应用响应面法优化无糖番茄鲜汁配方

代文婷 ，吴宏 *，贾文婷 ，杨慧 ，吴洪斌 ，马自强

1. 新疆农垦科学院农产品加工研究所（石河子 832000）；2. 新疆农垦科学院农产品加工重点实验室（石河子 832000）；3. 新疆冠农果茸集团股份有限公司技术中心（库尔勒 841000）

番茄营养丰富，食用番茄或番茄制品可以降低罹患心血管疾病和多种癌症风险[1-3]。番茄汁饮料作为一种番茄制品不仅具有独特颜色和适口的酸味，还有丰富维生素A、维生素C、番茄红素和多种氨基酸，能够提高机体免疫力、延缓衰老、护肤美容等[4]。番茄汁相关产品有番茄果醋[5]、复合番茄果蔬汁[6]、番茄发酵乳饮料[7]等。随着生活水平和健康意识提高，对番茄汁饮料的口感、营养价值、保健功能等方面有更多追求，无糖番茄汁饮料成为研究热点之一。

天然甜味剂因其高甜度、低热量及多种功能活性和药理活性，越来越多地应用于饮料加工中，国内外应用在饮料中的天然甜味剂有木糖醇、罗汉果甜苷、甜菊糖、三氯蔗糖、甘草甜素、甜茶素等[8]。木糖醇口感清凉，甜度是蔗糖的1.2倍左右，热量只有蔗糖的60%，有防龋齿、防腐、保肝护肝等功能[9-10]；罗汉果甜苷甜度约为蔗糖300倍，具有抗炎症、化痰、止咳等功效[11-13]；甜菊糖口味非常接近蔗糖，后味苦涩，其甜度是蔗糖200～350倍，热值仅蔗糖的1/300，具有改善肠道健康、降血压、调节血糖、抗肿瘤等功能[14-17]。传统饮料使用的甜味剂主要是蔗糖，研究证实[18-19]，蔗糖虽然味道甘美醇厚，但能量高，易引发肥胖、高血糖、心血管疾病等风险，还会影响胰岛素水平，糖尿病患者不能食用，故在饮料行业中采用新型高甜、低热值的天然甜味剂尤为必要。

将木糖醇、罗汉果甜苷、甜菊糖等天然甜味剂复合应用在番茄汁饮料中鲜见报道。试验采用木糖醇、罗汉果甜苷、甜菊糖3种天然甜味剂，研制出一款既能满足追求健康人群、爱美人士，又能满足肥胖和糖尿病患者需求的新型无糖番茄鲜汁，通过响应面分析法，得到无糖番茄鲜汁最佳配方，以期为无糖番茄鲜汁的工业化生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

加工番茄鲜汁（新疆冠农果茸股份有限公司）；木糖醇（市售）；罗汉果甜苷、甜菊糖（桂林莱茵生物科技股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

CH 2176 J电磁炉（广东格兰仕生活电器制造有限公司）；YH-A 2003电子天平（五鑫衡器有限公司）；FA 1104 N型电子天平（上海民桥精密科学仪器有限公司）；TU-1901紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；HSU-20手持式折光仪（上海精密仪器仪表有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

以新疆冠农果茸股份有限公司生产的加工番茄鲜汁为原汁，按单因素和响应面试验配方，添加木糖醇、罗汉果甜苷和甜菊糖进行调配，充分搅拌，热力脱气后，将饮料灌装至玻璃瓶中，封盖，放入95～100℃热水中，杀菌30 min后，分段冷却至室温。

1.3.2 感官品评

请10名专业人员（5男5女）组成评价小组，分别从色泽、气味、滋味三方面评分，为提高评定可信度，要求感官评定人员身体健康、无任何感觉方面的缺陷，在评定前1 h不喝酒，不吸烟，不吃辛辣等刺激性食物，评定过程中禁止相互讨论，评定一个样品后，需以清水漱口并间隔10 min评定下一个样品[20]。评分标准见表1。

表1 感官评分标准

1.3.3 单因素试验

1.3.3.1 木糖醇添加量对无糖番茄鲜汁感官评分的影响以番茄鲜汁为基质，在罗汉果甜苷添加量0.002%、甜菊糖添加量0.002%条件下，考察木糖醇添加量（0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%）对无糖番茄鲜汁感官评分的影响。

1.3.3.2 罗汉果甜苷添加量对无糖番茄鲜汁感官评分的影响

以番茄鲜汁为基质，在木糖醇添加量0.8%，甜菊糖添加量0.002%条件下，考察罗汉果甜苷添加量（0.002%，0.004%，0.006%，0.008%和0.010%）对无糖番茄鲜汁感官评分的影响。

