主成分分析-響應面法優(yōu)化天然紅樹莓果汁的研究

韓宗元，尹佳玉，李曉靜，吳祎帆，趙立偉，白玉坤，庚　新，張曉丹，崔歆卬（沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順113122）

主成分分析-響應面法優(yōu)化天然紅樹莓果汁的研究

韓宗元，尹佳玉，李曉靜，吳祎帆，趙立偉，白玉坤，庚新，張曉丹，崔歆卬
（沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順113122）

摘要：以新鮮紅樹莓為原料，研究了紅樹莓果汁工藝和品質的影響因素。通過加熱蒸煮制取紅樹莓汁，以感官評價為指標，包括口感、氣味、色澤、黏稠度4項，每項1分～9分，采用響應面優(yōu)化，研究工藝參數(shù)對樹莓果汁的感官評價的影響；并通過主成分分析確定加工過程中各營養(yǎng)成分對果汁的影響。結果表明：軟化溫度51.88℃，軟化時間13.55 min，蒸煮時間7.72 min，蒸煮溫度108.39℃，糖添加量28.23%，紅樹莓果汁的感官評價指標最高，口感和風味最佳。通過檢測樹莓果汁中還原糖、VC、SOD值與樹莓鮮果中的含量相比存在差異，但是果汁中VC、SOD、可溶性固形物、氨基態(tài)氮含量仍較高。主成分分析共提取出2個主成分因子PC1（0.880 6）、PC2（0.099 3），根據(jù)因子載荷，樹莓果汁營養(yǎng)成分（總酸、可溶性固形物、VC、氨基態(tài)氮、SOD）和感官評價值影響最大。樹莓果汁的開發(fā)過程中，其營養(yǎng)成分和感官評價是至關重要的，此研究可以為樹莓果汁的生產(chǎn)提供參考。

關鍵詞：樹莓汁；感官評價；主成分分析；響應面；營養(yǎng)成分

樹莓含有豐富的營養(yǎng)價值，將樹莓制成果汁既能滿足人體需要，有利于吸收，也能符合大眾的口感。本試驗通過研究天然樹莓果汁的加工工藝，同時考慮樹莓果汁的營養(yǎng)價值，盡可能降低對營養(yǎng)成分的破壞，完成樹莓果汁的加工及營養(yǎng)成分的測定，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

樹莓屬于薔薇科漿果，果實柔嫩多汁，色澤宜人、風味獨特，是一種具有重要生物學功能和營養(yǎng)價值的水果[1-2]。樹莓果實營養(yǎng)成分豐富，除含有多種糖、有機酸、氨基酸外，還有多種維生素、果膠、超氧化物歧化酶（SOD）、清除自由基的天然成分VE和鐵、鋅、鉀、硒等礦物質。其中硒具有抗氧化、抗衰老，提高人體自身免疫力，抗癌的功能。并且樹莓果實中含有黃酮、酚酸等物質，具有明顯抗心血管病的功能。李淑芳等采用果膠酶制作樹莓果汁，在加酶量3.5%，酶解時間4 h，酶解溫度45℃條件下，樹莓果汁的口感最佳[3]。文連奎等根據(jù)軟飲料加工方法制作天然紅樹莓果汁，并檢驗其理化指標和微生物指標[4]。周劍忠等采用正交法優(yōu)化黑莓汁加工工藝：復合果膠酶添加量0.18%、酶解溫度49℃、酶解時間2.4 h，在此條件下黑莓的出汁率達78.2%。黑莓汁最佳滋味配方為：黑莓汁93%、果葡糖漿7%、檸檬酸鈉0.05%、阿魏酸0.10%[5]。

樹莓果實具有鮮艷的色澤，是理想的天然果汁加工原料，因此樹莓果實可以加工為品質優(yōu)良、營養(yǎng)豐富的果汁型飲料[2]。紅樹莓具有特殊的香味，且酸甜可口，通過添加白糖調節(jié)糖酸比，通過軟化、調配、蒸煮、均質、殺菌，獲得具有濃郁香氣、口感極佳的天然紅樹莓果汁飲料[4]，既能滿足消費者口感，又利于實踐生產(chǎn)的推廣。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

樹莓：自主栽培種植；白砂糖：食品級，市售；氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、酚酞、95%乙醇、草酸、硫脲、活性炭、VC、2，4-二硝基苯肼、甲醛溶液、Tris、EDTA·2Na、鄰苯三酚：分析純，天津迪博化工股份有限公司。

FA2004型電子分析天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；WGL-45B型電熱恒溫鼓風干燥箱：天津泰斯特儀器有限公司；pHS-3C型酸度計：上海雷磁儀器廠；UV759CRT型紫外可見分光光度計：上海佑科儀器公司；XMTD-4000型電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；九陽榨汁機：深圳市金美盾科技有限公司。

