D-最優(yōu)混料設(shè)計(jì)優(yōu)化手剝即食核桃復(fù)配抗氧化劑配方

包永華，施佳萍，李煌俊

1.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院（杭州 310018）；2.浙江巨邦高新技術(shù)有限公司（杭州 310018）

核桃是世界上消費(fèi)最廣泛的商業(yè)種植樹堅(jiān)果之一。核桃有許多健康益處，包括降低心血管疾病、冠心病、2型糖尿病和某些癌癥的風(fēng)險(xiǎn)，以及減輕與年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的癥狀。食用核桃對(duì)健康的好處歸功于它的脂肪酸組成，它富含多不飽和脂肪酸，具有特別高的ω-3∶ω-6比率，有防治動(dòng)脈硬化的功效[1-2]。然而，多不飽和脂肪酸對(duì)氧化的敏感性很高，這限制了核桃的保質(zhì)期[3]。核桃氧化過程導(dǎo)致必需脂肪酸的流失，腐爛和異味的出現(xiàn)，有毒化合物的產(chǎn)生和不利的顏色變化，從而降低產(chǎn)品的感官、化學(xué)、營(yíng)養(yǎng)和產(chǎn)品質(zhì)量，最終導(dǎo)致消費(fèi)者排斥[4]。

在手剝即食核桃加工過程中，為了延長(zhǎng)核桃產(chǎn)品的保質(zhì)期，可以添加抗氧化劑來延緩酸敗的發(fā)展。合成抗氧化劑在核桃產(chǎn)品加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是叔丁基對(duì)苯二酚（TBHQ），因其成本低廉且具有良好的抗氧化效果[5]。陳樹俊等[6]的研究結(jié)果顯示，在五香手剝核桃中添加TBHQ可以有效延緩其氧化酸敗的過程。另外，趙聲蘭等[7-8]的研究結(jié)果表明在核桃油中使用TBHQ作為抗氧化劑，可以獲得最佳的抗氧化效果。隨著人們對(duì)健康的日趨關(guān)注，尋找高效、低毒的復(fù)配抗氧化劑對(duì)于防止紙皮核桃氧化具有重要意義[9]。

混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)作為一種受條件約束DOE的特殊類型，可以輕松對(duì)混合物設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字和圖形分析，在食品新產(chǎn)品研發(fā)和工藝配方優(yōu)化中發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用[10]。研究以紙皮核桃為研究對(duì)象，以天然抗氧化劑為主體，輔以少量人工合成抗氧化劑叔丁基對(duì)苯二酚（TBHQ）復(fù)配進(jìn)行混料設(shè)計(jì)，以產(chǎn)品在保質(zhì)期內(nèi)酸價(jià)和過氧化值的變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究其對(duì)核桃氧化穩(wěn)定性的影響，以期開發(fā)一種以天然抗氧化劑為主體的復(fù)配抗氧化劑，實(shí)現(xiàn)核桃保質(zhì)期的延長(zhǎng)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆185核桃（新疆果業(yè)集團(tuán)有限公司）；TBHQ（食品級(jí)，山東百事益食品科技有限公司）；油溶性茶多酚（食品級(jí)，＞98%，安徽紅星藥業(yè)股份有限公司）；異抗壞血酸鈉（食品級(jí)，鄭州拓洋實(shí)業(yè)有限公司）；無水檸檬酸（食品級(jí)，山東英軒實(shí)業(yè)股份有限公司）。

冰乙酸、無水乙醇、異丙醇、乙醚、酚酞、石油醚（30～60 ℃）、氫氧化鉀、硫代硫酸鈉、三氯甲烷、碘化鉀、無水硫酸鈉（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-SJ電動(dòng)攪拌器（常州金壇西城新瑞儀器廠）；ZQM小型研磨機(jī)（鶴壁市冶金機(jī)械設(shè)備有限公司）；REV-52 CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海雅榮生化設(shè)備儀器有限公司）；CP224 C電子天平（奧豪斯儀器有限公司）；1013 ES電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；LRH1150 F型恒溫培養(yǎng)箱（上海恒科學(xué)儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)配抗氧化劑試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合考慮成本及抗氧化效果，根據(jù)GB 2760—2014《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》[11]確定了各組分添加的上限。TBHQ的添加量由前期單因素試驗(yàn)確定，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert 12.0.0.1（Stat-Ease Inc.）中的D-optimal設(shè)計(jì)方法。

