黃精珍珠奶茶的響應面工藝優化與風味物質的GC-MS探究

李林秋，張琪苓，魏琪，周欽，李洋，馬家驊*

西南科技大學生命科學與工程學院（綿陽 621000）

黃精（Polygonatum）屬于一種多植物根莖，在我國中藥行業應用歷史較悠久。黃精中含有多種活性功能化合物，具有降血糖、降血脂、抗氧化及增強免疫力等理化性質[1]。將黃精作為功能性食品原料，具有獨特的滋補功能和風味特性，擁有廣闊的應用前景[2]。黑茶屬于后發酵茶[4]，主要產地是四川、湖北、湖南，其中最具有代表性的是湖南安化黑茶。由于黑茶中含有茶多酚、茶色素和茶多糖等功能性成分[3]，因此具有降血糖、降血壓、降血脂、美容養顏和抗肥胖等功效。黑茶的加工過程比較特殊，其香味及口感都不同于其他茶類[4]，特別是湖南安化的茯磚茶，具有特異的“菌花香”[5]。與做奶茶常用的紅茶相比，無論是口感還是所具有的功能，黑茶都具有較大優勢。近年來，藥食兩用中藥材作為功能性食品和促進健康的膳食補充劑，具有顯著的市場前景。通過查閱文獻了解到黃精和黑茶相關產品不多，其開發利用程度較低，現有的以黃精為原料的食品主要為傳統的產品，而將黑茶應用于食品中的產品在國內外幾乎處于空白。奶茶是2011年以來被大量消費的飲料，近年來受到上班族、學生群體等追捧。而市面上的奶茶中所使用的原材料及添加劑不利于人體的健康，長期飲用會導致記憶力降低、發胖、引發冠心病[6]，因此研發出一款無添加劑以及具有更多功能的健康型奶茶會有更大的市場。

因此，以篩選的五蒸五制滇黃精為原料，用湖南安化黑茶代替奶茶中的紅茶，用牛奶代替奶茶中的植脂末，研制黃精珍珠奶茶。試驗中，以感官評分和體外抗氧化值為考察指標，使用權重法綜合2個考察指標，得出綜合評分。通過單因素試驗和響應面試驗篩選出最佳配比，并對其進行相關質量檢測。采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）提取出香味物質，結合氣相色譜-質譜（GC-MS）法分析其香氣成分，以期將黃精和黑茶充分結合，各自發揮其作用，研制一款色香味齊全的健康功能性飲品，同時提高黃精和黑茶的開發利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

滇黃精（2021年6月，取自湖南阿丘生態農業科技有限公司）；木薯粉、光明牛奶、果糖（均為食品級，湖北千鳳香食品有限公司）；黑茶（特級，湖南阿丘生態農業科技有限公司）；黃酒（元紅，中國紹興黃酒集團有限公司）；1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH，分析純，美國Sigma公司）；氯化鈉（分析純，成都市科隆化品有限公司）。

1.2 儀器和設備

Alpha-1500分光光度計（上海譜元儀器有限公司）；KQ-300DE型數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；pH計（中國實驗儀器銷售中心）；LH-B55型折光儀（陸恒生物有限公司）；手動SPME進樣器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭（美國Supelco公司）；7890 A型氣相色譜儀、5975 C型質譜儀（美國Agilent公司）；HHS型恒溫水浴鍋（北京市永光明醫療儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 黃精珍珠奶茶制作工藝

①黃精→炮制→干燥→粉碎→過篩→攪拌→搓圓→煮制→黃精珍珠 木薯粉↗

②黑茶→熬煮→過濾→茶汁

③黃精藥材→熬煮→過濾→黃精煎煮液

①+②+③→純牛奶→調配黃精珍珠奶茶→無菌灌裝→成品 果糖↗

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 珍珠部分

黃精粉制備：取黃精，去除雜質，洗凈，烘干，以供炮制。每100 kg黃精，用20 kg黃酒。取總黃酒的20%與凈黃精攪勻后，浸潤30 min；蒸制（電磁爐蒸煮鍵）5 h；取出，經鼓風烘干箱于60 ℃烘干8 h。如此反復蒸制5次，最后飲片含水量控制在15%[7]，將經過五蒸后的黃精放入干燥箱中烘干至水分低于2%（在溫度60 ℃時烘24 h），用粉碎機將其打碎過0.250 mm孔徑（60目）篩，以保證粉末中無較大顆粒而影響珍珠口感。

