燕麥鷹嘴豆復合飲料配方優化及工藝研究

宋 昊，闕 斐

（浙江經貿職業技術學院應用工程學院，浙江 杭州 310018）

燕麥（Avena sativa L.）為禾本科植物，是一類營養十分豐富的“雜糧”谷物，被入選為2017 中國營養學會公布的“十大中國好谷物”[1]。鷹嘴豆（Cicer arietinum Linn.）作為全球第二大消費豆類，其蛋白質含量占籽粒干重的15%～30%，含有10 余種人體所需的氨基酸，因此享有“豆中之王”、“珍珠果仁”和“黃金豆”的美譽[2]。燕麥和鷹嘴豆必需氨基酸齊全，但各自氨基酸組成卻與聯合國糧農組織和世界衛生組織（FAO/WHO）推薦模式有一定差距，食物中含量較低的必需氨基酸被稱為限制性氨基酸，限制性氨基酸會嚴重影響蛋白質的利用價值[3-4]。早在上世紀就有人提出兩種食物的蛋白質之間可以取長補短，發展至今已逐步成為一套理論：食物蛋白質互補原理。劉穎等[5]利用蛋白質互補原理對米糠蛋白粉和乳粉加以復配，結果顯示，復配米糠蛋白粉的營養價值明顯提高。燕麥中第一限制氨基酸是賴氨酸和蛋氨酸，鷹嘴豆中第一限制氨基酸是蘇氨酸，因此如果通過科學的評價方法，將燕麥和鷹嘴豆按比例復配，可提高蛋白質的生物價，增加農產品的利用率，其應用前景廣闊[6-7]。

目前關于谷物豆類復合產品較少，種類較為單一，而使用谷物豆類制作天然植物復合蛋白飲料鮮有報道[8]。由于谷物蛋白飲品生產中易出現口感差、品質低等諸多工藝問題，因此本研究在燕麥和鷹嘴豆復配的基礎上，著重從工藝方面對復合飲料進行工藝參數及配方的優化，探究設計復合飲料的感官評價方法并以此篩選最佳調配輔料配方；考察不同穩定劑組合對復合飲料穩定性的影響以此優化復配穩定劑配方。本研究旨在提高燕麥和鷹嘴豆等谷物豆類蛋白的利用效率，探討復合飲料的最佳工藝，進一步提高燕麥、鷹嘴豆的利用價值，對促進谷物資源的創新加工及提高谷物飲料貯藏品質具有實用價值和創新意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

燕麥：光明米業（集團）有限公司產品；鷹嘴豆：沈陽信昌糧食貿易有限公司產品；黃原膠、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、海藻酸鈉和檸檬酸（以上均為食品級）：購于河南萬邦實業有限公司；白砂糖（食品級）：購于上海怡神保健食品有限公司；混合氨基酸標準品：購于西格瑪（Sigma）公司。

1.1.2 儀器與設備

Kjeltec-8400 型全自動凱氏定氮儀，瑞典福斯（Foss）公司；ICS-3000 型氨基酸分析儀，戴安（Dionex）公司；L18-Y901 型破壁機，九陽股份有限公司；XY600B 多功能粉碎機，永康小寶電器公司；DS-1 型高速組織搗碎機，上海標本模型廠；ME1002E 型電子天平，北京中儀公司；JM-L50 型膠體磨，廣州恒東機械設備科技有限公司；AH2000 型高壓均質機，ATS 工業系統有限公司；TGL-15B 型離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

燕麥、鷹嘴豆→預處理→磨粉、按比例復配→膠體磨剪切、過濾→調配（白砂糖、穩定劑等）→均質脫氣→灌裝→滅菌→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料預處理

