響應曲面法優化火龍果果皮果凍的制作工藝

唐海堯，張俊麗，司圓圓

（陽江職業技術學院，廣東 陽江 529566）

0 引言

火龍果（Hylocereus undatus） 屬仙人掌科（Cactaceae） 量天尺屬（Hylocereus） 植物，其果實的外表長有肉質鱗片，又有青龍果、紅龍果、仙蜜果等名稱，原產地在巴西、墨西哥等美洲熱帶沙漠地區，目前我國的海南、廣東、福建和廣西等省份都有著較大規模的種植[1-2]。長期以來，火龍果的果肉可以直接食用或被當成重要的食品原材料，被加工成各種果酒、果醋、酸奶等[3]，而果皮部分不可食用，只能丟棄。火龍果的果皮含有豐富的蛋白質、維生素、水溶性膳食纖維、多酚、花青素等活性物質，直接丟棄火龍果果皮造成的資源浪費是巨大的，如何處理好火龍果的果皮是提升火龍果綜合利用價值的關鍵[4-7]。果凍是人們喜愛的休閑食品，目前市場上常見產品多以水果果肉加工而成，而將火龍果果皮作為主要原料制作果凍尚不多見，利用火龍果果皮為主要原料制作果凍[8-9]，可以變廢為寶，提升火龍果資源的綜合利用價值。以模糊數學法評價果凍的綜合感官品質，在單因素試驗的基礎上采用響應曲面法對果凍的工藝配方進行優化，以期得到具有較好開發價值的火龍果果皮果凍，為火龍果產業化的多元發展提供新思路，具有積極的現實意義[10]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紅肉火龍果，采摘自廣東陽西縣華翔果場；白砂糖，舒可曼（SUGARMAN）；卡拉膠、槐豆膠、結冷膠、檸檬酸等均為食品級，河南萬邦實業有限公司提供。

萬分之一電子分析天平，梅特勒-托利多國際股份有限公司產品；HS-4 型恒溫水浴加熱鍋，太倉市華利達試驗設備有限公司產品；L12-P155 型多功能破壁榨汁機，九陽股份有限公司產品；101-1A 型數字顯示鼓風干燥機，鶴壁市新天科煤質儀器有限公司產品；APV-1000 型均質機，深圳市榮利豐科技有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

①火龍果前處理→取皮→熱燙→破壁→火龍果果皮原漿；

②復合凝膠劑→溶解→熬煮→混合調配；

③白砂糖→溶解；

①+②+③→均質→灌裝→殺菌→成型→成品。

1.2.2 操作要點

（1） 原料選擇。選擇大小基本一致，成熟度八分左右，無機械傷、無蟲害、無病害的火龍果，在果園采摘后立即運回實驗室進行處理。

（2） 原材料的預處理。清水洗凈果實，自然瀝干水分，削去火龍果果皮最邊緣的鱗片，將果皮表層撕下去掉，分離果皮和果肉，果皮備用。

（3） 熱燙。將火龍果果皮切成約10 mm×10 mm大小的方塊，加入少量食鹽和檸檬酸的沸水中熱燙約90 s。

（4） 制取果皮原漿。將上述火龍果果皮放入破壁機中打碎，以轉速2 000 r/min 離心2 min，得到火龍果果皮原漿。

（5） 溶解。白砂糖加水溶解，復合凝膠劑加入水中，加熱溶解，備用。

（6） 熬煮。將上述原料與火龍果果皮原漿混合加熱熬煮，保持微沸，中途添加少量檸檬酸，當混合液可以細短狀態流下，且不易斷落，停止熬煮。

（7） 均質條件為50 ℃，25 MPa，重復進行2 次處理。

（8） 灌裝成型。混合液倒入果凍模具，冷卻、成型、封口，即得到成品。

1.3 感官評定

感官評定小組的成員由10 個人組成，在進行評價活動前2 h 內不能接觸辛辣等刺激性的食物，評價后立即用清水漱口，5 min 后再進行下一個樣品的評定，且各成員在評定過程中互相不接觸討論，獨立完成評價工作。火龍果果皮果凍的感官評分標準主要從果凍的色澤、風味、組織形態、口感等4 個方面進行，以優、良、中、差4 個等級進行評分，4 個等級的具體分值則根據果凍的實際情況確定。

