Box-Behnken試驗設計優化刺梨果汁飲料工藝

謝勇，張榕，張江湖，趙鵬，高健強

（銅仁學院材料與化學工程學院，貴州銅仁554300）

刺梨（Ross roxburghii Tratt）為薔薇科植物繅絲花的果實，是滋補健身的營養珍果[1-2]。刺梨是云貴川高原所原特有的野生資源，并以貴州產為主，僅貴州省的實際產量約為1 000 t～1 500 t[2]。刺梨在貴州作為藥食兩用品種已有很久的歷史，且果實富含糖、維生素、胡蘿卜素、黃酮、有機酸和20多種氨基酸、10余種微量元素及SOD，每100g果肉中含VC1100mg～2725mg，是柑橘的50倍～100倍，獼猴桃的9倍～10倍，每100 g鮮果中含VP5 900 mg～12 895 mg，是柑橘的120倍之多、VE2.35 mg、胡蘿卜素1.80 mg和煙酞胺1.17 mg[1-5]。另外，刺梨中的黃酮具有消炎、擴張冠狀動脈、清除自由基等生物活性。研究表明，刺梨汁還具有阻斷N-亞硝基化合物在人體內合成，及抑制α-葡萄糖苷酶活性的作用，對治療人體鉛中毒有特殊療效[6-8]。據資料顯示，刺梨果實已被加工成果汁、果醬、果酒、果醋、糖果、糕點等產品[9-15]，但在市場上鮮有以刺梨果實為主要原料的復合型飲料。

飲料是人們常喝的飲品之一，且其發展呈逐年上升的趨勢。Box-Behnken設計是響應面試驗設計中常用方法之一，可有效評價因變量與自變量之間的非線性關系，已在藥物、食品等領域被廣泛應用[16-19]。因此，本試驗以刺梨和蜂蜜為主要原料，采用Box-Behnken法優化了刺梨果汁飲料的配方。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺梨：貴州省銅仁市碧江區川硐鎮郊區、銅仁市印江縣、貴州省龍里縣刺梨生產基地；蜂蜜：貴州德江美之韻峰產品開發有限公司；β-環糊精：孟州市鴻基生物有限公司；檸檬酸：成都科龍化工試劑廠；果葡糖漿：河北利民糖業有限公司；異抗壞血酸鈉：天津市化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

GGBH-300B真空排氣機：石家莊盈都環保設備有限公司；G70F20CN1L-DG（W0）微波爐：格蘭仕微波爐生活電器有限公司；SRH-S均質機：上海世赫機電設備有限公司；A1Pha-1860A紫外可見分光光度計：上海譜元儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

刺梨蜂蜜果汁飲料的加工工藝流程。

1.3.2 刺梨果汁的提取

稱取一定量預處理好的刺梨粉末，置于燒杯中，按料液比1∶100（g/mL）加入蒸餾水，然后將燒杯密封并置于40℃水浴鍋中浸提40 min，將浸提液進行抽濾并回收濾液，備用。

1.3.3 刺梨果汁飲料的感官評定方法

選擇10名具有食品專業背景的人員，從刺梨果汁飲料的口感、組織狀態、色澤及香氣4個方面進行綜合評價，以10位人員評分的平均分作為每次試驗的感官評分，評價標準如表1所示。

表1 刺梨蜂蜜果汁飲料的感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of Ross roxburghii Tratt juice beverage

1.3.4 刺梨產地及干燥溫度對刺梨飲料品質的影響

刺梨果實的品質受地理環境、氣候、樹齡、采收成熟度、處理方法及保藏等因素的影響[1]，會影響刺梨果汁飲料的品質。因此，本試驗將考察刺梨種類及預處理方法對刺梨飲料品質的影響。

1.3.5 單因素試驗

按照 1.3.1 及相關文獻[13-14，24-25，28]，選取甜菊糖苷、檸檬酸、蜂蜜、β-環糊精、果葡糖漿及異抗壞血酸鈉6因素進行單因素試驗，每個因素取6個水平（3次平行試驗/水平）。各因素水平為：甜菊糖苷（0.0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20）mg/mL；檸檬酸（0.0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0）mg/mL；蜂蜜（0.0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.09）g/mL；β-環糊精（0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）mg/mL；果葡糖漿（0.0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10）g/mL；異抗壞血酸鈉（0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0）mg/mL。

