响应面法优化分心木袋泡饮料冲泡工艺研究

刘姗姗,王正红,禄 璐,侯伟伟,杨海燕,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830000;2.新疆阿布丹食品开发有限公司,新疆和田 848000)

响应面法优化分心木袋泡饮料冲泡工艺研究

刘姗姗1,王正红2,禄 璐1,侯伟伟1,杨海燕1,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830000;2.新疆阿布丹食品开发有限公司,新疆和田 848000)

目的:采用响应面设计法优化分心木袋泡饮料冲泡工艺。方法:以分心木为主要原料,桑叶和沙棘叶为辅料,通过感官评分与总黄酮含量的综合考评,筛选出分心木袋泡饮料的最佳配比(分心木∶桑叶∶沙棘叶质量比为3∶1∶1)。并采用单因素和响应面实验,优化分心木袋泡饮料的冲泡工艺。结果:原料粉碎度80目、冲泡水温83 ℃、冲泡时间20 min、冲泡2次,此时总黄酮含量为(58.65±0.12)mg/g,接近理论值58.70 mg/g,冲泡工艺最佳。结论:本研究在提高核桃副产物附加值的同时,为分心木和核桃资源的综合开发提供了有力的理论依据。

分心木,总黄酮,感官评定,桑叶,沙棘叶

核桃分心木(简称分心木),胡桃科,核桃属,为核桃隔膜[1]。新疆人自古就将核桃仁隔膜与茶一起泡制饮用。在维吾尔医学中,分心木能补肾涩精,用于治疗多汗、尿频、肾虚遗精、慢性腰肌劳损等多种疾病,有养心、降脂、稳定血压等多种作用[2-3]。研究表明,分心木中含有总黄酮[4-5]、多糖[6-8]、总生物碱[9]等生物活性物质,并含有Na、K、Ca等10种微量元素,具有一定的抑菌效果[10]。2010～2012年新疆核桃产量已由24.15万t上升为31.36万t,居全国前列。但我国核桃资源大多仍处于出口原料阶段[11],人们缺乏对分心木价值的认识,导致该资源往往被废弃或当作燃料烧掉,既造成了环境污染,又浪费了资源。

桑叶中含有黄酮及其苷、生物碱、多糖、挥发油、各种氨基酸、微量元素等多种成份[12],黄酮类是其主要成分之一[13],具有降血糖、降血压及抗衰老、抗肿瘤、抗心脑血管疾病、抗菌与抗病毒等多种药理作用[14]。沙棘叶含有黄酮及16种氨基酸和多种矿物质,具有清脑安神、降低胆固醇的作用,其所含的沙棘黄酮及多种维生素、微量元素,能活血通脉、抑制血栓形成[15]、促进血液循环,有益伤口愈合[16],全面调理阴阳和肌体分泌,恢复生理机能,适宜高血压、高血脂、神经衰弱、肠胃不适等人群饮用。

分心木、桑叶和沙棘叶具有相似的功能性成分,且在降脂、稳定血压等方面具有一定的共性与保健功效,未见有此3种原料共同使用的文献,若能配合使用,在提高产品黄酮含量的基础上,还可改善产品口感。本实验拟研发一种以新疆丰富资源分心木为主要原料的袋泡饮料,并采用响应面法优化其冲泡工艺,以期开辟分心木开发利用的新思路,丰富袋泡饮料的消费种类。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

分心木 新疆阿布丹食品开发有限公司;桑叶 普济堂大药房文化宫店;沙棘叶 新疆青河三道海子沙棘生物科技有限公司;芦丁标准品 西格玛奥德里奇生物制品有限公司。

AL204-1C电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;FW-100万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司;JH-752紫外分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 分别粉碎分心木、桑叶、沙棘叶,用实验筛将其筛分为40、60、80、100、120目五种粉碎度。按一定比例准确称取共2.0 g的原料装入茶袋,混合均匀,封口,制成料包。

