番茄猕猴桃复合果蔬饮料工艺的响应面优化

肖怀秋，李玉珍，杨涛，龚春平

（1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程系，湖南株洲 412004；2.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙 410004；3.广东佛山南海宏仁食品有限公司，广东佛山 528000）

猕猴桃（Actinidia sinensis）属于猕猴桃科猕猴桃属的落叶藤本多年生果树[1]，其果粒营养价值高、香气馥郁、VC含量约78 mg/100 g～410 mg/100 g 果肉，含糖量约8%～16%、总酸1.2%～2.1%、可溶性固形物含量占9%～10%左右，还含有人体必需的多种微量元素、蛋白质、脂肪、蛋白水解酶及猕猴桃碱等[2]，被誉为“水果之王”[3]。现代药理学证实，猕猴桃的果实、根茎叶等均可入药，具有防癌、抗氧化、降低胆固醇、提高机体免疫机能等作用[2，4]，目前，研究主要集中在果醋及清型饮料等方面[5-6]。番茄（Lycopersicum esculentum Mill）属茄科，为一年生蔬菜，色泽鲜艳，具有清热止渴、养阴凉血等功效[7]。番茄果实中富含多种营养元素，特别是VC和胡萝卜素，果实中还含有番茄红素，番茄红素具有很强的自由基清除能力，单线态氧（singlet oxygen）猝灭能力是VE100 倍，β-胡萝卜素的2 倍多，还具有抑制细胞增殖和扩散的作用，对各类癌症有一定防治作用[7-8]。目前，番茄饮料主要有番茄-胡萝卜饮料[8-9]、番茄-红豆乳复合饮料[10]、番茄-绿茶复合饮料[10]、番茄-桑椹复合果汁饮料[11]等复合饮料。果蔬饮料的生产现正由澄清果汁饮料向混浊果汁饮料、单一汁饮料向复合果蔬汁饮料，甚至100%果蔬汁方向发展[12]，复合果蔬汁饮料是软饮料的重要发展方向之一。通过调配技术按一定比例将果蔬汁与其它辅料进行混合生产复合果蔬饮料，既可充分发挥各种果蔬的营养素的功能，还能弥补单一果蔬口感不足的缺陷，符合纯天然、营养丰富和方便的食品营养需求[13]。番茄和猕猴桃营养元素的组成与配比不相同，而且都具有很好的营养价值，将番茄汁和猕猴桃汁进行调配制备功能性果蔬汁饮料目前尚未见报道。以番茄和猕猴桃为原料，利用单因素试验和Box-Bohnken 响应面优化技术研究番茄汁、猕猴桃汁、蔗糖以及柠檬酸添加量等对饮料产品感官综合评分的影响并对工艺进行优化，为番茄猕猴桃复合果蔬汁饮料加工提供技术和理论支持，也为其它果蔬汁的加工提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

番茄和猕猴桃均为市售；蔗糖和柠檬酸均为食品级原料；试验用其它试剂为国产分析纯。AL204 电子天平：梅特勒-托利多仪器有限公司；JM251D 榨汁机：美的集团公司；GYB60-6S 均质机：上海东华高压均质机厂；pHs-3C 雷磁pH 计：上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 番茄猕猴桃复合果蔬汁饮料的工艺流程

番茄猕猴桃复合果蔬汁饮料的工艺流程如图1所示。

图1 番茄猕猴桃复合果蔬饮料生产工艺流程Fig.1 Tomato-kiwi compound fruit and vegetable drink processing technology

1.2.2 工艺说明

1.2.2.1 原料精选与清洗

挑选无病虫害，无腐烂，无破损且成熟度高的果实，清水反复冲洗，除净表面泥沙和污垢等杂质。

1.2.2.2 低温冷榨和粗过滤

为了尽可能使番茄和猕猴桃果实榨汁后营养成分不被破坏，将精选洗净的果实沥干水分后，分别倒入榨汁机中进行低温冷榨，然后用纱布进行粗过滤除去果皮、籽及部分粗纤维等。

1.2.2.3 调配

将番茄汁和猕猴桃汁混合并按配方添加蔗糖和柠檬酸等成分，适当添加水分并搅拌，保证蔗糖充分溶解和饮料浓度适度。

1.2.2.4 二次过滤

将调配好的混合果汁用纱布再过滤、除去残存果皮、果籽、部分粗纤维和碎果肉块等杂质。

1.2.2.5 CMC-Na 添加与均质

添加适量CMC-Na 稳定剂维持饮料组织状态。20 MPa 均质10 min，使饮料均质化。

1.2.2.6 罐装、灭菌和冷却

对均质后的果汁进行罐装，100 ℃保持5 min，80 ℃即封口，常温冷却。

1.2.3 饮料加工工艺的优化

1.2.3.1 单因素试验

拟考察番茄汁添加量（5 g/L～40 g/L）、猕猴桃汁添加量（5 g/L～40 g/L）、蔗糖添加量（0～12 g/L）、柠檬酸（0～0.40 g/L）等对饮料感官综合评分的影响，确定最佳添加量。

1.2.3.2 响应面优化复合饮料的配方工艺

在单因素试验结果基础上利用Box-Bohnken 响应面优化技术研究番茄汁（X1）、猕猴桃汁（X2）、蔗糖（X3）和柠檬酸（X4）4 因素对产品感官品质的影响，并利用Designexpert（version8.0.6，State-EaseInc，Minneapolis，MN，USA）优化配方并进行数值模拟和模型预测。试验因素水平与编码见表1。

