響應面法優化紅薯葉涼粉的配方及工藝

高雪麗，顧欠欠，李光輝，王永輝，何勝華，黃繼紅,2，郭衛蕓,

（1.許昌學院食品與藥學院，河南許昌 461000；2.河南大學農學院，河南鄭州 450000）

紅薯葉是紅薯秧莖頂端的葉部分，亞洲蔬菜研究中心將其列為高營養的蔬菜品種[1-2]。有研究表明，紅薯葉中含有多糖、黃酮、水溶性膳食纖維、多酚和蛋白復合物等，具有一定保健功效[3-5]，尤其對因長期食用淀粉類產品而導致的血糖升高現象具有良好的抑制效果[6]。涼粉是一種以淀粉為主要原料，如綠豆淀粉，紅薯淀粉、土豆淀粉等，經蒸煮、冷卻等工藝制成的凝膠狀產品，廣受中國、韓國等眾多亞洲消費者的喜愛[7]。

當前，對紅薯葉提取物的研究主要體現在以下幾個方面：首先是通過干擾細胞凋亡有效抑制直腸癌、宮頸癌的發生，如Taira 等[8]發現紅薯葉提取物能夠抑制細胞凋亡β-連環蛋白/Tcf-4 信號傳導，具有預防結直腸癌作用，Vishnu 等[9]發現其中含有的葉花青素對宮頸癌細胞和乳腺癌細胞的抑制作用明顯；其次對紅薯葉中功效成分的提取研究，如劉捷等[10]研究紅薯葉多糖的分離純化，通過正丁醇-三氯乙酸去除蛋白、透析法去除小分子雜質后，分離得到了精制的紅薯葉多糖；最后是創新產品制備[11-13]及人工修飾等對紅薯葉有效成分含量及功能的影響等相關研究[14-15]。對涼粉的研究主要體現在工藝、風味、質構等方面，如采用多糖、變形淀粉等提高涼粉彈性和粘性[16-17]，如王永志等[16]利用涼粉草與卡拉膠復配的方法制作涼粉，所制得的涼粉具有較好的彈性和粘性。另外也有通過添加臭黃荊葉、胖大海、涼粉草等提升改善其風味、質構和功效品質的相關研究[18-19]，如陳湘霞[19]利用響應面法得到臭黃荊葉涼粉最佳制備配方，即料液比15:1、碳酸鈉濃度30 mmol/L、卡拉膠:魔芋膠比值為1.6:1，此時凝膠穩定；胡海娥[18]以胖大海、涼粉草為原料制作的胖大海涼粉，最佳配方為加糖量10%、卡拉膠用量0.50%、檸檬酸鉀添加量0.10%、檸檬酸添加量0.015%，所制備涼粉具有良好的風味。

為了研發出具有新型風味和質地的涼粉產品，本研究擬通過添加紅薯葉提取液以改善涼粉的香氣和口感，強化其凝膠彈性和咀嚼性，改善其營養品質，從而為紅薯葉的應用拓展及紅薯淀粉類休閑食品的開發提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯鮮葉 福薯18，福建綠林農牧業；精制紅薯淀粉 二級品，山東圣琪生物有限公司；碳酸鈉 食品級，河北兆發食品有限公司。

TMS-PRO 質構儀 美國FTC 公司；LT3002E電子天平 常熟市天量儀器有限責任公司；DK-8D 電熱恒溫水浴鍋 常州普天儀器制造有限公司；BCD-301DHN 冰箱 上海雙鹿上菱企業集團有限公司；C21-WT2104A 多功能電磁爐 廣州美的生活電器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅薯葉涼粉制備及操作要點

1.2.1.1 紅薯葉提取液的制備 挑選經去柄，洗凈，瀝干水分后的新鮮紅薯葉，稱取40 g，加入濃度為0.20 g/100 mL 碳酸鈉溶液（0.20 g 碳酸鈉充分溶解于100 mL 純凈水中制得）100 mL，置于提取容器中，90 ℃水浴鍋中提取1 h，期間不斷地翻動，熱提結束后，趁熱將其倒入紗布，經揉搓后過濾得到紅薯葉提取液[18]。

