響應面法優化桃汁富硒紅茶復合飲料的研究

馬 昕，江星銳，張 忠，2

（1.陜西師范大學，食品工程與營養科學學院，陜西省食品綠色加工與安全控制工程實驗室，西安陜西710119；2.香港大學，中醫藥學院，香港999077）

陜西紫陽是我國第二大高硒區，紫陽富硒茶中平均硒含量為0.65 μg/g，富硒茶中的硒主要以有機態存在[1]，是非常安全的補硒產品。有機硒易被人體吸收，且具有良好的生理活性，不僅能有效防止缺硒導致的克山病，還能抗白血病等癌癥[2]。此外，富硒茶中還含有茶多酚、生物堿、糖、蛋白質、礦物質、維生素等多種營養成分，具有降血糖和血脂、防止心血管疾病、防動脈硬化、防紫外對皮膚損傷、防輻射、防衰老等功效[3-5]。有研究表明，紫陽富硒茶有較強的抗氧化能力和還原能力，是天然的抗氧化劑[6]。對腫瘤細胞生長有阻滯作用和促凋亡作用，是開發新型保健品的綠色原材料。

目前，液態茶飲料的發展已成為中國飲料行業中的一個重要品類。尤其是近年來，綠色、健康食品的觀念越來越深入人心，人們崇尚回歸自然、向往健康高品質的生活方式，為茶飲料的市場開拓與發展提供了更加廣闊的空間[7]。一方面，茶飲產品在追求解渴和口味的發展方向；另一方面，天然、健康和時尚是茶飲料吸引消費者的重要原因。富硒茶飲料恰好符合現時茶飲料市場對于天然、健康、時尚的主題追求，具有補充水分、提供營養和醫療保健的功效[8]。此外，富硒茶與普通茶相比，硒含量較高，具有改善人體健康和降低某些疾病風險的功效。以富硒茶為原料，添加營養豐富的果汁開發新的果汁茶產品，既能夠好喝解渴，又能夠給機體增加營養[9]。此外，由于富硒茶飲品加工簡便易行、經濟實惠，將富硒茶飲品作為補硒的首選，未來必然會成為一種趨勢。

富硒茶兼具了茶與硒的雙重功效，以紫陽富硒茶為原材料，與果汁進行復配，增加營養，并提供酸甜的口感，由此開發一款新型營養健康飲料，具有很大的發展空間和良好的市場前景。試驗采用目前市場暢銷的桃汁與紅茶混合，并采用響應曲面法優化復合飲料的調制配方，以制備出口感、外觀俱佳的桃汁紅茶復合飲料，并對飲料的主要營養指標進行測定，為開發一款營養、健康的復硒飲品提供理論和實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫陽富硒紅茶、市售濃縮桃汁、福林酚、氫氧化鈉、沒食子酸、碳酸鈉、酪蛋白、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、蒽酮、濃硫酸等。

PHS-3C型精密pH計，上海精密科學儀器有限公司雷磁儀器廠產品；WBL25B26型攪拌機，廣東美的生活電器制造公司產品；JM-B10001型電子天平；U-3900/3900H型紫外可見分光光度計；阿貝折光儀；原子熒光光譜儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

富硒紅茶葉→高速粉碎→熱水浸提→粗濾→富硒紅茶湯、桃汁→混合調配→均質均勻→熱灌殺菌→桃汁富硒茶復合飲料。

1.2.2 桃汁富硒紅茶復合飲料的制備

（1）富硒紅茶湯的制備。挑選完好的富硒紅茶茶葉，經高速粉碎后過100目篩；采用一定體積的熱水浸提，浸提的茶湯過濾后，就可以得到新鮮紅茶湯。

（2）調配。將市場采購的濃縮桃汁和茶湯按一定比例調配，采用高壓均質機進行2次均質處理，均質條件為壓力70 MPa，時間10 min，使其混合均勻，以提高產品的口感，同時獲得不易分層、沉淀的飲料。然后熱灌裝殺菌（100℃，30 s）并快速倒置5 min給瓶蓋殺菌[10]，最后冷卻至室溫，即可得到復合飲料。

（3） 可溶性固形物的浸出率（后面簡稱為浸出率）的測定。稱取2 g左右的茶葉樣品（m）至恒質量的三角瓶中，加入一定體積的水，振蕩提取一定時間，測定經過過濾并干燥的茶渣質量（m1）。通過以下公式進行計算

式中：m——紅茶樣品質量，g；

m1——過濾干燥得到的紅茶茶渣質量，g。

（4）茶多酚提取率測定。通過福林酚法測定茶湯中茶多酚的含量，然后通過以下公式進行計算。

式中：C——茶湯中茶多酚含量，g/mL；

V——提取溶液水體積，mL；

m——紅茶樣品質量，g。

1.2.3 單因素試驗的測定

（1） 浸提時間確定。料液比1∶75（g∶mL），浸提溫度80℃，考查浸提時間分別為5，10，15，20，25，30 min時，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，確定最佳浸提時間。