1.4 透光率的測定

將按一定比例配制好的刺梨果汁飲料靜置1 h，在轉速為6 000 r/min條件下離心5 min，取適量的上清液在波長λ=700 nm處測定透過率，并以蒸餾水作對照[17-18]，如（1）所示。

式中：A為飲料的透過率；A0為蒸餾水的透過率。

1.5 配方的優化

以感官分值和透光率為指標，根據單因素試驗及其方差分析結果，采用Box-Behnken試驗設計優化其配方，并用Design-expert軟件對回歸模型進行分析，因素水平如表2所示。

表2 配方優化試驗因素水平Table 2 Factors and their levels of formulation optimization experiments

1.6 數據處理

單因素試驗方差分析利用SPSS軟件處理，工藝優化試驗設計采用Design-expert軟件處理。

2 結果與分析

2.1 不同產地刺梨及干燥溫度對飲料品質的影響

考察了不同產地的刺梨及干燥溫度對其飲料品質的影響，結果見表3。

表3 不同產地刺梨及干燥溫度對刺梨飲料感官品質的影響Table 3 Effect of Ross roxburghii Tratt fruit from different producing areas and drying temperature on quality of the beverage

由表3可知，龍里縣產刺梨所得飲料的色澤呈褐色或深褐色、口感略有苦澀、溶液較渾濁；新鮮刺梨經45℃干燥后，所得飲料的色澤呈褐色，口感苦澀，易出現沉淀。而新鮮刺梨果實及將其在35℃干燥后所得飲料的色澤、口感及組織狀態均較好，出現此現象的原因可能有幾點：（1）不同產地、不同采摘時間所得刺梨果實的成分不同，如采摘時間過早，其單寧和果膠含量偏高，使得飲料苦澀，且易出現沉淀；（2）干燥溫度過高，特別是當溫度高于45℃時，果實中多酚類物質易發生酶促褐變，蛋白質與糖類產生美拉德反應而使飲料呈深褐色；（3）其他因素如pH值、離子濃度、殺菌溫度等均可使飲料產生褐色、懸浮物或沉淀。

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1 蜂蜜對刺梨果汁飲料品質的影響

添加適量的蜂蜜可改善或增強飲料的口感和風味，增強飲料的營養價值和保健功效[20]。考察了蜂蜜用量對刺梨飲料品質的影響，結果如圖1所示。

圖1 蜂蜜添加量對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.1 The effects of honey addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

當蜂蜜添加量達0.03 g/mL時，飲料的口感、風味及色澤等均較好，而低于或高于此添加量時，感官分值明顯降低（P=5.85×10-7），特別是添加量增加時，透光率也明顯降低（P=1.65×10-18），說明添加蜂蜜能對刺梨果汁飲料的品質有重要影響。因為適量的蜂蜜能與甜菊糖苷及果葡糖漿通過味的相乘作用或相互作用形成濃郁的香甜味；同時能與飲料中的有機酸形成較好的糖酸比；蜂蜜和刺梨均含有一些特有風味物質，使得飲料的口感濃郁，香氣怡人，風味獨特；添加量過大時，甜度太高，酸甜比失調，蜂蜜味掩蔽了刺梨的風味；且飲料中的有機酸會使其pH值降低，使得飲料中的蛋白分子之間及蛋白與淀粉之間相互聚集而產生沉淀[21-23]，最終使得飲料的組織狀態及口感變差。

2.2.2 異抗壞血酸鈉對刺梨果汁飲料品質的影響

考察了異抗壞血酸鈉對刺梨果汁飲料品質的影響，結果如圖2所示。

圖2 異抗壞血酸鈉對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.2 The effects of sodium isoascorbate addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

異抗壞血酸鈉添加量對刺梨飲料感官分值的影響不顯著（P=0.063 1），對透光率也無顯著的影響（P=0.093 5），可知異抗壞血酸鈉對飲料感官品質的影響并不顯著。因為抗壞血酸鈉具有一定的還原性，雖能消耗飲料中的部分O2及其他氧化性成分，使飲料的色澤較為鮮亮[24-25]，但其它感官變化不明顯，且“色澤”指標在感官評價體系中的權重較低（w=0.15），導致綜合分值變化并不明顯。因此，異抗壞血酸鈉的添加量宜取0.4 mg/mL～0.6 mg/mL。