火龍果果皮果凍的感官評分標準見表1。

表1 火龍果果皮果凍的感官評分標準

1.4 配方優化設計

通過查閱相關文獻[11-12]，并進行市場調研，在參考市面上常見的果凍產品配方基礎上結合預試驗結果確定所用的復合凝膠劑配比，卡拉膠∶槐豆膠∶結冷膠的質量比為1∶0.8∶1，以火龍果果皮原漿用量為80 g/L，復合凝膠劑用量為10 g/L，白砂糖用量為100 g/L 作為基礎的試驗條件，分別對火龍果果皮原漿用量（A）、復合凝膠劑用量（B）和白砂糖用量（C） 3 個因素進行考查，以感官評價得分為結果，確定3 個因素適宜的用量范圍。

1.4.1 火龍果果皮原漿用量的單因素試驗

在基礎試驗條件上考查火龍果果皮原漿用量對結果的影響，分別取火龍果果皮原漿60，80，100，120，140 g/L。

1.4.2 復合凝膠劑用量的單因素試驗

在基礎試驗條件上考察復合凝膠劑用量對結果的影響，分別取6，8，10，12，14 g/L 作為該水平的考查因素。

1.4.3 白砂糖用量的單因素試驗

在基礎試驗條件上考察白砂糖用量對結果的影響，分別添加60，80，100，120，140 g/L 的白砂糖，評價果凍的感官品質。

根據以上試驗結果，以火龍果果皮原漿用量、復合凝膠劑用量和白砂糖用量3 個變量為響應因素，綜合感官評分為響應值，根據Box-behnken 試驗原理，設計三因素三水平組合的響應面試驗。

響應面試驗因素與水平設計見表2。

表2 響應面試驗因素與水平設計/g·L-1

1.5 模糊數學評定模型的建立

1.5.1 評價因素集U 的確定

評價因素集是對火龍果果皮果凍感官評價因素的集合，參考相關文獻[13-14]并根據果凍實際品質情況，以色澤（u1）、風味（u2）、組織形態（u3）、口感（u4） 4 項指標作為因素集U。

1.5.2 評語集（V） 的確定

評語集（V） 是感官評定員對火龍果果皮果凍因素集（U） 評價標準分數的集合，以優（v1）、良（v2）、中（v3）、差（v4） 為評語集。

滿分為10 分，v1等級為8~10 分，v2等級為6~7 分，v3等級為3~5 分，v4等級為0~3 分，參考表1進行評級評價。根據感官評定結果，建立評價矩陣，以模糊數學評判方法進行分析，評價標準賦值分數為V=（v1=8，v2=6，v3=4，v4=2）。

1.5.3 權重集的確定

參考歸一化原則，將色澤（u1）、風味（u2）、組織形態（u3）、口感（u4） 4 項評價指標的權重集表示為k=（k1，k2，k3，k4），權重集中元素總和為1，根據各評價因素在感官評價中的重要性，10 名感官評定員對4 項評價指標客觀做出評分，每個評價指標的得分所占比重即為權重。

權重系數打分表見表3。

表3 權重系數打分表

根據表3 的結果，4 項評價指標的權重集合為k=（k1，k2，k3，k4） =（0.13，0.23，0.27，0.37），即影響火龍果果皮果凍感官品質的4 項質量指標，口感最為重要，其次是組織形態和風味，而色澤影響程度相對最小。

1.6 質量安全指標測定

參考GB 4789.3—2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗大菌落總數腸菌群計數》，對火龍果果皮果凍的大腸菌數進行測定；參考GB 4789.2—2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗菌落總數測定》，對火龍果果皮果凍的菌落總數進行測定。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 火龍果果皮原漿用量對果凍感官品質的影響火龍果果皮原漿用量對果凍感官品質的影響見圖1。

圖1 火龍果果皮原漿用量對果凍感官品質的影響

由圖1 可知，隨著火龍果果皮原漿用量的增加，果凍的感官評分呈上升趨勢，當火龍果果皮原漿用量為100，120，140 g/L 時感官評分較高，選擇這3 個用量繼續進行后續響應面試驗。

2.1.2 復合凝膠劑用量對果凍感官品質的影響

復合凝膠劑用量對果凍感官品質的影響見圖2。

圖2 復合凝膠劑用量對果凍感官品質的影響

由圖2 可知，復合凝膠劑用量在10 g/L 以下果凍感官品質并不穩定，當復合凝膠劑用量超過10 g/L 時，果凍的感官評分逐漸上升且處在較高分數水平，選擇10，12，14 g/L 用量做后續響應面試驗。

