单纯形重心法优化西番莲果汁饮料的稳定剂配方

聂强 何仁 黄永春 刘惠贤 付军鹏

摘要[目的]提高西番莲果汁饮料稳定性。[方法]在单因素试验基础上，利用单纯形重心试验法优化西番莲果汁饮料的稳定剂配方。[结果]单因素试验结果表明，黄原胶、果胶、羧甲基纤维素钠（CMC）的稳定效果较好，进一步进行{3，2}单纯形重心试验，复配的结果显示：当黄原胶、果胶、CMC添加量分别为0.089%、0.050%、0.117%，总的添加量为0.256%时，饮料的离心率降低至2.10%。验证试验说明，预测值与验证值相符，产品稳定效果好。[结论]通过上述试验得到的稳定剂配方可靠，稳定性好，可用于西番莲果汁饮料中。

关键词 稳定性；单纯形重心法；离心率；复配；西番莲

中图分类号 TS275.5 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）09-109-03

Abstract[Objective]To enhance the stability of passion fruit beverage.[Method]Based on single factor test， stabilizer formula of passion fruit beverage was optimized by simple centroid method.[Result]Results of single factor test showed that xanthan gum， pectin and sodium carboxymethylcellulose （CMC） had relatively good stabilizing effects.Then， {3，2} simple centroid experiment showed that the eccentricity of beverage reduced to 2.10% when concentrations of xanthan gum， pectin and CMC were 0.089%， 0.05% and 0.117%， respectively， the total added concentration was 0.256%.Verification test showed that the predicted value was consistent with the verification value， and the products had good stabilizing effects.[Conclusion]The stabilizer formula is reliable and stable， and can be used fort the passion fruit beverage

Key words Stability； Simple centroid method； Eccentricity； Compound； Passion fruit

西番莲（Passiflora coerulea L.），别名鸡蛋果，为典型的热带、亚热带水果，原产于美国南部、巴西、阿根廷地区，在我国主要分布在台湾、广东、福建、广西、云南、浙江、四川等省。目前，在我国广泛栽培的2个品种主要是黄果西番莲和紫果西番莲[1]。西番莲果特点鲜明，果大，新鲜，果汁淡黄，果汁中含有多种酯类香气成分，被誉为“百香果”[2]，其果汁还富含多种营养成分，是高级饮料的理想原料，有“饮料之王”的美称[3]。

由于西番莲汁含有较多的胶体物质，易产生浑浊和沉淀，严重影响果汁质量和稳定性，大大降低商品的价值[4]。工业上除了通过对原材料的控制流程来提高西番莲果汁饮料稳定性外，最重要的方法便是添加适当稳定剂[5-6]。常用于西番莲果汁饮料的稳定剂单体有许多种，如琼脂、羧甲基纤维素钠（CMC）、海藻酸钠、瓜尔胶、黄原胶、果胶、海藻酸丙二醇酯（PGA）等，但在西番莲果汁饮料的实际生产中，大多充分利用各稳定剂单体之间的协同交互作用来增强稳定效果，不仅可降低稳定剂的用量和生产成本，也避免了因稳定剂添加量而引起的风味和口感的问题[7]。单纯形重心设计法是一种设计模型简单，设计方便的混料设计法，因此被广泛地应用在食品工业中，如果冻、奶茶、蛋糕、巧克力、混合饮料、酒等[8]。该试验先确定黄原胶、果胶、CMC 3种稳定剂的添加范围，再对3种稳定剂进行单纯形重心优化，以求得到最佳的西番莲果汁饮料复合稳定剂添加量。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料及主要试剂。

百香果（紫果），市购。羧甲基纤维素钠（CMC），西隴化工股份有限责任公司；黄原胶，淄博中轩生化有限公司；果胶、琼脂、海藻酸钠、海藻酸丙二醇酯（PGA）、瓜尔豆胶，河南高丝宝贸易有限公司；白砂糖，市售；抗坏血酸，广东光华科技股份有限公司；D异抗坏血酸钠，江西省德兴市百勤异VC钠有限公司。

1.1.2 主要仪器与设备。恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；胶体磨，廊坊通用机械有限公司； SHP6060型高压均质机，上海科司大均质机电设备有限公司；TDL5台式大容量离心机，南京东迈科技仪器有限公司；电子天平，余姚市金诺天平仪器有限公司；美国BROOKFIELD博力飞DVII+可编程控制式黏度计，上海智尊工业自动化有限公司。

