主成分分析法優化綠茶復合代餐粉配方

李玉壬，吳神群，楊慧，陳春鳳，楊曉萍

（華中農業大學園藝林學學院園藝植物生物學教育部重點實驗室，湖北 武漢 430070）

隨著生活水平的逐漸提高，人們開始關注自身生理指標是否能夠滿足健康生活的要求，全球范圍內有超過40%的人正在進行減肥，并且主要通過飲食減肥[1]。常見的減重治療包括生活方式的調整、內科藥物與外科手術治療等多種手段[2]。頻繁使用藥物與手術治療會對人體造成不可逆的傷害[3]。目前主流觀點認為改變環境與生活方式是預防或治療肥胖的關鍵，包括合理膳食、加強體力鍛煉、矯正過度進食或活動不足的行為和習慣等[4]。健康且長期有效的治療方式推動了代餐食品與其他減肥途徑相結合，代餐食品逐漸成為減肥市場的研究熱點，其多以低熱量的膳食營養物質組成[5]，作為一類簡單快捷的低熱量食物滿足了當代消費者的需求。代餐食品以自身優勢占據了功能食品市場中優勢地位。研究表明，代餐食品可以明顯降低體重，減弱代謝綜合征對人體的影響，如心血管疾病、糖尿病等[6]。

綠茶中的生物活性成分具有減肥效果，同時可以補充人體多種必需營養元素。長期以來，綠茶的降脂能力受到減肥市場的青睞，市場上出現了種類多樣的綠茶復合產品，如膳食餅干、功能性飲料和速溶茶等產品，但目前鮮有關于綠茶復合膳食代餐粉的研究。本文以綠茶、羽衣甘藍、魔芋精粉為主要原料，通過測定抗氧化活性和體外降脂能力，結合感官評價對代餐粉進行工藝優化，開發一種能量和脂肪含量低、蛋白質含量高，同時抗氧化活性和降脂效果明顯的綠茶復合代餐粉，以期為消費者提供更全面的產品選擇。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠茶粉：華中農業大學茶葉深加工與綜合利用實驗室自制，以福云六號茶樹品種一芽三葉夏秋茶鮮葉為原料，鮮葉采自華中農業大學教學茶園，經蒸汽殺青、干燥、粉碎和過篩（100目）所得；羽衣甘藍（食品級）：江蘇津杰食品有限公司；白蕓豆、菊粉（均為食品級）：亳州寶豐生物科技有限公司；魔芋精粉、大豆分離蛋白、赤蘚糖醇（均為食品級）：河南萬邦化工科技有限公司。

1，1-二苯基-2-苦基肼（DPPH）、2，2’-聯氨-雙-3-乙基苯丙噻唑琳-6-磺酸二銨鹽（ABTS）：上海源葉生物科技有限公司；胰脂肪酶（酶活≥4 000 U/g）、2，4，6-三吡啶基三嗪：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；鄰苯二甲醛：上海麥克林生化科技有限公司；以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

722N型可見分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；IS-RDD3型臺式恒溫振蕩器：美國Crystal公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；TDL-5-A型離心機：上海安亭科學儀器廠；ZHPZ-115型生化培養箱：天津市萊伯特瑞儀器設備有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 代餐粉制備工藝

各原料（綠茶粉、羽衣甘藍、魔芋精粉、白蕓豆粉、菊粉、大豆分離蛋白、赤蘚糖醇）過100目篩保存，按照不同質量比混合均勻，得到綠茶復合代餐粉產品。

1.3.2 代餐粉單因素試驗設計

以體外降脂能力（持油力、膽固醇吸附量和胰脂肪酶抑制率）為評價指標，研究不同綠茶粉添加量（5%、10%、15%、20%、25%）、羽衣甘藍添加量（15%、25%、35%、45%、55%）以及魔芋精粉添加量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）對代餐粉品質的影響。

