基于混料回歸設(shè)計(jì)的柳橙、草莓果味飲料配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化

吳 丹，章振武，張愛群，葉興乾，*，陳健初

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310058;2.杭州佳禾食品有限公司，浙江杭州310001)

柳橙屬于柑橘類水果，營(yíng)養(yǎng)豐富，不僅含人體所需的6大營(yíng)養(yǎng)元素，而且氨基酸齊全、VC含量較高［1-2］。柳橙果汁因糖酸比適宜，風(fēng)味佳，深受消費(fèi)者喜愛，是全球最受歡迎的果汁飲品之一，約占世界果汁類飲料消費(fèi)的2/3［3］。大量的研究表明，食用柑橘類水果利于抗癌和防止心血管疾病［4-6］。草莓在歐洲有“水果皇后”美譽(yù)之稱，其VC含量比蘋果高11.7倍，同時(shí)含類黃酮和酚酸類物質(zhì)，具有抗氧化、增強(qiáng)免疫力、預(yù)防心腦血管疾病、預(yù)防貧血、抗癌等作用［7］。自上個(gè)世紀(jì)90年代開始，人們就對(duì)橙汁飲料和草莓汁飲料進(jìn)行了大量的研究，主要包括清汁或者濁汁飲料［8-10］、果蔬或水果復(fù)合飲料［11-13］、發(fā)酵飲料［14-15］、乳飲料類［16-17］等。

果汁類飲料的配方設(shè)計(jì)涉及混料問題。混料設(shè)計(jì)是工農(nóng)業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常運(yùn)用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［18-22］。在混料實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)組分以占有的百分?jǐn)?shù)來表示，各個(gè)組分加和計(jì)算為1。目前的文獻(xiàn)報(bào)道中以正交實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化果汁飲料配方的較為多見，而混料設(shè)計(jì)方法在柳橙果味飲料和草莓果味飲料的配方優(yōu)化中還未涉及。本文結(jié)合食品感官評(píng)定法對(duì)柳橙和草莓果味飲料配方進(jìn)行混料回歸設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得出優(yōu)選的柳橙和草莓果味配方組合，同時(shí)通過增加相關(guān)的色香味輔料進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)果味飲料色香味的優(yōu)化，最終確定較優(yōu)的柳橙味飲料配方和草莓味飲料配方。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柳橙汁(糖度:66°Bé，酸度:4.16%)、草莓汁(糖度:62.5°Bé，酸度:1.16%) 杭州博多工貿(mào)有限公司提供;蔗糖、食鹽 市售;檸檬酸 購自山東省中創(chuàng)檸檬生化有限公司;色素和香精 購自杭州綠精香精有限公司;黃原膠(食品級(jí))和瓜爾豆膠(食品級(jí)) 購自河北金豐化工有限公司。

WX-300的索尼數(shù)碼相機(jī) 購自日本索尼公司。

1.2 果味飲料的制備

將蔗糖和檸檬酸、食鹽等各種配料按照混料設(shè)計(jì)表中的比例放入煮沸的純凈水充分溶解，待冷卻到50～60℃時(shí)，加入純果汁混勻，用均質(zhì)機(jī)在18～22MPa下進(jìn)行均質(zhì)處理，而后裝罐巴氏殺菌得到成品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 混料設(shè)計(jì) 本研究利用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5，采用混料設(shè)計(jì)方法，對(duì)柳橙和草莓果味飲料的配方進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。經(jīng)過初步預(yù)實(shí)驗(yàn)后，果汁濃度范圍選定為3%～5%，蔗糖的濃度范圍選定為20%～40%，檸檬酸的濃度范圍為0.2%～0.5%，食鹽的濃度范圍為0.04%～0.08%，其余為純凈水。混料設(shè)計(jì)表如表1。

1.3.2 感官評(píng)價(jià) 22位感官評(píng)價(jià)員通過評(píng)分檢驗(yàn)法對(duì)得到的果味飲料從色澤、香味、口感、外觀三方面進(jìn)行感官評(píng)定。感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

1.3.3 配方優(yōu)化 在混料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，通過日落黃和檸檬黃的濃度添加實(shí)驗(yàn)進(jìn)行柳橙果味飲料的色澤優(yōu)化，通過誘惑紅和胭脂紅的濃度添加實(shí)驗(yàn)進(jìn)行草莓果味飲料的色澤優(yōu)化;通過柳橙香精和草莓香精的濃度添加實(shí)驗(yàn)進(jìn)行果味飲料的香味優(yōu)化;通過黃原膠和瓜爾豆膠的濃度添加實(shí)驗(yàn)進(jìn)行果味飲料的口感優(yōu)化。

