響應(yīng)面法優(yōu)化富含益生元的代餐粉配方

丁麗娜，李淑倩,，寧杰，顧海燕,，楊盈，丁文宇，張憲黨，王志斌*

（1.山東第一醫(yī)科大學附屬內(nèi)分泌與代謝病醫(yī)院，山東省內(nèi)分泌與代謝病研究所，山東濟南 250062）

（2.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院），山東濟南 250118）

代餐食品是為了滿足成年人控制體重期間的一餐或兩餐的營養(yǎng)需要，代替一餐或兩餐，專門加工配制而成的一種控制能量食品[1]。根據(jù)代餐食品可以滿足一餐或兩餐的營養(yǎng)需要或部分營養(yǎng)需要，分為代餐食品或部分代餐食品。近幾年，國內(nèi)代餐食品形式豐富多樣，有代餐粉、代餐棒、代餐餅干、代餐奶昔、代餐粥等，具有快速便捷、高纖維、低熱量、易飽腹等特點。

肥胖和超重目前已成為一種全球性最為緊迫的公共衛(wèi)生問題之一。研究表明，肥胖是由于脂肪因子、促炎癥因子等分泌增加及相關(guān)炎癥信號的激活導致的一種慢性炎癥性疾病，與糖尿病、心血管疾病、高血壓和癌癥等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，并對衛(wèi)生保健、經(jīng)濟和社會造成了巨大的挑戰(zhàn)[2,3]。盡管有減肥手術(shù)、藥物、控制飲食、運動等防治超重或肥胖的手段，但由于手術(shù)的創(chuàng)傷性、藥物的副作用、患者難以堅持等原因，目前對超重或肥胖的防治效果十分有限[4]。

已有研究表明，益生元、益生菌和平衡膳食可以對導致肥胖的相關(guān)腸道菌群進行重塑，從而有助于體重調(diào)節(jié)[5]。魔芋精粉是一種優(yōu)良的可溶性膳食纖維，其主要成分是葡甘露聚糖，它具有強吸水性、高黏性、高膨脹性特點[6]；在功能上，葡甘露聚糖刺激腸道有益菌的生長，提高腸道屏障功能[7]，同時有助于抑制脂質(zhì)合成從而調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝[8]等作用。菊粉，源自于菊芋或者菊苣塊根，是一種天然果糖聚合物，由D-呋喃果糖分子以β-(2,1)糖苷鍵連接而成的果聚糖，中國衛(wèi)生部于2009年發(fā)布公告第5號文件批準菊粉為新食品原料，研究表明其對控制體重有顯著作用[9]。低聚果糖、低聚異麥芽糖是優(yōu)良的水溶性膳食纖維，可以調(diào)節(jié)腸道菌群改善人體的微生態(tài)平衡。因此，隨著腸道菌群變化導致肥胖機制的明確，越來越多的研究表明腸道菌群參與了炎癥反應(yīng)、脂代謝、脂質(zhì)堆積，而造成脂類的過量吸收和能量穩(wěn)態(tài)失衡，最終導致了肥胖[10,11]。大多數(shù)益生元，都能被乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌利用而促進其增殖，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)[12]，影響能量代謝穩(wěn)態(tài)[13]、抑制致病菌、降低炎癥[14]、調(diào)節(jié)脂代謝和抑制脂質(zhì)堆積[15]等作用，從而產(chǎn)生減肥作用。

代餐粉作為一種代餐食品由于使用方便、營養(yǎng)豐富、效果顯著等特點，倍受市場青睞。基于此，本文利用具有調(diào)節(jié)腸道菌群的菊粉、低聚果糖、低聚異麥芽糖等三種優(yōu)質(zhì)益生元組合，結(jié)合具有高溶脹系數(shù)、飽腹感的魔芋精粉和具有調(diào)節(jié)血脂功能的植物甾醇酯，添加大豆分離蛋白增加營養(yǎng)性，采用木糖醇、香芋粉和三氯蔗糖調(diào)節(jié)口感，通過響應(yīng)面優(yōu)化方法研制一款富含益生元且增加飽腹感的代餐粉。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉（葡甘露聚糖含量≥85%），購于湖北強森魔芋科技有限公司。菊粉、低聚果糖、低聚異麥芽糖、大豆分離蛋白、植物甾醇酯、木糖醇、香芋粉、三氯蔗糖等均為市售食品級。

