基于響應面的零熱量果凍粉配方優化

范光森，朱思樾，段盛林，劉 杰，劉炎橋，萬 寧，*（.中國食品發酵工業研究院，北京0005；.中國農業大學，北京00083）

基于響應面的零熱量果凍粉配方優化

范光森1，朱思樾2，段盛林1，劉 杰1，劉炎橋1，萬 寧1，*
（1.中國食品發酵工業研究院，北京100015；2.中國農業大學，北京100083）

以具有零熱量的赤蘚糖醇為基礎原料替代傳統果凍中的砂糖，從而降低果凍的能量，開發零熱量果凍粉。首先通過單因素優化了對果凍粉成型和口味影響較大的膠體、酸濃度和KCl的濃度。針對以上4因素，利用Box-Benhnken法進行3水平響應面優化設計實驗確定最佳配方：赤蘚糖醇77.70%，可溶性膳食纖維16.40%，魔芋膠1.54%，卡拉膠2.46%，檸檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%。經此果凍粉配方制備的果凍具有很好地彈性，口感爽滑，咀嚼度達到318.734 J，屬于零熱量食品。

果凍粉，赤蘚糖醇，魔芋膠，卡拉膠

果凍是人們非常喜愛的一種休閑食品，其產品晶瑩剔透，色澤鮮艷多樣、口感細膩滑爽，清甜爽口，風味獨特，又有一定的營養價值，四季皆宜，可用作餐后甜點、糕點修飾以及與飲料搭配，備受男女老幼，特別是婦女兒童及年輕一代的喜愛，其生產及應用前景非常廣闊，市場潛力巨大［1］。

傳統果凍基本上以砂糖為主要原料，為高糖產品，熱量較高，營養價值低［2］。然而食用過多富含砂糖的果凍容易引發血糖升高，造成兒童齲齒病、兒童肥胖或兒童糖尿病。因此，有必要開發低糖或無糖的替代品，降低果凍的熱量，這也是未來果凍發展的趨勢之一［3］。目前有關低糖或無糖的果凍產品研究鮮有報道，在國外，Riedel等［4］利用高葡聚糖、低聚果糖、三氯蔗糖和赤蘚糖醇開發低糖或無糖水果果凍，Acosta等［5］利用山梨糖醇代替砂糖，添加阿斯巴甜和安塞蜜等甜味劑開發了低糖水果果凍，Akesowan［6］利用響應面方法優化了赤蘚糖醇-三氯蔗糖復合物和檸檬酸添加量開發了魔芋果凍飲料。韓國學者利用赤蘚糖醇、異麥芽糖、山梨糖醇和木糖醇等原料代替砂糖開發適合老年人食用的果凍［7］。國內僅見劉丹、趙貴紅和趙凱等［2，8-9］有所研究。赤蘚糖醇被認定為零熱值代糖，具有清涼的口感，非致齲齒，對血糖無影響的特點［10］，有關利用赤蘚糖醇開發低熱量果凍國內僅見趙貴紅等［9］報道，但尚未完全代替砂糖。為此，本文嘗試以赤蘚糖醇為基礎配料代替砂糖開發一種果凍粉配方，以此果凍粉制備的果凍具有零熱量特點。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

復配型（三氯蔗糖）赤蘚糖醇 淄博中食歌瑞生物有限公司提供；魔芋膠 汕頭市捷成食品添加劑（A1、A2、A3和A4）、上海北連生物科技有限公司（A5 和A6）、湖北一致魔芋生物科技有限公司（A7和A8）、湖北強森魔芋科技有限公司（A9、A10和A11）和綠新福建食品有限公司（A12）提供；卡拉膠 阿澤雷斯國際貿易（上海）有限公司（B1）、上海大眾海洋產業有限公司（B2）、青島友利德國際貿易有限公司（B3）、上海北連生物科技有限公司（B4、B5和B6）、石獅市環球瓊膠工業有限公司（B7和B8）、嘉吉亞太食品系統（北京）有限公司（B9）和海南文昌卡拉膠發展有限公司提供（B10）；檸檬酸、KCl、食用香精、食用色素 均從市場購買，且符合食品級的要求。