1.2.1.2 紅薯葉涼粉的制備 將紅薯葉提取液、紅薯淀粉、純凈水與白砂糖按照一定的添加量進行配制，并置于容器中混勻，靜置20 min，以便紅薯淀粉充分溶脹；將靜置后的淀粉再次攪拌，將得到的勻漿倒入容器并置于蒸鍋進行蒸制，期間不斷攪動至淀粉完全糊化；最后，將成品倒入模具，放置冰箱冷藏、定型[18-19]。

1.2.2 單因素實驗 碳酸鈉溶液濃度的確定：各稱取紅薯葉40 g，分別加入100 mL 濃度為0.00、0.10、0.20、0.30、0.40 g/100 mL 的碳酸鈉溶液，充分振蕩后提取得到紅薯葉提取液，再量取提取液40 mL、純凈水41 mL，加入白砂糖1 g、紅薯淀粉18 g，蒸制6 min，冷卻得到紅薯葉涼粉后分別進行質構和感官評定確定合適的碳酸鈉溶液濃度。

白砂糖添加比例的確定：量取紅薯葉提取液40 mL/100 g，加入紅薯淀粉18 g/100 g、加入白砂糖比例分別為0、1、2、3、4 g/100 g（以最終產品總質量計），用純凈水補足至總質量100 g，蒸制6 min，冷卻得到紅薯葉涼粉后分別進行質構和感官評定，確定白砂糖合適的添加量。

紅薯葉提取液添加量的確定：分別量取紅薯葉提取液25、30、35、40、45 mL/100 g，用純凈水補足至總質量100 g，加入白砂糖1 g/100 g、紅薯淀粉18 g/100 g，蒸制時間6 min，冷卻得到紅薯葉涼粉后分別進行質構和感官評定，確定紅薯葉提取液合適的添加量。

紅薯淀粉添加量的確定：量取紅薯葉提取液40 mL/100 g，以白砂糖添加量1 g/100 g、選擇紅薯淀粉比例分別為14、16、18、20、22 g/100 g，用純凈水補足總質量至100 g，蒸制時間6 min，冷卻得到紅薯葉涼粉后分別進行質構和感官評定，確定合適的紅薯淀粉添加量。

蒸制時間的確定：稱取紅薯淀粉18 g/100 g、白砂糖1 g/100 g、紅薯葉提取液40 mL/100 g、用純凈水補足總質量至100 g，選擇蒸制時間為4、6、8、10、12 min 進行單因素實驗，通過檢測質構指標與感官評定，確定合適的蒸制時間。

1.2.3 響應面優化試驗 在單因素實驗的基礎上，選取對紅薯葉涼粉品質具有較大影響的因素，采用Box-Behnken Design 試驗設計原理設計實驗，因素的水平取值范圍：A 紅薯葉提取液的添加量為35、40、45 mL/100 g，B 紅薯淀粉添加量為16、18、20 g/100 g，C 蒸制時間6、8、10 min，以彈性為響應值進行綜合對比分析，實驗因素的編碼見表1。

表1 響應面試驗因素水平設計Table 1 Factor and level code of response surface test

1.2.4 評價指標

1.2.4.1 質構特性 參考王錦云等[20]質構分析方法并進行適當修改，確定紅薯葉涼粉的質構特性分析方法為：首先，將樣品在冰箱內儲存15 h 后取出，靜置至室溫；其次，采用質構儀，測定模式TPA，探頭型號為P/50，測定條件如下：樣品長25 mm，寬23 mm，高23 mm，測試速度1.00 mm/s，返回速度1.00 mm/s，循環次數2 次；起始力0.50 N，穿刺深度為30%，每項測試平行3 次，測定涼粉的硬度、內聚性、彈性、膠粘性、咀嚼性、凝膠強度等，其中凝膠強度值為破裂力與破裂時位移的乘積。

1.2.4.2 感官評分 以紅薯葉、紅薯淀粉為原料制作涼粉，選擇6 名經過感官評定訓練的食品專業大四學生作為品評員（年齡在21～23 歲，其中男女各3 名），根據表2 對該產品進行感官評分。

表2 紅薯葉涼粉感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standard of sweet potato leaf jelly

