基于Z-score 評價模型優(yōu)化梨膏護(hù)色工藝

李 月，趙江麗，張笑瑩，王永霞，關(guān)軍鋒,*

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院生物技術(shù)與食品科學(xué)研究所，河北 石家莊 050051）

梨膏是梨汁的熱濃縮加工產(chǎn)品，富含糖類、酚類、有機(jī)酸等，加工過程中極易發(fā)生酶促褐變和非酶褐變[1-2]，使成品梨膏顏色變深，影響其風(fēng)味和感官品質(zhì)，因此，護(hù)色是梨膏制備工藝的重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)和研究中常以檸檬酸、L-半胱氨酸、維生素C、亞硫酸鹽、氯化鈉、植源成分等復(fù)合使用，采用果塊護(hù)色處理后再榨汁的工藝[2-4]，以褐變度或感官品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行護(hù)色效果評價[5-6]。該法對果塊和鮮榨汁的非酶褐變有較好的抑制作用，但對高溫熬煮過程中的美拉德反應(yīng)、非酶氧化等非酶褐變的控制作用不明顯。以褐變度或感官評分等單一指標(biāo)作為評判依據(jù)，也不能反映總酚、總黃酮等功能成分的含量和生物活性的變化。因此，系統(tǒng)分析產(chǎn)品色澤、營養(yǎng)成分和功效活性，建立多指標(biāo)綜合評價方法，開發(fā)對酶促褐變和非酶褐變均有抑制作用的護(hù)色工藝，對梨膏質(zhì)量研究具有重要意義。

鴨梨（Pyrus bretschneideri）為白梨系統(tǒng)優(yōu)良品種，肉質(zhì)細(xì)膩、汁液豐富[7-8]，含有糖類、有機(jī)酸、多酚、黃酮、多種維生素，以及鐵、鈣、磷等礦質(zhì)成分[9-12]。梨膏是鴨梨的主要深加工產(chǎn)品，口感清新，甜香適中，具有止咳平喘、抗炎抑菌、抗氧化、預(yù)防癌癥[3]等功效，深受消費(fèi)者喜愛。

本研究將以鴨梨鮮榨汁為原料，采用煮沸濃縮工藝制備梨膏，在褐變度、總酚含量、總黃酮含量測定和感官評價的基礎(chǔ)上建立Z-score（Z 值）法綜合評價模型[13-14]，并以Z 值為考察指標(biāo)，通過單因素實驗和響應(yīng)面試驗對梨膏護(hù)色劑種類的添加量進(jìn)行優(yōu)化，以期為鴨梨膏的進(jìn)一步開發(fā)提供研究基礎(chǔ)，為梨膏產(chǎn)品護(hù)色工藝改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鴨梨 采摘于河北省趙縣梨園，選取成熟度均勻、無病蟲害的完好梨果入0 ℃冷庫保存?zhèn)溆茫豢箟难?食品級，鄭州拓洋實業(yè)有限公司；檸檬酸食品級，河北百味生物科技有限公司；偏重亞硫酸鉀、亞硝酸鈉、硝酸鋁 分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；福林酚 分析純，北京博奧拓達(dá)科技有限公司；2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl（DPPH） 北京酷來博科技有限公司；沒食子酸 分析純，上海BBI 生命科學(xué)有限公司；蘆丁 分析純，生工生物工程（上海）股份有限公司。

LC-EA3S 灶頭（電陶爐） 廣東順德忠臣電器有限公司；UV-2600 紫外可見分光光度計 日本島津公司；HU24FR3L 多功能榨汁機(jī) 韓國惠人電子有限公司；PAL-α折光儀 日本ATOGO 公司；PEN3型電子鼻 德國Airsense 公司；SA-4028 型電子舌日本Insent 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鴨梨膏的制備工藝 鴨梨（可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）為11.8 Brix°；果肉含水率為87.21%；pH 為4.73；可滴定酸含量為0.06 g/mL）洗凈、去核、切塊后立即榨汁，收集于預(yù)先加入護(hù)色劑的容器中，混勻后過200 目篩得清汁，采用傳統(tǒng)煮沸濃縮，濃縮過程中不斷撇去浮沫，至白利度為70±1 Brix°時濃縮結(jié)束，趁熱分裝得成品。

由于梨膏過于粘稠，需要稀釋后測定有關(guān)指標(biāo)，并進(jìn)行品嘗試驗。取鴨梨膏適量，加水稀釋至與原初梨汁相同的SSC（11.8 Brix°），于6000 r/min 離心15 min，取上清液為梨膏稀釋樣品，進(jìn)行有關(guān)指標(biāo)的測定分析。

