D-最优混料设计优化手剥即食核桃复配抗氧化剂配方

包永华，施佳萍，李煌俊

1.浙江经贸职业技术学院应用工程学院（杭州 310018）；2.浙江巨邦高新技术有限公司（杭州 310018）

核桃是世界上消费最广泛的商业种植树坚果之一。核桃有许多健康益处，包括降低心血管疾病、冠心病、2型糖尿病和某些癌症的风险，以及减轻与年龄相关的神经系统疾病引起的症状。食用核桃对健康的好处归功于它的脂肪酸组成，它富含多不饱和脂肪酸，具有特别高的ω-3∶ω-6比率，有防治动脉硬化的功效[1-2]。然而，多不饱和脂肪酸对氧化的敏感性很高，这限制了核桃的保质期[3]。核桃氧化过程导致必需脂肪酸的流失，腐烂和异味的出现，有毒化合物的产生和不利的颜色变化，从而降低产品的感官、化学、营养和产品质量，最终导致消费者排斥[4]。

在手剥即食核桃加工过程中，为了延长核桃产品的保质期，可以添加抗氧化剂来延缓酸败的发展。合成抗氧化剂在核桃产品加工领域得到广泛应用，尤其是叔丁基对苯二酚（TBHQ），因其成本低廉且具有良好的抗氧化效果[5]。陈树俊等[6]的研究结果显示，在五香手剥核桃中添加TBHQ可以有效延缓其氧化酸败的过程。另外，赵声兰等[7-8]的研究结果表明在核桃油中使用TBHQ作为抗氧化剂，可以获得最佳的抗氧化效果。随着人们对健康的日趋关注，寻找高效、低毒的复配抗氧化剂对于防止纸皮核桃氧化具有重要意义[9]。

混料试验设计作为一种受条件约束DOE的特殊类型，可以轻松对混合物设计进行数字和图形分析，在食品新产品研发和工艺配方优化中发挥着越来越关键的作用[10]。研究以纸皮核桃为研究对象，以天然抗氧化剂为主体，辅以少量人工合成抗氧化剂叔丁基对苯二酚（TBHQ）复配进行混料设计，以产品在保质期内酸价和过氧化值的变化为评价指标，研究其对核桃氧化稳定性的影响，以期开发一种以天然抗氧化剂为主体的复配抗氧化剂，实现核桃保质期的延长。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新疆185核桃（新疆果业集团有限公司）；TBHQ（食品级，山东百事益食品科技有限公司）；油溶性茶多酚（食品级，＞98%，安徽红星药业股份有限公司）；异抗坏血酸钠（食品级，郑州拓洋实业有限公司）；无水柠檬酸（食品级，山东英轩实业股份有限公司）。

冰乙酸、无水乙醇、异丙醇、乙醚、酚酞、石油醚（30～60 ℃）、氢氧化钾、硫代硫酸钠、三氯甲烷、碘化钾、无水硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

HH-SJ电动搅拌器（常州金坛西城新瑞仪器厂）；ZQM小型研磨机（鹤壁市冶金机械设备有限公司）；REV-52 CS型旋转蒸发仪（上海雅荣生化设备仪器有限公司）；CP224 C电子天平（奥豪斯仪器有限公司）；1013 ES电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；LRH1150 F型恒温培养箱（上海恒科学仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 复配抗氧化剂试验设计

综合考虑成本及抗氧化效果，根据GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》[11]确定了各组分添加的上限。TBHQ的添加量由前期单因素试验确定，采用统计分析软件Design-Expert 12.0.0.1（Stat-Ease Inc.）中的D-optimal设计方法。

复配抗氧化剂在纸皮核桃料液中的添加量为3～5 g/kg，约束条件如表1所示。

表1 抗氧化剂添加量的设定

1.3.2 核桃制备工艺流程

核桃开口→清洗→杀青→料水配制→添加复配抗氧化剂→浸泡→机械沥水→烤制→冷却→包装编号→加速氧化试验

工艺操作要点：选择新疆185纸皮核桃原果，清水冲洗后经开口处理，破口间距控制在3～5 mm；完成后置于80 ℃烘箱内杀青6 h；复配氧化剂按照料液质量的0.3%添加，搅拌器搅拌充分溶解，将杀青好的核桃立刻放入料液，浸泡3 min至充分渗透，然后振荡沥水后放入电热鼓风干燥箱中，设定温度80 ℃、时间7 h；结束后，采用铝箔袋包装封口，记录试验日期。

1.3.3 纸皮核桃加速氧化试验

试验采用Schaal烘箱法对手剥即食核桃的抗氧化性能进行加速测定[12-13]。试验设计：将20份核桃添加不同复合抗氧化剂，将样品放入铝箔袋中，在60±1℃的恒温培养箱中闭口保存20 d；在试验周期结束后，对样品的过氧化值（POV）和酸价（AV）这两个评价指标进行检测。试验每组都进行2次平行试验，并将这些试验结果取平均值进行统计分析。

1.3.4 过氧化值的测定方法

试验采用的过氧化值（POV）测定方法是GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》[14]第一法，即滴定法进行测定。

1.3.5 酸价的测定方法

试验采用的酸价（AV）测定方法是GB 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》[15]第二法，即滴定法进行测定。

