響應面法優化紅茶菌萊陽梨發酵飲料的工藝

張莉，陳爍，石磊，李文新，范榮波

1. 青島農業大學海都學院食品系（萊陽 265200）；2. 青島農業大學食品科學與工程學院（青島 266109）

紅茶菌別名“胃寶”，是由醋酸菌、乳酸菌以及酵母菌構成的一種生物薄膜[1-2]，可由白砂糖、紅茶水經發酵產生多種有益于人體健康的物質。紅茶菌菌液呈橘黃色，澄清透明，甜中透酸、極為爽口[3]。紅茶菌發酵液中所含有的茶堿、多糖類、茶多酚等物質具有減少腸道腐敗物和致癌物的功能，從而促進人體免疫力[4-5]；含有的醋酸、乳酸及檸檬酸不但能夠防止病毒和致病菌對人體的攻擊，還可以協助人體清理腸胃以防便秘[6-8]。紅茶菌發酵液還含有各種維生素及礦物質，其生理功能極為突出，是一種純天然的療效食品[9-11]。

萊陽梨又稱茌梨，萊陽市特產，是國家地理標志產品，其果肉色澤雪白，梨汁豐富，肉質細嫩，口感清脆爽甜[12]，果香純正且濃郁，是梨中上品，含糖量較高，達到14%左右，并含有各類維生素及有機酸等多種營養成分。萊陽梨具有清肺潤嗓及止咳化痰的作用，深受人們喜愛。

紅茶菌大多是自制自飲的家用飲品，未能工業化大批量生產，紅茶菌功能性食品品種極少，市場化程度很低[13-14]。試驗將古老的紅茶菌與具有地方特色的萊陽梨汁進行復配，研究其最優發酵工藝條件，獲得的產品既具有萊陽梨特有的清香，又有紅茶菌發酵的獨特風味，對于開展紅茶菌發酵飲料的研究和產業的發展能夠起到顯著推動作用。

1 材料與方法

1.1 材料

紅茶菌（青島農業大學食品與科學工程學院實驗室）；萊陽梨（市售，要求新鮮無腐爛，果香純正且濃郁）；紅茶（市售）；白砂糖（市售，食品級）。

1.2 儀器與設備

JS-30F型電子天平（成都普瑞遜電子有限公司）；MJ-25BM06A型榨汁機（廣東美的精品電器制造有限公司）；二列四孔電熱恒溫水浴鍋（龍口市先科儀器公司）；電熱恒溫培養箱（龍口市先科儀器公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 萊陽梨預處理

選取新鮮無霉爛的萊陽梨，要求皮薄，果實較大，果香純正且濃郁；將選好的萊陽梨進行清洗，去除果皮之后，將果實對半切開，挖掉果心，將萊陽梨切成大小0.3～0.5 cm3果塊。

1.3.2.2 壓榨、過濾

將切好的果塊進行榨汁，用孔徑48 μm的濾布過濾掉殘渣，得萊陽梨汁備用。

1.3.2.3 茶湯配制

將清水煮沸，按一定比例加入紅茶及白砂糖，攪拌至無顆粒狀態，保持水溫85～90 ℃，浸泡時間15 min，濾去茶渣得到紅茶汁，冷卻備用。

1.3.2.4 接種、發酵

將上述茶湯與萊陽梨汁按一定比例混合后，接入一定量紅茶菌，用4層紗布封住瓶口，放置在恒溫培養箱，于30 ℃下靜置發酵7 d，得到紅茶菌發酵液。

1.3.3 單因素試驗設計

1.3.3.1 紅茶添加量的確定

在白砂糖添加量9%、梨汁添加量50%、紅茶菌膜接種量8%、發酵溫度30 ℃、發酵時間7 d的條件下，考察紅茶添加量0.3%，0.4%，0.5%，0.6%和0.7%對紅茶菌萊陽梨發酵飲料品質的影響。

