基于Z-score 評價模型優化梨膏護色工藝

李 月，趙江麗，張笑瑩，王永霞，關軍鋒,*

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省農林科學院生物技術與食品科學研究所，河北 石家莊 050051）

梨膏是梨汁的熱濃縮加工產品，富含糖類、酚類、有機酸等，加工過程中極易發生酶促褐變和非酶褐變[1-2]，使成品梨膏顏色變深，影響其風味和感官品質，因此，護色是梨膏制備工藝的重要環節。生產和研究中常以檸檬酸、L-半胱氨酸、維生素C、亞硫酸鹽、氯化鈉、植源成分等復合使用，采用果塊護色處理后再榨汁的工藝[2-4]，以褐變度或感官品質指標進行護色效果評價[5-6]。該法對果塊和鮮榨汁的非酶褐變有較好的抑制作用，但對高溫熬煮過程中的美拉德反應、非酶氧化等非酶褐變的控制作用不明顯。以褐變度或感官評分等單一指標作為評判依據，也不能反映總酚、總黃酮等功能成分的含量和生物活性的變化。因此，系統分析產品色澤、營養成分和功效活性，建立多指標綜合評價方法，開發對酶促褐變和非酶褐變均有抑制作用的護色工藝，對梨膏質量研究具有重要意義。

鴨梨（Pyrus bretschneideri）為白梨系統優良品種，肉質細膩、汁液豐富[7-8]，含有糖類、有機酸、多酚、黃酮、多種維生素，以及鐵、鈣、磷等礦質成分[9-12]。梨膏是鴨梨的主要深加工產品，口感清新，甜香適中，具有止咳平喘、抗炎抑菌、抗氧化、預防癌癥[3]等功效，深受消費者喜愛。

本研究將以鴨梨鮮榨汁為原料，采用煮沸濃縮工藝制備梨膏，在褐變度、總酚含量、總黃酮含量測定和感官評價的基礎上建立Z-score（Z 值）法綜合評價模型[13-14]，并以Z 值為考察指標，通過單因素實驗和響應面試驗對梨膏護色劑種類的添加量進行優化，以期為鴨梨膏的進一步開發提供研究基礎，為梨膏產品護色工藝改進提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鴨梨 采摘于河北省趙縣梨園，選取成熟度均勻、無病蟲害的完好梨果入0 ℃冷庫保存備用；抗壞血酸 食品級，鄭州拓洋實業有限公司；檸檬酸食品級，河北百味生物科技有限公司；偏重亞硫酸鉀、亞硝酸鈉、硝酸鋁 分析純，天津市大茂化學試劑廠；福林酚 分析純，北京博奧拓達科技有限公司；2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH） 北京酷來博科技有限公司；沒食子酸 分析純，上海BBI 生命科學有限公司；蘆丁 分析純，生工生物工程（上海）股份有限公司。

LC-EA3S 灶頭（電陶爐） 廣東順德忠臣電器有限公司；UV-2600 紫外可見分光光度計 日本島津公司；HU24FR3L 多功能榨汁機 韓國惠人電子有限公司；PAL-α折光儀 日本ATOGO 公司；PEN3型電子鼻 德國Airsense 公司；SA-4028 型電子舌日本Insent 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鴨梨膏的制備工藝 鴨梨（可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）為11.8 Brix°；果肉含水率為87.21%；pH 為4.73；可滴定酸含量為0.06 g/mL）洗凈、去核、切塊后立即榨汁，收集于預先加入護色劑的容器中，混勻后過200 目篩得清汁，采用傳統煮沸濃縮，濃縮過程中不斷撇去浮沫，至白利度為70±1 Brix°時濃縮結束，趁熱分裝得成品。

由于梨膏過于粘稠，需要稀釋后測定有關指標，并進行品嘗試驗。取鴨梨膏適量，加水稀釋至與原初梨汁相同的SSC（11.8 Brix°），于6000 r/min 離心15 min，取上清液為梨膏稀釋樣品，進行有關指標的測定分析。

