瓜拉纳-巴西人参复合饮料处方优化

高 玲，刘运锋，李 聪，熊 佳，陈丽华，申新刚，朱卫丰，刘红宁，董欢欢

（江西中医药大学现代中药制剂教育部重点实验室，江西南昌 330004）

瓜拉纳Paullinia cupana 又名巴西香可可，为无患子科常绿木质藤状灌木植物［1］，起源于南美洲，国外研究发现，它富含咖啡因、茶碱、皂苷、微量物质，具有抗疲劳、减肥、抗炎等多种药理作用，主要药用部位为果实和种子，被广泛应用于食品、饮料、制药工业、化妆品等行业［2-4］，但我国对其开发利用较少，目前市场上相关产品有黑卡维生素果味饮料、瓜拉纳滋润精油。巴西人参Pfaffia paniculata 又称珐菲亚，属苋科多年生草本植物［5］，原产于南美洲，近年来已在我国广西、浙江等地引种栽培成功［6］，国内外研究报道，它主要含有三萜、三萜皂苷、甾体等多种化学成分，主要药用部位为根部，具有壮阳、镇静、抗肿瘤等活性［5，7］，目前国际市场上其相关产品大多为植物原粉或粗提取物的单方和复方制剂，主要用做滋补药及生理功能调节剂［8］。

随着现代社会疲劳人群的比例不断扩大，抗疲劳成为运动医学、保健医学中的热点问题［9］。目前，保健品越来越被消费者关注，尤其是具有抗疲劳作用的功能饮料［10-11］，故本实验通过模糊数学感官评价结合Box-Behnken 响应面法优化瓜拉纳-巴西人参复合饮料处方，以期为其他抗疲劳复合饮料的开发提供参考。

1 材料

1.1 试剂与药物 瓜拉纳、巴西人参于2017 年8月购自巴西药材市场，经安徽中医药大学彭华胜教授鉴定为无患子科植物瓜拉纳Paullinia cupana 的果实和种子、苋科植物巴西人参Pfaffia paniculata的根。白砂糖为食品级（江西振冉生物科技有限公司）；柠檬酸为食品级（郑州食美食品添加剂有限公司）；水为纯净水（杭州娃哈哈集团有限公司）。

1.2 仪器 WF-20B 型万能粉碎机，购自江苏江阴市顺达药化机械有限公司；HH-8 型数显恒温水浴锅，购自常州国华电器有限公司；SIGMA3-18K型高速冷冻离心机，购自美国Sigma 公司；85-2A 型恒温数显磁力搅拌器，购自上海力辰科技有限公司；SHB-111 型循环水式多用真空泵，购自武汉德力祥仪器设备有限公司；LDZM-80KCS 型立式蒸汽灭菌器，购自上海申安医疗器械厂；AH110D 型高压均质机，购自加拿大ATS 公司；BSA124S 型电子天平，购自赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。

2 方法

2.1 提取液制备 精选干燥的瓜拉纳果、巴西人参块根，粉碎成粗粉，8 倍量纯净水煎煮1.5 h，滤过，取滤液，滤渣再加入5 倍量纯净水煎煮1 h，合并2 次滤液，10 000 r／min 离心10 min，弃去沉淀物，即得。

2.2 制备工艺

2.2.1 原辅料称量、溶解 按照配方用量准确称取白砂糖，适量纯水搅拌溶解，滤过，备用。再按照配方用量准确称取瓜拉纳、巴西人参提取液。

2.2.2 调配 将“2.2.1”项下白砂糖溶液、药材提取液充分混合，加入柠檬酸，再加水至满，搅拌均匀。

2.2.3 过滤 将调配好的饮料用硅藻土过滤纸真空抽滤。

2.2.4 脱气、均质 将调配好的饮料在温度60 ℃左右、压力18～20 MPa 下用均质机进行均质，在温度40～50 ℃、真空度0.007 8～0.010 5 MPa 下脱气，以去除空气对饮料的影响。

2.2.5 杀菌 料液在121 ℃灭菌锅中灭菌30 min。

2.2.6 灌装、封口及冷却 将料液冷却至90 ℃左右后灌装封口、冷却。

2.3 单因素试验

2.3.1 瓜拉纳与巴西人参比例 固定主药用量40%，白砂糖用量10%，柠檬酸用量0.15%，考察瓜拉纳与巴西人参比例4 ∶1、3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4 对饮料感官品质的影响。

2.3.2 主药用量 固定瓜拉纳与巴西人参比例1 ∶1，白砂糖用量10%，柠檬酸用量0.15%，考察主药用量10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%对饮料感官品质的影响。

2.3.3 白砂糖用量 固定瓜拉纳与巴西人参比例1 ∶1，主药用量40%，柠檬酸用量0.15%，考察白砂糖用量4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%对饮料感官品质的影响。

2.3.4 柠檬酸用量 固定瓜拉纳与巴西人参比例1 ∶1，主药用量40%，白砂糖用量10%，考察柠檬酸用量0.01%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%对饮料感官品质的影响。