經過篩選、除雜后，選擇飽滿、無霉變的脫殼燕麥米和鷹嘴豆，清洗干凈、晾干備用。

1.2.2.2 磨粉

將燕麥和鷹嘴豆磨成粉（過60 目篩），置于恒溫干燥箱（60 ℃）中烘干至恒重，備用。

1.2.2.3 膠體磨剪切及過濾

將燕麥鷹嘴豆復合谷豆粉與一定比例清水混合，通過膠體磨處理，將獲得的谷豆濃漿過100 目篩以進行粗濾。

1.2.2.4 調配

將蔗糖、穩定劑和乳化劑等輔料依次加入到濃漿中，混合并攪拌均勻，調節飲料pH 值至6.8～7.2。

1.2.2.5 均質

參考唐雪燕等[9]的方法，略有改動：第1 次均質壓力為20 MPa，第2 次均質壓力為25 MPa，溫度為65～80 ℃。

1.2.2.6 灌裝、殺菌

將均質后的谷豆濃漿加熱至95 ℃封裝，121 ℃滅菌15 min，即得燕麥鷹嘴豆復合飲料成品。

1.2.3 燕麥和鷹嘴豆混合配比的篩選

參照羅新也等[10]的方法，根據燕麥和鷹嘴豆的氨基酸測定結果，以FAO/WHO 提出的理想氨基酸評分模式（見表1），對燕麥和鷹嘴豆的氨基酸評分（AAS）進行計算，以此確定燕麥和鷹嘴豆混合配比。計算公式如下：

表1 FAO/WHO 標準氨基酸評分Table 1 Standard amino acids content of FAO/WHO

式中：AA 為被測食物中每克蛋白質中氨基酸含量，mg/g。

1.2.4 燕麥鷹嘴豆復合飲料配方優化試驗設計

1.2.4.1 單因素試驗設計

初步選擇料液比（燕麥鷹嘴豆復合粉∶水）為1∶14（g/mL），白砂糖添加量15 g/L，檸檬酸添加量3 g/L為基礎條件，以感官評分為評價指標，考察料液比（1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18（g/mL））、白砂糖添加量（5、10、15、20、25 g/L）、檸檬酸添加量（1、2、3、4、5 g/L）對燕麥鷹嘴豆復合飲料感官品質的影響。

1.2.4.2 正交試驗設計

在前期單因素試驗的基礎上，采用L9(34)正交試驗設計，對燕麥鷹嘴豆復合飲料配方進行優化。正交試驗因素與水平設計見表2。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Orthogonal factor level table

1.2.4.3 感官評定

參考任建軍[11]的方法，分別從色澤、風味、組織狀態和滋味4 個方面對燕麥鷹嘴豆復合飲料進行感官評價。采取雙盲法，選取10 位經過專業訓練的食品專業學生按照表3 的感官評價標準進行評分，取平均值作為最終得分。

表3 燕麥鷹嘴豆復合飲料感官評分標準Table 3 Sensory evaluation criteria of oat-chickpea compound beverage

1.2.5 復合飲料穩定性優化試驗設計

1.2.5.1 單因素試驗設計

在燕麥鷹嘴豆復合飲料最佳配方基礎上，同時參考龐震鵬[12]的試驗設計，初始選定CMC-Na 添加量1.5 g/L、黃原膠添加量0.4 g/L、海藻酸鈉添加量0.3 g/L，以飲料離心沉淀率為評價指標（設定穩定劑添加量范圍內，復合飲料感官評分差異不顯著，在評價單一穩定劑對試驗結果的影響時，其他穩定劑的添加量不變），考察CMC-Na 添加量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L）、黃原膠添加量（0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 g/L）、海藻酸鈉添加量（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L）對復合飲料穩定性的影響。

1.2.5.2 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，依據Box-Behnken中心組合設計原理，以CMC-Na、黃原膠、海藻酸鈉添加量為自變量，以離心沉淀率為響應值，設計3 因素3 水平響應面試驗，對燕麥鷹嘴豆復合飲料復配穩定劑配方進行優化，試驗因素和水平見表4。

