響應面試驗優化葡萄籽鷹嘴豆復合飲料穩定劑配方

宋晶晶，田歌，吳浩天，劉榮剛，李俊波，馬露露，黃若蘭，童婷，武運*

1(新疆農業大學 科學技術學院，新疆 烏魯木齊，830052)2(新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊，830052) 3(新疆新雅葡萄酒業有限公司，新疆 哈密，839000)

響應面試驗優化葡萄籽鷹嘴豆復合飲料穩定劑配方

宋晶晶1，田歌2，吳浩天2，劉榮剛3，李俊波1，馬露露1，黃若蘭1，童婷1，武運2*

1(新疆農業大學 科學技術學院，新疆 烏魯木齊，830052)2(新疆農業大學 食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊，830052) 3(新疆新雅葡萄酒業有限公司，新疆 哈密，839000)

為了研究不同穩定劑對葡萄籽鷹嘴豆復合飲料穩定性的影響，并得到最佳的穩定劑復配方案，以葡萄籽鷹嘴豆復合飲料為原料，通過添加黃原膠、卡拉膠、果膠、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)、海藻酸鈉5種不同穩定劑進行單因素考察，以穩定系數、沉淀率為考察指標，篩選出穩定效果較好的3種穩定劑，利用響應面優化法進行復配穩定劑的優化。結果表明,葡萄籽鷹嘴豆復合飲料中穩定劑添加量為海藻酸鈉0.04%、黃原膠0.04%、果膠為0.03%時，產品的穩定性最優，穩定系數為98.877%，平均沉淀率為1.064 %，試驗得出的復配穩定劑能夠提高產品的穩定性。

葡萄籽鷹嘴豆復合飲料；響應面優化設計法；穩定劑；穩定系數；沉淀率

隨著葡萄酒產業的發展，每年都有上百萬噸的葡萄籽產生[1-2]，將葡萄籽加以合理利用，不僅可以避免環境污染，而且會增加葡萄酒行業的附加值，提高經濟效益。隨著社會的發展和生活水平的提高，人類越來越注重自身的保健[3]，各種具有一定保健作用的飲料不斷出現，常見的有復合果蔬汁飲料，本文利用釀酒副產物葡萄籽和新疆特色植物鷹嘴豆為原料，研制出具有新疆特色的復合飲料，該類型的復合飲料還未見報道。合適的穩定劑的添加可改善產品風味，對產品物理性質的穩定、體系均一、提高質量、延長貨架壽命起到關鍵作用[4～6]，本試驗擬解決的關鍵問題為復合飲料的復配穩定劑的配方的研究。

葡萄籽中含有多種活性成分，例如葡萄籽多酚[8～10](包括原花青素、白藜蘆醇、單寧等)、優質的蛋白質和葡萄籽油等。這些活性成分具有特殊的生理功能，例如清除自由基[11]、抗氧化[12]、保護心血管、保護機體損傷[13]等；還具有收斂性、酶抑制、抗脂質過氧化等活性。鷹嘴豆[15-16]性味甘、平、無毒，有補中益氣、溫腎壯陽、主消渴、解血毒、潤肺止咳等作用，其對糖尿病、高血脂、高血壓、心腦血管疾病、肺病、消化不良、皮膚疾病等均有良好的藥膳食療作用。鷹嘴豆中的異黃酮具有抗氧化，抗骨質疏松，抗紫外線抗腫瘤等作用。鷹嘴豆中不溶性膳食纖維屬非營養成分，但因其特有的化學結構和性質決定了對人體健康的特有保健功能，它可以降低血液中的膽固醇含量，預防心臟病，控制血糖，預防糖尿病，防止便秘，促進腸胃蠕動。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

葡萄籽，新疆新雅葡萄酒業有限公司；鷹嘴豆，新疆紅山干果市場；食品級果膠，上海欣融實業發展有限公司；食品級羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)，上海欣融實業發展有限公司；食品級海藻酸鈉，上海欣融實業發展有限公司；食品級黃原膠，上海欣融實業發展有限公司；食品級卡拉膠，上海欣融實業發展有限公司。