1.2.2 單因素實驗 參考其它文獻報道[2]和預實驗結果，選擇抗壞血酸、檸檬酸和偏重亞硫酸鉀為護色劑。以Z 值為評價指標，通過單因素實驗考察各成分不同劑量、單獨使用的護色效果。

1.2.2.1 抗壞血酸添加量的確定 準確量取1000 mL梨汁，分別添加0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%（m/v）抗壞血酸，共5 個水平，以Z 值為評價指標，進行抗壞血酸最佳添加劑量的篩選。

1.2.2.2 檸檬酸添加量的確定 準確量取1000 mL梨汁，分別添加0.02%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%（m/v）檸檬酸，共5 個水平，以Z 值為評價指標，進行檸檬酸最佳添加劑量的篩選。

1.2.2.3 偏重亞硫酸鉀添加量的確定 準確量取1000 mL 梨汁，分別添加0.01%、0.015%、0.02%、0.025%、0.03%（m/v）偏重亞硫酸鉀，共5 個水平，以Z 值為評價指標，進行偏重亞硫酸鉀最佳添加劑量的篩選。

1.2.3 響應面試驗 在單因素實驗的基礎上，采用Design Expert 8.06 軟件中的Box-Behnken Design設計響應面試驗的因素和水平，三因素三水平試驗設計見表1。以Z 值為響應值，對梨膏復合護色工藝進行優化。并在優化工藝條件下制備樣品，通過品質指標檢測和Z 值分析對模型進行驗證。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.4 褐變度測定 參照趙欣等[15]的方法略作改動。取梨膏稀釋樣品4 mL，以蒸餾水作空白對照，以OD420nm值代表其褐變度。

1.2.5 總酚含量測定 參照付依依等[16]的方法稍作修改。準確吸取0.5 mg/mL 沒食子酸標準液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 加水定容至1.0 mL。分別取各濃度梯度標準液0.5 mL 置于10 mL 試管中，于標準管分別加入0.5 mL 福林酚試劑，再加入1.0 mL Na2CO3（7%），加水定容至6 mL，室溫避光反應1 h后，于765 nm 下測定吸光度值，以蒸餾水作為空白對照，繪制標準曲線。分別量取各梨膏稀釋樣品0.5 mL 按照上述相同操作進行顯色反應，所得結果帶入回歸方程y=0.0812x+0.1082（R2=0.999），計算樣品總酚含量。

1.2.6 總黃酮含量測定 總黃酮含量測定參照Rekha等[17]的方法稍作修改。準確吸取1 mg/mL 蘆丁標準液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL，用70%乙醇定容至1 mL。分別取各濃度梯度標準液0.3 mL 置于50 mL 具塞比色管中，于標準管分別加入0.3 mL 亞硝酸鈉（5%），6 min 后各加入0.3 mL 硝酸鋁（10%），混勻靜置，6 min后各加入4 mL NaOH（1 mol/L），靜置10 min，于波長510 nm 處測定吸光度，繪制標準曲線，同時做空白對照。分別量取各梨膏稀釋樣品0.3 mL 按照上述相同操作進行顯色反應，所得結果帶入回歸方程y=4.923x+0.1133（R2=0.9993），計算樣品總黃酮含量。

1.2.7 感官評價標準 取適量鴨梨膏于樣品杯中，加水稀釋至與原梨汁的SSC（11.8 Brix°）一致，以其色澤、氣味、滋味、組織狀態作為評價指標[18]，召集5 位食品專業相關人員組成評定小組進行評價，評分標準見表2。

表2 鴨梨膏感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standards of “Yali” pear paste

1.2.8 Z-score 法綜合評價模型的建立 Z-score 法綜合評價模型的建立參考趙應征等[13]的方法略作修改，計算公式如下：

式（1）中：Xi 為某一指標值， Xi為該指標均值，Si 為該指標標準差；式（2）中：∑Zi表示該試驗組各指標Zi 值總和，Zi高優為計算指標中數值越大結果越優的指標值，Zi低優為計算指標中數值越小結果越優的指標值。在計算∑Zi時，對“高優”指標的Zi 值予以“加上”，對“低優”指標的Zi 值予以“減去”，使計算結果無量綱化，即∑Zi數值越大代表結果越優。本研究中感官評分、總酚含量、總黃酮含量為“高優”指標，褐變度為“低優”指標。

