基于混料回归设计的柳橙、草莓果味饮料配方设计及优化

吴 丹，章振武，张爱群，叶兴乾，*，陈健初

(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州310058;2.杭州佳禾食品有限公司，浙江杭州310001)

柳橙属于柑橘类水果，营养丰富，不仅含人体所需的6大营养元素，而且氨基酸齐全、VC含量较高［1-2］。柳橙果汁因糖酸比适宜，风味佳，深受消费者喜爱，是全球最受欢迎的果汁饮品之一，约占世界果汁类饮料消费的2/3［3］。大量的研究表明，食用柑橘类水果利于抗癌和防止心血管疾病［4-6］。草莓在欧洲有“水果皇后”美誉之称，其VC含量比苹果高11.7倍，同时含类黄酮和酚酸类物质，具有抗氧化、增强免疫力、预防心脑血管疾病、预防贫血、抗癌等作用［7］。自上个世纪90年代开始，人们就对橙汁饮料和草莓汁饮料进行了大量的研究，主要包括清汁或者浊汁饮料［8-10］、果蔬或水果复合饮料［11-13］、发酵饮料［14-15］、乳饮料类［16-17］等。

果汁类饮料的配方设计涉及混料问题。混料设计是工农业科学实验中经常运用到的实验设计［18-22］。在混料实验中，每个组分以占有的百分数来表示，各个组分加和计算为1。目前的文献报道中以正交实验来优化果汁饮料配方的较为多见，而混料设计方法在柳橙果味饮料和草莓果味饮料的配方优化中还未涉及。本文结合食品感官评定法对柳橙和草莓果味饮料配方进行混料回归设计优化实验，得出优选的柳橙和草莓果味配方组合，同时通过增加相关的色香味辅料进一步实验实现果味饮料色香味的优化，最终确定较优的柳橙味饮料配方和草莓味饮料配方。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柳橙汁(糖度:66°Bé，酸度:4.16%)、草莓汁(糖度:62.5°Bé，酸度:1.16%) 杭州博多工贸有限公司提供;蔗糖、食盐 市售;柠檬酸 购自山东省中创柠檬生化有限公司;色素和香精 购自杭州绿精香精有限公司;黄原胶(食品级)和瓜尔豆胶(食品级) 购自河北金丰化工有限公司。

WX-300的索尼数码相机 购自日本索尼公司。

1.2 果味饮料的制备

将蔗糖和柠檬酸、食盐等各种配料按照混料设计表中的比例放入煮沸的纯净水充分溶解，待冷却到50～60℃时，加入纯果汁混匀，用均质机在18～22MPa下进行均质处理，而后装罐巴氏杀菌得到成品。

1.3 实验方法

1.3.1 混料设计 本研究利用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5，采用混料设计方法，对柳橙和草莓果味饮料的配方进行设计优化。经过初步预实验后，果汁浓度范围选定为3%～5%，蔗糖的浓度范围选定为20%～40%，柠檬酸的浓度范围为0.2%～0.5%，食盐的浓度范围为0.04%～0.08%，其余为纯净水。混料设计表如表1。

1.3.2 感官评价 22位感官评价员通过评分检验法对得到的果味饮料从色泽、香味、口感、外观三方面进行感官评定。感官评价标准如表2。

1.3.3 配方优化 在混料设计基础配方的基础上，通过日落黄和柠檬黄的浓度添加实验进行柳橙果味饮料的色泽优化，通过诱惑红和胭脂红的浓度添加实验进行草莓果味饮料的色泽优化;通过柳橙香精和草莓香精的浓度添加实验进行果味饮料的香味优化;通过黄原胶和瓜尔豆胶的浓度添加实验进行果味饮料的口感优化。

1.3.4 颜色特征参数的提取 在室内自然光照下固定位置，采用型号WX-300的索尼数码相机摄取各个样品的数字图像。拍摄角度为样品正上方的垂直方向。以数码相机的自动曝光模式控制曝光时间和色彩平衡，图像的分辨率采用1920像素×1080像素。图像分析与色彩特征值的提取采用Adobe Photoshopcs 7.0进行，选取照片中的样品区域，利用Adobe Photoshopcs 7.0读取各样品图像的R、G、B值的各项平均值。样品间色差值计算公式为:

R:样品图像R值与参比物图像R值差;G:样品图像G值与参比物图像G值差;B:样品图像B值与参比物图像B值差。

表1 果味饮料混料设计表Table 1 Mixture design for fruity drinks

表2 感官评价标准Table 2 Standard of sense evaluation

1.3.5 数据分析与处理 采用DPSDATA PROCESSING SYSTEM 13.5进行混料实验设计和回归分析;采用Adobe Photoshopcs 7.0进行图像分析;采用EXCEL进行图表处理。

2 结果与讨论

2.1 数学模型的建立

根据表1的混料设计配方，最终得到2种口味饮料的感官评价值，见表3。

表3 果味饮料感官评价值Table 3 Sense evaluation for fruity drinks

表4 二次多项式回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model equation

表5 优化配方的感官评定值Table 5 Sense evaluation under the optimized formula of fruit drinks

利用数据处理软件，对实验结果进行混料设计统计，建立回归模型，见如下方程，根据回归方程可以预测不同配方情况下的果味饮料感官评定值(见表3):

柳橙评分方程:

草莓评分方程:

柳橙果味饮料的二次多项回归方程的复相关系数R2为0.98，校正后的复相关系数R2为0.96。草莓果味饮料二次多项回归方程的复相关系数R2为0.92，校正后的复相关系数R2为0.89。对以上2个方程进行方差分析，得到方差分析表4。从表中可以看出，这2个方程的线性模型和二次模型的p值达到0.0001，均达到显著性水平。可以看出拟合的方程能很好的反映果味配方指标与感官评价值之间的关系。