1.2儀器與設備

DJ-138型豆漿機，九陽股份有限公司；AB135-S型電子天平，瑞士Mettler-Toledo公司；JM-LB60膠體磨，溫州市七星乳品設備廠。

1.3實驗方法

1.3.1 工藝流程

葡萄籽鷹嘴豆復合飲料→穩定劑→膠體磨→均質

1．3.2 單一穩定劑試驗設計

葡萄籽鷹嘴豆復合飲料以質量百分比添加單一穩定劑均質后，考察穩定劑種類和添加量對復合飲料離心沉淀率、穩定系數和感官評價的影響。分析因素和水平表見表1。

表1 單一增稠劑因素水平表 單位：%

1.3.3 響應面優化試驗設計

根據單因素試驗結果，選擇影響穩定性較好的穩定劑海藻酸鈉(A)、黃原膠(B)、果膠(C)為影響因素進行復配，以穩定系數(Y1)、離心沉淀率(Y2)為應變量，利用響應面軟件Design-Expert 8.06中的Box-Behnken Design進行響應面試驗設計，因素水平表見表2。

表2 響應面分析試驗因素編碼及水平表

1.3.4 檢測指標

1.3.4.1 穩定系數(R)[17]的測定

取10 mL樣品于2 000 r/min離心10 min，取中間液稀釋80倍后，用分光光度計在750 nm下測定，并計算穩定系數，計算公式見(1)。

(1)

式中：與A1為離心前的吸光度，A2為離心后中間液稀釋80倍后的吸光度。

1.3.4.2 離心沉淀率(SR)[18]的測定

取30 mL樣品于8 000 r/min離心10 min，傾去上清液和去除附著在離心管壁上的脂肪，稱量沉淀物重量。每個樣品進行3次平行測定，取測定平均值，離心沉淀率越大，表示體系穩定性越差；反之，穩定性越好。離心沉淀率計算公式見(2)。

(2)

式中：SR為離心沉淀率；m1為樣品溶液離心后沉淀物的質量；m2為樣品溶液離心前的質量。

2 結果與分析

2.1單因素試驗

2.1.1 黃原膠對復合飲料穩定性的影響

黃原膠用量分別為 0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，按照 1.2.1所述方法處理，取樣測定產品穩定系數及離心沉淀率。結果見圖1。

圖1 不同黃原膠添加量對復合飲料穩定性影響Fig．1 Effect of different amount of yellow gum on the stability of compound beverage

圖1可知，當黃原膠添加量在0.02%～0.04%時，復合飲料的穩定系數上升幅度較大，沉淀率下降幅度較大，添加量在0.04%～0.10%時，隨著黃原膠添加量的增加，穩定系數隨之降低，沉淀率隨之增大。黃原膠添加量在0.04%時，穩定系數達到最大值為96.39%，沉淀率達到最小值1.46%，綜合考慮，選擇黃原膠添加量為0.04 %時，產品穩定性最佳。由于黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸以2∶2∶1分子比組成的高分子胞外陰離子多糖[19-20]，分子側鏈中含有乙酸和丙酮酸等基團，這些基團在酸性條件下，可以吸附帶正電荷的蛋白質分子，形成空間位阻以減少蛋白質的沉淀，達到穩定乳體系的作用。

選擇黃原膠添加量為0.04 %時的樣品，色澤均一，香氣優雅，保留了原有風味與口感，并綜合穩定系數和沉淀率，選擇黃原膠作為復配穩定劑。

2.1.2 卡拉膠對復合飲料穩定性的影響

卡拉膠用量分別為 0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，按照 1.2.1所述方法處理，取樣測定產品穩定系數及離心沉淀率。結果見圖2。

圖2 不同卡拉膠添加量對復合飲料穩定性影響Fig.2 Effect of different amounts of carrageenan added of compound beverage

