响应面法优化火锅底料中辣椒有效成分的溶出

李颖玥，李洪军,2，贺稚非,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

火锅作为一种川渝特色饮食，近年来越来越受到全国乃至全世界消费者的青睐。火锅底料是以牛油(或植物油)、辣椒、豆瓣、花椒、姜、蒜、盐、糖等为主要原料，经炒制而形成的一种调味产品。辣椒是火锅底料的重要原料，辣椒中的辣椒素和辣椒红素等有效成分在炒制过程中的大量溶出是火锅底料品质的重要保证。辣椒素具有镇痛止痒、抗炎抑菌[1]、调节血糖和脂质代谢[2-3]等作用；辣椒红素具有抗氧化性，在癌症、动脉粥样硬化等疾病的预防中有一定的作用[4]。目前关于火锅底料的研究较多，主要涉及炒制工艺条件[5-8]、挥发性风味物质组成[9-10]、贮藏期品质变化[11-12]等。对火锅底料工艺条件的研究大多集中在炒制温度、压力、时间、搅拌器转速[6-8]以及原料配比(辣椒、豆瓣、香辛料用量)[5-6]， 对炒制过程中原料辣椒有效成分辣椒素和辣椒红素的溶出研究不够深入。

本实验以艳椒425为研究对象，通过Box-Behnken设计和响应面法对火锅底料炒制过程中干辣椒的颗粒度，干辣椒和糍粑辣椒的比例，以及炒制温度进行试验，获得火锅底料炒制中最利于辣椒有效成分溶出的工艺 ，以期为火锅底料行业的工业化生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

干辣椒(艳椒425)，重庆石柱；非转基因一级菜籽油，成都红旗油脂有限公司。

1.1.2 药品试剂

辣椒素标准品(纯度97.5%)，中国食品药品检定研究院；二氢辣椒素标准品(纯度98.5%)，中国食品药品检定研究院；甲醇(色谱纯)，成都市科隆化学品有限公司；四氢呋喃(色谱纯)，天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

分析天平，上海菁海仪器有限公司；多功能粉碎机，上海江信科技有限公司；绞肉机，腾辉电器有限公司；多功能电磁炉，广东美的生活电器制造有限公司；超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司；WSL32比较测色仪，上海悦丰仪器仪表有限公司；高效液相色谱仪，捷岛科仪有限公司。

1.3 方法

1.3.1 材料处理

为避免辣椒完整粉碎导致不同颗粒度[13]的籽皮占比不同而影响实验结果，先将干辣椒籽皮分离，再分别粉碎过筛，得到不同颗粒度的干辣椒颗粒，炒制时将该颗粒度的辣椒籽和辣椒皮按照籽皮比混合后加入。将干辣椒加入沸水中煮制3 min，干辣椒与水的质量比为1∶6，煮制好的干辣椒滤干，用绞肉机绞碎成糍粑辣椒，测定糍粑辣椒和干辣椒的水分含量[14],在试验中将糍粑辣椒的质量换算成干辣椒，控制原料辣椒的总使用量不变。

1.3.2 工艺流程

向锅中倒入菜籽油250 g，加热至目标油温，控制原料辣椒总使用量为50 g，根据试验设计的干辣椒与糍粑辣椒的比例计算得出干辣椒和糍粑辣椒的用量，先加入糍粑辣椒，炒至糍粑辣椒失去大部分水分，再加入干辣椒，继续炒制，以“料酥油亮香味突出”为炒制终点。(炒制温度，干辣椒颗粒度及干辣椒与糍粑辣椒的比例均会影响炒制时间，故不规定炒制时间，而以成品感官作为炒制终点，经多次测定，此终点成品的水分含量在15～20 g /100 g范围内。)将成品用样品袋分装，封口。

1.3.3 感官评价方法

样品采用随机编号，由12名感官评价人员分别从色泽、香味、油清亮、滋味4个方面进行评价，感官评价的总分为10分，具体评定标准见表1。依据层次分析法[15]，根据12名感官评价人员对各指标标度的评判，综合确定色泽、香味、油清亮、滋味的权重分别为26%、52%、9%、13%。根据各指标的权重计算出感官评价的综合评分。