1.3 數據處理

采用SPSS 16 軟件中的Duncan 對單因素實驗的感官評分和質構特性測定數據進行分析，得到單因素方差分析結果[21]；采用Design expert 8.0.6 軟件中的Box-Behnken 對響應面實驗的感官評分和彈性數據進行數學統計分析，得到回歸分析結果[22]。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 碳酸鈉溶液濃度對紅薯葉涼粉品質的影響由表3 可知，隨著碳酸鈉濃度的提高，紅薯葉涼粉的感官評分、彈性和凝膠強度的變化呈現先增大后減小的趨勢；硬度、膠粘性、咀嚼性的變化趨勢為先減小后增大再減小。碳酸鈉濃度增加到0.20 g/100 mL時，紅薯葉涼粉的顏色由黃色逐漸向翠綠色轉變，光澤度不斷提高，表現出良好的凝膠質地，此時凝膠的彈性和凝膠強度均達到最大值，若進一步提高堿的濃度，會使涼粉口感呈現后苦味，凝膠色澤發暗，凝膠的彈性和強度均出現明顯下降。涼粉的硬度、膠粘性和咀嚼性受到碳酸鈉的影響也較大，但影響趨勢呈現波浪式，在碳酸鈉濃度為0.20 g/100 mL 時數值適中；涼粉內聚性數值隨碳酸鈉用量的變化范圍不大，表明碳酸鈉添加量對涼粉內聚性的影響不明顯。研究表明，在紅薯葉提取時合理使用碳酸鈉，對紅薯葉顏色具有較好的保護作用，并且有利于其中營養成分的溶出；堿的加入有利于改善涼粉凝膠的結構性質，降低水的流動性，減小凝膠的尺寸，使凝膠結構更緊湊[23]。實驗可知，碳酸鈉的加入對淀粉分子的重排具有顯著影響，當碳酸鈉濃度為0.20 g/100 mL 時，淀粉老化所形成的淀粉凝膠體系結構更為緊實，表現為涼粉硬度、彈性、凝膠強度等指標值的顯著上升（P＜0.05），陳湘霞采用響應面法分析碳酸鈉對涼粉持水性、硬度、黏度的影響效果時獲得了類似的結論[19]；通過以上分析可知，碳酸鈉濃度為0.20 g/100 mL 時，所得紅薯葉涼粉的綜合品質較優。

表3 碳酸鈉溶液濃度對紅薯葉涼粉品質的影響Table 3 Effect of sodium carbonate concentration on sensory and texture characteristics of sweet potato leaf jelly

2.1.2 白砂糖添加量對紅薯葉涼粉品質的影響 由表4 可知，白砂糖添加量對紅薯葉涼粉感官品質的影響呈現先增大再減小的趨勢。當白砂糖添加量為1 g/100 g 時，紅薯葉涼粉甜度適中，組織均勻，光澤度好，繼續增加白砂糖的使用量，涼粉甜感提升，會對特征風味產生一定的掩蔽效果；蔗糖的加入量對涼粉的形成及其凝膠特性如硬度、彈性、凝膠強度等具有顯著（P＜0.05）影響[18]，具體表現為隨著白砂糖的加入，涼粉的硬度、彈性、膠粘性、咀嚼性、凝膠強度等均呈現先上升后下降的趨勢，當白砂糖添加量為1 g/100g 時，涼粉的硬度、彈性、膠粘性、咀嚼性、凝膠強度均達到最大值。然而，蔗糖添加量的進一步增大對質構指標的影響效果會呈現負相關，這主要是因為蔗糖會降低淀粉微相區中淀粉的濃度，淀粉分子鏈重排度會降低，從而降低涼粉的凝膠特性[24]。而且，結合感官評分和質構特性可以得出，通過對紅薯葉涼粉評價指標分析可知，在白砂糖添加量為1 g/100 g時，紅薯葉涼粉的各項指標均呈現較優值。

表4 白砂糖添加量對紅薯葉涼粉品質的影響Table 4 Effect of white granulated sugar amount on sensory and texture characteristics of sweet potato leaf jelly

