響應面法優化朝鮮薊果凍的加工工藝*

陳 婕，鄧愛華,，王 云，曾 卓，謝 鵬，張平喜

(1 湖南文理學院生命與環境科學學院，湖南 常德 415000；2 湖南省朝鮮薊工程技術研究中心，湖南 常德 415000)

朝鮮薊(CynarascolymusL)，別名洋薊，法國百合，是菊科菜薊屬多年生草本植物，富含多酚、黃酮及萜類化合物[1]，具有保肝降脂、抗腫瘤、抗HIV病毒及治療消化不良和防治重金屬吸收等功效[2-3]。朝鮮薊作為一種冬閑農田經濟植物，已在我國湖南、云南等地大面積推廣。然而，我國朝鮮薊主要以鮮食及罐頭出口為主，植株生物質利用率只有15%左右。近年來，本課題組先后開發了朝鮮薊茶葉、餅干、片劑、膠囊及化妝品等系列產品[4-6]，實現了朝鮮薊的綜合開發及高值化利用。果凍作為一種廣受大眾喜愛的健康食品，市場需求量大，然而，以朝鮮薊為主要原料的果凍研究還未見報道。因此，本文利用響應面法優化朝鮮薊果凍加工工藝參數，開發一種獨具朝鮮薊風味的新型果凍，為朝鮮薊產業的深加工提供技術參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

朝鮮薊，匯美農業科技有限公司；卡拉膠、魔芋膠、氯化鉀、檸檬酸，北京君澤生物科技有限公司；喜之郎果凍、白砂糖，當地超市；均為食品級?？寡趸芰υ噭┖?ABTS法，批號：20181106；DPPH法，批號：20181110)，南京建成生物工程研究所。

TA.XTPlus質構儀,英國Stable Micro System公司；KQ5200E型超聲波清洗器，昆山市超聲波儀器有限公司；HJ-6型磁力加熱攪拌器，金壇石城東新瑞儀器廠；BCD-656WDPT型冰箱，青島海爾股份有限公司；EL104型電子天平，梅特勒-托利多儀器公司；DHG-9203A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海右一儀器有限公司；UV-1600紫外可見分光光度計，上海精密儀器有限公司；ELx800酶標儀，美國寶特公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

朝鮮薊果凍的加工工藝流程：

圖1 朝鮮薊果凍加工工藝Fig.1 Processing technology of artichoke jelly

將朝鮮薊干苞葉清洗干凈，按體積質量比20:1加入90 ℃蒸煮2 h，過濾得朝鮮薊汁，待用；將卡拉膠、魔芋膠及氯化鉀混勻后慢慢加入蒸餾水中攪拌均勻，在75 ℃下煮膠，加入朝鮮薊汁混合均勻，依次加入白砂糖、檸檬酸溶液，超聲脫氣泡后趁熱導入模具中，滅菌后放入冰箱冷藏至凝固，得朝鮮薊果凍，備用。

1.2.2 質構特性測定條件

TA.XT Plus型質構儀采用TPA模式測試，對凝膠進行硬度，內聚性，彈性，膠黏性，咀嚼性的測定。探頭型號：P/0.5；預測試速度：1 mm/s；測試速度：2 mm/s；返回速度：2 mm/s，觸發點負載10 g；每個樣品測試3次，取平均值。

1.2.3 感官評價

組織20位感官監評員對制備的朝鮮薊果凍從色澤、風味、口感和組織形態等4個方面進行感官評定[7]，具體評分標準見表1。

表1 朝鮮薊果凍的評價標準Table 1 Sensory evaluation of artichoke jelly

1.2.4 抗氧化性測定

通過體外抗氧化實驗ABTS法[8]和DPPH法[9]來檢測果凍的抗氧化能力。ABTS檢測試劑盒是設定Trolox的總抗氧化能力為1，相同濃度下，果凍的抗氧化能力用Trolox的倍數來表示。計算公式為：果凍總抗氧化能力(mM)=-1.1214×測定OD值+1.1262。DPPH檢測試劑盒是通過定義：在37 ℃時，每分鐘每毫升朝鮮薊果凍使反應體系的吸光度(OD)值每增加0.01時，為一個總抗氧化能力單位。計算公式為：總抗氧化能力(mL)=[(測定OD值-對照OD值)/0.3]×反應液總量×樣本測試前稀釋倍數/取樣量。

