響應面法優化大米肽果凍配方

黃瑩，趙彤，陳曦，楊曉

中國健康促進基金會抗衰老營養與健康研發中心（武漢 430000）

我國幅員遼闊，水稻種植面積極大，據統計，2019年稻谷的總產量達到2.1億 t[1]，位居世界各國稻谷總產量的首位。稻谷在國民經濟中占有舉足輕重的地位，但在稻谷加工成精米的過程中，會大量產生碎米和米糠這兩種副產物，據統計，每年我國會產生2 000萬 t碎米和1 400萬 t米糠，這些副產物絕大部分經過簡單的粉碎或烘干處理后，作為動物的蛋白飼料直接銷售，稻谷經濟效益沒有得到充分發揮。碎米和米糠中含有豐富的大米蛋白，其含量約為7.4%[2]，這些大米蛋白可以作為制備大米肽的原料。近年來，大量研究表明，大米肽具有降血壓[3-4]、調節免疫活性[5]、抗氧化[6]、抗高尿酸[7]、預防年齡相關性認知功能衰退和癡呆[8]，以及預防牙周炎[9]等生物活性。大米肽和大米蛋白一樣含有各種人體所需的氨基酸，但大米肽具有低抗原性，滿足人體營養需求時也不會造成身體的不良反應。同時，大米肽的相對分子質量比大米蛋白小很多，能通過腸道快速吸收，且消化性比大米蛋白更佳，使大米肽廣泛應用到各類提高人體健康水平的保健類食品中，包括功能性食品、保健食品營養制劑和特醫食品等[10]，是研制功能性食品的理想原料[11]。

果凍產品因其良好的風味，以及其特有的咀嚼性和彈性，是一種深受消費者喜愛的食品[12]。同時可在果凍配方中添加功能性成分，使其具備一定的保健效果，滿足某些特殊人群的需求[13]。目前關于大米肽的功能性食品報道相對較少，試驗以大米肽為主要原料，并輔以黑加侖果汁、凝膠劑，研制具有一定功能性的大米肽果凍，豐富大米肽的功能性食品應用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米肽、魔芋膠和卡拉膠（以下簡稱“復配膠”）、黑加侖果汁、檸檬酸鈉、氯化鉀、乳酸鈣、三氯蔗糖、黑加侖香精等均為市售。

1.2 儀器與設備

Scout電子天平[奧豪斯儀器（常州）有限公司]；AJL-10B電煮鍋（中山市奔邁電器有限公司）；HHS6數顯恒溫水浴鍋（江蘇金怡儀器科技有限公司）；FR-900多功能自動封口機（溫州市瑞利包裝機械有限公司）；LB 901糖度計（廣州市速為電子科技有限公司）；TA.XT Plus質構儀（英國Stable Micro System公司）；HTC-150恒溫恒濕培養箱（上海三騰儀器有限公司）。

1.3 果凍的制備

1.3.1 工藝流程

膠液的制備→調配→過濾→灌裝→殺菌→冷卻→成品

1.3.2 操作要點

溶液一：將復配膠、氯化鉀、乳酸鈣按比例混合均勻，邊攪拌邊加入60 mL冷水，使膠充分溶脹后，置于沸水中加熱10 min。

溶液二：將大米肽、黑加侖果汁、檸檬酸鈉、三氯蔗糖等加入沸水溶解均勻后，降溫后保持溫度在60～70 ℃。

待溶液一溫度降到70 ℃左右加入溶液二，邊加邊攪拌使之混合均勻，再加入黑加侖香精。過濾后趁熱灌裝，于80～90 ℃滅菌20 min，冷卻得到大米肽果凍，備用（按100 g計）。

1.4 單因素試驗

選擇復配膠添加量、大米肽添加量、復配膠配比、pH進行單因素試驗，每次試驗中設置其中三個因素為固定值，另外一個為變量，對其進行感官評價和質構分析，從而確定各個因素的適宜水平。復配膠添加量、大米肽添加量、復配膠配比、pH作為固定因素時，其值分別為0.8%，1%，2∶3和4。其他原料的添加量在各試驗中保持一致。

1.5 響應面優化試驗

在單因素試驗基礎上，以復配膠添加量（A）、大米肽添加量（B）、復配膠配比（C）、pH（D）為主要影響因素，以感官評分為響應值，采用響應面法設計中心組合試驗，優化大米肽果凍配方工藝，因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素及水平

