响应面法优化堇叶碎米荠多糖饮料的制备方法

刘海晨,罗凯

(湖北民族大学 生物与食品工程学院,湖北 恩施 445000)

堇叶碎米荠(Cardamineviolifolia)是一种十字花科一年或多年生草本植物[1-2]。其主要分布于湖北、湖南等地,在当地具有悠久的药用历史。堇叶碎米荠是一种超富硒植物,其干燥植株硒含量最高可达到8 000 mg/kg,且主要为有机硒,具有极高的药用研究价值[3-5]。

硒是人体必需的微量元素,不能由人体合成,必须从食物中摄取;然而,摄入过多或过少都会对人体产生不利影响。硒元素具有强大的抗氧化能力,可以清除体内过多的自由基,并激活细胞的抑癌能力,防止癌变[6-8]。硒多糖也是有机硒的主要形式之一,也是人体吸收硒的主要途径之一。越来越多的研究表明,硒多糖比单一的硒或多糖具有更好的生物活性,特别是在药理方面,在抗氧化、抗肿瘤、血糖调节和清除重金属方面表现出良好的治疗价值[9-12]。

功能性食品在我国所占市场比例越来越高,其中,功能饮料近十年来在软饮料中的规模增长了6%,与欧美、日韩等国家相比,功能饮料市场份额较低,但已呈现增长态势[13]。植物多糖因其具有多种保健功效,有关开发植物多糖功能性饮料已被深入研究[14-15],但有关天然植物硒多糖的相关产品开发较少。本研究以超富硒植物堇叶碎米荠为原料,提取其天然硒多糖,添加一定比例辅料,研制一款兼顾风味与保健功能的硒多糖饮料,并评价其营养价值,为今后开发硒多糖产品提供新方向。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

堇叶碎米荠(市售);柠檬酸(浙江一诺生物科技有限公司,食品级);木糖醇(山东福田药业有限公司,食品级);食用香精(商丘青山香精香料有限公司,食品级);羧甲基纤维素钠(浙江一诺生物科技有限公司,食品级);水溶性果胶(浙江一诺生物科技有限公司,食品级);山梨酸钾(山东昆达生物科技有限公司);三氯甲烷(上海麦克林胜华科技有限公司,分析纯);正丁醇(上海麦克林胜华科技有限公司,分析纯);紫外分光光度计(上海菁华,UV1800)。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

碎米荠原料→干燥→粉碎→水提→浓缩→水溶醇沉→Sevag除蛋白→干燥→水溶→离心→风味调配→均质→灌装封口→灭菌→成品

1.2.2 操作要点

取足量的碎米荠粉末,运用水提法提取,将提取液体积浓缩至20%左右后,用Seavge法对提取液除蛋白,复浓缩除去有机溶剂再将提取液加入乙醇醇沉,离心并收集沉淀,干燥后得到堇叶碎米荠硒多糖粉末;再加水溶解,过滤后取清液得到堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液备用[16]。将堇叶碎米荠饱和溶液与添加剂按照方案调配比例,之后使用均质机在20 MPa、60 ℃的条件下均质5 min。将多糖饮料装入灭菌的玻璃瓶中,封口。将灌装好的多糖饮料采用巴氏灭菌法灭菌,加热到80 ℃杀菌30 min,杀菌后用流水使其快速冷却至常温后,在4 ℃冰箱中冷藏保存,即可完成饮料制备。

1.2.3 多糖含量的测定

参考李美东等[17]的方法并略作修改,运用苯酚硫酸法测定多糖含量为47.53 mg/g。

1.2.4 硒含量的测定

参考国标DZ/T 0253.2—2014的方法,运用原子荧光法测定溶液总硒含量为3.19 μg/g。

1.3 单因素实验设计

将堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液、柠檬酸、木糖醇及食用香精的添加量的比例为影响堇叶碎米荠硒多糖饮料品质的单因素,设置各因素的不同水平,用感官评分作为标准,研究不用因素对堇叶碎米荠硒多糖饮品品质的影响规律。由世界卫生组织公布的数据可知,成年人硒摄取量为36 μg/d,而每日推荐摄入量为50～250 μg,通过经济效益及堇叶碎米荠饱和溶液硒含量等方面的考虑,每100 mL中固定添加量堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液为20%,将羧甲基纤维素钠添加量、水溶性果胶与山梨酸钾添加量作单因素,堇叶碎米荠硒多糖饮料沉淀率作为标准,研究不同因素对堇叶碎米荠硒多糖饮品稳定性的影响规律。

1.3.1 柠檬酸添加量对饮料品质的影响

以水为定量,木糖醇添加量为6.00%,堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液添加量为20%,食用香精添加量为0.07%,设置的柠檬酸添加量为0.02%,0.04%,0.06%,0.08%,0.10%,通过实验确定不同柠檬酸添加量对饮料品质的影响。