如圖2所示，卡拉膠添加量在0.02%～0.04%時，復合飲料的沉淀率沉淀率下降幅度較大，穩定系數呈上升趨勢，當添加量為0.04%～0.08%時，沉淀率急劇上升，添加量超過0.04.%后，隨著添加量的增加，樣品中沉淀率呈現上升趨勢，穩定系數呈現下降趨勢，當添加量為0.04 %時，穩定系數最高為96.38%，沉淀率最小為2.94%。綜合考慮，選擇卡拉膠添加量為0.04 %時，具有穩定效果。卡拉膠是一種線性多糖，具有很強的增稠作用，同時它可以與蛋白質發生絡合反應，使得蛋白質在乳體系中均勻穩定分布，防止產生沉淀[21]。

將復合飲料中添加0.04 %的卡拉膠，制備樣品，呈現乳白色，出現分層，存在異味，口感不佳，產品的狀態不佳，綜合分析，卡拉膠不適合作為復合飲料的穩定劑。

2.1.3 果膠對復合飲料穩定性的影響

果膠用量分別為 0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，按照 1.2.1所述方法處理，取樣測定產品穩定系數及離心沉淀率。結果見圖3。

圖3 不同果膠添加量對復合飲料定性影響Fig.3 Effect of different amounts of Pectin added of compound beverage

如圖3所示，果膠添加量0.02%～0.04%時，樣品穩定系數呈上升趨勢，沉淀率呈下降趨勢，在0.04%～0.10 %時，沉淀率呈現上升趨勢，穩定系數呈下降趨勢，而添加量在0.04%時，樣品穩定系數達到最高樣值為97.63%，樣品沉淀率達到最小值為1.12 %。綜合考慮，在果膠添加量為0.04 %時，產品的穩定性最佳。在添加了適量的果膠后，果膠所帶的負電荷和蛋白質膠體顆粒帶的正電荷，產生穩定的蛋白質-果膠復合物，抑制蛋白質發生沉淀，形成了穩定的復合飲料樣品。

選擇果膠添加為0.04 %，將其加入復合飲料中，樣品呈現紅褐色，無分層現象，香氣濃郁，無異味，口感佳，結合穩定系數與沉淀率，綜合分析，選擇果膠進行復配試驗。

2.1.4 CMC-Na對復合飲料穩定性的影響

CMC-Na用量分別為 0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，按照 1.2.1所述方法處理，取樣測定產品穩定系數及離心沉淀率。結果見圖4。

圖4 不同CMC-Na添加量對復合飲料穩定性影響Fig.4 Effect of different amounts of CMC-Na added of compound beverage

由圖4可知，CMC-Na的添加量在0.02%～0.04%時，樣品穩定系數呈下降趨勢，沉淀率呈現上升趨勢，在0.04 %～0.10 %，穩定系數呈緩慢上升的趨勢，沉淀率呈先下降后上升，當CMC-Na添加量為0.06 %時，樣品的沉淀率出現最小值為4.27 %，當CMC-Na添加量為0.02 %時，穩定系數出現最大值為98.09%。隨著CMC-Na的添加量的增加，其穩定系數及沉淀率的變化沒有規律可循，且樣品呈現淡褐色，有分層現象，品嘗無黏稠感并且比添加其他穩定劑后測得的沉淀率高。綜合考慮，綜合沉淀率與透光率值，不選擇CMC-Na作為復配穩定劑。

2.1.5 海藻酸鈉對復合飲料穩定性的影響

海藻酸鈉用量分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%，按照 1.2.1 節所述方法處理，取樣測定產品穩定系數及離心沉淀率。結果見圖5。

圖5 不同海藻酸鈉添加量對復合飲料穩定性影響Fig.5 Effect of different amounts of CMC-Na added of compound beverage

