混料设计优化黄秋葵功能饮料配方

刘佳新,颜廷才,刘春菊,唐明霞,李大婧,刘春泉,袁春新,顾拥建

(1.江苏省农业科学院农产品加工研究所,江苏南京 210014; 2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110161; 3.江苏沿江地区农业科学研究所,江苏如皋 226541)

黄秋葵又名秋葵、补肾草、洋辣椒等,为锦葵科(Malvaceae)秋葵属(AbelmoschusMedic)的一年生草本植物,遍及热带和地中海地带,最适合生长于热气候地区(温度在25 ℃左右)。黄秋葵的果实、叶、芽、花均具有丰富的营养价值,富含碳水化合物、维生素、蛋白质、膳食纤维、矿物质与脂肪等多种营养成分[1],可以改善肠道环境,提高人体抵抗力,预防白内障、心血管等疾病。黄秋葵不仅可以作为蔬菜食用,还可开发成新型保健食品[2-4]。

混料设计是通过研究各因子在配料中的比例,而不涉及配料的总量,是一种受特殊约束的回归设计,在限定因素空间中,基于给定回归模型,进行各种实验方案后寻找最优组合,从而获得最优回归方程[5],目前混料设计主要应用于冶金、化工、制药、食品等领域[6-9]。周剑忠等[10]利用混料设计对混合发酵剂中多组分和多目标参数进行优化,获得最优的发酵剂组合;杨天意等[11]采用混料设计试验对发芽糙米香蕉复合粉的配方进行优化,并检测产品流变性,研制出质地优良、口感纯正、风味独特的发芽糙米保健型食品;吴佳丽等[12]采用混料设计研究调味液配方中各成分的不同组合对即食文蛤调味的感官质量影响,获得了即食文蛤调味液的最优配方。

本实验以黄秋葵为原料,配以山药、羽衣甘蓝、多糖提取物、黄酮提取物进行混料设计,得到最优饮料配方,经实验研究发现,随着黄秋葵含量的增加,饮料的粘度会增大,浓度过大时,饮料的口感过于粘稠,影响感官评价,当黄秋葵、山药和羽衣甘蓝混合相互作用时,黄秋葵功能饮料的悬浮稳定性最好,混合功能饮料中的功能因子多糖和黄酮的含量增加,其抗氧化能力增强,为黄秋葵功能饮料研发提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黄秋葵 南通盛泰农业发展有限公司“天之葵”黄秋葵种植基地;山药 河南焦作怀康温县淮山新鲜铁杆棒山荮种植基地;羽衣甘蓝 上海老一生鲜果蔬贸易有限公司;黄秋葵多糖提取物[13]、竹叶黄酮提取物(40%) 陕西信瑞生物科技有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)、2,4,6-三吡啶基-S-三嗪(TPTZ) Sigma公司;葡萄糖、芦丁标准品 中国药品生物制品检定所;无水乙醇、氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸铝、蒽酮、硫酸、醋酸、三氯化铁、硫酸亚铁、过硫酸钾等 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

BS224S电子分析天平 北京赛多利斯科学仪器公司;UV-6300型紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司;722可见光分光光度计 上海精密科学仪器有限公司;WP800SL23-2格兰仕微波炉 佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司;TG16-WS台式高速离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;FW100高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;JMS-180 DB型分体式胶体磨(2013款) 河北廊坊市廊通机械有限公司;高压均质机 无锡同辉自动化设备制造有限公司;DV-C数显粘度计 上海方瑞仪器有限公司。

1.2 样品的制备

1.2.1 黄秋葵汁制备 黄秋葵原料拣选洗净,称取200 g黄秋葵原料,沸水烫漂2 min,冷却沥水去籽切碎,按1∶3加蒸馏水打浆,胶体磨研磨2次,均质机均质1次,放入离心机5000 r/min离心10 min,取滤液装瓶,95 ℃巴氏杀菌10 min得黄秋葵汁备用[14]。

1.2.2 黄秋葵功能饮料制备 将黄秋葵、山药、羽衣甘蓝按一定的比例混合,加三倍蒸馏水打浆,沸水浸提10 min,加一定量的白砂糖、黄酮和多糖,胶体磨研磨2次,均质机均质1次,放入5000 r/min离心机离心10 min,取滤液装瓶,95 ℃巴氏杀菌10 min得黄秋葵复合汁备用。