（2）料液比的確定。浸提溫度80℃，浸提時間20 min，考查料液比為 1∶50，1∶75，1∶100，1∶125，1∶150，1∶175（g∶mL） 時，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，確定最佳料液比。

（3） 浸提溫度確定。料液比1∶75（g∶mL），浸提時間20 min時，考查浸提溫度為70，75，80，85，90，95℃時，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，確定最佳浸提溫度。

1.2.4 響應曲面設計優化茶葉提取條件

根據單因素試驗的結果，綜合考慮各因素對可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的影響。采用統計分析軟件Design Expert對茶葉的浸提溫度、浸提時間和料液比采用三因素三水平的Box-Bohnken模型，以可溶性固形物提取率和茶多酚提取率為指標，確定最佳配方。

響應面試驗因素和水平設計見表1。

1.2.5 茶湯理化指標的測定

通過響應曲面設計得到最優的茶湯提取條件，得到優化的茶湯。采用福林酚法[11]測定樣品茶多酚含量，采用pH計測定樣品酸度，采用蒽酮硫酸法測定樣品的還原糖含量[12]，采用原子熒光光譜法測定樣品硒含量[13]，采用全自動凱氏定氮儀測定樣品蛋白質的含量[14]。

表1 響應面試驗因素和水平設計

1.2.6 復配桃汁體積量的確定

以最優結果用于制備果汁茶飲料，將體積為10，25，40 mL的桃汁與最佳浸提條件下提取的茶湯進行調配，根據感官評定結果確定果汁用量，以得到果汁茶飲料。

1.2.7 飲料的感官評定

請10位經過培訓的評審員對復合飲料進行感官評定，滿分100分，分別從色澤、氣味、口感、均勻度和沉淀效果5個方面來評定復合飲料的品質優劣。

果汁茶飲料感官品質評定標準見表2。

表2 果汁茶飲料感官品質評定標準

1.3 數據處理

試驗采用Design Expert 8.06軟件和Excel軟件對試驗數據進行統計分析，每個結果平行進行3次，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

為保證富硒紅茶中的水溶性營養成分被充分浸提出來，同時主要營養成分茶多酚不被破壞，保持原有活性。分別以可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率為雙指標進行測定。分別對浸提時間、料液比和浸提溫度進行單因素試驗，確定最優提取條件。

不同因素對可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率的影響見圖1。

由圖1（a） 可知，隨著浸提時間的延長，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都不斷增加，當浸提時間為20 min時，可溶性固形物浸出率均為38.0%，茶多酚提取率為3.89%。繼續延長浸提時間，雖然提取率略有提升，但是影響不大。考慮到茶多酚是一種極易氧化的營養物質，長時間高溫浸提，會破壞茶葉中茶多酚的活性。綜合考慮，選擇20 min作為浸提最佳時間。

由圖1（b）可知，隨著料液比的增加，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都呈現先增加后減小的趨勢，當料液比為1∶50～1∶100（g∶mL） 時，富硒紅茶可溶物浸出率和茶多酚提取率都隨料液比增大而增大；料液比為1∶100～1∶175（g∶mL）時，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都隨料液比增大而略有降低；當料液比為1∶100（g∶mL）時，可溶性固形物浸出率為37.8%，茶多酚提取率達到最大，達到4.25%。這是因為適當增加提取溶劑的體積，有助于加大體系中提取溶劑的質量濃度梯度，有利于傳質過程和提取效率，從而提高可溶性固形 物和茶多酚的提取率。然而，如果溶劑使用太多，會造成后續的濃縮工作量加大，造成時間延長和能源浪費。從節約成本和提取效果的角度考慮，確定最佳料液比為1∶100（g∶mL）。

圖1 不同因素對可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率的影響

由圖1（c） 可知，隨著提取溫度的增加，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都呈現先增加后減小的趨勢，在浸提溫度為85℃時，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率分別達到最大值為38.9%和4.23%。當浸提溫度達到90℃以后，茶多酚的提取率顯著降低。這是因為在高溫中，茶多酚容易氧化變質，造成茶多酚提取率的下降。為了盡量保持紅茶中主要營養成分茶多酚的含量，確定最佳浸提溫度為85℃。

2.2 響應面法優化提取條件

2.2.1 模型的建立和顯著性檢驗

為了進一步優化提取條件，采用Box-Bohnken試驗設計對浸出率和提取率進行優化，通過Design Expert軟件對試驗數據進行二次響應面回歸分析，分別得到了可溶性固形物浸出率（Y1）和茶多酚提取率（Y2）的多元二次回歸模型：

Box-Bohnken試驗設計和提取率結果見表3。

表3 Box-Bohnken試驗設計和提取率結果

對以上數據結果進行方差分析。在方差分析中，p值的大小表明模型和影響因素對提取率的顯著水平。p值越小，影響越顯著。當p＜0.05，說明模型和因素對結果有顯著影響；當p＜0.01，說明模型和因素對結果有著極顯著影響[15]。以可溶性固形物浸出率為考查指標時，模型p=0.010 6，影響顯著；以茶多酚提取率為考查指標時，模型p=0.002 9，影響極顯著，說明以茶多酚為考查指標，具有更好的擬合效果，這主要是因為茶多酚提取率的測定采用比色法，相比浸出率采用的質量法測定，具有更高的精度，結果更加可靠。故后續試驗以茶多酚提取率為考查指標，進行更加詳細的方差分析和交互試驗分析。