1.3.3.2 白砂糖添加量的確定

在紅茶添加量0.5%、梨汁添加量50%、紅茶菌膜接種量8%、發酵溫度30 ℃、發酵時間7 d的條件下，考察白砂糖添加量8.0%，8.5%，9.0%，9.5%和10.0%對紅茶菌萊陽梨發酵飲料品質的影響。

1.3.3.3 紅茶菌接種量的確定

在白砂糖添加量9%、紅茶添加量0.5%、梨汁添加量50%、發酵溫度30 ℃、發酵時間7 d的條件下，考察紅茶菌膜接種量6%，7%，8%，9%和10%對紅茶菌萊陽梨發酵飲料品質的影響。

1.3.3.4 梨汁添加量的確定

在紅茶添加量0.5%、白砂糖添加量9%、紅茶菌膜接種量8%、發酵溫度30 ℃、發酵時間7 d的條件下，考察梨汁添加量30%，40%，50%，60%和70%對紅茶菌萊陽梨發酵飲料品質的影響。

1.3.4 感官評分標準

試驗從產品的色澤、氣味、滋味、組織狀態4個方面，選擇10人根據感官評定標準對紅茶菌萊陽梨發酵飲料進行綜合感官評分，滿分為100分。感官評分標準見表1。

表1 紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官評分標準

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 紅茶添加量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

由圖1可知，紅茶添加量0.5%時，產品的感官評分最高，此時的產品呈橙黃色，色澤均勻，澄清透明，酸甜適中。紅茶添加量較低時，產品感官評分較低，這是由于紅茶添加量過低而使紅茶菌發酵液色澤較淡，酸味不突出；隨著紅茶添加量升高，產品的感官評分逐漸下降，這是因為紅茶用量較多，導致發酵液顏色過重，澀味，酸味過重，口感不佳。綜上所述，最佳紅茶添加量為0.5%。

圖1 紅茶添加量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

2.1.2 白砂糖添加量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

由圖2可知，白砂糖添加量9%時，紅茶菌萊陽梨發酵液的感官評分最高，此時的產品既有紅茶菌發酵之后的酸甜，又有萊陽梨的清香，口感細膩，酸甜適中。白砂糖添加量較少時，產品感官評分較低，因糖液的濃度較低，紅茶菌萊陽梨發酵液過于酸澀將萊陽梨原有的清香掩蓋；白砂糖添加量過多時，產品的感官評分逐漸下降，這是因較高的糖液濃度導致發酵液過于甜膩，沒有清爽的口感。綜上所述，最佳白砂糖添加量為9%。

圖2 糖添加量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

2.1.3 紅茶菌接種量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

由圖3可知，紅茶菌接種量8%時，紅茶菌萊陽梨發酵液的感官評分最高，此時的產品口感清爽，酸甜適中。紅茶菌接種量較低時，產品感官評分較低，產品的酸甜味不突出，菌膜形成的時間長，較薄；紅茶菌接種量較高，產品感官評分呈下降趨勢，較高的接種量導致發酸過度，菌液酸度較高。綜上所述，最佳紅茶菌接種量為8%。

圖3 紅茶菌接種量對紅茶菌萊陽梨飲料感官品質的影響

2.1.4 梨汁添加量對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官品質的影響

由圖4可知，梨汁添加量50%時，紅茶菌萊陽梨發酵液的感官評分最高，此時的產品既有紅茶菌發酵之后的酸甜，又有萊陽梨的清香，口感細膩，酸甜適中。梨汁添加量較低時，產品感官評分較低，產品的梨香味不突出，沒有顯示出產品的特色；梨汁添加量較高，產品感官評分呈下降趨勢，梨汁添加量較高，使得酸味不明顯，口感不清爽。綜上所述，最適梨汁添加量為50%。

圖4 梨汁添加量對紅茶菌萊陽梨飲料感官品質的影響

2.2 響應面試驗設計與結果分析

2.2.1 響應面試驗設計

根據響應面法中的Box-Behnken組合試驗設計原理[15]，以單因素試驗結果為依據，選擇A梨汁添加量、B白砂糖添加量、C紅茶添加量3個因素為自變量，每個因素取3個水平，以感官評分為響應面值，采用Design-Expert. V8.0.6軟件進行三因素三水平試驗設計。因素水平見表2。

