Box-Behnken試驗設計優化龍香芋飲料生產工藝

李志方，施帥，陳席，陳桃桃，樓羽莎，徐海祥

(江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州， 225300)

龍香芋是江蘇興化特有的芋頭品種，興化地處里下河地區，水網縱橫，土壤特別適合龍香芋的生長。王瑜等[1]研究表明，芋頭多糖對羥自由基有很強的清除作用，對氧自由基有一定的清除作用，可減少甚至避免強氧化劑對有機體的損傷，從而起到延緩衰老，防止大腦老化等多方面的功效，達到抗衰老的目的。姜紹通等[2]通過水提醇沉的方法制得芋頭多糖，可促進小鼠脾淋巴細胞的增殖，顯著提高小鼠巨噬細胞的吞噬能力。芋頭中除含有淀粉，還富含蛋白質、膳食纖維、果膠和芋頭多糖，芋頭多糖對人體內的羥自由基具有很強的清除作用。國內外對以香芋為主要原料生產飲料的研究并不多見，因香芋極易褐變，曹晟等[3]將芋頭破碎后在80 ℃條件下糊化10 min生產芋頭清汁飲料，余振宇[4]用先將芋頭蒸熟后再去皮打漿的方法生產芋頭濁汁飲料，目的是防止芋頭褐變，一般香芋飲料的生產大多采用香芋粉調配或香芋蒸熟后打漿的方法，香芋粉生產時通常采用熱風干燥，但香芋蒸熟會引起風味物質揮發，這2種生產工藝對香芋中風味物質的損失均較大，所以香芋飲料通常都是通過后期添加香精來產生香芋風味；因香芋粉很難溶解，即使經過均質后仍然易產生沉淀，因此解決香芋飲料中淀粉、蛋白質和纖維等組成的膠體體系沉淀問題和貯藏中穩定性問題仍是加工的關鍵。周志英[5]將去皮香芋用0.1%檸檬酸溶液護色再用沸水熱燙5 min以鈍化酶防止香芋褐變，接著糊化 60 min的方法榨汁生產香芋飲料，但是風味物質的損耗較大。本文以興化龍香芋為主要原料，針對龍香芋飲料易沉淀和風味損失等問題，研究采用生榨技術及物理方法護色生產龍香芋飲料的工藝參數，同時添加親水性膠體和乳化劑，利用乳化劑和淀粉絡合形成淀粉-脂質復合物，旨在減緩體系中懸浮顆粒的沉降速度，并利用Box-Behnken響應面法對飲料生產工藝及參數進行優化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮龍香芋，興化農產品批發市場；羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na)、單硬脂酸甘油酯、黃原膠(食品級)，河南萬邦實業有限公司。

1.2 儀器與設備

e320破壁料理機，Vita-Mix Corporation；JM-LB80A膠體磨，杭州惠合機械設備有限公司；GYB30-6S高壓均質機，上海東華高壓均質機廠；AVANTI J-15R高速冷凍離心機，美國貝克曼庫爾特；HWS24型電熱恒溫水浴鍋，濟南啟科儀器設備有限公司；NAR-2T·UH阿貝折光儀，ATAGO(愛拓)中國分公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 生榨香芋飲料的工藝流程

生榨香芋飲料的工藝流程：

1.3.2 生榨香芋汁的制備

香芋去皮、清洗后切成1～2 cm大小的芋塊；立即放入破壁機并加入80 ℃以上的熱水，所加熱水的量為香芋質量的4倍，打成龍香芋汁；打好的香芋汁再經膠體磨處理，當順時針轉動膠體磨調節環感到有少許摩擦時，立即逆時針旋轉調節環15刻度線與指針重合；膠體磨處理后的香芋汁冷卻至50～60 ℃時用高壓均質機進行均質，均質壓力控制在8～20 MPa。

1.3.3 生榨香芋汁中可溶性固形物含量測定

在20 ℃下用阿貝折光儀來測定香芋汁中可溶性固形物的含量。

1.3.4 香芋飲料的制備

1.3.5 生榨香芋汁穩定性評價[8-9]

