響應面優(yōu)化食用檳榔鹵水配方的研究

李良怡，吳安琪，馬妍，胡瀚，張雨鑫，周文化*

（1.特醫(yī)食品加工湖南省重點實驗室，湖南長沙410004；2.中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙410004）

食用檳榔是一種以未完全成熟的檳榔干果為原料，經(jīng)調(diào)味、切片、點鹵及干燥包裝等工藝制作而成的，而鹵水是食用檳榔中的核心成分，對其品質(zhì)具有至關重要的作用。目前，有關食用檳榔鹵水的學術研究較為鮮見，主要集中在對食用檳榔片加工工藝技術的研究。王友水等[1]和許丹[2]提出改進食用檳榔鹵水的配方和工藝，建議使用符合衛(wèi)生標準的食品級碳酸鈣作為食用檳榔鹵水的主要原料。陳祁衡等[3]通過高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）和滴定法檢測發(fā)現(xiàn)食用檳榔鹵水返白主要是由空氣中的CO2與鹵水中Ca（OH）2反應生成CaCO3所導致的。依據(jù)目前的制備工藝，食用檳榔鹵水通常是以石灰粉和飴糖為主要原料，經(jīng)放熱膨化反應、調(diào)味、調(diào)香等步驟熬制而成[4-6]。但此法制備的鹵水易在貨架期內(nèi)出現(xiàn)返鹵返白、易燒口現(xiàn)象，為此研究食用檳榔鹵水品質(zhì)問題，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。本文在單因素試驗的基礎上進行響應面優(yōu)化，旨在獲取食用檳榔鹵水的最佳制作配方，研制出一款品質(zhì)穩(wěn)定、適口性較好的食用檳榔鹵水，以期為食用檳榔鹵水的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

飴糖：滄州棗香村果食品有限公司；食用油：市售；六偏磷酸鈉、卡拉膠、海藻酸鈉、檸檬酸、單硬脂酸甘油酯、脂肪酸蔗糖酯（食品級）：河南萬邦實業(yè)有限公司；石灰粉（食品級）：江西創(chuàng)先精細鈣業(yè)有限公司；鹽酸（分析級）：成都市科隆化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

JMS-30BX型膠體磨：廊坊市廊通機械有限公司；ZNCL-DLS190*90型四聯(lián)式電磁水浴鍋、BNCH78-1型電磁攪拌器：上海弘懿儀器設備有限公司；FE-28型pH測定儀：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 食用檳榔鹵水的制備工藝流程

食用檳榔鹵水的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 食用檳榔鹵水的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of edible betel nut brine

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 老鹵水的制備

將石灰粉分散在水中，在電磁攪拌器中攪拌均勻，得到石灰粉乳濁液，然后將飴糖在沸水浴中軟化，加入至石灰粉乳濁液中，在電磁攪拌器中攪拌均勻，制備得到老鹵水，備用。

1.3.2.2 其它輔料分散液的制備

將一定量的保水劑、食用油、乳化劑和增稠劑分散在水中，60℃水浴中溶解，攪拌均勻，制備得分散液。

1.3.2.3 均質(zhì)

將制備好的各分散液加入至老鹵水中，攪拌均勻，通過膠體磨均質(zhì)1 h，得到食用檳榔鹵水產(chǎn)品。

1.3.3 單因素試驗

在前期預試驗的基礎上，按照1.3.1工藝流程制備食用檳榔鹵水，以感官評分為指標，采用單因素試驗依次探究石灰粉與飴糖的質(zhì)量比（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5）、保水劑（六偏磷酸鈉）添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、食用油添加量（0%、1%、2%、3%、4%、5%）、乳化劑的質(zhì)量比（脂肪酸蔗糖酯∶單硬脂酸甘油酯，1∶0、3∶5、4∶5、5∶5、5∶4、5∶3、0∶1）及添加量（1%、2%、3%、4%、5%）、增稠劑的質(zhì)量比（卡拉膠∶海藻酸鈉，1∶0、3∶5、4∶5、5∶5、5∶4、5∶3、0∶1）及添加量（1%、2%、3%、4%、5%）、有機酸（檸檬酸）添加量（1%、2%、3%、4%、5%）對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響，確定各因素的適宜水平范圍。

1.3.4 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，選取保水劑添加量、有機酸添加量和增稠劑添加量為因素，以感官評分為響應值，進行響應面優(yōu)化試驗，因素與水平見表2。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table 1 Box-Behnken experimental factors and levels