1.3.2 木糖醇添加量对饮料品质的影响

以水为定量,堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液添加量为20%,柠檬酸添加量为0.04%,食用香精添加量为0.07%,设置的木糖醇添加量为2%,4%,6%,8%,10%,通过实验确定不同堇叶碎米荠饱和溶液添加量对饮料品质的影响。

1.3.3 食用香精添加量对饮料品质的影响

以水为定量,堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液添加量为20%,柠檬酸添加量为0.04%,木糖醇添加量为6%,设置的食用香精添加量为0.03%,0.05%,0.07%,0.09%,0.11%,通过实验确定不同堇叶碎米荠饱和溶液添加量对饮料品质的影响。

1.3.4 饮料稳定性配方单因素设计

得到饮料最佳配方后,以1.3中的配方为基础,固定添加0.02%的羧甲基纤维素钠和山梨酸钾,设置水溶性果胶的添加量为0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%,确定不同水溶性果胶添加量对饮料稳定性的影响。

固定添加0.02%的水溶性果胶和山梨酸钾,设置羧甲基纤维素钠的添加量为0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%,确定不同水溶性果胶添加量对饮料稳定性的影响。

固定添加0.02%的羧甲基纤维素钠和水溶性果胶,设置山梨酸钾的添加量为0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%,确定不同水溶性果胶添加量对饮料稳定性的影响。

将调配好的饮料在4 ℃下贮存3 d后,离心并干燥收集沉淀,计算离心沉淀率,以此为评价指标确定稳定剂最佳用量范围。

1.4 响应面设计实验

以单因素实验设计结果为基础,将柠檬酸添加量(A)、木糖醇添加量(B)、食用香精添加量(C)等设计为自变量,产品的感官评分(Y)为因变量,采用Design-Expert8.0.6软件设计三因素三水平包括5个中心点的响应面法实验(共17次),以此为基础考察这三个因素对本产品品质的影响。

表1 Box-Behnken中心组合实验因素与水平

1.5 正交实验

在稳定剂单因素实验结果上,以水溶性果胶添加量(D)、羧甲基纤维素钠添加量(E)及山梨酸钾添加量(G)为影响因素,以三因素三水平正交试验为基础考察稳定剂的最佳添加量组合。各因素及水平见表2。

表2 复合稳定剂正交实验因素与水平

1.6 检测指标

依照GB/T 31326—2014《植物饮料》中的规定来设计相关实验。

1.6.1 感官实验

邀请十位经过专业培训的本校食品专业人员,按照国标中感官评价的方法,以色泽、滋味及气味、状态、杂质四个指标评价,如表3所示标准。评定前,所有评定员在3 h内均未食用刺激性大的食品,并在每次评定完一个样品后使用纯净水漱口,以保证实验的准确性。

表3 感官评定参考表

1.6.2 理化指标及营养成分

依照GB/T 31326—2014《植物饮料》中的规定检测相关理化指标、微生物指标及营养成分的测定。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 柠檬酸添加量对饮料品质的影响

在堇叶碎米荠多糖饱和溶液添加量为20%下,固定添加6%木糖醇,0.07%食用香精,以探求柠檬酸添加量对产品品质的影响。实验结果表明柠檬酸添加量达到0.02%时,酸味不明显,当添加量达到0.04%时,产品酸味容易让人接受,感官评分最高;但随着柠檬酸添加量的增加,达到0.10%时饮料涩感明显,产生了让人难以接受的风味,感官评分相对较低。因此确定柠檬酸添加量为0.04%。

2.1.2 木糖醇添加量对饮料品质的影响

在堇叶碎米荠多糖饱和溶液添加量为20%下,固定添加0.04%柠檬酸,0.07%食用香精,以探究木糖醇添加量对饮料品质的影响。结果表明随着木糖醇添加量的增加,感官评分呈增加趋势,当添加量达到6%时,饮料甜度适宜,感官评分最高。当添加量达到10%时,甜度太高,不能被人们所接受。因此确定木糖醇添加量为6%。

2.1.3 食用香精添加量对饮料品质的影响

在堇叶碎米荠多糖饱和溶液添加量为20%下,固定添加0.04%柠檬酸,6%木糖醇,以探究食用香精添加量对饮料感官品质的影响。结果表明食用香精的添加对饮料口感影响较小,但对色泽影响较大,随着食用香精添加量的上升,饮料香味浓郁,当添加量为0.07%时,饮料评分最高。添加量达到0.11%时,饮料色泽变暗,因此确定食用香精添加量为0.07%。

2.1.4 稳定剂添加量对饮料品质的影响

固定羧甲基纤维素钠与山梨酸钾的添加量(0.02%),随着水溶性果胶的增加,饮料离心沉淀率逐渐降低,当添加量为0.02%时,沉淀率达到最低,为1.54%,超过0.02%时,沉淀率略有上升,因此0.02%为水溶性果胶的最适添加量;固定水溶性果胶与山梨酸钾的添加量(0.02%),随着山梨酸钾添加量的增加,沉淀率先降低后增加,在0.02%时沉淀率最低,为1.64%,但总体变化不大,因此选择0.02%为山梨酸钾最适添加量;固定水溶性果胶与羧甲基纤维素钠的添加量(0.02%),随着羧甲基纤维素钠添加量的增加,当添加量超过0.02%时增加幅度明显,故选择0.02%为最适羧甲基纤维素钠添加量。