表1 火锅底料基料感官评价标准Table 1 The sensory evaluation standards of hot pot flavoring

1.3.4 红油色度的测定方法

参照GB/T 22460—2008 动植物油脂罗维朋色泽的测定[16]。

1.3.5 辣椒素含量的测定方法

参照GB/T 1266—2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素类物质测定及辣度表示方法[17]。

1.3.5.1 标准溶液曲线的建立

配制辣椒素和二氢辣椒素的混合标液，质量浓度为0、20、40、60、80、100 μg/mL。进行色谱分析，建立标准曲线。

1.3.5.2 样品前处理

将样品过滤取红油5 g左右于250 mL烧杯中，加入甲醇-四氢呋喃(体积比1∶1)混合溶剂25 mL，用保鲜膜封口，用针扎几个小孔，然后在60℃水浴条件下超声提取30 min后转移至50 mL容量瓶中，并用甲醇-四氢呋喃(体积比1∶1)混合溶剂润洗烧杯和玻璃棒2～3次，润洗液体一起转移到容量瓶中，定容。经0.45 μm滤膜过滤后进行色谱分析。

1.3.5.3 检测条件

色谱柱：C18(4.6 mm×250 mm， 5 μm)；流动相：甲醇+水(体积比65∶35)；进样量：10 μL；流速：1 mL /min；紫外检测波长：280 nm；柱温箱温度：30 ℃。

1.3.5.4 结果计算

(1)

式中：Wa，试样中辣椒素的含量，g/kg；C1，由标准曲线上得到的辣椒素含量，μg/mL；V，样品定容体积，mL；m，样品质量，g。

(2)

式中：Wb，试样中二氢辣椒素的含量，g/kg；C2，由标准曲线上得到的二氢辣椒素含量，μg/mL；V，样品定容体积，mL；m，样品质量，g。

(3)

式中：W，试样中辣椒素类物质总量，g/kg；0.9，辣椒素与二氢辣椒素折算为辣椒素类物质总量的系数。

1.3.6 单因素实验设计

研究不同干辣椒颗粒度(5、10、20、40和80目)、干辣椒占比(30%、40%、50%、60%和70%)和炒制温度(80、100、120、140和160 ℃)对辣椒有效成分溶出及感官的影响。

1.3.7 响应面实验设计

在单因素试验的基础上选取干辣椒颗粒度、干辣椒占比、炒制温度作为试验因素，以感官评价、红油色度和辣椒素含量为响应值，根据Box-Behnken试验设计原理设计响应面试验[18]，对底料中辣椒有效成分溶出的工艺进行优化，试验因素及其水平见表2。

表2 Box-Behnken设计因素水平表Table 2 Variables and levels used in Box-Behnken design

1.4 数据处理

采用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面分析，单因素方差分析采用SPSS Statistics 19.0软件，采用Origin 8.1软件作图。

2 结果与分析

对样品品质的判断指标有3个，感官评价、红油色度和辣椒素含量，3指标随条件不同而变化的趋势不一定完全同步。通过对感官评定人员的调查发现，过高的红油色度和辣椒素含量反而会对产品感官产生消极的影响，而消费者判断产品的优劣主要是通过感官，故当3指标的趋势出现差异时，以感官评分为主，红油色度和辣椒素含量为辅，对工艺进行优化。

2.1 辣椒素类物质的标准曲线

根据GB/T 21266—2007 辣椒及辣椒制品中辣椒素类物质测定及辣度表示方法配制辣椒素和二氢辣椒素的标液，并用HPLC法测定(图1)；以标准品浓度为自变量，响应面积为因变量，建立方程，得到辣椒素和二氢辣椒素的HPLC标准曲线(图2、图3)。

图1 辣椒素和二氢辣椒素标准品HPLC图Fig.1 The HPLC spectrum of capsaicinoid and dihydro capsaicinoid