2.4 感官评价 以饮料色泽、气味、口感、组织形态为指标。参加评定的食品专业人员共10 名，男、女各5 名，身体健康，无任何感官方面缺陷，检测前12 h 内不抽烟，不喝酒，不吃辛辣、刺激性食物，不使用有气味的化妆品，在有明亮自然光、25 ℃的房间内进行，评价过程中禁止互相讨论，每次评价间隔10 min，评价完每个样品后以清水漱口。按照表1，对上述4 个指标从优、良、差3 个等级进行评定。

表1 感官评价标准Tab.1 Standards for sensory evaluation

2.5 模糊数学感官评价建立 参考文献［12-13］报道。

2.5.1 感官评定论域确定 感官评定论域是指最能反映该食品感官质量的一组评价指标的集合，表示为U ＝ ｛u1，u2，…，un｝。本实验选择色泽、气味、口感、组织形态作为感官评定指标，分别以u1～u4表示，即U＝ ｛u1，u2，u3，u4｝。

2.5.2 感官评定语言论域确定 评语等级m 的取值要根据具体情况确定，由于过多的评语等级难于描述，同时考虑到等级划分太细会混淆品评者短时间内的主观判断，故本实验取m ＝3。设评语等级论域为V＝ ｛v1，v2，v3｝，其中v1为优，v2为良，v3为差。

2.5.3 权重域确定 权重集A 是各评价因素的权重系数组成的集合。本实验参考文献［13］报道，规定色泽、气味、口感、组织形态的权重系数分别为0.2、0.25、0.4、0.15，即权重集A ＝（a1，a2，a3，a4）＝（0.2，0.25，0.4，0.15），并且a1+a2+a3+a4＝1。

2.5.4 模糊数学综合评价 模糊评定矩阵根据评价人员的评定结果确定，将评价结果除以总人数得到模糊矩阵R。感官指标综合评判结果用Y 表示，它是权重A 和模糊矩阵R 的合成，即Y ＝A×R。再计算综合得分H，公式为H ＝Y×bj，其中bj在v1、v2、 v3时分别对应3、2、1。

2.6 Box-Behnken 响应面法 在单因素试验基础上，确定瓜拉纳与巴西人参比例、白砂糖用量、柠檬酸用量作为影响因素，设计3 因素3 水平试验，以色泽、气味、口感、组织形态的模糊数学感官评价得分为评价指标，Box-Behnken 响应面法优化处方，因素水平见表2。

表2 因素水平Tab.2 Factors and levels

3 结果

3.1 感官评价 对28 批样品进行评价，结果见表3。

表3 各样品感官评价结果Tab.3 Results of sensory evaluation of various samples

3.2 模糊矩阵 将表3 中各样品感官评价的等级得分除以10 折算成比率，结合评价结果得到模糊矩阵Rj。其中，j＝1，2，…，8，为样品编号；i ＝1，2，3，为质量评价因素；ri1、 ri2、 ri3为第i 个评价因素各评价等级所得票数折算的比率。

由表3 可知，评价样品1 色泽时有7 人认为优，3 人认为良，0 人认为差，则其色泽＝ ［0.7 0.3 0］，同理气味＝ ［0.7 0.2 0.1］，口感＝［0 0.3 0.7］，组织形态＝ ［0.9 0.1 0］，将上述4 个因素的评价结果写成评判矩阵R1，同法得到其他27 批样品的矩阵R2～R28。

将权重A 乘以评判矩阵R 进行模糊变换，即Yj＝A×Rj（j ＝1，2，…，28），以样品1 为例，Y11＝0.2×0.7+0.25×0.7+0.4×0+0.15×0.9 ＝0.45，Y12＝0.2×0.3+0.25×0.2+0.4×0.3+0.15×0.1 ＝0.245，Y13＝0.2×0+0.25×0.1+0.4×0.7+0.15×0 ＝0.305，即其模糊变换综合评判Y1＝（0.45，0.245，0.305），评价为优、良、差的比率分别为0.45、0.245、0.305，同法得到其他27 批样品的模糊变换综合评判Y2～Y28。

再计算各样品综合得分，其中样品1 为H1＝0.45×3+0.245×2+0.305×1 ＝2.145，同法得到其他27 批样品的综合得分H2～H28。

3.3 单因素试验

3.3.1 瓜拉纳与巴西人参比例 图1 显示，瓜拉纳与巴西人参比例在4 ∶1～1 ∶1 时，随着前者用量降低感官评分逐渐增加，在1 ∶1 时最高，为2.605 分；随着后者比例进一步增加，感官评分逐渐降低。另外，当瓜拉纳或巴西人参比例过高时，会导致口感偏苦或偏涩，从而影响感官评分，故本实验选择两者比例为2 ∶1～1 ∶2 进行后续研究。

图1 瓜拉纳与巴西人参比例对感官评分的影响Fig.1 Effect of P.cupana-P.paniculata ratio on sensory score