以茶多酚提取率為指標的方差分析結果見表4。

表4 以茶多酚提取率為指標的方差分析結果

由表4可以看出，當以茶多酚提取率為指標時，模型F值為17.45，p＜0.01，表明回歸模型因素水平極顯著。回歸方程的相關系數R2為96.9%，說明96.9%的數據可以用此模型解釋，試驗誤差比較小。在該模型中，一次項X3偏回歸系數達到極顯著水平，說明浸提溫度對茶多酚提取率的影響最大；一次項X1偏回歸系數達到顯著水平，說明料液比對茶多酚提取率有顯著影響；交互項中X2X3偏回歸系數達到顯著水平，說明料液比和浸提溫度交互作用顯著；其他各項的偏回歸系數均未達到顯著水平。

2.2.2 響應面交互作用分析及優化

利用Design Expert 8.06軟件對各個因素之間的交互作用，可以做出相應的響應面曲線圖。得到的等高線形狀可以直觀地反映2個因素交互作用的顯著性水平。等高線為圓形，表示交互作用小；等高線為橢圓形，且越短長，表示兩因素之間的交互作用越顯著。

浸提時間和浸提溫度對茶多酚提取率的交互影響見圖2。

由圖2可以看出，浸提時間和浸提溫度的交互作用是顯著的，當料液比保持不變，茶多酚的提取率隨浸提時間增加先增加后減小。當浸提時間保持不變，隨著浸提溫度的增加，茶多酚的提取率不斷增加。

2.2.3 最優工藝條件及驗證

圖2 浸提時間和溫度對茶多酚提取率的交互影響

對二次多元回歸方程分析并求解，得到了富硒紅茶茶多酚提取率的最優提取條件為提取時間22.1min，料液比1∶100.3（g∶mL），提取溫度89.5℃，在此條件下，紅茶茶多酚提取量的預測值為4.25%，考慮到實際條件，提取時間22 min，料液比1∶100（g∶mL），浸提溫度89℃，在此條件下進行3次平行驗證試驗，得到的平均茶多酚提取量為4.23%，與預測值4.25%接近，說明采用響應面分析法優化紅茶中茶多酚的提取率是有效、可靠的。

2.3 茶湯理化指標的測定

通過前期試驗得到最佳優化條件為浸提溫度89℃，浸提時間22 min，料液比1∶100（g∶mL），并對相應的茶湯理化指標進行了測定。采用pH值對茶湯的酸度進行了測定，茶湯pH值為5.61，中性偏酸，符合正常的茶湯要求，采用福林酚法對其茶多酚的含量進行測定，茶多酚的提取率為4.23%。可溶性固形物浸出率為38.6%。采用蒽酮-硫酸法測定樣品中糖含量，糖含量占茶湯0.74%。采用雙縮脲法測定樣品中蛋白質，發現蛋白質占茶葉含量0.42%。采用原子熒光法測定，茶湯中硒的含量為0.23 μg/L。證明該茶湯具有豐富的茶多酚和微量硒元素，具有良好的保健功能。

2.4 茶湯與桃汁的復配

桃汁富硒茶復合飲品的綜合評價雷達見圖3。

采用市售的濃縮桃汁復配紅茶汁，采用100 mL富硒茶湯，加入不同體積的桃汁。經培訓的評審員對果汁茶飲料進行品評，根據圖3的感官評定分數，確定加入果汁的合適體積10 mL。加入少量的果汁，可以充分保留紅茶的茶香，同時賦予紅茶果汁的酸甜口感。果汁的體積為10 mL時，桃汁茶飲料具有最優的感官評價。復配的果汁茶飲料中紅茶茶味圓滑干潤、醇厚，茶汁偏甜；基本保留茶湯本身顏色茶的香氣明顯，留香久，香氣純，無異味。；

圖3 桃汁富硒茶復合飲品的綜合評價雷達

3 結論

通過響應曲面法對富硒紅茶飲料加工工藝中浸提溫度、浸提時間和料液比進行研究，優化了紅茶可溶性固形物和茶多酚提取率的工藝研究，建立了該工藝的二次多項數學模型。該模型擬合極好，得到的各因素對茶多酚提取的影響因素大小依次為浸提溫度＞料液比＞浸提時間。結果表明，浸提時間22 min，料液比1∶100（g∶mL），在浸提溫度89℃的條件下，茶湯中茶多酚的提取率較高。在此條件下，茶湯pH值5.61，茶多酚約占提取物4.23%，可溶物浸出率38.6%，糖占茶葉含量0.74%，蛋白質約占茶葉0.42%。在體積為10 mL的條件下，復配的茶汁中紅茶茶味圓滑干潤、醇厚；復配后產品基本保留茶湯本身顏色；茶的香氣明顯，留香久，香氣純，無異味。