Box-Behnken试验设计优化刺梨果汁饮料工艺

谢勇，张榕，张江湖，赵鹏，高健强

（铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

刺梨（Ross roxburghii Tratt）为蔷薇科植物缫丝花的果实，是滋补健身的营养珍果[1-2]。刺梨是云贵川高原所原特有的野生资源，并以贵州产为主，仅贵州省的实际产量约为1 000 t～1 500 t[2]。刺梨在贵州作为药食两用品种已有很久的历史，且果实富含糖、维生素、胡萝卜素、黄酮、有机酸和20多种氨基酸、10余种微量元素及SOD，每100g果肉中含VC1100mg～2725mg，是柑橘的50倍～100倍，猕猴桃的9倍～10倍，每100 g鲜果中含VP5 900 mg～12 895 mg，是柑橘的120倍之多、VE2.35 mg、胡萝卜素1.80 mg和烟酞胺1.17 mg[1-5]。另外，刺梨中的黄酮具有消炎、扩张冠状动脉、清除自由基等生物活性。研究表明，刺梨汁还具有阻断N-亚硝基化合物在人体内合成，及抑制α-葡萄糖苷酶活性的作用，对治疗人体铅中毒有特殊疗效[6-8]。据资料显示，刺梨果实已被加工成果汁、果酱、果酒、果醋、糖果、糕点等产品[9-15]，但在市场上鲜有以刺梨果实为主要原料的复合型饮料。

饮料是人们常喝的饮品之一，且其发展呈逐年上升的趋势。Box-Behnken设计是响应面试验设计中常用方法之一，可有效评价因变量与自变量之间的非线性关系，已在药物、食品等领域被广泛应用[16-19]。因此，本试验以刺梨和蜂蜜为主要原料，采用Box-Behnken法优化了刺梨果汁饮料的配方。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

刺梨：贵州省铜仁市碧江区川硐镇郊区、铜仁市印江县、贵州省龙里县刺梨生产基地；蜂蜜：贵州德江美之韵峰产品开发有限公司；β-环糊精：孟州市鸿基生物有限公司；柠檬酸：成都科龙化工试剂厂；果葡糖浆：河北利民糖业有限公司；异抗坏血酸钠：天津市化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

GGBH-300B真空排气机：石家庄盈都环保设备有限公司；G70F20CN1L-DG（W0）微波炉：格兰仕微波炉生活电器有限公司；SRH-S均质机：上海世赫机电设备有限公司；A1Pha-1860A紫外可见分光光度计：上海谱元仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

刺梨蜂蜜果汁饮料的加工工艺流程。

1.3.2 刺梨果汁的提取

称取一定量预处理好的刺梨粉末，置于烧杯中，按料液比1∶100（g/mL）加入蒸馏水，然后将烧杯密封并置于40℃水浴锅中浸提40 min，将浸提液进行抽滤并回收滤液，备用。

1.3.3 刺梨果汁饮料的感官评定方法

选择10名具有食品专业背景的人员，从刺梨果汁饮料的口感、组织状态、色泽及香气4个方面进行综合评价，以10位人员评分的平均分作为每次试验的感官评分，评价标准如表1所示。

表1 刺梨蜂蜜果汁饮料的感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of Ross roxburghii Tratt juice beverage

1.3.4 刺梨产地及干燥温度对刺梨饮料品质的影响

刺梨果实的品质受地理环境、气候、树龄、采收成熟度、处理方法及保藏等因素的影响[1]，会影响刺梨果汁饮料的品质。因此，本试验将考察刺梨种类及预处理方法对刺梨饮料品质的影响。

1.3.5 单因素试验

按照 1.3.1 及相关文献[13-14，24-25，28]，选取甜菊糖苷、柠檬酸、蜂蜜、β-环糊精、果葡糖浆及异抗坏血酸钠6因素进行单因素试验，每个因素取6个水平（3次平行试验/水平）。各因素水平为：甜菊糖苷（0.0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20）mg/mL；柠檬酸（0.0、0.4、0.8、1.2、1.6、2.0）mg/mL；蜂蜜（0.0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.09）g/mL；β-环糊精（0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）mg/mL；果葡糖浆（0.0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10）g/mL；异抗坏血酸钠（0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0）mg/mL。

