響應(yīng)面法優(yōu)化朝鮮薊果凍的加工工藝*

陳 婕，鄧愛(ài)華,，王 云，曾 卓，謝 鵬，張平喜

(1 湖南文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000；2 湖南省朝鮮薊工程技術(shù)研究中心，湖南 常德 415000)

朝鮮薊(CynarascolymusL)，別名洋薊，法國(guó)百合，是菊科菜薊屬多年生草本植物，富含多酚、黃酮及萜類(lèi)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(nóng)田經(jīng)濟(jì)植物，已在我國(guó)湖南、云南等地大面積推廣。然而，我國(guó)朝鮮薊主要以鮮食及罐頭出口為主，植株生物質(zhì)利用率只有15%左右。近年來(lái)，本課題組先后開(kāi)發(fā)了朝鮮薊茶葉、餅干、片劑、膠囊及化妝品等系列產(chǎn)品[4-6]，實(shí)現(xiàn)了朝鮮薊的綜合開(kāi)發(fā)及高值化利用。果凍作為一種廣受大眾喜愛(ài)的健康食品，市場(chǎng)需求量大，然而，以朝鮮薊為主要原料的果凍研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文利用響應(yīng)面法優(yōu)化朝鮮薊果凍加工工藝參數(shù)，開(kāi)發(fā)一種獨(dú)具朝鮮薊風(fēng)味的新型果凍，為朝鮮薊產(chǎn)業(yè)的深加工提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

朝鮮薊，匯美農(nóng)業(yè)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(dāng)?shù)爻校痪鶠槭称芳?jí)?？寡趸芰υ噭┖?ABTS法，批號(hào)：20181106；DPPH法，批號(hào)：20181110)，南京建成生物工程研究所。

TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)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(fēng)干燥箱，上海右一儀器有限公司；UV-1600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精密儀器有限公司；ELx800酶標(biāo)儀，美國(guó)寶特公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(zhì)量比20:1加入90 ℃蒸煮2 h，過(guò)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(dǎo)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(zhì)構(gòu)特性測(cè)定條件

TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀采用TPA模式測(cè)試，對(duì)凝膠進(jìn)行硬度，內(nèi)聚性，彈性，膠黏性，咀嚼性的測(cè)定。探頭型號(hào)：P/0.5；預(yù)測(cè)試速度：1 mm/s；測(cè)試速度：2 mm/s；返回速度：2 mm/s，觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載10 g；每個(gè)樣品測(cè)試3次，取平均值。

1.2.3 感官評(píng)價(jià)

組織20位感官監(jiān)評(píng)員對(duì)制備的朝鮮薊果凍從色澤、風(fēng)味、口感和組織形態(tài)等4個(gè)方面進(jìn)行感官評(píng)定[7]，具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 朝鮮薊果凍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation of artichoke jelly

1.2.4 抗氧化性測(cè)定

通過(guò)體外抗氧化實(shí)驗(yàn)ABTS法[8]和DPPH法[9]來(lái)檢測(cè)果凍的抗氧化能力。ABTS檢測(cè)試劑盒是設(shè)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(shù)來(lái)表示。計(jì)算公式為：果凍總抗氧化能力(mM)=-1.1214×測(cè)定OD值+1.1262。DPPH檢測(cè)試劑盒是通過(guò)定義：在37 ℃時(shí)，每分鐘每毫升朝鮮薊果凍使反應(yīng)體系的吸光度(OD)值每增加0.01時(shí)，為一個(gè)總抗氧化能力單位。計(jì)算公式為：總抗氧化能力(mL)=[(測(cè)定OD值-對(duì)照OD值)/0.3]×反應(yīng)液總量×樣本測(cè)試前稀釋倍數(shù)/取樣量。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 復(fù)配膠配方優(yōu)化

凝膠種類(lèi)、配比及濃度對(duì)果凍性能起著決定性的作用，單一凝膠往往達(dá)不到預(yù)期的效果，而通過(guò)膠體復(fù)配協(xié)同增效可以提高凝膠的性能[10]。果凍中的無(wú)機(jī)鹽，如氯化鉀可以促進(jìn)分子之間的交聯(lián)作用，從而增加凝膠強(qiáng)度和彈性。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以市面上三種不同規(guī)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(duì)復(fù)配膠質(zhì)構(gòu)特性(硬度，彈性，咀嚼性)的影響，優(yōu)化復(fù)配膠的配方。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

選取復(fù)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(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。當(dāng)其中一個(gè)變量變化時(shí)，其他的固定添加量為：檸檬酸添加量0.02%，復(fù)配膠添加量0.6%，白沙糖添加量5.5%，朝鮮薊汁添加量80%。對(duì)制備的朝鮮薊果凍進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析和感官評(píng)價(jià)，從而確定各個(gè)因素的適宜水平。

