红枣杜仲复合饮料的配方优化及其风味物质分析

王 娟,赵 江,陈见容,王 慧,魏绍文

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

杜仲(Eucommiaulmoides)为杜仲科杜仲属植物,又名思仙、仙仲,是我国特产的名贵中药材,现已被国家卫计委列入新资源食品征询意见目录。杜仲叶和杜仲皮具有相同的功能成分和药理功效,其中绿原酸含量可高达5%,具有降血压、改善肾脏功能、促进脑部血液循环、抗疲劳、提高免疫力和抗衰老功效,其功能已被广大消费者认可,杜仲饮料产品的开发将具有广阔的市场空间[1-2]。甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)具有补脾益气、清热解毒等功效[1-4]。葛根(RadixPuerariae)具有通筋活络,解酒毒等功效。红枣(Redjujube)味美香甜,有增强人体免疫力、抗癌、抗突变、防治心血管疾病、护肝、抗过敏和抗疲劳的作用[1-5]。同时,红枣汁含有维生素C、多糖、多种氨基酸等营养物质,具有较高的营养保健价值。

随着“大健康”理念兴起,消费者对于饮料不再仅满足于口腹之欲,营养健康显然已成为消费者对饮料的基本功能诉求。另外,风味是引起消费者购买欲的第一要素,浓郁宜人的香气能让消费者获得感官上的愉悦和心理上的享受,是保证食品被消费者长期接受的必要条件,因此,改善饮料风味增加饮料营养价值是提高产品质量的关键[3]。另外,枣汁风味醇香,可改善杜仲饮料的风味口感,弥补中草药气味不易被消费者接受的不足,在饮料风味调节中起到至关重要的作用[5]。本文以红枣、杜仲、甘草和葛根为原料,加入蔗糖、柠檬酸、甜菊糖苷进行风味调配,采用模糊数学法评价红枣杜仲复合饮料感官指标,可以更好的弥补传统评分法中因评价者个人主观差异带来的误差,使实验结果更加真实可靠。研制出的红枣杜仲复合饮料口感风味俱佳,为药食同源中草药饮料的研发提供经验和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

杜仲叶提取物 西安天一生物技术股份有限公司提供;甘草、葛根 北京同仁堂提供;金丝小枣 市售(柳林县达滋食品有限公司);蔗糖 市售(太古糖业有限公司);柠檬酸 上海苏科化工有限公司;甜菊糖苷 曲阜香州甜菊制品有限公司;果胶酶(酶活力:20000 U/g) 天津市利华酶制剂厂;壳聚糖、纤维素酶(酶活力:10000 U/g) 郑州君凯化工产品有限公司;水 符合卫生标准(GB10790-89)。

QP2010 PLUS气质联用仪 日本岛津公司;FA1104B电子分析天平 沈阳龙腾电子有限公司;PHS-3C数显pH计 上海勇石电子有限公司;C137电磁炉 中山市奥杰斯电器有限公司;电陶炉 顺德区容桂得利亚电器厂;JHF-1000打浆机 昆明铁申商贸有限公司;TG16-WS低温冷冻离心机 金坛市良友仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

1.2.2 生产工艺及操作要点

1.2.2.1 杜仲汁的制备 取杜仲叶提取物(相当于绿原酸含量1.07%)6 g,定容到500 mL,混合均匀4000 r/min离心10 min,四层纱布过滤后得杜仲汁备用。

1.2.2.2 甘草汁的制备 将甘草以料水比1∶20 (g/mL)的比例在96 ℃下煎煮2 h,冷却后经四层纱布过滤,4000 r/min离心10 min,滤汁备用[10-14]。

1.2.2.3 葛根汁的制备 将葛根以料水比1∶10 (g/mL)的比例在96 ℃下煎煮1.5 h,冷却后经四层纱布过滤,4000 r/min离心10 min,滤汁备用[15-18]。

1.2.2.4 杜仲混和汁制备 根据《中国药典》限量标准及实验感官分析,研究由杜仲、甘草和葛根为原料的杜仲混和汁最佳配比,制得的杜仲混和汁原液4000 r/min,离心10 min,得澄清液备用。

