響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化燕麥咖啡飲料工藝配方

樊瑩潤，孫宇，李榕川，沈曉靜，范江平，廖小琳，龔加順

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

燕麥（Arena sativa L.）為禾本科植物，《本草綱目》中稱之為雀麥、野麥子[1]?，F(xiàn)代研究表明燕麥除了含有營養(yǎng)元素之外，還含有大量的生物活性分子，如多糖類、酚類、生物堿類等化學(xué)成分，具有抗氧化、調(diào)節(jié)血糖、抗癌、抗菌、降低膽固醇等生物活性[2]。燕麥中的β－葡聚糖含量高于所有其它谷物，是降血脂藥物中的主要成分，并且具有降低患冠心病、糖尿病和癌癥的風(fēng)險[3-4]。目前，對于燕麥的研究多集中在其活性成分和提高產(chǎn)量、品質(zhì)等方面，但對燕麥類產(chǎn)品的開發(fā)及應(yīng)用研究較少。谷物類飲料加工是谷物開發(fā)的新方向。燕麥的營養(yǎng)成分以及功能特性都表明，燕麥?zhǔn)且环N適合開發(fā)成飲料的谷物?？Х仁擒绮菘疲≧ubiaceae Juss.），屬多年生常綠灌木或小喬木[5]。原產(chǎn)于非洲埃塞俄比亞，素有“黑上金子”的美稱，它和茶葉、可可并稱為世界三大飲料，咖啡生長于熱帶、亞熱帶氣候，云南、海南、廣東、廣西是咖啡在中國的主產(chǎn)地，其中云南很多地區(qū)的氣候條件非常適宜小?？Х壬L，我國95%以上的小?？Х戎饕谠颇系貐^(qū)種植。云南種植的小?？Х葷舛豢啵愣涣?，并且?guī)в歇毺氐墓阄禰6]。由于受西方咖啡文化的影響，咖啡越來越受到時尚青年、白領(lǐng)和商務(wù)人士的歡迎，起到提神醒腦的作用。

目前，燕麥類飲料的開發(fā)主要有3類：傳統(tǒng)型燕麥飲料[7]、酶解型燕麥飲料[8]、發(fā)酵型燕麥飲料[9-14]。結(jié)合3種類型的優(yōu)缺點，將傳統(tǒng)型與酶解型二者結(jié)合起來，采用單一纖維素酶酶解的方式對燕麥進行處理，提高燕麥漿在飲料中的穩(wěn)定性，增加燕麥漿中可溶性糖類的含量。以酶解后燕麥漿、咖啡液及白砂糖和乳粉為原料，進行燕麥咖啡飲料配方的調(diào)配，采用感官評分為指標(biāo)進行單因素試驗再以響應(yīng)面優(yōu)化配方，最終確定燕麥咖啡飲料的最佳工藝，為后續(xù)的燕麥咖啡飲料開發(fā)提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生燕麥片、白砂糖、乳粉：市售；咖啡豆（云南小?？Х龋卸群媾啵涸颇蠌月嚎Х扔邢薰?；纖維素酶（酶活力50 000 U/g）：寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司；硫酸（分析純）：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；蒽酮（分析純）：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；黃原膠（食品級）：內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司；蔗糖脂肪酸酯（食品級）：柳州愛格富食品科技股份有限公司；單甘酯（食品級）：河南恩苗食品有限公司；微晶纖維素（食品級）：曲阜市天利藥用輔料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HX-PB811破壁機：佛山市海迅電器有限公司；JC-SY數(shù)顯電子恒溫水浴鍋：南通嘉程儀器有限公司；MC-CL22X3-103電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；H3-18K臺式高速離心機：湖南可成儀器設(shè)備有限公司；GYB60-60S高壓均質(zhì)機、JM-80膠體磨：上海華東高壓均質(zhì)機廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 燕麥咖啡飲料的工藝流程及操作要點

燕麥咖啡飲料的工藝流程：生燕麥→蒸煮→打漿→酶解→稀釋過濾→滅酶→配方調(diào)配→復(fù)合穩(wěn)定劑→過膠體磨→均質(zhì)→罐裝→滅菌。

操作要點：1）挑選生燕麥。選擇質(zhì)地好、無蟲洞、無霉變的生燕麥；2）蒸煮：生燕麥清洗干凈后，蒸煮熟透，標(biāo)準(zhǔn)為燕麥切開后中間沒有白芯；3）打漿：將蒸煮好的燕麥以料液比 1∶5（g/mL）加水破壁 1 min；4）纖維素酶酶解；5）稀釋過濾：燕麥固液混合物進行稀釋，比例為1∶1（g/mL），后采用4層紗布過濾，得到燕麥漿；6）滅酶：燕麥漿在鍋中煮沸 5 min；7）準(zhǔn)備咖啡液：咖啡豆粉碎過80目篩，咖啡粉與水（90℃）以質(zhì)量比為1∶10混合浸提10 min，用200目濾布過濾后待用；8）調(diào)配：在燕麥漿中加入咖啡液、乳粉、白砂糖進行調(diào)配，待乳粉、白砂糖溶解后，添加復(fù)合乳化穩(wěn)定劑：黃原膠0.15%、蔗糖脂肪酸酯0.10%、微晶纖維素0.25%、單甘酯0.08%（調(diào)配中除燕麥漿與咖啡液配比按照體積比外，其他添加量都是通過質(zhì)量百分?jǐn)?shù)換算），加熱攪拌加快溶解，待基本溶解完全以后，煮沸；9）過膠體磨、均質(zhì)：膠體磨細(xì)度參數(shù)5 μm、均質(zhì)壓力20 MPa、時間10 min，單次即可；10）灌裝：均質(zhì)后迅速進行灌裝，分裝到經(jīng)滅菌處理的200 mL玻璃瓶中，加蓋但不旋緊，放入水浴鍋中加熱脫氣，水沸騰以后把瓶蓋旋緊，然后進行滅菌[15]；11）滅菌：沸水滅菌 15 min，冷卻，儲藏。