1.2.2 單因素實驗 參考其它文獻(xiàn)報道[2]和預(yù)實驗結(jié)果，選擇抗壞血酸、檸檬酸和偏重亞硫酸鉀為護(hù)色劑。以Z 值為評價指標(biāo)，通過單因素實驗考察各成分不同劑量、單獨使用的護(hù)色效果。

1.2.2.1 抗壞血酸添加量的確定 準(zhǔn)確量取1000 mL梨汁，分別添加0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%（m/v）抗壞血酸，共5 個水平，以Z 值為評價指標(biāo)，進(jìn)行抗壞血酸最佳添加劑量的篩選。

1.2.2.2 檸檬酸添加量的確定 準(zhǔn)確量取1000 mL梨汁，分別添加0.02%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%（m/v）檸檬酸，共5 個水平，以Z 值為評價指標(biāo)，進(jìn)行檸檬酸最佳添加劑量的篩選。

1.2.2.3 偏重亞硫酸鉀添加量的確定 準(zhǔn)確量取1000 mL 梨汁，分別添加0.01%、0.015%、0.02%、0.025%、0.03%（m/v）偏重亞硫酸鉀，共5 個水平，以Z 值為評價指標(biāo)，進(jìn)行偏重亞硫酸鉀最佳添加劑量的篩選。

1.2.3 響應(yīng)面試驗 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Design Expert 8.06 軟件中的Box-Behnken Design設(shè)計響應(yīng)面試驗的因素和水平，三因素三水平試驗設(shè)計見表1。以Z 值為響應(yīng)值，對梨膏復(fù)合護(hù)色工藝進(jìn)行優(yōu)化。并在優(yōu)化工藝條件下制備樣品，通過品質(zhì)指標(biāo)檢測和Z 值分析對模型進(jìn)行驗證。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.4 褐變度測定 參照趙欣等[15]的方法略作改動。取梨膏稀釋樣品4 mL，以蒸餾水作空白對照，以O(shè)D420nm值代表其褐變度。

1.2.5 總酚含量測定 參照付依依等[16]的方法稍作修改。準(zhǔn)確吸取0.5 mg/mL 沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 加水定容至1.0 mL。分別取各濃度梯度標(biāo)準(zhǔn)液0.5 mL 置于10 mL 試管中，于標(biāo)準(zhǔn)管分別加入0.5 mL 福林酚試劑，再加入1.0 mL Na2CO3（7%），加水定容至6 mL，室溫避光反應(yīng)1 h后，于765 nm 下測定吸光度值，以蒸餾水作為空白對照，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。分別量取各梨膏稀釋樣品0.5 mL 按照上述相同操作進(jìn)行顯色反應(yīng)，所得結(jié)果帶入回歸方程y=0.0812x+0.1082（R2=0.999），計算樣品總酚含量。

1.2.6 總黃酮含量測定 總黃酮含量測定參照Rekha等[17]的方法稍作修改。準(zhǔn)確吸取1 mg/mL 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL，用70%乙醇定容至1 mL。分別取各濃度梯度標(biāo)準(zhǔn)液0.3 mL 置于50 mL 具塞比色管中，于標(biāo)準(zhǔn)管分別加入0.3 mL 亞硝酸鈉（5%），6 min 后各加入0.3 mL 硝酸鋁（10%），混勻靜置，6 min后各加入4 mL NaOH（1 mol/L），靜置10 min，于波長510 nm 處測定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時做空白對照。分別量取各梨膏稀釋樣品0.3 mL 按照上述相同操作進(jìn)行顯色反應(yīng)，所得結(jié)果帶入回歸方程y=4.923x+0.1133（R2=0.9993），計算樣品總黃酮含量。

1.2.7 感官評價標(biāo)準(zhǔn) 取適量鴨梨膏于樣品杯中，加水稀釋至與原梨汁的SSC（11.8 Brix°）一致，以其色澤、氣味、滋味、組織狀態(tài)作為評價指標(biāo)[18]，召集5 位食品專業(yè)相關(guān)人員組成評定小組進(jìn)行評價，評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 鴨梨膏感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of “Yali” pear paste