1.4 透光率的测定

将按一定比例配制好的刺梨果汁饮料静置1 h，在转速为6 000 r/min条件下离心5 min，取适量的上清液在波长λ=700 nm处测定透过率，并以蒸馏水作对照[17-18]，如（1）所示。

式中：A为饮料的透过率；A0为蒸馏水的透过率。

1.5 配方的优化

以感官分值和透光率为指标，根据单因素试验及其方差分析结果，采用Box-Behnken试验设计优化其配方，并用Design-expert软件对回归模型进行分析，因素水平如表2所示。

表2 配方优化试验因素水平Table 2 Factors and their levels of formulation optimization experiments

1.6 数据处理

单因素试验方差分析利用SPSS软件处理，工艺优化试验设计采用Design-expert软件处理。

2 结果与分析

2.1 不同产地刺梨及干燥温度对饮料品质的影响

考察了不同产地的刺梨及干燥温度对其饮料品质的影响，结果见表3。

表3 不同产地刺梨及干燥温度对刺梨饮料感官品质的影响Table 3 Effect of Ross roxburghii Tratt fruit from different producing areas and drying temperature on quality of the beverage

由表3可知，龙里县产刺梨所得饮料的色泽呈褐色或深褐色、口感略有苦涩、溶液较浑浊；新鲜刺梨经45℃干燥后，所得饮料的色泽呈褐色，口感苦涩，易出现沉淀。而新鲜刺梨果实及将其在35℃干燥后所得饮料的色泽、口感及组织状态均较好，出现此现象的原因可能有几点：（1）不同产地、不同采摘时间所得刺梨果实的成分不同，如采摘时间过早，其单宁和果胶含量偏高，使得饮料苦涩，且易出现沉淀；（2）干燥温度过高，特别是当温度高于45℃时，果实中多酚类物质易发生酶促褐变，蛋白质与糖类产生美拉德反应而使饮料呈深褐色；（3）其他因素如pH值、离子浓度、杀菌温度等均可使饮料产生褐色、悬浮物或沉淀。

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 蜂蜜对刺梨果汁饮料品质的影响

添加适量的蜂蜜可改善或增强饮料的口感和风味，增强饮料的营养价值和保健功效[20]。考察了蜂蜜用量对刺梨饮料品质的影响，结果如图1所示。

图1 蜂蜜添加量对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.1 The effects of honey addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

当蜂蜜添加量达0.03 g/mL时，饮料的口感、风味及色泽等均较好，而低于或高于此添加量时，感官分值明显降低（P=5.85×10-7），特别是添加量增加时，透光率也明显降低（P=1.65×10-18），说明添加蜂蜜能对刺梨果汁饮料的品质有重要影响。因为适量的蜂蜜能与甜菊糖苷及果葡糖浆通过味的相乘作用或相互作用形成浓郁的香甜味；同时能与饮料中的有机酸形成较好的糖酸比；蜂蜜和刺梨均含有一些特有风味物质，使得饮料的口感浓郁，香气怡人，风味独特；添加量过大时，甜度太高，酸甜比失调，蜂蜜味掩蔽了刺梨的风味；且饮料中的有机酸会使其pH值降低，使得饮料中的蛋白分子之间及蛋白与淀粉之间相互聚集而产生沉淀[21-23]，最终使得饮料的组织状态及口感变差。

2.2.2 异抗坏血酸钠对刺梨果汁饮料品质的影响

考察了异抗坏血酸钠对刺梨果汁饮料品质的影响，结果如图2所示。

图2 异抗坏血酸钠对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.2 The effects of sodium isoascorbate addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

异抗坏血酸钠添加量对刺梨饮料感官分值的影响不显著（P=0.063 1），对透光率也无显著的影响（P=0.093 5），可知异抗坏血酸钠对饮料感官品质的影响并不显著。因为抗坏血酸钠具有一定的还原性，虽能消耗饮料中的部分O2及其他氧化性成分，使饮料的色泽较为鲜亮[24-25]，但其它感官变化不明显，且“色泽”指标在感官评价体系中的权重较低（w=0.15），导致综合分值变化并不明显。因此，异抗坏血酸钠的添加量宜取0.4 mg/mL～0.6 mg/mL。