稱取一定量的樣品置于離心管中，在3 000 r/min的離心速下離心 10 min，并把上清液倒掉，倒置離心管，幾分鐘后把管壁上剩余液體吸掉，精確稱量沉淀質量，并算出離心沉淀率。離心沉淀率計算如公式(1)所示：

(1)

1.4 實驗設計

1.4.1 香芋生榨汁工藝條件確定

榨汁方法和均質操作是制作生榨香芋汁的關鍵步驟，以測定生榨香芋汁中可溶性固形物含量為指標，分別改變所加熱水溫度、均質壓力、均質次數等參數，通過單因素實驗和正交實驗評價各因素對香芋汁中可溶性固形物含量的影響。在固定均質壓力14 MPa、均質2次[10]的條件下制備香芋汁，考察80、85、90、95、100 ℃不同熱水溫度對香芋汁可溶性固形物的影響。固定熱水溫度95 ℃、均質2次的條件下制備香芋汁，考察8、11、14、17、20 MPa不同均質壓力對香芋汁中可溶性固形物的影響。固定熱水溫度95 ℃、均質壓力14 MPa條件下制備香芋汁，考察1、2、3、4次均質處理對香芋汁可溶性固形物的影響。

1.4.2 香芋生榨飲料主要配方參數的優化

預試驗研究結果表明：CMC-Na、單硬脂酸甘油酯和黃原膠用量是影響香芋生榨飲料質量的最重要的幾個因素，以香芋生榨飲料離心沉淀率為指標，經單因素試驗后對CMC-Na、單硬脂酸甘油酯和黃原膠用量的工藝參數采用Box-Behnken 試驗設計進行優化選擇[11-16]，確定香芋生榨飲料配方參數條件。

1.5 感官及理化指標檢測方法

根據GB/T31326—2014《植物飲料》的感官指標、理化指標要求檢測，感官指標經隨機抽取20名有一定品評經驗的食品營養與檢測專業學生對香芋生榨飲料感官品質進行評價；對經試驗確定最優工藝制作的香芋飲料進行理化指標檢測。

1.6 數據處理

利用SPSS軟件處理單因素試驗方差分析數據，工藝優化試驗設計采用Design-Expert軟件處理。

2 結果與分析

2.1 香芋生榨汁工藝條件確定

2.1.1 加水溫度對香芋汁可溶性固形物含量的影響

由圖1可以看出，不同加水溫度對成品可溶性固形物有顯著影響，隨著溫度的增加，香芋汁中可溶性固形物含量呈增加趨勢，當加水溫度高于90 ℃時，香芋汁中可溶性固形物含量增加很小，可能是90 ℃以上的高溫雖然會促進香芋汁中膠體顆粒的擴散系數和碰撞頻率增加，但對可溶性固形物的繼續溶解影響非常小，所以加水溫度以90 ℃為宜，考慮到熱水遇到香芋時溫度會下降，水的溫度選擇95 ℃。

圖1 加水溫度對成品可溶性固形物的影響Fig.1 Effect of water temperature on soluble solids content

2.1.2 均質壓力對香芋汁中可溶性固形物含量的影響

由圖2可以看出，不同均質壓力對香芋汁中可溶性固形物有顯著影響，隨著均質壓力的增加，開始時香芋汁中可溶性固形物含量也顯著增加，當均質壓力達到14 MPa以后，香芋汁中可溶性固形物含量增加很小，從耗能的角度考慮，均質壓力不是越大越好，綜合考慮采用14 MPa比較適宜。

圖2 均質壓力對可溶性固形物含量的影響Fig.2 Effect of homogeneous pressure on soluble solids content

2.1.3 均質次數對香芋汁中可溶性固形物含量的影響

由圖3可以看出，隨著均質次數的增加，香芋汁中可溶性固型物含量開始時也逐漸增加，當均質次數從1次增加到2次時，香芋汁中可溶性固形物含量增加趨勢較明顯，當均質3次、4次時，淀粉繼續溶出的量很少，原因可能是經過2次均質后，顆粒基本被完全破碎，淀粉溶出達到很大程度，再增加均質次數后，香芋汁中可溶性固形物含量提高的效果并不顯著，綜合考慮時間和能耗成本，選擇均質2次。