1.2.2.5 红枣澄清汁的制备

a. 原料选择与清洗:挑选果肉饱满、色泽美观、无腐烂和病虫害的枣为原料,用流动清水冲洗2～3次,以除去附着在枣表面的泥沙、尘土和其他杂物,控干水分[5]。

b. 软化:料水比1∶10 (g/mL)、温度为97 ℃软化20 min。

c. 打浆:用打浆机将软化的枣打成均匀的枣浆,破碎粒度以3～5 mm为宜、去核。

d. 酶解、灭酶:0.6 g/L果胶酶、2 g/L纤维素酶,酶解(50～55 ℃)2 h,95 ℃灭酶10 min。

e. 澄清、过滤:将壳聚糖配成1%的壳聚糖醋酸溶液,枣汁预热至40～50 ℃后,加入3%～6%(质量比)1%的壳聚糖醋酸溶液,静置1 h后4000 r/min离心10 min,除去絮凝沉淀获得澄清透明的红枣汁[5]。

1.2.2.6 红枣杜仲饮料的研制 经实验分析确定杜仲混和汁中杜仲、甘草和葛根的最佳比例,加入蔗糖、柠檬酸、甜菊糖苷和枣汁进行风味口感调配,设计单因素实验与响应面实验优化配方,使其风味和谐、口感最佳。

1.2.3 红枣杜仲饮料配方单因素实验

1.2.3.1 杜仲混和汁配方的确定 根据预实验配制杜仲:甘草:葛根质量比分别为1∶2∶1、1∶3∶1、1∶3∶2、2∶3∶1和2∶4∶1,5种不同比例的杜仲混和汁,根据感官品质分析确定最佳比例。

1.2.3.2 辅料添加量的确定 以感官评分为指标,选择枣汁、蔗糖、柠檬酸、甜菊糖苷4因素5个添加水平,研究其对杜仲功能饮料的风味影响。固定蔗糖4%,柠檬酸0.01%,甜菊糖苷0.08‰和枣2.5%为基本配方,考察蔗糖(4%、5%、6%、7%、8%)、柠檬酸(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)、甜菊糖苷(0.0008‰、0.0016‰、0.0024‰、0.0032‰、0.0040‰、0.0048‰、0.0056‰、0.0064‰)和枣汁(2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%)对杜仲功能饮料感官评分的影响。

1.2.4 响应面法优化杜仲复合饮料配方 依据单因素实验确定因素影响范围,以蔗糖、柠檬酸、甜菊糖苷和红枣汁为自变量,感官评分为响应值,采用Box-behnken Design(BBD)方法中四因素三水平优化配方并进行方差分析[19-23]。

1.2.5 感官品质评定标准 根据饮料的色泽、香气、滋味、组织状态四个感官指标进行品质评定,评定标准见表2。

表2 红枣杜仲复合饮料感官评分标准Table 2 Sensory evaluation index of Eucommia ulmoides and red jujube compound beverage

1.2.6 红枣杜仲复合饮料模糊数学感官评定 由10名经过专业培训的人员组成感官质量评价小组,对产品的色泽、香气、滋味和组织状态四个因素进行感官质量评定。按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(优、良、中、差)四个等级,采用模糊数学感官评定法进行评定[24-25]。

模糊数学评定法(Fuzzy mathematics Evaluation method)使影响因素定量化,并对被评价对象隶属等级进行综合评价,避免了“评分法”中评价人员主观因素的干扰,使评定结果更具有客观性和合理性,因此被广泛应用于食品评定中[26-27]。

复合饮料感官评价的因素集U由m个因素子集构成:

U={u1,u2,···,um}={色泽、香气、滋味、组织状态}

评语等级集合为V:

V={v1,v2,…,vm}={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}={优,良,中,差}

四个因素权重:

记为X=(a1,a2,a3,a4)其中a1+a2+a3+a4=1

模糊关系综合评判集Y=X·R,其中R为从U映射到V的一个评判模糊矩阵。

(其中rij为第i个感官质量指标评定等级为j的人数比例)