2.2.3 果葡糖浆对刺梨果汁饮料品质的影响

考察了果葡糖浆对刺梨果汁饮料品质的影响，结果如图3所示。

当果葡糖浆添加量为0.06 g/mL时，刺梨果汁饮料的综合感官品质较佳，与不添加的感官分值相差23.0，添加量少或太多均对饮料品质有不利的影响（P=0.001 1），但其对透光率的影响不显著（P=0.244 2）。可能是因为果葡糖浆适量时，其果糖等风味物质与蜂蜜和甜菊糖苷可产生味的协同作用，果香味浓郁；但添加量过多，甜度太高且单一，掩蔽了刺梨的风味，使得饮料的酸甜比失调，口感变差。

2.2.4 柠檬酸对刺梨果汁饮料品质的影响

柠檬酸作为酸味剂，可形成较好的酸甜比。结果如图4所示。

图4 柠檬酸添加量对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.4 The effects of citric acid addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

由图4可知，当柠檬酸添加量为1.2 mg/mL时，饮料的感官分值相对最高，达85.3，不添加或添加过量都不利于饮料酸甜比的协调，说明柠檬酸对饮料的感官品质有重大影响作用（P=3.30×10-6），透光率（P=0.59）。相比其他饮料而言，如程彦伟[22]在绿豆芽苹果汁复合饮料中仅添加了0.06%的柠檬酸；孙中贯[26]和葛英亮[27]分别在石榴花红茶饮料和蓝莓澄清型果汁饮料中添加0.1%和0.15%的柠檬酸。由此可知，柠檬酸的添加量应据原料的种类及其它成分而定。

2.2.5 甜菊糖苷对刺梨果汁饮料品质的影响

考察了甜菊糖苷对刺梨果汁饮料品质的影响，结果如图5所示。

图5 甜菊糖苷添加量对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.5 The effects of stevioside addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

当甜菊糖苷的添加量达到0.12 mg/mL时，感官分值可达84.5分，对饮料的感官分值有显著影响（P=2.09×10-4），对透光率无显著影响（P=0.708 2）。这可能是因为甜菊糖苷与柠檬酸及刺梨中的有机酸复合形成适宜的酸甜比，同时与蜂蜜及果葡糖浆产生协同效应或对比效应，使得饮料的甜味醇厚、酸甜协调且柔和；添加量过高，甜菊糖苷与其他成分易产生对比现象，使得甜菊糖的味道更加突出而使饮料有异味；或是与其他风味成分通过味的变调而使味觉发生改变，从而略带有苦涩味。

2.2.6 β-环糊精对刺梨果汁饮料品质的影响

考察了β-环糊精对刺梨果汁饮料品质的影响，结果如图6所示。

当添加量为0.3 mg/mL时，品质较佳，比不添β-环糊精高10.7分，但总体变化趋势不明显（P=0.907），且对透光率无明显影响（P=0.694 4）。可能是因为加入适量的β-环糊精后，β-环糊精具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性[28-29]，饮料中的微粒被其包合从而溶解性增强，透明度增加，但饮料在相对较短的放置时间内，由于环糊精的包埋作用并无悬浮物或沉淀生产，故对透光率的影响不显著。

图6 β-环糊精添加量对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.6 The effects of β-Cyclodextrin addition on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

表4 单因素试验方差分析Table 4 Analysis of variance of single factor experiments

2.2.7 小结

根据研究结果可知，刺梨果实的干燥温度及产地对刺梨饮料的品质有重要影响，干燥温度不宜超过45℃；蜂蜜、柠檬酸、甜菊糖苷及果葡糖浆对刺梨果汁饮料感官品质有显著影响，异抗坏血酸钠、β-环糊精的影响则不显著；蜂蜜对刺梨果汁饮料的透光率有显著影响，其它因素的影响则不显著。