1.2.2 原料配比筛选 在敞口玻璃杯中,放入原料量2.0 g(粉碎度均为80目)的料包,添加95 ℃、150 mL的热水冲泡15 min后,取出料包,以感官评分和总黄酮含量为评判指标[17]。本实验旨在筛选出一种以分心木为主、桑叶和沙棘叶作为辅料的袋泡饮料配比,故分心木在配比中占较大比重(1.2、1.3、1.4)。7、8、9号配比方案是在前6种方案的基础上设计的,将3种原料同时添加的情况也进行对比。

表1 配比设计表

1.2.3 感官评定 感官评分表参照GB/T 23776-2009《茶叶感官评审方法》[18]和GB/T24690-2009《袋泡茶》[19]制定,并结合分心木的特征,做了一些修改,见表2。感官评分总分为各小项得分分别乘以相应评分系数后相加的和,即感官评分总分T=0.3b+0.3c+0.3d+0.1e[20]。组织有食品专业背景和感官评定经验的30人从汤色、香气、滋味、料包四个方面进行评定,每个样品的得分取30人评定后的平均值[21]。

表2 感官评分表

1.2.4 总黄酮含量的测定 采用芦丁法,吸取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL芦丁标准溶液,相当于0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mg无水芦丁,分别置于25 mL具塞比色管中,补水至约10 mL,加1.0 mL亚硝酸钠溶液,混匀,放置6 min,加1.0 mL硝酸铝溶液,混匀,放置6 min,加4.0 mL氢氧化钠溶液,再加水至刻度,摇匀,放置15 min。用1 cm比色皿,以试剂空白调节零点,在波长510 nm处测定吸光度[22]。以吸光度(Y)为纵坐标,芦丁浓度(X)为横坐标,绘制标准曲线并得其回归方程为Y=0.01139X-0.00951(R2=0.9992)。

样品的测定:吸取2.00 mL样品溶液两等份,分别置于25 mL具塞比色管中,补水至约10 mL,加1.0 mL亚硝酸钠溶液,混匀,放置6 min,加1.0 mL硝酸铝溶液,混匀,放置6 min,加4.0 mL氢氧化钠溶液,再加水至刻度,摇匀,放置15 min。另一份重复上述步骤,不加硝酸铝溶液,做样品空白。显色后用滤纸过滤,弃去初滤液后,收集滤液备测。将测得样品的吸光度减去样品空白吸光度,用回归方程和公式1计算出样品溶液中总黄酮的质量(m1)。

式(1)

式中:m1为样品溶液中总黄酮的质量/mg;m为样品质量/g。

1.2.5 单因素实验 在分心木袋泡饮料最佳配比的基础上,设定其粉碎度为80目、冲泡水温95 ℃、冲泡时间15 min、冲泡2次,固定其他条件,分别考察粉碎度(40、60、80、100、120目)、冲泡水温(60、70、80、90、100 ℃)、冲泡时间(10、15、20、25、30 min)、冲泡次数(1、2、3、4次)对冲泡液中总黄酮含量的影响。

表4 各配比的感官评分与总黄酮含量测定

注:-未检测出。

1.2.6 响应面实验 以单因素实验为基础,确定冲泡次数为2次,考察粉碎度、冲泡水温、冲泡时间3个因素间的交叉影响,根据中心组合设计原理,以3个因素为自变量,总黄酮含量为响应值,设计3因素3水平的响应面分析实验,其因素水平编码见表3。

表3 响应面因素水平编码

2 结果与分析

2.1 原料配比筛选结果

根据表1配比设计以感官评分和总黄酮含量为指标对配方进行筛选,结果见表4。

表4结果显示,单独添加分心木和桑叶时,以第2组桑叶添加量为0.7 g感官评分最高;单独添加分心木和沙棘叶时,以第4组沙棘叶添加量为0.8 g感官评分最高。取感官评分总分在86分以上配比的冲泡液测定其总黄酮含量,综合考虑感官评分和总黄酮含量两个指标,发现9号方案(分心木∶桑叶∶沙棘叶质量比为3∶1∶1)为最佳配比,并以此为基础进行后续实验。

2.2 单因素实验结果与分析

2.2.1 粉碎度对总黄酮含量的影响 粉碎度对总黄酮含量的影响如图1。

图1 粉碎度对总黄酮含量的影响Fig.1 Effect of raw material particle size on total flavonids content