1.3.3 正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，利用L9（34）正交試驗探究不同原料添加量對代餐粉感官品質、抗氧化活性和體外降脂能力的影響，從而優化代餐粉配方，正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 正交試驗因素與水平設計Table 1 Orthogonal experimental factors and horizontal design

1.3.4 代餐粉感官評價

稱取10 g的代餐粉，加入100 mL、90℃的水，攪拌冷卻后進行感官評價，選擇8名人員（各項感知能力均正常，無吸煙酗酒、色盲色弱等問題[7]）進行代餐粉感官評價，參考GB/T 10221—2021《感官分析術語》和T/DCF 001—2019《代餐粉》，選取外形、溶解性、色澤、風味和口感作為感官評價因素，各項分配不同權重，感官評價總分為各項感官因素評分乘以權重后的加和，具體感官評價標準見表2。

表2 代餐粉感官審評標準Table 2 Sensory scoring scale of meal replacement powder

1.3.5 代餐粉體外降脂能力分析

1.3.5.1 持油力測定

取3.0 g代餐粉，分別加入20 mL豬油或20 mL大豆油，37℃靜置1 h，4 500 r/min離心20 min，除去上層油后稱質量，根據下式計算得樣品對飽和脂肪與不飽和脂肪的吸油量（g/g）[8]。

式中：m為樣品質量，g；m0為樣品吸油后質量，g。

1.3.5.2 膽固醇吸附量測定

取新鮮雞蛋分離蛋黃，按照蛋黃∶蒸餾水=1∶9（體積比）加入蒸餾水，攪拌后得到蛋黃乳液。量取15 mL蛋黃乳液，加入0.3 g樣品混合均勻，分別調節pH值為2和7，37℃振蕩2 h，4 500 r/min離心 20 min，收集上清液。準確移取上清液0.04 mL，在550 nm下采用鄰苯二甲醛法比色測定膽固醇含量，以膽固醇為標準物質制作標準曲線，膽固醇吸附量（mg/g）按下式計算[9]。

式中：m0為未吸附乳濁液中膽固醇質量，mg；m1為已吸附上清液中膽固醇質量，mg；m為樣品質量，g。

1.3.5.3 胰脂肪酶抑制率測定

取1 mL橄欖油，加入0.025 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH7.4）5 mL，37℃水浴保溫5 min后，加入適量樣品溶液，37℃水浴保溫5min，然后除空白外，各加入2mg/mL胰脂肪酶液（由0.025 mol/L pH7.4磷酸緩沖液配制）1 mL，反應5 min后，加入15 mL 95%乙醇終止酶反應，再加1%酚酞2滴～3滴，用0.025 mol/L氫氧化鈉滴定至淡紅色，胰脂肪酶抑制率（%）按下式計算[10]。

式中：A為樣品管消耗氫氧化鈉的體積，mL；A0為樣品空白管消耗氫氧化鈉的體積，mL；B為對照管消耗氫氧化鈉的體積，mL；B0為空白對照管消耗氫氧化鈉的體積，mL。

1.3.6 抗氧化活性分析

總抗氧化活性（ferric reducing ability of plasma，FRAP）按照 Benzie等[11]的方法測定；DPPH·清除能力按照Blois[12]的方法測定；ABTS＋·清除能力參考Re等[13]和 Thaipong等[14]的方法測定。

1.4 營養成分測定

參考GB 28050—2011《食品安全國家標準預包裝食品營養標簽通則》測定各項營養成分；碳水化合物和能量測定參考GB/Z 21922—2008《食品營養成分基本術語》；蛋白質測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》；脂肪測定參考GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》；鈉測定參考GB 5009.91—2017《食品安全國家標準食品中鉀、鈉的測定》，根據結果計算并繪制營養成分表。

1.5 數據統計分析

所有試驗均為3次重復，結果以平均值±標準差表示。采用SPSS 25.0進行單因素方差分析與主成分分析。對代餐粉的各項評價指標進行主成分分析，得到原始數據特征值、貢獻率及累積貢獻率并對特征值大于1的主成分進行主成分提取[15]，同時根據下式進行計算得到綜合評分F和規范化得分Z。

