主成分分析-响应面法优化天然红树莓果汁的研究

韩宗元，尹佳玉，李晓静，吴祎帆，赵立伟，白玉坤，庚　新，张晓丹，崔歆卬（沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺113122）

主成分分析-响应面法优化天然红树莓果汁的研究

韩宗元，尹佳玉，李晓静，吴祎帆，赵立伟，白玉坤，庚新，张晓丹，崔歆卬
（沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺113122）

摘要：以新鲜红树莓为原料，研究了红树莓果汁工艺和品质的影响因素。通过加热蒸煮制取红树莓汁，以感官评价为指标，包括口感、气味、色泽、黏稠度4项，每项1分～9分，采用响应面优化，研究工艺参数对树莓果汁的感官评价的影响；并通过主成分分析确定加工过程中各营养成分对果汁的影响。结果表明：软化温度51.88℃，软化时间13.55 min，蒸煮时间7.72 min，蒸煮温度108.39℃，糖添加量28.23%，红树莓果汁的感官评价指标最高，口感和风味最佳。通过检测树莓果汁中还原糖、VC、SOD值与树莓鲜果中的含量相比存在差异，但是果汁中VC、SOD、可溶性固形物、氨基态氮含量仍较高。主成分分析共提取出2个主成分因子PC1（0.880 6）、PC2（0.099 3），根据因子载荷，树莓果汁营养成分（总酸、可溶性固形物、VC、氨基态氮、SOD）和感官评价值影响最大。树莓果汁的开发过程中，其营养成分和感官评价是至关重要的，此研究可以为树莓果汁的生产提供参考。

关键词：树莓汁；感官评价；主成分分析；响应面；营养成分

树莓含有丰富的营养价值，将树莓制成果汁既能满足人体需要，有利于吸收，也能符合大众的口感。本试验通过研究天然树莓果汁的加工工艺，同时考虑树莓果汁的营养价值，尽可能降低对营养成分的破坏，完成树莓果汁的加工及营养成分的测定，为工业化生产提供理论参考。

树莓属于蔷薇科浆果，果实柔嫩多汁，色泽宜人、风味独特，是一种具有重要生物学功能和营养价值的水果[1-2]。树莓果实营养成分丰富，除含有多种糖、有机酸、氨基酸外，还有多种维生素、果胶、超氧化物歧化酶（SOD）、清除自由基的天然成分VE和铁、锌、钾、硒等矿物质。其中硒具有抗氧化、抗衰老，提高人体自身免疫力，抗癌的功能。并且树莓果实中含有黄酮、酚酸等物质，具有明显抗心血管病的功能。李淑芳等采用果胶酶制作树莓果汁，在加酶量3.5%，酶解时间4 h，酶解温度45℃条件下，树莓果汁的口感最佳[3]。文连奎等根据软饮料加工方法制作天然红树莓果汁，并检验其理化指标和微生物指标[4]。周剑忠等采用正交法优化黑莓汁加工工艺：复合果胶酶添加量0.18%、酶解温度49℃、酶解时间2.4 h，在此条件下黑莓的出汁率达78.2%。黑莓汁最佳滋味配方为：黑莓汁93%、果葡糖浆7%、柠檬酸钠0.05%、阿魏酸0.10%[5]。

树莓果实具有鲜艳的色泽，是理想的天然果汁加工原料，因此树莓果实可以加工为品质优良、营养丰富的果汁型饮料[2]。红树莓具有特殊的香味，且酸甜可口，通过添加白糖调节糖酸比，通过软化、调配、蒸煮、均质、杀菌，获得具有浓郁香气、口感极佳的天然红树莓果汁饮料[4]，既能满足消费者口感，又利于实践生产的推广。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

树莓：自主栽培种植；白砂糖：食品级，市售；氢氧化钠、盐酸、硫酸、酚酞、95%乙醇、草酸、硫脲、活性炭、VC、2，4-二硝基苯肼、甲醛溶液、Tris、EDTA·2Na、邻苯三酚：分析纯，天津迪博化工股份有限公司。

FA2004型电子分析天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；WGL-45B型电热恒温鼓风干燥箱：天津泰斯特仪器有限公司；pHS-3C型酸度计：上海雷磁仪器厂；UV759CRT型紫外可见分光光度计：上海佑科仪器公司；XMTD-4000型电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器厂；九阳榨汁机：深圳市金美盾科技有限公司。