图2 辣椒素的HPLC标准曲线Fig.2 The HPLC standard curve of capsaicinoid

图3 二氢辣椒素的HPLC标准曲线Fig.3 The HPLC standard curve of dihydro capsaicinoid

图4 干辣椒颗粒度对辣椒有效成分溶出的影响Fig.4 Effects of the granularity of dried chilies on dssolution of chili pepper effective components

2.2 单因素试验

2.2.1 干辣椒颗粒度对辣椒有效成分溶出的影响

由图4可以看出，随着干辣椒颗粒度逐渐变细，感官评分先上升后下降，在颗粒度为20目时达到峰值；红油色度和辣椒素含量均呈上升趋势。在颗粒度5～20目，随颗粒度变小，辣椒颗粒的比表面积增大，辣椒中有效物质的溶出明显增多，颜色和辣味都有提升，感官评价显著上升；颗粒度为20～80目，尽管有效物质溶出增多，但增加趋势变缓，且颗粒度过小时，香味损失较大，油层的清亮程度也明显降低，导致感官评价总体下降。在颗粒度为5～40目，辣椒颗粒比表面积增大，有效物质溶出明显增多，红油色度和辣椒素含量显著上升；但在40目之后，有效物质的溶出已接近最大溶出量，再减小颗粒度对辣椒素和辣椒红素的溶出没有明显帮助，红油色度和辣椒素含量上升趋势显著变缓,同时还会增加生产过程中粉碎的能耗，损失辣椒炒制的香味，降低红油的清亮程度，增加火锅涮烫过程中辣椒颗粒附着在食材上的可能性，极大降低产品的感官。因此以感官评价为主要指标，红油色度和辣椒素含量为辅助指标，综合考虑生产实际，选择10、20、40目为响应面试验的较优水平。

2.2.2 干辣椒占比对辣椒有效成分溶出的影响

由图5可以看出，随着干辣椒占比逐渐增加，感官评分、红油色度和辣椒素含量均先上升后下降，在干辣椒占50%时达到峰值。由于选择的干辣椒颗粒度为20目，所以干辣椒颗粒明显小于糍粑辣椒，更利于有效物质的溶出，但同时糍粑辣椒含水量高，延长了炒制时间，使有效物质有充足的时间从辣椒中迁移出来。在干辣椒占比为30%～50%，糍粑辣椒的比例大，炒制时间充足，所以随干辣椒比例增大，有效物质的溶出明显增多，且在炒制过程中干辣椒较糍粑辣椒更易产生香味，故感官评价、红油色度和辣椒素含量均上升；在干辣椒占比为50%～70%，虽然干辣椒比例增大，更利于有效物质溶出，但炒制时间缩短，使得辣椒红素溶出有一定的减少，辣椒素的溶出显著减少。因此以感官评价为主要指标，红油色度和辣椒素含量为辅助指标，综合考虑生产实际，选择干辣椒占比40%、50%、60%为响应面试验的较优水平。

图5 干辣椒占比对辣椒有效成分溶出的影响Fig.5 Effects of the proportion of dried chilies on dssolution of chili pepper effective components

2.2.3 炒制温度对辣椒有效成分溶出的影响

由图6可以看出，随炒制温度升高，感官评分先上升后下降，在120 ℃时最大；红油色度逐渐上升，但120 ℃以后升高不明显；辣椒素含量先上升后下降，在100 ℃时最大。在一定范围内，温度升高有利于辣椒红素和辣椒素等有效物质的溶出，同时也利于辣椒炒制香味的产生；但当温度超过一定范围后，辣椒红素和辣椒素在高温下被破坏[19-21]，同时也会产生焦糊味，且温度升高，炒制时间缩短，使有效物质没有充足的时间从辣椒中迁移出来。在炒制温度为80～120 ℃的范围内，温度升高，有效物质的溶出明显增多，香味也越来越突出，故感官评价和红油色度均上升；在120～160 ℃的范围内，温度升高产生焦糊味，油色变深，辣椒产生絮状物质，感官品质下降，红油色度几乎不变。在炒制温度80～100 ℃范围内，温度升高有利于辣椒素的溶出，辣椒素含量上升；在100～160 ℃范围内，温度升高利于辣椒素溶解的同时，炒制时间缩短，辣椒素溶出量反而下降，同时过高的温度还可能破坏辣椒素，故而辣椒素含量显著下降。因此以感官评价为主要指标，红油色度和辣椒素含量为辅助指标，综合考虑生产实际，选择炒制温度100、120、140 ℃为响应面试验的较优水平。