令等级分数矩阵为D,并计算每组产品最终感官评分W:

D=(D1,D2,D3,D4)=(90,80,70,60)

W=Y·D=(b1,b2,b3,b4)(D1,D2,D3,D4)T

1.3 顶空固相微萃取(HS-SPME)分析挥发性风味物质

1.3.1 顶空吸附 参照Daan Saison等[27]的方法吸取5 mL样品于萃取瓶中,放入转子并用封瓶膜密封,置于集热式恒温加热磁力搅拌器中,将75 μm CAR/PDMS萃取头插入,设置搅拌器转数为600 r/min,60 ℃水浴条件下吸附20 min,然后GC-MS进样口250 ℃条件下解吸15 min。

1.3.2 GC-MC条件

1.3.2.1 GC条件 采取程序升温,起始温度40 ℃,时间10 min,先以3 ℃/min上升到100 ℃,再以4 ℃/min升至180 ℃,最后以6 ℃/min升至220 ℃。进样口温度250 ℃,以氦气为载气,流速为1 mL/min,不分流进样。

1.3.2.2 MS条件 接口温度220 ℃,电离方式为EI,70 eV,离子源温度为230 ℃,扫描质量范围为33～450 aum。通过质谱图与计算机检索库提供的标准质谱图对照,鉴定化合物,从而确定挥发性风味物质成分,用面积归一化法测定其相对含量[28-31]。

1.4 统计与分析

实验数据采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017和Design-Expert 8.0.6进行分析处理[21-22]。

2 结果和分析

2.1 杜仲、甘草和葛根比例确定

甘草中含有的甘草酸及其盐类称为甘草甜素,甘草甜素具有高甜度(约为蔗糖的250倍)、低热能(不到蔗糖的1/10)的特点,甘草甜素被美国食品与药品管理局(FDA)列入“公认的安全物质”,可作为甜味剂添加于饮料中,能够降低增香成本,增加保健功效[1-4]。甘草汁口感清甜,后味有淡淡的甘草清香,其添加量较少时甜味不足,过量时则甘草味偏重,较为甜腻,并且咽喉处有甜味与苦味分离的感觉。葛根汁口味偏苦,中草药气味较强烈,一般不易被接受。杜仲汁有淡淡清香味,但过量时杜仲味道较重,风味差,并且混合液颜色偏深褐色,感官上不易被消费者接受。本实验通过改变杜仲、甘草和葛根的添加比例,根据其不同特点达到优势互补,配制口感及风味容易被纠正、完善的原料混和汁。降低了饮料调配工序的难度,为下一步的工艺做好铺垫。由实验结果可知,杜仲(g)∶甘草(g)∶葛根(g)=1∶3∶2时最佳,即杜仲混和汁最佳配比为杜仲0.002 g/mL,甘草0.006 g/mL,葛根0.004 g/mL,在此配比条件下杜仲味道清淡,甘草甜味适中,葛根苦味及中草药气味更容易被纠正。

表3 不同比例的杜仲、甘草和葛根对杜仲饮料感官品质的影响Table 3 Effect of different volume proportion of three materials on the sensory quality

2.2 红枣杜仲复合饮料配方单因素实验

2.2.1 蔗糖用量确定 蔗糖属于营养型甜味剂,能够增加饮料甜度,掩盖杜仲混合液的苦涩,但是糖度过高的饮料不适于肥胖症、高血压及糖尿病人食用[30]。由图1可知,蔗糖添加量在4%～8%范围内,杜仲复合饮料的感官评分呈先上升后下降趋势,其中蔗糖添加量4%～5%以及7%～8%范围内变化明显,5%～7%范围内变化平缓,因此,选择蔗糖添加量5%、6%、7%进行响应面试验。

图1 不同添加量的蔗糖对杜仲复合饮料感官品质的影响Fig.1 Effect of different level of sugar on the sensory quality

