響應面法優化火鍋底料中辣椒有效成分的溶出

李穎玥，李洪軍,2，賀稚非,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

火鍋作為一種川渝特色飲食，近年來越來越受到全國乃至全世界消費者的青睞。火鍋底料是以牛油(或植物油)、辣椒、豆瓣、花椒、姜、蒜、鹽、糖等為主要原料，經炒制而形成的一種調味產品。辣椒是火鍋底料的重要原料，辣椒中的辣椒素和辣椒紅素等有效成分在炒制過程中的大量溶出是火鍋底料品質的重要保證。辣椒素具有鎮痛止癢、抗炎抑菌[1]、調節血糖和脂質代謝[2-3]等作用；辣椒紅素具有抗氧化性，在癌癥、動脈粥樣硬化等疾病的預防中有一定的作用[4]。目前關于火鍋底料的研究較多，主要涉及炒制工藝條件[5-8]、揮發性風味物質組成[9-10]、貯藏期品質變化[11-12]等。對火鍋底料工藝條件的研究大多集中在炒制溫度、壓力、時間、攪拌器轉速[6-8]以及原料配比(辣椒、豆瓣、香辛料用量)[5-6]， 對炒制過程中原料辣椒有效成分辣椒素和辣椒紅素的溶出研究不夠深入。

本實驗以艷椒425為研究對象，通過Box-Behnken設計和響應面法對火鍋底料炒制過程中干辣椒的顆粒度，干辣椒和糍粑辣椒的比例，以及炒制溫度進行試驗，獲得火鍋底料炒制中最利于辣椒有效成分溶出的工藝 ，以期為火鍋底料行業的工業化生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

干辣椒(艷椒425)，重慶石柱；非轉基因一級菜籽油，成都紅旗油脂有限公司。

1.1.2 藥品試劑

辣椒素標準品(純度97.5%)，中國食品藥品檢定研究院；二氫辣椒素標準品(純度98.5%)，中國食品藥品檢定研究院；甲醇(色譜純)，成都市科隆化學品有限公司；四氫呋喃(色譜純)，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

分析天平，上海菁海儀器有限公司；多功能粉碎機，上海江信科技有限公司；絞肉機，騰輝電器有限公司；多功能電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司；超聲波清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司；WSL32比較測色儀，上海悅豐儀器儀表有限公司；高效液相色譜儀，捷島科儀有限公司。

1.3 方法

1.3.1 材料處理

為避免辣椒完整粉碎導致不同顆粒度[13]的籽皮占比不同而影響實驗結果，先將干辣椒籽皮分離，再分別粉碎過篩，得到不同顆粒度的干辣椒顆粒，炒制時將該顆粒度的辣椒籽和辣椒皮按照籽皮比混合后加入。將干辣椒加入沸水中煮制3 min，干辣椒與水的質量比為1∶6，煮制好的干辣椒濾干，用絞肉機絞碎成糍粑辣椒，測定糍粑辣椒和干辣椒的水分含量[14],在試驗中將糍粑辣椒的質量換算成干辣椒，控制原料辣椒的總使用量不變。

1.3.2 工藝流程

向鍋中倒入菜籽油250 g，加熱至目標油溫，控制原料辣椒總使用量為50 g，根據試驗設計的干辣椒與糍粑辣椒的比例計算得出干辣椒和糍粑辣椒的用量，先加入糍粑辣椒，炒至糍粑辣椒失去大部分水分，再加入干辣椒，繼續炒制，以“料酥油亮香味突出”為炒制終點。(炒制溫度，干辣椒顆粒度及干辣椒與糍粑辣椒的比例均會影響炒制時間，故不規定炒制時間，而以成品感官作為炒制終點，經多次測定，此終點成品的水分含量在15～20 g /100 g范圍內。)將成品用樣品袋分裝，封口。

1.3.3 感官評價方法

樣品采用隨機編號，由12名感官評價人員分別從色澤、香味、油清亮、滋味4個方面進行評價，感官評價的總分為10分，具體評定標準見表1。依據層次分析法[15]，根據12名感官評價人員對各指標標度的評判，綜合確定色澤、香味、油清亮、滋味的權重分別為26%、52%、9%、13%。根據各指標的權重計算出感官評價的綜合評分。