珍珠制備：將黃精粉和木薯粉按照比例混合，一邊加入純凈水一邊用手揉面團粉，將珍珠揉捏成直徑1 cm大小后放入木薯粉中，裹上粉，防止珍珠相互粘連成團。

煮制珍珠：使用電磁爐，將10 g珍珠倒入500 mL沸水中，繼續用100 ℃大火煮，煮的過程中要注意攪拌以避免粘鍋；15～20 min后將電磁爐功率調值500 W，繼續煮20 min；蓋上鍋蓋，熄火，悶15～20 min，使用脫脂棉紗布過濾，放入1 000 mL冷水，防止粘連[8]。

1.3.2.2 奶茶部分

黃精浸提液制備：取炮制后黃精，按黃精藥材與水質量比1∶10加入水，在800 W的功率下熬煮30 min，熬煮時注意攪拌防止糊鍋。

黑茶的制備：取10 g黑茶，加入500 mL沸水中，浸泡30 min，采用0.150 mm孔徑（100目）的紗網過濾。

按比例混合黑茶、黃精浸提液、牛奶、果糖，得到最終成品。

1.3.3 體外抗氧化性試驗

體外抗氧化能力測定方法有多種，包括還原能力測定法、ABTS自由基清除能力法、DPPH自由基清除能力法、羥自由基清除能力法等。由于DPPH自由基清除能力法簡單易操作，所以試驗采用DPPH自由基清除能力法確定其體外抗氧化性[9]。其實驗步驟按照參考文獻[10]中的試驗步驟即可。

1.3.4 黃精珍珠奶茶工藝配方和體外抗氧化性研究

1.3.4.1 單因數試驗

1.3.4.1.1 熬煮時間的考察

試驗采用黃精浸提液的甜度和清除自由基能力作為考察指標，考察10，15，20，25，30和35 min時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質量比1∶3.5的奶和茶水、質量比1∶7的黃精粉和木薯粉條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.2 黃精粉加入量的考察

試驗采用黃精珍珠的口感和清除自由基能力作為考察指標，考察黃精粉和木薯粉的質量比為1∶3，1∶5，1∶7，1∶9，1∶11和1∶13時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質量比1∶3.5的奶和茶水、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.3 果糖加入量的考察

試驗采用黃精珍珠奶茶的甜度和清除自由基能力作為考察指標，考察2%，3%，4%，5%，6%和7%果糖時，在6%黃精浸提液、質量比1∶3.5的奶和茶水、質量比1∶7的黃精粉和木薯粉、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.4 黃精浸提液加入量的考察

試驗采用黃精奶茶的口感和清除自由基能力作為考察指標，考察黃精浸提液添加量3%，4%，5%，6%，7%和8%時，在4%果糖、質量比1∶3.5的奶和茶水、質量比1∶7的黃精粉和木薯粉、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.5 茶水和牛奶的比例的考察

試驗采用黃精奶茶的口味和清除自由基能力作為考察指標，考察奶和茶水質量比1∶2.0，1∶2.5，1∶3.0，1∶3.5，1∶4.0和1∶4.5時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質量比1∶7黃精粉和木薯粉、黃精浸提液的熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

體外抗氧化試驗時所有樣品均要做3個平行，稀釋成4%的濃度。

1.3.4.2 響應面試驗

在單因素試驗結果上，用權重法篩選出最佳配比，進行黃精珍珠奶茶制備工藝和體外抗氧化性的響應面試驗，分別以感官評價及清除自由基能力確定黃精珍珠奶茶的最佳配方。

通過選取8名具有奶茶相關評價經驗的專業人員，分別從黃精珍珠奶茶的味道、色澤和口感3個方面對產品進行綜合的評價打分，得到最終奶茶的感官得分[11]。評分標準如表1所示。

