四維輔助三維響應面法優化菠蘿蜜種泥果凍配方

薛山 ，黃藝萍

1. 閩南師范大學生物科學與技術學院（漳州 363000）；2. 菌物產業福建省高校工程研究中心（漳州 363000）

菠蘿蜜（Artocarpus heterophyllusLam.）又稱樹菠蘿、蜜冬瓜，是一種廣泛分布于世界各地的熱帶水果，果肉肥實，營養價值極高，有著“熱帶水果皇后”的美譽[1]。在我國，菠蘿蜜主要種植于海南、廣東、福建、臺灣等熱帶、亞熱帶地區，以海南省種植面積最廣，年產量約12萬 t[2]。菠蘿蜜的種子約占成熟果實的20%，且平均體積達到5.26 cm3[3]，其富含淀粉、膳食纖維、礦物質、賴氨酸及黃酮類抗氧化活性成分[4]，具有益氣補血、消炎止痛等功效[5]，同時種子中高含量的抗性淀粉能夠促進機體腸道蠕動，有助消化、降血糖等益處[6]。隨著菠蘿蜜種植與加工的不斷推廣，大量的菠蘿蜜種子被遺棄而未得到有效的利用，不僅造成了資源浪費，還將一定程度上引起環境污染。有關菠蘿蜜種子的研究多集中于淀粉、蛋白質結構及理化特性[7-8]和營養成分分析與品質評定[9-10]方面，而相關產品的研發十分欠缺。

果凍是一種以水、食糖等為主要原料，加以輔料凝膠劑和果蔬等加工而成的膠凍食品。市售果凍大多都添加人工色素、香精等，營養價值偏低，大量食用還可能會對健康產生不利影響[11]。基于此，以菠蘿蜜種子為原料，輔以西瓜汁、凝膠劑、食糖等食材，優化研發菠蘿蜜種泥果凍配方，不僅實現菠蘿蜜種子的綜合利用，還為大健康理念下果凍產品的研發創新提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜（產地臺灣）、西瓜、白砂糖、檸檬酸（均購于漳州沃爾瑪超市）；魔芋膠、卡拉膠（均購于星火食品配料商城）。

MP-5002電子天平（上海恒平科技儀器有限公司）；C21-Simple101型電磁爐（廣東美的生活電器制造有限公司）；PR-HWS-26電熱恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程圖

圖1 菠蘿蜜種泥果凍加工工藝流程圖

1.2.2 操作要點

制備菠蘿蜜種泥：取新鮮飽滿的菠蘿蜜種子，每個菠蘿蜜核約12 g，將其最外一層黃膜去掉，用清水清洗，放入沸水中煮熟，約25 min，冷卻后搗碎。

西瓜汁的制備：新鮮西瓜榨汁后將濾液倒入0.125 mm（120目）的尼龍過濾袋中過濾，取濾液備用。

溶膠與煮膠：將稱量好的復合膠（卡拉膠與魔芋膠）按比例混合，加入100 mL水充分溶解并加熱至100 ℃，在加熱的過程中不斷攪動以避免有絮狀物質產生。

攪拌混勻：煮膠后迅速將稱量好的菠蘿蜜種泥、西瓜汁和白砂糖放入鍋中與復合膠混合攪拌均勻，煮1 min即可。

加酸、排氣：待溫度降到60 ℃時，加入檸檬酸，攪拌均勻，超聲水浴5 min除去氣泡。

分裝：混勻后馬上倒入準備好的模具中。

滅菌和冷卻：采用85 ℃滅菌15 min，自然冷卻后即得成品。

1.2.3 單因素試驗

1.2.3.1 西瓜汁添加量對果凍感官評分的影響

以3 g菠蘿蜜種泥為基準，添加10%白砂糖、0.2%檸檬酸、3∶2 g/g卡拉膠-魔芋膠、1%復合膠。考察西瓜汁用量10%，15%，20%，25%和30%對果凍感官評分的影響。