1.3.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

優(yōu)化復(fù)配膠卡拉膠:魔芋膠:氯化鉀比例為5:15:4，結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取檸檬酸、復(fù)配膠、白砂糖及朝鮮薊汁添加量4個(gè)因素為因變量，以朝鮮薊果凍的感官評(píng)價(jià)為自變量(Y)，采用響應(yīng)面Box-Behnken模式優(yōu)化實(shí)驗(yàn)配方，通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)分析。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2016繪制多元凝膠的數(shù)據(jù)圖像；通過(guò)Exponent Lite Express軟件設(shè)定質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)及對(duì)果凍硬度、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性及咀嚼性數(shù)據(jù)分析；運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析及二階模型的建立，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)配方。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 市售果凍質(zhì)構(gòu)指標(biāo)

為了建立果凍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，先用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)市面上銷(xiāo)售的三種喜之郎果凍(1號(hào)、2號(hào)含不同果肉顆粒，3號(hào)為水果味果凍)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)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(zhì)構(gòu)指標(biāo)Table 3 Texture index of Xizhilang jelly

2.2 復(fù)配膠的配方優(yōu)化

通過(guò)大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，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(cè)其三種物性指標(biāo)(表4)，在實(shí)驗(yàn)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?yàn)榭ɡz-魔芋膠的體系中，卡拉膠形成主要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而魔芋膠起到填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去，這就形成較好凝膠的條件是要求卡拉膠達(dá)到一定的濃度，而在之前的預(yù)實(shí)驗(yàn)中證明了這一點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)較大，這是因?yàn)槟в竽z能夠通過(guò)氫鍵與卡拉膠相互作用，用使膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(fù)配膠的質(zhì)構(gòu)分析Table 4 Texture analysis on the different proportions of mixed gum amount

2.3 氯化鉀添加量對(duì)復(fù)配膠質(zhì)構(gòu)分析的影響

表5 氯化鉀對(duì)復(fù)配膠質(zhì)構(gòu)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(qiáng)度，使分子間的交聯(lián)增強(qiáng)。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(dāng)氯化鉀添加量為0.4%時(shí)，達(dá)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(qiáng)度減少且在0.8%時(shí)，復(fù)配膠呈半凝固狀態(tài)，各種特征無(wú)法測(cè)出。這是因?yàn)檫^(guò)量的離子強(qiáng)度會(huì)加速凝膠老化過(guò)程，過(guò)量的離子中和了卡拉膠分子所帶的負(fù)電荷，減少了斥力，使游離水釋放出來(lái)[12]。與市面上的果凍作對(duì)比，以經(jīng)濟(jì)角度以及果凍凝膠狀態(tài)來(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.4.1 檸檬酸添加量對(duì)果凍品質(zhì)的影響

在白砂糖5.5%，復(fù)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(duì)朝鮮薊果凍品質(zhì)的影響如圖2所示。檸檬酸為0.03%時(shí)，感官評(píng)價(jià)和彈性達(dá)到最大值92分和1.23 mm，檸檬酸對(duì)調(diào)節(jié)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(dāng)濃度的OH-能夠有效地增加雙螺旋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度。當(dāng)酸過(guò)量時(shí)，卡拉膠產(chǎn)生水解作用，從而降低凝膠強(qiáng)度，合適的檸檬酸為0.03%。

圖2 檸檬酸添加量對(duì)果凍品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of adding citric acid on jelly quality

2.4.2 復(fù)配膠添加量對(duì)果凍品質(zhì)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(fù)配膠0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%，復(fù)配膠對(duì)朝鮮薊果凍品質(zhì)的影響如圖3所示。感官評(píng)價(jià)和彈性隨著復(fù)配膠添加量的增加而減少。隨著復(fù)配膠添加量的增大，凝膠強(qiáng)度逐漸增大，彈性不斷減少?？ɡz是由紅藻類(lèi)提取出來(lái)的多糖，其本身帶有的魚(yú)腥味味道刺激。當(dāng)在溶液中超過(guò)的一定濃度后，食用時(shí)明顯的異味，讓人難以接受，導(dǎo)致感官評(píng)價(jià)降低[12]。綜合感官評(píng)價(jià)和彈性兩個(gè)指標(biāo)，與喜之郎果凍作對(duì)比，最終選擇復(fù)配膠添加量為0.7%。

圖3 復(fù)配膠添加量對(duì)果凍品質(zhì)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(duì)果凍品質(zhì)的影響