1.2.9 電子鼻氣味測定 參照Hong 等[19]的方法略作修改。取鴨梨膏稀釋樣品6 mL 于頂空瓶中，于40 ℃孵浴30 min，采用頂空取樣，電子鼻清洗時間100 s，調零時間5 s，準備時間5 s，空氣流速400 mL/min，檢測時間120 s，選取110～112 s 響應值用于數據分析。PEN3 型10 種傳感器的響應特性信息見表3。

表3 PEN3 型電子鼻傳感器響應特征Table 3 Response characteristics of PEN3 electronic nose sensor

1.2.10 電子舌滋味測定 參照Guan 等[20]的方法略作修改。取鴨梨膏稀釋樣品30 mL 于樣品杯中，并按順序擺放電極清洗液、校準液和參比液，用于電子舌測定。測定味覺指標包括酸味、苦味、澀味、咸味、鮮味、甜味、豐富度、回味-A 和回味-B，味覺測試條件見表4。

表4 電子舌滋味測定條件Table 4 Electronic tongue taste determination conditions

1.3 數據處理

每個梨膏樣品重復3 次測定，以Design Expert.V8.0.6.1 軟件進行響應面優化試驗設計，以 Excel 軟件進行數據分析、作圖，以GraphPad Prism 8 軟件進行統計學處理，電子鼻采用Winmuster 軟件進行主成分分析和載荷分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 抗壞血酸添加量的影響 不同抗壞血酸添加量對鴨梨膏各品質指標及Z 值的影響顯著（表5）。抗壞血酸的加入可明顯降低梨膏的褐變度，抗壞血酸添加量為0.03%時褐變度最低為0.22，之后繼續增加抗壞血酸，梨膏的褐變度基本不變或略有升高。總酚、總黃酮含量和感官評價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，且抗壞血酸添加量為0.03%時，梨膏感官得分、總酚、總黃酮含量均最高，此時Z 值達到峰值為5.10，梨膏色澤均勻呈亮黃色，帶有梨果特殊香味，酸甜感適中，為半透明膏狀。這與徐佳等[21]的研究結果相似，隨著異抗壞血酸鈉添加量的逐漸增加，對杏酒的褐變抑制率先上升后緩慢下降，當異抗壞血酸鈉添加量為0.6～0.8 g/L 時對杏酒褐變抑制率最大。抗壞血酸的還原性遠強于酚羥基，可以通過自身氧化消耗氧化酶和活性氧，抑制鮮梨汁中的酶促褐變和加工中的氧化褐變，添加少量即可達到抑制酶促褐變的目的。但抗壞血酸氧化、轉化后生成的多羥基酮類可通過多種非酶褐變途徑生成褐色物質。因此，過量的抗壞血酸還會導致褐變度增加[22]。綜合考慮，選擇抗壞血酸添加比例為0.02%、0.03%、0.04%用作后續研究。

表5 不同抗壞血酸添加量時Z-score 法綜合評價結果Table 5 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different sodium ascorbate addition

在本研究中，Z 值法綜合評價結果與褐變度、感官評價得分、總酚、總黃酮含量單一指標評價結果一致，表明建立的Z 值法綜合評價模型成立，能夠較好地反映指標間的變化關系。