QUINTIX224電子天平，德國賽多利斯；全自動凱式定氮儀，丹麥福斯；原子吸收光譜儀，PE等。

1.2 方法

1.2.1 代餐粉制備方法

本產(chǎn)品將所有原輔料過80目篩，按配方比例稱量后混合均勻即可。

1.2.2 單因素試驗

通過單因素試驗研究魔芋精粉，益生元組合（菊粉:低聚果糖:低聚異麥芽糖為5:5:6），大豆分離蛋白，植物甾醇酯，木糖醇，香芋粉，三氯蔗糖7個因素的添加量對代餐粉品質(zhì)的影響。首先，保持其余因素固定在中間水平上不變，然后逐一對另外1個變量進行單因素試驗。具體試驗設(shè)計如表1所示。

表1 單因素試驗與水平Table 1 Factors and levels of single-factor design

1.2.3 Plackett-Burman因素篩選試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，分析魔芋精粉、益生元組合、大豆分離蛋白、植物甾醇酯、木糖醇、香芋粉、三氯蔗糖7個因素的不同添加量對代餐粉品質(zhì)影響的顯著性。采用Design-Expert 11.1.0.1軟件進行Plackett-Burman試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理，以確定影響顯著的因素，具體試驗設(shè)計見表2。

表2 Plackett-Burman試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman design

表3 Box-Behnken試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken design

表4 代餐粉的評分標準Table 4 Sensory evaluation standards of meal replacement powder

1.2.4 Box-Behnken試驗設(shè)計優(yōu)化代餐粉配方

根據(jù)Plackett-Burman試驗結(jié)果，篩選出魔芋精粉、大豆分離蛋白、植物甾醇酯3個因素為影響代餐粉品質(zhì)的主要因素，以代餐粉的感官評分為考察指標，利用Design-Expert 11.1.0.1軟件進行Box-Behnken試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理和預(yù)測優(yōu)化最佳代餐粉配方。具體試驗設(shè)計如表3所示。

1.2.5 感官評價指標

參照GB/T 29602-2013《固體飲料》中感官檢驗項目結(jié)合本產(chǎn)品制定了感官評價標準，如表4所示。由8名具有一定感官評價經(jīng)驗的同事組成感官評價小組，采用盲法對每個樣品分別從產(chǎn)品色澤、風味、口感和沖調(diào)性等進行評價賦分，重復(fù)三次，統(tǒng)計平均值。

1.2.6 代餐粉產(chǎn)品質(zhì)量檢測

代餐粉的各理化指標及微生物指標的檢測均按照GB/T 29602-2013《固體飲料》中要求，對水分、蛋白質(zhì)、鉛、總砷、菌落總數(shù)、大腸菌群、霉菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌進行檢測。

營養(yǎng)成分分析按照GB 28050-2011《預(yù)包裝食品營養(yǎng)標簽通則》，通過成分測定、中國食物成分表以及原料廠家提供的營養(yǎng)成分表，對代餐粉中所含能量、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、膳食纖維、鈉分別進行計算并繪制代餐粉的營養(yǎng)成分表。

沖調(diào)性測定：取15 g代餐粉，在500 mL燒杯中，用400 mL 50 ℃左右溫水沖調(diào)，邊沖邊攪拌，記錄攪拌至均勻的時間，重復(fù)三次，計算平均值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Origin 2018進行繪圖分析，利用Design-Expert 11.1.0.1軟件進行響應(yīng)面分析，代餐試食前后比較采用SPSS 23.0進行配對t檢驗統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 魔芋精粉對代餐粉感官評分的影響

