量增加呈上升后平緩降低趨勢，甜菊糖添加量較高時，產品的感官評分依舊隨羅漢果甜苷添加量增加呈上升后平緩降低趨勢。羅漢果甜苷添加量與甜菊糖添加量之間交互作用極顯著。

圖2 各因素交互作用對番茄汁感官評分的響應面圖

2.2.3 驗證試驗

運用Design-Expert V 8.0.6.1軟件對數據進行分析優化，獲得無糖番茄鮮汁的理論最優配方為：木糖醇添加量1.04%，羅漢果甜苷添加量0.004%，甜菊糖添加量0.001 8%，無糖番茄鮮汁的感官評分預測值為96.25分。為驗證模型預測的準確性及可行性，又便于實際操作，選取木糖醇添加量1%、羅漢果甜苷添加量0.004%、甜菊糖添加量0.002%，重復進行3次試驗，獲得無糖番茄鮮汁的感官評分值為96.33±0.29分，與預測值較接近，相對誤差約0.08%，說明該模型下參數可靠，具有實用價值。

2.3 理化及微生物指標測定結果

參考傅鋒[24]、鄭永杰等[25]研究，按照國標方法測定最優工藝配方下所制無糖番茄鮮汁的理化及微生物指標，測定結果如表5所示。無糖番茄鮮汁的可溶性固形物含量5.6%、番茄紅素含量6.29 mg/100 g；菌落總數、大腸菌群及致病菌檢測結果均符合農業行業標準[26]。果蔬汁在加工過程中會出現變味、敗壞等質量問題，因此，需要嚴格把控加工環境、衛生條件、包裝等因素，避免此類現象發生，進而提高產品品質。

表5 理化指標及微生物指標

3 結論

響應面分析法是通過研究分析幾種試驗因素間交互作用的一種回歸分析方法，不但得出回歸方程試驗次數少、精度高、周期短，而且由圖形可對最優試驗考察因素值進行直觀地分析[27]。通過單因素試驗結合響應面試驗設計，獲得無糖番茄鮮汁的最佳配方為：木糖醇添加量1%，羅漢果甜苷添加量0.004%，甜菊糖添加量0.002%。在此條件下，測得無糖番茄鮮汁的感官評分值為96.33±0.29分，與預測值非常接近，具有一定實際指導意義。在此工藝配方下的無糖番茄鮮汁色澤均勻、飽滿，口感清爽、酸甜可口，可溶性固形物含量約5.6%、番茄紅素含量6.29 mg/100 g，菌落總數、大腸菌群及致病菌的檢測結果也均符合農業行業標準。該產品既含有番茄汁的有效成分，又包含木糖醇、羅漢果甜苷和甜菊糖功能成分，為消費者提供一種健康營養的無糖番茄鮮汁飲料，市場潛力巨大。殺菌方式對番茄汁營養、感官品質和貨架期等方面有重要影響，而傳統熱殺菌技術對番茄汁營養、生物活性、風味成分等方面存在負面影響，關于采用新型殺菌技術[28-29]，如超高壓殺菌、脈沖電場殺菌、輻照殺菌等技術對無糖番茄汁品質與貨架期的影響有待進一步研究。