響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化甘草山楂泡騰片配方的研究

姚洪禮，邢 爽，丁之恩，周先漢，范 飛，陸 寧，蒲順昌

亳州學(xué)院生物與食品工程系，安徽亳州,236800

泡騰片是利用崩解劑有機(jī)酸和堿式碳酸(氫)鹽發(fā)生泡騰反應(yīng)，生成并釋放大量的CO2的一種新型、快捷食品，其產(chǎn)生的大量的氣泡能夠促進(jìn)體內(nèi)營養(yǎng)物和功能性成分的吸收[1-2]。隨著人們生活方式的改變和對自身營養(yǎng)健康的關(guān)注，泡騰片以飲用方便、攜帶便捷、營養(yǎng)成分吸收快等優(yōu)點(diǎn)深受消費(fèi)者的喜愛，尤其是一些青年消費(fèi)者[3]。目前，市場上常見的泡騰片主要為保健型泡騰片，如維C泡騰片、補(bǔ)鈣泡騰片、多維泡騰片和補(bǔ)鐵泡騰片等，其種類、風(fēng)味和口感相對比較單一，且存在口感差、無法滿足消費(fèi)者的眾多需求等問題。

甘草、山楂是常見的藥食同源資源植物[4-6]。甘草，味甘性平，豆科類植物，其根及根莖多經(jīng)干燥后使用，根及根莖中的生理活性物質(zhì)主要有甘草甜素、黃酮類物質(zhì)等，具有清熱解毒、補(bǔ)脾益氣、祛痰止咳、調(diào)和諸藥等功效[7]。山楂，味甘、性微溫酸，入脾、胃、肝經(jīng)，有機(jī)酸、山楂黃酮是其發(fā)揮藥理作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，山楂具有健脾消食，行氣散淤等功效[8-9]。山楂輔以甘草，具有益氣健脾、清熱解毒、清肝明目的功效[10]。

通過查閱資料，依據(jù)甘草、山楂食補(bǔ)習(xí)慣，結(jié)合傳統(tǒng)中醫(yī)配方，以甘草、山楂、檸檬酸、碳酸氫鈉、聚乙二醇6000、紅糖粉為原料制備甘草山楂泡騰片。以感官評分為指標(biāo)，采用單因素及響應(yīng)面設(shè)計(jì)法對泡騰片配方進(jìn)行優(yōu)化，并對最佳工藝配方下的甘草山楂泡騰片的特性參數(shù)進(jìn)行分析，以期為藥食同源植物的利用和固體速溶飲品泡騰片的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘草、山楂(安徽亳州康美交易中心)；檸檬酸、碳酸氫鈉(食品級，河北鴻韜生物工程有限公司)；聚乙二醇6000(食品級，南京添嘉生物科技有限公司)。

ME204萬分之一分析天平(梅特勒-托利多國際貿(mào)易有限公司)；BJ-800A小型高速粉碎機(jī)(上海拜杰實(shí)業(yè)有限公司)；XDW低溫冷凍粉碎儀(濟(jì)南達(dá)微機(jī)械有限公司)；RE-301旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上?？婆d儀器有限公司)；TDP-5壓片機(jī)(中誠制藥機(jī)械廠)；CS-2A脆碎度測試儀(天津精拓儀器科技有限公司)；ZPJ-2片劑兩用儀(天津精拓儀器科技有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

稱量一定量的甘草、山楂，除去皮屑、梗、核及其他雜質(zhì)等，將甘草、山楂進(jìn)行清洗，并切成1～2 cm2的片狀，然后在60 ℃下干燥8 h。將干燥后的甘草、山楂分別用小型高速粉碎機(jī)粉碎5 min，獲得的甘草粉按1∶10加入清水，在80～90℃下蒸煮3 h后進(jìn)行過濾，將濾液轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀65 ℃下濃縮1 h，后將濃縮液用噴霧干燥儀干燥，獲得甘草提取物。同時(shí)將山楂粗粉轉(zhuǎn)移至低溫冷凍粉碎儀粉碎20 min，并收集粉末過300目篩，獲得山楂細(xì)粉。把甘草、山楂可溶性粉末與檸檬酸、碳酸氫鈉等材料按一定比例迅速混合，混合均勻后，50 ℃干燥30 min，轉(zhuǎn)移至壓片磨具中壓片，即得甘草山楂泡騰片。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，甘草提取物添加量分別為1%、2%、3%、4%5%和6%，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，固定山楂粉添加量為2%，檸檬酸、碳酸氫鈉添加量分別為40%，聚乙二醇6000添加量6%，其余為甜味劑紅糖粉?；趩我蛩貎?yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，分別選取山楂粉添加量1%、2%、3%、4%、5%和6%，檸檬酸添加量25%、30%、35%、40%和45%，碳酸氫鈉添加量20%、25%、30%、35%和40%，聚乙二醇6000添加量為2%、4%、6%、8%、10%和12%，以感官評分為指標(biāo)，確定每個(gè)因素的最佳水平。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別選取甘草提取物添加量、固體山楂粉添加量、崩解劑添加量、聚乙二醇6000添加量，以感官評價(jià)得分為指標(biāo)，根據(jù)中心組合試驗(yàn)原理，采用響應(yīng)面分析方法對甘草山楂泡騰片配方進(jìn)行優(yōu)化，考察不同成分添加及配比對甘草山楂泡騰片感官品質(zhì)的影響。

