响应面设计法优化甘草山楂泡腾片配方的研究

姚洪礼，邢 爽，丁之恩，周先汉，范 飞，陆 宁，蒲顺昌

亳州学院生物与食品工程系，安徽亳州,236800

泡腾片是利用崩解剂有机酸和碱式碳酸(氢)盐发生泡腾反应，生成并释放大量的CO2的一种新型、快捷食品，其产生的大量的气泡能够促进体内营养物和功能性成分的吸收[1-2]。随着人们生活方式的改变和对自身营养健康的关注，泡腾片以饮用方便、携带便捷、营养成分吸收快等优点深受消费者的喜爱，尤其是一些青年消费者[3]。目前，市场上常见的泡腾片主要为保健型泡腾片，如维C泡腾片、补钙泡腾片、多维泡腾片和补铁泡腾片等，其种类、风味和口感相对比较单一，且存在口感差、无法满足消费者的众多需求等问题。

甘草、山楂是常见的药食同源资源植物[4-6]。甘草，味甘性平，豆科类植物，其根及根茎多经干燥后使用，根及根茎中的生理活性物质主要有甘草甜素、黄酮类物质等，具有清热解毒、补脾益气、祛痰止咳、调和诸药等功效[7]。山楂，味甘、性微温酸，入脾、胃、肝经，有机酸、山楂黄酮是其发挥药理作用的重要物质基础，山楂具有健脾消食，行气散淤等功效[8-9]。山楂辅以甘草，具有益气健脾、清热解毒、清肝明目的功效[10]。

通过查阅资料，依据甘草、山楂食补习惯，结合传统中医配方，以甘草、山楂、柠檬酸、碳酸氢钠、聚乙二醇6000、红糖粉为原料制备甘草山楂泡腾片。以感官评分为指标，采用单因素及响应面设计法对泡腾片配方进行优化，并对最佳工艺配方下的甘草山楂泡腾片的特性参数进行分析，以期为药食同源植物的利用和固体速溶饮品泡腾片的开发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘草、山楂(安徽亳州康美交易中心)；柠檬酸、碳酸氢钠(食品级，河北鸿韬生物工程有限公司)；聚乙二醇6000(食品级，南京添嘉生物科技有限公司)。

ME204万分之一分析天平(梅特勒-托利多国际贸易有限公司)；BJ-800A小型高速粉碎机(上海拜杰实业有限公司)；XDW低温冷冻粉碎仪(济南达微机械有限公司)；RE-301旋转蒸发仪(上海科兴仪器有限公司)；TDP-5压片机(中诚制药机械厂)；CS-2A脆碎度测试仪(天津精拓仪器科技有限公司)；ZPJ-2片剂两用仪(天津精拓仪器科技有限公司)。

1.2 研究方法

1.2.1 工艺流程及操作要点

称量一定量的甘草、山楂，除去皮屑、梗、核及其他杂质等，将甘草、山楂进行清洗，并切成1～2 cm2的片状，然后在60 ℃下干燥8 h。将干燥后的甘草、山楂分别用小型高速粉碎机粉碎5 min，获得的甘草粉按1∶10加入清水，在80～90℃下蒸煮3 h后进行过滤，将滤液转移至旋转蒸发仪65 ℃下浓缩1 h，后将浓缩液用喷雾干燥仪干燥，获得甘草提取物。同时将山楂粗粉转移至低温冷冻粉碎仪粉碎20 min，并收集粉末过300目筛，获得山楂细粉。把甘草、山楂可溶性粉末与柠檬酸、碳酸氢钠等材料按一定比例迅速混合，混合均匀后，50 ℃干燥30 min，转移至压片磨具中压片，即得甘草山楂泡腾片。

1.2.2 单因素试验

在预试验基础上，甘草提取物添加量分别为1%、2%、3%、4%5%和6%，进行单因素试验，固定山楂粉添加量为2%，柠檬酸、碳酸氢钠添加量分别为40%，聚乙二醇6000添加量6%，其余为甜味剂红糖粉。基于单因素优化试验结果，分别选取山楂粉添加量1%、2%、3%、4%、5%和6%，柠檬酸添加量25%、30%、35%、40%和45%，碳酸氢钠添加量20%、25%、30%、35%和40%，聚乙二醇6000添加量为2%、4%、6%、8%、10%和12%，以感官评分为指标，确定每个因素的最佳水平。