1.2方法

1.2.1樹莓汁加工

稱取500 g紅樹莓，先進行清洗，將清洗好的樹莓在榨汁機中榨汁，然后將果肉和汁液都放到調好溫度的水浴鍋中軟化一定時間；軟化后將其進行蒸煮，并加入白砂糖進行調配，然后再進行均質，把均質好的樹莓汁在紗布上過濾，過濾后進行高溫滅菌，完成樹莓果汁加工。

1.2.2單因素試驗

軟化溫度50℃，軟化時間15 min，蒸煮溫度120℃，蒸煮時間15 min，糖添加量25%。控制4因素不變，變化1個因素，軟化溫度40℃～60℃，軟化時間5 min～25 min，蒸煮溫度80℃～160℃，蒸煮時間5 min～25 min，糖添加量15%～35%來確定各因素對樹莓果汁感官評價的影響。

1.2.3響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，確定各因素的最佳水平值范圍，采用響應面中心組合試驗設計，研究各感官評價影響因素對感官評價值的影響規(guī)律，并得到樹莓果汁的最佳條件。以各感官評價影響因素軟化溫度（A）、蒸煮時間（B）、蒸煮溫度（C）、軟化時間（D）、糖添加量（E）為自變量，以感官評價值為響應值，其因素水平編碼表見表1。

表1　試驗因素水平編碼表Table 1　Encode table of factors and levels

1.2.4感官評價測定

采用九點標度法[5-6]進行感官評定，所有感官指標的評分值范圍均為1分～9分，分值越高，則表示其質量越好。感官評價指標包括口感、氣味、色澤、黏稠度4項，感官指標及其評分標準如下：氣味（1分：無；5分：一般；9分：非常好），口感（1分：差；5分：一般；9分：好），色澤（1分：淡紅色；5分：適中；9分：深紅色），黏稠度（1分：非常黏稠；5分：一般；9分：好）。選擇30名食品專業(yè)學生進行感官評價，其中包括15名男生，15名女生。

1.2.5理化指標測定

總酸、VC、氨基態(tài)氮、可溶性固形物、還原糖、SOD分別用GB/T 12456-2008《食品中總酸的測定》、GB/T5009.86-2003《蔬菜、水果及其制品中總抗壞血酸的測定（熒光法和2，4-二硝基苯肼法）》、GB/T 12143-2008《飲料通用分析方法》、GB/T 10786-2006《罐頭食品的檢驗方法》、GB/T 5009.7-2008《食品中還原糖的測定》、GB/T 5009.171-2003《保健食品中超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定》進行定量檢測。

1.3數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)均為“平均值±標準差”。采用Design Expert8.06軟件設計響應面，SPSS19、SAS9.13統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2　結果與分析

2.1樹莓果汁工藝條件的確定

2.1.1軟化溫度對感官評價值的影響

軟化溫度對感官評價值的影響見圖1。

圖1　軟化溫度對感官評價值的影響Fig.1　The effects of softening temperature on sensory evaluation value

從圖1可知，隨著軟化溫度增加，感官評價值先增加后減小。由于軟化過程可以提高樹莓果的出汁率，并且有利于色素溶出，降低果漿的黏度，但是軟化溫度過高，果汁的黏度會增加，果汁中的特殊香味溢出，降低果汁的感官評價值[7-9]，所以軟化溫度在50℃時，感官評價值最大。

2.1.2軟化時間對感官評價值的影響

軟化時間對感官評價值的影響見圖2。

圖2　軟化時間對感官評價值的影響Fig.2　The effects of softening time on sensory evaluation value

從圖2知，隨著軟化時間延長，感官評價值先增加，后緩慢下降保持穩(wěn)定。由于軟化開始，色素溶出，果汁的黏度相應減小，感官評價值升高，然后隨著時間增加，感官評價值保持穩(wěn)定，所以軟化時間在15 min時，感官評價值達到最大。

2.1.3蒸煮溫度對感官評價值的影響

蒸煮溫度對感官評價值的影響見圖3。

圖3　蒸煮溫度對感官評價值的影響Fig.3　The effects of cooking temperature on sensory evaluation value

從圖3知，隨著蒸煮溫度增加，感官評價值先增加后減小。蒸煮過程可以將果汁中的白砂糖溶解，把果汁調節(jié)到合適的甜酸比，但隨著溫度繼續(xù)升高，果汁的色澤加深，易發(fā)生褐變，且樹莓的特殊香味大量溢出，使感官評價值降低[7-9]。所以蒸煮溫度在100℃時，感官評價值達到最大。