1.2.8 Z-score 法綜合評價模型的建立 Z-score 法綜合評價模型的建立參考趙應(yīng)征等[13]的方法略作修改，計算公式如下：

式（1）中：Xi 為某一指標(biāo)值， Xi為該指標(biāo)均值，Si 為該指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差；式（2）中：∑Zi表示該試驗組各指標(biāo)Zi 值總和，Zi高優(yōu)為計算指標(biāo)中數(shù)值越大結(jié)果越優(yōu)的指標(biāo)值，Zi低優(yōu)為計算指標(biāo)中數(shù)值越小結(jié)果越優(yōu)的指標(biāo)值。在計算∑Zi時，對“高優(yōu)”指標(biāo)的Zi 值予以“加上”，對“低優(yōu)”指標(biāo)的Zi 值予以“減去”，使計算結(jié)果無量綱化，即∑Zi數(shù)值越大代表結(jié)果越優(yōu)。本研究中感官評分、總酚含量、總黃酮含量為“高優(yōu)”指標(biāo)，褐變度為“低優(yōu)”指標(biāo)。

1.2.9 電子鼻氣味測定 參照Hong 等[19]的方法略作修改。取鴨梨膏稀釋樣品6 mL 于頂空瓶中，于40 ℃孵浴30 min，采用頂空取樣，電子鼻清洗時間100 s，調(diào)零時間5 s，準(zhǔn)備時間5 s，空氣流速400 mL/min，檢測時間120 s，選取110～112 s 響應(yīng)值用于數(shù)據(jù)分析。PEN3 型10 種傳感器的響應(yīng)特性信息見表3。

表3 PEN3 型電子鼻傳感器響應(yīng)特征Table 3 Response characteristics of PEN3 electronic nose sensor

1.2.10 電子舌滋味測定 參照Guan 等[20]的方法略作修改。取鴨梨膏稀釋樣品30 mL 于樣品杯中，并按順序擺放電極清洗液、校準(zhǔn)液和參比液，用于電子舌測定。測定味覺指標(biāo)包括酸味、苦味、澀味、咸味、鮮味、甜味、豐富度、回味-A 和回味-B，味覺測試條件見表4。

表4 電子舌滋味測定條件Table 4 Electronic tongue taste determination conditions

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個梨膏樣品重復(fù)3 次測定，以Design Expert.V8.0.6.1 軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計，以 Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、作圖，以GraphPad Prism 8 軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，電子鼻采用Winmuster 軟件進(jìn)行主成分分析和載荷分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 抗壞血酸添加量的影響 不同抗壞血酸添加量對鴨梨膏各品質(zhì)指標(biāo)及Z 值的影響顯著（表5）。抗壞血酸的加入可明顯降低梨膏的褐變度，抗壞血酸添加量為0.03%時褐變度最低為0.22，之后繼續(xù)增加抗壞血酸，梨膏的褐變度基本不變或略有升高?？偡?、總黃酮含量和感官評價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，且抗壞血酸添加量為0.03%時，梨膏感官得分、總酚、總黃酮含量均最高，此時Z 值達(dá)到峰值為5.10，梨膏色澤均勻呈亮黃色，帶有梨果特殊香味，酸甜感適中，為半透明膏狀。這與徐佳等[21]的研究結(jié)果相似，隨著異抗壞血酸鈉添加量的逐漸增加，對杏酒的褐變抑制率先上升后緩慢下降，當(dāng)異抗壞血酸鈉添加量為0.6～0.8 g/L 時對杏酒褐變抑制率最大?？箟难岬倪€原性遠(yuǎn)強(qiáng)于酚羥基，可以通過自身氧化消耗氧化酶和活性氧，抑制鮮梨汁中的酶促褐變和加工中的氧化褐變，添加少量即可達(dá)到抑制酶促褐變的目的。但抗壞血酸氧化、轉(zhuǎn)化后生成的多羥基酮類可通過多種非酶褐變途徑生成褐色物質(zhì)。因此，過量的抗壞血酸還會導(dǎo)致褐變度增加[22]。綜合考慮，選擇抗壞血酸添加比例為0.02%、0.03%、0.04%用作后續(xù)研究。

表5 不同抗壞血酸添加量時Z-score 法綜合評價結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different sodium ascorbate addition

在本研究中，Z 值法綜合評價結(jié)果與褐變度、感官評價得分、總酚、總黃酮含量單一指標(biāo)評價結(jié)果一致，表明建立的Z 值法綜合評價模型成立，能夠較好地反映指標(biāo)間的變化關(guān)系。