魔芋精粉的主要成分為葡甘露聚糖，是一種不能被人體降解的水溶性膳食纖維，熱量低，具有降低血糖、血脂、減肥和調(diào)節(jié)腸道菌群等功效[16]。由于其具有80～100倍的溶脹系數(shù)，能延緩胃排空、具有飽腹感、減少能量攝入和改善腸道菌群的特點，所以魔芋精粉常用于減肥或輔助降血糖等保健食品或代餐食品的開發(fā)[17]。由圖1所示，代餐粉的感官評分隨著魔芋精粉添加量的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，魔芋精粉添加量少時，沖調(diào)后的流動性好，但不夠飽腹；隨著魔芋精粉的添加溶液的粘度逐漸增大，流動性變差，影響代餐粉的口感和沖調(diào)性。當魔芋精粉添加增至4.0 g時感官評分達到最高。魔芋精粉添加適量，代餐粉沖調(diào)液具有口感細膩、粘稠度適宜的特點。

圖1 魔芋精粉添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.1 The effect of konjac powder dosage on sensory score of meal replacement

2.1.2 益生元組合對代餐粉感官評分的影響

益生元是指不能通過人體胃腸消化道代謝吸收，卻能在結(jié)腸中被特定的腸道微生物利用的食物成分[18]。菊粉、低聚果糖、低聚異麥芽糖三種優(yōu)質(zhì)益生元均具有良好的口感和甜味，本實驗中采用了菊粉、低聚果糖和低聚異麥芽糖按照5:5:6比例進行復(fù)配形成了益生元組合作為一整體因素，考察了益生元組合添加量對代餐粉感官評分的影響，如圖2所示。隨著益生元組合添加量的增加而呈現(xiàn)先升高后呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，當益生元組合添加量為8.0 g時代餐粉的感官評分最高，再繼續(xù)添加益生元組合，代餐粉口感甜膩，易使代餐粉沖調(diào)性稍變差，其感官評分逐漸下降。所以，益生元組合的最佳添加量范圍為7.0～9.0 g。

圖2 益生元組合添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.2 The effect of prebiotics dosage on sensory score of meal replacement

2.1.3 大豆分離蛋白對代餐粉感官評分的影響

大豆分離蛋白是通過分離大豆油脂生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品-低變性脫脂大豆粕中主要蛋白質(zhì)而制成的，是少數(shù)幾種可替代動物蛋白的植物蛋白之一[19]。大豆分離蛋白含有20種氨基酸和8種人體必需氨基酸，與人體必需氨基酸的需求相吻合，易于人體吸收利用，具有改善餐后血糖波動[20]、降低血液中膽固醇和甘油三酯水平[21]、促進乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌增殖的作用[22]，是無乳糖嬰幼兒配方奶粉常用的蛋白質(zhì)原料之一。由圖3可知，隨著大豆分離蛋白添加量的增加代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在大豆分離蛋白添加量為0.8 g時達到最高。當大豆分離蛋白添加量超過0.8 g時，代餐粉沖調(diào)后的顆粒明顯增多，推測原因可能是代餐粉中的大豆分離蛋白被迅速吸水膨脹的魔芋精粉包裹而不能充分溶解分散開來，影響了代餐粉溶液的沖調(diào)性。

圖3 大豆分離蛋白添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.3 The effect of soy protein isolate dosage on sensory score of meal replacement

2.1.4 植物甾醇酯對代餐粉感官評分的影響

植物甾醇酯具有人體皮膚固醇類似的結(jié)構(gòu)，是降低血脂和預(yù)防心腦血管疾病常用的功能食品原料[23]。植物甾醇酯具有降低膽固醇、抗動脈粥樣硬化[24]、提高免疫力、抗氧化等[25]作用。由圖4可以看出，隨著植物甾醇酯添加量的增加代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，當植物甾醇酯添加量為0.3 g時代餐粉的沖調(diào)性和沖調(diào)后溶液的穩(wěn)定性最好，植物甾醇酯添加量超過0.3 g后發(fā)現(xiàn)沖調(diào)后溶液穩(wěn)定性逐漸變差。因此，植物甾醇酯最佳添加量范圍為0.1～0.6 g。