復(fù)配抗氧化劑在紙皮核桃料液中的添加量為3～5 g/kg，約束條件如表1所示。

表1 抗氧化劑添加量的設(shè)定

1.3.2 核桃制備工藝流程

核桃開口→清洗→殺青→料水配制→添加復(fù)配抗氧化劑→浸泡→機(jī)械瀝水→烤制→冷卻→包裝編號(hào)→加速氧化試驗(yàn)

工藝操作要點(diǎn)：選擇新疆185紙皮核桃原果，清水沖洗后經(jīng)開口處理，破口間距控制在3～5 mm；完成后置于80 ℃烘箱內(nèi)殺青6 h；復(fù)配氧化劑按照料液質(zhì)量的0.3%添加，攪拌器攪拌充分溶解，將殺青好的核桃立刻放入料液，浸泡3 min至充分滲透，然后振蕩瀝水后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度80 ℃、時(shí)間7 h；結(jié)束后，采用鋁箔袋包裝封口，記錄試驗(yàn)日期。

1.3.3 紙皮核桃加速氧化試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Schaal烘箱法對(duì)手剝即食核桃的抗氧化性能進(jìn)行加速測(cè)定[12-13]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：將20份核桃添加不同復(fù)合抗氧化劑，將樣品放入鋁箔袋中，在60±1℃的恒溫培養(yǎng)箱中閉口保存20 d；在試驗(yàn)周期結(jié)束后，對(duì)樣品的過氧化值（POV）和酸價(jià)（AV）這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)每組都進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，并將這些試驗(yàn)結(jié)果取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.4 過氧化值的測(cè)定方法

試驗(yàn)采用的過氧化值（POV）測(cè)定方法是GB 5009.227—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測(cè)定》[14]第一法，即滴定法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5 酸價(jià)的測(cè)定方法

試驗(yàn)采用的酸價(jià)（AV）測(cè)定方法是GB 5009.229—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測(cè)定》[15]第二法，即滴定法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不添加抗氧化劑的紙皮核桃的加速氧化試驗(yàn)

根據(jù)圖1所示，不添加抗氧化劑的手剝即食核桃在相同的溫度和時(shí)間條件下，隨著時(shí)間的推移，其過氧化值和酸價(jià)逐漸增加。在放置10 d后，紙皮核桃的過氧化值超過0.08 g/100 g，酸價(jià)超過1 mg/g，核桃的品質(zhì)和食用價(jià)值已經(jīng)明顯下降。然而，成品手剝即食核桃通常需要保持在銷售時(shí)間180 d以上，因此有必要添加抗氧化劑來延長(zhǎng)核桃產(chǎn)品的保質(zhì)期。

圖1 加速氧化條件下不添加抗氧化劑的手剝即食核桃的過氧化值和酸價(jià)

2.2 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

按照軟件設(shè)計(jì)的不同組合，對(duì)A（TBHQ）、B（異抗壞血酸鈉）、C（油溶性茶多酚）、D（檸檬酸）4種抗氧化劑進(jìn)行復(fù)配，共20個(gè)組合，設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。軟件分別通過Quadratic和Special Cubic模型，對(duì)POV值和AV兩個(gè)評(píng)價(jià)響應(yīng)值進(jìn)行回歸擬合，建立POV和AV值的回歸方程，如式（1）和（2）所示。

表2 設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果

POV=-10.60A+0.213 7B-4.54C+0.345 3D+14.39AB+20.75AC+12.50AD+4.75BC-0.351 8BD+6.01CD （1）

AV=5.85A+0.245 0B+4.13C+0.320 3D-6.85AB-42.87AC-8.36AD-6.57BC-0.782 8BD-6.92CD+48.07ABC-2.53ABD+56.34ACD+5.85BCD （2）

2.3 最優(yōu)混料設(shè)計(jì)方差分析

應(yīng)用軟件進(jìn)一步對(duì)POV和AV兩個(gè)評(píng)價(jià)響應(yīng)值的回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3和表4。