1.3.5 品質(zhì)評價指標

1.3.5.1 感官評價

邀請10位經(jīng)常食用檳榔的人員，經(jīng)專業(yè)培訓后對食用檳榔鹵水感官特性進行評價，以色澤、外觀形態(tài)、適口性、香味與滋味為感官評價指標，滿分100分，評分標準見表2。

表2 食用檳榔鹵水感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria for edible betel nut brine

1.3.5.2 理化指標

游離堿度的測定：參照DB 43/132—2004《食用檳榔》并略加修改[7]，將鹵水放置于70℃烘箱中干燥至恒重后，取0.6 g鹵水（精確至0.01 g）放置于100 mL三角瓶中，加入50 mL純水，在37℃下超聲溶解20 min，冷卻至25℃，在pH測定儀上，用0.1 mol/L鹽酸標準溶液滴定至pH7.0即為終點，同時做空白試驗。

式中：X為樣品中游離堿度（以NaOH計），mg/g；V1為滴定樣品時消耗鹽酸標準溶液的體積，mL；V2為滴定空白時消耗鹽酸標準溶液的體積，mL；C為鹽酸標準溶液的濃度，mol/L；M為樣品的質(zhì)量，mg；40為1 mL鹽酸標準溶液（濃度1.0000mol/L）相當氫氧化鈉的質(zhì)量，mg。

1.3.5.3 微生物指標

菌落總數(shù)的測定：參照GB4789.2—2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗菌落總數(shù)測定》測定[8]。大腸菌群的測定：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計數(shù)》測定[9]。霉菌的測定：參照GB 4789.15—2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數(shù)》測定[10]。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

試驗均重復3次，每次測試均需更換樣品。使用IBM SPSS Statistics 19.0、Microsoft Excel2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理與分析，使用Origin Pro2017C軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 石灰粉與飴糖的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響

石灰粉與飴糖的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官評分的影響見圖2。

圖2 石灰粉與飴糖的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of mass ratio of lime powder to maltose on the sensory quality of edible betel nut brine

石灰粉與飴糖是食用檳榔鹵水體系中最重要的組成部分，能直接賦予食用檳榔鹵水最基礎的組織結(jié)構(gòu)及特殊口感。從圖2分析可知，在石灰粉與飴糖質(zhì)量比為1∶1～1∶3范圍內(nèi)，隨著飴糖的占比不斷增大，食用檳榔鹵水感官評分增大，其堿性逐漸下降，燒口現(xiàn)象減少，其適口性越來越好，在石灰粉與飴糖質(zhì)量比為1∶3時感官評分出現(xiàn)最大值，即71.7分；在質(zhì)量比為1∶4～1∶5范圍內(nèi)食用檳榔鹵水感官評分下降，出現(xiàn)了粘牙現(xiàn)象，導致適口性下降且咀嚼感讓人難以接受。因此石灰粉與飴糖的最適質(zhì)量比為1∶3。

2.1.2 保水劑添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響

保水劑添加量對食用檳榔鹵水感官評分的影響見圖3。

圖3 保水劑添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of the addition amount of water retention agent on the sensory quality of edible betel nut brine

保水劑是一種持水能力較高的高分子樹脂，能減少食品在加工及運輸貯藏過程中水分的損失，提高食品的穩(wěn)定性[11-12]。從圖3可以看出，隨著保水劑添加量的增加，感官評分逐漸上升，添加量為0.5%時感官評分最高。這可能是由于保水劑的加入，使食用檳榔鹵水體系對水分子的束縛能力加強，從而可在一定程度上減少食用檳榔鹵水返鹵現(xiàn)象的發(fā)生，提高了食用檳榔鹵水的穩(wěn)定性。因此，選取保水劑添加量0.3%～0.5%進行響應面優(yōu)化。

2.1.3 食用油添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響食用油添加量對食用檳榔鹵水感官評分的影響見圖4。

圖4 食用油添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of edible oil addition on the sensory quality of edible betel nut brine

從圖4分析可知，食用油的添加量對食用檳榔鹵水的感官品質(zhì)影響較小，1%～5%范圍內(nèi)無顯著性變化（P＞0.05）。隨著食用油添加量的增加，感官評分整體上呈現(xiàn)出先緩慢上升后緩慢下降趨勢，感官評分最高值與最低值僅相差6.2分。與未添加食用油組相比，食用油的添加會使鹵水表面形成一種光澤油膜，使人食欲感增強且食用檳榔鹵水固有的香味也同步增加。但當食用油添加量為5%時，鹵水固有香味有所下降，這可能是因為食用油本身的香味與鹵水固有香味形成了競爭關系，導致感官評分下降。綜上所述，選擇4%作為食用油的最佳添加量。