圖4 植物甾醇酯添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.4 The effect of phytosterol esters dosage on sensory score of meal replacement

2.1.5 木糖醇對代餐粉感官評分的影響

圖5 木糖醇添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.5 The effect of xylitol dosage on sensory score of meal replacement

木糖醇是一種天然的功能性甜味劑，其甜度約為蔗糖的1.2倍，其代謝不需要胰島素參與，不升高血糖，是一種低熱量的肥胖及糖尿病人可食用的食品原料[26,27]。木糖醇添加量對代餐粉質(zhì)量的感官評分如圖5所示，隨著木糖醇添加量的增加，代餐粉感官評分逐漸增加，但當添加量增至1.0 g后其評分呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。推測其原因可能是木糖醇在溶解時吸收熱量，導致口中產(chǎn)生的清涼感影響了代餐粉的感官評分。

2.1.6 香芋粉對代餐粉感官評分的影響

香芋粉是通過提取香芋中的有效營養(yǎng)成分而制成的，具有香芋天然的香氣香味，是一種常用于固體飲料的食品原料。由圖6可知，隨著香芋粉添加量的增加代餐粉質(zhì)量感官評分呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當香芋粉添加量為0.4 g時，代餐粉的香氣香味不足，當添加量為1.2 g時代餐粉的香芋滋氣味正常，口感純正，評分最高。因此，香芋粉的最佳添加量范圍為1.0～1.4 g。

圖6 香芋粉添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.6 The effect of taro powder dosage on sensory score of meal replacement

2.1.7 三氯蔗糖對代餐粉感官評分的影響

三氯蔗糖甜度為蔗糖的600倍，甜味純正，不參與人體代謝，幾乎不提熱量，是一種可用于肥胖癥、糖尿病等特殊人群食品的食品原料[28]。三氯蔗糖與木糖醇具有甜度互補的作用，兩者一起使用具有協(xié)調(diào)增效的作用，木糖醇能掩蓋三氯蔗糖的后苦味，使甜味自然[29]。三氯蔗糖對代餐粉的感官評分如圖7所示，隨著三氯蔗糖添加量的增加代餐粉的感官評分呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當三氯蔗糖添加量為0.0025 g時，代餐粉沖調(diào)液口感偏淡；當添加量為0.005 g時代餐粉甜度適中，口感自然；當添加量繼續(xù)增加至0.0075 g時，代餐粉沖調(diào)液甜膩，有苦味。所以三氯蔗糖的最適添加范圍為0.004～0.006 g。

圖7 三氯蔗糖添加量對代餐粉感官評分的影響Fig.7 The effect of sucralose dosage on sensory score of meal replacement

2.2 Plackett-Burman因素篩選試驗

將代餐粉的7個因素采用Design-Expert 11.1.0.1軟件進行Plackett-Burman試驗設(shè)計，共12組試驗，以代餐粉的感官評分為考察指標，見表5。對表5結(jié)果進行方差分析，當p值＜0.05時表示該因素對代餐粉質(zhì)量具有顯著影響。由表6可知，對代餐粉質(zhì)量具有顯著影響的因素分別為A、C和D，且其影響大小為A魔芋精粉添加量＞C大豆分離蛋白添加量＞D植物甾醇酯添加量，因此選擇A魔芋精粉添加量、C大豆分離蛋白添加量和D植物甾醇酯添加量3個因素進行最陡爬坡試驗，進一步優(yōu)化配方。