如圖5所示，海藻酸鈉加量在0.02%～0.04%時，復合飲料的沉淀率沉淀率下降幅度較大，穩定系數呈上升趨勢，當添加量為0.04%～0.10%時，穩定系數呈緩慢下降趨勢，當添加量為0.04%～0.06%時，沉淀率急劇下降；當添加量為0.06%～0.10%時，沉淀率呈緩慢上升趨勢。當添加量為0.04 %時，穩定系數最高為96.57%，沉淀率最小為2.09%。綜合考慮，選擇海藻酸鈉添加量為0.04 %時，具有穩定效果。海藻酸鈉作為水溶性膠體，具有一定的增稠性。可以用作人造奶油、植物蛋白飲料、乳制品的增稠劑和乳化劑[22]。海藻酸鹽系列產品均可開發成純天然的海洋生物藥品。海藻酸鹽作為一種高分子多糖， 保水性能好，食用后有飽腹感，能潤滑消化道，對重金屬具有良好的吸附能力，因此可以作為功能食品添加劑、保健品的原料和營養強化劑，對人體健康有顯著功效[22]。

將復合飲料中添加0.04 %的海藻酸鈉，制備樣品，色澤均一，香氣濃郁，保持了復合飲料的原有風味，綜合分析，選擇海藻酸鈉作為復合飲料的穩定劑。

2.2復合飲料穩定劑的優化

2.2.1 響應面試驗設計與結果

根據單因素試驗結果，綜合考慮選擇海藻酸鈉、黃原膠、果膠3種穩定劑進行復配試驗，采用Design-Expert 8.06軟件，根據Box-Behnken設計組合，以穩定系數、離心沉淀率為響應值，進行穩定劑復配工藝優化。試驗設計方案及數據結果見表3，對表3中數據進行方差分析，結果見表4和表5。

表3 響應面試驗及響應值

按照表3試驗數據進行多元回歸方程擬合，建立以穩定系數對海藻酸鈉(A)、黃原膠(B)、果膠(C)的擬合方程為：Y1=98.10+0.46A-0.032B-0.91C-0.25AB-1.25AC+0.97BC-2.39A2-1.97B2-2.04C2

按照表3試驗數據進行多元回歸方程擬合，建立以沉淀率對海藻酸鈉(A)、黃原膠(B)、果膠(C)的擬合方程為：Y2=1.08-0.054A-0.096B+0.51C+0.062AB+0.91AC-0.49BC+1.75A2+0.83B2+1.06C2

表4 響應面試驗結果及方差分析

該模型中的一次項C與二次項AC、BC、A2、B2、C2表現為極顯著，一次項A表現為顯著，表明試驗中果膠、海藻酸鈉都對復合飲料穩定系數具有較大影響，且這種影響也并非簡單的線性關系。由3個因素F值大小可推斷影響復合飲料穩定性各因素主次順序為：C>A>B，即果膠對復合飲料的穩定系數影響最大，海藻酸鈉次之，果膠黃原膠最小。方差分析顯示，交互項AC、BC對響應值影響極顯著，AB影響不顯著，表明試驗因素B與C、A與C間存在極顯著的交互效應，而因素A與B間無交互效應，即海藻酸鈉與果膠、黃原膠與果膠對復合飲料穩定系數存在協同效應，但海藻酸鈉與黃原膠間無協同效應。由交互項F值大小還可推斷，海藻酸鈉與果膠(AC)的穩定系數協同效應大于黃原膠與果膠(BC)的協同效應。

表5 響應面試驗結果及方差分析Table 5 Variance analysis of response surfaceexperiment results

該模型中的一次項C與二次項AC、A2、B2、C2表現為極顯著，二次項BC表現為顯著，表明試驗中果膠、海藻酸鈉都對復合飲料離心沉淀率具有較大影響，且這種影響也并非簡單的線性關系。表明試驗中果膠對復合飲料離心沉淀率具有較大影響。由3個因素F值大小可推斷影響復合飲料穩定性各因素主次順序為：C>B>A，即果膠對復合飲料的穩定性影響最大，黃原膠次之，海藻酸鈉最小。方差分析顯示，交互項AC對響應值影響極顯著，BC對響應值影響顯著，AB影響不顯著，表明試驗因素A與C、B與C間存在交互效應，而因素A與B間無交互效應，即海藻酸鈉與果膠、黃原膠與果膠對復合飲料離心沉淀率存在協同效應，但海藻酸鈉與黃原膠間無協同效應。由交互項F值大小還可推斷，海藻酸鈉與果膠(AC)的穩定系數協同效應大于黃原膠與果膠(BC)的協同效應。