表2 響應面試驗設計因素及水平 單位：%

2.2.2 響應面試驗設計結果及分析

試驗結果采用Design-Expert.V 8.0.6軟件對表3中所得數據進行多元回歸擬合，得到各因素與感官評分的二次多項回歸方程模型：Y=90.29+4.23A-1.41B-0.55C-0.96AB-0.76AC-1.36BC-7.28A2-4.13B2-3.29C2。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果

對模型進行顯著性檢驗，由回歸模型的方差分析表4可知，模型的F值為103.4，p＜0.0001，說明模型因子是有顯著性意義的。F值越大，表明該因素對紅茶菌萊陽梨發酵飲料的感官評價的影響越顯著，3個因素對發酵飲料感官評價的影響大小依次為A梨汁添加量＞B白砂糖添加量＞C紅茶添加量。

表4 響應面試驗回歸方程方差分析結果

回歸方程相關系數R2=0.9856，擬合度較好，表明試驗數據能夠較好地反映出與感官評分之間關系。

2.2.3 各因素交互作用結果及分析

根據模型，繪制三維曲面圖，可直觀地看出各因素的交互作用對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官評價的影響。若曲線越陡，則可以說明該因素對紅茶菌萊陽梨發酵飲料感官評價的影響越大，相應表現為響應值變化的大小。

2.2.3.1 梨汁添加量和白砂糖添加量對發酵飲料感官評價的影響

通過圖5可看出，發酵飲料的感官評分因梨汁和白砂糖添加量增多呈先上升后降低趨勢，梨汁添加量和白砂糖添加量交互作用的響應面曲面坡度較陡，說明二者對產品感官具有較大影響。

圖5 梨汁添加量和白砂糖添加量對發酵飲料感官評價影響的曲面圖與等高線

2.2.3.2 梨汁添加量和紅茶添加量對發酵飲料感官評價的影響

通過圖6可看出，發酵飲料的感官評分因梨汁和紅茶添加量的增多呈先上升后降低趨勢，響應面曲面坡度較陡，說明梨汁添加量和紅茶添加量對產品感官具有較大影響。等高線呈圓形，說明梨汁添加量和紅茶添加量的交互作用不顯著。

圖6 梨汁添加量和紅茶添加量對發酵飲料感官評價影響的曲面圖與等高線

2.2.3.3 白砂糖添加量和紅茶添加量對發酵飲料感官評價的影響

通過圖7可看出，發酵飲料的感官評分因白砂糖和紅茶添加量增多呈先上升后降低趨勢，響應面曲面坡度較為陡峭，說明白砂糖添加量和紅茶添加量對產品感官影響較大。響應面等高線呈橢圓形，說明白砂糖添加量和紅茶添加量的交互作用顯著。

圖7 白砂糖添加量和紅茶添加量對發酵飲料感官評價影響的曲面圖與等高線

2.2.4 驗證試驗

通過響應面優化試驗，預測得到紅茶菌萊陽梨發酵飲料的最優工藝條件為紅茶添加量0.49%、白砂糖添加量8.90%、梨汁添加量53.06%，此條件下，發酵飲料的感官評分為91.1004分。考慮到試驗操作的可行性，調整為紅茶添加量0.5%、白砂糖添加量8.9%、梨汁添加量53%，進行3次平行驗證試驗，產品最終感官評分為90.37分，接近預測值，說明響應面法優化得到的紅茶菌萊陽梨發酵飲料的最佳工藝條件合理。

3 結論

在單因素試驗結果基礎上，通過響應面法優化得到紅茶菌萊陽梨發酵飲料的最優工藝條件為紅茶添加量0.5%、白砂糖添加量8.9%、梨汁添加量53%，紅茶菌接種量8%，在30 ℃下進行發酵，發酵時間7 d。獲得的產品色澤均勻一致，呈橙黃色，具有紅茶菌發酵特有的風味和萊陽梨的清香，酸甜適宜，口感醇厚，質地細膩。