基于單因素實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面優(yōu)化竹汁果凍的工藝配方

段艾伶，李翔宇，嚴(yán) 寬

（宜賓學(xué)院 農(nóng)林與食品工程學(xué)部，四川宜賓 644000）

竹汁是從竹中提取的天然汁液，有較為豐富的營養(yǎng)價(jià)值[1]。果凍是一種由可食用凝膠劑制成的口感細(xì)膩、凝膠狀態(tài)的制品。目前，國內(nèi)外在果凍研發(fā)實(shí)驗(yàn)中對探究最佳配方的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路主要分為正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本研究首次運(yùn)用竹汁作為主要原材料，結(jié)合現(xiàn)代果凍制作工藝，采用響應(yīng)面優(yōu)化法預(yù)測竹汁果凍的最佳工藝配方，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)后得到竹汁果凍的最佳工藝配方，為研發(fā)一種新型竹食品——竹汁果凍提供科學(xué)依據(jù)，從而制得一款天然營養(yǎng)、口感尚佳的竹汁果凍。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

竹汁（四川省通園制藥集團(tuán)有限公司）；卡拉膠（河南騰達(dá)食品配料有限公司）；赤蘚糖醇（日本日研化學(xué)公司）；魔芋膠、明膠片（東方珍味食品有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

以復(fù)合凝膠劑的添加量、竹汁的添加量、赤蘚糖醇的添加量為影響因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。基于前期竹汁果凍單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步縮小了各因素的最佳用量范圍，確定在赤蘚糖醇添加量5%～15%、竹汁添加量為5%～25%、復(fù)配膠添加量為0.6%～1.0%進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，通過響應(yīng)面優(yōu)化分析可預(yù)測理論最佳工藝配方和最高感官得分值，并在理論最佳條件進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)和質(zhì)量檢驗(yàn)，從而得到竹汁果凍的最佳工藝配方。

1.2.1 竹汁果凍工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（表1），采用Design-Expert10.0.1優(yōu)化竹汁果凍的工藝配方。

表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.2.2 竹汁果凍質(zhì)量評定

按預(yù)測所得最佳配方，結(jié)合果凍制作工藝，得到竹汁果凍成品，隨后進(jìn)行果凍質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評定。

（1）感官評定。樣品采用感官評分法進(jìn)行評定，由《果凍》（GB/T 19883—2018）[2]可知果凍感官評價(jià)從色澤、滋味氣味和組織形態(tài)3個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。

（2）理化指標(biāo)測定。果凍產(chǎn)品的理化指標(biāo)為蛋白質(zhì)和可溶性固形物，其中針對以竹汁為主要原材料制成的果凍，理化指標(biāo)則為可溶性固形物。用數(shù)顯糖度計(jì)法對竹汁果凍進(jìn)行可溶性固形物含量測定。

（3）微生物指標(biāo)測定。參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)果凍》（GB 19299—2015）[3]的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，采用Design-Expert 10.0.1根 據(jù)Box-Behnken實(shí) 驗(yàn)方案數(shù)據(jù)擬合得到二次多項(xiàng)函及相應(yīng)的模型，即可利用該模型預(yù)測出最佳配方和感官評分理論最高值。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立及顯著性分析檢驗(yàn)

在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以感官評價(jià)得分（Y，分）為響應(yīng)值，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑪M合二次多項(xiàng)方程可得最優(yōu)工藝配方及最高感官評價(jià)得分。3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

通過采用Design-Expert10.0.1軟件對Box-Behnken設(shè)計(jì)方案和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合二次方程，可得二次多項(xiàng)回歸方程：Y=0.076A+0.41B+0.25C-0.47AB-0.047AC+0.068BC-1.23A2-1.07B2-1.73C2+85.88。

為更好檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕瑢憫?yīng)面模型進(jìn)行方差和顯著性分析，回歸模型的方差分析結(jié)果如表3。

由表3方差分析可知，回歸模型的F值為20.15，P值為0.000 3，表示該回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)F值為0.22，P值為0.878 7，表示失擬項(xiàng)不顯著。由此，說明該模型可接受并可用于評估3個(gè)自變量對于感官評價(jià)得分的影響，即表示該模型可用于評估竹汁果凍的感官評價(jià)得分[4]。

表3 回歸模型的方差分析表

2.2 響應(yīng)面分析

由圖1可知，當(dāng)竹汁添加量為22.216 4%，赤蘚糖醇添加量為10.336%時(shí)，響應(yīng)曲面為最高點(diǎn)且等高線形狀為馬鞍狀，表明竹汁添加量和赤蘚糖醇添加量間的相互作用對竹汁果凍的感官評價(jià)得分影響極顯著。

圖1 竹汁和赤蘚糖醇添加量兩因素間交互作用對感官得分的響應(yīng)面和等高線圖

由圖2可知，當(dāng)竹汁添加量為22.216 4%，復(fù)配膠添加量為0.812 442%時(shí)，響應(yīng)曲面達(dá)到最高點(diǎn)且等高線形狀為馬鞍狀，表明竹汁添加量和復(fù)配膠添加量間的相互作用對竹汁果凍的感官評價(jià)得分影響極顯著。