TA-XT.Plus物性測定儀 英國Stable Micro Systems；AL104分析天平 瑞士Mettler Toledo。

1.2 實驗方法

按照基礎配方稱好果凍粉配方中的成分→干混→加入1∶6的熱水（95℃以上）→趁熱充分攪拌→注模→冷卻成型→貯藏→檢測分析［11］。

1.2.1 單因素實驗 在進行預實驗的基礎上（赤蘚糖醇77.70%，可溶性膳食纖維16.40%，魔芋膠1.30%，卡拉膠2.40%，檸檬酸2.00%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%，百分比為果凍粉干重比），將魔芋膠種類和濃度、卡拉膠種類和濃度、檸檬酸和KCl 6因素中5個因素條件固定，設置另一個因素的變化，進行單因素實驗，按照感官評定方法和物性測定儀測得的咀嚼度對樣品進行評價。

首先考察魔芋膠種類，選用不同種類的魔芋膠A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11和A12，按照基礎配方進行實驗，通過感官評價標準評分和咀嚼度大小，確定最優的魔芋膠種類；確定好魔芋膠種類后，以最優的魔芋膠種類進行添加濃度實驗（0.40%、0.80%、1.20%、1.60%和2.00%），從而確定最佳魔芋膠濃度；在確定好魔芋膠種類和濃度的基礎上，選用不同種類的卡拉膠（B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9和B10）進行實驗，確定最優的卡拉膠種類；隨后選用最優的卡拉膠進行其添加量實驗，確定最佳的卡拉膠添加濃度（0.60%、1.20%、1.80%、2.40% 和3.00%）；確定好膠體種類和濃度后，對檸檬酸添加量進行研究（1.00%、1.50%、2.00%、2.50%和3.00%），確定果凍粉的最佳檸檬酸添加濃度；最后探討不同濃度的KCl對果凍粉的影響（0.07%、0.14%、0.21%、0.28%和0.35%）。

1.2.2 Box-Behnken實驗 在單因素實驗基礎上，根據Box-Behnken實驗設計原理［5］，以魔芋膠、卡拉膠、檸檬酸、KCl濃度為因子，所制備的果凍咀嚼度為指標，設計4因素3水平響應面分析實驗，因素水平編碼見表1，數據用Design-Expert 8.0.6（Stat-Ease，Inc）軟件分析確定最優配方組合。

1.2.3 感官評價［12］果凍粉配制的果凍的感官品評標準見表2，20名感官評價員進行評價打分后取平均值。

表1 響應面實驗因素水平表Table1 Factors and levels in response surface analysis

表2 果凍粉配制的果凍感官評分標準Table2 The sensory score standards of spirulina protein jelly

1.2.4 果凍質構的測定 采用物性測試儀的P/0.5探頭，壓縮形變量為50%，以1.0 mm/s的測試速度對果凍進行質構的測試，主要測定果凍的咀嚼度（J）［13］。

1.2.5 數據分析 實驗數據采用Origin 9.1（OriginLab Corporation）和Design-Expert 8.0.6（Stat-Ease，Inc）軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 魔芋膠種類

圖1 魔芋膠種類對果凍感官和咀嚼度的影響Fig.1 Effect of konjac gum types on senses and chewiness of jelly

不同廠家所生產的魔芋膠品質不同，實驗中選取了12種粒度相近（120目左右）的魔芋膠進行實驗，考察不同魔芋膠種類在制備果凍粉中的特性，從而選擇合適的魔芋膠種類用于果凍粉的生產。由圖1可以看出A2、A6和A10具有較好的口感和組織結構，感官得分高，并且測定的硬度、彈性（未列出）和咀嚼度相比其他類型的魔芋膠好，更加適合沖調式果凍粉的生產。通過分析發現，這三種產品的粘度高（≥30000 mPa·s），具有較好的外觀和透明度。另外，實驗過程中發現在沖調性方面A2和A6明顯優于A10，前兩者比較容易沖調，A10則存在較輕的抱團現象。綜合考慮，選擇A2進行后續實驗。