2.1.3 紅薯葉提取液添加量對紅薯葉涼粉品質的影響 由表5 可知，隨著紅薯葉提取液使用量的提高，涼粉的感官評分、彈性、膠粘性呈現先上升后下降的趨勢，硬度、咀嚼性、凝膠強度呈現波浪形變化趨勢，內聚性變化不明顯。當紅薯葉提取液使用量為40 mL/100 g 時，紅薯葉涼粉顏色翠綠，富有光澤，組織均勻，具有明顯的紅薯葉香氣，硬度、彈性、膠粘性、咀嚼性以及凝膠強度均呈現最大值，表明紅薯葉中的成分參與了淀粉凝膠的形成過程，并提升了涼粉的綜合品質，例如，紅薯葉中含有的多糖類成分能夠促進涼粉凝膠的形成，多酚類成分與直鏈淀粉通過氫鍵和范德華力結合在一起，從而對淀粉分子的結晶產生抑制作用[25]。通過對紅薯葉涼粉評價指標分析可知，在紅薯葉提取液為40 mL/100 g 時，紅薯葉涼粉除內聚性外的評價指標優于其他組，后續將以此為中心點進一步開展響應面優化試驗。

表5 紅薯葉提取液添加量對紅薯葉涼粉品質的影響Table 5 Effect of amount of sweet potato leaf extract on sensory and texture characteristics of sweet potato leaf jelly

2.1.4 紅薯淀粉用量對紅薯葉涼粉品質的影響 由表6 可知，隨著紅薯淀粉使用量的提升，涼粉的硬度、彈性、膠粘性、咀嚼性、凝膠強度數值均呈現逐漸增大的趨勢，表明紅薯淀粉的糊化和重排是涼粉凝膠形成的最核心因素，淀粉用量越大，所形成的涼粉凝膠結構越致密，強度越高，彈性越好，這與陳湘霞[19]的研究結果相似；而內聚性數值變化隨著紅薯淀粉的增加幾乎無變化，說明涼粉凝膠的內聚性不受淀粉濃度的影響。但是，涼粉的感官評分的變化趨勢與紅薯淀粉并非呈現正相關，而是先增大再減小，且在紅薯淀粉用量為18 g/100 g 時達到最高值，此時制得的紅薯葉涼粉組織均勻，呈果凍狀，涼粉凝膠彈性較好，強度適中，紅薯葉香氣較為突出。通過以上分析可知，選擇紅薯淀粉的用量為18 g/100 g 為中心點開展二次旋轉回歸優化試驗。

表6 紅薯淀粉添加量對紅薯葉涼粉品質的影響Table 6 Effect of amount of sweet potato starch on sensory and texture characteristics of sweet potato leaf jelly

2.1.5 蒸制時間對紅薯葉涼粉品質的影響 王林[25]研究發現，蒸制時間對涼粉的凝膠強度及感官品質有顯著影響，由表7 可知，隨著蒸制時間的增加，紅薯葉涼粉的感官評分和彈性值呈現先增加后減小的趨勢，當蒸制時間為8 min 時，所得紅薯葉涼粉顏色翠綠，質地均勻，具有明顯的紅薯葉香氣，此時涼粉的彈性呈現最大值。涼粉的硬度、膠粘性、咀嚼性和凝膠強度呈現波浪升高趨勢，表明蒸制時間的延長能夠促使淀粉之間的結合程度更高，對于凝膠性能的提升有積極作用。但是，蒸制時間過長，紅薯葉色素易發生褪色，香氣散失度增加，所制得的紅薯葉涼粉顏色和香氣品質會出現下降。通過以上分析可知，在蒸制時間為8 min 時，紅薯葉涼粉的綜合品質較優，可以此為中心點開展響應面優化試驗。

表7 蒸制時間對紅薯葉涼粉品質的影響Table 7 Effect of steaming time on sensory and texture characteristics of sweet potato leaf jelly

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應指標的確定 利用SPSS 16 軟件進行相關性分析，相關性系數見表8，可知：感官評分與質構特性測定的相關性大小關系為：彈性＞凝膠強度＞咀嚼性＞膠粘性＞硬度＞內聚性。涼粉感官評分與硬度、彈性、膠粘性、咀嚼性、凝膠強度呈正相關，其相關性系數越大，關系越緊密，即感官測定與彈性的關系最為緊密[26]。為了減少在優化實驗中的主觀影響，選用彈性作為主要響應值，并采用感官評分輔助結果驗證。