表1 影响因素水平及编码Table 1 Levels and codes of influencing factors

1.2.4 产品感官综合评分方法

品尝评分之前先用清水反复清洗口腔，经5 人以上品尝鉴定。根据组织状态、口感、色泽和气味4 个方面进行产品感官综合评分，取平均值，总分为100 分，具体分值分配见表2。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃汁和番茄汁添加量对产品感官综合评分的影响

猕猴桃汁和番茄汁添加量对产品感官综合评分的影响如图2A 和图2B 所示。

由图2A 可以看出，猕猴桃添加量对产品综合感官评分有显著影响，添加量为30 g/L 时，产品综合感官评分最高。由图2B 可以看出，番茄汁添加量对产品综合感官评分也有重要影响，最佳番茄汁添加量为25 g/L。

表2 产品感官评定指标及分值表Table 2 Products sensory evaluation index and score table

图2 猕猴桃汁和番茄汁添加量对产品的影响Fig.2 The influence of added amounts of kiwi fruit juice and tomato juice on product sensory index

2.2 柠檬酸和蔗糖添加量对产品感官综合评分的影响

柠檬酸和蔗糖添加量对产品感官综合评分的影响如图3A 和图3B 所示。

由图3A 可以看出，柠檬酸添加量为2.0 g/L 时产品综合感官评分最高。蔗糖添加量为8 g/L 时产品综合感官评分最高。

2.3 复合果蔬饮料工艺的响应面优化

2.3.1 数学模型的建立与主效效应分析

对番茄汁（X1）、猕猴桃汁（X2）、蔗糖用量（X3）和柠檬酸（X4）进行响应面优化，试验安排及结果如表3。

图3 柠檬酸和蔗糖添加量对产品的影响Fig.3 The influence of citric acid and sucrose and on product sensory index

表3 响应面优化设计与结果Table 3 Design and result of RSM

2.3.2 模型方差分析与回归分析

模型进行方差分析见表4。

表4 回归模型方差分析表Table 4 Analysis of variance for regression equation

结果表明，模型影响是极显著的（P＜0.000 1），模型决定系数为0.9573，说明模型能解释总变异的95.73%。模型变异系数为5.19 %，模型信躁比为16.924，说明模型是可靠的。

对模型回归方程系数进行显著性分析，结果如表5 所示。

表5 回归方程系数显著性检验总表Table 5 Significance test for regression coefficient

2.3.3 降维分析

观察某两个因素同时对响应值的影响可进行降维分析，即在其它因素条件固定不变的情况下，观察某两个因素对响应值的影响[14]。利用Design expert 软件对表3 数据进行回归拟合得到回归方程的响应面图和等高线图见图4～图6。

图4 y=f（X1，X2），y=f（X1，X3）响应曲面及等高线图Fig.4 Surface and contour plots of y=f（X1，X2）and y=f（X1，X3）

图5 y=f（X1，X4），y=f（X2，X3）响应曲面及等高线图Fig.5 Surface and contour plots of y=f（X1，X4）and y=f（X2，X3）

图6 y=f（X2，X4），y=f（X3，X4）响应曲面及等高线图Fig.6 Surface and contour plots of y=f（X2，X4）and y=f（X3，X4）

通过响应面图可以分析因素对响应值的影响。如果响应面曲面坡度比较平缓，则表明因素的变化对响应值影响不大。如果响应曲面坡度非常陡，则说明因素的变化对响应值影响明显，响应值随因素的变化而做出敏感反应[15]。等高线图表示在同一椭圆区域内，其数值是相同的。椭圆中心数值最大，由中心向边缘逐渐变小。椭圆排列越致密，则说明因素对响应值影响越明显，等高线呈椭圆形表示交互作用显著，圆形则表示此时交互效应可以忽略[16]。由图4～图6 可以看出，番茄汁与柠檬酸添加量、蔗糖与柠檬酸添用量交互效应极显著（P＜0.01），番茄汁用量与猕猴桃用量交互效应显著（P＜0.05）。

2.3.4 求最优解

为求解拟合回归方程的最优解，将方程分别对各自变量求一阶偏导并令其为0，可得到四元一次方程组，即：

解逆矩阵得方程最优解，即x1=0.83，x2=-0.11，x3=1.00 和x4=-0.80，换算得到具体水平为，番茄汁（X1）为29.15 g/L、猕猴桃汁（X2）为29.45 g/L、蔗糖（X3）为10.0 g/L、柠檬酸（X4）为1.2 g/L。为便于操作，将工艺条件修约为番茄汁29.2 g/L，猕猴桃汁29.5 g/L，蔗糖用量为10.0 g/L，柠檬酸用量为1.2 g/L。最优条件下模型预测产品感官综合评分为97.69。验证结果为96.18±0.40，n=6，与模型预测结果接近。

3 结果与分析

试验研究表明，单因素试验和Box-Bohnken 响应面技术联用优化番茄猕猴桃复合果蔬饮料加工工艺是可行的。优化条件为番茄汁29.2 g/L，猕猴桃29.5 g/L，蔗糖用量为10 g/L，柠檬酸用量为1.2 g/L。优化条件下模型预测产品评分为97.69。验证试验结果96.18±0.40（n=6）。复合饮料可以有效避免单一果蔬饮料的营养不足，是软饮料发展的重要方向。本试验以番茄和猕猴桃为原料进行果蔬复合饮料工艺的研究，获得了饮料的最优加工工艺条件，下一步将对制备得到的复合饮料进行营养成分的定量分析以及开展饮料功能活性等方面的研究。

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