3.3.2 主药用量 图2 显示，主药用量在10%～40%时感官评分逐渐升高，在40% 时最高，为2.725 分；随着其用量进一步增加，感官评分反而显著降低，可能是由于加入量越多，其色泽越深，口感越苦，从而影响感官评价。因此，本实验选择主药用量为40%，并不再进行后续研究。

图2 主药用量对感官评分的影响Fig.2 Effect of main drug consumption on sensory score

3.3.3 白砂糖用量 图3 显示，白砂糖用量在4%～12%时感官评分逐渐升高，在12% 时最高，为2.72 分；随着其用量进一步增加，感官评分反而显著降低，可能是由于加入量越多，口感越甜，既不能掩盖瓜拉纳、巴西人参苦味，也使饮料口感不协调，并且颜色也较浑浊，不澄清。因此，本实验选择白砂糖用量为10%～14%进行后续研究。

3.3.4 柠檬酸用量 图4 显示，柠檬酸用量在0.01%～0.15%时感官评分显著降低，在0.01%最高，为2.775 分；随着其用量进一步增加，感官评分降低程度逐渐趋于平缓。另外，柠檬酸用量过高时会因过酸而出现口感分层，从而影响感官评分，故本实验选择其用量为0.01%～0.10% 进行后续研究。

3.4 Box-Behnken 响应面法 在单因素试验基础上，考察瓜拉纳与巴西人参比例（A）、白砂糖用量（B）、柠檬酸用量（C）对感官评分（Y）的影响，结果见表4。

图3 白砂糖用量对感官评分的影响Fig.3 Effect of white granulated sugar consumption on sensory score

图4 柠檬酸用量对感官评分的影响Fig.4 Effect of citric acid consumption on sensory score

表4 试验设计与结果Tab.4 Design and results of tests

通过Design-expert 8.06 软件对表4 数据进行二次多项回归分析，得到方程为Y ＝2.54+0.098A+0.095B-0.096C-0.1AB+0.024AC-0.14BC-0.14A2-0.19B2-0.1C2，方差分析见表5。由此可知，模型P＜0.01，表明其极显著；R2为0.900 4，RAdj2为0.772 3，表明模型拟合程度高；失拟项F 值为2.15，P＞0.05，表明模型拟合度高，误差小，可用于预测分析；因素A、 B、 C、 BC、 A2、 B2影响显著（P＜0.05，P＜0.01）。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

响应面图是回归方程的直观体现，若其曲面坡度陡峭，等高线呈椭圆形，表示2 个影响因素之间交互作用较大；若其曲面坡度平缓，等高线呈圆形，表明2 个影响因素之间交互作用较小［14-15］。本实验根据二次多项回归方程和数据进行响应面分析，结果见图5。

由此可知，瓜拉纳与巴西人参比例、白砂糖用量的三维曲面坡度陡峭，等高线趋于椭圆形，表明两者对感官评分的交互影响大，交互作用显著；瓜拉纳与巴西人参比例和柠檬酸用量的三维曲面坡度平缓，等高线趋于圆形，表明两者对感官评分的交互影响小，交互作用不显著；同理可知，白砂糖用量和柠檬酸用量对感官评分的交互影响大，交互作用显著，与方差分析一致。

3.5 验证试验 根据Box-Behnken 响应面法结果，得到最优处方为瓜拉纳与巴西人参比例1.3 ∶1，主药用量40.0%，白砂糖用量13.0%，柠檬酸用量0.02%，感官评分2.607 分。再进行3 批验证试验，结果见表6，可知感官评分平均值为2.603 分与预测值2.607 分接近（偏差0.15%），表明模型预测性良好。

图5 各因素响应面图Fig.5 Response surface plots for various factors

表6 验证试验结果（n＝3）Tab.6 Results of verification tests（n＝3）

4 讨论

在食品加工过程中，感官评价占据主要地位［16］，但极易受主观因素的影响，难以获得一致结果，而且仅用1 个平均数很难准确地表示某一指标应得的分数，存在较大误差［17］。模糊综合评价法是通过精确的数字手段将相对复杂的多因素问题转化为有数据依据的定量评价模型，降低了传统感官评价中主观因素的干扰，大大提高了评价的可信度和准确度，既可有效分析评定对象，又能获得更多的参考信息［18-19］。

单因素试验中影响因素的选择通常是基于饮料处方的组成及可能影响饮料感官评价的物质或条件，而瓜拉纳-巴西人参比例、主药用量、白砂糖用量、柠檬酸用量可在色泽、气味、口感等方面影响复合饮料的感官评价，本实验发现，瓜拉纳-巴西人参比例、白砂糖用量、柠檬酸用量对模糊数学感官评价的影响较大，并呈现最大值、低于该水平、高于该水平的规律性变化。

本实验发现，瓜拉纳-巴西人参复合饮料最优处方为瓜拉纳与巴西人参比例1.3 ∶1，主药用量40.0%，白砂糖用量13.0%，柠檬酸用量0.02%，感官评分2.603 分，所得制剂色泽明亮，澄清度高，口感细腻，回味甘苦，可为其他抗疲劳复合饮料的开发提供参考。