響應面法在一種羅漢果健胃消食飲料研發中的應用

孫莉萍

（廈門夏商淘化大同食品有限公司，福建廈門 361100）

據古書記載，山楂味酸性溫、氣血并走，化瘀而不傷新血，行滯氣而不傷正氣，應用于肉食積滯證[1]。山楂中含有維C、維B、胡蘿卜素及多種有機酸，口服能增加胃中消化酶的分泌量[2]。此外，山楂中含有胃蛋白酶激動劑和淀粉酶，既能讓蛋白酶活動性增強，也能讓胰脂肪酶活性增強，促進腸蠕動，有助于機械性消化和化學性消化，達到消食開胃、增進食欲的作用[3-5]。

山藥又名淮山，最早出現在《山海經》中，有“大棒之參”的美稱。主要含有薯蕷皂、膽堿、尿囊素、淀粉酶、多酚氧化酶等有效藥用物質，具有滋陰補腎、健脾開胃、益氣補血等一系列功效[6-8]。另外，山藥中含有大量的鋅，也可增加人們的食欲[9]。

陳皮是蕓香科植物橘及其栽培變種的干燥成熟果皮，主要含有揮發油、類黃酮、維B、維C 等有效成分，其味辛、苦，性溫，歸肺、脾經，具有燥濕化痰、理氣健脾的功效[10-12]。陳皮中的揮發油成分對胃腸道有溫和刺激作用，可促進消化液的分泌，排除腸管內積氣，增加食欲[13]。

擬以衛生部發布的“既是食品也是藥品”中的山楂、山藥、陳皮等為主要原材料，開發一種具有健胃消食功能的飲料。由于其藥食同源性，既規避了西藥有強烈副作用的風險，也彌補了中成藥不能長時間服用的不足，為處在快節奏生活中的人們提供了一款健康的、可長時間飲用的健胃消食飲料。

1 材料與方法

1.1 材料

山楂、山藥、陳皮、羅漢果，均購自漳州大參林藥店。

1.2 儀器與設備

KQ5200DE 型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產品；MASTER-20M 型手持折光儀，ATAGO 公司產品；EX223 型電子天平，上海奧豪斯儀器有限公司產品等。

1.3 試驗方法

挑選→清洗→破碎→浸提→過濾→調配→均質、脫氣→裝瓶→殺菌→冷卻→成品。

1.4 試驗操作要點

1.4.1 挑選

山楂干要求外形完好、顏色均一無壞點、粒形飽滿、香味濃郁；山藥片要求顏色雪白，有山藥特有香氣的片狀干品；陳皮要求外形完整、顏色均一、香氣濃郁的作為原材料；羅漢果要求外形完整飽滿、表面顏色均一無壞點、有羅漢果特有香味的原材料。

1.4.2 清洗與破碎

依據《中國藥典》 中推薦的每日用量，按山楂∶山藥∶陳皮∶羅漢果= 2∶1∶1∶2 的比例，用水進行清洗1 次，再用流動水沖洗1 次，瀝水，將山楂、山藥、陳皮和羅漢果破碎成直徑不超過2 mm的顆粒形狀。

1.4.3 浸提與過濾

將清洗好的原料放入超聲清洗機內，設定好超聲功率、超聲溫度、超聲時間后進行浸提操作。浸提結束后，將浸提液冷卻至室溫。用300 目的紗布進行過濾操作，得到澄清的浸提液。

1.4.4 調配、均質與脫氣

在浸提液中加入蔗糖進行調配。將調配好的液體在均質器內間歇性均質30 min，再進行加熱脫氣處理。

1.5 浸提工藝條件的單因素試驗設計

考查料液比（1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40，g∶mL）、超聲溫度（40，50，60，70，80 ℃）、超聲功率（120，140，160，180，200 W）、超聲時間（10，20，30，40，50 min） 對浸提液可溶性固形物含量的影響。

1.6 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選擇料液比、超聲溫度、超聲功率和超聲時間作為自變量，以可溶性固形物含量作為響應值，根據Box-behnken 試驗設計的原理進行四因素三水平的組合設計試驗，最后確定其最佳浸提工藝條件。

1.7 產品的感官評價

以色澤形態、香味、滋味作為感官評價指標，先根據國標GB/T 16291.1—2012 中要求優選20 名評價員，男女各半，經過培訓和考核后，參照表1 分別對飲料的以上3 個指標進行打分，滿分為100 分。其中，色澤形態占30 分，香味占30 分，滋味占40 分[14]。

感官評價標準見表1。

1.8 可溶性固形物含量

試驗中，浸提液可溶性固形物含量=干燥后的樣品質量/溶液體積，但在料液比試驗中，須將最終的浸提液體積換算為等體積后進行計算。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料液比對原料的可溶性固形物含量的影響