1.2.3.2 白砂糖添加量對果凍感官評分的影響

考察白砂糖用量8%，10%，12%，14%和16%對果凍感官評分的影響。

1.2.3.3 檸檬酸添加量對果凍感官評分的影響

考察檸檬酸用量0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%對果凍感官評分的影響。

1.2.3.4 卡拉膠與魔芋膠復配比對果凍感官評分的影響

考察卡拉膠與魔芋膠復配比3∶1，3∶2，1∶1，2∶3和1∶3 g/g對果凍感官評分的影響。

1.2.3.5 復合膠添加量對果凍感官評分的影響

考察復合膠用量0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%對果凍感官評分的影響。

1.2.4 響應面試驗

根據單因素試驗結果，按照Box-Benhnken設計原則，以西瓜汁（A）、檸檬酸（B）和復合膠（C）的不同添加量為考察變量，將感官評價值（Y1）和彈性（Y2）作為響應值，進行三因素三水平的響應面分析法試驗設計。響應面試驗因素及水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平 單位：%

1.2.5 感官評分標準

參照GB 19299—2015《食品安全國家標準 果凍》中的感官評定方法，選擇20人組成感官評價小組，根據表2進行評分。

表2 果凍感官評價

1.2.6 彈性的測定

采用CT3質構儀對菠蘿蜜種泥果凍的彈性進行測定，測定方法采用質構剖面分析方法。彈性用第2次壓縮時長與第1次的百分比表示。具體參數為：探頭TA10、測試速度1 mm/s、數據頻率10.00點/s、觸發點負載5 g、循環2次，Target Type為距離。

1.2.7 數據處理與分析

使用SPSS 23.0進行顯著性分析（p＜0.05為顯著性），利用Origin 7.5進行數據處理及圖表制作，響應面試驗用Design-Expert.V8.0.6.1軟件進行設計和多元線性回歸方程擬合分析，四維和三維響應面圖用Matlab軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果及分析

2.1.1 西瓜汁添加量對菠蘿蜜種泥果凍感官評分的影響從圖2可以看出，西瓜汁添加量對結果具有較為顯著的影響（p＜0.05）。西瓜汁添加量25%時，果凍呈鮮紅色，柔軟細膩，酸甜適宜，具有西瓜汁特有的清香。

圖2 西瓜汁添加量對產品感官評分的影響

2.1.2 白砂糖添加量對菠蘿蜜種泥果凍感官評分的影響

白砂糖添加量12%時，產品感官評分最高（圖3）。適量的白砂糖在一定程度上可改善復合膠的組織結構[12]。

圖3 白砂糖添加量對產品感官評分影響

2.1.3 檸檬酸添加量對菠蘿蜜種泥果凍感官評分的影響

從圖4可以看出，不同檸檬酸用量的感官評價值存在顯著性差異（p＜0.05），檸檬酸添加量0.2%時，產品感官評分達最大值。這是因為檸檬酸的加入會使復合膠的酸堿性發生變化，當酸過量時卡拉膠產生水解作用，從而降低其凝膠性[10]，導致果凍的組織狀態劣變。

圖4 檸檬酸添加量對產品感官評分的影響

2.1.4 卡拉膠與魔芋膠復配比對菠蘿蜜種泥果凍感官評分的影響

凝膠劑的種類、配比、用量對果凍的品質有著重要影響，單一凝膠劑往往達不到預期效果，需要通過復配協同增效凝膠性能[11，13]。從圖5可知，在卡拉膠與魔芋膠復配比3∶2 g/g時，產品感官評分達最大值。

圖5 卡拉膠與魔芋膠復配比對產品感官評分的影響

卡拉膠作為原材料制作的果凍在常溫下十分穩定，且有良好持水性，但卡拉膠組織狀態不細膩，pH 4.0以下時易被酸解[14-15]；魔芋膠用于食品中能改善食品的物理性質，增加食品的黏稠性和柔滑感[16]。因此，在卡拉膠-魔芋膠的體系中，卡拉膠形成主要的網絡結構，而魔芋膠是填補網絡結構，兩者有一定互補性，適量配比可以提升產品的感官特性[11]。

2.1.5 復合膠添加量對菠蘿蜜核種泥果凍感官評分的影響

復合膠用量對結果存在顯著性差異（p＜0.05），用量達1.0%時產品感官評分達最大值（圖6）。這可能是因為隨著復合膠添加量增加，果凍的彈性和硬度逐漸增強，凝膠體系強度增強，內部結構的分子之間排列更加緊密，形成更加穩定的三維網狀結構[17]，但復合膠添加量過大，產品容易結塊，而用量過少時，無法形成果凍凝膠。