圖2 竹汁和復(fù)配膠添加量兩因素間交互作用對感官得分的響應(yīng)面和等高線圖

由圖3可知，當(dāng)赤蘚糖醇添加量為10.036 6%、復(fù)配膠添加量為0.812 442%時(shí)，響應(yīng)曲面達(dá)到最高點(diǎn)，等高線呈馬鞍狀，表明赤蘚糖醇添加量和復(fù)配膠添加量的相互作用對竹汁果凍的感官評價(jià)得分影響極顯著。

圖3 赤蘚糖醇和復(fù)配膠添加量兩因素間交互作用對感官得分的響應(yīng)面和等高線圖

2.3 竹汁果凍最佳加工工藝配方和回歸模型驗(yàn)證

利用回歸模型通過響應(yīng)面法可擬合得到最佳竹汁果凍的加工工藝配方。擬合所得最佳工藝條件為竹汁添加量22.216 4%，復(fù)配膠添加量0.812 442%，赤蘚糖醇添加量10.336 6%。并且通過響應(yīng)面法得到該配方的竹汁果凍感官評價(jià)得分預(yù)測值為85.306 5分。此外，考慮到實(shí)際操作情況與工業(yè)生產(chǎn)便利性等情況，將上述原料按百分率換算為竹汁添加量22%，復(fù)配膠添加量0.8%，赤蘚糖醇添加量10%。

采用上述最優(yōu)竹汁果凍加工工藝配方，重復(fù)進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，制得一款色澤金黃、口感柔滑且獨(dú)具竹味清香的果凍，再對其進(jìn)行感官評價(jià)。所得感官評價(jià)得分為（85±1.09）分，與預(yù)測值相似度為98.36%～99.09%，說明竹汁果凍最佳工藝配方為竹汁添加量22%，赤蘚糖醇添加量10%，復(fù)配膠添加量0.8%。

2.4 質(zhì)量分析

2.4.1 竹汁果凍感官評定檢驗(yàn)結(jié)果

采用響應(yīng)面法優(yōu)化所得的最佳工藝配方，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到一款組織形態(tài)良好、口感順滑、色澤金黃、透明無雜質(zhì)且具有獨(dú)特的竹味清香的竹汁果凍。

2.4.2 竹汁果凍的質(zhì)量指標(biāo)檢測結(jié)果

（1）理化指標(biāo)的檢測。采用《果凍》（GB/T 19883-2018）中果凍數(shù)顯糖度計(jì)法對可溶性固形物進(jìn)行測定。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，測定竹汁果凍中可溶性固形物的含量為17.39%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。理化指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

表4 竹汁果凍質(zhì)量指標(biāo)檢測結(jié)果

（2）微生物指標(biāo)的檢測。竹汁果凍微生物參照指標(biāo)為菌落總數(shù)、大腸桿菌數(shù)、霉菌和酵母菌數(shù)。參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》（GB 4789.2—2016）方法對菌落總數(shù)進(jìn)行測定；根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 大腸菌群計(jì)數(shù)》（GB 47893—2016）方法對大腸菌群進(jìn)行測定；參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 霉菌和酵母菌計(jì)數(shù)》（GB 4789.15—2016）方法對霉菌、酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)過微生物檢測，菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌的檢出量分別為31 CFU·g-1、9 CFU·g-1、11 CFU·g-1，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

本研究探索竹汁果凍的最佳配方采用的分析方法為響應(yīng)面優(yōu)化法，相較于正交分析法，響應(yīng)面優(yōu)化法所需實(shí)驗(yàn)組數(shù)較多，理解相對困難，但響應(yīng)面優(yōu)化法是在一連續(xù)范圍內(nèi)選取最高數(shù)值，同時(shí)也將單因素間相互作用對響應(yīng)值的影響包含在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案內(nèi)。利用Design-expert10.0.1根據(jù)響應(yīng)面擬合所得二次多項(xiàng)方程式建立3D模型，可更為直觀了解到各因素間的相互作用對響應(yīng)值的影響程度和對竹汁果凍的最佳工藝進(jìn)行優(yōu)化，故該方法所得結(jié)果更為精準(zhǔn)且理論值預(yù)測能力較正交分析法更為突出[6]。因此，本研究在探究竹汁果凍的最佳工藝配方時(shí)選擇響應(yīng)面優(yōu)化法，使得結(jié)果更為準(zhǔn)確和可靠，為預(yù)測果凍最佳工藝條件的分析方法選擇上提供了一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

采用最佳工藝配方制得的竹汁果凍色澤金黃、組織形態(tài)良好、口感彈牙、呈透明狀少雜質(zhì)且具有獨(dú)特的竹味清香。實(shí)驗(yàn)主要是在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的感官得分為（85±1.09）分，與理論最高感官評價(jià)得分近似度為98.36%～99.09%。成品的各質(zhì)量指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。綜上，竹汁果凍最優(yōu)工藝配方為22%竹汁用量、10%赤蘚糖醇用量、0.8%的復(fù)配膠（魔芋膠∶卡拉膠=2∶1）用量。