圖3 均質次數對可溶性固形物含量的影響Fig.3 Effect of homogenization times on soluble solids

2.1.4 香芋最佳生榨工藝的選擇

在單因素實驗的基礎上，熱水溫度、均質壓力及均質次數選取較優工藝參數，以香芋汁中可溶性固形物含量為評價指標，按照L9(34)設計正交試驗，對榨汁工藝進行優化分析，篩選出產品的最佳榨汁工藝。因素水平見表1，正交試驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 The orthogonal test of factors and levels

表2 正交試驗結果Table 2 The orthogonal test of results

由表2可知，各因素對產品中可溶性固形物含量的影響大小依次為A>B>C，即熱水溫度>均質壓力>均質次數，根據正交試驗的結果，最終確定香芋生榨汁的最優生產工藝為A2B2C1，即加水溫度應95 ℃，均質壓力14 MPa，均質2次。經驗證試驗，用此工藝生產的香芋生榨飲料中可溶性固形物含量為2.67%，高于所有試驗組。

2.2 香芋生榨飲料主要配方參數的優化

2.2.1 CMC-Na的添加量對成品離心沉淀率的影響

選取CMC-Na的添加量分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%[17]，在榨汁時添加95 ℃熱水、均質溫度55 ℃、均質壓力14 MPa、均質2次、單硬脂酸甘油酯0.10%、黃原膠0.02%的條件下制備龍香芋飲料，考察CMC-Na的添加量對成品離心沉淀率的影響,結果如圖4所示。

圖4 CMC-Na添加量對成品離心沉淀率的影響Fig.4 Effect of CMC-Na addition on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖4可以看出，不同CMC-Na添加量對成品離心沉淀率影響較顯著，CMC-Na 添加量達到0.12%后，香芋飲料的離心沉淀率的變化趨于平緩，說明在 0.12% 的基礎上繼續增大 CMC-Na 添加量對香芋飲料的穩定性無顯著增強作用(P>0.05)。因此，選用0.12%(質量分數)作為適宜的添加量。

2.2.2 單硬脂酸甘油酯的添加量對成品離心沉淀率的影響

選取單硬脂酸甘油酯的添加量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%，在榨汁時添加95 ℃熱水、均質溫度55 ℃、均質壓力14 MPa、均質2次、CMC-Na 0.12%、 黃原膠0.02%的條件下制備香芋飲料，考察單硬脂酸甘油酯的添加量對成品離心沉淀率的影響。

圖5 單硬脂酸甘油酯的添加量對成品離心沉淀率的影響Fig.5 Effect of monoglyceride content on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖5可以看出，不同單硬脂酸甘油酯添加量對成品離心沉淀率有顯著影響，在單硬脂酸甘油酯添加量為0.10%時，成品離心沉淀率最低，后隨添加量增加，離心沉淀率增大，當乳化劑添加量進一步增加時，超過了乳化劑的臨界膠束濃度，乳化劑分子就會在溶液內部聚集，構成親油基向內、親水基向外的球狀膠束[18]，從而提高了離心沉淀率。因此，選用0.10%(質量分數)作為最佳添加量。

2.2.3 黃原膠的添加量對成品離心沉淀率的影響

選取黃原膠的添加量分別為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%，在榨汁時添加95 ℃熱水、均質溫度55 ℃、均質壓力14 MPa、均質2次、CMC-Na 0.12%、單硬脂酸甘油酯0.10%的條件下制備龍香芋飲料，考察黃原膠的添加量對成品離心沉淀率的影響。

圖6 黃原膠添加量對成品離心沉淀率的影響Fig.6 Effect of xanthan gum addition on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖6可以看出，不同黃原膠添加量對成品離心沉淀率有顯著影響，在黃原膠添加量為0.03%時，成品離心沉淀率最低，可能是在此添加量下，黃原膠具有最佳的流變學特性，使香芋飲料中的顆粒呈懸浮狀態，有較少量的沉淀物[19]。因此，選用0.03%(質量分數)作為最佳添加量。

