Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化龍香芋飲料生產(chǎn)工藝

李志方，施帥，陳席，陳桃桃，樓羽莎，徐海祥

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州， 225300)

龍香芋是江蘇興化特有的芋頭品種，興化地處里下河地區(qū)，水網(wǎng)縱橫，土壤特別適合龍香芋的生長(zhǎng)。王瑜等[1]研究表明，芋頭多糖對(duì)羥自由基有很強(qiáng)的清除作用，對(duì)氧自由基有一定的清除作用，可減少甚至避免強(qiáng)氧化劑對(duì)有機(jī)體的損傷，從而起到延緩衰老，防止大腦老化等多方面的功效，達(dá)到抗衰老的目的。姜紹通等[2]通過(guò)水提醇沉的方法制得芋頭多糖，可促進(jìn)小鼠脾淋巴細(xì)胞的增殖，顯著提高小鼠巨噬細(xì)胞的吞噬能力。芋頭中除含有淀粉，還富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、果膠和芋頭多糖，芋頭多糖對(duì)人體內(nèi)的羥自由基具有很強(qiáng)的清除作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)以香芋為主要原料生產(chǎn)飲料的研究并不多見(jiàn)，因香芋極易褐變，曹晟等[3]將芋頭破碎后在80 ℃條件下糊化10 min生產(chǎn)芋頭清汁飲料，余振宇[4]用先將芋頭蒸熟后再去皮打漿的方法生產(chǎn)芋頭濁汁飲料，目的是防止芋頭褐變，一般香芋飲料的生產(chǎn)大多采用香芋粉調(diào)配或香芋蒸熟后打漿的方法，香芋粉生產(chǎn)時(shí)通常采用熱風(fēng)干燥，但香芋蒸熟會(huì)引起風(fēng)味物質(zhì)揮發(fā)，這2種生產(chǎn)工藝對(duì)香芋中風(fēng)味物質(zhì)的損失均較大，所以香芋飲料通常都是通過(guò)后期添加香精來(lái)產(chǎn)生香芋風(fēng)味；因香芋粉很難溶解，即使經(jīng)過(guò)均質(zhì)后仍然易產(chǎn)生沉淀，因此解決香芋飲料中淀粉、蛋白質(zhì)和纖維等組成的膠體體系沉淀問(wèn)題和貯藏中穩(wěn)定性問(wèn)題仍是加工的關(guān)鍵。周志英[5]將去皮香芋用0.1%檸檬酸溶液護(hù)色再用沸水熱燙5 min以鈍化酶防止香芋褐變，接著糊化 60 min的方法榨汁生產(chǎn)香芋飲料，但是風(fēng)味物質(zhì)的損耗較大。本文以興化龍香芋為主要原料，針對(duì)龍香芋飲料易沉淀和風(fēng)味損失等問(wèn)題，研究采用生榨技術(shù)及物理方法護(hù)色生產(chǎn)龍香芋飲料的工藝參數(shù)，同時(shí)添加親水性膠體和乳化劑，利用乳化劑和淀粉絡(luò)合形成淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物，旨在減緩體系中懸浮顆粒的沉降速度，并利用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)飲料生產(chǎn)工藝及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮龍香芋，興化農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)；羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na)、單硬脂酸甘油酯、黃原膠(食品級(jí))，河南萬(wàn)邦實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

e320破壁料理機(jī)，Vita-Mix Corporation；JM-LB80A膠體磨，杭州惠合機(jī)械設(shè)備有限公司；GYB30-6S高壓均質(zhì)機(jī)，上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；AVANTI J-15R高速冷凍離心機(jī)，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特；HWS24型電熱恒溫水浴鍋，濟(jì)南啟科儀器設(shè)備有限公司；NAR-2T·UH阿貝折光儀，ATAGO(愛(ài)拓)中國(guó)分公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 生榨香芋飲料的工藝流程

生榨香芋飲料的工藝流程：

1.3.2 生榨香芋汁的制備

香芋去皮、清洗后切成1～2 cm大小的芋塊；立即放入破壁機(jī)并加入80 ℃以上的熱水，所加熱水的量為香芋質(zhì)量的4倍，打成龍香芋汁；打好的香芋汁再經(jīng)膠體磨處理，當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)膠體磨調(diào)節(jié)環(huán)感到有少許摩擦?xí)r，立即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)環(huán)15刻度線與指針重合；膠體磨處理后的香芋汁冷卻至50～60 ℃時(shí)用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)，均質(zhì)壓力控制在8～20 MPa。

1.3.3 生榨香芋汁中可溶性固形物含量測(cè)定

在20 ℃下用阿貝折光儀來(lái)測(cè)定香芋汁中可溶性固形物的含量。

1.3.4 香芋飲料的制備

1.3.5 生榨香芋汁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[8-9]

