響應面法優化苦菜蛋白飲料生產工藝

馮談林，賀瑩，楊秦玉，韓淑雅

呂梁學院生命科學系（呂梁 033000）

苦菜，又名叫老鸛菜、苦荬，常見于田地、荒地或道路旁，以根和籽兒繁殖，有著很強的生長能力。在我國分布較廣，資源非常豐富[1]。此類植物分布較廣泛，具有較高的藥用品質和增強自身免疫力的作用[2]。苦菜的化學成分主要包括黃酮類、倍半萜類、香豆素類、木脂素類，據《神農本草經》的記載，苦菜具有疏散風熱、益氣養血、有利于腸胃吸收、健脾、消食之功效，臨床用于醫治腸道疾病、痔瘡等一系列紅腫熱痛的問題。苦菜具有美容養顏、護肝、降三高、抑腫瘤、調節神經系統、消炎、殺菌等作用，對人體有諸多益處，能夠有效地調節機能代謝[3]。

苦菜蛋白飲品符合蛋白飲品向著排毒養顏、增強免疫力、抑腫瘤等保健方向的發展。苦菜蛋白飲料對廣大人民的身體健康有利，是蛋白飲料未來發展的一大突破，很有發展空間，有一定的市場價值，是今后飲料行業發展的主題[4]。試驗研究的目的是將單一的苦菜蛋白與多種甜味劑進行搭配，制作出比較酸甜適口的飲品，并保留苦菜中的營養價值，滿足人們日常生活的基本需求[5]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

苦菜，采于山西呂梁田間；蜂蜜、白砂糖；檸檬酸，市售；酚酞、氯化鈉，分析純，天津鳳船化學試劑科技有限公司。

L550型離心機（金壇市恒豐儀器制造有限公司）；LDZX-50KBS高壓蒸汽滅菌鍋、F-020S超聲波清洗儀（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；BSA224S電子天平、PHS-3E pH計（上海精密化學儀器有限公司）。

1.2 試驗研究方案

1.2.1 苦菜蛋白飲料生產工藝流程

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 苦菜蛋白的制備

采用超聲波輔助提取法提取苦菜蛋白，取20 g干苦菜，按液料比（水-苦菜）40∶1（mL/g）進行超聲波輔助提取，自然晾干得到苦菜蛋白[6]。

1.2.2.2 蜂蜜漿制備

將蜂蜜加飲用水煮沸5 min，液料比為1∶4（mL/g），這樣不僅可以使蛋白質沉淀，祛除上浮的白色泡沫，使不良氣味散發，還可以抑制酶活性。

1.2.2.3 調配

按合適的配比依序加入苦菜蛋白、檸檬酸、蜂蜜漿、蛋白糖、白砂糖，用飲用水定容至160 mL，得到苦菜蛋白飲料調配液。

1.2.2.4 殺菌

將調配液進行一次殺菌，采用巴氏滅菌法，趁熱灌裝。對罐裝后飲料進行二次殺菌，二次殺菌采用90℃、15 min的條件[7]。

1.2.3 苦菜蛋白飲料的單因素試驗

1.2.3.1 檸檬酸添加量對飲料品質的影響

苦菜蛋白添加量為35%，蛋白糖添加量為0.03%，蜂蜜添加量為3%，白砂糖添加量為3%，分別添加0.05%，0.1%，0.15%，0.2%和0.25%的檸檬酸進行試驗，將飲料定容至160 mL，對配制好的飲料進行感官評價[8]。

1.2.3.2 白砂糖添加量對飲料品質的影響

檸檬酸添加量為0.1%，苦菜蛋白添加量為35%、蜂蜜添加量為3%，蛋白糖添加量0.03%，依次添加1%，2%，3%，4%和5%的白砂糖進行試驗，將飲料定容至160 mL，對配制好的飲料進行感官評價。

1.2.3.3 苦菜蛋白添加量對飲料品質的影響

檸檬酸添加量為0.1%，蛋白糖添加量為0.03%，蜂蜜添加量為3%，白砂糖添加量3%，依次添加25%，30%，35%，40%和45%的苦菜蛋白進行試驗，將飲料定容至160 mL，對配制好的飲料進行感官評價[9-10]。

1.2.4 苦菜蛋白飲料響應面優化試驗

在單因素確定苦菜蛋白飲料配方最佳范圍的基礎上，采用其中三個因素進行響應面試驗優化。通過Design-Expert 8.0軟件，分析出最佳工藝方案。最后得到最佳試驗數據，并進行試驗檢驗[11-12]。響應面分析試驗因素與水平設計見表1。

表1 響應面分析試驗因素與水平設計 單位：%

1.2.5 苦菜蛋白飲料感官評定

優選10名評級員組成感官評定小組，對苦菜蛋白飲料進行品嘗，然后評分標準見表2。

表2 苦菜蛋白飲料感官評分標準

2 結果與分析

2.1 苦菜蛋白飲料的單因素試驗

2.1.1 不同檸檬酸添加量對飲料感官品質的影響

由圖1可知：當無水檸檬酸添加量在0.05%~0.1%之間時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著無水檸檬酸添加量的增加而升高；當無水檸檬酸添加量在0.1%~0.3%之間時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著無水檸檬酸添加量的增加而下降；當無水檸檬酸添加量為0.1%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高。因此無水檸檬酸添加量選定0.05%~0.15%，進行響應面優化試驗。

圖1 不同檸檬酸添加量對飲料感官品質的影響

2.1.2 不同白砂糖添加量對飲料感官品質的影響

由圖2可知：當白砂糖添加量在1%~4%時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著白砂糖添加量的增加而上升；當白砂糖添加量在4%~5%之間時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著白砂糖添加量的增加而下降；當白砂糖添加量為4%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高。因此白砂糖添加量選定2%~4%，進行響應面優化試驗。