2.2 魔芋膠濃度

在基礎配方的基礎上，添加不同濃度的魔芋膠A2，實驗結果如圖2所示，由圖2可以看出，在魔芋膠添加濃度超過1.20%時具有較好的咀嚼度，并且此后隨著濃度的增加咀嚼度增加不明顯。實驗結果表明在魔芋膠添加濃度為1.20%或1.60%時具有較好的口感，粘彈性和組織狀態較好。考慮到成本問題，魔芋膠的添加量為1.20%，占按照1∶6用水沖調后制得成品果凍的0.17%，這與陳宇飛等［14］報道的實驗結果相似。

圖2 魔芋膠濃度對果凍感官和咀嚼度的影響Fig.2 Effect of konjac gum concentration on senses and chewiness of jelly

2.3 卡拉膠種類

圖3 卡拉膠種類對果凍感官和咀嚼度的影響Fig.3 Effect of carrageenan types on senses and chewiness of jelly

選取11種不同凝膠強度的卡拉膠與魔芋膠進行復配，實驗結果如圖3所示，由圖3可以看出，卡拉膠B6和B8具有較好的咀嚼度，并且感官評價好，具有很好的粘彈性。值得注意的是卡拉膠B3和B10雖然咀嚼度很低，但感官評價較好，這是因為與前兩者所形成的果凍存在很大差別，這兩個卡拉膠所形成的果凍具有透明的外觀，果凍切面光滑，入口具有很好的“Q”感，同前兩者相比具有不同的口感（后續實驗進行另一種口感果凍的開發）；而前兩者雖然組織狀態好，但果凍剖面有少量顆粒，入口有輕微的粗糙感。另外，B1和B5都未形成果凍，這主要是由于兩者屬于λ-型卡拉膠。文獻報道，卡拉膠種類是魔芋類果凍的關鍵之一，實驗證實，必須使用κ-卡拉膠，而不能使用λ-卡拉膠或τ-卡拉膠［11］。根據以上實驗結果，選取卡拉膠B8進行后續研究。

2.4 卡拉膠濃度

由圖4可以看出隨著卡拉膠濃度的增加，果凍的咀嚼度先增加后下降，在添加量為2.40%時最高，為249.712 J；感官評價發現，在卡拉膠濃度為1.20%、1.80% 和2.40%時具有較好的口感和組織狀態，而添加量為0.60%時，果凍彈性大，添加量為3.00%時則呈現脆裂感，內聚性差，同時剖面不光滑，降低了果凍入口時具有的滑爽感。綜合感官評價和咀嚼度，以2.40%的濃度進行實驗，這與趙魁等報道的實驗結果類似［15］。

圖4 卡拉膠濃度對果凍感官和咀嚼度的影響Fig.4 Effect of carrageenan concentration on senses and chewiness of jelly

2.5 檸檬酸濃度

由圖5可以看出，隨著檸檬酸濃度的增加，感官評價和咀嚼度趨勢一致，都呈現先增加后降低的趨勢，并且在檸檬酸添加量為1.50%時，感官評價和咀嚼度最好，此時果凍具有很好的韌性，酸甜適口，質地均勻。這與王喜萍等報道的綠茶魔芋復合果凍的研制中檸檬酸添加量接近［16］。

圖5 檸檬酸濃度對果凍感官和咀嚼度的影響Fig.5 Effect of citric acid concentration on senses and chewiness of jelly