2.1.4蒸煮時間對感官評價值的影響

蒸煮時間對感官評價值的影響見圖4。

圖4　蒸煮時間對感官評價值的影響Fig.4　The effects of cooking time on sensory evaluation value

從圖4知，隨著蒸煮時間增加，感官評價值先增加后減小。蒸煮時間過長也容易導致果汁色澤變深，大量蒸汽蒸發(fā)，將樹莓的特殊香氣逸散，降低了感官評價值。所以時間在10 min時，感官評價值最大

2.1.5糖添加量對感官評價值的影響

糖添加量對感官評價值的影響見圖5。

從圖5知，隨著糖添加量增大，感官評價值先增加，后減小。通過添加白糖調節(jié)果汁的甜酸比，糖添加過少，口感偏酸，當糖添加量在25%，口感適中，隨著糖添加量繼續(xù)增加，口感偏甜，所以糖添加量在25%時，感官評價值達到最大。

2.2工藝條件的優(yōu)化

響應面試驗方案及結果見表2。

圖5　糖添加量對感官評價的影響Fig.5　The effects of the amount of sugar on sensory evaluation value

表2　響應面試驗方案及結果Table 2　Design and result of response surface analysis

試驗號1～26為析因試驗，27～32為6個中心試驗，用以估計試驗誤差。

通過統(tǒng)計分析軟件Design expert8.06進行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應面回歸模型為：

感官評價值=29.60+0.014A+0.44B+0.42C-5.896E-003D-0.83E-0.78AB+0.033AC-0.71AD-0.88AE+ 0.30BC+0.31BD+0.37BE+0.67CD-0.39CE+0.82DE-1.01A2-0.44B2-0.86C2-0.69D2+0.10E2

進一步對該回歸模型進行顯著性檢驗，響應曲面數(shù)據(jù)的方差分析結果見表3。

表3　回歸與方差分析結果Table 3　Results of regression and variance analysis

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，該模型回歸顯著（P<0.001），失擬項不顯著，并且該模型R2=96.47%，R2Adj=90.06%，說明該模型與試驗擬合良好，自變量與響應值之間線性關系顯著，試驗誤差小，可以用此模型來分析和預測結果。由此可以認為上面給出的二次回歸方程模型是合適的。由F檢驗可以得到因子貢獻率為：E>B>C>A>D，即糖添加量＞蒸煮時間＞蒸煮溫度＞軟化溫度＞軟化時間。

根據(jù)試驗結果可知，B、C、E、AB、AD、AE、CD、CE、DE、A2、B2、C2、D2對感官評價的影響顯著。將其他3個因素固定在零水平，可以得到其他2個因素的響應面圖，可以從中看出各因素之間的交互作用。

各兩因素顯著項（P<0.05）交互作用對感官評價值影響的響應面圖見圖6、圖7。

圖6　軟化溫度和蒸煮時間對感官評價的影響Fig.6　The effects of softening temperature and cooking time on the sensory evaluation

圖7　軟化溫度和軟化時間對感官評價的影響Fig.7　The effects of softening temperature and softening time on the sensory evaluation

當軟化時間、蒸煮溫度、糖添加量在零水平時，圖6表示軟化溫度和蒸煮時間有顯著的交互作用，在不同的蒸煮時間作用下，軟化溫度對感官評價的影響趨勢是先增加后減小；在不同的軟化溫度作用下，蒸煮時間對感官評價的影響趨勢是先增加后保持穩(wěn)定。說明軟化溫度在52℃附近，感官評價值達到最大，所以軟化溫度不宜過高；蒸煮時間在12 min附近，感官評價值達到最大，12 min后，感官評價值保持穩(wěn)定，所以蒸煮時間12 min最佳。

當蒸煮時間、蒸煮溫度、糖添加量在零水平時，圖7表示軟化溫度和軟化時間有顯著的交互作用，在不同軟化時間作用下，軟化溫度對感官評價的影響趨勢是先升高后降低；在不同軟化溫度作用下，軟化時間對感官評價的影響趨勢是先增加后保持穩(wěn)定。

2.3最佳工藝的確定和驗證試驗

應用響應面分析方法對回歸模型進行分析可知，當軟化溫度51.88℃，蒸煮時間7.72 min，蒸煮溫度108.39℃，軟化時間13.55 min，糖添加量28.23%，響應面最優(yōu)值為（28.19±0.69）%，在此條件下樹莓果汁的口感、色澤、黏稠度、氣味最佳。

在響應面分析法求得的最佳條件下，即軟化溫度51.88℃，蒸煮時間7.72 min，蒸煮溫度108.39℃，軟化時間13.55 min，糖添加量28.23%，進行平行試驗（3次），3次平行試驗值為28.19%、28.32%、28.24%，平均值為28.25%。響應值的試驗值與回歸方程預測值吻合良好，說明該模型能夠較好地預測樹莓果汁的加工效果。