表1 火鍋底料基料感官評價標準Table 1 The sensory evaluation standards of hot pot flavoring

1.3.4 紅油色度的測定方法

參照GB/T 22460—2008 動植物油脂羅維朋色澤的測定[16]。

1.3.5 辣椒素含量的測定方法

參照GB/T 1266—2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素類物質測定及辣度表示方法[17]。

1.3.5.1 標準溶液曲線的建立

配制辣椒素和二氫辣椒素的混合標液，質量濃度為0、20、40、60、80、100 μg/mL。進行色譜分析，建立標準曲線。

1.3.5.2 樣品前處理

將樣品過濾取紅油5 g左右于250 mL燒杯中，加入甲醇-四氫呋喃(體積比1∶1)混合溶劑25 mL，用保鮮膜封口，用針扎幾個小孔，然后在60℃水浴條件下超聲提取30 min后轉移至50 mL容量瓶中，并用甲醇-四氫呋喃(體積比1∶1)混合溶劑潤洗燒杯和玻璃棒2～3次，潤洗液體一起轉移到容量瓶中，定容。經0.45 μm濾膜過濾后進行色譜分析。

1.3.5.3 檢測條件

色譜柱：C18(4.6 mm×250 mm， 5 μm)；流動相：甲醇+水(體積比65∶35)；進樣量：10 μL；流速：1 mL /min；紫外檢測波長：280 nm；柱溫箱溫度：30 ℃。

1.3.5.4 結果計算

(1)

式中：Wa，試樣中辣椒素的含量，g/kg；C1，由標準曲線上得到的辣椒素含量，μg/mL；V，樣品定容體積，mL；m，樣品質量，g。

(2)

式中：Wb，試樣中二氫辣椒素的含量，g/kg；C2，由標準曲線上得到的二氫辣椒素含量，μg/mL；V，樣品定容體積，mL；m，樣品質量，g。

(3)

式中：W，試樣中辣椒素類物質總量，g/kg；0.9，辣椒素與二氫辣椒素折算為辣椒素類物質總量的系數。

1.3.6 單因素實驗設計

研究不同干辣椒顆粒度(5、10、20、40和80目)、干辣椒占比(30%、40%、50%、60%和70%)和炒制溫度(80、100、120、140和160 ℃)對辣椒有效成分溶出及感官的影響。

1.3.7 響應面實驗設計

在單因素試驗的基礎上選取干辣椒顆粒度、干辣椒占比、炒制溫度作為試驗因素，以感官評價、紅油色度和辣椒素含量為響應值，根據Box-Behnken試驗設計原理設計響應面試驗[18]，對底料中辣椒有效成分溶出的工藝進行優化，試驗因素及其水平見表2。

表2 Box-Behnken設計因素水平表Table 2 Variables and levels used in Box-Behnken design

1.4 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面分析，單因素方差分析采用SPSS Statistics 19.0軟件，采用Origin 8.1軟件作圖。

2 結果與分析

對樣品品質的判斷指標有3個，感官評價、紅油色度和辣椒素含量，3指標隨條件不同而變化的趨勢不一定完全同步。通過對感官評定人員的調查發現，過高的紅油色度和辣椒素含量反而會對產品感官產生消極的影響，而消費者判斷產品的優劣主要是通過感官，故當3指標的趨勢出現差異時，以感官評分為主，紅油色度和辣椒素含量為輔，對工藝進行優化。

2.1 辣椒素類物質的標準曲線

根據GB/T 21266—2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素類物質測定及辣度表示方法配制辣椒素和二氫辣椒素的標液，并用HPLC法測定(圖1)；以標準品濃度為自變量，響應面積為因變量，建立方程，得到辣椒素和二氫辣椒素的HPLC標準曲線(圖2、圖3)。

圖1 辣椒素和二氫辣椒素標準品HPLC圖Fig.1 The HPLC spectrum of capsaicinoid and dihydro capsaicinoid