2.2.3 果葡糖漿對刺梨果汁飲料品質的影響

考察了果葡糖漿對刺梨果汁飲料品質的影響，結果如圖3所示。

當果葡糖漿添加量為0.06 g/mL時，刺梨果汁飲料的綜合感官品質較佳，與不添加的感官分值相差23.0，添加量少或太多均對飲料品質有不利的影響（P=0.001 1），但其對透光率的影響不顯著（P=0.244 2）。可能是因為果葡糖漿適量時，其果糖等風味物質與蜂蜜和甜菊糖苷可產生味的協同作用，果香味濃郁；但添加量過多，甜度太高且單一，掩蔽了刺梨的風味，使得飲料的酸甜比失調，口感變差。

2.2.4 檸檬酸對刺梨果汁飲料品質的影響

檸檬酸作為酸味劑，可形成較好的酸甜比。結果如圖4所示。

圖4 檸檬酸添加量對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.4 The effects of citric acid addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

由圖4可知，當檸檬酸添加量為1.2 mg/mL時，飲料的感官分值相對最高，達85.3，不添加或添加過量都不利于飲料酸甜比的協調，說明檸檬酸對飲料的感官品質有重大影響作用（P=3.30×10-6），透光率（P=0.59）。相比其他飲料而言，如程彥偉[22]在綠豆芽蘋果汁復合飲料中僅添加了0.06%的檸檬酸；孫中貫[26]和葛英亮[27]分別在石榴花紅茶飲料和藍莓澄清型果汁飲料中添加0.1%和0.15%的檸檬酸。由此可知，檸檬酸的添加量應據原料的種類及其它成分而定。

2.2.5 甜菊糖苷對刺梨果汁飲料品質的影響

考察了甜菊糖苷對刺梨果汁飲料品質的影響，結果如圖5所示。

圖5 甜菊糖苷添加量對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.5 The effects of stevioside addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

當甜菊糖苷的添加量達到0.12 mg/mL時，感官分值可達84.5分，對飲料的感官分值有顯著影響（P=2.09×10-4），對透光率無顯著影響（P=0.708 2）。這可能是因為甜菊糖苷與檸檬酸及刺梨中的有機酸復合形成適宜的酸甜比，同時與蜂蜜及果葡糖漿產生協同效應或對比效應，使得飲料的甜味醇厚、酸甜協調且柔和；添加量過高，甜菊糖苷與其他成分易產生對比現象，使得甜菊糖的味道更加突出而使飲料有異味；或是與其他風味成分通過味的變調而使味覺發生改變，從而略帶有苦澀味。

2.2.6 β-環糊精對刺梨果汁飲料品質的影響

考察了β-環糊精對刺梨果汁飲料品質的影響，結果如圖6所示。

當添加量為0.3 mg/mL時，品質較佳，比不添β-環糊精高10.7分，但總體變化趨勢不明顯（P=0.907），且對透光率無明顯影響（P=0.694 4）。可能是因為加入適量的β-環糊精后，β-環糊精具有保護、穩定、增溶客體分子和選擇性定向分子的特性[28-29]，飲料中的微粒被其包合從而溶解性增強，透明度增加，但飲料在相對較短的放置時間內，由于環糊精的包埋作用并無懸浮物或沉淀生產，故對透光率的影響不顯著。

圖6 β-環糊精添加量對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.6 The effects of β-Cyclodextrin addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

表4 單因素試驗方差分析Table 4 Analysis of variance of single factor experiments

2.2.7 小結

根據研究結果可知，刺梨果實的干燥溫度及產地對刺梨飲料的品質有重要影響，干燥溫度不宜超過45℃；蜂蜜、檸檬酸、甜菊糖苷及果葡糖漿對刺梨果汁飲料感官品質有顯著影響，異抗壞血酸鈉、β-環糊精的影響則不顯著；蜂蜜對刺梨果汁飲料的透光率有顯著影響，其它因素的影響則不顯著。