2.4理化指標分析試驗

理化指標分析試驗見表4。

表4　樹莓果汁理化指標Table 4　The physical and chemical indicators of raspberry juice

由表4可知，通過差異顯著性分析，樹莓果汁中還原糖、VC、SOD含量與樹莓果相比存在顯著性差異（P<0.01），總酸含量無差異。樹莓果汁中，可溶性固形物含量較高相比于酶法制取的樹莓果汁（15.07%，11.0%）[3]，果汁中VC和SOD的含量在加工過程中略有損失，但含量仍然較高，分別為原來樹莓果的72.21%、89.49%。此結果說明：樹莓果汁的加工過程對樹莓的營養(yǎng)損失較小。

2.5主成分分析試驗

通過對樹莓果汁的理化指標及感官評價值進行檢測，結果見表5。

表5　樹莓果汁的理化指標及感官評價值Table 5　The physical and chemical indicators and sensory evaluation

在表5中，在最優(yōu)工藝條件下對理化指標和感官評價值進行主成分分析測定。

主成分分析結果見表6和表7。

表6　主成分因子提取Table 6　Extraction of principal component factors

表7　主成分因子載荷Table 7　Factor loading plot of principal component analysis

由表6可知，通過貢獻率可以得出：根據(jù)累積貢獻率達到97.99%＞90%，可提取前2個主成分因子，其貢獻率分別為0.8806、0.0993。前2個主成分因子的載荷如表7所示。可以看到其中PC1中影響最大的品質指標是總酸、可溶性固形物、VC、氨基態(tài)氮、SOD，因子載荷絕對值超過了0.39，這是樹莓果汁的常規(guī)營養(yǎng)指標。PC2中代表感官評價的因子載荷最高說明樹莓果汁的感官評價指標對樹莓果汁的重要程度[10]。

3　結論

天然樹莓果汁最優(yōu)加工工藝：軟化溫度51.88℃，軟化時間13.55 min，蒸煮時間7.72 min，蒸煮溫度108.39℃，糖添加量28.23%，此時樹莓果汁的色澤鮮亮，呈鮮紅色，酸甜可口，黏稠度低，帶有樹莓特征香味。并且在此加工條件下，樹莓果汁中可溶性固形物含量很高，果汁中VC和SOD雖與樹莓果存在差異，但VC和SOD的含量仍然較高，分別為原來樹莓果的72.21%、89.49%。主成分分析共提取出2個主成分因子PC1（0.880 6）、PC2（0.099 3），根據(jù)因子載荷，樹莓果汁營養(yǎng)成分（總酸、可溶性固形物、VC、氨基態(tài)氮、SOD）和感官評價值影響最大。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.18.007

收稿日期：2015-04-02

基金項目：沈陽工學院校級大學生創(chuàng)新項目（DC2015023、DC2015025）

作者簡介：韓宗元（1988—），男（漢），講師，研究生，研究方向：食品科學與工程。

The Research of Natural Red Raspberry Juice by the Method of Principal Component Analysis and Response Surface

HAN Zong-yuan，YIN Jia-yu，LI Xiao-jing，WU Yi-fan，ZHAO Li-wei，BAI Yu-kun，
GENG Xin，ZHANG Xiao-dan，CUI Xin-ang
（College of Life and Engineering，Shenyang Institute of Technology，F(xiàn)ushun 113122，Liaoning，China）

Abstract：Fresh raspberries were used as raw materials to study the processing technology of the natural raspberry juice and influencing factors of its quality by heating and cooking.Sensory evaluation indicators were adopted，including flavor，smell，colour and consistency，each of which was scored from 1 points-9 points，and the experiment by the optimization of response surface aimed to attain the influence of process parameters on the raspberry juice.Moreover，through principal component analysis in the process the effect of nutrient composition on raspberry juice was determined.The results were softening temperature 51.88℃，softening time 13.55 min，cooking time 7.72 min，cooking temperature 108.39℃，the amount of sugar 28.23%and under the conditions sensory evaluation index of red raspberry juice was the highest with the best taste and flavor.By detecting raspberry juice，reducing sugar，VCand SOD value had significant differences compared with that of red raspberry，but in raspberry juice the contents of VC，SOD，soluble solids，amino nitrogen were still quite high.Two principal component factors could be extracted with PC1 of 0.880 6，PC2 of 0.099 3.According to the factor loading，raspberry juice nutrients（total acid，soluble solids，VC，amino nitrogen，SOD）and sensory evaluation value had the largest effect on raspberry juice.In the development processing，its nutrient composition and sensory evaluation were vital and the research may provide a reference for the production of raspberry juice.

Key words：raspberry juice；sensory evaluation；principal component analysis；response surface；nutrition components