1.6 感官評價

選擇10名食品相關人士進行感官評定，參考譚春明等[14]、GB 19299—2015[15]和GB/T 19883—2018[16]制定大米肽果凍感官評定表，總分為100分，具體評分標準詳見表2。

表2 果凍感官評價標準表

1.7 質構特性測定條件

TA.XT Plus型質構儀采用TPA模式測試。測試前探頭下降速度：2 mm/s；測試中探頭下降速度：1 mm/s；測試后探頭下降速度：2 mm/s；下壓距離：5.0 mm；兩次壓縮間隔時間：5 s；觸發力：5.0 gf；探頭直徑和類型：10.0 mm和P/0.5。3次平行試驗，取平均值。

1.8 數據統計與分析

采用SPSS 19.0和Design Expert軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 復配膠添加量

由表3可知，在添加量范圍內，隨著復配膠添加量的不斷增大，果凍的硬度、彈性、黏性和耐嚼性均呈上升趨勢，存在顯著性差異。由于膠添加量的增加，果凍凝膠中形成更多雙螺旋結構，增強了果凍的膠凝狀態，使內部分子之間排列更加緊密，形成穩定的三維網狀結構[17]。但當復配膠添加量達到2%時，會產生大量的不溶膠，并呈現凝固狀態，是因為過量的凝膠使果凍過度凝聚而表現出硬度大、彈性小的質構特性[18]。在感官評價中，當復配膠添加量較小時，果凍口感偏軟綿，隨著膠添加量的增大，口感爽滑Q彈，若持續增大，硬度、耐嚼性也增大，缺乏彈性，口感極差。綜合分析各因素，確定復配膠添加量0.8%為宜。

表3 復配膠添加量對果凍的影響

2.1.2 大米肽添加量

由表4可知，大米肽添加量影響果凍的感官評分和質構特性。隨著大米肽添加量增加，果凍的感官評分、硬度、彈性、黏性和耐嚼性存在顯著性差異，主要表現為下降趨勢，大米肽添加量影響了整個果凍膠體的結構，可能原因是蛋白質的疏水作用或等電點等影響了魔芋膠和卡拉膠的相互作用。大米肽添加量小于1%時，感官評分隨著大米肽添加量的增加而增加，當大米肽添加量較低時主要表現為黑加侖的果味，基本無大米肽味。大米肽添加量大于1%時，感官評分呈下降的趨勢，主要原因是隨著大米肽添加量增加，大米肽味較重，口感較差。綜合分析各因素，確定大米肽添加量1%為宜。

表4 大米肽添加量對果感的影響

2.1.3 復配膠配比

由表5可知，在膠添加量不變的條件下，復配膠配比中隨著魔芋膠含量的降低、卡拉膠含量的升高，果凍表現為硬度、黏性、耐嚼性均呈下降的趨勢，彈性沒有顯著性的差異。陳婕等[19]研究朝鮮薊果凍，同樣采用魔芋膠與卡拉膠，隨著魔芋膠含量的降低、卡拉膠含量的升高，硬度和咀嚼性均降低，彈性無顯著性差異，當配比為1∶3時，果凍的硬度、咀嚼性最低，果凍軟爛不成形，這與研究一致，因為在復配膠體系中，卡拉膠形成主要的網絡結構，而魔芋膠填補到網絡結構中，形成的膠體才更加穩定。鄭鳳錦等[20]研究香蕉果凍時發現，魔芋膠與卡拉膠比例為3∶1，硬度和咀嚼性達到最大，魔芋膠通過氫鍵與卡拉膠相互作用，形成更加致密的膠體三維網狀結構。試驗發現在復配膠配比為2∶3時，感官評分達到最大，此時果凍的硬度、彈性、黏性和耐嚼性均較適中。綜合分析各因素，確定復配膠配比2∶3為宜。