2.1.2 檸檬酸添加量的影響 不同檸檬酸添加量對鴨梨膏各品質指標及Z 值的影響顯著（表6）。檸檬酸的加入可明顯降低梨膏的褐變度，檸檬酸添加量為0.05%時褐變度最低為0.23，用量繼續增加，梨膏的褐變度顯著升高（P＜0.05）。總酚、總黃酮含量和感官評價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，且檸檬酸添加量為0.05%時，梨膏感官得分、總酚、總黃酮含量均較高，此時Z 值達到峰值為1.84，梨膏酸甜感適中，狀態穩定，呈微黃色半透明膏狀。檸檬酸是一種有機弱酸，能夠降低體系的pH，減緩美拉德反應的反應速率，其自身的羧基還可與多酚氧化酶活性中心的Cu2+螯合從而抑制多酚氧化酶的活性[23]，防止梨膏褐變。張凱悅等[24]研究發現0.2%的檸檬酸對黃冠梨汁褐變抑制效果最好；何曉勇等[25]研究表明0.9 g/100 mL 的檸檬酸可顯著降低花生芽菜樣液的吸光度。因此，這里選擇檸檬酸添加比例0.05%、0.10%、0.15%作為后續研究。

表6 不同檸檬酸添加量時Z-score 法綜合評價結果Table 6 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different citric acid addition

2.1.3 偏重亞硫酸鉀添加量的影響 不同偏重亞硫酸鉀添加量對鴨梨膏各品質指標及Z 值的影響顯著（表7）。偏重亞硫酸鉀的加入可明顯降低梨膏的褐變度，偏重亞硫酸鉀添加量為0.02%時褐變度最低為0.17，繼續增加用量梨膏的褐變度顯著升高（P＜0.05）。總酚含量和感官評價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，而總黃酮含量呈先降后升趨勢，當偏重亞硫酸鉀添加量為0.02%時，Z 值達到峰值為2.37，梨膏呈微黃色半透明膏狀，酸甜感適中，狀態穩定。偏重亞硫酸鉀是一種常見的食品多功能劑，對非酶褐變和酶促褐變均具有較好的抑制作用，同時可抑制微生物生長[21]。許鵬麗等[26]研究結果表明，0.002%～0.008%的亞硫酸鈉對橙汁有較好的褐變抑制效果，且在此范圍內褐變度隨亞硫酸鈉濃度的增大而降低，繼續增大用量，橙汁褐變度則會升高，本研究結果與之吻合。綜合考慮，選擇偏重亞硫酸鉀添加比例為0.015%、0.02%、0.025%。

表7 不同偏重亞硫酸鉀添加量時Z-score 法綜合評價結果Table 7 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different emphasis on potassium sulfite addition

2.2 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面設計及結果 以Z 值為響應值，通過響應面法對抗壞血酸添加量、檸檬酸添加量和偏重亞硫酸鉀添加量進行回歸分析，響應面試驗設計及結果見表8。

表8 響應面試驗設計與結果Table 8 Response surface test design and results

將試驗結果進行二次多項回歸擬合，得到回歸方程：Z=3.77-1.79A-1.27B+1.52C-0.99AB+1.91AC+1.20BC-0.56A2-1.42B2-4.13C2， 二 次 回 歸 模 型P=0.0005＜0.01，說明該二次方程模型具有顯著水平，回歸模型的失擬項P=0.1348＞0.05，證明該模型的擬合度良好，試驗設計合理，模型的殘差可能是由于隨機誤差導致的。決定系數R2=0.9784，說明該模型成立，可以用來反映各因素對鴨梨膏的差異,可以通過該模型確定鴨梨膏的最佳護色劑添加量（表9）。

由表9 可以看出抗壞血酸、檸檬酸、偏重亞硫酸鉀添加量都對梨膏的Z 值有顯著影響（P＜0.05），且經過F值檢驗可以得到各因素對Z 值的影響程度為抗壞血酸添加量（A）＞偏重亞硫酸鉀添加量（C）＞檸檬酸添加量（B）。此外，AB、A2項對Z 值無顯著影響（P＞0.05）；BC、B2項對Z 值影響顯著（P＜0.05）；AC、C2項對Z 值影響極顯著（P＜0.01）。

表9 回歸模型方差分析Table 9 Analysis of variance of regression model

通過回歸方程編織出的2D 等高線圖和3D 響應面圖形如圖1 所示。其反映了單因素A、B、C 中任意一個變量取0 水平時，另外兩個單變量對Z 值的影響[27]。當兩個因素間存在交互作用時，相應等高線圖為橢圓形或馬鞍形、響應面圖彎曲程度越大，代表該因素對Z 值的影響就越大。抗壞血酸添加量（A）與偏重亞硫酸鉀添加量（C）、檸檬酸添加量（B）與偏重亞硫酸鉀添加量（C）交互作用明顯，抗壞血酸添加量（A）與檸檬酸添加量（B）交互作用不明顯，這與方差分析結果一致。