1.2 方法

1.2.1 西番莲果汁饮料加工工艺流程。西番莲（新鲜、成熟）→切果、掏果肉→过胶体磨（3次）→与稳定剂、白砂糖、水、抗坏血酸等调配→过胶体磨（3次）→均质（40 MPa、15 min）→灭菌（90 ℃、1 min）→灌装（65～70 ℃）→倒瓶（1 min）→冷却→成品。

1.2.2 西番莲果汁饮料稳定性的分析方法。

1.2.2.1

果汁未分层分析法。未分层度为评价指标，均质后的果汁放入烧杯中，在4 ℃条件下密封保温7 d，观察果汁分层度，假设果汁均匀分散，无分层沉淀现象，它的未分层度为100%，当出现沉淀分层，用尺子测量液位和果浆沉淀厚度的总高度，计算未分层度，计算公式如下[ 2 ]：

果汁未分层度（%）=[1-（果肉沉淀度/总液面高度）]×100

1.2.2.2

离心沉淀法。沉淀率（sedimentation rate，SR）表示体系的稳定性，SR值越小，稳定性越好。每一个样品的离心沉淀率平行测定3次，取平均值。取40 mL已制备好的西番莲果汁于50 mL离心管中，以4 000 r/min的转速离心30 min，将上清液分离后倒置30 min，测定离心沉淀率SR。

1.2.2.3

黏度测定。使用博力飞黏度计，选取转子号为2的转子在常温下测定3次，取其平均值。

1.2.3 增稠剂选择试验。

将浓度（质量体积比）为 0.2%的黄原胶、海藻酸钠、PGA、果胶、琼脂、CMCNa、瓜尔豆胶分别与西番莲浑浊原汁调配均匀后，在4 ℃条件下密封保温7 d，观察其稳定效果，比较稳定性能，稳定效果通过产品分层程度进行判断，筛选出其中稳定效果较好的3种稳定剂。

1.2.4 增稠剂单因素试验。

取 300 mL 西番莲汁加入适量蒸馏水稀释5倍左右，经过胶体磨、均质、杀菌等的工艺流程后，在4 ℃条件下密封保温7 d。分别讨论不同胶体对百香果果汁饮料稳定体系的影响，各胶体添加量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。测定加入不同胶体后西番莲果汁饮料的黏度、沉淀率的变化，以确定最佳稳定体系配方，得到稳定的西番莲果汁饮料体系。

1.2.5 增稠剂的复配试验。

选择 3 种稳定性能较好的亲水性胶体，采用{3，2}单纯形重心试验设计，对它们进行复配。检测的指标是在4 ℃条件下密封保温7 d的离心沉淀率，重复3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 增稠剂的选择

由表1可见，CMC、黄原胶、果胶的效果比其他增稠剂效果更佳。 CMC不仅提高了产品黏度，而且能缩小粒子与料液的密度差，从而使得产品的稳定性得以提高。黄原胶在水溶液中以双螺旋结构存在，具有良好的稳定性，使其在低浓度、低剪切力时具有较高黏度，且不受高温杀菌的影响，而且耐酸耐碱性好，可用作各种果汁饮料、植物蛋白饮料的增稠稳定剂。果胶主要是果胶酸和半乳糖醛酸存在的缘故，使果胶在酸性条件下使得体系保持更稳定。

瓜尔豆胶、琼脂和海藻酸钠均属大分子多糖产品，在酸性条件下加热，其大分子长链极易水解断裂，表现出黏性和悬浮性下降，而且，易产生大块絮状沉淀[9]。海藻酸钠溶液具有高黏度性，但化学稳定性差，易受酸碱盐的影响，且西番莲果汁中酸性物质比较多，所以添加海藻酸钠时，分层现象更为严重。瓜尔豆胶是天然胶中黏度最高的，同时也是增黏性和吸水性最好的胶体，但稳定效果明显不足。这说明黏度并不是影响果汁稳定的唯一因素。琼脂由于其分子中含有羟基能与水分子发生水化作用 ，从而达到稳定的效果，但在酸性加热条件下， 琼脂的长链大分子结构极易遭到破坏性分解， 使其黏度和悬浮性大幅度降低，而量少时交联的琼脂分子也不足以保持果肉稳定。

综合上述分析，选择果胶、黄原胶、CMC 3种胶体作为复合增稠剂的单体。

2.2 果胶稳定性单因素试验

由图1可以看出，在试验所选择的范围内， 西番莲果汁饮料的黏度随果胶添加量的增大而增大，离心率随果胶添加量的增大而降低。

果胶添加量在0.05%～0.10%时，西番莲果汁饮料的离心率降低幅度小；添加量在0.10%～0.15%时，西番莲果汁饮料的离心率随果胶添加量的增大而急剧下降；添加量在0.15%～0.30%时，西番莲果汁饮料的离心率变化随果胶添加量的增大趋于缓慢。因此，从边际效应及成本角度出发，选择离心率变化最快区间的末端，即0.15%添加量为控制饮料稳定性的稳定剂添加量中端，分别取0.10%添加量作为果胶添加的下限，0.20%添加量为上限。