1.3.4 顏色特征參數(shù)的提取 在室內(nèi)自然光照下固定位置，采用型號(hào)WX-300的索尼數(shù)碼相機(jī)攝取各個(gè)樣品的數(shù)字圖像。拍攝角度為樣品正上方的垂直方向。以數(shù)碼相機(jī)的自動(dòng)曝光模式控制曝光時(shí)間和色彩平衡，圖像的分辨率采用1920像素×1080像素。圖像分析與色彩特征值的提取采用Adobe Photoshopcs 7.0進(jìn)行，選取照片中的樣品區(qū)域，利用Adobe Photoshopcs 7.0讀取各樣品圖像的R、G、B值的各項(xiàng)平均值。樣品間色差值計(jì)算公式為:

R:樣品圖像R值與參比物圖像R值差;G:樣品圖像G值與參比物圖像G值差;B:樣品圖像B值與參比物圖像B值差。

表1 果味飲料混料設(shè)計(jì)表Table 1 Mixture design for fruity drinks

表2 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of sense evaluation

1.3.5 數(shù)據(jù)分析與處理 采用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5進(jìn)行混料實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析;采用Adobe Photoshopcs 7.0進(jìn)行圖像分析;采用EXCEL進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)表1的混料設(shè)計(jì)配方，最終得到2種口味飲料的感官評(píng)價(jià)值，見表3。

表3 果味飲料感官評(píng)價(jià)值Table 3 Sense evaluation for fruity drinks

表4 二次多項(xiàng)式回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model equation

表5 優(yōu)化配方的感官評(píng)定值Table 5 Sense evaluation under the optimized formula of fruit drinks

利用數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行混料設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)，建立回歸模型，見如下方程，根據(jù)回歸方程可以預(yù)測(cè)不同配方情況下的果味飲料感官評(píng)定值(見表3):

柳橙評(píng)分方程:

草莓評(píng)分方程:

柳橙果味飲料的二次多項(xiàng)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.98，校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.96。草莓果味飲料二次多項(xiàng)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.92，校正后的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.89。對(duì)以上2個(gè)方程進(jìn)行方差分析，得到方差分析表4。從表中可以看出，這2個(gè)方程的線性模型和二次模型的p值達(dá)到0.0001，均達(dá)到顯著性水平。可以看出擬合的方程能很好的反映果味配方指標(biāo)與感官評(píng)價(jià)值之間的關(guān)系。

同時(shí)通過數(shù)據(jù)處理軟件，可以得到柳橙和草莓果味飲料的優(yōu)化配方，表5為軟件運(yùn)行得到的最佳組合配方和預(yù)測(cè)的感官評(píng)定值，以及進(jìn)行人工感官評(píng)定得到的實(shí)測(cè)值。

從表5中可以看到實(shí)際測(cè)定得到的感官評(píng)定值在預(yù)測(cè)值1%的置信區(qū)間范圍內(nèi)。建立的擬合方程可以很好的模擬配方的感官評(píng)價(jià)值。

2.2 配方優(yōu)化

表5中的柳橙和草莓優(yōu)化配方果味飲料，雖然感官評(píng)價(jià)值較高，在一定程度上已經(jīng)能滿足人們的消費(fèi)需要，但是與原果汁相比在色、香、味方面還是有一定的差距，需要進(jìn)一步的完善和優(yōu)化。

2.2.1 色澤優(yōu)化 按照表5中柳橙優(yōu)化配方，添加日落黃，其添加量分別為 0，0.0003%，0.0006%，0.0009%，0.0012%，0.0015%，見圖1。其中色差值D以原橙汁溶液為參比物。從圖1中可以看到添加0.0012%的日落黃與原果汁的色差值最小，與原果汁相差色差為5.0，因此將該濃度作為優(yōu)選添加量。

圖1 日落黃添加量對(duì)柳橙果味飲料色差的影響Fig.1 The effect of sunset yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中柳橙優(yōu)化配方和日落黃優(yōu)選添加量，進(jìn)行檸檬黃色素添加實(shí)驗(yàn)，其添加量分別為0，0.003%，0.006%，0.009%，0.012%，0.015%，見圖 2，其中色差值D以原橙汁溶液為參比物。可以看出，當(dāng)檸檬黃添加量達(dá)到0.006%時(shí)與原果汁的色差值最小，與原果汁相差色差為2.45，因此可將此濃度作為優(yōu)選添加量。