圖2 辣椒素的HPLC標準曲線Fig.2 The HPLC standard curve of capsaicinoid

圖3 二氫辣椒素的HPLC標準曲線Fig.3 The HPLC standard curve of dihydro capsaicinoid

圖4 干辣椒顆粒度對辣椒有效成分溶出的影響Fig.4 Effects of the granularity of dried chilies on dssolution of chili pepper effective components

2.2 單因素試驗

2.2.1 干辣椒顆粒度對辣椒有效成分溶出的影響

由圖4可以看出，隨著干辣椒顆粒度逐漸變細，感官評分先上升后下降，在顆粒度為20目時達到峰值；紅油色度和辣椒素含量均呈上升趨勢。在顆粒度5～20目，隨顆粒度變小，辣椒顆粒的比表面積增大，辣椒中有效物質的溶出明顯增多，顏色和辣味都有提升，感官評價顯著上升；顆粒度為20～80目，盡管有效物質溶出增多，但增加趨勢變緩，且顆粒度過小時，香味損失較大，油層的清亮程度也明顯降低，導致感官評價總體下降。在顆粒度為5～40目，辣椒顆粒比表面積增大，有效物質溶出明顯增多，紅油色度和辣椒素含量顯著上升；但在40目之后，有效物質的溶出已接近最大溶出量，再減小顆粒度對辣椒素和辣椒紅素的溶出沒有明顯幫助，紅油色度和辣椒素含量上升趨勢顯著變緩,同時還會增加生產過程中粉碎的能耗，損失辣椒炒制的香味，降低紅油的清亮程度，增加火鍋涮燙過程中辣椒顆粒附著在食材上的可能性，極大降低產品的感官。因此以感官評價為主要指標，紅油色度和辣椒素含量為輔助指標，綜合考慮生產實際，選擇10、20、40目為響應面試驗的較優水平。

2.2.2 干辣椒占比對辣椒有效成分溶出的影響

由圖5可以看出，隨著干辣椒占比逐漸增加，感官評分、紅油色度和辣椒素含量均先上升后下降，在干辣椒占50%時達到峰值。由于選擇的干辣椒顆粒度為20目，所以干辣椒顆粒明顯小于糍粑辣椒，更利于有效物質的溶出，但同時糍粑辣椒含水量高，延長了炒制時間，使有效物質有充足的時間從辣椒中遷移出來。在干辣椒占比為30%～50%，糍粑辣椒的比例大，炒制時間充足，所以隨干辣椒比例增大，有效物質的溶出明顯增多，且在炒制過程中干辣椒較糍粑辣椒更易產生香味，故感官評價、紅油色度和辣椒素含量均上升；在干辣椒占比為50%～70%，雖然干辣椒比例增大，更利于有效物質溶出，但炒制時間縮短，使得辣椒紅素溶出有一定的減少，辣椒素的溶出顯著減少。因此以感官評價為主要指標，紅油色度和辣椒素含量為輔助指標，綜合考慮生產實際，選擇干辣椒占比40%、50%、60%為響應面試驗的較優水平。

圖5 干辣椒占比對辣椒有效成分溶出的影響Fig.5 Effects of the proportion of dried chilies on dssolution of chili pepper effective components

2.2.3 炒制溫度對辣椒有效成分溶出的影響

由圖6可以看出，隨炒制溫度升高，感官評分先上升后下降，在120 ℃時最大；紅油色度逐漸上升，但120 ℃以后升高不明顯；辣椒素含量先上升后下降，在100 ℃時最大。在一定范圍內，溫度升高有利于辣椒紅素和辣椒素等有效物質的溶出，同時也利于辣椒炒制香味的產生；但當溫度超過一定范圍后，辣椒紅素和辣椒素在高溫下被破壞[19-21]，同時也會產生焦糊味，且溫度升高，炒制時間縮短，使有效物質沒有充足的時間從辣椒中遷移出來。在炒制溫度為80～120 ℃的范圍內，溫度升高，有效物質的溶出明顯增多，香味也越來越突出，故感官評價和紅油色度均上升；在120～160 ℃的范圍內，溫度升高產生焦糊味，油色變深，辣椒產生絮狀物質，感官品質下降，紅油色度幾乎不變。在炒制溫度80～100 ℃范圍內，溫度升高有利于辣椒素的溶出，辣椒素含量上升；在100～160 ℃范圍內，溫度升高利于辣椒素溶解的同時，炒制時間縮短，辣椒素溶出量反而下降，同時過高的溫度還可能破壞辣椒素，故而辣椒素含量顯著下降。因此以感官評價為主要指標，紅油色度和辣椒素含量為輔助指標，綜合考慮生產實際，選擇炒制溫度100、120、140 ℃為響應面試驗的較優水平。