1.2.4 感官評定方法

根據(jù)QB/T 4067—2010《食品工業(yè)速溶茶》及參考相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]，選擇20位品評專家對甘草山楂泡騰片進(jìn)行感官評價(jià)試驗(yàn)，取一片甘草山楂泡騰片，沖入200 mL涼開水中，分別對風(fēng)味、外形、崩解時(shí)間、色澤、產(chǎn)氣效果、酸甜度、雜質(zhì)等進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，每次評價(jià)重復(fù)3次，并記錄分值，總評價(jià)分?jǐn)?shù)取平均值，各評價(jià)項(xiàng)目分值標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 泡騰片的感官評價(jià)指標(biāo)及分值分配

1.2.5 測定方法

崩解時(shí)間、pH、起泡量的測定參考文獻(xiàn)[15-18]。脆碎度的測定參考《2015版藥典片劑脆碎度檢查法》，硬度的測定采用ZPJ-2片劑兩用儀測定，食品添加劑的使用符合GB 2760食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和Design Expert軟件作圖并進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理。取3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 甘草提取物添加量的確定

在甘草提取物添加量為1%～4%范圍內(nèi)，泡騰片感官評分增加；添加量4%時(shí)，感官評分最高，為74.67分；在添加量4%～6%范圍內(nèi)，感官評分略微降低(圖1)。甘草提取物作為固體原料，量少風(fēng)味不突出，含量過多會(huì)影響泡騰片主體風(fēng)味和穩(wěn)定性。因此，選擇甘草提取物添加量為3%、4%和5%。

圖1 甘草提取物添加量對泡騰片感官評分的影響

2.1.2 山楂粉添加量的確定

在山楂粉添加量1%～4%范圍內(nèi)，泡騰片感官評分增加；添加量4%時(shí)，感官評分最高，為74.67分；在添加量4%～6%范圍內(nèi)，感官評分降低(圖2)。山楂粉添加量增加，泡騰片中山楂風(fēng)味越來越突出，但山楂粉占比過高會(huì)導(dǎo)致泡騰片過酸、爽口度差等問題。因此，選取山楂粉添加量為3%、4%和5%。

圖2 山楂粉添加量對泡騰片感官評分的影響

2.1.3 檸檬酸添加量的確定

在檸檬酸添加量25%～40%的范圍內(nèi)，泡騰片感官評分增加；添加量40%時(shí)，感官評分最高，為74.67分；在添加量40%～45%的范圍內(nèi)，感官評分降低(圖3)。隨著檸檬酸的添加，泡騰片產(chǎn)氣效果越來越好，崩解時(shí)間減少，但添加過多會(huì)影響泡騰片的口感風(fēng)味，導(dǎo)致泡騰片酸度增加。因此，選取檸檬酸添加量為35%、40%和45%。

圖3 檸檬酸添加量對泡騰片感官評分的影響

2.1.4 碳酸氫鈉添加量的確定

在碳酸氫鈉添加量為20%～35%范圍內(nèi)，泡騰片感官評分增加；添加量35%時(shí)，感官評分最高，為79.76分；添加量35%～40%范圍內(nèi)，感官評分降低(圖4)。隨著碳酸氫鈉添加量不斷增加，泡騰片產(chǎn)氣效果越來越好，崩解時(shí)間減少，酸度降低，酸甜爽口，但添加量過多會(huì)導(dǎo)致泡騰片產(chǎn)氣效果變差，崩解時(shí)間增加，口感風(fēng)味降低。因此，選取碳酸氫鈉添加量為30%、35%和40%。

圖4 碳酸氫鈉添加量對泡騰片感官評分的影響

2.1.5 聚乙二醇6000添加量的確定

在聚乙二醇6000添加量2%～8%范圍內(nèi)，泡騰片感官評分增加，但增量并不明顯(p>0.05)；添加量8%時(shí)，感官評分最高，為81.33分，飲品黏稠適中、口感潤滑；添加量高于8%時(shí)，感官評分略微降低(圖5)。因此，選取聚乙二醇6000添加量為8%。

圖5 聚乙二醇6000添加量對泡騰片感官評分的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇甘草提取物添加量、山楂粉添加量、檸檬酸添加量、碳酸氫鈉添加量4個(gè)較為顯著的因素，以感官評分為指標(biāo)，采用 Box-Behnken 設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平編碼值見表2，其結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素及水平編碼值

表3 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

(續(xù)表)

利用Design-Expert軟件對表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元二次回歸擬合，以感官評分為響應(yīng)值，得到的回歸方程真實(shí)模型為：

Y=-256.688 17+31.463 81X1+34.594 67X2+4.079 3X3+6.567 57X4+1.23X1X2-0.083 698X1X3+0.149 5X1X4-0.129 41X2X3+0.189 24X2X4+0.056 418X3X4-4.605X12-4.985 77X22-0.070 825X32-0.136 83X42(校正R2=0.968 2)