1.3 實驗設計

1.3.1 復配膠配方優化

凝膠種類、配比及濃度對果凍性能起著決定性的作用，單一凝膠往往達不到預期的效果，而通過膠體復配協同增效可以提高凝膠的性能[10]。果凍中的無機鹽，如氯化鉀可以促進分子之間的交聯作用，從而增加凝膠強度和彈性。在預實驗的基礎上，以市面上三種不同規格的喜之郎?果凍為參考，考察卡拉膠和魔芋膠配比、濃度及氯化鉀添加量對復配膠質構特性(硬度，彈性，咀嚼性)的影響，優化復配膠的配方。

1.3.2 單因素實驗

選取復配膠添加量，朝鮮薊汁添加量，白砂糖添加量及檸檬酸添加量4個因素進行單因素實驗。當其中一個變量變化時，其他的固定添加量為：檸檬酸添加量0.02%，復配膠添加量0.6%，白沙糖添加量5.5%，朝鮮薊汁添加量80%。對制備的朝鮮薊果凍進行質構分析和感官評價，從而確定各個因素的適宜水平。

1.3.3 響應面實驗設計

優化復配膠卡拉膠:魔芋膠:氯化鉀比例為5:15:4，結合單因素實驗結果，選取檸檬酸、復配膠、白砂糖及朝鮮薊汁添加量4個因素為因變量，以朝鮮薊果凍的感官評價為自變量(Y)，采用響應面Box-Behnken模式優化實驗配方，通過Design-Expert 8.0.6軟件設計分析。響應面實驗因素水平見表2。

表2 響應面實驗因素水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments

1.4 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2016繪制多元凝膠的數據圖像；通過Exponent Lite Express軟件設定質構儀參數及對果凍硬度、內聚性、彈性、膠黏性及咀嚼性數據分析；運用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面實驗設計、數據分析及二階模型的建立，進行顯著性檢驗優化實驗配方。所有實驗重復3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 市售果凍質構指標

為了建立果凍的評價標準，先用質構儀對市面上銷售的三種喜之郎果凍(1號、2號含不同果肉顆粒，3號為水果味果凍)進行檢測，結果如表3所示。三種果凍的硬度和咀嚼性在12～14之間，彈性在1.0左右。

表3 市售喜之郎果凍的質構指標Table 3 Texture index of Xizhilang jelly

2.2 復配膠的配方優化

通過大量的預實驗，選擇在濃度為0.5%，0.7%，0.9%下，魔芋膠:卡拉膠比例為3:1，2:1，1:1，1:2，1:3，檢測其三種物性指標(表4)，在實驗中，膠含量在0.5%中，3:1的果凍呈半固體狀，軟爛不成形。這是因為卡拉膠-魔芋膠的體系中，卡拉膠形成主要的網絡結構，而魔芋膠起到填補網絡結構中去，這就形成較好凝膠的條件是要求卡拉膠達到一定的濃度，而在之前的預實驗中證明了這一點。

通過對數據分析發現，在不同濃度中，魔芋膠:卡拉膠在3:1與2:1的果凍中，其硬度，膠黏性較與其他的比例數據較大，這是因為魔芋膠能夠通過氫鍵與卡拉膠相互作用，用使膠體網絡結構更為致密[11]。各種物性特征中，最為接近市面上果凍的配方是膠含量0.7%，魔芋膠與卡拉膠比例為1:3的果凍。

表4 復配膠的質構分析Table 4 Texture analysis on the different proportions of mixed gum amount

2.3 氯化鉀添加量對復配膠質構分析的影響

表5 氯化鉀對復配膠質構分析的影響Table 5 Texture analysis on the different proportions of mixed gum amount

鉀離子能夠有效地增加凝膠強度，使分子間的交聯增強。由表5可知，果凍的彈性、硬度及膠粘性隨氯化鉀添加量的增大先增大后減小，當氯化鉀添加量為0.4%時，達到最大值。在0.1%～0.4%的范圍中，硬度，彈性，膠黏性先增大后減少。而在0.5%以后凝膠強度減少且在0.8%時，復配膠呈半凝固狀態，各種特征無法測出。這是因為過量的離子強度會加速凝膠老化過程，過量的離子中和了卡拉膠分子所帶的負電荷，減少了斥力，使游離水釋放出來[12]。與市面上的果凍作對比，以經濟角度以及果凍凝膠狀態來看，選擇添加氯化鉀0.4%適宜。綜上所述，選擇總膠量為0.7%，氯化鉀0.1%的果凍配比。

