基于響應面法對菠蘿纖維果味醬配方工藝優化

寧慶鵬，梁艷艷，彭倩韻，何敏結，馮嘉敏，韋加佳，張海峰，盧 藝

（1. 桂平市農業農村局，廣西 貴港 537100；2. 廣州市富百樂發展有限公司，廣東 廣州 511400）

菠蘿俗名鳳梨，屬多年生草本植物，在我國海南、廣東、廣西、福建等省份均有廣泛種植[1]。其富含多種維生素、氨基酸等物質[2-3]，營養價值高，風味獨特，是廣受人們所喜愛的熱帶水果之一[4-5]。目前，菠蘿加工成菠蘿汁后所得的菠蘿渣[6]，大部分被直接丟棄，造成資源浪費，環境污染；少部分被制成肥料或飼料，經濟價值較低；極少部分被制成風味果醋等制品[7]，但制作果醋過程仍有部分果渣成分未被完全有效利用。研究表明，菠蘿果渣含纖維可達50%以上[8-9]，是很好的膳食纖維來源，同時在國內關于利用菠蘿果渣制備菠蘿風味果醬工藝研究尚未有系統報道。旨在通過模糊數學感官評價和響應面法結合，用以研究優化制備菠蘿纖維果味醬工藝，為豐富菠蘿制品品類、提升菠蘿經濟附加值提供新依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菠蘿，購自永輝超市；白砂糖，南寧糖業股份有限公司提供；一水檸檬酸（食品級），濰坊英軒實業有限公司提供；羧甲基纖維素（CMC） （食品級），江蘇銳康萊科技有限公司提供。試驗用水，均采用食品級純水；試驗所用試劑，均采用分析純。

1.2 儀器與設備

JJ623BC 型雙杰分析天平、JJ1000 型雙杰電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠產品；Z5-LZ198 型九陽榨汁機、P165 型九陽破壁機，杭州九陽生活電器有限公司產品；WK2102 型美的電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司產品；HH-2 型數顯恒溫水浴鍋，常州越新儀器制造有限公司產品；101-2S 型電熱鼓風干燥箱、SPX-150B 型生化培養箱，上海力辰邦西儀器科技有限公司產品；常規玻璃器皿。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

（1） 原料預處理。選取無蟲害、品質較佳、成熟度剛好的菠蘿，去皮和毛眼后，切成2 cm×2 cm 塊狀，放置于90~95 ℃下浸泡解熱10 min 后備用。

（2） 榨汁。將加熱后的菠蘿塊冷卻至50~60 ℃，放入榨汁機內進行榨汁，分別將菠蘿汁和菠蘿果渣收集。

（3） 破碎。將菠蘿果渣和水按1∶5（W/W） 的比例加入破壁機內進行破碎，破碎至所得混合液可過60 目篩后收集備用。

（4） 調配。在調配器皿中先按照比例依次加入菠蘿果汁、白砂糖、一水檸檬酸，加熱至45 ℃，邊攪拌邊加熱，直至添加的白砂糖和檸檬酸完全溶解后，依次加入混合液和、CMC，混合均勻。

（5） 滅菌。將混合好的混合液在密閉容器內加熱至95~100 ℃，保溫30 min（待中心溫度達95 ℃開始計時），保溫過程持續攪拌。

（6） 灌裝。滅菌結束后，灌裝采用熱灌裝灌入已清洗消毒的容器內，灌裝溫度≥90 ℃，灌裝后立即封蓋倒瓶，待等冷卻至室溫后即為成品。

1.3.3 感官評價方法

依照GB/T 16291.1—2012《感官分析——選拔、培訓與管理評價員一般導則》[10]對10 名感官品評員進行感官評價培訓，根據GB/T 13868—2009《感官分析——環境建立感官分析實驗室的一般導則》[11]設置評價環境。感官品評人員參照菠蘿纖維果味醬評定標準進行評定（評定標準見表1），在評定前12 h每位品評人員均禁煙酒，禁止食用辛辣等刺激性食物，每評定一個樣品后，均以清水漱口并間隔10 min，再進行下一個樣品鑒評。

表1 菠蘿纖維果味醬感官評定標準

菠蘿纖維果味醬感官評定標準見表1。

1.3.4 模糊數學模型的建立

（1） 評定論域的確立。基于感官評定標準，建立評定菠蘿纖維果味醬因素集，即U={u1，u2，u3，u4}，其中u1~u4分別對應色澤、香氣、滋味與口感、組織狀態4 個因素。同時，建立評定菠蘿纖維果味醬感官的評價集V={V1，V2，V3，V4}，即V1~V4分別代表優、良、中、差4 個評價等級[12]。