圖2 不同白砂糖添加量對飲料感官品質的影響

2.1.3 不同苦菜蛋白添加量對飲料感官品質的影響

由圖3可知：當苦菜蛋白添加量在25%~35%之間時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著苦菜蛋白添加量的增加而上升；當苦菜蛋白添加量在35%~45%之間時，苦菜蛋白飲料的感官評分隨著苦菜蛋白添加量的增加而下降；當苦菜蛋白添加量為35%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高。因此白砂糖添加量選定25%~35%，進行響應面優化試驗。

圖3 不同苦菜蛋白添加量對飲料感官品質的影響

2.2 苦菜蛋白飲料配方響應面優化試驗

2.2.1 響應面優化方差分析

根據Box-Benhnken試驗設計原理，設計了17組試驗，以進一步優化試驗方案。試驗設計及結果見表3。

表3 苦菜蛋白飲料最佳工藝響應面試驗設計與結果

使用Design-Expert 8.0對表3試驗結果進行多元回歸方程擬合，以各自因素為自變量，感官評分為響應值，得出苦菜蛋白飲料的回歸模型方程：

響應面結果方差分析結果見表4。

由表4可知：感官評價F=273.26（p＜0.01），說明感官評分建立的回歸方程模型極其顯著，模型的失擬項p=0.659 1（p＞0.05）不顯著，殘差均由隨機誤差引起；其中R2=0.997 2，說明響應值感官評分的實際值與預測值之間具有良好的擬合度，Radj2=0.993 5，表明模型擬合度較好，可用于預測苦菜蛋白飲料的最佳組合實際情況。

表4 感官評價方差分析結果

由表4可知：因素A、B、C和二次項A2、B2、C2的p值均小于0.000 1，說明無水檸檬酸添加量、白砂糖添加量、苦菜蛋白添加量對苦菜蛋白飲料的感官評分有極其顯著的影響；交互項AB的p=0.047 9（p＜0.05），說明它的影響是顯著的；AC的p=0.817 7（p＞0.05），影響不顯著；BC的p=0.002 0（p＜0.01），說明它的影響是極其顯著的。根據各因素F值的大小可得，影響苦菜蛋白飲料感官評分的主次為白砂糖添加量＞無水檸檬酸添加量＞苦菜蛋白添加量。

2.2.2 響應面曲面分析

響應面曲面的坡度可反映該因素對苦菜蛋白飲料感官評價影響的大小程度。等高線圖的形狀表明變量間的交互作用是否顯著，橢圓等高線表明變量間的交互作用顯著，圓形等高線表明交互作用不顯著。

從圖4可以看出，當白砂糖的添加量為3.62%、檸檬酸添加量為0.09%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高，檸檬酸相對于白砂糖來說對苦菜蛋白飲料的感官評分的影響不太顯著。由等高線分析可知，當檸檬酸添加量不變時，沿著檸檬酸添加量變化的方向看，白砂糖添加量的等高線較密，說明白砂糖添加量對苦菜蛋白飲料感官評分的影響較顯著。

圖4 白砂糖添加量和檸檬酸添加量的交互作用對感官評分影響的響應面及等高線圖

從圖5可以看出：當苦菜蛋白的添加量為29.72%、無水檸檬酸添加量為0.09%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高，苦菜蛋白相對于無水檸檬酸來說對苦菜蛋白飲料的感官評分的影響不太顯著；由等高線分析可知，當無水檸檬酸添加量不變時，沿著苦菜蛋白添加量變化的方向看，無水檸檬酸添加量的等高線較密，說明檸檬酸添加量對苦菜蛋白飲料感官評分的影響較顯著。

圖5 苦菜蛋白添加量和檸檬酸添加量的交互作用對感官評分影響的響應面及等高線圖

從圖6可以看出：當白砂糖的添加量為3.63%、苦菜蛋白添加量為29.72%時，苦菜蛋白飲料的感官評分最高，苦菜蛋白相對于白砂糖來說對苦菜蛋白飲料的感官評分的影響不太顯著；由等高線分析可知，當白砂糖添加量不變時，沿著苦菜蛋白添加量變化的方向看，白砂糖添加量的等高線密集，說明白砂糖添加量對苦菜蛋白飲料感官評分的影響較顯著。

圖6 白砂糖添加量和苦菜蛋白添加量的交互作用對感官評分影響的響應面及等高線圖

2.2.3 苦菜蛋白飲料的最佳配方

根據軟件的響應面法得到苦菜蛋白飲料的最佳配方：檸檬酸添加量0.09%、苦菜蛋白添加量29.72%、白砂糖添加量3.62%。在此條件下，感官評分為90.98分。考慮到工藝的易操作性，將苦菜蛋白飲料的最佳配方確定為檸檬酸添加量0.1%、苦菜蛋白添加量30%、白砂糖添加量4%，為了驗證預測值與真實值之間的有效性，在最佳添加量的條件下進行3次平行試驗，感官評分為89.9分，與理論值90.89分相接近，表明采用響應面法優化的苦菜蛋白飲料最佳工藝模型是可靠的。

3 結論

通過響應面優化試驗得出苦菜蛋白飲料的最佳配方：檸檬酸添加量0.1%、苦菜蛋白添加量30%、白砂糖添加量4%。在最佳添加量的條件下，感官評分為89.9分。用此配方制得的苦菜蛋白飲料色澤呈淺棕色，口味酸甜可口，風味獨特，具有苦菜香味和蜂蜜的香味，二者氣味協調濃郁，且含有一定量的蛋白質，具有一定的市場開發前景。