响应面法优化苦菜蛋白饮料生产工艺

冯谈林，贺莹，杨秦玉，韩淑雅

吕梁学院生命科学系（吕梁 033000）

苦菜，又名叫老鹳菜、苦荬，常见于田地、荒地或道路旁，以根和籽儿繁殖，有着很强的生长能力。在我国分布较广，资源非常丰富[1]。此类植物分布较广泛，具有较高的药用品质和增强自身免疫力的作用[2]。苦菜的化学成分主要包括黄酮类、倍半萜类、香豆素类、木脂素类，据《神农本草经》的记载，苦菜具有疏散风热、益气养血、有利于肠胃吸收、健脾、消食之功效，临床用于医治肠道疾病、痔疮等一系列红肿热痛的问题。苦菜具有美容养颜、护肝、降三高、抑肿瘤、调节神经系统、消炎、杀菌等作用，对人体有诸多益处，能够有效地调节机能代谢[3]。

苦菜蛋白饮品符合蛋白饮品向着排毒养颜、增强免疫力、抑肿瘤等保健方向的发展。苦菜蛋白饮料对广大人民的身体健康有利，是蛋白饮料未来发展的一大突破，很有发展空间，有一定的市场价值，是今后饮料行业发展的主题[4]。试验研究的目的是将单一的苦菜蛋白与多种甜味剂进行搭配，制作出比较酸甜适口的饮品，并保留苦菜中的营养价值，满足人们日常生活的基本需求[5]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

苦菜，采于山西吕梁田间；蜂蜜、白砂糖；柠檬酸，市售；酚酞、氯化钠，分析纯，天津凤船化学试剂科技有限公司。

L550型离心机（金坛市恒丰仪器制造有限公司）；LDZX-50KBS高压蒸汽灭菌锅、F-020S超声波清洗仪（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；BSA224S电子天平、PHS-3E pH计（上海精密化学仪器有限公司）。

1.2 试验研究方案

1.2.1 苦菜蛋白饮料生产工艺流程

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 苦菜蛋白的制备

采用超声波辅助提取法提取苦菜蛋白，取20 g干苦菜，按液料比（水-苦菜）40∶1（mL/g）进行超声波辅助提取，自然晾干得到苦菜蛋白[6]。

1.2.2.2 蜂蜜浆制备

将蜂蜜加饮用水煮沸5 min，液料比为1∶4（mL/g），这样不仅可以使蛋白质沉淀，祛除上浮的白色泡沫，使不良气味散发，还可以抑制酶活性。

1.2.2.3 调配

按合适的配比依序加入苦菜蛋白、柠檬酸、蜂蜜浆、蛋白糖、白砂糖，用饮用水定容至160 mL，得到苦菜蛋白饮料调配液。

1.2.2.4 杀菌

将调配液进行一次杀菌，采用巴氏灭菌法，趁热灌装。对罐装后饮料进行二次杀菌，二次杀菌采用90℃、15 min的条件[7]。

1.2.3 苦菜蛋白饮料的单因素试验

1.2.3.1 柠檬酸添加量对饮料品质的影响

苦菜蛋白添加量为35%，蛋白糖添加量为0.03%，蜂蜜添加量为3%，白砂糖添加量为3%，分别添加0.05%，0.1%，0.15%，0.2%和0.25%的柠檬酸进行试验，将饮料定容至160 mL，对配制好的饮料进行感官评价[8]。

1.2.3.2 白砂糖添加量对饮料品质的影响

柠檬酸添加量为0.1%，苦菜蛋白添加量为35%、蜂蜜添加量为3%，蛋白糖添加量0.03%，依次添加1%，2%，3%，4%和5%的白砂糖进行试验，将饮料定容至160 mL，对配制好的饮料进行感官评价。

1.2.3.3 苦菜蛋白添加量对饮料品质的影响

柠檬酸添加量为0.1%，蛋白糖添加量为0.03%，蜂蜜添加量为3%，白砂糖添加量3%，依次添加25%，30%，35%，40%和45%的苦菜蛋白进行试验，将饮料定容至160 mL，对配制好的饮料进行感官评价[9-10]。

1.2.4 苦菜蛋白饮料响应面优化试验

在单因素确定苦菜蛋白饮料配方最佳范围的基础上，采用其中三个因素进行响应面试验优化。通过Design-Expert 8.0软件，分析出最佳工艺方案。最后得到最佳试验数据，并进行试验检验[11-12]。响应面分析试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面分析试验因素与水平设计 单位：%

1.2.5 苦菜蛋白饮料感官评定

优选10名评级员组成感官评定小组，对苦菜蛋白饮料进行品尝，然后评分标准见表2。

表2 苦菜蛋白饮料感官评分标准

2 结果与分析

2.1 苦菜蛋白饮料的单因素试验

2.1.1 不同柠檬酸添加量对饮料感官品质的影响

由图1可知：当无水柠檬酸添加量在0.05%~0.1%之间时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着无水柠檬酸添加量的增加而升高；当无水柠檬酸添加量在0.1%~0.3%之间时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着无水柠檬酸添加量的增加而下降；当无水柠檬酸添加量为0.1%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高。因此无水柠檬酸添加量选定0.05%~0.15%，进行响应面优化试验。

图1 不同柠檬酸添加量对饮料感官品质的影响

2.1.2 不同白砂糖添加量对饮料感官品质的影响

由图2可知：当白砂糖添加量在1%~4%时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着白砂糖添加量的增加而上升；当白砂糖添加量在4%~5%之间时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着白砂糖添加量的增加而下降；当白砂糖添加量为4%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高。因此白砂糖添加量选定2%~4%，进行响应面优化试验。

