D-最優混料設計優化手剝即食核桃復配抗氧化劑配方

包永華，施佳萍，李煌俊

1.浙江經貿職業技術學院應用工程學院（杭州 310018）；2.浙江巨邦高新技術有限公司（杭州 310018）

核桃是世界上消費最廣泛的商業種植樹堅果之一。核桃有許多健康益處，包括降低心血管疾病、冠心病、2型糖尿病和某些癌癥的風險，以及減輕與年齡相關的神經系統疾病引起的癥狀。食用核桃對健康的好處歸功于它的脂肪酸組成，它富含多不飽和脂肪酸，具有特別高的ω-3∶ω-6比率，有防治動脈硬化的功效[1-2]。然而，多不飽和脂肪酸對氧化的敏感性很高，這限制了核桃的保質期[3]。核桃氧化過程導致必需脂肪酸的流失，腐爛和異味的出現，有毒化合物的產生和不利的顏色變化，從而降低產品的感官、化學、營養和產品質量，最終導致消費者排斥[4]。

在手剝即食核桃加工過程中，為了延長核桃產品的保質期，可以添加抗氧化劑來延緩酸敗的發展。合成抗氧化劑在核桃產品加工領域得到廣泛應用，尤其是叔丁基對苯二酚（TBHQ），因其成本低廉且具有良好的抗氧化效果[5]。陳樹俊等[6]的研究結果顯示，在五香手剝核桃中添加TBHQ可以有效延緩其氧化酸敗的過程。另外，趙聲蘭等[7-8]的研究結果表明在核桃油中使用TBHQ作為抗氧化劑，可以獲得最佳的抗氧化效果。隨著人們對健康的日趨關注，尋找高效、低毒的復配抗氧化劑對于防止紙皮核桃氧化具有重要意義[9]。

混料試驗設計作為一種受條件約束DOE的特殊類型，可以輕松對混合物設計進行數字和圖形分析，在食品新產品研發和工藝配方優化中發揮著越來越關鍵的作用[10]。研究以紙皮核桃為研究對象，以天然抗氧化劑為主體，輔以少量人工合成抗氧化劑叔丁基對苯二酚（TBHQ）復配進行混料設計，以產品在保質期內酸價和過氧化值的變化為評價指標，研究其對核桃氧化穩定性的影響，以期開發一種以天然抗氧化劑為主體的復配抗氧化劑，實現核桃保質期的延長。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆185核桃（新疆果業集團有限公司）；TBHQ（食品級，山東百事益食品科技有限公司）；油溶性茶多酚（食品級，＞98%，安徽紅星藥業股份有限公司）；異抗壞血酸鈉（食品級，鄭州拓洋實業有限公司）；無水檸檬酸（食品級，山東英軒實業股份有限公司）。

冰乙酸、無水乙醇、異丙醇、乙醚、酚酞、石油醚（30～60 ℃）、氫氧化鉀、硫代硫酸鈉、三氯甲烷、碘化鉀、無水硫酸鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 儀器與設備

HH-SJ電動攪拌器（常州金壇西城新瑞儀器廠）；ZQM小型研磨機（鶴壁市冶金機械設備有限公司）；REV-52 CS型旋轉蒸發儀（上海雅榮生化設備儀器有限公司）；CP224 C電子天平（奧豪斯儀器有限公司）；1013 ES電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；LRH1150 F型恒溫培養箱（上海恒科學儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 復配抗氧化劑試驗設計

綜合考慮成本及抗氧化效果，根據GB 2760—2014《食品添加劑使用標準》[11]確定了各組分添加的上限。TBHQ的添加量由前期單因素試驗確定，采用統計分析軟件Design-Expert 12.0.0.1（Stat-Ease Inc.）中的D-optimal設計方法。

復配抗氧化劑在紙皮核桃料液中的添加量為3～5 g/kg，約束條件如表1所示。

表1 抗氧化劑添加量的設定

1.3.2 核桃制備工藝流程

核桃開口→清洗→殺青→料水配制→添加復配抗氧化劑→浸泡→機械瀝水→烤制→冷卻→包裝編號→加速氧化試驗

工藝操作要點：選擇新疆185紙皮核桃原果，清水沖洗后經開口處理，破口間距控制在3～5 mm；完成后置于80 ℃烘箱內殺青6 h；復配氧化劑按照料液質量的0.3%添加，攪拌器攪拌充分溶解，將殺青好的核桃立刻放入料液，浸泡3 min至充分滲透，然后振蕩瀝水后放入電熱鼓風干燥箱中，設定溫度80 ℃、時間7 h；結束后，采用鋁箔袋包裝封口，記錄試驗日期。

1.3.3 紙皮核桃加速氧化試驗

試驗采用Schaal烘箱法對手剝即食核桃的抗氧化性能進行加速測定[12-13]。試驗設計：將20份核桃添加不同復合抗氧化劑，將樣品放入鋁箔袋中，在60±1℃的恒溫培養箱中閉口保存20 d；在試驗周期結束后，對樣品的過氧化值（POV）和酸價（AV）這兩個評價指標進行檢測。試驗每組都進行2次平行試驗，并將這些試驗結果取平均值進行統計分析。

1.3.4 過氧化值的測定方法

試驗采用的過氧化值（POV）測定方法是GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》[14]第一法，即滴定法進行測定。

1.3.5 酸價的測定方法

試驗采用的酸價（AV）測定方法是GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》[15]第二法，即滴定法進行測定。