由图1可知,总黄酮含量随原料粉碎度的增加而先上升后下降,80目时达到最高值(56.71 mg/g)。当粉碎度为40目时,因原料颗粒较大,与水接触面积过小导致总黄酮含量低(39.85 mg/g);当粉碎度为120目时,原料粒径较小使得吸附作用增强,总黄酮浸出量有所下降(43.74 mg/g)。因此,选择原料粉碎度60、80、100目进行响应面实验。

2.2.2 冲泡水温对总黄酮含量的影响 冲泡水温对总黄酮含量的影响如图2。

图2 冲泡水温对总黄酮含量的影响Fig2 Effect of brewing temperature on total flavonids content

由图2可知,在60～100 ℃之间总黄酮含量先升高后降低,在80 ℃时达到最高值(58.02 mg/g)。当温度小于80 ℃时含量较低,水温太低无法破坏原料分子与水分子间的吸附作用;当温度大于80 ℃时含量降低,温度较高部分黄酮分子被破坏。因此选择冲泡水温70、80、90 ℃进行响应面实验。

2.2.3 冲泡时间对总黄酮含量的影响 冲泡时间对总黄酮含量的影响如图3。

图3 冲泡时间对总黄酮含量的影响Fig.3 Effect of brewing time on total flavonids content

由图3可知,冲泡时间在10～30 min范围内时,冲泡液中的总黄酮含量首先随着冲泡时间的增加而增加,在20 min时达到最高(57.49 mg/g),超过20 min后,总黄酮含量有所下降。因为总黄酮的溶出需要一定的时间,适当延长时间会增加其含量,当总黄酮含量达到最大值后,继续延长时间,会增加杂质的溶出,且温度下降后,原料颗粒的吸附作用会加强,同时增加成本。因此,选择冲泡时间15、20、25 min进行响应面实验。

2.2.4 冲泡次数对总黄酮含量的影响 冲泡次数对总黄酮含量的影响如图4。

图4 冲泡次数对总黄酮含量的影响Fig.4 Effect of brewing times on total flavonids content

由图4看出,随着冲泡次数的增加,总黄酮含量随之降低,前2次冲泡后的总黄酮含量明显高于第3次和第4次,表明第1次冲泡后原料中还有较多的总黄酮未浸出(60.74 mg/g),冲泡第2次时总黄酮含量虽有降低但仍在大量浸出(57.32 mg/g),而冲泡至3、4次时虽有总黄酮的浸出但对其含量贡献不大(39.59、7.45 mg/g),因此从总黄酮含量及节约能源的角度出发,选择冲泡次数为2次,后续所有实验固定冲泡次数为2次。

2.3 响应面实验结果及方差分析

根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理,作三因素三水平共17个实验点(5个中心点)的响应面分析实验,对分心木袋泡饮料的影响因素进行更深入的研究和条件优化,并作出响应面图。

表5 响应面设计及响应值

按表5进行实验,得到冲泡液总黄酮含量(Y)与粉碎度(A)、冲泡水温(B)、冲泡时间(C)的响应面回归方程为:

Y=58.35+0.80A+0.70B+0.35C+0.68AB+1.000E-002AC-0.43BC-0.90A2-1.61B2-1.20C2。

从表6可以看出,用上述回归方程描述各因素与响应值间的关系时,其因变量和全体自变量之间的线性关系显著,模型的显著性p值小于0.01,此时Quadratic回归方差模型极显著,方程的失拟项不显著(p>0.05),表明该方程对实验拟合程度良好、误差小,因此可用该回归方程对分心木袋泡饮料冲泡工艺参数进行分析预测。影响分心木袋泡饮料冲泡液总黄酮含量的因素顺序为:粉碎度>冲泡水温>冲泡时间,且影响程度均达到显著水平。AB、BC因素之间交互作用显著,其中AC因素p值大于0.05,表明其对总黄酮含量的影响不显著,可忽略[23]。优化响应面图分别见图5a、图5b。

图5 各因素交互作用对总黄酮含量的响应面图Fig.5 Response surface plot for the interactive effects of parameters on total flavonids content