表1 黃精珍珠奶茶感官評分標準

1.3.5 權重法綜合評分

給予體外抗氧化加權系數0.5、感官評分加權系數0.5，以行歸一化處理后的數據加權求和，即得綜合評分，其關系式見式（1）。

綜合評分=[（體外抗氧化值/體外抗氧化最大值）×0.5+（感官評分/感官最大評分×0.5）]×100 （1）

1.3.6 產品指標的測定

1.3.6.1 理化指標

pH，采用pH計直接測定，平行測定3次；可溶性固形物/糖度，采用LH-B55型折光儀直接測定；蛋白質含量，采用考馬斯亮藍法[12]檢測；多糖，采用苯酚-硫酸法[13]檢測。

1.3.6.2 微生物理化相關主要指標

食品檢驗中微生物理化相關主要指標：菌落總數測定參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》；大腸菌群測定參照GB 4789.3—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群測定》[14]。

1.3.7 香味物質分析

1.3.7.1 風味物質富集

將制備好的黃精珍珠奶茶取6 mL，置于20 mL頂空瓶中。加入2.0 g的NaCl，并加入轉子（10 000 r/min），使其混合均勻，使用隔墊密封，將事先老化的裝有50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭快速插入樣品瓶中，用60 ℃水浴恒溫提取30 min，于250 ℃解析5 min，采集數據[15]。

1.3.7.2 風味物質檢測

工作條件：進樣量1 μL，進樣時間1 min，進樣口溫度250 ℃，載氣為高純氦氣；柱流量1.00 mL/min。升溫程序：初始溫度35 ℃，以6 ℃/min升至110 ℃，保持5 min，以10 ℃/min升至230 ℃；不分流進樣且時間30 min。離子源溫度230 ℃，轉接口溫度250 ℃[16]。

1.3.8 數據的處理

1.3.8.1 單因素數據分析

采用Excel 2010、SPSS 23.0、Prism 8.0.1進行數據統計分析，P＜0.05表示差異顯著，P＜0.01表示差異極顯著，所有數據均表示為平均值±標準差[17]。

1.3.8.2 響應面數據分析

采用Origin 6.0對數據結果進行處理，可自動分析出結果；采用Design-Expert V8.0.6軟件對響應面的數據特征進行優化和處理，根據優化和處理后的數據自動建立回歸方程模型與模型[18]。

1.3.8.3 風味物質數據分析

由氣相色譜-質譜分析得到的質譜數據在工作站中進行處理，根據質譜匹配度進行核對，從特征離子、相對豐度、實際成分和保留指數等方面進行綜合比較，確定其化學成分，同時采用峰面積歸一化法進行定量，分別得到揮發性物質的相對含量（組分峰面積占總峰面積）。

2 結果與分析

2.1 黃精珍珠奶茶制備工藝單因素試驗

2.1.1 熬煮時間對黃精珍珠奶茶綜合評分影響

由圖1可以看出，不同熬煮時間下綜合評分無顯著性差異（P＞0.05），熬煮時間小于10 min時，產品中黃精味道還沒有完全釋放出來，其體外抗氧化性也沒有達到最佳值，綜合評分較低。熬煮時間20 min時，產品風味適宜和諧，口感最佳，綜合評分也最高。隨著熬煮時間繼續延長，綜合評分開始下降，黃精特有的風味過重，但總體變化不大，所以熬煮時間對綜合評分影響不大，熬煮時間以20 min為宜。

圖1 熬煮時間對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.2 黃精粉和木薯粉質量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖2可以看出，黃精珍珠奶茶制備過程中，在不同黃精粉和木薯粉的質量比下綜合評分存在顯著性差異（P＜0.05）。當質量比大于1∶5時，黃精珍珠的口感不佳且彈性不好，綜合評分較低。比例1∶7時，珍珠的彈性口感達到最佳，且體外抗氧化性最好。隨著質量比減小，綜合評分開始下降，黃精風味逐漸消失，抗氧化活性也降低，所以質量比以1∶7為宜。