2.1.4 乳化劑的質(zhì)量比和增稠劑的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響

乳化劑的質(zhì)量比和增稠劑的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官評分的影響分別見圖5、圖6。

乳化劑的復配使用可產(chǎn)生協(xié)同增效作用，進一步提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和膜表面的強度[13-14]。從圖5分析可知，在脂肪酸蔗糖酯與單硬脂酸甘油酯的質(zhì)量比為4∶5時，食用檳榔鹵水感官評分最高，而在其它質(zhì)量比時，感官評分均有所下降。在這可能是由于在質(zhì)量比為4∶5時，脂肪酸蔗糖酯與單硬脂酸甘油酯在復雜的食用檳榔鹵水體系中產(chǎn)生的協(xié)同增效作用最大，使體系中各分子間分散性最好，對食用檳榔鹵水的適口性有一定的促進作用，因此選擇4∶5作為乳化劑（脂肪酸蔗糖酯與單硬脂酸甘油酯）的最優(yōu)質(zhì)量比。

圖5 乳化劑的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of mass ratio of emulsifier on the sensory quality of edible betel nut brine

增稠劑不僅能改善食品的物理性質(zhì)，還能提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，具有增稠、增甜、增香的作用[15-19]。從圖6分析可知，增稠劑的不同質(zhì)量比對食用檳榔鹵水品質(zhì)的影響較大。只單獨添加卡拉膠會使食用檳榔鹵水易出現(xiàn)返鹵現(xiàn)象，這可能是由于食用檳榔鹵水體系中有大量的鈣離子存在，導致食用檳榔鹵水脆性大，彈性低，容易產(chǎn)生收縮脫液現(xiàn)象；只單獨添加海藻酸鈉會使食用檳榔鹵水表面較硬且粘牙。在卡拉膠與海藻酸鈉的質(zhì)量比為4∶5時，感官評分最高，食用檳榔鹵水適口性最佳，食用檳榔鹵水返鹵現(xiàn)象減少。綜上所述，選擇4∶5為增稠劑（卡拉膠與海藻酸鈉）的最優(yōu)質(zhì)量比。

圖6 增稠劑的質(zhì)量比對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.6 Effect of thickener quality ratio on the sensory quality of edible betel nut brine

2.1.5 乳化劑、增稠劑和有機酸的添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響

乳化劑、增稠劑和有機酸的添加量對食用檳榔鹵水感官評分的影響分別見圖7～圖9。

圖7 乳化劑的添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.7 Effects of emulsifier addition on the sensory quality of edible betel nut brine

圖8 增稠劑的添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.8 Effect of thickener addition on the sensory quality of edible betel nut brine

圖9 有機酸的添加量對食用檳榔鹵水感官品質(zhì)的影響Fig.9 Effect of organic acid addition on the sensory quality of edible betel nut brine

從圖7～圖9中可以看出，隨著乳化劑、增稠劑和有機酸添加量的增加，感官評分均呈現(xiàn)出整體上先上升后下降的變化趨勢。當乳化劑添加量為2%時，鹵水感官評分為最高分，這可能是由于乳化劑的添加，能使食用檳榔鹵水口感變得柔和，固有香味有所增加，但添加量過多時，在制備過程中食用檳榔鹵水會產(chǎn)生氣泡，在點鹵和涼籽過程中氣泡難以消失，從而影響食用檳榔鹵水的感官品質(zhì)。因此選擇2%作為乳化劑最優(yōu)添加量。

對于增稠劑而言，在增稠劑添加量為3%時，感官評分獲得最高分，71.9分，食用檳榔鹵水無粘牙現(xiàn)象、適口性較好。在添加量為1%時，食用檳榔鹵水出現(xiàn)大量的返鹵，污染整個檳榔內(nèi)腔，嚴重影響食用價值；在添加量為5%時，食用檳榔鹵水表面較硬，導致咀嚼性降低，影響食用性。故選取增稠劑添加量2%～4%進行響應面優(yōu)化。

有機酸在食用檳榔鹵水中不僅可以調(diào)節(jié)酸堿性，還能起促進消化、增強食欲的作用[20-22]。有機酸添加量為2%時，感官評分最高為72.2分。在添加量為1%時，食用檳榔鹵水中檳榔堿含量較高，存在燒口現(xiàn)象，讓人難以食用；在添加量為5%時，食用檳榔鹵水中檳榔堿含量較低，導致檳榔勁道較差；而添加量在2%～4%時，食用檳榔鹵水燒口現(xiàn)象較少且勁道足。因此，選取有機酸添加量2%～4%進行響應面優(yōu)化。