2.1.3 白砂糖用量對果凍感官品質的影響

白砂糖用量對果凍感官品質的影響見圖3。

由圖3 可以看出，隨著白砂糖用量的增加，果凍的感官評價呈上升趨勢，當白砂糖用量超過100 g/L 時，感官評價上升趨勢放緩趨于平穩，選擇100，120，140 g/L 用量進行后續的響應面試驗。

圖3 白砂糖用量對果凍感官品質的影響

2.2 火龍果果皮果凍模糊數學感官綜合評價結果

在單因素試驗結果的基礎上，以火龍果果皮原漿用量、復合凝膠劑用量和白砂糖用量3 個變量為響應因素，火龍果果皮果凍的綜合感官評分作為響應值，利用Design Expert 軟件設計三因素三水平的響應分析試驗。

Box-behnken 設計方案及響應值見表4，火龍果果皮果凍模糊數學感官綜合評價統計表見表5。

表5 火龍果果皮果凍模糊數學感官綜合評價統計表

以表4 中第1 組試驗為例展示計算過程[15]。將各等級評價次數的結果除以總人數10，得到1 號試驗的模糊評價矩陣。

表4 Box-behnken 設計方案及響應值

模糊綜合評價值Y的計算：Y等于權重集乘以模糊評價矩陣

Y=k×R1，即

模糊綜合評分M=Y×V，即

同理可得表4 中全部17 組試驗的感官評分結果。

2.3 響應面試驗設計及結果

回歸方程的方差分析見表6。

綜合得分= 6.26+0.21A+0.19B+0.30C+0.12AB+0.45AC-0.87A2-0.37B2-0.79C2.

由表6 可知，以感官評分為響應值，得到的模型極顯著（p=0.003 4＜0.01），且失擬項不顯著（p＞0.05），模型的確定系數R2=0.925 62，信噪比=8.786，說明該模型擬合性較好。利用Design Expert軟件對多元二次回歸方程求解，可得最優工藝配方為火龍果果皮原漿用量124.14 g/L，復合凝膠劑用量10.58 g/L，白砂糖用量為84.97 g/L。

表6 回歸方程的方差分析

2.4 響應曲面交互作用分析

各因素交互作用對感官評分的影響見圖4。

圖4是響應曲面3D 圖，較為清晰地體現出了影響火龍果果皮果凍綜合感官得分的因素兩兩之間的交互作用，由該圖3D 曲面的平滑程度可推測，火龍果果皮原漿用量、復合凝膠劑用量和白砂糖用量3 個因素之間的交互作用明顯。

圖4 各因素交互作用對感官評分的影響

2.5 驗證試驗

基于Design Expert 中心組合法并結合實際操作的情況，將上述得到的預測試驗數據進行實際取值，即火龍果果皮原漿用量125 g/L，復合凝膠劑用量10.5 g/L，白砂糖用量為85 g/L 為最終優化的結果并進行驗證試驗。驗證試驗結果表明，在該優化條件下制得的火龍果果皮果感官評分為6.51 分，與預測值6.35 分差異不大，得到的優化工藝參數基本可靠。

將優化工藝制作的火龍果果皮果凍進行菌落總數和大腸菌群測定，結果顯示，菌落總數為13 CFU/mL，大腸菌群未檢出，衛生安全良好。

3 結論

在火龍果果皮果凍加工過程選擇的幾個因素：火龍果果皮原漿用量、復合凝膠劑用量和白砂糖用量水平改變均可引起結果產生較大的差異，因而選取其中幾個較好的點進行響應曲面優化試驗，根據響應曲面試驗結果再次制作并評價該配方的火龍果果皮果凍品質，可得到外觀透明光滑，有純正的火龍果風味，爽口不黏牙，柔軟有彈性，咀嚼性良好，無硬皮，不皺縮的果凍產品。

試驗結果表明，火龍果果皮果凍的最佳工藝配方為火龍果果皮原漿125 g/L，復合凝膠劑10.5 g/L，白砂糖85 g/L，在此優化配方下制作的火龍果果皮果凍綜合感官評價最優，且大腸菌群未檢出，菌落總數為13 CFU/mL，衛生指標符合國家相關標準。試驗結果對火龍果的綜合開發利用及其他相關休閑食品的制作起到一定的參考和借鑒。