2.2.2 柠檬酸用量确定 柠檬酸作为酸度调节剂,具有降低饮料pH、抑制微生物繁殖、调节饮料风味和口感的作用[4]。由图2可知,柠檬酸添加量在0.01%～0.05%范围内感官评分呈先增加后下降的趋势,柠檬酸为0.02%时感官评分值达到最高,添加量在0.01%～0.03%范围内,评分值增加缓慢,在0.03%～0.05%范围内,评分值下降明显,这可能是由于柠檬酸添加量在0.03%时,刚好能够遮盖杜仲饮料的苦涩,并赋予饮料酸甜可口的风味,此时稍过量的柠檬酸使饮料口味偏酸,口感较差。因此,选择柠檬酸添加量0.02%、0.03%、0.04%进行响应面试验。

图2 不同添加量的柠檬酸对杜仲复合饮料感官品质的影响Fig.2 Effect of different level of citric acid on the sensory quality

2.2.3 甜菊糖苷用量确定 甜菊糖苷被誉为“第三糖原”,是一类天然的高甜度低热值甜味剂,同时具有降血压、降血糖、抑菌和抗肿瘤功效[31-32]。由图3可知,甜菊糖苷添加量在0.0008‰～0.0032‰和0.0032‰～0.0064‰范围内,感官评分呈现先增加后下降趋势。这可能是因为0.0004‰～0.0032‰范围内的甜菊糖苷能明显遮盖杜仲的苦涩味,同时甜菊糖苷本身的青草味影响杜仲饮料评分值,当甜菊糖苷添加量高于0.0004‰时,其本身的甜味改善了饮料的风味口感,当甜菊糖苷添加量为0.0056‰时,杜仲饮料感官评分最佳。因此,选择甜菊糖苷添加量0.0048‰、0.0056‰、0.0064‰进行响应面试验。

图3 不同添加量的甜菊糖苷对杜仲复合饮料感官品质的影响Fig.3 Effect of different level of stevioside on the sensory quality

2.2.4 枣汁用量确定 枣汁的香气清新浓郁,能够掩盖饮料不易被接受的气味,可以作为香精的替代品,并且红枣富含蛋白质、维生素和钙、磷、铁等矿物质[4-5]。由图4可知,枣汁添加量在2.5%～12.5%范围内,感官评分呈先增加后下降的趋势,枣汁能改善杜仲饮料的风味及口感,赋予其浓郁的枣香,过量的枣汁则会增加饮料的甜腻感。枣汁添加量在5%时,饮料感官评分值较高,因此,选择枣汁添加量4%、5%、6%进行响应面试验。

图4 不同添加量的枣汁对红枣杜仲复合饮料感官品质的影响Fig.4 Effect of different level of jujube juice on the functional quality

2.3 感官评分等级得票数

由表6得出模糊权向量=(0.16,0.22,0.42,0.20)

表4 样品R1感官评价等级得票数Table 4 The votes of sensory evaluation of R1

表5 不同指标隶属度Table 5 The membership degree of different indicator

表6 隶属度归一化处理结果Table 6 The results of membership normalization processing

模糊关系综合评判集为Yi=X·Ri

以表7中样品1为例:

同理得:Y2～Y29

令等级矩阵为D=(90,80,70,60),复合饮料每组感官评分为W,则:Wi=Yi·DT(i表示第i组产品)。

经计算得:W1=Y1·DT=76.88

同理得表7中W1～W29

表7 Box-Behnken试验设计及结果Table 7 Design and result of Box-Behnken

2.4 响应面试验

对响应面结果进行多元二次分析,得到杜仲复合饮料感官评分与各因素变量之间的二元回归方程:Y=85.06+3.91A-0.22B-2.04C+1.53D+0.085AB-3.27AC-3.32AD+0.34BC+1.12BD-1.56CD-5.34A2-15.60B2-4.03C2-5.74D2