2.2 響應面試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果以及Box-Behnken試驗設計原理，選取保水劑添加量、有機酸添加量、增稠劑添加量為試驗自變量，以感官評分為響應值，通過響應面法優(yōu)化食用檳榔鹵水配方，其試驗結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗設計與結(jié)果Table 3 Box-Behnken experimental design and results

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表3中的數(shù)據(jù)進行處理與分析，得回歸方程為：Y=81.4+2.38×A+0.25×B－0.38×C－1.25×A×B+0.5×A×C－1.75×B×C-3.95×A2－3.95B2－6.95×C2。

方差分析結(jié)果見表4。

表4 響應面試驗結(jié)果方差分析Table 4 Variance analysis of response surface test results

從表4中可以看出，該回歸模型P＜0.0001，極顯著；回歸模型失擬項P=2.25＞0.05，不顯著，表明該模型模擬的三因素三水平的分析可行性較高；RAdj2=0.965 8，表明食用檳榔鹵水感官評分的變化有96.58%來源于增稠劑添加量、保水劑添加量和有機酸添加量。因素A對食用檳榔鹵水品質(zhì)的影響極顯著（P＜0.01）。二次項AB、BC對食用檳榔鹵水品質(zhì)的影響呈顯著性水平（P＜0.05），而二次項 A2、B2、C2對食用檳榔鹵水品質(zhì)的影響均呈極顯著性水平（P＜0.01）。

圖10為各因素交互作用對食用檳榔鹵水感官評分影響的等高線圖和響應面圖。

圖10 各因素交互作用對食用檳榔鹵水感官評分影響的等高線圖和響應面圖Fig.10 Contour and response surface diagrams of the effects of factors interaction on the sensory evaluation of edible betel nut brine

從圖10分析可知，當固定有機酸添加量時，隨著增稠劑添加量和保水劑添加量的增大，食用檳榔鹵水感官評分均先上升后下降，響應面和等高線分別呈凸形和閉合的橢圓形，說明增稠劑添加量與保水劑添加量之間有明顯的交互作用及最大值。當固定保水劑添加量時，隨著增稠劑添加量和有機酸添加量的增大，食用檳榔鹵水感官評分均先上升后下降，響應面曲面陡峭且等高線呈橢圓形，說明增稠劑添加量與有機酸添加量之間交互作用有最大值。當固定增稠劑添加量時，隨著保水劑添加量和有機酸添加量的增大，食用檳榔鹵水感官評分均先上升后下降，響應面曲面坡度較大，等高線呈閉合的橢圓形，說明增稠劑添加量與有機酸添加量之間有明顯的交互作用及最大值。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對響應面試驗結(jié)果進行處理與分析，得出食用檳榔鹵水最佳配方為保水劑添加量0.3%、增稠劑添加量2%、有機酸添加量3%，此條件下食用檳榔鹵水的感官評分預測值為81.76。按照上述添加量，通過3次驗證試驗，感官評分均值為80.34，與預測值基本一致，表明該模型的建立是有效的。

2.3 品質(zhì)評價指標結(jié)果

感官評價：在最優(yōu)配方參數(shù)下制備出的食用檳榔鹵水呈現(xiàn)深棕黑色，外表光澤、無裂紋，口感舒適、無燒口現(xiàn)象、勁道足，具有食用檳榔鹵水獨特的風味與滋味。

理化檢驗：食用檳榔鹵水產(chǎn)品游離堿度為92.6mg/g。

微生物檢驗：食用檳榔鹵水產(chǎn)品菌落總數(shù)和霉菌指標均＜100 CFU/g，大腸桿菌未檢測出，因此微生物相關指標均符合相關標準。

3 結(jié)論

通過單因素試驗以及響應面優(yōu)化法得出食用檳榔鹵水的最佳配方：脂肪酸蔗糖酯與單硬脂酸甘油酯、卡拉膠與海藻酸鈉、石灰粉與飴糖的質(zhì)量比分別為 4∶5、4∶5、1∶3，保水劑、食用油、乳化劑、增稠劑及有機酸的添加量分別為0.3%、4%、2%、2%、3%。在此最優(yōu)配方參數(shù)下制備的食用檳榔鹵水感官評分為80.34，食用檳榔鹵水呈現(xiàn)深棕黑色，表面光澤、無裂紋，適口性較好、勁道足，具有食用檳榔鹵水獨特的風味與滋味，游離堿度為92.6 mg/g，微生物相關指標均符合相關標準。本研究為食用檳榔鹵水的開發(fā)與制備提供了一定的理論與應用基礎，具有很好的實際應用價值。