稱取一定量的樣品置于離心管中，在3 000 r/min的離心速下離心 10 min，并把上清液倒掉，倒置離心管，幾分鐘后把管壁上剩余液體吸掉，精確稱量沉淀質(zhì)量，并算出離心沉淀率。離心沉淀率計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 香芋生榨汁工藝條件確定

榨汁方法和均質(zhì)操作是制作生榨香芋汁的關(guān)鍵步驟，以測(cè)定生榨香芋汁中可溶性固形物含量為指標(biāo)，分別改變所加熱水溫度、均質(zhì)壓力、均質(zhì)次數(shù)等參數(shù)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)各因素對(duì)香芋汁中可溶性固形物含量的影響。在固定均質(zhì)壓力14 MPa、均質(zhì)2次[10]的條件下制備香芋汁，考察80、85、90、95、100 ℃不同熱水溫度對(duì)香芋汁可溶性固形物的影響。固定熱水溫度95 ℃、均質(zhì)2次的條件下制備香芋汁，考察8、11、14、17、20 MPa不同均質(zhì)壓力對(duì)香芋汁中可溶性固形物的影響。固定熱水溫度95 ℃、均質(zhì)壓力14 MPa條件下制備香芋汁，考察1、2、3、4次均質(zhì)處理對(duì)香芋汁可溶性固形物的影響。

1.4.2 香芋生榨飲料主要配方參數(shù)的優(yōu)化

預(yù)試驗(yàn)研究結(jié)果表明：CMC-Na、單硬脂酸甘油酯和黃原膠用量是影響香芋生榨飲料質(zhì)量的最重要的幾個(gè)因素，以香芋生榨飲料離心沉淀率為指標(biāo)，經(jīng)單因素試驗(yàn)后對(duì)CMC-Na、單硬脂酸甘油酯和黃原膠用量的工藝參數(shù)采用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化選擇[11-16]，確定香芋生榨飲料配方參數(shù)條件。

1.5 感官及理化指標(biāo)檢測(cè)方法

根據(jù)GB/T31326—2014《植物飲料》的感官指標(biāo)、理化指標(biāo)要求檢測(cè)，感官指標(biāo)經(jīng)隨機(jī)抽取20名有一定品評(píng)經(jīng)驗(yàn)的食品營(yíng)養(yǎng)與檢測(cè)專業(yè)學(xué)生對(duì)香芋生榨飲料感官品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)經(jīng)試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝制作的香芋飲料進(jìn)行理化指標(biāo)檢測(cè)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS軟件處理單因素試驗(yàn)方差分析數(shù)據(jù)，工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用Design-Expert軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 香芋生榨汁工藝條件確定

2.1.1 加水溫度對(duì)香芋汁可溶性固形物含量的影響

由圖1可以看出，不同加水溫度對(duì)成品可溶性固形物有顯著影響，隨著溫度的增加，香芋汁中可溶性固形物含量呈增加趨勢(shì)，當(dāng)加水溫度高于90 ℃時(shí)，香芋汁中可溶性固形物含量增加很小，可能是90 ℃以上的高溫雖然會(huì)促進(jìn)香芋汁中膠體顆粒的擴(kuò)散系數(shù)和碰撞頻率增加，但對(duì)可溶性固形物的繼續(xù)溶解影響非常小，所以加水溫度以90 ℃為宜，考慮到熱水遇到香芋時(shí)溫度會(huì)下降，水的溫度選擇95 ℃。

圖1 加水溫度對(duì)成品可溶性固形物的影響Fig.1 Effect of water temperature on soluble solids content

2.1.2 均質(zhì)壓力對(duì)香芋汁中可溶性固形物含量的影響

由圖2可以看出，不同均質(zhì)壓力對(duì)香芋汁中可溶性固形物有顯著影響，隨著均質(zhì)壓力的增加，開(kāi)始時(shí)香芋汁中可溶性固形物含量也顯著增加，當(dāng)均質(zhì)壓力達(dá)到14 MPa以后，香芋汁中可溶性固形物含量增加很小，從耗能的角度考慮，均質(zhì)壓力不是越大越好，綜合考慮采用14 MPa比較適宜。

圖2 均質(zhì)壓力對(duì)可溶性固形物含量的影響Fig.2 Effect of homogeneous pressure on soluble solids content