1.2方法

1.2.1树莓汁加工

称取500 g红树莓，先进行清洗，将清洗好的树莓在榨汁机中榨汁，然后将果肉和汁液都放到调好温度的水浴锅中软化一定时间；软化后将其进行蒸煮，并加入白砂糖进行调配，然后再进行均质，把均质好的树莓汁在纱布上过滤，过滤后进行高温灭菌，完成树莓果汁加工。

1.2.2单因素试验

软化温度50℃，软化时间15 min，蒸煮温度120℃，蒸煮时间15 min，糖添加量25%。控制4因素不变，变化1个因素，软化温度40℃～60℃，软化时间5 min～25 min，蒸煮温度80℃～160℃，蒸煮时间5 min～25 min，糖添加量15%～35%来确定各因素对树莓果汁感官评价的影响。

1.2.3响应面试验设计

在单因素试验的基础上，确定各因素的最佳水平值范围，采用响应面中心组合试验设计，研究各感官评价影响因素对感官评价值的影响规律，并得到树莓果汁的最佳条件。以各感官评价影响因素软化温度（A）、蒸煮时间（B）、蒸煮温度（C）、软化时间（D）、糖添加量（E）为自变量，以感官评价值为响应值，其因素水平编码表见表1。

表1　试验因素水平编码表Table 1　Encode table of factors and levels

1.2.4感官评价测定

采用九点标度法[5-6]进行感官评定，所有感官指标的评分值范围均为1分～9分，分值越高，则表示其质量越好。感官评价指标包括口感、气味、色泽、黏稠度4项，感官指标及其评分标准如下：气味（1分：无；5分：一般；9分：非常好），口感（1分：差；5分：一般；9分：好），色泽（1分：淡红色；5分：适中；9分：深红色），黏稠度（1分：非常黏稠；5分：一般；9分：好）。选择30名食品专业学生进行感官评价，其中包括15名男生，15名女生。

1.2.5理化指标测定

总酸、VC、氨基态氮、可溶性固形物、还原糖、SOD分别用GB/T 12456-2008《食品中总酸的测定》、GB/T5009.86-2003《蔬菜、水果及其制品中总抗坏血酸的测定（荧光法和2，4-二硝基苯肼法）》、GB/T 12143-2008《饮料通用分析方法》、GB/T 10786-2006《罐头食品的检验方法》、GB/T 5009.7-2008《食品中还原糖的测定》、GB/T 5009.171-2003《保健食品中超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定》进行定量检测。

1.3数据处理

所有试验数据均为“平均值±标准差”。采用Design Expert8.06软件设计响应面，SPSS19、SAS9.13统计分析软件对试验数据进行分析。

2　结果与分析

2.1树莓果汁工艺条件的确定

2.1.1软化温度对感官评价值的影响

软化温度对感官评价值的影响见图1。

图1　软化温度对感官评价值的影响Fig.1　The effects of softening temperature on sensory evaluation value

从图1可知，随着软化温度增加，感官评价值先增加后减小。由于软化过程可以提高树莓果的出汁率，并且有利于色素溶出，降低果浆的黏度，但是软化温度过高，果汁的黏度会增加，果汁中的特殊香味溢出，降低果汁的感官评价值[7-9]，所以软化温度在50℃时，感官评价值最大。

2.1.2软化时间对感官评价值的影响

软化时间对感官评价值的影响见图2。

图2　软化时间对感官评价值的影响Fig.2　The effects of softening time on sensory evaluation value

从图2知，随着软化时间延长，感官评价值先增加，后缓慢下降保持稳定。由于软化开始，色素溶出，果汁的黏度相应减小，感官评价值升高，然后随着时间增加，感官评价值保持稳定，所以软化时间在15 min时，感官评价值达到最大。

2.1.3蒸煮温度对感官评价值的影响

蒸煮温度对感官评价值的影响见图3。

图3　蒸煮温度对感官评价值的影响Fig.3　The effects of cooking temperature on sensory evaluation value

从图3知，随着蒸煮温度增加，感官评价值先增加后减小。蒸煮过程可以将果汁中的白砂糖溶解，把果汁调节到合适的甜酸比，但随着温度继续升高，果汁的色泽加深，易发生褐变，且树莓的特殊香味大量溢出，使感官评价值降低[7-9]。所以蒸煮温度在100℃时，感官评价值达到最大。