1.2.3 响应面优化试验

在单因素试验基础上，分别选取甘草提取物添加量、固体山楂粉添加量、崩解剂添加量、聚乙二醇6000添加量，以感官评价得分为指标，根据中心组合试验原理，采用响应面分析方法对甘草山楂泡腾片配方进行优化，考察不同成分添加及配比对甘草山楂泡腾片感官品质的影响。

1.2.4 感官评定方法

根据QB/T 4067—2010《食品工业速溶茶》及参考相关文献[11-14]，选择20位品评专家对甘草山楂泡腾片进行感官评价试验，取一片甘草山楂泡腾片，冲入200 mL凉开水中，分别对风味、外形、崩解时间、色泽、产气效果、酸甜度、杂质等进行评价试验，每次评价重复3次，并记录分值，总评价分数取平均值，各评价项目分值标准见表1。

表1 泡腾片的感官评价指标及分值分配

1.2.5 测定方法

崩解时间、pH、起泡量的测定参考文献[15-18]。脆碎度的测定参考《2015版药典片剂脆碎度检查法》，硬度的测定采用ZPJ-2片剂两用仪测定，食品添加剂的使用符合GB 2760食品安全国家标准食品添加剂使用标准。

1.3 数据处理

采用Excel和Design Expert软件作图并进行响应面设计及数据处理。取3次重复试验结果的平均值，结果表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 甘草提取物添加量的确定

在甘草提取物添加量为1%～4%范围内，泡腾片感官评分增加；添加量4%时，感官评分最高，为74.67分；在添加量4%～6%范围内，感官评分略微降低(图1)。甘草提取物作为固体原料，量少风味不突出，含量过多会影响泡腾片主体风味和稳定性。因此，选择甘草提取物添加量为3%、4%和5%。

图1 甘草提取物添加量对泡腾片感官评分的影响

2.1.2 山楂粉添加量的确定

在山楂粉添加量1%～4%范围内，泡腾片感官评分增加；添加量4%时，感官评分最高，为74.67分；在添加量4%～6%范围内，感官评分降低(图2)。山楂粉添加量增加，泡腾片中山楂风味越来越突出，但山楂粉占比过高会导致泡腾片过酸、爽口度差等问题。因此，选取山楂粉添加量为3%、4%和5%。

图2 山楂粉添加量对泡腾片感官评分的影响

2.1.3 柠檬酸添加量的确定

在柠檬酸添加量25%～40%的范围内，泡腾片感官评分增加；添加量40%时，感官评分最高，为74.67分；在添加量40%～45%的范围内，感官评分降低(图3)。随着柠檬酸的添加，泡腾片产气效果越来越好，崩解时间减少，但添加过多会影响泡腾片的口感风味，导致泡腾片酸度增加。因此，选取柠檬酸添加量为35%、40%和45%。

图3 柠檬酸添加量对泡腾片感官评分的影响

2.1.4 碳酸氢钠添加量的确定

在碳酸氢钠添加量为20%～35%范围内，泡腾片感官评分增加；添加量35%时，感官评分最高，为79.76分；添加量35%～40%范围内，感官评分降低(图4)。随着碳酸氢钠添加量不断增加，泡腾片产气效果越来越好，崩解时间减少，酸度降低，酸甜爽口，但添加量过多会导致泡腾片产气效果变差，崩解时间增加，口感风味降低。因此，选取碳酸氢钠添加量为30%、35%和40%。

图4 碳酸氢钠添加量对泡腾片感官评分的影响

2.1.5 聚乙二醇6000添加量的确定

在聚乙二醇6000添加量2%～8%范围内，泡腾片感官评分增加，但增量并不明显(p>0.05)；添加量8%时，感官评分最高，为81.33分，饮品黏稠适中、口感润滑；添加量高于8%时，感官评分略微降低(图5)。因此，选取聚乙二醇6000添加量为8%。

图5 聚乙二醇6000添加量对泡腾片感官评分的影响

2.2 响应面优化试验

根据单因素试验优化结果进行响应面试验设计，选择甘草提取物添加量、山楂粉添加量、柠檬酸添加量、碳酸氢钠添加量4个较为显著的因素，以感官评分为指标，采用 Box-Behnken 设计法进行试验设计，因素水平编码值见表2，其结果见表3。

表2 响应面试验因素及水平编码值

表3 Box-Behnken中心组合试验设计方案与结果

(续表)