图6 炒制温度对辣椒有效成分溶出的影响Fig.6 Effects of frying temperature on dssolution of chili pepper effective components

2.3 响应面法优化辣椒有效成分溶出

2.3.1 响应面试验设计及结果

响应面优化辣椒有效成分溶出的试验设计及结果见表3。

2.3.2 回归方程的建立及方差分析

根据表3的实验结果，用Design-Expert 8.0.6 软件统计分析，通过对各因素的多元回归拟合，得到感官评价、红油色度、辣椒素含量的回归方程分别为：

Y1=8.21+0.11A+0.19B+0.23C+0.034AB-0.077AC-0.11BC-0.40A2-0.24B2-0.60C2(R2=0.976 6)

(4)

Y2=21.94+3.04A+0.49B+1.41C+0.29AB-0.54AC-0.075BC-2.04A2-0.050B2-1.42C2(R2=0.987 3)

(5)

Y3=0.29+0.056A-0.005 816B-0.016C+0.021AB+0.004 184AC+0.012A2-0.016B2-0.017C2(R2=0.992 9)

(6)

式中：Y1-感官评分；Y2-红油色度；Y3-辣椒素含量；A-干辣椒颗粒度；B-干辣椒占比；C-炒制温度。

表3 Box-Behnken 试验设计及结果Table 3 The design matrix and results of Box-Behnken experiments

表4 感官评价回归模型方差分析Table 4 ANOVA of RSM for the sensory evaluation

注：p<0.05 表明模型或各因素影响显著，以“*”表示；p<0.01 表明模型或因素影响高度显著，以“**”表示；p<0.001 表明模型或因素影响极显著，以“***”表示；下同。

由表4的方差分析可知，回归模型中因素C、A2、C2对感官评价影响极显著(p<0.001)，因素A、B、B2影响高度显著(p<0.01)，因素AB、AC、BC影响不显著(p≥0.05)。根据二次多项回归方程的一次项系数绝对值的大小可判断各因素对感官评分的影响由大到小依次是：炒制温度、干辣椒占比、干辣椒颗粒度。响应值为感官评价时，模型的p值<0.000 1，表明该模型极显著；同时失拟项在0.05水平上不显著(p=0.448 3>0.05)；信噪比=16.963>4，回归方程可信度很高；变异系数为1.41%，试验的重现性好；相关系数R2=0.976 6，即感官评价的变化有97.66%来源于所选变量，综上，实验结果和数学模型拟合度良好，模型选择合适，可用于推测试验结果。

同理，当以红油色度和辣椒素含量为响应值时，根据表5、表6的回归模型方差分析可知模型的拟合度良好，可用于推测试验结果。

2.3.3 响应面结果分析

在各试验因素交互作用的响应面图中，较广泛使用的响应面图包括三维曲面和等高线图。在三维曲面图中，响应面坡度越陡，两试验因素的交互作用对响应值的影响就越显著。

图7反映了各两因素交互作用对感官评价的影响，3个响应面的坡度都较平，表明以感官评价为响应值，各两因素交互作用对感官评价的影响不显著。

图8反映了各两因素交互作用对红油色度的影响，图8-b的响应面的坡度较陡，表明以红油色度为响应值，干辣椒颗粒度和炒制温度的交互作用对红油色度的影响显著；图8-a、图8-c的响应面坡度较平，表明干辣椒颗粒度和干辣椒占比、干辣椒占比和炒制温度的交互作用对红油色度的影响不显著。