圖6 復合膠添加量對產品感官評分的影響

2.2 四維輔助三維響應面優化結果及分析

2.2.1 基于Y1和Y2三維響應面模型的建立

根據單因素試驗結果，選擇對產品感官評分影響最顯著的3個因素進行Box-Behnken Design試驗設計結果見表3。

表3 響應面試驗設計及結果

經數據分析，得到Y1和Y2的回歸方程：Y1=90.80+ 2.38A-1.37B-2.00C-6.50AB+4.75AC-9.25BC-7.65A2-13.15B2-4.40C2；Y2=73.49+0.53A-0.11B-0.37C-1.50AB+ 2.00AC-2.23BC-3.25A2-5.04B2-2.50C2。

2.2.2 基于Y1和Y2響應面模型的顯著性檢驗

由表4可知，Y1和Y2模型的p值極顯著（p＜0.01），說明其二次多項回歸方程中的自變量和因變量均具有極顯著的相關性。二者失擬項不顯著（p＞0.05），表明試驗結果和數學模型具有良好的擬合性，可對菠蘿蜜種泥果凍的感官評分和彈性進行分析和預測。

表4 基于Y1和Y2響應面方差分析

分析回歸方程的可行度（表5）可知，Y1和Y2模型回歸方程相關系數均大于0.9，R2值越接近1，則回歸方程越可靠，說明該回歸方程可以真實反映該試驗各因素與響應值之間的關系。Y1回歸方程校正后可以解釋99.68%的響應值變化，Y2校正后可以解釋86.58%的響應值變化。Y1和Y2模型的AP＞4，說明該2個方程的擬合度和可信度較好。C.V.值反映回歸方程的置信度，其值越小，回歸方程的置信度越高，基于Y1模型的回歸方程具有更高可信度。

表5 回歸方程的可行度

2.2.3 四維和三維響應面結果分析

各因素兩兩交互對產品Y1和Y2影響的四維，三維響應面分別如圖7和圖8所示。

經M a tl a b分析（圖7），Y1取得理論最大值（91.106 1分）時，通過矩陣計算得到A=25.714 3%、B=0.193 9%、C=0.979 6%；同理，Y2取得理論最大值（73.517 5%）時，A=25.306 1%，B=0.198 0%，C=0.987 8%。圖7（a）較圖7（b）的坡度更陡，色差值變化更大，說明Y1模型較Y2模型更顯著，Y1模型中各因素交互作用較Y2更顯著。

圖7 基于Y1和Y2優化的四維交互曲面

經Design-Expert分析（圖8），當A=25.53%，B=0.20%，C=0.99%時，Y1有最大理論值91.077 1分（＜91.106 1分），Y2有最大值73.510 7%（＜ 73.517 5%）。據報道，響應曲面越陡峭，說明交互因素對響應值的影響越顯著[18]。由此，就Y1而言，兩兩交互作用均極顯著（p＜0.01），其中BC＞AB＞AC，就Y2而言，圖8（f），8（e）曲面較陡峭，故BC和AC交互作用顯著（p＜0.05），且前者較后者更明顯，而AB交互不顯著（p＞0.05）。

圖8 各因素交互作用對產品Y1和Y2影響的三維響應面

2.2.4 最優組合確定和驗證

通過優化試驗，得到最優配方：以菠蘿蜜種泥為基準，西瓜汁添加量25.53%、白砂糖添加量12%、檸檬酸添加量0.20%、3∶2 g/g卡拉膠-魔芋膠、復合膠添加量0.99%，此時Y1預測值為91.077 1分，Y2預測值為73.510 7%，經驗證，Y1實際值為91.09±0.04分，Y2預測值為73.39%±0.22%，與預測值差異不顯著（p＞0.05），可見Y1和Y2模型均能較好地預測菠蘿蜜種泥的感官評分和彈性質構。

3 結論

在單因素試驗基礎上，采用四維輔助三維響應面法研發并優化菠蘿蜜種泥果凍的配方，得到菠蘿蜜種泥果凍的最優組合：以菠蘿蜜種泥為基準，西瓜汁添加量25.53%、白砂糖添加量12%、檸檬酸添加量0.20%、3∶2 g/g卡拉膠-魔芋膠、復合膠添加量0.99%，此時產品具有良好的口感、質地及外觀，感官評分達91.09分，彈性為73.39%，為菠蘿蜜種子的綜合利用提供新思路。以四維輔助三維響應面法優化產品配方，不僅能夠更直觀地分析各因素相互作用對響應值的影響，還能夠更準確地分析和驗證試驗結果，為產品工藝優化提供新方法。