2.3 配方优化结果与分析

选择甜菊糖苷、柠檬酸、蜂蜜及果葡糖浆4个显著性因素，根据因子权重的相关研究[30-31]，以感官分值（权重=0.8）和透光率（权重=0.2）为试验的综合指标，采用Box-Behnken响应面设计优化刺梨果汁饮料的配方，结果及回归模型的方差如表5、表6所示。

表5 刺梨果汁饮料最佳配方响应面试验设计及结果Table 5 Response surface design arrangement and corresponding experimental data of Ross roxburghii Tratt juice beverage

由表6可知，线性模型、二次方模型及三次方模型均可有效模拟刺梨果汁饮料感官分值与各因素之间的关系，但还须结合模型的失拟项显著性检验（见表7）及R2综合分析（见表8）进一步确定。可知，虽然二次方和三次方模型的R2值均大于0.99，但二次方模型的失拟项显著，故三次方模型可用于优化分析。

续表5 刺梨果汁饮料最佳配方响应面试验设计及结果Continue table 5 Response surface design arrangement and corresponding experimental data of Ross roxburghii Tratt juice beverage

表6 多种模型方差分析Table 6 Variance analysis of different regression models

表7 失拟项显著性检验Table 7 Lack of fit tests

表8 R2综合分析Table 8 Analysis of comprehensive R2

通过Box-Behnken软件，可得三次方模型的回归方程（采用因素的编码值），如（2）所示，其方差分析如表9所示。

表9 回归方程的显著性分析Table 9 Analysis of significant of regression equation

由表9可知，回归方程是高度显著的，且回归方程中所有一次项，交互项 AC、DC，二次项 A2、B2、C2、D2，三次项A2D、AB2、B2D是高度显著的；交互项AD一般显著的，其它均不显著；柠檬酸对刺梨果汁饮料的影响最大，其次是蜂蜜，影响最小的是果葡糖浆；交互项中AC、CD和AD显著，说明甜菊糖苷和柠檬酸之间、甜菊糖苷与蜂蜜之间及柠檬酸与蜂蜜之间的相互作用对饮料的品质有显著性影响，结合响应面图7，可进一步说明以上两因素之间存在相互影响的关系。

图7 两因素交互作用对刺梨果汁饮料品质的影响Fig.7 Effects of interaction of two factors on the qualities of Ross roxburghii Tratt juice beverage

2.4 刺梨果汁饮料配方的确定

根据模型的回归分析可得刺梨果汁饮料的最佳配方为：甜菊糖苷0.13 mg/mL、柠檬酸1.44 mg/mL、蜂蜜0.053 g/mL、果葡糖浆 0.062 g/mL，β-环糊精 0.2 mg/mL～0.3 mg/mL，异抗坏血酸钠 0.4 mg/mL～0.6 mg/mL，此条件下刺梨果汁饮料的理论综合分值为89.9，3次验证试验的感官分值分别为91.5、90.5、89.0，透光率分别为86.9%、86.7%、87.3%，综合评分为90.3，预测值与实验值的误差为0.33%，说明此配方所得刺梨果汁饮料在色泽、口感及组织状态等方面均较良好。

3 结论

1）刺梨干燥温度对刺梨果汁饮料的感官品质有重要影响，温度不宜高于45℃。

2）蜂蜜对刺梨果汁饮料的综合感官分值和透光率有非常显著的影响，透光率会随着添加量的增加而升高，特别是当添加量高于0.09 g/mL时，易出现悬浮物或沉淀；甜菊糖苷、柠檬酸及果葡糖浆对刺梨果汁的口感均有较大的影响作用，但对其透光率无显著影响；异抗坏血酸钠和环糊精对刺梨果汁饮料的感官品质和透光率均无显著性影响。

3）刺梨果汁饮料的最佳配方为：甜菊糖苷0.13mg/mL、柠檬酸1.44 mg/mL、蜂蜜0.053 g/mL、果葡糖浆0.062 g/mL，β-环糊精 0.2 mg/mL～0.3 mg/mL，异抗坏血酸钠0.4 mg/mL～0.6 mg/mL，预测值与试验值的误差为0.33%。

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