1.3 饮料配方的混料设计优化

基于混料设计优化黄秋葵功能饮料工艺的最佳配方,选取黄秋葵、山药、羽衣甘蓝、黄酮提取物、多糖提取物、水为主要成分,制成不同的黄秋葵功能饮料,以饮料的粘度、悬浮稳定性、感官评价为考察指标,采用Design Expert 8.0.5软件进行最优混料设计,影响因素与水平如表1所示。

表1 影响因素与水平表Table 1 Influencing factors and levelsTable

1.4 指标的测定

1.4.1 粘度的测定 使用DV-C数显黏度计,选取转子号为61的转子在常温下测定3次,取平均值。

1.4.2 悬浮稳定性的测定 将黄秋葵功能饮料3500 r/min离心15 min,取离心后的上清液和离心前的液体用722可见光分光光度计分别在720 nm的波长下测定吸光度,分别记为A2和A1。A2与A1的比值表示黄秋葵功能饮料的悬浮稳定性,测定3次,取平均值。

1.4.3 感官评价 采用定量描述的分析方法对黄秋葵强化功能饮料进行感官评价,邀请食品科学与工程专业并对试验样品的感官性质差别具有识别能力的10位学生作为品评员,样品随机提供给评价员,每位评价员单独进行品评,相互不接触交流,样品评定之间用清水漱口。

黄秋葵强化功能饮料感官评价主要包括4个方面:香味、口感、色泽、风味。香味是指混合果汁果香味浓郁,协调;口感是指混合果汁清甜可口,无苦涩味;色泽是指色泽纯正均一,无杂色;风味是指饮料中的三种原料风味浓郁,各成分组成比例合适。评价采用5点强度标度,由低到高,以此表示相应感官特征由弱到强的变化,即:1分:极弱;2分:较弱;3分:中等;4分:较强;5分:极强。

1.5 饮料的抗氧化能力测定

1.5.1 黄酮含量的测定 称取黄秋葵功能饮料1.00 g于50 mL锥形瓶中,加入30 mL 80%的乙醇溶液,混匀后放入超声设备中,超声功率为800 W,80 ℃超声40 min,离心后收集上清液,用80%乙醇定容至50 mL。

参考李有宝等[15]方法,并稍加修改。于试管分别加入0.5 mL空白样(95%乙醇)、样品提取液,并补加95%乙醇至1.5 mL。分别向各试管中加入临用现配的4% NaNO2溶液0.25 mL,静置6 min后再次分别加入10% Al(NO3)3溶液0.25 mL,静置6 min,最后再加入4% NaOH溶液1.5 mL,混匀。于波长510 nm处测其吸光度值。

1.5.2 多糖含量的测定 称取黄秋葵功能饮料1.00 g加入25 mL蒸馏水,用550 W微波功率提取4 min,离心后取上清液,将沉淀中加入20 mL蒸馏水,再用550 W微波提取4 min,离心后合并两次上清液,上清液中加入无水乙醇,混匀,使得乙醇浓度达到80%,置于4 ℃冰箱中静置过夜,离心后取沉淀,加蒸馏水溶解后定容至50 mL,准确移取待测液2 mL于20 mL具塞试管,加入DNS试剂1.5 mL,摇匀,沸水浴加热5 min,取出,冷却至室温,蒸馏水定容至10 mL,颠倒混匀,于520 nm处测定样品吸光度值[16]。

1.5.3 DPPH自由基清除能力的测定 DPPH自由基清除能力按照古小露等[17]的方法稍作修改,制备20～160 μmol/L浓度的Trolox标准溶液备用,分别取1 mL标准溶液和4.5 mL 100 μmol/L的DPPH甲醇溶液(准确称取7.856 mg DPPH,用甲醇定容至200 mL)充分混合,室温避光放置30 min,于517 nm 处测定吸光度A实验。4.5 mL无水甲醇代替DPPH溶液为对照组,1 mL蒸馏水代替样品为空白组,每组平行测定三次。

式(1)

1.5.4 ABTS自由基清除能力的测定 ABTS自由基清除能力测定根据陈飞等[18]的方法测定,将ABTS粉末用蒸馏水溶解为浓度为7 mmol/L的ABTS溶液,再与浓度为140 mmol/L的K2S2O8溶液混合,室温避光静置过夜,使用无水乙醇稀释,要求其在734 nm波长下的吸光度为0.70±0.02.在试管中加入3.6 mL ABTS溶液和0.4 mL待测液,充分振荡,静置5 min后,在734 nm处测吸光度A,空白组(A空白)用无水乙醇加入到3.6 mL ABTS溶液中,对照组(A对照)用无水乙醇加入到样品溶液中。每组平行测定三次。

式(2)