2.4 單因素實驗結果與討論

2.4.1 檸檬酸添加量對果凍品質的影響

在白砂糖5.5%，復配膠0.7%，朝鮮薊汁80%的條件下，分別加入檸檬酸0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，檸檬酸對朝鮮薊果凍品質的影響如圖2所示。檸檬酸為0.03%時，感官評價和彈性達到最大值92分和1.23 mm，檸檬酸對調節溶液pH和果凍酸甜口感上有較大的作用，添加少量的檸檬酸，使果凍酸甜可口，口感更加豐富，且適當濃度的OH-能夠有效地增加雙螺旋結構，增強凝膠強度。當酸過量時，卡拉膠產生水解作用，從而降低凝膠強度，合適的檸檬酸為0.03%。

圖2 檸檬酸添加量對果凍品質的影響Fig.2 Effect of adding citric acid on jelly quality

2.4.2 復配膠添加量對果凍品質的影響

在白砂糖5.5%，檸檬酸0.03%，朝鮮薊汁80%的條件下，分別加入復配膠0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%，復配膠對朝鮮薊果凍品質的影響如圖3所示。感官評價和彈性隨著復配膠添加量的增加而減少。隨著復配膠添加量的增大，凝膠強度逐漸增大，彈性不斷減少?？ɡz是由紅藻類提取出來的多糖，其本身帶有的魚腥味味道刺激。當在溶液中超過的一定濃度后，食用時明顯的異味，讓人難以接受，導致感官評價降低[12]。綜合感官評價和彈性兩個指標，與喜之郎果凍作對比，最終選擇復配膠添加量為0.7%。

圖3 復配膠添加量對果凍品質的影響Fig.3 Effect of adding the mixed gum amount on jelly quality

2.4.3 白砂糖添加量對果凍品質的影響

在復配膠0.7%，檸檬酸0.03%，朝鮮薊汁80%的條件下，分別加入白砂糖4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，6.5%，白砂糖對朝鮮薊果凍品質的影響如圖4所示。感官評分先增大后減少，人們大都偏愛稍甜的食品，但是超過一定限度后，甜味會掩蓋朝鮮薊本身的香味，影響朝鮮薊果凍的獨特風味。在4.5%～6%中，彈性的變化不大，而在6.5%時彈性顯著增大，由于適量的白砂糖會使果凍的凝膠強度增強，與文獻報道的百合果凍影響一致[13]。合適的白砂糖為5.5%。

圖4 白砂糖添加量對果凍品質的影響Fig.4 Effect of adding the sugar amount on jelly quality

2.4.4 朝鮮薊汁添加量對果凍品質的影響

在復配膠0.7%，檸檬酸0.03%，白砂糖5.5%的條件下，分別加入朝鮮薊汁60%，70%，80%，90%，100%，朝鮮薊汁對朝鮮薊果凍品質的影響如圖5所示。朝鮮薊具有獨特的清香及回甘效果，隨著朝鮮薊汁的增加，朝鮮薊風味越加濃郁，感官評分逐漸增大。果凍的彈性先增大后減少，市面上熱銷的果凍彈性在1 mm左右，選擇合適朝鮮薊汁添加量為80%。

圖5 朝鮮薊汁添加量對果凍品質的影響Fig.5 Effect of adding the artichoke amount on jelly quality

2.5 響應面實驗設計結果與討論

2.5.1 響應面回歸模型的建立與分析

在單因素實驗考察的區間內，果凍彈性變化不大，感官變換較為明顯。因此，以果凍感官評價(Y)為響應值，選取檸檬酸添加量(A)、白砂糖添加量(B)，復配膠添加量(C)，朝鮮薊汁添加量(D)四個配方變量，采用Box-Behnken模型設計了4因素3水平實驗，結果見表6。

將表6中數據利用Design Expert 8.0.6軟件進行二次多元回歸擬合，得到模型的二次多項回歸方程如下：

Y=92.83+2.28A+0.8B-2.5C+1.33D+0.82AB-0.31AC+0.32AD-1.34BC-0.065BD+ 3CD-3.3 4A2-3.58B2-6.24C2-2.61D2

表6 Box-Behnken設計方案及響應值Table 6 Box-Behnken experimental design and response values