表4 Box-Behnken 設計因素水平表Table 4 Factors and levels for Box-Behnken design單位：g/L

1.2.6 測定項目與方法

1.2.6.1 蛋白質含量

根據GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[13]規定的方法進行測定。其中，燕麥換算系數為5.83，鷹嘴豆換算系數為6.25。

1.2.6.2 氨基酸含量

參照GB 5009.124—2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》[14]規定的方法進行測定。

1.2.6.3 離心沉淀率

參考王昌陵等[15]的方法，將均質完成的燕麥鷹嘴豆復合飲料在室溫下靜置24 h，準確移取10 mL 至15 mL 離心管中，于4 000 r/min 離心10 min 后取出，棄上清液后用濾紙吸除管壁上殘留液體，準確稱量沉淀物質量（精確至0.001 g）。離心沉淀率越低，表示復合飲料越不易沉淀，穩定性越好，計算公式如下：

1.2.7 數據處理

數據采用SPSS 20 軟件進行正交試驗和方差分析，所有指標重復測定4 次，結果以xˉ±s 表示，運用Excel 2016 繪制圖形，Design-Expert 8.0.6 軟件進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 燕麥鷹嘴豆氨基酸評分及混合配比試驗結果

燕麥和鷹嘴豆的蛋白質含量分別為13.5 g/100 g和22.1 g/100 g，其氨基酸含量見表5。

表5 燕麥、鷹嘴豆蛋白質和氨基酸含量Table 5 Protein and amino acids contents of oat and chickpea

由表6 可知，蛋氨酸+胱氨酸是燕麥的第一限制氨基酸，蘇氨酸是鷹嘴豆的第一限制氨基酸，作為單一原料使用時，其氨基酸構成與FAO/WHO 標準氨基酸模式存在較大差別，氨基酸模式不均衡。鷹嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸含量豐富，氨基酸評分為151，燕麥米中蘇氨酸含量比鷹嘴豆含量高，氨基酸評分為90，故可將燕麥和鷹嘴豆進行合理復配，使其更符合人體所需要的模式。

表6 燕麥、鷹嘴豆氨基酸評分Table 6 Amino acid score of oat and chickpea

根據氨基酸互補原理，在燕麥蛋氨酸+胱氨酸評分為63，鷹嘴豆蘇氨酸評分為67 的基礎上，假設互補配方中燕麥必需氨基酸用量為X，鷹嘴豆必需氨基酸用量為Y，根據低成本、高營養的原則經多次計算擬選擇蛋白質互補之后的氨基酸評分為80。

蛋氨酸+胱氨酸評分：63X+151Y=80

蘇氨酸評分分數：90X+67Y=80

可得：X=0.72，Y=0.23

經過核算，復配后的燕麥鷹嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸評達到80.09，蘇氨酸的氨基酸評分達到80.21。

計算燕麥、鷹嘴豆在配方里的用量：

式中：Ly 為配方中原料用量；Lb 為配方中蛋白質必需氨基酸用量；Ha 為某種原料蛋白質含量，%；Hy 為蛋白質中含必需氨基酸含量，%。

燕麥：0.72/（13.5%×38.67%）=13.79

鷹嘴豆：0.23/（22.1%×58.15%）=1.79

即燕麥、鷹嘴豆添加量最佳質量配比為138∶18。

2.2 燕麥鷹嘴豆復合飲料配方優化單因素試驗結果

2.2.1 料液比對復合飲料感官品質的影響

由圖1 可知，隨著料液比的增大，復合飲料的感官評分呈先上升后下降的趨勢。當料液比為1∶16（g/mL）時，復合飲料的感官評分最高，為89±0.91 分。當繼續增大水添加量時，推測復合飲料口感寡淡導致感官評分下降。故在保證不破壞復合飲料適口性條件下，確定最佳料液比為1∶16（g/mL）。

圖1 料液比對燕麥鷹嘴豆復合飲料感官評分的影響Fig.1 Effect of material to water ratio on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.2 白砂糖添加量對復合飲料感官品質的影響