图2 不同白砂糖添加量对饮料感官品质的影响

2.1.3 不同苦菜蛋白添加量对饮料感官品质的影响

由图3可知：当苦菜蛋白添加量在25%~35%之间时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着苦菜蛋白添加量的增加而上升；当苦菜蛋白添加量在35%~45%之间时，苦菜蛋白饮料的感官评分随着苦菜蛋白添加量的增加而下降；当苦菜蛋白添加量为35%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高。因此白砂糖添加量选定25%~35%，进行响应面优化试验。

图3 不同苦菜蛋白添加量对饮料感官品质的影响

2.2 苦菜蛋白饮料配方响应面优化试验

2.2.1 响应面优化方差分析

根据Box-Benhnken试验设计原理，设计了17组试验，以进一步优化试验方案。试验设计及结果见表3。

表3 苦菜蛋白饮料最佳工艺响应面试验设计与结果

使用Design-Expert 8.0对表3试验结果进行多元回归方程拟合，以各自因素为自变量，感官评分为响应值，得出苦菜蛋白饮料的回归模型方程：

响应面结果方差分析结果见表4。

由表4可知：感官评价F=273.26（p＜0.01），说明感官评分建立的回归方程模型极其显著，模型的失拟项p=0.659 1（p＞0.05）不显著，残差均由随机误差引起；其中R2=0.997 2，说明响应值感官评分的实际值与预测值之间具有良好的拟合度，Radj2=0.993 5，表明模型拟合度较好，可用于预测苦菜蛋白饮料的最佳组合实际情况。

表4 感官评价方差分析结果

由表4可知：因素A、B、C和二次项A2、B2、C2的p值均小于0.000 1，说明无水柠檬酸添加量、白砂糖添加量、苦菜蛋白添加量对苦菜蛋白饮料的感官评分有极其显著的影响；交互项AB的p=0.047 9（p＜0.05），说明它的影响是显著的；AC的p=0.817 7（p＞0.05），影响不显著；BC的p=0.002 0（p＜0.01），说明它的影响是极其显著的。根据各因素F值的大小可得，影响苦菜蛋白饮料感官评分的主次为白砂糖添加量＞无水柠檬酸添加量＞苦菜蛋白添加量。

2.2.2 响应面曲面分析

响应面曲面的坡度可反映该因素对苦菜蛋白饮料感官评价影响的大小程度。等高线图的形状表明变量间的交互作用是否显著，椭圆等高线表明变量间的交互作用显著，圆形等高线表明交互作用不显著。

从图4可以看出，当白砂糖的添加量为3.62%、柠檬酸添加量为0.09%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高，柠檬酸相对于白砂糖来说对苦菜蛋白饮料的感官评分的影响不太显著。由等高线分析可知，当柠檬酸添加量不变时，沿着柠檬酸添加量变化的方向看，白砂糖添加量的等高线较密，说明白砂糖添加量对苦菜蛋白饮料感官评分的影响较显著。

图4 白砂糖添加量和柠檬酸添加量的交互作用对感官评分影响的响应面及等高线图

从图5可以看出：当苦菜蛋白的添加量为29.72%、无水柠檬酸添加量为0.09%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高，苦菜蛋白相对于无水柠檬酸来说对苦菜蛋白饮料的感官评分的影响不太显著；由等高线分析可知，当无水柠檬酸添加量不变时，沿着苦菜蛋白添加量变化的方向看，无水柠檬酸添加量的等高线较密，说明柠檬酸添加量对苦菜蛋白饮料感官评分的影响较显著。

图5 苦菜蛋白添加量和柠檬酸添加量的交互作用对感官评分影响的响应面及等高线图

从图6可以看出：当白砂糖的添加量为3.63%、苦菜蛋白添加量为29.72%时，苦菜蛋白饮料的感官评分最高，苦菜蛋白相对于白砂糖来说对苦菜蛋白饮料的感官评分的影响不太显著；由等高线分析可知，当白砂糖添加量不变时，沿着苦菜蛋白添加量变化的方向看，白砂糖添加量的等高线密集，说明白砂糖添加量对苦菜蛋白饮料感官评分的影响较显著。

图6 白砂糖添加量和苦菜蛋白添加量的交互作用对感官评分影响的响应面及等高线图

2.2.3 苦菜蛋白饮料的最佳配方

根据软件的响应面法得到苦菜蛋白饮料的最佳配方：柠檬酸添加量0.09%、苦菜蛋白添加量29.72%、白砂糖添加量3.62%。在此条件下，感官评分为90.98分。考虑到工艺的易操作性，将苦菜蛋白饮料的最佳配方确定为柠檬酸添加量0.1%、苦菜蛋白添加量30%、白砂糖添加量4%，为了验证预测值与真实值之间的有效性，在最佳添加量的条件下进行3次平行试验，感官评分为89.9分，与理论值90.89分相接近，表明采用响应面法优化的苦菜蛋白饮料最佳工艺模型是可靠的。

3 结论

通过响应面优化试验得出苦菜蛋白饮料的最佳配方：柠檬酸添加量0.1%、苦菜蛋白添加量30%、白砂糖添加量4%。在最佳添加量的条件下，感官评分为89.9分。用此配方制得的苦菜蛋白饮料色泽呈浅棕色，口味酸甜可口，风味独特，具有苦菜香味和蜂蜜的香味，二者气味协调浓郁，且含有一定量的蛋白质，具有一定的市场开发前景。