1.3.3.3 甜菊糖添加量对无糖番茄鲜汁感官评分的影响

以番茄鲜汁为基质，在木糖醇添加量0.8%，罗汉果甜苷添加量0.002%条件下，考察甜菊糖添加量（0.001%，0.0015%，0.002%，0.0025%和0.003%）对无糖番茄鲜汁感官评分的影响。

1.3.4 响应面试验设计

在单因素试验基础上，以木糖醇添加量（A）、罗汉果甜苷添加量（B）、甜菊糖添加量（C）3个因素为自变量，感官评分为响应值（Y），采用Design-Expert V 8.0.6.1软件设计三因素三水平响应面分析试验，其因素与水平见表2。

表2 因素水平编码表

1.4 理化指标及微生物指标检测

可溶性固形物参考GB/T 12143—2008的规定检验；番茄红素参考GB/T 14215—2008的规定检验；菌落总数参考GB 4789.2—2016的规定检验；大肠菌群参考GB 4789.3—2016的规定检验；致病菌：沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌分别按GB/T 4789.4—2016、GB/T 4789.5—2016、GB/T 4789.10—2016的规定检验。

1.5 数据分析

采用SPASS 20.0和Design-Expert V 8.0.6.1软件进行统计分析，结果用“平均值±标准差”表示；采用Origin 7.5作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

由图1可知，木糖醇添加量对无糖番茄鲜汁的感官评分有显著性影响（p＜0.05），随着木糖醇添加量增加，感官评分呈先增大后减小趋势，木糖醇添加量1%时，感官评分达到最高值82.67±0.58分。木糖醇添加量过少，无糖番茄鲜汁的口感寡淡，且酸味较为明显，木糖醇添加量超过1%，产品的口感过于甜腻，因此，选择木糖醇添加量1.0%为宜。

罗汉果甜苷添加量对无糖番茄鲜汁的感官评分影响显著（p＜0.05），随着罗汉果甜苷添加量增加，感官评分先增大后降低，罗汉果甜苷添加量0.004%时，感官评分达到最高值84.33±0.58分。罗汉果甜苷添加量过少，无糖番茄鲜汁的口感单调，罗汉果甜苷添加量超过0.004%时，产品呈现出不和谐的甜腻感，因此，选择罗汉果甜苷添加量0.004%。

甜菊糖添加量对无糖番茄鲜汁的感官评分也有显著性影响（p＜0.05），感官评分随着甜菊糖添加量增加呈先增大后减小趋势，甜菊糖添加量0.002%时，感官评分达到最高值75.5±0.5分。甜菊糖添加量过少，无糖番茄鲜汁的口感单调寡淡，而甜菊糖添加量超过0.002%时，口感会过于甜腻，后味苦涩，影响无糖番茄鲜汁的整体风味，这与汤瑾等[21]对甜菊糖在杨梅汁饮料中研究结果较相似。故选择甜菊糖添加量0.002%为宜。

图1 单因素试验结果

2.2 响应面试验结果

响应面法优化无糖番茄鲜汁的试验结果见表3。

表3 响应面试验设计及结果

2.2.1 回归方程的建立和显著性分析

以感官评分（Y）为响应值对表3的试验结果进行多元回归拟合，得到感官评分（Y）对木糖醇添加量（A）、罗汉果甜苷添加量（B）、甜菊糖添加量（C）的二次多项回归模型。

对该回归模型进行方差分析，结果见表4。

由表4可知，模型p＜0.000 1，响应回归模型达到了极显著的水平，其中，失拟项p=0.069 9＞0.05，不显著，说明模型拟合程度良好。模型校正系数R2=0.994 5，模型修正系数R2adj=0.987 4，说明响应值与因素之间建立的响应值可靠，也较好地反映木糖醇添加量、罗汉果甜苷添加量与甜菊糖添加量之间关系，可用于理论预测。

回归系数显著性的检验可以表明，A、B、C与二次项A2、B2、C2对产品感官评分有极显著的影响，交互项AC和BC对产品感官评分有极显著影响。由表4中F值的大小可以判断各因素对无糖番茄鲜汁感官评分影响的强弱，F值越大，对感官评分影响作用越强[22]，3个因素对感官评分的影响大小为C＞B＞A，即甜菊糖添加量＞罗汉果甜苷添加量＞木糖醇添加量。