2.1.4蒸煮时间对感官评价值的影响

蒸煮时间对感官评价值的影响见图4。

图4　蒸煮时间对感官评价值的影响Fig.4　The effects of cooking time on sensory evaluation value

从图4知，随着蒸煮时间增加，感官评价值先增加后减小。蒸煮时间过长也容易导致果汁色泽变深，大量蒸汽蒸发，将树莓的特殊香气逸散，降低了感官评价值。所以时间在10 min时，感官评价值最大

2.1.5糖添加量对感官评价值的影响

糖添加量对感官评价值的影响见图5。

从图5知，随着糖添加量增大，感官评价值先增加，后减小。通过添加白糖调节果汁的甜酸比，糖添加过少，口感偏酸，当糖添加量在25%，口感适中，随着糖添加量继续增加，口感偏甜，所以糖添加量在25%时，感官评价值达到最大。

2.2工艺条件的优化

响应面试验方案及结果见表2。

图5　糖添加量对感官评价的影响Fig.5　The effects of the amount of sugar on sensory evaluation value

表2　响应面试验方案及结果Table 2　Design and result of response surface analysis

试验号1～26为析因试验，27～32为6个中心试验，用以估计试验误差。

通过统计分析软件Design expert8.06进行数据分析，建立二次响应面回归模型为：

感官评价值=29.60+0.014A+0.44B+0.42C-5.896E-003D-0.83E-0.78AB+0.033AC-0.71AD-0.88AE+ 0.30BC+0.31BD+0.37BE+0.67CD-0.39CE+0.82DE-1.01A2-0.44B2-0.86C2-0.69D2+0.10E2

进一步对该回归模型进行显著性检验，响应曲面数据的方差分析结果见表3。

表3　回归与方差分析结果Table 3　Results of regression and variance analysis

由表3可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著（P<0.001），失拟项不显著，并且该模型R2=96.47%，R2Adj=90.06%，说明该模型与试验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，试验误差小，可以用此模型来分析和预测结果。由此可以认为上面给出的二次回归方程模型是合适的。由F检验可以得到因子贡献率为：E>B>C>A>D，即糖添加量＞蒸煮时间＞蒸煮温度＞软化温度＞软化时间。

根据试验结果可知，B、C、E、AB、AD、AE、CD、CE、DE、A2、B2、C2、D2对感官评价的影响显著。将其他3个因素固定在零水平，可以得到其他2个因素的响应面图，可以从中看出各因素之间的交互作用。

各两因素显著项（P<0.05）交互作用对感官评价值影响的响应面图见图6、图7。

图6　软化温度和蒸煮时间对感官评价的影响Fig.6　The effects of softening temperature and cooking time on the sensory evaluation

图7　软化温度和软化时间对感官评价的影响Fig.7　The effects of softening temperature and softening time on the sensory evaluation

当软化时间、蒸煮温度、糖添加量在零水平时，图6表示软化温度和蒸煮时间有显著的交互作用，在不同的蒸煮时间作用下，软化温度对感官评价的影响趋势是先增加后减小；在不同的软化温度作用下，蒸煮时间对感官评价的影响趋势是先增加后保持稳定。说明软化温度在52℃附近，感官评价值达到最大，所以软化温度不宜过高；蒸煮时间在12 min附近，感官评价值达到最大，12 min后，感官评价值保持稳定，所以蒸煮时间12 min最佳。

当蒸煮时间、蒸煮温度、糖添加量在零水平时，图7表示软化温度和软化时间有显著的交互作用，在不同软化时间作用下，软化温度对感官评价的影响趋势是先升高后降低；在不同软化温度作用下，软化时间对感官评价的影响趋势是先增加后保持稳定。

2.3最佳工艺的确定和验证试验

应用响应面分析方法对回归模型进行分析可知，当软化温度51.88℃，蒸煮时间7.72 min，蒸煮温度108.39℃，软化时间13.55 min，糖添加量28.23%，响应面最优值为（28.19±0.69）%，在此条件下树莓果汁的口感、色泽、黏稠度、气味最佳。

在响应面分析法求得的最佳条件下，即软化温度51.88℃，蒸煮时间7.72 min，蒸煮温度108.39℃，软化时间13.55 min，糖添加量28.23%，进行平行试验（3次），3次平行试验值为28.19%、28.32%、28.24%，平均值为28.25%。响应值的试验值与回归方程预测值吻合良好，说明该模型能够较好地预测树莓果汁的加工效果。