料液比對浸出液可溶性固形物含量的影響見圖1。

圖1 料液比對浸出液可溶性固形物含量的影響

由圖1 可知，隨著料液比的增加，浸提液的可溶性固形物含量隨之增加，這是因為增大水的體積可以增大物料內部和水溶液間的濃度差，從而加大物料溶出的推動力，使可溶性固形物含量提高。當料液比超過1∶30 時，可溶性固形物含量增加趨勢不明顯了。因此，考慮經濟效益，最佳的料液比為1∶30。

2.1.2 超聲溫度對原料的可溶性固形物含量的影響超聲溫度對浸出液可溶性固形物含量的影響見圖2。

圖2 超聲溫度對浸出液可溶性固形物含量的影響

由圖2 可知，隨著超聲溫度增加，可溶性固形物含量也隨之增加。當超聲溫度超過60 ℃時，可溶性固形物含量呈下降趨勢，這是因為提高溫度有利于可溶性固形物的溶出，但超聲溫度過高會使物料表面熟化和形成結膜[15]。因此，最佳的超聲溫度為60 ℃。

2.1.3 超聲功率對原料的可溶性固形物含量的影響

超聲功率對浸出液可溶性固形物含量的影響見圖3。

圖3 超聲功率對浸出液可溶性固形物含量的影響

由圖3 可知，隨著超聲功率增大，可溶性固形物含量先增大后減小。這是由于超聲功率增大會增加可溶性固形物的溶出，但過大會使物料中的黃酮類、多糖、可溶性蛋白等發生降解[16-17]。因此，最佳的超聲功率為160 W。

2.1.4 超聲時間對原料的可溶性固形物含量的影響

超聲時間對浸出液可溶性固形物含量的影響見圖4。

圖4 超聲時間對浸出液可溶性固形物含量的影響

由圖4 可知，當超聲時間增加時，可溶性固形物含量也隨之增加。當超聲時間達到30 min 時，可溶性固形物含量達到最高。繼續延長超聲時間，由于可溶性固形物也基本溶出，因此含量增加不明顯。因此，從節約成本的角度考慮，最佳的超聲處理時間為30 min。

2.2 響應面優化工藝及分析

在單因素的試驗結果的基礎上，采用Box-benhnken 試驗設計，將料液比（A）、超聲溫度（B）、超聲功率（C）、超聲時間（D） 作為自變量，按四因素三水平進行響應面試驗設計，將浸提的提取率作為響應值，進行響應面分析。

根據Box-behnken 試驗設計的原理進行響應面試驗，確定各因素水平。

Box-behnken 響應面設計因素水平編碼見表2，Box-behnken 響應面設計及試驗結果見表3，方差分析見表4。

表2 Box-behnken 響應面設計因素水平編碼

表3 Box-behnken 響應面設計及試驗結果

表4 方差分析

利用Design Expert 8.05b 統計軟件對表3 數據進行回歸擬合，得到超聲浸提的可溶性固形物含量（Y） 與料液比（A）、超聲溫度（B）、超聲功率（C）、超聲時間（D） 的二次多項回歸模型：

由表4 可知，該回歸模型p<0.000 1，表明該回歸模型達到了極顯著水平，預測值與試驗值有極高的相關性（R2=0.972 9），表明超過97%的試驗數據可用該模型進行解釋，說明方程的可靠性高；失擬項F 值為2.20，p 值為0.232 2，表明失擬項差異不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起，表明該模型對于提取率實際值與預測值之間具有很好的擬合度，可用該模型對提取率進行很好的分析、預測和確定超聲浸提工藝。根據F 值及p 值均可看出，影響因素的主次順序是超聲時間>超聲功率>料液比>超聲溫度。一次項C，D，交互項AB，AC，AD，BC，BD，二次項A2，B2，C2，D2對試驗結果影響顯著（p<0.05），一次項A，B，交互項CD 對試驗結果影響不顯著（p>0.05），表明試驗因素與響應值之間不是簡單的線性關系，而是一種非線性關系。因此，可以用該模型來分析和預測浸提工藝條件。

2.2.1 響應面分析

料液比和超聲溫度交互作用的響應面和等高線圖見圖5。

圖5 料液比和超聲溫度交互作用的響應面和等高線圖

由圖5 可知，在試驗水平范圍內，隨著料液比的增加，可溶性固形物含量呈現出先升后降的趨勢；隨著超聲溫度的增大，可溶性固形物含量也呈現先升后降的趨勢。在料液比為1∶25 ～ 1∶30（g∶mL）出現最大值，超聲溫度在55～65 ℃出現最大值。由圖5 可知，料料比軸向等高線密集，而超聲溫度等高線相對稀疏，說明料液比對可溶性固形物含量的影響比超聲溫度大。料液比（A） 和超聲溫度（B）交互作用顯著。