1.5.5 铁离子还原能力的测定 铁离子还原能力按照汪超[19]的方法稍作修改,取2.5 mL pH6.6磷酸盐缓冲液于试管中,加入0.3 mL的样品溶液,充分摇匀,再加入1 mL 1%的铁氰化钾溶液,置于50 ℃水浴锅中水浴20 min,之后快速冷却,再加入1 mL 10%的三氯乙酸静置1 min,取上清液2.5 mL于试管,加入2.5 mL蒸馏水和0.5 mL 0.1% FeCl3,5 min后于700 nm比色,空白组用蒸馏水代替样品。每组平行测定三次。

1.6 数据处理

采用Design-Expert 8.0.5软件分析数据,建立回归方程,进行优化分析。

2 结果与分析

2.1 模型的建立与分析

使用统计分析软件Design-Expert 8.0.5对表2的6种配料为自变量,以粘度、悬浮稳定性和感官评定为响应值,经软件自动优化后,结果如表3所示,按不同配比进行实验,利用上述软件得到Y(粘度)、Y(悬浮稳定性)和Y(感官评定)与6种配料的回归方程为:

表2 感官评价标准Table 2 Sensory evaluation criteria

表3 混料设计及功能饮料品质指标试验结果Table 3 Mixture design and results of functional beverage quality index

Y(粘度)=113.91A+23.79B-1182.35C+5.08×107D+2.958×107E+59.41F-275.78AB+1633.06AC-5.09×107AD-2.96×107AE+42.65AF+2345.75BC-5.07×107BD-2.95×107BE-7.83BF-5.12×107CD-2.95×107CE+1.58×105CF-8.82×105DE-5.09×107DF-2.95×107EF(R2=0.8817,p<0.05)

Y(悬浮稳定性)=0.089A-0.24B-0.28C+8.06×107D+2.56×104E+0.14F+0.25AB+0.36AC-8.07×104AD-2.57×104AE-0.07AF+0.57BC-8.06×104BD-2.56×104BE+0.36BF-8.06×104CD-2.56×104CE+0.41CF-1.2×105DE-8.07×104DF-2.57×104EF(R2=0.9932,p<0.001)

Y(感官评定)=3.05A+5.44B+5.4C-40.83D-135E+3.88F(R2=0.8812,p<0.001)

从表4可知,以粘度为响应值,模型p=0.0185<0.05,说明该模型达到显著水平,失拟项p=0.9916>0.1,说明该试验结果与数学模型拟合较好,可以运用数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2=0.8817,说明实验中有88.17%能用该模型解释。从表4还可以知道AC、BC和CF的交互作用影响差异极显著(p<0.01)。

表4 粘度方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model of viscosity

从表5可知,以悬浮稳定性为响应值,模型p<0.0001,说明该模型达到极显著水平,失拟项p=0.7077>0.1,说明该试验结果与数学模型拟合较好,可以运用数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2=0.9932,说明实验中有99.32%能用该模型解释。从表5还可以知道AD、BD、CD、DE和DF的交互作用影响差异极显著(p<0.01),BF和CF的交互作用影响差异显著(p<0.05)。

表5 悬浮稳定性方差分析Table 5 Analysis of variance for the fitted regression model of suspension stability

从表6可知,以感官评定为响应值,模型p<0.0001,说明该模型达到极显著水平,失拟项p=0.7523>0.1,说明该试验结果与数学模型拟合较好,可以运用数学模型来推测试验结果。方程相关系数R2=0.8812,说明实验中有88.12%能用该模型解释。

表6 感官评定方差分析Table 6 Analysis of variance for the fitted regression model of sensory evaluation

2.2 不同配比对黄秋葵功能饮料的粘度、悬浮稳定性和感官评价的影响

根据各组分的三元等值线图可以直观地观察黄秋葵功能饮料各组分间的变化对粘度、悬浮稳定性和感官分值的影响,本研究的配方中共有6种成分,因黄酮和多糖添加量很少,在实验分析中调节的作用较小,对响应面图的改变较小,水则作为补足总量的溶剂使用,所以在分析时着重比较其他3种成分的交互作用对指标的影响。图1～图3是在多糖、黄酮和水在固定水平时,黄秋葵、山药和羽衣甘蓝的交互作用对黄秋葵功能饮料的粘度、悬浮稳定性和感官的影响。