2.1.3 均質(zhì)次數(shù)對(duì)香芋汁中可溶性固形物含量的影響

由圖3可以看出，隨著均質(zhì)次數(shù)的增加，香芋汁中可溶性固型物含量開(kāi)始時(shí)也逐漸增加，當(dāng)均質(zhì)次數(shù)從1次增加到2次時(shí)，香芋汁中可溶性固形物含量增加趨勢(shì)較明顯，當(dāng)均質(zhì)3次、4次時(shí)，淀粉繼續(xù)溶出的量很少，原因可能是經(jīng)過(guò)2次均質(zhì)后，顆?；颈煌耆扑?，淀粉溶出達(dá)到很大程度，再增加均質(zhì)次數(shù)后，香芋汁中可溶性固形物含量提高的效果并不顯著，綜合考慮時(shí)間和能耗成本，選擇均質(zhì)2次。

圖3 均質(zhì)次數(shù)對(duì)可溶性固形物含量的影響Fig.3 Effect of homogenization times on soluble solids

2.1.4 香芋最佳生榨工藝的選擇

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，熱水溫度、均質(zhì)壓力及均質(zhì)次數(shù)選取較優(yōu)工藝參數(shù)，以香芋汁中可溶性固形物含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)榨汁工藝進(jìn)行優(yōu)化分析，篩選出產(chǎn)品的最佳榨汁工藝。因素水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 The orthogonal test of factors and levels

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The orthogonal test of results

由表2可知，各因素對(duì)產(chǎn)品中可溶性固形物含量的影響大小依次為A>B>C，即熱水溫度>均質(zhì)壓力>均質(zhì)次數(shù)，根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，最終確定香芋生榨汁的最優(yōu)生產(chǎn)工藝為A2B2C1，即加水溫度應(yīng)95 ℃，均質(zhì)壓力14 MPa，均質(zhì)2次。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，用此工藝生產(chǎn)的香芋生榨飲料中可溶性固形物含量為2.67%，高于所有試驗(yàn)組。

2.2 香芋生榨飲料主要配方參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 CMC-Na的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響

選取CMC-Na的添加量分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%[17]，在榨汁時(shí)添加95 ℃熱水、均質(zhì)溫度55 ℃、均質(zhì)壓力14 MPa、均質(zhì)2次、單硬脂酸甘油酯0.10%、黃原膠0.02%的條件下制備龍香芋飲料，考察CMC-Na的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4 CMC-Na添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響Fig.4 Effect of CMC-Na addition on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖4可以看出，不同CMC-Na添加量對(duì)成品離心沉淀率影響較顯著，CMC-Na 添加量達(dá)到0.12%后，香芋飲料的離心沉淀率的變化趨于平緩，說(shuō)明在 0.12% 的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大 CMC-Na 添加量對(duì)香芋飲料的穩(wěn)定性無(wú)顯著增強(qiáng)作用(P>0.05)。因此，選用0.12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為適宜的添加量。

2.2.2 單硬脂酸甘油酯的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響

選取單硬脂酸甘油酯的添加量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%，在榨汁時(shí)添加95 ℃熱水、均質(zhì)溫度55 ℃、均質(zhì)壓力14 MPa、均質(zhì)2次、CMC-Na 0.12%、 黃原膠0.02%的條件下制備香芋飲料，考察單硬脂酸甘油酯的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響。

圖5 單硬脂酸甘油酯的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響Fig.5 Effect of monoglyceride content on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖5可以看出，不同單硬脂酸甘油酯添加量對(duì)成品離心沉淀率有顯著影響，在單硬脂酸甘油酯添加量為0.10%時(shí)，成品離心沉淀率最低，后隨添加量增加，離心沉淀率增大，當(dāng)乳化劑添加量進(jìn)一步增加時(shí)，超過(guò)了乳化劑的臨界膠束濃度，乳化劑分子就會(huì)在溶液內(nèi)部聚集，構(gòu)成親油基向內(nèi)、親水基向外的球狀膠束[18]，從而提高了離心沉淀率。因此，選用0.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為最佳添加量。

2.2.3 黃原膠的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響

選取黃原膠的添加量分別為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%，在榨汁時(shí)添加95 ℃熱水、均質(zhì)溫度55 ℃、均質(zhì)壓力14 MPa、均質(zhì)2次、CMC-Na 0.12%、單硬脂酸甘油酯0.10%的條件下制備龍香芋飲料，考察黃原膠的添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響。

圖6 黃原膠添加量對(duì)成品離心沉淀率的影響Fig.6 Effect of xanthan gum addition on centrifugal precipitation rate of finished products

由圖6可以看出，不同黃原膠添加量對(duì)成品離心沉淀率有顯著影響，在黃原膠添加量為0.03%時(shí)，成品離心沉淀率最低，可能是在此添加量下，黃原膠具有最佳的流變學(xué)特性，使香芋飲料中的顆粒呈懸浮狀態(tài)，有較少量的沉淀物[19]。因此，選用0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為最佳添加量。