表8 Box-Benhnken实验模型方差分析Table 8 Variance analysis of the fitted regression mode

响应面能够直接反映各因素与响应值之间的关系以及各因素的交互作用,等高线的形状为椭圆形表示因素的交互作用显著,圆形则表示交互作用不显著[36-37]。由图5和图6各因素交互作用等高线图可知,等高线的形状为椭圆形表示蔗糖与甜菊糖苷添加量、蔗糖与枣汁添加量交互作用显著。从三维立体图可以看出,响应面均呈开口朝下的曲面,表明响应面有极大值,最优配方在实验范围内。蔗糖与甜菊糖苷添加量、蔗糖与枣汁添加量的响应面图均为椭圆形,说明其交互作用对杜仲饮料感官评分具有显著影响(p<0.05)。

图5 蔗糖与甜菊糖苷添加量对红枣杜仲复合饮料感官评分的响应面及等高线图Fig.5 Response surface and contour plot for effect of sugar and stevioside on sensory evaluation of compound beverage

图6 蔗糖与枣汁添加量对红枣杜仲复合饮料感官评分的响应面及等高线图Fig.6 Response surface and contour plot for effect of sugar and jujube juice on sensory evaluation of compound beverage

应用Design-Expert8.0.6软件对回归方程进行分析,得到的最优响应结果为:蔗糖6.491%、柠檬酸2.993%、甜菊糖苷0.00518%、枣汁5.126%,感官评分预测值为86.53分。根据实际情况优化为:蔗糖6.49%、柠檬酸0.03%、甜菊糖苷0.0052‰、枣5.13%,该配方经三次平行检验后感官得分均值为85.12分,与预测值接近,说明响应面优化模型所得的工艺条件参数准确、可行。

2.5 红枣杜仲复合饮料挥发性风味物质分析

2.5.1 红枣杜仲复合饮料中香气成分总离子流色谱图 利用顶空固相微萃取和气相色谱-质谱联用技术对红枣杜仲复合饮料的挥发性风味物质进行萃取及成分分析,结果见图7。

图7 红枣杜仲复合饮料总离子流色谱图Fig.7 Total ion chromatogram of compound beverage

2.5.2 红枣杜仲复合饮料中挥发性风味物质分析 采用气相色谱/质谱联用仪(GC/MS)对红枣杜仲复合饮料的挥发性风味物质进行测定,并对NIST谱库检索出的匹配度大于80%的风味物质进行归类分析[33-39],结果见表9。共检测出27种挥发性风味物质,包括5种醇类化合物,16种羰基类化合物,1种酸类化合物,2种杂环类化合物和3种酯类化合物。其中异戊醛具有令人愉快的水果香气,反式-2-己烯醛具有绿叶清香和水果香气,2-庚酮有类似梨的水果香气,1-辛烯-3-醇具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香气,正辛醛在香料工业上用于配制玫瑰、香石竹、橙花、桔香古龙等型香精,在食品工业上用以产生甜橙香气,苯乙醛具有类似风信子的香气,稀释后具有水果的甜香气,苯乙酮具有山楂香气,壬醛具有玫瑰、柑橘等香气,香叶基丙酮具有新鲜、清、淡的花香香气,略带甜蜜-玫瑰香韵味。这些挥发性风味物质促进了红枣杜仲复合饮料良好风味的形成。

表9 红枣杜仲复合饮料中挥发性风味物质Table 9 The volatile compounds of compound beverage

3 结论

经单因素实验和响应面优化,最佳配方为:蔗糖6.49%、柠檬酸0.03%、甜菊糖苷0.0052‰、枣5.13%,该条件下的饮料口感风味最佳,符合食品卫生标准,为杜仲复合饮料研发和工业化生产提供了一定的参考价值。利用气相色谱/质谱联用仪(GC/MS)分析红枣杜仲复合饮料的挥发性风味物质,结果表明醇类和羰基类化合物是饮料挥发性风味物质的主要成分。异戊醛、反式-2-己烯醛、2-庚酮、1-辛烯-3-醇、正辛醛、苯乙醛、苯乙酮、壬醛、香叶基丙酮呈现的特殊香气对红枣杜仲复合饮料的风味起到补充和调整作用,为红枣饮料的香气特征风味及其开发利用提供了一定的理论依据。