图1所示,三角曲面图为一曲面,说明三者间有一定的交互作用。并且随着黄秋葵含量增大,粘度逐渐增加,说明在混合饮料中,黄秋葵的含量对粘度起决定性作用。主要原因可能在于黄秋葵嫩荚含有丰富的粘稠液,除此之外,黄秋葵还含有一种稀有的黏性物质,即糖聚合体[20],这些物质增加了混合饮料的粘度。对于山药的添加量而言,随着山药添加量的增加,混合饮料的粘度也在增加,原因可能在于山药中含有一种叫作黏蛋白的物质,它是一种多糖蛋白质的混合物,这种物质的存在增加了混合饮料的粘性。羽衣甘蓝口感清爽,随着羽衣甘蓝的添加,混合饮料的粘度呈下降的趋势。

图1 配料比对粘度的影响Fig.1 Effect of batching ratio on viscosity

图2所示,三角响应曲面图为一曲面,说明三者间有一定的交互作用,图形呈现一定的拱形状,并且随着三者含量越均匀,悬浮稳定性越高,说明在混合饮料中,三者对饮料的悬浮稳定性都起着显著影响。如图1所介绍,黄秋葵和山药的添加增加了混合饮料的粘度,羽衣甘蓝则会减小混合饮料的粘度,三者适当中和后,混合饮料达到了很好的稳定性。

图2 配料比对悬浮稳定性的影响Fig.2 Effect of batching ratio on suspension stability

图3所示,三角响应面为一个平面,说明三者之间没有交互作用[21]。随着黄秋葵含量的增加,感官评定的得分随之减小,并且可以看出,相应平面向山药和羽衣甘蓝增加量方向倾斜,说明山药和羽衣甘蓝的作用较强,在三者中起主导作用。主要原因可能是因为黄秋葵具有浓郁的气味且粘度较大,当黄秋葵含量增加时,饮料的粘度过大,黄秋葵气味过于厚重,口感不够清爽[22],饮料的气味和厚重感会很大的影响感官评价[23],这可能就是造成感官评定降低的主要原因。山药口感爽滑,无特殊气味,从图3可以看出,随着山药量的添加,混合饮料的感官评价升高。羽衣甘蓝口感清爽,很大程度上减轻了黄秋葵和山药带来的粘稠感,所以从图中也可以看出,随着羽衣甘蓝的添加,感官评价升高。

图3 配料比对感官评定的影响Fig.3 Effect of batching ratio on sensory evaluation

2.3 配方的优化及验证实验

为了使粘度、悬浮稳定性和感官评定的分数同时达到最大值,因素水平在设定范围以内,运行软件的多目标同时优化程序,得到一个最优组合配方,即:5%黄秋葵、5%山药、2.79%羽衣甘蓝、0.02%黄酮、0.02%多糖和87.17%的水,粘度、悬浮稳定性和感官评定的理论值值分别为38.33 mPa·s、0.12和4.30,对优化的结果进行三次平行测定,测出的实际值分别为38.37 mPa·s、0.125和4.32,和软件给出的理论值相差较小,说明所获得的目标配方及理论值可靠性较强,可作为该功能饮料的配方使用。

2.4 黄秋葵功能饮料与黄秋葵汁体外抗氧化能力比较

如表7所示,与黄秋葵汁相比,黄秋葵功能饮料的抗氧化能力都有不同程度的提高,其中铁离子还原能力(FRAP)、多糖含量和黄酮含量提高较为明显,分别提高了32.81%、39.22%和44.44%,DPPH自由基清除率和ABTS自由基清除率分别提高了4.17%和8.86%。结果表明,黄秋葵功能饮料比黄秋葵汁表现出更好的抗氧化能力。可能是由于多糖中含有一些极性基团对其抗氧化能力指数具有较大影响[13]。

表7 黄秋葵功能饮料与黄秋葵汁体外抗氧化能力比较Table 7 Comparison in vitro antioxidant capacity of okra functional beverage and okra juice

3 结论

本文主要研究黄秋葵功能饮料的稳定性及口感,以混料设计的理论对黄秋葵功能饮料的配方进行设计。最终黄秋葵功能饮料的最优配比为:5%黄秋葵、5%山药、2.79%羽衣甘蓝、0.02%黄酮、0.02%多糖和87.17%的水时,此条件下,黄秋葵功能饮料的粘度、悬浮稳定性和感官评价达到38.37 mPa·s、0.125和4.32,DPPH自由基清除率、ABTS自由基清除率、铁离子还原能力(FRAP)、多糖含量和黄酮含量分别比黄秋葵汁增加了4.17%、8.86%、32.81%、39.22%和44.44%,获得的饮料色泽纯正,清甜可口,功能因子含量增加,抗氧化能力明显增加,不仅满足了消费者对饮料口感舒适的要求,还迎合了人们对饮品高营养的追求,具有很好的市场前景。