2.2.4 香芋生榨飲料主要配方參數(shù)的響應(yīng)面分析法優(yōu)化

以離心沉淀率為指標(biāo)，根據(jù)單因素試驗(yàn)及其方差分析結(jié)果，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化其最佳工藝參數(shù)，并用Design-Expert軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，因素水平如表3所示，響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平和編碼Table 3 Factors and levels of response surface analysis

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Results and experimental design of Box-Benhnken

試驗(yàn)組1～12為析因?qū)嶒?yàn)，13～17為中心試驗(yàn)。17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為析因點(diǎn)和零點(diǎn)，其中析因點(diǎn)為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)；零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。采用RSA Quadratic Model對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 回歸模型及方差分析Table 5 Anova results of response surface quadratic model

由表5可知，模型F值為26.58，產(chǎn)生誤差的可能性只有0.01%，具有顯著性。“Prob>F”值小于0.010 0表明計(jì)算模型是高度顯著的，在試驗(yàn)中A、C和B2是顯著的模型體系；值大于0.100 0表明模型計(jì)算影響不大。如果有很多意義不大的模型計(jì)算(不計(jì)算那些需要支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù))，可減少模型數(shù)可以改善模型?！笆MF值”為0.10，意味著失擬項(xiàng)相對(duì)純誤差不顯著，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)擬合情況好，實(shí)驗(yàn)誤差小，且有99.98%的幾率“失擬F值”會(huì)發(fā)生，說(shuō)明失擬項(xiàng)非顯著性良好。

對(duì)各因素進(jìn)行回歸擬合，得到回歸方程：

Y=4.26+0.18A-0.05B-0.23C+0.77A2+1.12B2+0.57C2+0.05AB-0.10AC+0.15BC

為了直觀表示各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，并反映最佳優(yōu)化條件，作出響應(yīng)面圖，如圖7～圖9所示。

圖7 單硬脂酸甘油酯和CMC-Na的添加量交互影響離心沉淀率的響應(yīng)面Fig.7 Response surface of the interaction of monoglyceride and CMC-Na on centrifugal sedimentation rate

圖9 黃原膠和單硬脂酸甘油酯的添加量交互影響離心沉淀率的響應(yīng)面Fig.9 Response surface of the interaction of xanthan gum and monoglyceride on centrifugal sedimentation rate

圖7～圖9反映了各因素對(duì)離心沉淀率的影響，由等值線圖可知存在極值的條件應(yīng)該在弧形內(nèi)側(cè)。比較3組圖可知，黃原膠的添加量(C)對(duì)離心沉淀率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲面較陡；而單硬脂酸甘油酯的添加量(B)次之；CMC-Na的添加量(A)最末，表現(xiàn)為曲面較為平滑，隨數(shù)值的增加或減少，其響應(yīng)值變化較小。

在因素水平范圍內(nèi)，進(jìn)一步確定最佳點(diǎn)的值，運(yùn)用優(yōu)化程序“Optimization”求解最佳點(diǎn)，解得：A=-1，B=0，C=1，即CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%。

2.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

在優(yōu)化的條件下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 香芋生榨飲料主要配方參數(shù)的重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)Table 6 Reproducibility experiment of main formula parameters of taro raw squeezed beverage

由表6可知，香芋生榨飲料的離心沉淀率平均值為5.08%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.53%，說(shuō)明優(yōu)化配方參數(shù)的穩(wěn)定性良好。因此制備香芋飲料的主要配方參數(shù)選擇CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%。

2.2.6 產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)結(jié)果

產(chǎn)品呈乳白色或亮黃色，色澤均勻明亮；有濃郁的香芋風(fēng)味，無(wú)異味；口感細(xì)膩潤(rùn)滑，黏稠度適中，酸甜可口；呈渾濁均勻的乳狀體，具有很好的流動(dòng)性，無(wú)沉淀及分層現(xiàn)象。

3 結(jié)論

經(jīng)單因素實(shí)驗(yàn)及正交試驗(yàn)及經(jīng)響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝，確定了香芋生榨工藝條件為加水溫度95 ℃，均質(zhì)壓力14 MPa，均質(zhì)2次。以成品離心沉淀率為評(píng)價(jià)依據(jù)，經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化工藝，得出香芋生榨飲料最佳工藝條件為：CMC-Na的添加量為0.16%，單硬脂酸甘油酯的添加量為0.12%，黃原膠的添加量為0.02%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，經(jīng)此條件處理后，此時(shí)成品離心沉淀率為5.08%左右，產(chǎn)品穩(wěn)定性較好。