圖2 黃精粉和木薯粉的質量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.3 牛奶和茶水質量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖3可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，牛奶和茶水的質量比對綜合評分起著至關重要的影響。當質量比大于1∶3時，黃精珍珠奶茶的口感不佳，且奶味偏重，體外抗氧化性不佳，綜合評分較低。比例為1∶3.5時，奶茶口感最佳，具有奶茶的香氣且體外抗氧化性最好。隨著質量比減小，茶味偏重，綜合評分開始下降，所以質量比以1∶3.5為宜。

圖3 牛奶和茶水的比值對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.4 果糖添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖4可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，果糖添加量對綜合評分幾乎沒有影響。添加量小于3%時，甜度不夠，口感不佳，綜合評分較低。添加量4%時，奶茶口感最佳，甜度合適，適合所有口味的人群。隨著添加量繼續增加，甜味偏重，綜合評分開始下降，所以添加量以4%為宜。

圖4 果糖添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.5 黃精浸提液添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖5可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，黃精浸提液添加量對權重影響較大。添加量小于6%時，黃精香味不足，且體外抗氧化性不佳，綜合評分較低。添加量6%時，奶茶口感最佳，黃精香氣充足，抗氧化性最佳，隨著添加量增加，黃精味道偏濃，感官評分開始下降，所以添加量以6%為宜。

圖5 黃精浸提液添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.2 黃精珍珠奶茶制備工藝響應面試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗結果

通過對5個單因素結果的分析，篩選出對綜合評分影響較大的3個因素，根據Box-Benhnken研究試驗中心的組合試驗的設計原理進行研究三因素三水平的響應面設計，篩選試驗后所得結果如表3所示。采用Design-Expert V8.0.6版本對表中的3個因素進行響應面試驗[19]。

表2 正交試驗因素及水平設計

表3 響應面試驗設計表

2.2.2 響應面試驗結果方差分析

方差分析結果見表4。結果表明：該模型呈極顯著（P＜0.01），R2=0.987 6，且失擬項不顯著（P=0.712 9＞0.05），說明該模型擬合度較好、誤差小，能準確表示牛奶和茶水質量比、黃精浸提液添加量、黃精粉和木薯粉質量比3個因素對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響，可以利用此模型對黃精珍珠奶茶工藝配方進行優化。C、BC及A2、B2、C2均呈極顯著差異。通過對F值分析可知，影響黃精珍珠奶茶權重因素主次順序為黃精浸提液添加量（C）＞牛奶和茶水質量比（B）＞黃精粉和木薯粉質量比（A）。

表4 黃精珍珠奶茶權重回歸方程分析

2.2.3 各因素交互作用對黃精珍珠奶茶權重的影響各因素交互作用的等高線及響應面圖見圖6。

響應面圖能直觀反映各因素間的交互作用對響應值的影響，曲面的陡度越大，添加量的變化對響應值影響越大。等高線圖反映各因素間交互作用的強度，當趨向于橢圓時效果更顯著，反之則不顯著。由圖6可知，各交互項的等高線圖呈橢圓形，說明它們之間的交互作用顯著，響應面圖呈一定坡度，說明存在最佳點可使權重達到最大值，結果與方差分析一致。

圖6 各因素交互作用的等高線及響應面圖

利用響應面分析確定黃精珍珠奶茶的最佳工藝：牛奶和茶水質量比1∶3.5、果糖添加量4%、黃精浸提液添加量6%、黃精粉和木薯粉質量比1∶7，該配比下黃精珍珠奶茶的綜合評分為92.65分。為驗證響應面預測結果的合理性和可行性，將響應面優化工藝條件調整為牛奶和黑茶質量比1∶3、果糖添加量5%、黃精浸提液添加量7%、黃精粉和木薯粉質量比1∶8，進行3次驗證試驗，綜合評分91.62分，與理論預測值相近。

2.3 理化指標及微生物指標的測定結果

經檢測，工藝優化后的黃精珍珠奶茶中pH 6.44，可溶性固形物10.4%（≤20%），蛋白質含量0.556 g/100 g（≥0.5 g/100 g），多糖含量39.844 5 g/mL，菌落總數和大腸桿菌均未檢測出，符合國家相關衛生要求。