圖1 各因素對鴨梨膏Z 值交互作用的等高線和響應面圖Fig.1 Contour and response surface diagram of interaction of various factors on Z value of “Yali” pear paste

2.2.2 最佳護色工藝預測及驗證實驗 根據回歸模型，預測鴨梨膏最佳護色條件為抗壞血酸添加量0.02%、檸檬酸添加量0.05%、偏重亞硫酸鉀添加量0.02%。在此條件下平行制備鴨梨膏3 份，測得其平均褐變度為0.201、感官得分為9.38、總酚含量為59.80 μg/mL、總黃酮含量為80.10 μg/mL，Z 值為5.14，與預測值5.03 接近，說明優化結果可靠。

2.3 鴨梨膏的風味評價

2.3.1 電子鼻對鴨梨膏的氣味分析 采用主成分分析法將10 種傳感器的信號結果降維成第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2），2 組鴨梨膏揮發性物質的總貢獻率為98.87 %（圖2），充分涵蓋了樣品的主要信息，且各組數據在PC1 上的分布特征是決定區分效果的主要因素。護色梨膏和未護色梨膏在第一主成分可以實現完全分離，說明兩種鴨梨膏在味覺指標上具有明顯差異性，電子鼻可以準確識別和區分護色處理鴨梨膏和未護色鴨梨膏。

圖2 護色鴨梨膏和未護色鴨梨膏PCA 結果Fig.2 PCA result of color-protected and non color-protected“Yali” pear paste

利用載荷分析對各傳感器的區分作用進行分析，由圖3 可知，第一主成分（PC1）貢獻率占比為96.17%，PC1 特征值越大對區分效果越有效，分布越靠近原點（0，0）附近的傳感器對樣品的區分作用越小[28]。W3C、W2W、W5S 和W6S 這四種傳感器具有明顯的區分作用，其中W3C（對氨類、芳香族化合物敏感）傳感器總貢獻率最大，占到總變量的98.87%，為用于區分護色鴨梨膏和未護色鴨梨膏的主要傳感器。

圖3 護色鴨梨膏和未護色鴨梨膏載荷貢獻率分析圖Fig.3 Analysis of load contribution rate of color-protected and non color-protected “Yali” pear paste

2.3.2 電子舌對鴨梨膏的滋味分析 由圖4 可知，與未護色鴨梨膏相比，護色鴨梨膏的酸味和豐富度檢測傳感器響應值明顯增大，甜味、苦味、澀味、回味-A、回味-B、鮮味、咸味檢測傳感器響應無明顯差異。因此，通過對其酸味和豐富度進行測定，可以達到對護色鴨梨膏和未護色鴨梨膏的有效區分。

圖4 護色鴨梨膏和未護色鴨梨膏口味雷達圖Fig.4 Radar chart of taste of color-protected and non colorprotected “Yali” pear paste

3 結論

通過單因素實驗和響應面試驗確定鴨梨膏最優護色工藝為：抗壞血酸添加量0.02%（m/v）、檸檬酸添加量0.05%（m/v）、偏重亞硫酸鉀添加量0.02%（m/v），此時鴨梨膏褐變度為0.201、感官得分為9.38、總酚含量為59.80 μg/mL、總黃酮含量為80.10 μg/mL，Z 值法綜合評價得分為5.14。添加護色劑可以有效降低梨膏的褐變度，提高總酚、總黃酮含量和感官評價得分。綜合考慮褐變度、總酚含量、總黃酮含量和感官評分結果，建立Z 值法綜合評價模型，可以提高評價結果的科學性和客觀性。利用電子舌和電子鼻等仿生感官儀器還可有效對護色和未護色鴨梨膏的氣味和滋味進行區分和判別。