利用Design-Expert软件对表3实验数据进行多元二次回归拟合，以感官评分为响应值，得到的回归方程真实模型为：

Y=-256.688 17+31.463 81X1+34.594 67X2+4.079 3X3+6.567 57X4+1.23X1X2-0.083 698X1X3+0.149 5X1X4-0.129 41X2X3+0.189 24X2X4+0.056 418X3X4-4.605X12-4.985 77X22-0.070 825X32-0.136 83X42(校正R2=0.968 2)

对回归方程及偏回归系数进行方差分析，结果见表4。

表4 回归方程及偏回归系数方差分析

由表4可知，所选模型P<0.000 1表明不同处理之间的差异极显著，失拟=0.164 5>0.05，不显著，说明该方程对试验拟合的情况较好，试验的误差小，因此二次回归模型成立。模型决定系数R2=0.984 1，说明该模型拟合程度好，能较好地反映各因子之间与响应值之间的线性关系显著。回归方程中X1、X2、X3、X4、X1X2、X3X4、X12、X22、X32、X42对感官评分影响差异极显著，X2X4感官评分影响差异显著。由表4可知，影响泡腾片感官评分的因素主次为：X4>X3>X1>X2，即碳酸氢钠>柠檬酸>甘草提取物>山楂粉，且甘草提取物与山楂粉、柠檬酸与碳酸氢钠之间交互作用极显著，山楂粉与碳酸氢钠之间交互作用显著。

采用Design-Expert软件得到回归模型的响应面结果如图6、图7及图8所示，显著性因素对感官评分的交互影响直观地反映在其3D图中，响应曲面越为陡峭，则两因素间的交互作用越为显著。

图6 甘草提取物与山楂粉交互影响感官评分的响应面及等高线

图7 柠檬酸与碳酸氢钠交互影响感官评分的响应面及等高线

图8 山楂粉与碳酸氢钠交互影响感官评分的响应面及等高线

对回归模型进行响应面分析，预测感官评分最大值为83.70分，即最佳工艺配方为：甘草提取物4.24%，山楂粉4.21%，柠檬酸37.14%，碳酸氢钠36.88%。当显著性水平α=0.05时，感官评分的95%预测区间为[82.99，84.41]。将上述最优因素水平圆整为：甘草提取物4%，山楂粉4%，柠檬酸37%，碳酸氢钠37%。对圆整后的最佳工艺配方进行评价试验验证，每组重复3次，感官评分为83.26，落在响应值的95%预测区间[82.99，84.41]内。结果表明，该回归模型可用于甘草山楂泡腾片最佳配方工艺的预测。

将最优配方工艺下的甘草山楂泡腾片进行pH、起泡量、崩解时限、脆碎度、硬度、大小、质量等参数的测定，得到甘草山楂泡腾片饮品pH 4.8±0.4，起泡量23.8±1.6 mL，平均崩解时限31±4 s，脆碎度0.32%，硬度6.7±0.7 kg/cm2，平均体积2.01±0.02 cm3，平均质量2.2±0.01 g，符合国标对固体速溶饮品的要求。

3 讨 论

泡腾片以崩解快速、携带方便、能够促进体内营养物及功能性活性成分的吸收等优点深受现代人的喜爱，本研究以甘草提取物、山楂粉、柠檬酸、碳酸氢钠、聚乙二醇6000等为原辅料，开发一款酸甜爽口、益气健脾、清肝明目的甘草山楂泡腾片。试验以感官评分为指标，采用单因素及响应面试验设计的方法，优化泡腾片配方，获得最佳配方工艺为：甘草提取物4%，山楂粉4%，柠檬酸37%，碳酸氢钠37%、聚乙二醇6000添加量8%，红糖粉10%，此条件下泡腾片的感官评分为83.26分。

最佳工艺配方下的甘草山楂泡腾片其外表光滑平整、硬度适中、质地均匀，冲入200 mL凉开水中为暗红色，得到的饮品中无明显漂浮物、沉淀物及其他杂质。饮品的pH值测定结果呈酸性，主要是因为山楂粉和柠檬酸添加量之和大于碳酸氢钠添加量，泡腾片的各参数测定结果符合国标对固体速溶饮品的要求。另外，此泡腾片工艺简单，不易黏冲，但由于甘草不易溶解，所以需要进行提取、浓缩、干燥获得干粉，对山楂的处理要经过干燥、粉碎、过300目筛才不会在饮品中出现漂浮物、沉淀物等。

甘草山楂泡腾片是依据甘草、山楂食补习惯，结合传统中医配方研制而成，其口感风味独特。后期将对此泡腾片的药用和保健价值做进一步的实验研究，以期为药食同源植物的综合开发利用提升经济附加值提供参考依据。