2.1.2 檸檬酸添加量的影響 不同檸檬酸添加量對鴨梨膏各品質(zhì)指標(biāo)及Z 值的影響顯著（表6）。檸檬酸的加入可明顯降低梨膏的褐變度，檸檬酸添加量為0.05%時褐變度最低為0.23，用量繼續(xù)增加，梨膏的褐變度顯著升高（P＜0.05）?？偡印⒖傸S酮含量和感官評價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，且檸檬酸添加量為0.05%時，梨膏感官得分、總酚、總黃酮含量均較高，此時Z 值達(dá)到峰值為1.84，梨膏酸甜感適中，狀態(tài)穩(wěn)定，呈微黃色半透明膏狀。檸檬酸是一種有機(jī)弱酸，能夠降低體系的pH，減緩美拉德反應(yīng)的反應(yīng)速率，其自身的羧基還可與多酚氧化酶活性中心的Cu2+螯合從而抑制多酚氧化酶的活性[23]，防止梨膏褐變。張凱悅等[24]研究發(fā)現(xiàn)0.2%的檸檬酸對黃冠梨汁褐變抑制效果最好；何曉勇等[25]研究表明0.9 g/100 mL 的檸檬酸可顯著降低花生芽菜樣液的吸光度。因此，這里選擇檸檬酸添加比例0.05%、0.10%、0.15%作為后續(xù)研究。

表6 不同檸檬酸添加量時Z-score 法綜合評價結(jié)果Table 6 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different citric acid addition

2.1.3 偏重亞硫酸鉀添加量的影響 不同偏重亞硫酸鉀添加量對鴨梨膏各品質(zhì)指標(biāo)及Z 值的影響顯著（表7）。偏重亞硫酸鉀的加入可明顯降低梨膏的褐變度，偏重亞硫酸鉀添加量為0.02%時褐變度最低為0.17，繼續(xù)增加用量梨膏的褐變度顯著升高（P＜0.05）?？偡雍亢透泄僭u價得分則隨添加量的增加總體呈先升后降趨勢，而總黃酮含量呈先降后升趨勢，當(dāng)偏重亞硫酸鉀添加量為0.02%時，Z 值達(dá)到峰值為2.37，梨膏呈微黃色半透明膏狀，酸甜感適中，狀態(tài)穩(wěn)定。偏重亞硫酸鉀是一種常見的食品多功能劑，對非酶褐變和酶促褐變均具有較好的抑制作用，同時可抑制微生物生長[21]。許鵬麗等[26]研究結(jié)果表明，0.002%～0.008%的亞硫酸鈉對橙汁有較好的褐變抑制效果，且在此范圍內(nèi)褐變度隨亞硫酸鈉濃度的增大而降低，繼續(xù)增大用量，橙汁褐變度則會升高，本研究結(jié)果與之吻合。綜合考慮，選擇偏重亞硫酸鉀添加比例為0.015%、0.02%、0.025%。

表7 不同偏重亞硫酸鉀添加量時Z-score 法綜合評價結(jié)果Table 7 Comprehensive evaluation results of Z-score method with different emphasis on potassium sulfite addition

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果 以Z 值為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面法對抗壞血酸添加量、檸檬酸添加量和偏重亞硫酸鉀添加量進(jìn)行回歸分析，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表8。

表8 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 8 Response surface test design and results

將試驗結(jié)果進(jìn)行二次多項回歸擬合，得到回歸方程：Z=3.77-1.79A-1.27B+1.52C-0.99AB+1.91AC+1.20BC-0.56A2-1.42B2-4.13C2， 二 次 回 歸 模 型P=0.0005＜0.01，說明該二次方程模型具有顯著水平，回歸模型的失擬項P=0.1348＞0.05，證明該模型的擬合度良好，試驗設(shè)計合理，模型的殘差可能是由于隨機(jī)誤差導(dǎo)致的。決定系數(shù)R2=0.9784，說明該模型成立，可以用來反映各因素對鴨梨膏的差異,可以通過該模型確定鴨梨膏的最佳護(hù)色劑添加量（表9）。

由表9 可以看出抗壞血酸、檸檬酸、偏重亞硫酸鉀添加量都對梨膏的Z 值有顯著影響（P＜0.05），且經(jīng)過F值檢驗可以得到各因素對Z 值的影響程度為抗壞血酸添加量（A）＞偏重亞硫酸鉀添加量（C）＞檸檬酸添加量（B）。此外，AB、A2項對Z 值無顯著影響（P＞0.05）；BC、B2項對Z 值影響顯著（P＜0.05）；AC、C2項對Z 值影響極顯著（P＜0.01）。

表9 回歸模型方差分析Table 9 Analysis of variance of regression model

通過回歸方程編織出的2D 等高線圖和3D 響應(yīng)面圖形如圖1 所示。其反映了單因素A、B、C 中任意一個變量取0 水平時，另外兩個單變量對Z 值的影響[27]。當(dāng)兩個因素間存在交互作用時，相應(yīng)等高線圖為橢圓形或馬鞍形、響應(yīng)面圖彎曲程度越大，代表該因素對Z 值的影響就越大?？箟难崽砑恿浚ˋ）與偏重亞硫酸鉀添加量（C）、檸檬酸添加量（B）與偏重亞硫酸鉀添加量（C）交互作用明顯，抗壞血酸添加量（A）與檸檬酸添加量（B）交互作用不明顯，這與方差分析結(jié)果一致。