由圖2 可知，隨著白砂糖添加量的增加，復合飲料的感官評分逐漸增加。其中白砂糖添加量為20 g/L時，飲料口感最好，感官評分為91.25±1.31 分。當白砂糖添加量達到25 g/L 時，復合飲料感官評分略有下降，但不顯著。因此從成本及健康角度考慮，選擇將白砂糖添加量20 g/L 作為最佳添加量推薦。

圖2 白砂糖添加量對燕麥鷹嘴豆復合飲料感官評分的影響Fig.2 Effect of addition of white sugar on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.3 檸檬酸添加量對復合飲料感官品質的影響

由圖3 可知，檸檬酸添加量為2 g/L 時，燕麥、鷹嘴豆復合飲料感官評分為91.50±0.64 分，此時的飲料酸甜適口，谷物風味濃郁，評分最高。當檸檬酸添加量為1 g/L 時，復合飲料感官評定得分略低于其添加量為2 g/L 時，但差異不顯著。當繼續逐漸增大飲料中檸檬酸添加量時，復合飲料感官評分值顯著下降，推測原因為，隨著檸檬酸含量增加，飲料變得酸澀讓人難以接受，故影響飲料感官評分。故推薦檸檬酸的添加量為1～2 g/L。

圖3 檸檬酸添加量對燕麥鷹嘴豆復合飲料感官評分的影響Fig.3 Effect of addition of citric acid on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.3 燕麥鷹嘴豆復合飲料配方優化正交試驗結果

根據單因素試驗所得的試驗參數范圍，選擇料液比（A）、白砂糖添加量（B）和檸檬酸添加量（C）3 個因素進行正交試驗，以確定燕麥鷹嘴豆復合飲料最佳工藝配方。由表7 可知，各因素對復合飲料感官評分影響的大小排序為B＞C＞A，說明在設定的范圍內白砂糖添加量影響作用最大，檸檬酸添加量次之，料液比影響最小；最佳燕麥鷹嘴豆復合飲料工藝配方為A2B2C2，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，檸檬酸添加量2 g/L，根據A2B2C2重新調配復合飲料進行感官評定，得分為88.63±0.97 分。由表8 方差分析可以看出，白砂糖添加量對感官品質的影響極顯著（P＜0.01），檸檬酸添加量對感官品質的影響顯著（P＜0.05），而料液比的影響不顯著。

表7 復合飲料配方優化正交試驗結果Table 7 Orthogonal test results for optimization of composite beverage formulation

表8 方差分析表Table 8 Variance analysis table

2.4 復合飲料穩定劑優化單因素試驗結果

在未使用穩定劑的情況下，復合飲料離心沉淀率為20.63%±0.85%。由圖4 可知，隨著3 種穩定劑添加量的增加，復合飲料的離心沉淀率均呈先降低后上升的趨勢。當CMC-Na 添加量為1.0 g/L 時，穩定性最高，離心沉淀率為13.08%±0.31%。CMC-Na 添加量大于1.0 g/L 后，復合飲料離心沉淀率上升，即穩定性下降，這可能是隨著CMC-Na 和燕麥及鷹嘴豆谷豆蛋白質之間靜電相互作用加強，導致乳濁體系由排斥絮凝轉變為橋接絮凝，從而導致穩定性大大降低[16]。當黃原膠添加量為0.4 g/L 時，此時復合飲料離心沉淀率為14.90%±0.06%，但隨著黃原膠添加量的增加，離心沉淀率逐步增加，這可能由于黃原膠在復合飲料加工工藝中受熱，導致其分子結構發生變化，從而引起體系絮凝[17]。當海藻酸鈉添加量為0.2 g/L 時，離心沉淀率為14.98%±0.12%，此時復合飲料穩定性最高。同樣繼續添加海藻酸鈉，穩定性下降，離心沉淀率上升，原因可能由于加工過程中熱處理和剪切導致分子尺寸減小，黏度下降[18]。