表8 感官評分與質構特性測定的相關性系數Table 8 Correlation coefficient between sensory score and texture characteristics

2.2.2 響應面試驗結果與回歸分析 響應面方案及結果，見表9。采用Design expert 8.0.6 對表9 數據進行統計學分析，得到以彈性為響應值的回歸分析結果見表10。得回歸方程為：

表9 響應面試驗方案及結果Table 9 Response surface test plan and results

表10 回歸分析結果Table 10 Regression analysis results

可知，該模型的F值為81.93，表明二次回歸方程具有顯著意義[26]。該模型對實驗結果的影響是極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P=0.8502＞0.05），說明該回歸模型擬合度較好，用該模型預測出紅薯葉涼粉最優的配方及工藝參數是真實可信的[27]。通過對一次項的F值進行比較得到三因素對彈性的影響順序為：B＞C＞A。一次項B、C，交互項AB、BC，二次項A2、B2、C2對紅薯葉涼粉彈性的影響極顯著（P＜0.01）；一次項A、交互項AC 對紅薯葉涼粉彈性均無顯著影響，決定系數R2為0.9785（矯正后0.9795）。

2.2.3 交互作用分析 3D 響應面圖可客觀地預測和檢驗交互作用對紅薯葉涼粉彈性的影響[28]。因素間交互作用響應面圖見圖1。從圖1a、圖1c 可知，AB和BC 的等高線呈橢圓形，曲面顏色變化較快且曲面陡峭，說明AB 和BC 之間交互作用顯著，對紅薯葉涼粉彈性影響較大，從圖1b 可知，AC 等高線不呈橢圓形，曲面顏色變化較慢且曲面較為平緩，表明AC 之間交互對結果影響不大。

圖1 因素間交互作用對涼粉彈性的影響Fig.1 Influence of interaction between factors on the elasticity of sweet potato leaf jelly

通過Box-Behnken Design 系統對該模型進行分析，并擬合出最優的配方及工藝參數為[29]：紅薯葉提取液添加量為40.37 mL/100 g，淀粉添加量為18.57 g/100 g，蒸制時間為7.92 min，此時的彈性為6.14。考慮實際可操作性，將最優配方及工藝參數調整為紅薯葉提取液添加量為40 mL/100 g，淀粉添加量為19 g/100 g，蒸制時間為8 min。

2.2.4 最優參數驗證試驗 由表11 可知，以彈性為響應值得到最優配方及工藝參數為：紅薯葉提取液添加量為40 mL/100 g，淀粉添加量為19 g/100 g，蒸制時間為8 min，經質構儀測定彈性為6.19，與預測值無統計學差異，表明此模型得到的紅薯葉涼粉最優參數是可靠的。

表11 最優配方及工藝參數驗證結果Table 11 Validation results optimal formula andprocess parameters

3 結論

以紅薯葉、紅薯淀粉為主要原料，通過優化紅薯葉涼粉的配方及工藝，制得質構及感官可接受度均較高的涼粉產品。經過單因素實驗和二次旋轉回歸優化得到紅薯葉涼粉的最優配方及工藝參數為：紅薯葉提取液添加量為40 mL/100 g、紅薯淀粉比例19 g/100 g、蒸煮時間8 min、碳酸鈉使用量為0.20 g/100 g、白砂糖添加量為1 g/100 g。紅薯葉是紅薯種植的副產物，原料價格低廉，易得，所得紅薯葉涼粉的加工方法簡便快捷，產品色澤翠綠，質地均勻，硬度適中，彈性較好，能夠表現出明顯的紅薯葉特征風味。未來可進一步優化紅薯葉涼粉的加工工藝，一方面將紅薯葉的主要功效成分進行提取、濃縮和純化，有效提升產品中有效成分含量或濃度，另一方面需進一步研究紅薯葉涼粉的貯藏性能，尤其應確保經貯藏后主要成分的保留率，從而為進一步豐富我國涼粉產品類型，提高紅薯產業附加值提供技術借鑒。