2.3 配方優化結果與分析

選擇甜菊糖苷、檸檬酸、蜂蜜及果葡糖漿4個顯著性因素，根據因子權重的相關研究[30-31]，以感官分值（權重=0.8）和透光率（權重=0.2）為試驗的綜合指標，采用Box-Behnken響應面設計優化刺梨果汁飲料的配方，結果及回歸模型的方差如表5、表6所示。

表5 刺梨果汁飲料最佳配方響應面試驗設計及結果Table 5 Response surface design arrangement and corresponding experimental data of Ross roxburghii Tratt juice beverage

由表6可知，線性模型、二次方模型及三次方模型均可有效模擬刺梨果汁飲料感官分值與各因素之間的關系，但還須結合模型的失擬項顯著性檢驗（見表7）及R2綜合分析（見表8）進一步確定。可知，雖然二次方和三次方模型的R2值均大于0.99，但二次方模型的失擬項顯著，故三次方模型可用于優化分析。

續表5 刺梨果汁飲料最佳配方響應面試驗設計及結果Continue table 5 Response surface design arrangement and corresponding experimental data of Ross roxburghii Tratt juice beverage

表6 多種模型方差分析Table 6 Variance analysis of different regression models

表7 失擬項顯著性檢驗Table 7 Lack of fit tests

表8 R2綜合分析Table 8 Analysis of comprehensive R2

通過Box-Behnken軟件，可得三次方模型的回歸方程（采用因素的編碼值），如（2）所示，其方差分析如表9所示。

表9 回歸方程的顯著性分析Table 9 Analysis of significant of regression equation

由表9可知，回歸方程是高度顯著的，且回歸方程中所有一次項，交互項 AC、DC，二次項 A2、B2、C2、D2，三次項A2D、AB2、B2D是高度顯著的；交互項AD一般顯著的，其它均不顯著；檸檬酸對刺梨果汁飲料的影響最大，其次是蜂蜜，影響最小的是果葡糖漿；交互項中AC、CD和AD顯著，說明甜菊糖苷和檸檬酸之間、甜菊糖苷與蜂蜜之間及檸檬酸與蜂蜜之間的相互作用對飲料的品質有顯著性影響，結合響應面圖7，可進一步說明以上兩因素之間存在相互影響的關系。

圖7 兩因素交互作用對刺梨果汁飲料品質的影響Fig.7 Effects of interaction of two factors on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

2.4 刺梨果汁飲料配方的確定

根據模型的回歸分析可得刺梨果汁飲料的最佳配方為：甜菊糖苷0.13 mg/mL、檸檬酸1.44 mg/mL、蜂蜜0.053 g/mL、果葡糖漿 0.062 g/mL，β-環糊精 0.2 mg/mL～0.3 mg/mL，異抗壞血酸鈉 0.4 mg/mL～0.6 mg/mL，此條件下刺梨果汁飲料的理論綜合分值為89.9，3次驗證試驗的感官分值分別為91.5、90.5、89.0，透光率分別為86.9%、86.7%、87.3%，綜合評分為90.3，預測值與實驗值的誤差為0.33%，說明此配方所得刺梨果汁飲料在色澤、口感及組織狀態等方面均較良好。

3 結論

1）刺梨干燥溫度對刺梨果汁飲料的感官品質有重要影響，溫度不宜高于45℃。

2）蜂蜜對刺梨果汁飲料的綜合感官分值和透光率有非常顯著的影響，透光率會隨著添加量的增加而升高，特別是當添加量高于0.09 g/mL時，易出現懸浮物或沉淀；甜菊糖苷、檸檬酸及果葡糖漿對刺梨果汁的口感均有較大的影響作用，但對其透光率無顯著影響；異抗壞血酸鈉和環糊精對刺梨果汁飲料的感官品質和透光率均無顯著性影響。

3）刺梨果汁飲料的最佳配方為：甜菊糖苷0.13mg/mL、檸檬酸1.44 mg/mL、蜂蜜0.053 g/mL、果葡糖漿0.062 g/mL，β-環糊精 0.2 mg/mL～0.3 mg/mL，異抗壞血酸鈉0.4 mg/mL～0.6 mg/mL，預測值與試驗值的誤差為0.33%。

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