从响应面图5a中可以看出,两者间交互作用显著,当粉碎度处于较低水平时,随着冲泡水温升高,总黄酮含量先增大后减小;总黄酮含量与粉碎度的曲线较冲泡水温与总黄酮含量的曲线陡,说明粉碎度对总黄酮含量的影响大于冲泡水温。图5b中,当冲泡水温和冲泡时间均在较低水平时,总黄酮含量较低;随着冲泡时间的延长,总黄酮含量先上升后下降;当冲泡时间在较低水平时,冲泡水温对总黄酮含量影响较大,且随着冲泡水温的升高,总黄酮含量逐渐升高,某一点后开始下降;总黄酮含量与冲泡水温的曲线较冲泡时间与总黄酮含量的曲线陡,说明冲泡水温对总黄酮含量的影响大于冲泡时间。

利用Design Expert 8.05软件对优化后的回归方程进行求解,得出分心木袋泡饮料的最佳冲泡工艺条件为:粉碎度81.30目,冲泡水温83.25 ℃,冲泡时间20.44 min,冲泡2次,此时总黄酮含量为58.70 mg/g。

表6 回归模型的方差分析

注:**.p<0.01,差异极显著;*.p<0.05,差异显著。

2.4 冲泡工艺验证实验

考虑到实际情况,将分心木袋泡饮料的冲泡工艺条件调整为:粉碎度80目,冲泡水温83 ℃,冲泡时间20 min,冲泡2次。使用修正后的工艺条件进行三次验证实验,得到分心木袋泡饮料总黄酮含量为(58.65±0.12)mg/g,接近模型预测值58.70 mg/g,证明此模型适用于预测分心木袋泡饮料的冲泡工艺,具有较高的可靠性。

3 结论

从备选的9种分心木袋泡饮料原料配比中,以感官评分和总黄酮含量作为综合评判指标,筛选得到分心木袋泡饮料的最佳质量配比为分心木∶桑叶∶沙棘叶为3∶1∶1。通过单因素实验探讨了原料粉碎度、冲泡水温、冲泡时间、冲泡次数对原料总黄酮含量的影响,再采用响应面实验优化其冲泡工艺条件,确定最佳工艺条件为:原料粉碎度80目,冲泡水温83 ℃,冲泡时间20 min,冲泡2次,此时冲泡液中总黄酮含量为(58.65±0.12)mg/g。本研究为核桃废弃物-分心木的利用提供了技术参考,为分心木和核桃资源的综合性有效开发提供了有力的理论依据,同时增加了袋泡饮料种类,提高了核桃副产物的附加值。

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Optimization of brewing process for walnut diaphragm tea bags using response surface methodology

LIU Shan-shan1,WANG Zheng-hong2,LU Lu1,HOU Wei-wei1,YANG Hai-yan1,*

(1.College of Food Science and Pharmacy,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830000,China;2.Xinjiang ABUDAN food development company,Hetian 848000,China)

Objective:Response surface methodology was used to optimize the brewing process for walnut diaphragm tea bags. Method:Walnut diaphragm were used as the main material of tea bags,mulberry leaf and hippophae rhamnoides leaf as the auxiliary material. Reference to the sensory evaluation and total flavonoids content,the best formulation of walnut diaphragm tea bag(walnut diaphragm,mulberry leaf and hippophae rhamnoides leaf,3∶1∶1,m/m/m)was selected. Based on the analysis results and response surface methodology,the brewing process was optimized. Results:The experimental total flavonoids content in the brewing liquid was(58.65±0.12)mg/g,which was close to the predicted value of 58.70 mg/g,under the optimized conditions,the raw materials were grounded to 80 mesh with 83 ℃ water for 20 min,2 times. Conclusion:The added value of walnut by -product was improved,at the same time,a strong theoretical basis for comprehensive development of distraction wood and walnut resources was provided.

walnut diaphragm;total flavonids;sensory evaluation;mulberry leaf;hippophae rhamnoides leaf

2015-02-09

刘姗姗(1989-),女,硕士,研究方向:天然产物提取与应用,E-mail:liushanshan16363@163.com。

*通讯作者:杨海燕(1962-),女,博士,教授,研究方向:天然产物提取与应用,E-mail:yanghaiyan163@163.com。

校企合作项目。

TS201.1

B

1002-0306(2015)21-0249-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.043