2.6 KCl濃度

實驗結果表明，KCl濃度對果凍的影響情況與檸檬酸類似，因此結果未列出，感官評價和咀嚼度都隨著KCl濃度的增加先增加后降低，并且以添加量為0.14%時最好，相比徐志杰等［17］報道的添加量偏低。李艷［18］報道K+、Ca2+可以提高魔芋膠與卡拉膠在水溶液中形成的凝膠強度，并且湯毅珊等［19］報道表明KCl對卡拉膠有強烈的增效作用，可明顯降低卡拉膠的用量，改善凝膠強度。

2.7 響應面優化配方組合

2.7.1 數學模型的建立和數據分析 根據單因素實驗結果，可以看出咀嚼度和感官評價基本一致，基于咀嚼度更加客觀，選取咀嚼度為響應值。依據Box-Behnken實驗原理設計4因素3水平共設立29個處理組，實驗結果如表3所示。根據所得實驗數據采用軟件Design-Expert 8.0.6進行多元回歸擬合，得到咀嚼度（Y）對實驗因素的二次多項回歸方程。初步回歸方程為：

表3 Box-Behnken設計方案及響應值Table3 Box-Behnken experimental design and corresponding experimentalpolysaccharide yields

方程中各項系數絕對值的大小直接反映各因素對響應值的影響程度，系數的正、負反映了影響的方向。由于方程的二次項系數均為負值，可以推斷方程代表的拋物面開口向下，因而具有極大值點，可以進行優化分析。由方程的一次項系數可以得出，影響果凍粉所制備果凍的咀嚼度因素的主次順序為：魔芋膠濃度＞卡拉膠濃度＞檸檬酸濃度＞KCl濃度。

對模型進行方差分析，結果顯示，方程的模型顯著性p＜0.0001，是極顯著的，說明回歸模型顯著，擬合程度好，有實際應用意義。失擬項p＜0.05，顯著，即模型預測值與實驗值存在一定差異。為此，剔除模型中影響最不顯著的AB和BD兩項，對模型（1）進行優化可得：

對優化后模型進行方差分析，結果（表4）顯示，回歸方程模型顯著，同時失擬項p＞0.05，不顯著，即模型預測值與實驗值的差異較小。

表4 回歸方程方差分析Table4 Analysis of variance for response surface quadratic model

2.7.2 響應面分析圖 根據回歸方程建立響應曲面圖，考察響應面形狀，分析魔芋膠濃度、卡拉膠濃度、檸檬酸濃度和KCl濃度對響應值咀嚼度的影響。各因素之間的交互作用對果凍粉所制備果凍咀嚼度影響的響應面圖如圖6～圖9所示。響應曲面的坡度的陡峭程度說明隨著影響因素的變化，其對應響應值的變化情況。等高線的形狀可反映出交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反［20］。

由圖6可知，隨著魔芋膠濃度的增加，咀嚼度增大；而隨著檸檬酸濃度的增加，咀嚼度先增加后降低。與單因素實驗相比，可以看出檸檬酸濃度影響了魔芋膠濃度對果凍咀嚼度的作用，也就是說兩者存在交互作用。響應曲面陡峭，進一步表明魔芋膠濃度和檸檬酸濃度的交互作用對咀嚼度影響較大。從等高線形狀可以看出，魔芋膠濃度對咀嚼度的影響大于檸檬酸濃度。

圖6 魔芋膠濃度和檸檬酸濃度對果凍咀嚼度的響應面圖Fig.6 Response surface plot of the effects of konjac gum concentration and citric acid concentration on the chewiness of jelly

由圖7可知，隨著魔芋膠濃度的增加咀嚼度不斷增加，而KCl濃度則對咀嚼度影響較小。

圖7 魔芋膠濃度和KCl濃度對果凍咀嚼度的響應面圖Fig.7 Response surface plot of the effects of konjac gum concentration and KCl concentration on the chewiness of jelly