表5 復配膠配比對果凍的影響

2.1.4 pH

由表6可知，在pH范圍內，隨著pH的增大，硬度、彈性、黏性和耐嚼性均呈現增大的趨勢。這與莊遠紅等[21]研究的結果一致。當pH 2時，在酸的作用下卡拉膠發生水解作用，被降解為小分子，凝固性變差，不能形成穩定有序的網狀結構[22]。同時，高濃度的H+造成卡拉膠和魔芋膠之間氫鍵斷裂，分子舒展，破壞已形成的網絡結構，導致果凍硬度、彈性、黏性、耐嚼性下降[23-24]，隨著pH的增大，這些指標也呈現上升的趨勢，因為pH的增大，魔芋膠的多糖分子與大米肽中的蛋白質和多肽通過疏水相互作用和氫鍵作用形成可溶性復合物，在果凍制備過程中加熱使其形成具黏彈性的三維結構，把水分子包圍其中，使果凍硬度、彈性、黏性、耐嚼性逐漸增大[25]。在pH 4時，感官評分達到最大，此時果凍的硬度、彈性、黏性和耐嚼性均較適中，當pH大于4時，果凍的顏色會變暗，呈黃褐色，可能是pH影響了大米肽或者黑加侖果汁的顏色，產生明顯的咸味，口感較差。綜合分析各因素，確定pH 4合適。

表6 pH 對大米肽果凍感官評分和質構特性的影響

2.2 響應面優化結果分析

2.2.1 響應面試驗結果

運用Design Expert軟件，以感官評分為響應值，復配膠添加量（A）、大米肽添加量（B）、復配膠配比（C）、pH（D）為因變量，進行Box-Behnken四因素三水平響應面試驗設計，試驗結果見表7。

表7 響應面試驗結果

2.2.2 回歸分析

利用Design Expert軟件對表7試驗數據進行方差及多元回歸擬合分析，得二次多項回歸模型方程：Y=93.60+0.83A+4.83B+0.083C-0.92D+2.75AB-2.25AC+1.00AD+0.25BC+2.50BD+0.25CD-4.72A2-9.22B2-7.84C2-11.09D2。

由表8可知，該回歸模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項（P=0.091 1）不顯著，R2=0.978 6，Radj2=0.957 3，變異系數（C.V.）為2.02%＜10%，在可接受范圍內，表明模型擬合度較好，可用于預測實際情況。由方差分析結果P值得出結論，一次項B極顯著（P＜0.01），其余均不顯著，二次項A2、B2、C2、D2均極顯著（P＜0.01）。由F值可知，各影響因素對大米肽果凍感官品質的影響大小順序為B＞D＞A＞C。

表8 響應面試驗結果方差分析

2.2.3 交互作用

利用Design Expert軟件繪制響應面三維立曲面圖和等高線圖，響應曲面傾斜程度反映了交互因素對感官評分的影響程度，即響應曲面傾斜的角度越大，交互因素對感官評價的影響也就越大。如圖1所示，AD、BC和CD對感官評分影響不顯著，AC對感官評分影響為顯著，AB和BD對感官評分影響為極顯著。從響應曲面可看出，響應面BD的曲面坡度最大，說明其影響最大。感官評價隨著大米肽添加量和pH的增加，呈現先增加后減少。

圖1 兩兩因素交互作用對感官得分影響的響應曲面

2.3 果凍最優配方的驗證

經響應面優化得到最佳配方：復配膠添加量0.8%、大米肽添加量1%、復配膠配比2∶3、pH 4，在此配方條件下進行3次重復性試驗，結果發現果凍感官綜合評分均值為93分，與預測值誤差為1.06%，說明該模型與實際情況擬合度高，模型預測效果良好。其質構特性均值為硬度451.23 g、彈性0.98 mm、黏性338.47 g、咀嚼性325.46 mJ，可溶性固形物均值為16.3 g/100 g。因此，在實際操作中可用此模型建立大米肽果凍配方條件進行生產。

3 結論

研究是以復配膠添加量、大米肽添加量、復配膠配比、pH為考察因素，通過單因素試驗和響應面優化試驗對大米肽果凍配方進行優化。試驗結果表明，果凍最佳配方為復配膠添加量0.8%、大米肽添加量1%、復配膠配比2∶3、pH 4。在最佳配方條件下感官綜合評分為93分，質構特性為硬度451.23 g、彈性0.98 mm、黏性338.47 g、咀嚼性325.46 mJ，可溶性固形物為16.3 g/100 g。關于大米肽果凍的功能性有待后續進一步研究。

目前關于大米肽功能性食品的報道相對較少，例如譚春明等[14]以大米肽為主要功能因子，研制一種口感好且穩定、澄清的營養保健型大米肽飲料。目前市售的大米肽產品較少，以功能性飲料為主，例如顏如玉白肌酸大米肽液態飲、蜜拓蜜白肌酸美白飲等。大米肽其他劑型的功能性產品相對較少，研究采用果凍凝膠劑型，打開了大米肽應用的新市場，為大米肽健康產品的開發與利用提供理論依據和新思路。