2.2.2 響應面分析與優化

為了考察各個交互項對復合飲料穩定系數、沉淀率的影響，利用Design-Expert 8.06軟件對回歸方程進行運算，作出交互項的三維響應面圖及等高線圖如圖6、圖7所示，能比較直觀的解釋各個變量和變量之間對響應值的影響。通過Design-Expert 8.06對建立的回歸方程進行參數優化分析，可得出穩定系數最高，離心沉淀率最低時3種穩定劑的最佳添加量，即海藻酸鈉%為0.04%、黃原膠為0.04%、果膠0.03%。在此條件下復合飲料穩定系數的預測值為98.269%，離心沉淀率的預測值為1.012 4%。

圖6 各因素交互作用對穩定系數的響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of each factor to the stability coefficient

圖7 各因素交互作用對離心沉淀率的響應面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour map of the interaction of each factor to the rate of centrifugal precipitation

2.2.3 驗證試驗

通過響應面軟件，根據所建立的數學模型進行參數的最優化分析，可得出復配穩定劑的最佳添加量為：海藻酸鈉0.04%、黃原膠0.04 %、果膠0.03 %，在此條件下復合飲料穩定系數可達到98.269%，沉淀率可達到為1.012 4%。為檢驗該法可靠性，采用上述優化條件進行驗證試驗，經過3組平行試驗，最終測得的樣品平均穩定系數為98.877%，平均沉淀率為1.064 1 %，可見該模型準確可靠，利用該模型在實踐中進行預測是可行的。

3 結論

本試驗通過單因素試驗對黃原膠、卡拉膠、果膠、CMC-Na、海藻酸鈉、五種穩定劑進行分析，根據添加量、穩定系數、沉淀率之間的變化關系確定各種穩定劑的臨界控制點；篩選出海藻酸鈉、黃原膠、果膠3種穩定劑，采用3因素3水平Box-Behnken響應面試驗經響應面試驗，回歸優化及驗證試驗確定復配穩定劑配方為得到復合穩定劑添加量為海藻酸鈉0.04%、黃原膠0.04%、果膠為0.03%，經20 MPa 10 min均質后，測得樣品穩定系數為98.877%，平均沉淀率為1.064 1 %，且樣品狀態穩定。

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Optimizationofthestabilizerofcompoundbeverageofgrapeseedandchickpeabyresponsesurfacemethodology

SONG Jing-jing1,TIAN Ge2,WU Hao-tian2,LIU Rong-gang3,LI Jun-bo1,MA Lu-lu1,HUANG Ruo-lan1,TONG Ting1,WU Yun2*

1(Collage of Science and Technology Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China) 2(Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China) 3(Sunyard Wine CO.,LTD.Xinjiang,Hami 839000,China)

The effect of different stabilizers on the stability of compound beverage to select the best compound stabilizer.The beverage was made by grape seed and chick pea.Five different stabilizer including xanthan gum,carrageenan,pectin,sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na),sodium alginate were chosen to perform the single factor test.The stability coefficient,sedimentation rate were the indexes,three better stabilizers were selected and compound stabilizer was optimized by response surface method.The results showed that the best formula was sodium alginate 0.04%,xanthan gum0.04%,pectin 0.04%.The stability coefficient was 98.877%,the average precipitation rate was 1.064%.The conclusion is that the compound stabilizers can improve the stability of the beverage.

compound beverage of grape seed chickpeas;the response surface optimization design method;stabilizing agent; stability factor; precipitation rate

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013556

本科生(武運教授為通訊作者,E-mail:wuyunster@sina.com)。

新疆農業大學科學技術學院大學生科技創新基金項目(2016KCX03)

2016-12-05，改回日期：2017-02-23