式中：F1、F2為主成分 1、2 因子得分；Y1、Y2為主成分特征值；Fmax、Fmin為綜合得分中最大值和最小值。

2 結果與分析

2.1 綠茶粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響

綠茶粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響見表3。

表3 綠茶粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響Table 3 Effect of green tea powder addition on the sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表3可知，因為綠茶本身的鮮爽與苦澀味，綠茶粉添加量的增加使得感官評分先升高后降低，綠茶粉添加量為15%的綠茶代餐粉口感細膩，感官評價最佳。隨著綠茶粉添加量的增加，代餐粉的膽固醇吸附量（pH7）與胰脂肪酶抑制率顯著增大（p＜0.05），但持油力與膽固醇吸附量（pH2）無明顯差異。造成不同pH值條件下膽固醇吸附量差異的原因可能是綠茶中具有降脂效果的茶多酚在弱堿性環境下會發生氧化、聚合、降解等反應，導致其含量降低，說明相較于弱堿環境，茶多酚在酸性環境中更加穩定，使不同綠茶粉添加量在pH2環境中膽固醇吸附量無顯著差異[16-17]。易吸水溶脹的碳水化合物和纖維素等物質影響代餐粉持油力[18]，不同綠茶粉添加量的代餐粉之間無明顯差異，其原因可能是綠茶并非代餐粉中膳食纖維的主要來源。因此，綜合考慮選擇綠茶粉添加量為10%～20%。

2.2 羽衣甘藍添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響

羽衣甘藍是一種十字花科植物，富含人體必需礦物質、生物活性物質和膳食纖維，其所含硫代葡萄糖苷作為次生代謝產物，能夠預防癌癥和心腦血管疾病[19-21]，此外，羽衣甘藍含有豐富的維生素C和酚類化合物，具有抗氧化作用。羽衣甘藍添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響見表4。

例2：(2002年（襄樊市中考題）如圖8，已知在矩形ABCD中，AB=6cm，BC=12cm，點P從點A開始沿AB邊向點B以1厘米/秒的速度移動，點Q從點B開始沿BC邊向點C以2厘米/秒的速度移動，如果P、Q分別從A、B同時出發，設S表示面積，X表示移動時間(X＞0),

表4 羽衣甘藍添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響Table 4 Effect of kale addition on the sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表4可知，隨著羽衣甘藍添加量的增加，感官評分先升高后降低，羽衣甘藍具有明顯咸味與青草氣，稍苦澀，添加量少時香味較淡，添加量多時羽衣甘藍掩蓋了其他配料的風味。感官評價結果表明，添加35%的羽衣甘藍代餐粉風味協調，感官評價最佳。隨著羽衣甘藍添加量的增加，持油力（不飽和脂肪）與胰脂肪酶抑制率顯著升高（p＜0.05）；膽固醇吸附量（pH2）呈現先升高后穩定的趨勢，在pH7條件下，膽固醇吸附量先升高后降低，在35%時有最大值；持油力（飽和脂肪）無明顯差異。因此，綜合考慮選擇羽衣甘藍添加量為25%～45%。

2.3 魔芋精粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響

魔芋精粉具有豐富的生物活性，在食品加工中應用廣泛，其主要成分為魔芋葡甘聚糖，因為該物質分子量大、水合能力強和不帶電荷等特性使其具有優良的增稠性質，此外，魔芋葡甘聚糖是一種優良的水溶性膳食纖維，具有明顯的降血脂效果，能夠調節脂質代謝、預防高脂血癥[22]。魔芋精粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響見表5。

表5 魔芋精粉添加量對代餐粉感官品質和體外降脂能力的影響Table 5 Effect of konjac powder addition on sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表5可知，隨著魔芋精粉添加量增加，代餐粉形態產生明顯變化，添加量少時代餐粉黏度小，易分層，添加量多時代餐粉黏度大，易結塊，從而影響代餐粉風味與口感。感官評價結果表明，添加2.0%的魔芋精粉代餐粉形態較好、口感豐富，隨著魔芋精粉添加量的增加，膽固醇吸附量（pH2）和持油力（飽和脂肪）升高；胰脂肪酶抑制率則呈現先升高后降低的趨勢；持油力（不飽和脂肪）沒有明顯差異。因此，綜合考慮選擇魔芋精粉添加量為1.5%～2.5%。