2.2 响应面实验

按照实验方案进一步设计响应面优化试验,结果见表4。

表4 响应面设计实验设计方案及结果

2.2.1 数据分析

利用Design-Expert8.0软件对表4中的实验数据进行多元回归拟合分析,得到感官评分的多元二次回归模型方程为:感官评分(Y)=91.66+1.32A+3.44B-0.11C+0.36AB+0.11AC+0.59BC-2.43A2-6.27B2-2.50C2。依据实验结果分析如表5所示,此模型感官评分与响应面值之间的P值小于0.000 1,表明此模型显著,且失拟项不显著(P值为0.488 4大于0.05),且得到的回归方程的相关系数R2=0.997 9大于0.90,说明模型拟合度尚佳,堇叶碎米荠硒多糖饮料配方可用该模型进行对配方的优化。F值显示,影响配方的感官评分的重要关系为木糖醇添加量大于柠檬酸添加量大于食用香精添加量。因素的一次项(柠檬酸添加量、木糖醇添加量)、A2、B2、C2等二次项对结果的影响极度显著,一次项(食用香精添加量);AB、AC、BC交互项对结果影响不显著。

表5 响应面优化实验方差分析结果

2.2.2 响应面交互项分析

由图1～3可以看出本实验中交互项的3D图形倾斜度较平坦,响应面等高线图呈圆形,说明交互项AB、AC、BC,对实验结果影响不显著,与表5中方差分析结果相吻合。

图1 柠檬酸及木糖醇添加量对硒多糖饮料感官评分的影响

图2 柠檬酸及食用香精添加量对硒多糖饮料感官评分的影响

图3 木糖醇及食用香精添加量对硒多糖饮料感官评分的影响

2.2.3 优化配方验证试验

根据响应面实验结果可得出的堇叶碎米荠硒多糖饮料的最优配方为:固定堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液添加量为20%、柠檬酸添加量为0.046%、木糖醇添加量为6.56%、食用香精添加量为0.070 4%。此模型预测本产品的感官评分可达到92.34,但结合实际操作的可行性,将方案修改为:柠檬酸添加量为0.04%、木糖醇添加量为6.50%、食用香精添加量为0.07%,为保证实验科学性,对本产品进行平行实验,三次实验结果中产品感官评分平均值为92.23分,接近模型预测值,说明该模型参数准确可用。

2.3 稳定剂配方优化

以单因素实验结果为基础,参考李冬梅[18]的方法并略作修改,设计复合稳定剂配方以水溶性果胶(D)、羧甲基纤维素钠(E)、山梨酸钾(G)添加量等三个主要因素,以离心沉淀率[19]为本产品的评价指标,设计L9(33)正交试验对产品稳定性进行评价,实验结果如表6所示。

根据数据可得,产品稳定性的影响因素主次为:D>E>G,即影响程度最高的因素为水溶性果胶添加量,羧甲基纤维素钠添加量影响程度其次,山梨酸钾对产品的影响程度最低;

且由本实验得到的最佳组合为D2E2G2,即三种因素添加量均为0.02%时,所得饮料的离心沉淀率最低。设计三次平行实验,所得产品平均沉淀率为1.42%,证实本方案具有科学性。

2.4 产品指标检测

为评价堇叶碎米荠硒多糖饮料的品质,按照国标GB/T 31326—2014《植物饮料》中的规定对其各项指标及营养成分进行了检测,结果如表7所示。由检测结果可得,所制备的饮料品质优良,可作为人们日常生活中的补硒剂使用。

3 结论

通过堇叶碎米荠硒多糖溶液、柠檬酸、木糖醇、食用香精、羧甲基纤维素钠、水溶性果胶及山梨酸钾不同因素研究饮料制备工艺的优化条件,以饮料的营养成分、微生物指标及感官评价作为评价指标,通过单因素实验、响应面实验及正交实验得到堇叶碎米荠硒多糖饮料的最佳制备工艺配方:以水为定量,固定堇叶碎米荠硒多糖饱和溶液添加量为20%,柠檬酸添加量为0.05%,木糖醇添加量为6.50%,食用香精添加量为0.07%,羧甲基纤维素钠、水溶性果胶及山梨酸钾添加量均为0.02%。所得产品感官评分为92.23分。根据产品配方将产品设计成每支25 mL的口服液产品,每支硒含量达到15.95 μg/25 mL,从而为人们除在日常生活中摄取硒提供一种高营养价值且风味优良的补硒方式,满足人们中对于硒元素的需求。