2.3 顯著因素的爬坡試驗

在Plackett-Burman試驗的基礎(chǔ)上，固定益生元組合8.0 g、木糖醇1.0 g、香芋粉1.2 g、三氯蔗糖0.005 g，選擇魔芋精粉、大豆分離蛋白和植物甾醇酯等對代餐粉感官評分具有顯著影響的因素進行最陡爬坡試驗，其設(shè)計與結(jié)果如表7。根據(jù)表7試驗結(jié)果可知，第2組代餐粉配方的感官評價最高，因此選擇第2組為響應(yīng)面優(yōu)化的中心點，即魔芋精粉添加量3.5 g、大豆分離蛋白添加量0.75 g和植物甾醇酯添加量0.15 g。

表5 Plackett-Burman試驗設(shè)計與結(jié)果Table 5 Experimental design and results of Plackett-Burman design

表6 Plackett-Burman試驗設(shè)計效應(yīng)分析Table 6 Results of statistical analysis for the Plackett-Burman design

表7 顯著性因素最陡爬坡試驗設(shè)計與結(jié)果Table 7 Experimental design and results of steepest ascent path experiment

2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化代餐粉配方

2.4.1 Box-Behnken試驗設(shè)計

在Plackett-Burman試驗和最陡爬坡試驗的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 11.1.0.1軟件進行Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果如表8所示，響應(yīng)面二次模型的方差分析如表9所示。對試驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合分析，得到回歸方程：感官評分R1=92.92-2.27×X1+0.5863×X2+3.24×X3-1.86×X1X2-3.33×X1X3-0.855×X2X3-10.24×X12-9.29×X22-6.52×X32

由表9可知，模型對試驗的擬合度良好，p＜0.0001，達到極為顯著水平，表明模型對試驗擬合度較好。失擬項p值為0.128，大于0.05，失擬項檢驗不顯著，說明殘差均有隨機誤差引起的。模型的復(fù)決定系數(shù)R2=0.9983，表明該模型擬合度較好，校正決定系數(shù)R2Adj=0.9962，表明該模型可以解釋99.62%響應(yīng)值的變化。因此，該模型可用于代餐粉的感官評分的分析和預(yù)測。

表8 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 8 Experimental design and results of Box-Behnken design

表9 二次模型的方差分析Table 9 Analysis of variance (ANOVA) for Quadratic model

2.4.2 響應(yīng)面分析

采用Design-Expert 11.1.0.1軟件以代餐粉的感官評分為指標對響應(yīng)面結(jié)果進行分析，得到了各因素對代餐粉感官評價的等高線圖和響應(yīng)圖，見圖8。如圖8a、b所示，魔芋精粉和大豆分離蛋白對代餐粉的感官評價的交互作用近似圓形，且p=0.0003，說明魔芋精粉和大豆分離蛋白對代餐粉的感官評價具有顯著作用。如圖8c、d所示，魔芋精粉和植物甾醇酯對代餐粉的感官評價的交互作用近似橢圓形，且p＜0.0001，說明魔芋精粉和植物甾醇酯對代餐粉的感官評價具有顯著作用。如圖8e、8f所示，植物甾醇酯和大豆分離蛋白對代餐粉的感官評價的交互作用近似橢圓形，且p=0.017，說明植物甾醇酯和大豆分離蛋白對代餐粉的感官評價具有顯著作用。由圖8可知，魔芋精粉、大豆分離蛋白和植物甾醇酯對代餐粉的感官評分的交互作用顯著。

圖8 各因素交互作用對代餐粉感官評分影響的響應(yīng)面和等高線Fig.8 Response surface and contour plots showing the mutual effects between candidate variables and d the sensory score of meal replacement

2.5 驗證試驗

以代餐粉的感官評分為指標，通過響應(yīng)面優(yōu)化后的代餐粉配方為魔芋精粉添加量3.42 g、大豆分離蛋白0.80 g、植物甾醇酯0.23 g，預(yù)測感官評分為93.58。代餐粉配方為魔芋精粉添加量3.42 g、大豆分離蛋白0.80 g、植物甾醇酯0.23 g、益生元組合8.00 g（菊粉2.50 g、低聚果糖2.50 g、低聚異麥芽糖3.00 g）、木糖醇1.00 g、香芋粉1.20 g、三氯蔗糖0.005 g，此配方的實際感官評分為93.16±0.73，與預(yù)測值基本一致，表明通過響應(yīng)面法優(yōu)化的代餐粉配方具有較好的重復(fù)性，可作為代餐粉的最佳配方。