圖2 檸檬黃添加量對(duì)柳橙果味飲料色差的影響Fig.2 The effect of lemon yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中草莓優(yōu)化配方，進(jìn)行誘惑紅色素添加實(shí)驗(yàn)，其添加量分別為0，0.00002%，0.00004%，0.00006%，0.00008%，0.00010%，見圖3，其中色差值D以草莓汁原液為參比物。單獨(dú)使用誘惑紅的顏色偏粉紅色，與草莓色澤差異較大，色差值均在100以上。當(dāng)誘惑紅的濃度大于0.00008%時(shí)與原果汁的色差值最小，因此可將此濃度作為優(yōu)選添加量。

圖3 誘惑紅添加量對(duì)柳橙果味飲料色差的影響Fig.3 The effect of allura red on colour difference of strawberry flavored beverages

為了彌補(bǔ)誘惑紅色澤的不足，按照表5中草莓優(yōu)化配方和誘惑紅最佳添加量，加入胭脂紅色素，其添加量分別為 0，0.0001%，0.0002%，0.0003%，0.0004%，0.0005%，結(jié)果見圖4，其中色差值D以草莓汁原液為參比物。從圖中可以看出，當(dāng)胭脂紅的添加量達(dá)到0.0003%時(shí)，色澤與草莓顏色最為接近，最低色差值為65.74，因此將此濃度作為優(yōu)選添加量。

2.2.2 香味優(yōu)化 圖5和圖6為柳橙和草莓香精對(duì)果味飲料香氣影響的研究，其中感官評(píng)價(jià)值以表2的香氣感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為參考。從圖中可以看出當(dāng)柳橙香精添加量達(dá)到0.07%，草莓香精添加量達(dá)到0.06%時(shí)，獲得了最佳的香氣感官評(píng)分值。因此這里將這2個(gè)添加濃度作為優(yōu)選的香精添加量。

2.2.3 口感優(yōu)化 選用黃原膠和瓜爾豆膠作為增稠劑，對(duì)柳橙和草莓果味飲料進(jìn)行口感優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。分別選擇不同的添加比例，并進(jìn)行描述性感官評(píng)定，結(jié)果見表6。

圖4 胭脂紅添加量對(duì)柳橙果味飲料色差的影響Fig.4 The effect of cochineal on colour difference of strawberry flavored beverages

圖5 柳橙香精對(duì)柳橙果味飲料香氣的影響Fig.5 The effect of orange flavour on odor of strawberry flavored beverages

圖6 草莓香精對(duì)草莓果味飲料香氣的影響Fig.6 The effect of strawberry flavour on odor of strawberry flavored beverages

表6 黃原膠和瓜爾豆膠對(duì)果味飲料口感的影響Table 6 The effect of xanthan gum and guar gum on texture of flavored beverages

從表6可以看出，當(dāng)黃原膠與瓜爾豆膠的添加比例為2∶5，即黃原膠添加量為0.1%，瓜爾豆膠添加量為0.25%，得到最佳的感官評(píng)價(jià)，因此可將此添加量作為優(yōu)選配方濃度。

3 結(jié)論

綜上所述，柳橙果味飲料的最佳配方為:蔗糖22.80%、檸檬酸0.50%、果汁5%、食鹽0.04%、日落黃0.0012%，檸檬黃0.006%，柳橙香精0.07%，黃原膠0.1%，瓜爾豆膠0.25%，其余為純凈水。此柳橙果味飲料最佳配方下獲得的產(chǎn)品感官評(píng)分值為95分;草莓果味飲料的最佳配方為:蔗糖22.09%、檸檬酸0.50%、果汁5%、食鹽0.04%、誘惑紅0.00008%，胭脂紅0.0003%，草莓香精0.06%，黃原膠0.1%，瓜爾豆膠0.25%，其余為純凈水。此草莓果味飲料最佳配方下獲得的產(chǎn)品感官評(píng)分值為94分。

混料設(shè)計(jì)相比于目前配方設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的正交設(shè)計(jì)可以研究配方里各因子之間的配比和相關(guān)性，利用回歸分析建立各因變量的曲線方程，根據(jù)回歸方程和目標(biāo)值推測(cè)出因子的最佳配比組合［23］。本實(shí)驗(yàn)通過DPS進(jìn)行混料設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)，建立了預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，通過方差分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，表明該方程可以很好的預(yù)測(cè)各個(gè)因素水平與感官指標(biāo)之間的關(guān)系。在得到果味飲料基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了色、香、味的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定了最終的優(yōu)化配方。

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