由圖8可知，隨著卡拉膠濃度和檸檬酸濃度的增加，咀嚼度先升高后降低。從等高線形狀可看出，卡拉膠濃度對咀嚼度的影響要大于檸檬酸濃度。

由圖9可知，隨著檸檬酸濃度和KCl濃度的增加咀嚼度有減小的趨勢，并且兩者對果凍的咀嚼度影響較小。從等高線形狀可看出，檸檬酸濃度對咀嚼度的影響大于KCl濃度。

綜上所述，魔芋膠濃度對咀嚼度的影響最大；其次是卡拉膠膠濃度和檸檬酸濃度，這與之前的方差分析結果一致。

圖8 卡拉膠濃度和檸檬酸濃度對果凍咀嚼度的響應面圖Fig.8 Response surface plot of the effects of carrageenan concentration and citric acid concentration on the chewiness of jelly

圖9 檸檬酸濃度和KCl濃度對果凍咀嚼度的響應面圖Fig.9 Response surface plot of the effects of citric acid concentration and KCl concentration on the chewiness of jelly

2.7.3 優化配方參數和驗證模型 通過響應面實驗分析，確定果凍粉的最佳配方為：赤蘚糖醇77.70%，可溶性膳食纖維16.40%，魔芋膠1.54%，卡拉膠2.46%，檸檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%，此配方配制的果凍咀嚼度預測值為327.639 J。此時魔芋膠與卡拉膠的比例與徐志杰等［17］報道的類似，約為2∶3。在上述條件下，進行3組驗證性實驗，實驗結果平均咀嚼度為：318.734 J，果凍的感官得分為87。經驗證，實測值與預測值之間擬合較好，誤差在允許范圍內，說明利用響應面法優化果凍粉的配方是可行、有效的。

3 結論

在單因素實驗的基礎之上，利用響應面（RSM）分析建立果凍粉配比的二次多項式數學模型，對影響咀嚼度的關鍵因素及其相互作用進行深入探討，通過典型分析并考慮到感官評價得到最佳果凍粉配方為：赤蘚糖醇77.70%，可溶性膳食纖維16.40%，魔芋膠1.54%，卡拉膠2.46%，檸檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%。采用上述最優條件進行3次，測得咀嚼度為：318.734 J，與理論值相比，相對誤差較小，為2.7%，此時果凍的感官得分為87。該配方配制得到的果凍粉，按照1∶6的熱水沖調具有較好的彈性和適中的硬度，并且消費者可以依據自己的愛好添加不同的果汁，制備天然的果汁果凍。

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Formula optimization of a zero calories jelly powder based on response surface methodology

FAN Guang-sen1，ZHU Si-yue2，DUAN Sheng-lin1，LIU Jie1，LIU Yan-qiao1，WAN Ning1，*
（1.China National Research Institute of Food&Fermentation Industries，Beijing 100015，China；2.China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Utilizing erythritol instead of traditional white granulated sugar as basic material，a zero calories jelly powder was developed in this paper.The effects of gel，acid，and KCl，which were greater influence on the jelly-forming properties and taste，were studied in single factor experiments.Subsequently，the optimal formula of jell powder were explored by Box-Behnken design involving the above four factors at three levels in combination with response surface methodology.The best formula was as follows:erythritol 77.70%，soluble dietary fiber 16.40%，konjac gum 1.54%，carrageenan 2.46%，citric acid 1.30%and 0.14%KCl，0.03%edible flavor，and edible essence 0.03%.Jelly made by this formula had good elasticity，smooth taste，and the chewiness was 318.734 J，and that was a zero calories food.

jelly power；erythritol；konjac gum；carrageenan

TS278

B

1002-0306（2016）02-0296-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.051

2015－04－17

范光森（1984-），男，博士研究生，工程師，研究方向：食品生物技術，E-mail：fgs-ln@163.com。

*通訊作者：萬寧（1964-），男，大學本科，高級工程師，研究方向：發酵工程和網絡信息化，E-mail：wanning010@aliyun.com。

首都食品安全科技創新優培育專項（Z141100002614019）。