1.3.2 燕麥漿酶解試驗

燕麥進行蒸煮糊化打漿以后進行酶解試驗。選擇酶解溫度、酶解時間、酶添加量進行單因素試驗，以燕麥漿中的可溶性糖含量為考察指標(biāo)，確定纖維素酶酶解燕麥的條件[16-17]。

可溶性糖含量測定方法：分別取0.1 mg/mL的葡萄糖溶液 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mL 于試管中，補足1 mL，加入4 mL蒽酮溶液混勻，沸水浴10 min，冷卻至室溫（25℃），在620 nm下測定吸光度，以純水作為空白，作標(biāo)準(zhǔn)曲線。酶解后將燕麥漿過濾去除濾渣，放入離心管中，在6 500 r/min進行離心10 min后取上層清液，稀釋100倍后在620 nm下測定吸光度。

1.3.3 燕麥咖啡飲料的配方工藝優(yōu)化

取一定量的燕麥漿、咖啡液及乳粉、白砂糖進行燕麥咖啡飲料的配方調(diào)配。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇燕麥漿與咖啡液體積比、白砂糖添加量、乳粉添加量為3個考察因素，以感官評分為考察指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，采用響應(yīng)面分析法，對燕麥咖啡飲料的配方進行優(yōu)化。

感官評定方法：選定10名具有食品專業(yè)相關(guān)知識的人員組成感官評定小組，對產(chǎn)品滋味和氣味、組織狀態(tài)、色澤進行綜合評分，取其評分的平均值，評分標(biāo)準(zhǔn)參照谷物類飲料輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[18]，并作修改，見表1[19-20]。

表1 燕麥咖啡飲料的感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standard of oatmeal coffee beverage

1.4 微生物指標(biāo)測定

菌落總數(shù)的測定參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗菌落總數(shù)測定》；大腸菌群測定參照GB 4789.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)》。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥酶解單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1 不同酶解溫度對燕麥漿可溶性糖含量的影響酶解溫度對燕麥漿可溶性糖含量的影響見圖1。

圖1 不同酶解溫度下燕麥漿可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar content of oat pulp under different enzymatic hydrolysis temperatures

由圖1可以得出，隨著酶解溫度的升高，燕麥漿的可溶性糖含量也逐漸升高，到達(dá)65℃時纖維素酶對燕麥酶解的效果最好，可溶性糖含量最高，之后隨著溫度升高，燕麥漿的可溶性糖含量降低。故選擇65℃作為燕麥酶解的溫度。

2.1.2 不同酶添加量對燕麥漿可溶性糖含量的影響

酶添加量對燕麥漿可溶性糖含量的影響見圖2。

圖2 不同酶添加量下燕麥漿可溶性糖含量Fig.2 Soluble sugar content of oat pulp under different enzyme dosage

由圖2可以看出，隨著酶添加量的增加，燕麥漿的可溶性糖含量逐漸增加。當(dāng)添加量到達(dá)40 U/g時酶解效果最好。隨后增加酶添加量，對于燕麥漿的可溶性糖含量影響不大，并且有降低趨勢。故選擇酶添加量為40 U/g。

2.1.3 不同酶解時間對燕麥漿可溶性糖含量的影響

酶解時間對燕麥漿可溶性糖含量的影響見圖3。

圖3 不同酶解時間下燕麥漿可溶性糖含量Fig.3 Soluble sugar content of oat pulp under different enzymatic hydrolysis time

由圖3可以得出，隨著酶解時間的延長，燕麥漿的可溶性糖含量逐漸增加，當(dāng)酶解時間達(dá)到60 min時，可溶性糖含量最高，隨后隨著時間的延長，可溶性糖含量逐漸降低。當(dāng)酶解時間90 min，燕麥漿中水分損失較多。故選擇60 min作為燕麥漿酶解時間。