2.6 代餐粉質(zhì)量評價

2.6.1 代餐粉理化指標及微生物檢測

代餐粉的各理化指標及微生物檢測均按照國家食品安全相關(guān)標準進行了檢測，結(jié)果如表10所示。其中代餐粉的主要功效成分葡甘露聚糖含量為30.0%，與代餐粉中魔芋精粉（主要成分葡甘露聚糖）添加量基本一致，蛋白質(zhì)、水分、鉛、砷及微生物等指標均符合固體飲料和食品微生物指標的各項要求。

2.6.2 代餐粉營養(yǎng)成分分析

參考GB 28050-2011《預(yù)包裝食品營養(yǎng)標簽通則》、中國食物成分表和廠家提供各原料的營養(yǎng)成分值，對代餐粉中的物料所含成分進行計算并繪制代餐粉的營養(yǎng)成分表（見表11）。本代餐粉能量值965 kJ/100 g，每次食用15 g僅145 kJ熱量，蛋白質(zhì)含量4.8 g/100 g，嚴格控制脂肪含量僅為0.9 g/100 g。本代餐粉中原料魔芋粉、益生元中膳食纖維含量均較高，不僅降低了代餐粉的能量值，還能增加膳食纖維的含量。與都陽等[30]關(guān)于國內(nèi)市場主要代餐食品的膳食纖維分布的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)市場上每份代餐食品提供膳食纖維平均為5 g，而本代餐粉每份提供膳食纖維10 g（15 g/份），說明本代餐粉具有高膳食纖維的特點。通過食用本代餐粉，在滿足消費者基本營養(yǎng)需求的同時，提供飽腹感，減少其他食物的攝入量，益生元改善腸道微環(huán)境，從而達到一定的控制體重的效果。

表10 代餐粉質(zhì)量評價結(jié)果Table 10 Quality evaluation of meal replacement

表11 代餐粉營養(yǎng)成分Table 11 Nutrition composition of meal replacement

2.6.3 沖調(diào)性測定

取15 g代餐粉，用400 mL 50 ℃左右溫水沖調(diào)，邊沖邊攪拌，50±6 s可以攪拌均勻，無顆粒、無結(jié)塊。

3 結(jié)論

本試驗利用魔芋精粉、大豆分離蛋白、植物甾醇酯、益生元組合（菊粉、低聚果糖、低聚異麥芽糖）、木糖醇、香芋粉和三氯蔗糖研發(fā)了一款富含益生元的且具飽腹感的代餐粉。通過單因素試驗和Plackett- Burman試驗確定了對代餐粉具有顯著影響的因素為魔芋精粉、大豆分離蛋白和植物甾醇酯，進一步根據(jù)最陡爬坡試驗和Box-Behnken試驗優(yōu)化代餐粉配方顯著因素的添加量分別為魔芋精粉3.42 g、大豆分離蛋白0.80 g和植物甾醇酯0.23 g。最終確定代餐粉的配方為魔芋精粉添加量3.42 g、大豆分離蛋白0.80 g、植物甾醇酯0.23 g、益生元組合8.00 g（菊粉2.50 g、低聚果糖2.50 g、低聚異麥芽糖3.00 g）、木糖醇1.00 g、香芋粉1.20 g、三氯蔗糖0.005 g，該配方代餐粉沖調(diào)性較好、無顆粒，色澤均勻一致，口感細膩、黏度適中、味道純正，氣味協(xié)調(diào)，此時感官評價得分為93.16與預(yù)測值93.58基本一致。通過對代餐粉進行質(zhì)量評價證實了該代餐粉質(zhì)量可靠，各項成分實際檢測量與添加量基本一致，各項指標均符合國家標準。