在復(fù)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(duì)朝鮮薊果凍品質(zhì)的影響如圖4所示。感官評(píng)分先增大后減少，人們大都偏愛(ài)稍甜的食品，但是超過(guò)一定限度后，甜味會(huì)掩蓋朝鮮薊本身的香味，影響朝鮮薊果凍的獨(dú)特風(fēng)味。在4.5%～6%中，彈性的變化不大，而在6.5%時(shí)彈性顯著增大，由于適量的白砂糖會(huì)使果凍的凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)，與文獻(xiàn)報(bào)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(duì)果凍品質(zhì)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(duì)果凍品質(zhì)的影響

在復(fù)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(duì)朝鮮薊果凍品質(zhì)的影響如圖5所示。朝鮮薊具有獨(dú)特的清香及回甘效果，隨著朝鮮薊汁的增加，朝鮮薊風(fēng)味越加濃郁，感官評(píng)分逐漸增大。果凍的彈性先增大后減少，市面上熱銷(xiāo)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(duì)果凍品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of adding the artichoke amount on jelly quality

2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

2.5.1 響應(yīng)面回歸模型的建立與分析

在單因素實(shí)驗(yàn)考察的區(qū)間內(nèi)，果凍彈性變化不大，感官變換較為明顯。因此，以果凍感官評(píng)價(jià)(Y)為響應(yīng)值，選取檸檬酸添加量(A)、白砂糖添加量(B)，復(fù)配膠添加量(C)，朝鮮薊汁添加量(D)四個(gè)配方變量，采用Box-Behnken模型設(shè)計(jì)了4因素3水平實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

將表6中數(shù)據(jù)利用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到模型的二次多項(xiàng)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(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Table 6 Box-Behnken experimental design and response values

為了檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)朝鮮薊果凍感官得分的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)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(dá)到了顯著水平；而失擬項(xiàng)p值為0.2275，大于0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型方程與實(shí)際情況吻合的較好，實(shí)驗(yàn)誤差小，因此可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。該表中一次項(xiàng)A、C、交互項(xiàng)CD及二次項(xiàng)A2、B2、D2的p值小于0.05，達(dá)到顯著影響水平，說(shuō)明它們對(duì)感官得分有顯著影響。二次項(xiàng)C2的p值小于0.001，達(dá)到極顯著影響水平，說(shuō)明它對(duì)感官得分有極顯著影響。對(duì)F值進(jìn)行比較分析可得，對(duì)感官評(píng)價(jià)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(fù)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(xù)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(xiàng)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(yīng)面圖形分析

為更直觀的分析兩兩交互因素對(duì)朝鮮薊果凍感官評(píng)價(jià)的影響[14]，Design-Expert 8.0.6根據(jù)回歸方程建立響應(yīng)曲面圖6。響應(yīng)曲面傾斜程度反映了交互因素對(duì)Y值的影響程度，也就是說(shuō)，響應(yīng)曲面傾斜的角度越大，交互因素對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響也就越大。從響應(yīng)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(shuō)明其影響最大。感官評(píng)價(jià)隨著白砂糖和朝鮮薊汁的增加，先增加后減少。

2.5.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)配方及驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化后的果凍配方(為了實(shí)驗(yàn)方便調(diào)配對(duì)其進(jìn)行取整處理)為：檸檬酸添加量0.03%，復(fù)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(yōu)化配方的條件下，預(yù)測(cè)的感官評(píng)價(jià)為93.69分。為了進(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面法的可靠性，制作朝鮮薊果凍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)果凍的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)得到，優(yōu)化配方過(guò)的果凍感官評(píng)價(jià)為93.9分，與預(yù)測(cè)得到的分?jǐn)?shù)接近，但也在誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明了響應(yīng)面法優(yōu)化產(chǎn)品工藝是可行的。

圖6 兩兩因素交互作用對(duì)果凍感官評(píng)價(jià)影響的響應(yīng)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(guò)DPPH法和ABTS法分別檢測(cè)朝鮮薊果凍和市面上的兩種果凍抗氧化能力，結(jié)果如表8所示。DPPH法檢測(cè)朝鮮薊果凍的抗氧化能力分別是1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)果凍的5.6倍、5.8倍和1.3倍；ABTS法檢測(cè)朝鮮薊果凍的抗氧化能力分別是1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)果凍的4.3倍、4.1倍和2.1倍，且兩種方法的檢測(cè)結(jié)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(lèi)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(hào)喜之郎果凍中添加了水果提取物，水果中的多酚物質(zhì)提高了果凍的抗氧化性。

表8 果凍的抗氧化能力結(jié)果Table 8 Antioxidant capacity of different jelly

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法建立朝鮮薊果凍的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型，對(duì)影響感官評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素及其相互作用進(jìn)行深入探討，發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)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(fù)配膠添加量。此外，白砂糖添加量及檸檬酸添加量對(duì)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(fù)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(píng)價(jià)高達(dá)93.9分，彈性為1 mm。DPPH法和ABTS法檢測(cè)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。