（2） 評價權重集的確定。果味醬權重子集X={X1，X2，X3，X4}隸屬度，由5 名品評人員基于經驗賦予，即Xi分別對應各因素在產品中的重要程度，0~1 為隸屬度范圍，數值保留1 位小數，數值越趨近于0 的則代表越不重要，越數值趨近于1 則代表非常重要。最后歸一化處理數據取平均值，即為果味醬權重集A={a1，a2，a3，a4}[13]。

（3） 模糊數學模型計算。基于模糊數學原理，其中權重集A 與矩陣R 相乘可得綜合評價集Y，即Y=A×R；綜合綜合評價集Y 與等級集V 再做運算處理，即可得到對應樣品感官評定結果。

1.3.5 單因素試驗

（1） 不同菠蘿果汁添加量對感官品質的影響。前期研究表明，菠蘿汁回填可以使得果味醬的特征風味更加豐富，所以通過添加40，60，80，100，120 g/L菠蘿果汁用以研究其對感官品質的影響程度。

（2） 不同CMC 添加量對感官品質的影響。以感官等級為結果指標，通過添加不同添加量的CMC 0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，以研究不同CMC 添加量對果味醬感官的影響。

（3） 不同糖酸比例對感官的影響。糖酸比例是影響果味醬味道的重要因素，采用評價得分為指標，不同的糖酸比（40∶1，45∶1，50∶1，55∶1，60∶1（g∶L）） 為自變量，以研究不同糖酸比對感官品質的影響。

1.3.6 菠蘿纖維果味醬工藝響應面優化試驗

通過單因素試驗結果可知，菠蘿果汁添加量、CMC 添加量及糖酸比例三者是主要影響果味醬感官品質的因素。因此，優化試驗以感官等級得分為評判指標，并選取這3 個因素進行響應面優化試驗。

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

1.3.7 試驗數據處理

每組試驗重復3 次，取平均值表示，響應面試驗設計與分析采用Design Expert 12 進行處理。

1.3.8 指標的測定

成品纖維含量參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》[14]進行測定；感官指標參照GB/T 22474—2008《果醬》[15]進行測定。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同菠蘿汁添加量對感官品質的影響結果

不同菠蘿汁添加量對感官品質的影響見圖1。

圖1 不同菠蘿汁添加量對感官品質的影響

由圖1 可知，感官等級得分隨菠蘿汁質量濃度增加而增加，當菠蘿汁質量濃度小于80 g/L 時，感官等級得分增加幅度較大；當菠蘿汁質量濃度大于80 g/L 時，感官等級得分增加趨于平緩，增長幅度較小。因此，選取菠蘿汁添加量80 g/L 為下步研究試驗的參考值。

2.1.2 不同CMC 添加量對感官品質的影響結果

不同CMC 添加量對感官品質的影響見圖2。

圖2 不同CMC 添加量對感官品質的影響

由圖2 可知，隨著CMC 添加量的增加，感官呈現出先增后減的趨勢，說明果醬過稀或過稠對于感官影響較大，因此選取添加量為0.1%作為優化試驗參考值。

2.1.3 不同糖酸比對感官品質的影響結果

不同糖酸比對感官品質的影響見圖3。

圖3 不同糖酸比對感官品質的影響

由圖3 可知，不同糖酸比對感官品質的影響曲線以糖酸比50∶1 為峰頂，呈先遞增后遞減的趨勢，且遞增幅度大于遞減幅度，主要原因可能為酸對于味蕾的刺激性強于甜對味蕾的感知，同時對于甜的耐受度大于酸。所以，采用糖酸比50∶1 作為下一步優化試驗取值。

2.2 模糊感官評定結果

2.2.1 感官評定權重集結果

權重分配結果見表3。

由表3 可知，4 個因素的重要程度分別為滋味與口感的權重（0.4） ＞色澤的權重（0.2） =香氣的權重（0.2） = 組織狀態的權重（0.2），即權重集A=（0.2 0.2 0.4 0.2）。

2.2.2 模糊數學模型感官評定結果

感官評定結果見表4。

表4 感官評定結果

由表4 可知，10 名品評員從色澤、香氣、滋味與口感和組織狀態4 個因素對每組樣品進行品定，其感官評定結果存在一定差異，若采用取平均值方式分析，則會削弱每組樣品之間評價的差異程度。因此，試驗建立模糊數學感官評價模式對結果進行分析。

2.2.3 模糊模型關系計算

通過對表4 感官評定結果進行歸一化處理，即9 個試驗組分別對應矩陣為R1，R2，…R9。

根據模糊數學計算關系原理[16]Yi=A×Ri，計算出各試驗組評價集合Y，如：

同理，可得到：

再由綜合評定分等級公式Hi=Yi×V，可計算出綜合評定分等級H，即：

同理，各試驗組對應綜合評分分別為H2=3.22，H3=3.30，H4=3.24，H5=3.50，H6=3.44，H7=3.18，H8=3.10，H9=3.48，H10=3.36，H11=3.10，H12=3.32，H13=3.50，H14=3.56，H15=3.56，H16=3.52，H17=3.50。