圖1 各因素對鴨梨膏Z 值交互作用的等高線和響應(yīng)面圖Fig.1 Contour and response surface diagram of interaction of various factors on Z value of “Yali” pear paste

2.2.2 最佳護(hù)色工藝預(yù)測及驗證實驗 根據(jù)回歸模型，預(yù)測鴨梨膏最佳護(hù)色條件為抗壞血酸添加量0.02%、檸檬酸添加量0.05%、偏重亞硫酸鉀添加量0.02%。在此條件下平行制備鴨梨膏3 份，測得其平均褐變度為0.201、感官得分為9.38、總酚含量為59.80 μg/mL、總黃酮含量為80.10 μg/mL，Z 值為5.14，與預(yù)測值5.03 接近，說明優(yōu)化結(jié)果可靠。

2.3 鴨梨膏的風(fēng)味評價

2.3.1 電子鼻對鴨梨膏的氣味分析 采用主成分分析法將10 種傳感器的信號結(jié)果降維成第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2），2 組鴨梨膏揮發(fā)性物質(zhì)的總貢獻(xiàn)率為98.87 %（圖2），充分涵蓋了樣品的主要信息，且各組數(shù)據(jù)在PC1 上的分布特征是決定區(qū)分效果的主要因素。護(hù)色梨膏和未護(hù)色梨膏在第一主成分可以實現(xiàn)完全分離，說明兩種鴨梨膏在味覺指標(biāo)上具有明顯差異性，電子鼻可以準(zhǔn)確識別和區(qū)分護(hù)色處理鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏。

圖2 護(hù)色鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏PCA 結(jié)果Fig.2 PCA result of color-protected and non color-protected“Yali” pear paste

利用載荷分析對各傳感器的區(qū)分作用進(jìn)行分析，由圖3 可知，第一主成分（PC1）貢獻(xiàn)率占比為96.17%，PC1 特征值越大對區(qū)分效果越有效，分布越靠近原點（0，0）附近的傳感器對樣品的區(qū)分作用越小[28]。W3C、W2W、W5S 和W6S 這四種傳感器具有明顯的區(qū)分作用，其中W3C（對氨類、芳香族化合物敏感）傳感器總貢獻(xiàn)率最大，占到總變量的98.87%，為用于區(qū)分護(hù)色鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏的主要傳感器。

圖3 護(hù)色鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏載荷貢獻(xiàn)率分析圖Fig.3 Analysis of load contribution rate of color-protected and non color-protected “Yali” pear paste

2.3.2 電子舌對鴨梨膏的滋味分析 由圖4 可知，與未護(hù)色鴨梨膏相比，護(hù)色鴨梨膏的酸味和豐富度檢測傳感器響應(yīng)值明顯增大，甜味、苦味、澀味、回味-A、回味-B、鮮味、咸味檢測傳感器響應(yīng)無明顯差異。因此，通過對其酸味和豐富度進(jìn)行測定，可以達(dá)到對護(hù)色鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏的有效區(qū)分。

圖4 護(hù)色鴨梨膏和未護(hù)色鴨梨膏口味雷達(dá)圖Fig.4 Radar chart of taste of color-protected and non colorprotected “Yali” pear paste

3 結(jié)論

通過單因素實驗和響應(yīng)面試驗確定鴨梨膏最優(yōu)護(hù)色工藝為：抗壞血酸添加量0.02%（m/v）、檸檬酸添加量0.05%（m/v）、偏重亞硫酸鉀添加量0.02%（m/v），此時鴨梨膏褐變度為0.201、感官得分為9.38、總酚含量為59.80 μg/mL、總黃酮含量為80.10 μg/mL，Z 值法綜合評價得分為5.14。添加護(hù)色劑可以有效降低梨膏的褐變度，提高總酚、總黃酮含量和感官評價得分。綜合考慮褐變度、總酚含量、總黃酮含量和感官評分結(jié)果，建立Z 值法綜合評價模型，可以提高評價結(jié)果的科學(xué)性和客觀性。利用電子舌和電子鼻等仿生感官儀器還可有效對護(hù)色和未護(hù)色鴨梨膏的氣味和滋味進(jìn)行區(qū)分和判別。