綜合以上各單因素的試驗結(jié)果，最終燕麥酶解的條件確定為酶解溫度65℃、酶添加量40 U/g、酶解時間60 min。

2.2 燕麥咖啡飲料配方優(yōu)化試驗

2.2.1 燕麥咖啡飲料配方單因素試驗

2.2.1.1 不同燕麥漿與咖啡液體積比對燕麥咖啡飲料感官評分的影響

燕麥漿與咖啡液體積比對燕麥咖啡飲料感官評分的影響見圖4。

圖4 燕麥漿與咖啡液體積比對燕麥咖啡飲料感官評分的影響Fig.4 Effects of different volume ratios of oat pulp and coffee liquid on sensory evaluation score of oatmeal coffee beverage

由圖4可以看出，無論是咖啡液含量過多、還是燕麥漿含量過多，都會讓燕麥咖啡飲料的感官評分降低，當(dāng)燕麥漿與咖啡液體積比為4∶6時，燕麥咖啡飲料的感官評分最高，飲料有咖啡的獨特風(fēng)味，又有燕麥的香味，并且咖啡飲料因為添加燕麥漿而更加細(xì)膩。故選擇燕麥漿與咖啡液體積比 4∶6、5∶5、6∶4 進行響應(yīng)面分析試驗。

2.2.1.2 不同白砂糖添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響

白砂糖添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響見圖5。

圖5 白砂糖添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響Fig.5 Effects of sugar content on sensory evaluation score of oatmeal coffee beverage

由圖5可以看出，當(dāng)白砂糖添加量在7.5%時，燕麥咖啡飲料的感官評分是最高的，甜度適中。白砂糖添加量無論是低于7.5%還是高于7.5%，評分都會降低。故選擇白砂糖添加量7.0%、7.5%、8.0%進行響應(yīng)面分析試驗。

2.2.1.3 不同乳粉添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響

乳粉添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響見圖6。

圖6 乳粉添加量對燕麥咖啡飲料感官評分的影響Fig.6 Effects of milk powder on sensory evaluation score of oatmeal coffee beverage

由圖6可以看出，乳粉添加量在8%時，感官評分最高，飲料有比較濃郁的奶香味，并且咖啡味和奶香味很契合，具有咖啡細(xì)膩的口感。當(dāng)乳粉添加量超過8%時，飲料的感官評分降低，乳粉添加量過高會影響飲料的穩(wěn)定性。故選擇乳粉添加量7%、8%、9%進行響應(yīng)面分析試驗。

2.2.2 燕麥咖啡飲料感官評定響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以感官評分為響應(yīng)值，采用統(tǒng)計分析軟件Design-Expert.V8.0.6建立三因素三水平的Box-Behnken模型設(shè)計方案，進行優(yōu)化試驗，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果Table 2 Response surface design arrangement and corresponding experimental result

運用Design-Expert.V8.0.6軟件對表2中的試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立二次多項式回歸模型。獲得不同因素對燕麥咖啡飲料感官評分的回歸方程：Y=87.76-1.34A+1.13B-0.36C+0.88AB+0.025AC-1.78BC-9.80A2-3.95B2-2.68C2。

對回歸模型進行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

由表 3可知，回歸模型顯著（P＜0.000 1），說明建立的模型有意義；失擬項P=0.896 9＞0.05，實測值與預(yù)測值之間無失擬存在。模型相關(guān)系數(shù)R2=0.985 3，調(diào)整決定系數(shù)R2Adj=0.966 5，表明該模型可以解釋96.65%響應(yīng)值變化，只有3.35%不可用該回歸模型解釋。表明該模型擬合度較好，具有較好的預(yù)測性。結(jié)合F值的大小可以判斷，各因素對感官評分的影響大小為燕麥漿與咖啡液體積比＞白砂糖添加量＞乳粉添加量。得出燕麥咖啡飲料的最佳配方為燕麥漿與咖啡液體積比5.3∶5、白砂糖添加量7.56%、乳粉添加量7.88%，此時感官評分達(dá)到87.9，將工藝參數(shù)修正為燕麥漿與咖啡液體積比5.3∶5、白砂糖添加量7.6%、乳粉添加量7.9%，并對其進行試驗驗證，評分達(dá)到88.5，此配方下的燕麥咖啡飲料，香醇可口，細(xì)膩順滑，顏色呈現(xiàn)咖啡色，深淺適中，富含奶香、咖啡香味。

2.3 微生物指標(biāo)測定結(jié)果

菌落總數(shù)<100 CFU/mL；大腸菌群<1 CFU/mL；符合GB 7101—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)飲料》的規(guī)定。

3 結(jié)論

本文先以單因素試驗確定纖維素酶酶解燕麥的條件，再通過單因素試驗及響應(yīng)面試驗優(yōu)化確定燕麥咖啡飲料的最佳配方。得到纖維素酶酶解燕麥的條件為酶解溫度65℃、酶添加量40 U/g、酶解時間60 min；燕麥咖啡飲料的最佳配方為燕麥漿與咖啡液體積比5.3∶5、白砂糖添加量7.6%、乳粉添加量7.9%。在此配方下制作的燕麥咖啡飲料口感細(xì)膩、色澤均勻、符合大眾口味。添加燕麥漿使咖啡中富含膳食纖維，是一款適合早餐飲用的咖啡，提神醒腦的同時為身體提供能量。本研究有助于提升咖啡、燕麥的經(jīng)濟價值，推動云南咖啡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。