2.3 菠蘿纖維果味醬響應面試驗優化結果

2.3.1 響應面試驗結果

菠蘿纖維果味醬響應面試驗結果見表5，響應面試驗結果方差分析見表6。

表6 響應面試驗結果方差分析

根據單因素試驗結果，采用Design Expert 設計三因素三水平試驗（見表5）。通過對表5 的試驗結果數據進行二次多元擬合，可得到擬合回歸方程：

Y=3.53-0.042 5A+0.007 5B-0.135 0C+0.200AB-0.005 0AC+0.085 0BC-0.129 0A2-0.119 0B2-0.094 0C2.

式中：Y——等級得分為響應變量；

A——菠蘿汁添加量為響應因素；

B——CMC 添加量為響應因素；

C——糖酸比例為響應因素。

同時，由方程A2，B2，C2系數均為負值，方程曲線開口朝下，存在極大值。可知，因素優化后可得最優組合[17]。

由表6 可知，試驗模型存在極顯著差異項（p=0.000 3＜0.01），失擬項誤差不顯著（p=0.121 1＞0.05），說明試驗結果與模型結果之間不存在顯著差異，回歸方程對響應值作出預測值具有準確性[18]。模型決定系數R2=0.964 8 和調整系數R2adj=0.919 5 表明模型的實際值與預測值擬合度較高，預測效果較好。變異系數C.V.=1.32%進一步說明模型值誤差范圍較合理，各因素與響應值的函數關系具有較高的可靠性[19]。其中，二次項A2，B2，C2，一次項C 和交互項BC 均為極顯著差異（p＜0.01）；一次項A 為顯著差異（p＜0.05）；其余項均為不顯著差異。由各因素F 值可知，影響感官等級得分各因素主次順序為糖酸比例（C） ＞菠蘿汁質量濃度（A） ＞CMC 添加量（B）。

2.3.2 響應面試驗因素交互作用分析

各因素交互作用對感官等級的分影響的三維曲面和等高線圖見圖4。

圖4 各因素交互作用對感官等級的分影響的三維曲面和等高線圖

由圖4 可知，4（a）、4（b）、4（c） 因素交互作用三維曲面均呈現出先遞增后遞減，開口朝下的凸形曲線趨勢，其中AB 曲面因素A 曲線傾斜度大于因素B 曲線傾斜度，AC 曲面因素C 曲線傾斜度大于因素A 曲線傾斜度，說明因素C 對于感官等級等分影響程度大于因素A 和B。AB，AC 等高線圖趨近于圓，表明因素A 和B，A 和C 交互作用均不顯著，對于果味醬感官等級等分影響較小；而BC 等高線圖趨近橢圓，表明因素B 與C 交互作用顯著，對于果味醬感官等級等分影響較大[20]。以感官等級評分為響應指標，通果擬合回歸方程分析，可得最佳工藝方案為菠蘿汁質量濃度78.29 g/L，CMC 添加量0.94%，糖酸比45.79∶1（g∶L），其感官等級得分預測值為3.59 分。綜合考量實際操作性，將所得最佳組合參數調整至菠蘿汁添加量78 g/L，CMC 添加量0.95%，糖酸比例46∶1（g∶L）。

2.4 質量指標結果

質量指標見表7。

表7 質量指標

由表7 可知，通過驗證性試驗對調整后的最佳工藝組合樣品進行感官鑒評，其色澤呈亮橙黃色，菠蘿氣味濃郁，口感細膩且綿滑、酸甜適中、口齒有余香，體態均勻，無明顯雜質，纖維含量66.82%，最終成品的感官等級評分為3.58 分。

3 結論

以菠蘿果渣為原料，通過模糊數學模型與響應面法結合，對其制備工藝配方進行優化，得到菠蘿果汁質量濃度為78 g/L，CMC 添加量0.95%，糖酸比46∶1（g∶L） 的最佳方案組合，其綜合感官等級得分為3.58 分。按該組合配方制備的菠蘿纖維果味醬，色澤呈亮橙黃色，菠蘿氣味濃郁，口感細膩且綿滑、酸甜適中、口齒有余香，體態均勻，無明顯雜質，纖維含量66.82%。菠蘿纖維果味醬不僅滿足了人們對于更健康、更營養食品的追求，同時還為菠蘿的綜合利用提供新思路，具有較高的市場潛在價值和意義。