圖6 炒制溫度對辣椒有效成分溶出的影響Fig.6 Effects of frying temperature on dssolution of chili pepper effective components

2.3 響應面法優化辣椒有效成分溶出

2.3.1 響應面試驗設計及結果

響應面優化辣椒有效成分溶出的試驗設計及結果見表3。

2.3.2 回歸方程的建立及方差分析

根據表3的實驗結果，用Design-Expert 8.0.6 軟件統計分析，通過對各因素的多元回歸擬合，得到感官評價、紅油色度、辣椒素含量的回歸方程分別為：

Y1=8.21+0.11A+0.19B+0.23C+0.034AB-0.077AC-0.11BC-0.40A2-0.24B2-0.60C2(R2=0.976 6)

(4)

Y2=21.94+3.04A+0.49B+1.41C+0.29AB-0.54AC-0.075BC-2.04A2-0.050B2-1.42C2(R2=0.987 3)

(5)

Y3=0.29+0.056A-0.005 816B-0.016C+0.021AB+0.004 184AC+0.012A2-0.016B2-0.017C2(R2=0.992 9)

(6)

式中：Y1-感官評分；Y2-紅油色度；Y3-辣椒素含量；A-干辣椒顆粒度；B-干辣椒占比；C-炒制溫度。

表3 Box-Behnken 試驗設計及結果Table 3 The design matrix and results of Box-Behnken experiments

表4 感官評價回歸模型方差分析Table 4 ANOVA of RSM for the sensory evaluation

注：p<0.05 表明模型或各因素影響顯著，以“*”表示；p<0.01 表明模型或因素影響高度顯著，以“**”表示；p<0.001 表明模型或因素影響極顯著，以“***”表示；下同。

由表4的方差分析可知，回歸模型中因素C、A2、C2對感官評價影響極顯著(p<0.001)，因素A、B、B2影響高度顯著(p<0.01)，因素AB、AC、BC影響不顯著(p≥0.05)。根據二次多項回歸方程的一次項系數絕對值的大小可判斷各因素對感官評分的影響由大到小依次是：炒制溫度、干辣椒占比、干辣椒顆粒度。響應值為感官評價時，模型的p值<0.000 1，表明該模型極顯著；同時失擬項在0.05水平上不顯著(p=0.448 3>0.05)；信噪比=16.963>4，回歸方程可信度很高；變異系數為1.41%，試驗的重現性好；相關系數R2=0.976 6，即感官評價的變化有97.66%來源于所選變量，綜上，實驗結果和數學模型擬合度良好，模型選擇合適，可用于推測試驗結果。

同理，當以紅油色度和辣椒素含量為響應值時，根據表5、表6的回歸模型方差分析可知模型的擬合度良好，可用于推測試驗結果。

2.3.3 響應面結果分析

在各試驗因素交互作用的響應面圖中，較廣泛使用的響應面圖包括三維曲面和等高線圖。在三維曲面圖中，響應面坡度越陡，兩試驗因素的交互作用對響應值的影響就越顯著。

圖7反映了各兩因素交互作用對感官評價的影響，3個響應面的坡度都較平，表明以感官評價為響應值，各兩因素交互作用對感官評價的影響不顯著。

圖8反映了各兩因素交互作用對紅油色度的影響，圖8-b的響應面的坡度較陡，表明以紅油色度為響應值，干辣椒顆粒度和炒制溫度的交互作用對紅油色度的影響顯著；圖8-a、圖8-c的響應面坡度較平，表明干辣椒顆粒度和干辣椒占比、干辣椒占比和炒制溫度的交互作用對紅油色度的影響不顯著。