表3 POV的二次回歸方程模型方差分析表

表4 AV的二次回歸方程模型方差分析表

根據(jù)表3中的方差分析（ANOVA）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)POV響應(yīng)值的回歸方程模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（0.01＜P＜0.05）。失擬項(xiàng)的P值為0.606 6，表明它對(duì)模型沒有明顯影響。計(jì)算出的變異系數(shù)（C.V.）為19.46%，置信度較高，說明AV值與回歸模型的擬合較好?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.942 3，校正系數(shù)為0.817 3。這表示回歸模型能夠解釋POV值變異的94.23%，且經(jīng)過校正后的調(diào)整R2也較高，說明模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度較好。BC、ABC交互作用是極顯著的，說明B和C因素的交互作用對(duì)POV值的影響非常顯著。AB、AC、AD、BD、CD、ABD、ACD、BCD交互作用也是顯著的，表明這些因素之間的交互作用對(duì)POV值的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

根據(jù)表4中的方差分析（ANOVA）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)AV響應(yīng)值的回歸方程模型具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。失擬項(xiàng)的P值為0.118 9，表明它對(duì)模型沒有明顯影響?；貧w方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.936 1，校正系數(shù)為0.878 7。這意味著AV變量的約93.61%的變異可以由A、B、C、D四個(gè)自變量的變化來解釋。這個(gè)方程可以很好地?cái)M合AV和配方比例之間的關(guān)系，說明模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)AV值。此外，從表4還可以觀察到AB、AC、AD、BC、BD交互作用極顯著，CD交互作用也顯著。這些交互作用對(duì)AV變量具有重要影響。

2.4 配方優(yōu)化與驗(yàn)證

根據(jù)軟件的優(yōu)化，得到表5的1～3試驗(yàn)號(hào)共3組優(yōu)化的紙皮核桃復(fù)配抗氧化劑配方，其中第4試驗(yàn)號(hào)為空白試驗(yàn)。為了證實(shí)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的擬合程度，取模型分析得到的配方加工核桃，將得到的樣品加速氧化保存20 d后平行3次測(cè)定POV和AV的值，結(jié)果取平均值。

表5 配方優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)

表5中3組抗氧化劑優(yōu)化配方的實(shí)際測(cè)量值與回歸模型預(yù)測(cè)值基本吻合，表明優(yōu)化所得復(fù)配抗氧化劑可靠。另外，從表5的1～3試驗(yàn)號(hào)與空白組4試驗(yàn)號(hào)結(jié)果比較得知，添加了復(fù)配抗氧化劑的紙皮核桃POV和AV值大幅度降低。對(duì)3組抗氧化劑配方的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇POV和AV值相對(duì)較低的3試驗(yàn)號(hào)作為試驗(yàn)優(yōu)化的最優(yōu)值，即TBHQ添加量0.20 g/kg、異抗壞血酸鈉添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、檸檬酸添加量0.31 g/kg，加速氧化保存20 d后，POV和AV的值分別為0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g。

3 結(jié)論

用Schaal烘箱加速氧化方法對(duì)紙皮核桃進(jìn)行加速氧化處理20 d，以POV和AV值為產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用最優(yōu)混料設(shè)計(jì)法優(yōu)化TBHQ（A）、異抗壞血酸鈉（B）、油溶性茶多酚（C）、檸檬酸（D）這四種抗氧化劑的復(fù)配配方。通過建立回歸模型評(píng)估了這些指標(biāo)，并分析了這些因素之間的交互作用。同時(shí)，通過驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了幾組較優(yōu)的配方。試驗(yàn)測(cè)定值與預(yù)測(cè)值基本吻合，這表明該模型相當(dāng)可靠。

采用的優(yōu)化復(fù)配抗氧化劑配方如下：TBHQ添加量0.20 g/kg、異抗壞血酸鈉添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、檸檬酸添加量0.31 g/kg。加速氧化保存20 d后，POV和AV值分別為0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g，對(duì)紙皮核桃的抗氧化效果最顯著。因此，使用這種復(fù)合抗氧化劑可以有效地抑制紙皮核桃的氧化進(jìn)程，從而在其保質(zhì)期內(nèi)獲得較好的抗氧化效果。這項(xiàng)研究為延長(zhǎng)紙皮核桃等堅(jiān)果炒貨的保質(zhì)期提供了新的思路，為今后的進(jìn)一步研究提供了寶貴的參考。