料液比和超聲功率交互作用的響應面和等高線圖見圖6。

圖6 料液比和超聲功率交互作用的響應面和等高線圖

由圖6 可知，在試驗水平范圍內，隨著料液比的增加，可溶性固形物含量呈現出先升后降的趨勢；隨著超聲功率的增大，可溶性固形物含量也出現先升后降的趨勢。在料液比為1∶25 ～ 1∶30（g∶mL）出現最大值，超聲功率在150～170 W 出現最大值。由圖6 可知，超聲功率軸向等高線密集，而料液比等高線相對稀疏，說明超聲功率對可溶性固形物含量的影響比液料比大。料液比（A） 和超聲功率（C）交互作用顯著。

料液比和超聲時間交互作用的響應面和等高線圖見圖7。

由圖7 可知，在試驗水平范圍內，隨著料液比的增加，可溶性固形物含量呈現出先升后降的趨勢；隨著超聲時間的增大，可溶性固形物含量也出現先升后降的趨勢。在料液比為1∶25 ～ 1∶30（g∶mL）出現最大值，超聲時間在25～35 min 出現最大值。由圖7 可知，超聲時間軸向等高線密集，而料液比等高線相對稀疏，說明超聲時間對可溶性固形物含量的影響比液料比大。料液比（A） 和超聲時間（D）交互作用顯著。

圖7 料液比和超聲時間交互作用的響應面和等高線圖

超聲溫度和超聲功率交互作用的響應面和等高線圖見圖8。

圖8 超聲溫度和超聲功率交互作用的響應面和等高線圖

由圖8 可知，在試驗水平范圍內，隨著超聲溫度的增加，可溶性固形物含量呈現出先升后降的趨勢；隨著超聲功率的增大，可溶性固形物含量也出現先升后降的趨勢。在超聲溫度在55～65 ℃出現最大值，超聲功率在150～170 W 出現最大值。由圖8可知，超聲功率軸向等高線密集，而超聲溫度等高線相對稀疏，說明超聲功率對可溶性固形物含量的影響比超聲溫度大。超聲溫度（B） 和超聲功率（C）交互作用顯著。

超聲溫度和超聲時間交互作用的響應面和等高線圖見圖9。

由圖9 可知，在試驗水平范圍內，隨著超聲溫度的增加，可溶性固形物含量呈現出先升后降的趨勢；隨著超聲時間的增大，可溶性固形物含量也出現先升后降的趨勢。在超聲溫度在55～65 ℃出現最大值，超聲時間在25～35 min 出現最大值。由圖9 可知，超聲時間軸向等高線密集，而超聲溫度等高線相對稀疏，說明超聲時間對可溶性固形物含量的影響比超聲溫度大。超聲溫度（B） 和超聲時間（D）交互作用顯著。

圖9 超聲溫度和超聲時間交互作用的響應面和等高線圖

2.2.2 最優條件的確定及驗證試驗

根據回歸模型，利用Design Expert 8.05b 軟件對試驗結果進行分析，得到原料最佳浸提條件是料液比1∶30.02（g∶mL），超聲溫度59.93 ℃，超聲功率161.41 W，超聲時間28.77 min。在此條件下浸提的可溶性固形物含量為43.174 5 mg/L。考慮到實際操作的局限性，各因素分別取整數，修正為料液比1∶30（g∶mL），超聲溫度60 ℃，超聲功率161 W，超聲時間29 min。在最優條件下進行3 次驗證試驗，可溶性固形物含量的平均值為42.92 mg/L。相對于預測值，誤差為0.589 mg/L，驗證了數學模型的有效性。因此，采用響應面優化法得到的浸提條件參數可靠。

2.3 蔗糖添加量的確定

由于得到的浸提液過酸，對其糖酸比進行單因素試驗。以感官評分為標準，確定最佳的蔗糖添加量。

蔗糖添加量對感官評分的影響見表5。

表5 蔗糖添加量對感官評分的影響

由表5 可知，隨著蔗糖添加量的增大，感官評價得分也逐漸增大。當蔗糖添加量達到4%時，感官評分達到最高。因此，蔗糖的最佳添加量為4%。

3 結論

（1） 該模型對于浸提提取率的實際值與預測值之間有著良好的擬合度。

（2） 根據響應面法的結果分析，影響浸提液固形物含量的因素的主次順序為超聲時間>超聲功率>料液比>超聲溫度；浸提的最佳工藝條件為料液比1∶30（g∶mL），超聲溫度60 ℃，超聲功率161 W，超聲時間29 min。

（3） 在此條件下浸提液的可溶性固形物含量為42.92 mg/L，蔗糖添加量為4%時，飲料具有良好的口感。