2.3 黄原胶稳定性单因素试验

由图2可以看出，在试验所选择的范围内， 西番莲果汁饮料的黏度与黄原胶的添加量呈正相关，离心率与黄原胶的添加量呈负相关。

黄原胶添加量在0.05%～0.15%时， 西番莲果汁饮料离心率变化呈线性负相关；添加量在0.15%～0.20%时， 西番莲果汁饮料离心率随黄原胶添加量的增大而急剧降低；添加量在0.20%～0.30%时， 西番莲果汁饮料的离心率随黄原胶添加量的增大变化相对平缓。因此，从边际效应及成本角度出发，选择离心率变化幅度最大的末端，即0.20%添加量为控制西番莲果汁饮料稳定性的稳定剂添加量中端，分别取0.15%的添加量作为黄原胶添加量的末端，0.25%的添加量作为首端。

2.4 CMC稳定性单因素试验

由图3可以看出，在试验所选择的范围内， 西番莲果汁饮料的黏度与CMC的添加量呈正相关，离心率随CMC的添加量的增加而变小。

CMC的添加量在0.05%～0.15%时，西番莲果汁饮料离心率呈线性变化；添加量在0.15%～0.20%时，西番莲果汁饮料离心率下降明显；添加量超过0.20%时，西番莲果汁饮料离心率变化相对趋于缓和。因此，选择添加量0.15%作为CMC稳定剂添加量的下限，上限即选择添加量为0.25%。

2.5 稳定剂复配试验结果

常用的亲水性胶体在酸性飲料中的应用都会存在一些缺点，都会受到不同程度的应用限制，因此比较倾向于将单体胶体复配后应用于酸性饮料中，这样不但比使用单体胶体更能增强体系稳定性，而且还可以降低成本和改善饮料口感与风味[10]。

3种稳定剂果胶、CMC、黄原胶按混料回归{3，2}单纯形重心设计试验方案，其中X1为黄原胶，X2为果胶，X3为CMC。由单因素试验可得知，0.15≤a1≤0.25，0.10≤a2≤0.20，0.15≤a3≤0.25（a1、a2、a3各代表黄原胶、果胶、CMC添加量），由于复配时稳定剂间存在协同交互作用，当以单因素的添加量使用范围进行单纯重心设计，则总的添加量明显超过正常饮料中稳定剂添加量的标准范畴，因此该试验设计将单因素得到的稳定剂使用范围进行减半处理，即0.075≤a1≤0.125，0.050≤a2≤0.100，0.075≤a3≤0.125。Zi=下限+（上限-下限）×Xi，结果见表2[9]。

对表2试验数据进行处理得到回归方程为：

Y=2.93X1+2.69X2+2.28X3+2X1X2-1.42X2X3+2.06X2X3-6.93X1X2X3。利用Excel中规划求解对回归方程组求解最小值得：当X1=0.27，X2=0，X3=0.83时，回归方程取得最小值为2.18%，对应3种稳定剂的实际添加量为：Z1=0.177%，Z2=0.100%，Z3=0.223%。在试验的基础上，西番莲汁离心率平均为2.10%，与理论值的相对误差约为3.80%，表明由回归方程得到的理论值与实际值基本吻合。因此，通过单纯形重心设计法得到西番莲果汁饮料中复合稳定剂的黄原胶、果胶、CMC的添加量分别为0.089%、0.050%、0.117%，总的添加量为0.256%，此时西番莲果汁饮料的离心率降低为2.10%。

3 结论

该研究先采用单因素试验方法，分别考察了羧甲基纤维素钠（CMC）、黄原胶、果胶、琼脂、海藻酸钠、海藻酸丙二醇酯（PGA）、瓜尔豆胶等单一增稠剂对果汁稳定性的影响，筛选出7个单体中稳定效果较为显著的3个因素，继续用{3，2}单纯形重心试验进行优化。

在单因素试验基础上，{3，2}单纯形重心试验结果显示，当黄原胶、果胶、CMC添加量分别为0.089%、0.050%、0.117%，总的添加量为0.256%时，西番莲果汁饮料的离心率降低至2.10%，通过试验得到的稳定剂配方可靠，稳定性好，可用于西番莲果汁饮料中。该配方符合生產实践的要求，并且量少，稳定性高，克服了单一稳定剂的不足。

参考文献

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