表5 红油色度回归模型方差分析Table 5 ANOVA of RSM for the oil color

表6 辣椒素含量回归模型方差分析Table 6 ANOVA of RSM for the content of capsaicinoid

图9反映了各两因素交互作用对辣椒素含量的影响，图9-a的响应面的坡度很陡，表明以辣椒素含量为响应值，干辣椒颗粒度和干辣椒占比的交互作用对红油色度的影响非常显著；图9-b、图9-c的响应面坡度较平，表明干辣椒颗粒度和炒制温度、干辣椒占比和炒制温度的交互作用对红油色度的影响不显著。

2.3.4 辣椒有效成分溶出响应面优化结果及其验证试验

a-干辣椒颗粒度和干辣椒占比；b-干辣椒颗粒度和炒制温度；c-干辣椒占比和炒制温度图7 各两因素交互作用对感官评价影响的响应面图Fig.7 Response surface plots showing the interactive effects of factors on sensory evaluation

a-干辣椒颗粒度和干辣椒占比；b-干辣椒颗粒度和炒制温度；c-干辣椒占比和炒制温度图8 各两因素交互作用对红油色度影响的响应面图Fig.8 Response surface plots showing the interactive effects of factors on oil color

a-干辣椒颗粒度和干辣椒占比;b-干辣椒颗粒度和炒制温度;c-干辣椒占比和炒制温度图9 各两因素交互作用对辣椒素含量影响的响应面图Fig.9 Response surface plots showing the interactive effects of factors on the content of capsaicinoid

通过Design Expert 8.0.6 软件对试验数据的优化分析，综合考虑感官评分、红油色度和辣椒素含量3个指标，预测得到最利于辣椒有效成分溶出的工艺参数为：干辣椒颗粒度34.91目、干辣椒比糍粑辣椒54.7∶45.3、炒制温度121.88 ℃，在此条件下，感官评价的理论值为8.16分，红油色度的理论值为23.5罗维朋色值，辣椒素含量的理论值为0.333 g/kg。考虑到试验的可操作性，将工艺参数修正为：干辣椒颗粒度35目、干辣椒比糍粑辣椒55∶45、炒制温度122 ℃，经验证，用此条件进行验证试验，得到的感官评分为8.37分，红油色度为23.4罗维朋色值，辣椒素含量为0.355 g/kg，与预测值十分接近，表明响应面优化后的方程模型能较好预测辣椒中有效物质溶出的变化情况。

3 结论

通过单因素试验和响应面试验的结果分析，得到干辣椒颗粒度、干辣椒占比和炒制温度对感官评价、红油色度、辣椒素含量的影响的回归方程模型，该模型极显著，置信度高，拟合性好。根据优化结果得出提高火锅底料中辣椒有效成分的溶出量的较优工艺为干辣椒颗粒度35目、干辣椒比糍粑辣椒55∶45、炒制温度122 ℃，在此条件下感官评分为8.37分，红油色度为23.4罗维朋色值，辣椒素含量为0.355 g/kg，与预测值十分接近，表明该模型具有一定的实验指导意义，可用于分析响应值变化情况。

4 讨论

目前对于火锅底料工艺的研究有很多，主要涉及炒制温度、压力、时间、搅拌器转速[6-8]以及原料配比(辣椒、豆瓣、香辛料用量)[5-6]等，但对实际生产中干辣椒的颗粒度以及混合使用干辣椒和糍粑辣椒来增加有效成分溶出的研究几乎空白，本实验以此为切入点，通过响应面优化得到了干辣椒颗粒度、干辣椒占比和炒制温度的较优工艺条件，弥补了这一空白，也为后续火锅底料的工艺研究提供了新的思路。

同时由于火锅底料是一种复杂的调味品，其中涉及的原料除辣椒之外还有很多，本实验主要针对的是与辣椒相关的工艺优化，所以，对其他原料(如豆瓣，香辛料，姜蒜等)及工艺条件的研究还有很大的空间。

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