同时通过数据处理软件，可以得到柳橙和草莓果味饮料的优化配方，表5为软件运行得到的最佳组合配方和预测的感官评定值，以及进行人工感官评定得到的实测值。

从表5中可以看到实际测定得到的感官评定值在预测值1%的置信区间范围内。建立的拟合方程可以很好的模拟配方的感官评价值。

2.2 配方优化

表5中的柳橙和草莓优化配方果味饮料，虽然感官评价值较高，在一定程度上已经能满足人们的消费需要，但是与原果汁相比在色、香、味方面还是有一定的差距，需要进一步的完善和优化。

2.2.1 色泽优化 按照表5中柳橙优化配方，添加日落黄，其添加量分别为 0，0.0003%，0.0006%，0.0009%，0.0012%，0.0015%，见图1。其中色差值D以原橙汁溶液为参比物。从图1中可以看到添加0.0012%的日落黄与原果汁的色差值最小，与原果汁相差色差为5.0，因此将该浓度作为优选添加量。

图1 日落黄添加量对柳橙果味饮料色差的影响Fig.1 The effect of sunset yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中柳橙优化配方和日落黄优选添加量，进行柠檬黄色素添加实验，其添加量分别为0，0.003%，0.006%，0.009%，0.012%，0.015%，见图 2，其中色差值D以原橙汁溶液为参比物。可以看出，当柠檬黄添加量达到0.006%时与原果汁的色差值最小，与原果汁相差色差为2.45，因此可将此浓度作为优选添加量。

图2 柠檬黄添加量对柳橙果味饮料色差的影响Fig.2 The effect of lemon yellow on colour difference of orange flavored beverages

按照表5中草莓优化配方，进行诱惑红色素添加实验，其添加量分别为0，0.00002%，0.00004%，0.00006%，0.00008%，0.00010%，见图3，其中色差值D以草莓汁原液为参比物。单独使用诱惑红的颜色偏粉红色，与草莓色泽差异较大，色差值均在100以上。当诱惑红的浓度大于0.00008%时与原果汁的色差值最小，因此可将此浓度作为优选添加量。

图3 诱惑红添加量对柳橙果味饮料色差的影响Fig.3 The effect of allura red on colour difference of strawberry flavored beverages

为了弥补诱惑红色泽的不足，按照表5中草莓优化配方和诱惑红最佳添加量，加入胭脂红色素，其添加量分别为 0，0.0001%，0.0002%，0.0003%，0.0004%，0.0005%，结果见图4，其中色差值D以草莓汁原液为参比物。从图中可以看出，当胭脂红的添加量达到0.0003%时，色泽与草莓颜色最为接近，最低色差值为65.74，因此将此浓度作为优选添加量。

2.2.2 香味优化 图5和图6为柳橙和草莓香精对果味饮料香气影响的研究，其中感官评价值以表2的香气感官评定标准为参考。从图中可以看出当柳橙香精添加量达到0.07%，草莓香精添加量达到0.06%时，获得了最佳的香气感官评分值。因此这里将这2个添加浓度作为优选的香精添加量。

2.2.3 口感优化 选用黄原胶和瓜尔豆胶作为增稠剂，对柳橙和草莓果味饮料进行口感优化实验。分别选择不同的添加比例，并进行描述性感官评定，结果见表6。

图4 胭脂红添加量对柳橙果味饮料色差的影响Fig.4 The effect of cochineal on colour difference of strawberry flavored beverages

图5 柳橙香精对柳橙果味饮料香气的影响Fig.5 The effect of orange flavour on odor of strawberry flavored beverages

图6 草莓香精对草莓果味饮料香气的影响Fig.6 The effect of strawberry flavour on odor of strawberry flavored beverages

表6 黄原胶和瓜尔豆胶对果味饮料口感的影响Table 6 The effect of xanthan gum and guar gum on texture of flavored beverages

从表6可以看出，当黄原胶与瓜尔豆胶的添加比例为2∶5，即黄原胶添加量为0.1%，瓜尔豆胶添加量为0.25%，得到最佳的感官评价，因此可将此添加量作为优选配方浓度。

3 结论

综上所述，柳橙果味饮料的最佳配方为:蔗糖22.80%、柠檬酸0.50%、果汁5%、食盐0.04%、日落黄0.0012%，柠檬黄0.006%，柳橙香精0.07%，黄原胶0.1%，瓜尔豆胶0.25%，其余为纯净水。此柳橙果味饮料最佳配方下获得的产品感官评分值为95分;草莓果味饮料的最佳配方为:蔗糖22.09%、柠檬酸0.50%、果汁5%、食盐0.04%、诱惑红0.00008%，胭脂红0.0003%，草莓香精0.06%，黄原胶0.1%，瓜尔豆胶0.25%，其余为纯净水。此草莓果味饮料最佳配方下获得的产品感官评分值为94分。

混料设计相比于目前配方设计中经常用到的正交设计可以研究配方里各因子之间的配比和相关性，利用回归分析建立各因变量的曲线方程，根据回归方程和目标值推测出因子的最佳配比组合［23］。本实验通过DPS进行混料设计和统计，建立了预测数学模型，通过方差分析和验证实验，表明该方程可以很好的预测各个因素水平与感官指标之间的关系。在得到果味饮料基础配方的基础上进一步进行了色、香、味的优化实验，确定了最终的优化配方。

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