2.2.4 香芋生榨飲料主要配方參數的響應面分析法優化

以離心沉淀率為指標，根據單因素試驗及其方差分析結果，采用Box-Behnken試驗設計優化其最佳工藝參數，并用Design-Expert軟件對回歸模型進行分析，因素水平如表3所示，響應面設計與結果見表4。

表3 響應面試驗因素水平和編碼Table 3 Factors and levels of response surface analysis

表4 響應面試驗設計與結果Table 4 Results and experimental design of Box-Benhnken

試驗組1～12為析因實驗，13～17為中心試驗。17個試驗點分為析因點和零點，其中析因點為自變量取值在X1、X2、X3所構成的三維頂點；零點為區域的中心點，零點實驗重復5次，以估計實驗誤差。采用RSA Quadratic Model對所得數據進行回歸分析，回歸分析結果見表5。

表5 回歸模型及方差分析Table 5 Anova results of response surface quadratic model

由表5可知，模型F值為26.58，產生誤差的可能性只有0.01%，具有顯著性。“Prob>F”值小于0.010 0表明計算模型是高度顯著的，在試驗中A、C和B2是顯著的模型體系；值大于0.100 0表明模型計算影響不大。如果有很多意義不大的模型計算(不計算那些需要支持系統的數據)，可減少模型數可以改善模型?！笆MF值”為0.10，意味著失擬項相對純誤差不顯著，說明實驗擬合情況好，實驗誤差小，且有99.98%的幾率“失擬F值”會發生，說明失擬項非顯著性良好。

對各因素進行回歸擬合，得到回歸方程：

Y=4.26+0.18A-0.05B-0.23C+0.77A2+1.12B2+0.57C2+0.05AB-0.10AC+0.15BC

為了直觀表示各因素對響應值的影響，并反映最佳優化條件，作出響應面圖，如圖7～圖9所示。

圖7 單硬脂酸甘油酯和CMC-Na的添加量交互影響離心沉淀率的響應面Fig.7 Response surface of the interaction of monoglyceride and CMC-Na on centrifugal sedimentation rate

圖9 黃原膠和單硬脂酸甘油酯的添加量交互影響離心沉淀率的響應面Fig.9 Response surface of the interaction of xanthan gum and monoglyceride on centrifugal sedimentation rate

圖7～圖9反映了各因素對離心沉淀率的影響，由等值線圖可知存在極值的條件應該在弧形內側。比較3組圖可知，黃原膠的添加量(C)對離心沉淀率的影響最為顯著，表現為曲面較陡；而單硬脂酸甘油酯的添加量(B)次之；CMC-Na的添加量(A)最末，表現為曲面較為平滑，隨數值的增加或減少，其響應值變化較小。

在因素水平范圍內，進一步確定最佳點的值，運用優化程序“Optimization”求解最佳點，解得：A=-1，B=0，C=1，即CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%。

2.2.5 驗證試驗

在優化的條件下重復3次實驗，結果見表6。

表6 香芋生榨飲料主要配方參數的重現性實驗Table 6 Reproducibility experiment of main formula parameters of taro raw squeezed beverage

由表6可知，香芋生榨飲料的離心沉淀率平均值為5.08%，相對標準偏差為1.53%，說明優化配方參數的穩定性良好。因此制備香芋飲料的主要配方參數選擇CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%。

2.2.6 產品感官評價結果

產品呈乳白色或亮黃色，色澤均勻明亮；有濃郁的香芋風味，無異味；口感細膩潤滑，黏稠度適中，酸甜可口；呈渾濁均勻的乳狀體，具有很好的流動性，無沉淀及分層現象。

3 結論

經單因素實驗及正交試驗及經響應面分析法優化工藝，確定了香芋生榨工藝條件為加水溫度95 ℃，均質壓力14 MPa，均質2次。以成品離心沉淀率為評價依據，經響應面優化工藝，得出香芋生榨飲料最佳工藝條件為：CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%(均為質量分數)，經此條件處理后，此時成品離心沉淀率為5.08%左右，產品穩定性較好。