對回歸方程及偏回歸系數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

表4 回歸方程及偏回歸系數(shù)方差分析

由表4可知，所選模型P<0.000 1表明不同處理之間的差異極顯著，失擬=0.164 5>0.05，不顯著，說明該方程對試驗(yàn)擬合的情況較好，試驗(yàn)的誤差小，因此二次回歸模型成立。模型決定系數(shù)R2=0.984 1，說明該模型擬合程度好，能較好地反映各因子之間與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系顯著。回歸方程中X1、X2、X3、X4、X1X2、X3X4、X12、X22、X32、X42對感官評分影響差異極顯著，X2X4感官評分影響差異顯著。由表4可知，影響泡騰片感官評分的因素主次為：X4>X3>X1>X2，即碳酸氫鈉>檸檬酸>甘草提取物>山楂粉，且甘草提取物與山楂粉、檸檬酸與碳酸氫鈉之間交互作用極顯著，山楂粉與碳酸氫鈉之間交互作用顯著。

采用Design-Expert軟件得到回歸模型的響應(yīng)面結(jié)果如圖6、圖7及圖8所示，顯著性因素對感官評分的交互影響直觀地反映在其3D圖中，響應(yīng)曲面越為陡峭，則兩因素間的交互作用越為顯著。

圖6 甘草提取物與山楂粉交互影響感官評分的響應(yīng)面及等高線

圖7 檸檬酸與碳酸氫鈉交互影響感官評分的響應(yīng)面及等高線

圖8 山楂粉與碳酸氫鈉交互影響感官評分的響應(yīng)面及等高線

對回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，預(yù)測感官評分最大值為83.70分，即最佳工藝配方為：甘草提取物4.24%，山楂粉4.21%，檸檬酸37.14%，碳酸氫鈉36.88%。當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，感官評分的95%預(yù)測區(qū)間為[82.99，84.41]。將上述最優(yōu)因素水平圓整為：甘草提取物4%，山楂粉4%，檸檬酸37%，碳酸氫鈉37%。對圓整后的最佳工藝配方進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)驗(yàn)證，每組重復(fù)3次，感官評分為83.26，落在響應(yīng)值的95%預(yù)測區(qū)間[82.99，84.41]內(nèi)。結(jié)果表明，該回歸模型可用于甘草山楂泡騰片最佳配方工藝的預(yù)測。

將最優(yōu)配方工藝下的甘草山楂泡騰片進(jìn)行pH、起泡量、崩解時(shí)限、脆碎度、硬度、大小、質(zhì)量等參數(shù)的測定，得到甘草山楂泡騰片飲品pH 4.8±0.4，起泡量23.8±1.6 mL，平均崩解時(shí)限31±4 s，脆碎度0.32%，硬度6.7±0.7 kg/cm2，平均體積2.01±0.02 cm3，平均質(zhì)量2.2±0.01 g，符合國標(biāo)對固體速溶飲品的要求。

3 討 論

泡騰片以崩解快速、攜帶方便、能夠促進(jìn)體內(nèi)營養(yǎng)物及功能性活性成分的吸收等優(yōu)點(diǎn)深受現(xiàn)代人的喜愛，本研究以甘草提取物、山楂粉、檸檬酸、碳酸氫鈉、聚乙二醇6000等為原輔料，開發(fā)一款酸甜爽口、益氣健脾、清肝明目的甘草山楂泡騰片。試驗(yàn)以感官評分為指標(biāo)，采用單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，優(yōu)化泡騰片配方，獲得最佳配方工藝為：甘草提取物4%，山楂粉4%，檸檬酸37%，碳酸氫鈉37%、聚乙二醇6000添加量8%，紅糖粉10%，此條件下泡騰片的感官評分為83.26分。

最佳工藝配方下的甘草山楂泡騰片其外表光滑平整、硬度適中、質(zhì)地均勻，沖入200 mL涼開水中為暗紅色，得到的飲品中無明顯漂浮物、沉淀物及其他雜質(zhì)。飲品的pH值測定結(jié)果呈酸性，主要是因?yàn)樯介酆蜋幟仕崽砑恿恐痛笥谔妓釟溻c添加量，泡騰片的各參數(shù)測定結(jié)果符合國標(biāo)對固體速溶飲品的要求。另外，此泡騰片工藝簡單，不易黏沖，但由于甘草不易溶解，所以需要進(jìn)行提取、濃縮、干燥獲得干粉，對山楂的處理要經(jīng)過干燥、粉碎、過300目篩才不會(huì)在飲品中出現(xiàn)漂浮物、沉淀物等。

甘草山楂泡騰片是依據(jù)甘草、山楂食補(bǔ)習(xí)慣，結(jié)合傳統(tǒng)中醫(yī)配方研制而成，其口感風(fēng)味獨(dú)特。后期將對此泡騰片的藥用和保健價(jià)值做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，以期為藥食同源植物的綜合開發(fā)利用提升經(jīng)濟(jì)附加值提供參考依據(jù)。