2.4 正交試驗優化配方

采用L9（34）進行正交試驗設計，在感官評價的基礎上，以 FRAP、DPPH·和 ABTS+·的清除能力、持油力、膽固醇吸附量和胰脂肪酶抑制率為正交試驗評價指 標，測定結果如表6所示。

表6 正交試驗測定結果Table 6 Orthogonal experimental design results

2.4.1 主成分提取及貢獻率計算

為消除各個指標單位、度量的差異，采用SPSS 25.0對表6中代餐粉的胰脂肪酶抑制率、持油力、膽固醇吸附量和抗氧化活性進行主成分分析，得到少量指數，代替原始指標中包含的信息，客觀地確定各個指標的權重，避免主觀隨意性[23-24]。代餐粉主成分特征值及貢獻率見表7。

表7 代餐粉主成分特征值及貢獻率Table 7 Principal component characteristic value and contribution rate of meal replacement powder

表8 主要指標的特征向量表Table 8 Characteristic vector scale of main indicators

決定第1主成分的指標為胰脂肪酶抑制率、膽固醇吸附量和抗氧化活性指標；決定第2主成分的是持油力。同時，根據表8可以得到各主成分得分F1和F2。

以不同特征值的方差貢獻率為加權系數，利用綜合評價函數計算出主成分的主成分分數及規范化得分，以規范化得分作為正交試驗評價指標，結果如表9所示。

表9 主成分得分值與規范化得分Table 9 Principal component score value and standardized comprehensive score

2.4.2 正交試驗結果分析

以規范化得分為評價指標，代餐粉配方正交試驗分析結果見表10。

表10 代餐粉配方正交試驗分析結果Table 10 Analysis results of orthogonal test of meal replacement powder formula

由表10可知，影響綠茶復合代餐粉規范化得分的因素主次順序為A（綠茶粉添加量）＞B（羽衣甘藍添加量）＞C（魔芋精粉添加量）。根據代餐粉配方正交試驗結果分析可得，優化工藝組合為A3B3C1，即綠茶復合代餐粉的最優配方選擇為綠茶粉添加量20%、羽衣甘藍添加量45%、魔芋精粉添加量1.5%，測定其規范化得分為1.34，與正交試驗各組結果比較，該配方代餐粉規范化得分最高。

2.5 最優配方營養成分測定

營養成分與功能指標測定結果見表11。

表11 營養成分與功能指標測定結果Table 11 Nutrient composition and functional index measurement results

如表11所示，能量為1 494.0 kJ/100 g，達到了國內代餐食品標準限定每餐能量大于835kJ/100g，不高于1 670 kJ/100 g的要求[25]，同時富含蛋白質、脂肪含量低，能夠滿足基本營養需求，保證人體能量攝入。

3 結論

本文對綠茶復合代餐粉的配方進行研究，以代餐粉的感官評價、抗氧化活性和體外降脂能力為評價指標，通過單因素試驗與正交試驗，結合主成分分析法對其進行綜合品質評價，通過統計數學模型分析，得出綠茶復合代餐粉的最優配方為綠茶粉添加量20%、羽衣甘藍添加量45%、魔芋精粉添加量1.5%、其他組分添加量33.5%。此配方代餐粉具有能量低、高蛋白、脂肪含量低、營養豐富、抗氧化活性明顯的特點，同時持油力、體外膽固醇吸附和胰脂肪酶抑制率試驗結果表明，該代餐粉具有一定的降血脂能力。利用綠茶粉與其他食品復配所得代餐粉，提高了綠茶粉的營養價值，強化降血脂能力，為綠茶的綜合利用與復合產品的研發提供參考。