2.4理化指标分析试验

理化指标分析试验见表4。

表4　树莓果汁理化指标Table 4　The physical and chemical indicators of raspberry juice

由表4可知，通过差异显著性分析，树莓果汁中还原糖、VC、SOD含量与树莓果相比存在显著性差异（P<0.01），总酸含量无差异。树莓果汁中，可溶性固形物含量较高相比于酶法制取的树莓果汁（15.07%，11.0%）[3]，果汁中VC和SOD的含量在加工过程中略有损失，但含量仍然较高，分别为原来树莓果的72.21%、89.49%。此结果说明：树莓果汁的加工过程对树莓的营养损失较小。

2.5主成分分析试验

通过对树莓果汁的理化指标及感官评价值进行检测，结果见表5。

表5　树莓果汁的理化指标及感官评价值Table 5　The physical and chemical indicators and sensory evaluation

在表5中，在最优工艺条件下对理化指标和感官评价值进行主成分分析测定。

主成分分析结果见表6和表7。

表6　主成分因子提取Table 6　Extraction of principal component factors

表7　主成分因子载荷Table 7　Factor loading plot of principal component analysis

由表6可知，通过贡献率可以得出：根据累积贡献率达到97.99%＞90%，可提取前2个主成分因子，其贡献率分别为0.8806、0.0993。前2个主成分因子的载荷如表7所示。可以看到其中PC1中影响最大的品质指标是总酸、可溶性固形物、VC、氨基态氮、SOD，因子载荷绝对值超过了0.39，这是树莓果汁的常规营养指标。PC2中代表感官评价的因子载荷最高说明树莓果汁的感官评价指标对树莓果汁的重要程度[10]。

3　结论

天然树莓果汁最优加工工艺：软化温度51.88℃，软化时间13.55 min，蒸煮时间7.72 min，蒸煮温度108.39℃，糖添加量28.23%，此时树莓果汁的色泽鲜亮，呈鲜红色，酸甜可口，黏稠度低，带有树莓特征香味。并且在此加工条件下，树莓果汁中可溶性固形物含量很高，果汁中VC和SOD虽与树莓果存在差异，但VC和SOD的含量仍然较高，分别为原来树莓果的72.21%、89.49%。主成分分析共提取出2个主成分因子PC1（0.880 6）、PC2（0.099 3），根据因子载荷，树莓果汁营养成分（总酸、可溶性固形物、VC、氨基态氮、SOD）和感官评价值影响最大。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.18.007

收稿日期：2015-04-02

基金项目：沈阳工学院校级大学生创新项目（DC2015023、DC2015025）

作者简介：韩宗元（1988—），男（汉），讲师，研究生，研究方向：食品科学与工程。

The Research of Natural Red Raspberry Juice by the Method of Principal Component Analysis and Response Surface

HAN Zong-yuan，YIN Jia-yu，LI Xiao-jing，WU Yi-fan，ZHAO Li-wei，BAI Yu-kun，
GENG Xin，ZHANG Xiao-dan，CUI Xin-ang
（College of Life and Engineering，Shenyang Institute of Technology，Fushun 113122，Liaoning，China）

Abstract：Fresh raspberries were used as raw materials to study the processing technology of the natural raspberry juice and influencing factors of its quality by heating and cooking.Sensory evaluation indicators were adopted，including flavor，smell，colour and consistency，each of which was scored from 1 points-9 points，and the experiment by the optimization of response surface aimed to attain the influence of process parameters on the raspberry juice.Moreover，through principal component analysis in the process the effect of nutrient composition on raspberry juice was determined.The results were softening temperature 51.88℃，softening time 13.55 min，cooking time 7.72 min，cooking temperature 108.39℃，the amount of sugar 28.23%and under the conditions sensory evaluation index of red raspberry juice was the highest with the best taste and flavor.By detecting raspberry juice，reducing sugar，VCand SOD value had significant differences compared with that of red raspberry，but in raspberry juice the contents of VC，SOD，soluble solids，amino nitrogen were still quite high.Two principal component factors could be extracted with PC1 of 0.880 6，PC2 of 0.099 3.According to the factor loading，raspberry juice nutrients（total acid，soluble solids，VC，amino nitrogen，SOD）and sensory evaluation value had the largest effect on raspberry juice.In the development processing，its nutrient composition and sensory evaluation were vital and the research may provide a reference for the production of raspberry juice.

Key words：raspberry juice；sensory evaluation；principal component analysis；response surface；nutrition components