表4 感官评分回归方程方差分析

2.2.2 响应曲面分析

图2直观地反映了各因素对响应值Y的影响。

由图2可知，响应面的图形基本都是凸起、开口朝下的曲面，由此得出感官评分值存在极值，该值为响应面的最高点，而且各个因素的最佳作用点都在试验设计的范围之内。采用降维分析法[23]可知，图2（b）为木糖醇添加量与甜菊糖添加量之间交互作用。固定罗汉果甜苷添加量零水平情况下，木糖醇添加量较低时，随着甜菊糖添加量增加，无糖番茄鲜汁的感官评分迅速上升后降低趋势，升高幅度明显，木糖醇添加量较高时，随着甜菊糖添加量增加，产品的感官评分也是迅速上升后明显降低趋势，幅度明显；甜菊糖添加量较低时，随着木糖醇添加量增加，无糖番茄鲜汁的感官评分迅速上升，甜菊糖添加量处于中等和较高水平时，随着木糖醇添加量增加，产品的感官评分先上升后平缓降低趋势。木糖醇添加量与甜菊糖添加量之间交互作用极显著。图2（c）为罗汉果甜苷添加量与甜菊糖添加量之间交互作用，固定木糖醇添加量为零水平情况下，罗汉果甜苷添加量较低时，无糖番茄鲜汁的感官评分随甜菊糖添加量增加呈先上升后降低趋势，上升趋势明显，罗汉果甜苷添加量较高时，随着甜菊糖添加量增加，饮料的感官评分也是迅速上升后降低趋势，升高幅度明显；甜菊糖添加量较低时，无糖番茄鲜汁感官评分随罗汉果甜苷添加量增加呈上升后平缓降低趋势，甜菊糖添加量较高时，产品的感官评分依旧随罗汉果甜苷添加量增加呈上升后平缓降低趋势。罗汉果甜苷添加量与甜菊糖添加量之间交互作用极显著。

图2 各因素交互作用对番茄汁感官评分的响应面图

2.2.3 验证试验

运用Design-Expert V 8.0.6.1软件对数据进行分析优化，获得无糖番茄鲜汁的理论最优配方为：木糖醇添加量1.04%，罗汉果甜苷添加量0.004%，甜菊糖添加量0.001 8%，无糖番茄鲜汁的感官评分预测值为96.25分。为验证模型预测的准确性及可行性，又便于实际操作，选取木糖醇添加量1%、罗汉果甜苷添加量0.004%、甜菊糖添加量0.002%，重复进行3次试验，获得无糖番茄鲜汁的感官评分值为96.33±0.29分，与预测值较接近，相对误差约0.08%，说明该模型下参数可靠，具有实用价值。

2.3 理化及微生物指标测定结果

参考傅锋[24]、郑永杰等[25]研究，按照国标方法测定最优工艺配方下所制无糖番茄鲜汁的理化及微生物指标，测定结果如表5所示。无糖番茄鲜汁的可溶性固形物含量5.6%、番茄红素含量6.29 mg/100 g；菌落总数、大肠菌群及致病菌检测结果均符合农业行业标准[26]。果蔬汁在加工过程中会出现变味、败坏等质量问题，因此，需要严格把控加工环境、卫生条件、包装等因素，避免此类现象发生，进而提高产品品质。

表5 理化指标及微生物指标

3 结论

响应面分析法是通过研究分析几种试验因素间交互作用的一种回归分析方法，不但得出回归方程试验次数少、精度高、周期短，而且由图形可对最优试验考察因素值进行直观地分析[27]。通过单因素试验结合响应面试验设计，获得无糖番茄鲜汁的最佳配方为：木糖醇添加量1%，罗汉果甜苷添加量0.004%，甜菊糖添加量0.002%。在此条件下，测得无糖番茄鲜汁的感官评分值为96.33±0.29分，与预测值非常接近，具有一定实际指导意义。在此工艺配方下的无糖番茄鲜汁色泽均匀、饱满，口感清爽、酸甜可口，可溶性固形物含量约5.6%、番茄红素含量6.29 mg/100 g，菌落总数、大肠菌群及致病菌的检测结果也均符合农业行业标准。该产品既含有番茄汁的有效成分，又包含木糖醇、罗汉果甜苷和甜菊糖功能成分，为消费者提供一种健康营养的无糖番茄鲜汁饮料，市场潜力巨大。杀菌方式对番茄汁营养、感官品质和货架期等方面有重要影响，而传统热杀菌技术对番茄汁营养、生物活性、风味成分等方面存在负面影响，关于采用新型杀菌技术[28-29]，如超高压杀菌、脉冲电场杀菌、辐照杀菌等技术对无糖番茄汁品质与货架期的影响有待进一步研究。