為了檢驗方程的有效性，對朝鮮薊果凍感官得分的數學模型進行方差分析，結果如表7所示。由表7可知，在模型中p值<0.05(=0.018)，表明回歸模型達到了顯著水平；而失擬項p值為0.2275，大于0.05，表明失擬項不顯著，說明模型方程與實際情況吻合的較好，實驗誤差小，因此可用該回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行預測。該表中一次項A、C、交互項CD及二次項A2、B2、D2的p值小于0.05，達到顯著影響水平，說明它們對感官得分有顯著影響。二次項C2的p值小于0.001，達到極顯著影響水平，說明它對感官得分有極顯著影響。對F值進行比較分析可得，對感官評價得分的影響程度為：白砂糖添加量(C)>檸檬酸添加量(A)>朝鮮薊汁添加量(D)>復配膠添加量(B)。

表7 回歸曲線的方差分析Table 7 Analysis of variance for the fitted regression equation

續表7

D18.31118.312.650.1261AB2.6712.670.390.5443AC0.2710.270.0390.8473AD0.2810.280.0400.8447BC7.1817.181.040.3257BD0.01710.0172.441E-0.030.9613CD35.94135.945.190.0389?A257.27157.278.270.0122?B277.92177.9211.250.0047?C2231.261231.2633.40<0.0001??D240.52140.525.850.0297?殘差96.9316.92失擬項69.35148.671.890.2275notsignificant

注：p值小于0.01代表顯著，以“**”表示；小于0.05代表顯著，以“*”表示。

2.5.2 響應面圖形分析

為更直觀的分析兩兩交互因素對朝鮮薊果凍感官評價的影響[14]，Design-Expert 8.0.6根據回歸方程建立響應曲面圖6。響應曲面傾斜程度反映了交互因素對Y值的影響程度，也就是說，響應曲面傾斜的角度越大，交互因素對感官評價的影響也就越大。從響應曲面可看出，白砂糖添加量和朝鮮薊汁添加量的曲面坡度最大，說明其影響最大。感官評價隨著白砂糖和朝鮮薊汁的增加，先增加后減少。

2.5.3 優化實驗配方及驗證

經過響應面優化后的果凍配方(為了實驗方便調配對其進行取整處理)為：檸檬酸添加量0.03%，復配膠添加量0.7%，白砂糖添加量5.5%，朝鮮薊汁添加量80%，在此優化配方的條件下，預測的感官評價為93.69分。為了進一步驗證響應面法的可靠性，制作朝鮮薊果凍。經實驗人員根據果凍的評判標準得到，優化配方過的果凍感官評價為93.9分，與預測得到的分數接近，但也在誤差范圍內，說明了響應面法優化產品工藝是可行的。

圖6 兩兩因素交互作用對果凍感官評價影響的響應曲面圖Fig.6 Response surface plots of interactive effects for every two factors on jelly quality

2.6 朝鮮薊果凍抗氧化性

通過DPPH法和ABTS法分別檢測朝鮮薊果凍和市面上的兩種果凍抗氧化能力，結果如表8所示。DPPH法檢測朝鮮薊果凍的抗氧化能力分別是1號、2號和3號果凍的5.6倍、5.8倍和1.3倍；ABTS法檢測朝鮮薊果凍的抗氧化能力分別是1號、2號和3號果凍的4.3倍、4.1倍和2.1倍，且兩種方法的檢測結果具有一致性。由于朝鮮薊中富含洋薊素及綠原酸等多酚類化合物[15]，研制的朝鮮薊果凍具有顯著的抗氧化效果，而3號喜之郎果凍中添加了水果提取物，水果中的多酚物質提高了果凍的抗氧化性。

表8 果凍的抗氧化能力結果Table 8 Antioxidant capacity of different jelly

3 結 論

本實驗在單因素實驗的基礎上，利用響應面法建立朝鮮薊果凍的二次多項式數學模型，對影響感官評價的關鍵因素及其相互作用進行深入探討，發現各因素對果凍的感官影響大小為：白砂糖添加量>檸檬酸添加量>朝鮮薊汁添加量>復配膠添加量。此外，白砂糖添加量及檸檬酸添加量對果凍的感官有顯著的影響，白砂糖和朝鮮薊汁添加量之間存在顯著的交互影響。最佳的朝鮮薊果凍配方為：檸檬酸0.03%，復配膠0.7%，卡拉膠:魔芋膠為2:1，白砂糖5.5%，朝鮮薊汁80%，氯化鉀0.1%，感官評價高達93.9分，彈性為1 mm。DPPH法和ABTS法檢測朝鮮薊果凍的抗氧化能力分別是市售喜之郎果凍的1.3倍和2.1倍，朝鮮薊果凍具有良好的抗氧化性。