2 结果与分析

2.1 不添加抗氧化剂的纸皮核桃的加速氧化试验

根据图1所示，不添加抗氧化剂的手剥即食核桃在相同的温度和时间条件下，随着时间的推移，其过氧化值和酸价逐渐增加。在放置10 d后，纸皮核桃的过氧化值超过0.08 g/100 g，酸价超过1 mg/g，核桃的品质和食用价值已经明显下降。然而，成品手剥即食核桃通常需要保持在销售时间180 d以上，因此有必要添加抗氧化剂来延长核桃产品的保质期。

图1 加速氧化条件下不添加抗氧化剂的手剥即食核桃的过氧化值和酸价

2.2 最优混料设计方案及试验结果

按照软件设计的不同组合，对A（TBHQ）、B（异抗坏血酸钠）、C（油溶性茶多酚）、D（柠檬酸）4种抗氧化剂进行复配，共20个组合，设计方案和试验结果如表2所示。软件分别通过Quadratic和Special Cubic模型，对POV值和AV两个评价响应值进行回归拟合，建立POV和AV值的回归方程，如式（1）和（2）所示。

表2 设计方案和试验结果

POV=-10.60A+0.213 7B-4.54C+0.345 3D+14.39AB+20.75AC+12.50AD+4.75BC-0.351 8BD+6.01CD （1）

AV=5.85A+0.245 0B+4.13C+0.320 3D-6.85AB-42.87AC-8.36AD-6.57BC-0.782 8BD-6.92CD+48.07ABC-2.53ABD+56.34ACD+5.85BCD （2）

2.3 最优混料设计方差分析

应用软件进一步对POV和AV两个评价响应值的回归模型进行方差分析，结果见表3和表4。

表3 POV的二次回归方程模型方差分析表

表4 AV的二次回归方程模型方差分析表

根据表3中的方差分析（ANOVA）结果发现，评价POV响应值的回归方程模型具有统计学意义（0.01＜P＜0.05）。失拟项的P值为0.606 6，表明它对模型没有明显影响。计算出的变异系数（C.V.）为19.46%，置信度较高，说明AV值与回归模型的拟合较好。回归方程的相关系数R2为0.942 3，校正系数为0.817 3。这表示回归模型能够解释POV值变异的94.23%，且经过校正后的调整R2也较高，说明模型对数据的拟合程度较好。BC、ABC交互作用是极显著的，说明B和C因素的交互作用对POV值的影响非常显著。AB、AC、AD、BD、CD、ABD、ACD、BCD交互作用也是显著的，表明这些因素之间的交互作用对POV值的影响具有统计学意义。

根据表4中的方差分析（ANOVA）结果发现，评价AV响应值的回归方程模型具有非常显著的统计学意义（P＜0.01）。失拟项的P值为0.118 9，表明它对模型没有明显影响。回归方程的相关系数R2为0.936 1，校正系数为0.878 7。这意味着AV变量的约93.61%的变异可以由A、B、C、D四个自变量的变化来解释。这个方程可以很好地拟合AV和配方比例之间的关系，说明模型能够较为准确地预测AV值。此外，从表4还可以观察到AB、AC、AD、BC、BD交互作用极显著，CD交互作用也显著。这些交互作用对AV变量具有重要影响。

2.4 配方优化与验证

根据软件的优化，得到表5的1～3试验号共3组优化的纸皮核桃复配抗氧化剂配方，其中第4试验号为空白试验。为了证实预测值与真实值之间的拟合程度，取模型分析得到的配方加工核桃，将得到的样品加速氧化保存20 d后平行3次测定POV和AV的值，结果取平均值。

表5 配方优化和验证试验

表5中3组抗氧化剂优化配方的实际测量值与回归模型预测值基本吻合，表明优化所得复配抗氧化剂可靠。另外，从表5的1～3试验号与空白组4试验号结果比较得知，添加了复配抗氧化剂的纸皮核桃POV和AV值大幅度降低。对3组抗氧化剂配方的实际测量值进行对比分析，最终选择POV和AV值相对较低的3试验号作为试验优化的最优值，即TBHQ添加量0.20 g/kg、异抗坏血酸钠添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、柠檬酸添加量0.31 g/kg，加速氧化保存20 d后，POV和AV的值分别为0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g。

3 结论

用Schaal烘箱加速氧化方法对纸皮核桃进行加速氧化处理20 d，以POV和AV值为产品评价指标，采用最优混料设计法优化TBHQ（A）、异抗坏血酸钠（B）、油溶性茶多酚（C）、柠檬酸（D）这四种抗氧化剂的复配配方。通过建立回归模型评估了这些指标，并分析了这些因素之间的交互作用。同时，通过验证试验，得到了几组较优的配方。试验测定值与预测值基本吻合，这表明该模型相当可靠。

采用的优化复配抗氧化剂配方如下：TBHQ添加量0.20 g/kg、异抗坏血酸钠添加量0.24 g/kg、油溶性茶多酚添加量0.25 g/kg、柠檬酸添加量0.31 g/kg。加速氧化保存20 d后，POV和AV值分别为0.010 1 g/100 g和0.23 mg/g，对纸皮核桃的抗氧化效果最显著。因此，使用这种复合抗氧化剂可以有效地抑制纸皮核桃的氧化进程，从而在其保质期内获得较好的抗氧化效果。这项研究为延长纸皮核桃等坚果炒货的保质期提供了新的思路，为今后的进一步研究提供了宝贵的参考。