表5 紅油色度回歸模型方差分析Table 5 ANOVA of RSM for the oil color

表6 辣椒素含量回歸模型方差分析Table 6 ANOVA of RSM for the content of capsaicinoid

圖9反映了各兩因素交互作用對辣椒素含量的影響，圖9-a的響應面的坡度很陡，表明以辣椒素含量為響應值，干辣椒顆粒度和干辣椒占比的交互作用對紅油色度的影響非常顯著；圖9-b、圖9-c的響應面坡度較平，表明干辣椒顆粒度和炒制溫度、干辣椒占比和炒制溫度的交互作用對紅油色度的影響不顯著。

2.3.4 辣椒有效成分溶出響應面優化結果及其驗證試驗

a-干辣椒顆粒度和干辣椒占比；b-干辣椒顆粒度和炒制溫度；c-干辣椒占比和炒制溫度圖7 各兩因素交互作用對感官評價影響的響應面圖Fig.7 Response surface plots showing the interactive effects of factors on sensory evaluation

a-干辣椒顆粒度和干辣椒占比；b-干辣椒顆粒度和炒制溫度；c-干辣椒占比和炒制溫度圖8 各兩因素交互作用對紅油色度影響的響應面圖Fig.8 Response surface plots showing the interactive effects of factors on oil color

a-干辣椒顆粒度和干辣椒占比;b-干辣椒顆粒度和炒制溫度;c-干辣椒占比和炒制溫度圖9 各兩因素交互作用對辣椒素含量影響的響應面圖Fig.9 Response surface plots showing the interactive effects of factors on the content of capsaicinoid

通過Design Expert 8.0.6 軟件對試驗數據的優化分析，綜合考慮感官評分、紅油色度和辣椒素含量3個指標，預測得到最利于辣椒有效成分溶出的工藝參數為：干辣椒顆粒度34.91目、干辣椒比糍粑辣椒54.7∶45.3、炒制溫度121.88 ℃，在此條件下，感官評價的理論值為8.16分，紅油色度的理論值為23.5羅維朋色值，辣椒素含量的理論值為0.333 g/kg。考慮到試驗的可操作性，將工藝參數修正為：干辣椒顆粒度35目、干辣椒比糍粑辣椒55∶45、炒制溫度122 ℃，經驗證，用此條件進行驗證試驗，得到的感官評分為8.37分，紅油色度為23.4羅維朋色值，辣椒素含量為0.355 g/kg，與預測值十分接近，表明響應面優化后的方程模型能較好預測辣椒中有效物質溶出的變化情況。

3 結論

通過單因素試驗和響應面試驗的結果分析，得到干辣椒顆粒度、干辣椒占比和炒制溫度對感官評價、紅油色度、辣椒素含量的影響的回歸方程模型，該模型極顯著，置信度高，擬合性好。根據優化結果得出提高火鍋底料中辣椒有效成分的溶出量的較優工藝為干辣椒顆粒度35目、干辣椒比糍粑辣椒55∶45、炒制溫度122 ℃，在此條件下感官評分為8.37分，紅油色度為23.4羅維朋色值，辣椒素含量為0.355 g/kg，與預測值十分接近，表明該模型具有一定的實驗指導意義，可用于分析響應值變化情況。

4 討論

目前對于火鍋底料工藝的研究有很多，主要涉及炒制溫度、壓力、時間、攪拌器轉速[6-8]以及原料配比(辣椒、豆瓣、香辛料用量)[5-6]等，但對實際生產中干辣椒的顆粒度以及混合使用干辣椒和糍粑辣椒來增加有效成分溶出的研究幾乎空白，本實驗以此為切入點，通過響應面優化得到了干辣椒顆粒度、干辣椒占比和炒制溫度的較優工藝條件，彌補了這一空白，也為后續火鍋底料的工藝研究提供了新的思路。

同時由于火鍋底料是一種復雜的調味品，其中涉及的原料除辣椒之外還有很多，本實驗主要針對的是與辣椒相關的工藝優化，所以，對其他原料(如豆瓣，香辛料，姜蒜等)及工藝條件的研究還有很大的空間。

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