2.4 風味分析結果

黃精珍珠奶茶經過SPME提取其揮發性香氣成分，經過GCMS分析，得到其揮發性組分總離子流圖（圖7）[20]。

圖7 黃精珍珠奶茶總離子流圖

2.5 黃精珍珠奶茶的風味成分組成

GC-MS結果顯示黃精珍珠奶茶中的揮發性風味物質包括酮類、醛類、烷烴類、醇類、酯類以及其他類六大類風味物質，總共有49種物質，其中酮類6種、醛類9種、烷烴類23種、醇類6種、酯類13、其他類3種。烷烴類和酯類風味物質種類豐富，但醇類和酮類及其他類的風味物質相對含量占比最大。酮類占8.58%，醇類占9.05%，其他類占10.21%。由于黃精珍珠奶茶中的牛奶使用的是市售純牛奶，而牛奶中的風味物質主要包括酮類和醇類，此次試驗中檢測出的酮類和醇類會賦予黃精珍珠奶茶水果味、花香及焦糖香，構成黃精珍珠奶茶獨特的香味。其中，芳香醛不僅可作為奶茶香氣的重要組成部分，而且具有一定的防腐和抑菌能力[21]，可能會對黃精珍珠奶茶的保存產生重要影響。

圖8 黃精珍珠奶茶揮發性物質種類的相對含量

黃精珍珠奶茶中黑茶使用的是湖南安化的茯磚茶，茯磚茶中酮類（16.86%）、醛類和烯醛類含量較高[22]。鄭鵬程等[15]研究出茯磚茶具有獨特的“菌花香”，其風味物質中主要以醇類、醛類和芳香烴為主。尤其是(E,Z)-2, 4-庚二烯醛+糠醛、(E,E)-2, 4-庚二烯醛等成分，具有獨特的“菌花香”，(E)-2-庚烯醛雖然相對含量較低，卻是黃精珍珠奶茶中不可缺少的風味物質。高茜等[23]用固相微萃取和同時蒸餾萃取法分析黃精的揮發性成分，分析出黃精中的主要揮發性物質包含鄰苯二甲酸二異丁酯、2-庚酮、8-甲基-1-癸烯、壬醛、棕櫚酸、月桂醛等，此次試驗的這幾種風味物質來源于黃精。由于中藥炮制方法顯著降低了醛類和烷烴類的含量，而在炮制周期中生成了較多的酮類、醇類化合物[24]，其中含量較高的風味物質白樺脂醇不僅賦予黃精珍珠奶茶中草藥的香氣，還具有祛痰止咳、抑制黑色素、降血糖血脂等功效[25]。其中，含量最高的甲氧基苯肟，在許多物質的揮發性成分檢測中都被檢測出來，但是其來源并不清楚，也有可能是一種污染物，所以該物質的來源還需要進一步分析。

3 結論

采用單因素試驗結合響應面設計試驗，篩選出黃精珍珠奶茶的最佳配比。試驗發現，當黃精珍珠奶茶中牛奶和茶水質量比1∶3.5、果糖添加量4%、黃精浸提液添加量6%、黃精粉和木薯淀粉質量比1∶7時，黃精珍珠奶茶的綜合評分最高，在此比例下，黃精珍珠奶茶的口感最佳，并且具有較好的體外抗氧化性。該配比下的奶茶風味物質主要包括烷烴類、酯類、醇類和酮類。其獨特的風味物質有(E,Z)-2, 4-庚二烯醛+糠醛、(E,E)-2, 4-庚二烯醛等（菌花香），含量較高的白樺脂醇予黃精珍珠奶茶中草藥的香氣。

黃精珍珠奶茶可將牛奶和黃精及黑茶更好地結合，同時將原本大眾認為不健康的奶茶轉化為集感官和健康為一體的功能性食品，大幅提高黃精和黑茶在食品方面的價值，為黃精和黑茶的推廣指出新途徑，也為兩者的資源深加工提供理論依據和實踐支撐。