圖4 3 種穩定劑對復合飲料離心沉淀率的影響Fig.4 Effect of three stabilizers on centrifugal sedimentation rate of composite beverage

2.5 復合飲料穩定劑響應面優化結果

2.5.1 響應面試驗設計

基于單因素試驗結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件采用Box-Behnken 設計原理，以復合飲料離心沉淀率為響應值（Y）進行響應面試驗優化，試驗設計及結果見表8。

表8 復合飲料穩定劑優化Box-Behnken 試驗設計與結果Table 8 Design and results of Box-Behnken tests for composite beverage stabilizer optimization

2.5.2 響應面回歸模型的建立與分析

采用軟件對表8 中數據進行二次多元回歸擬合分析，確定響應面的回歸方程為：Y=12.90+0.80X1-0.93X2-0.65X3-0.088X1X2+0.095X1X3-0.56X2X3+0.91X21+0.81X22+0.97X23。

復合飲料穩定劑響應面回歸模型方差分析見表9。由表9 可以看出，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著，決定系數R2=0.982 4，校正決定系數R2adj=0.959 8，說明該模型擬合良好，可以用于復合飲料離心沉淀率的分析和預測。由表9 的回歸系數顯著性和圖5 各因素交互影響可知，一次項X1、X2、X3、交互項X2X3及二次項X21、X22、X23均對復合飲料離心沉淀率影響極顯著（P＜0.01），說明CMC-Na、黃原膠和海藻酸鈉的添加量對維持燕麥鷹嘴豆復合飲料穩定性影響是極顯著的，其中黃原膠和海藻酸鈉之間的交互作用對復合飲料離心沉淀率的影響很大，且考察因素對復合飲料穩定性的影響并不是單純的線性關系。

2.5.3 最佳條件的確定和回歸模型的驗證

使用響應面圖可以得到最優參數，等高線圖呈橢圓狀表示兩個因素間交互作用顯著，而圓形則不顯著[19]。由圖5 可知，各因素之間對復合飲料離心沉淀率的影響相似，黃原膠和海藻酸鈉（X2X3）之間的交互作用影響較明顯，這與表9 中方差分析的結果一致。

圖5 各因素交互作用對復合飲料離心沉淀率影響的響應面圖Fig.5 Response surface plot of the effect of factors interaction on centrifugation precipitation rate of composite beverage

表9 回歸模型方差分析Table 9 Variance analysis of regression model

通過模型回歸分析得到各因素的最優組合為：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黃原膠添加量0.5 g/L，海藻酸鈉添加量0.3 g/L，此時復合飲料離心沉淀率為12.36%。為驗證試驗預測的準確性，采用該組合進行驗證試驗，離心沉淀率為12.40%±0.07%，與預測值相差不大，說明該復合飲料穩定性預測模型預測擬合度高，具備良好使用價值。

3 結論

本試驗通過測定燕麥和鷹嘴豆蛋白質和必需氨基酸含量，參考FAO/WHO 規定氨基酸組成標準模式，通過選擇最佳氨基酸互補配方，確定燕麥和鷹嘴豆的最佳原料添加量質量比為138∶18。通過單因素和正交試驗對燕麥鷹嘴豆復合飲料工藝配方進行了優化，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，檸檬酸添加量2 g/L。在最佳復合飲料配方的基礎上，通過單因素和響應面法研究復合飲料穩定性，確定在試驗范圍內最佳復配穩定劑組合為：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黃原膠添加量0.5 g/L，海藻酸鈉添加量0.3 g/L，在此穩定劑組合下，復合飲料離心沉淀率為12.40%±0.07%。綜上所述，本研究開發的燕麥鷹嘴豆復合飲料，提高了燕麥和鷹嘴豆的資源利用率和營養價值，對天然谷豆類復合飲料的開發提供了理論支撐。