2 結果與分析

2.1 不添加抗氧化劑的紙皮核桃的加速氧化試驗

根據圖1所示，不添加抗氧化劑的手剝即食核桃在相同的溫度和時間條件下，隨著時間的推移，其過氧化值和酸價逐漸增加。在放置10 d后，紙皮核桃的過氧化值超過0.08 g/100 g，酸價超過1 mg/g，核桃的品質和食用價值已經明顯下降。然而，成品手剝即食核桃通常需要保持在銷售時間180 d以上，因此有必要添加抗氧化劑來延長核桃產品的保質期。

圖1 加速氧化條件下不添加抗氧化劑的手剝即食核桃的過氧化值和酸價

2.2 最優混料設計方案及試驗結果

按照軟件設計的不同組合，對A（TBHQ）、B（異抗壞血酸鈉）、C（油溶性茶多酚）、D（檸檬酸）4種抗氧化劑進行復配，共20個組合，設計方案和試驗結果如表2所示。軟件分別通過Quadratic和Special Cubic模型，對POV值和AV兩個評價響應值進行回歸擬合，建立POV和AV值的回歸方程，如式（1）和（2）所示。

表2 設計方案和試驗結果

POV=-10.60A+0.213 7B-4.54C+0.345 3D+14.39AB+20.75AC+12.50AD+4.75BC-0.351 8BD+6.01CD （1）

AV=5.85A+0.245 0B+4.13C+0.320 3D-6.85AB-42.87AC-8.36AD-6.57BC-0.782 8BD-6.92CD+48.07ABC-2.53ABD+56.34ACD+5.85BCD （2）

2.3 最優混料設計方差分析

應用軟件進一步對POV和AV兩個評價響應值的回歸模型進行方差分析，結果見表3和表4。

表3 POV的二次回歸方程模型方差分析表

表4 AV的二次回歸方程模型方差分析表

根據表3中的方差分析（ANOVA）結果發現，評價POV響應值的回歸方程模型具有統計學意義（0.01＜P＜0.05）。失擬項的P值為0.606 6，表明它對模型沒有明顯影響。計算出的變異系數（C.V.）為19.46%，置信度較高，說明AV值與回歸模型的擬合較好。回歸方程的相關系數R2為0.942 3，校正系數為0.817 3。這表示回歸模型能夠解釋POV值變異的94.23%，且經過校正后的調整R2也較高，說明模型對數據的擬合程度較好。BC、ABC交互作用是極顯著的，說明B和C因素的交互作用對POV值的影響非常顯著。AB、AC、AD、BD、CD、ABD、ACD、BCD交互作用也是顯著的，表明這些因素之間的交互作用對POV值的影響具有統計學意義。

根據表4中的方差分析（ANOVA）結果發現，評價AV響應值的回歸方程模型具有非常顯著的統計學意義（P＜0.01）。失擬項的P值為0.118 9，表明它對模型沒有明顯影響。回歸方程的相關系數R2為0.936 1，校正系數為0.878 7。這意味著AV變量的約93.61%的變異可以由A、B、C、D四個自變量的變化來解釋。這個方程可以很好地擬合AV和配方比例之間的關系，說明模型能夠較為準確地預測AV值。此外，從表4還可以觀察到AB、AC、AD、BC、BD交互作用極顯著，CD交互作用也顯著。這些交互作用對AV變量具有重要影響。

2.4 配方優化與驗證

根據軟件的優化，得到表5的1～3試驗號共3組優化的紙皮核桃復配抗氧化劑配方，其中第4試驗號為空白試驗。為了證實預測值與真實值之間的擬合程度，取模型分析得到的配方加工核桃，將得到的樣品加速氧化保存20 d后平行3次測定POV和AV的值，結果取平均值。

表5 配方優化和驗證試驗

表5中3組抗氧化劑優化配方的實際測量值與回歸模型預測值基本吻合，表明優化所得復配抗氧化劑可靠。另外，從表5的1～3試驗號與空白組4試驗號結果比較得知，添加了復配抗氧化劑的紙皮核桃POV和AV值大幅度降低。對3組抗氧化劑配方的實際測量值進行對比分析，最終選擇POV和AV值相對較低的3試驗號作為試驗優化的最優值，即TBHQ添加量0.20 g/kg、異抗壞血酸鈉添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、檸檬酸添加量0.31 g/kg，加速氧化保存20 d后，POV和AV的值分別為0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g。

3 結論

用Schaal烘箱加速氧化方法對紙皮核桃進行加速氧化處理20 d，以POV和AV值為產品評價指標，采用最優混料設計法優化TBHQ（A）、異抗壞血酸鈉（B）、油溶性茶多酚（C）、檸檬酸（D）這四種抗氧化劑的復配配方。通過建立回歸模型評估了這些指標，并分析了這些因素之間的交互作用。同時，通過驗證試驗，得到了幾組較優的配方。試驗測定值與預測值基本吻合，這表明該模型相當可靠。

采用的優化復配抗氧化劑配方如下：TBHQ添加量0.20 g/kg、異抗壞血酸鈉添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、檸檬酸添加量0.31 g/kg。加速氧化保存20 d后，POV和AV值分別為0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g，對紙皮核桃的抗氧化效果最顯著。因此，使用這種復合抗氧化劑可以有效地抑制紙皮核桃的氧化進程，從而在其保質期內獲得較好的抗氧化效果。這項研究為延長紙皮核桃等堅果炒貨的保質期提供了新的思路，為今后的進一步研究提供了寶貴的參考。