基于响应面的零热量果冻粉配方优化

范光森，朱思樾，段盛林，刘 杰，刘炎桥，万 宁，*（.中国食品发酵工业研究院，北京0005；.中国农业大学，北京00083）

基于响应面的零热量果冻粉配方优化

范光森1，朱思樾2，段盛林1，刘 杰1，刘炎桥1，万 宁1，*
（1.中国食品发酵工业研究院，北京100015；2.中国农业大学，北京100083）

以具有零热量的赤藓糖醇为基础原料替代传统果冻中的砂糖，从而降低果冻的能量，开发零热量果冻粉。首先通过单因素优化了对果冻粉成型和口味影响较大的胶体、酸浓度和KCl的浓度。针对以上4因素，利用Box-Benhnken法进行3水平响应面优化设计实验确定最佳配方：赤藓糖醇77.70%，可溶性膳食纤维16.40%，魔芋胶1.54%，卡拉胶2.46%，柠檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%。经此果冻粉配方制备的果冻具有很好地弹性，口感爽滑，咀嚼度达到318.734 J，属于零热量食品。

果冻粉，赤藓糖醇，魔芋胶，卡拉胶

果冻是人们非常喜爱的一种休闲食品，其产品晶莹剔透，色泽鲜艳多样、口感细腻滑爽，清甜爽口，风味独特，又有一定的营养价值，四季皆宜，可用作餐后甜点、糕点修饰以及与饮料搭配，备受男女老幼，特别是妇女儿童及年轻一代的喜爱，其生产及应用前景非常广阔，市场潜力巨大［1］。

传统果冻基本上以砂糖为主要原料，为高糖产品，热量较高，营养价值低［2］。然而食用过多富含砂糖的果冻容易引发血糖升高，造成儿童龋齿病、儿童肥胖或儿童糖尿病。因此，有必要开发低糖或无糖的替代品，降低果冻的热量，这也是未来果冻发展的趋势之一［3］。目前有关低糖或无糖的果冻产品研究鲜有报道，在国外，Riedel等［4］利用高葡聚糖、低聚果糖、三氯蔗糖和赤藓糖醇开发低糖或无糖水果果冻，Acosta等［5］利用山梨糖醇代替砂糖，添加阿斯巴甜和安塞蜜等甜味剂开发了低糖水果果冻，Akesowan［6］利用响应面方法优化了赤藓糖醇-三氯蔗糖复合物和柠檬酸添加量开发了魔芋果冻饮料。韩国学者利用赤藓糖醇、异麦芽糖、山梨糖醇和木糖醇等原料代替砂糖开发适合老年人食用的果冻［7］。国内仅见刘丹、赵贵红和赵凯等［2，8-9］有所研究。赤藓糖醇被认定为零热值代糖，具有清凉的口感，非致龋齿，对血糖无影响的特点［10］，有关利用赤藓糖醇开发低热量果冻国内仅见赵贵红等［9］报道，但尚未完全代替砂糖。为此，本文尝试以赤藓糖醇为基础配料代替砂糖开发一种果冻粉配方，以此果冻粉制备的果冻具有零热量特点。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

复配型（三氯蔗糖）赤藓糖醇 淄博中食歌瑞生物有限公司提供；魔芋胶 汕头市捷成食品添加剂（A1、A2、A3和A4）、上海北连生物科技有限公司（A5 和A6）、湖北一致魔芋生物科技有限公司（A7和A8）、湖北强森魔芋科技有限公司（A9、A10和A11）和绿新福建食品有限公司（A12）提供；卡拉胶 阿泽雷斯国际贸易（上海）有限公司（B1）、上海大众海洋产业有限公司（B2）、青岛友利德国际贸易有限公司（B3）、上海北连生物科技有限公司（B4、B5和B6）、石狮市环球琼胶工业有限公司（B7和B8）、嘉吉亚太食品系统（北京）有限公司（B9）和海南文昌卡拉胶发展有限公司提供（B10）；柠檬酸、KCl、食用香精、食用色素 均从市场购买，且符合食品级的要求。

TA-XT.Plus物性测定仪 英国Stable Micro Systems；AL104分析天平 瑞士Mettler Toledo。

1.2 实验方法

按照基础配方称好果冻粉配方中的成分→干混→加入1∶6的热水（95℃以上）→趁热充分搅拌→注模→冷却成型→贮藏→检测分析［11］。

1.2.1 单因素实验 在进行预实验的基础上（赤藓糖醇77.70%，可溶性膳食纤维16.40%，魔芋胶1.30%，卡拉胶2.40%，柠檬酸2.00%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%，百分比为果冻粉干重比），将魔芋胶种类和浓度、卡拉胶种类和浓度、柠檬酸和KCl 6因素中5个因素条件固定，设置另一个因素的变化，进行单因素实验，按照感官评定方法和物性测定仪测得的咀嚼度对样品进行评价。

首先考察魔芋胶种类，选用不同种类的魔芋胶A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11和A12，按照基础配方进行实验，通过感官评价标准评分和咀嚼度大小，确定最优的魔芋胶种类；确定好魔芋胶种类后，以最优的魔芋胶种类进行添加浓度实验（0.40%、0.80%、1.20%、1.60%和2.00%），从而确定最佳魔芋胶浓度；在确定好魔芋胶种类和浓度的基础上，选用不同种类的卡拉胶（B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9和B10）进行实验，确定最优的卡拉胶种类；随后选用最优的卡拉胶进行其添加量实验，确定最佳的卡拉胶添加浓度（0.60%、1.20%、1.80%、2.40% 和3.00%）；确定好胶体种类和浓度后，对柠檬酸添加量进行研究（1.00%、1.50%、2.00%、2.50%和3.00%），确定果冻粉的最佳柠檬酸添加浓度；最后探讨不同浓度的KCl对果冻粉的影响（0.07%、0.14%、0.21%、0.28%和0.35%）。

1.2.2 Box-Behnken实验 在单因素实验基础上，根据Box-Behnken实验设计原理［5］，以魔芋胶、卡拉胶、柠檬酸、KCl浓度为因子，所制备的果冻咀嚼度为指标，设计4因素3水平响应面分析实验，因素水平编码见表1，数据用Design-Expert 8.0.6（Stat-Ease，Inc）软件分析确定最优配方组合。

1.2.3 感官评价［12］果冻粉配制的果冻的感官品评标准见表2，20名感官评价员进行评价打分后取平均值。

表1 响应面实验因素水平表Table1 Factors and levels in response surface analysis

表2 果冻粉配制的果冻感官评分标准Table2 The sensory score standards of spirulina protein jelly

1.2.4 果冻质构的测定 采用物性测试仪的P/0.5探头，压缩形变量为50%，以1.0 mm/s的测试速度对果冻进行质构的测试，主要测定果冻的咀嚼度（J）［13］。

1.2.5 数据分析 实验数据采用Origin 9.1（OriginLab Corporation）和Design-Expert 8.0.6（Stat-Ease，Inc）软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 魔芋胶种类

图1 魔芋胶种类对果冻感官和咀嚼度的影响Fig.1 Effect of konjac gum types on senses and chewiness of jelly

不同厂家所生产的魔芋胶品质不同，实验中选取了12种粒度相近（120目左右）的魔芋胶进行实验，考察不同魔芋胶种类在制备果冻粉中的特性，从而选择合适的魔芋胶种类用于果冻粉的生产。由图1可以看出A2、A6和A10具有较好的口感和组织结构，感官得分高，并且测定的硬度、弹性（未列出）和咀嚼度相比其他类型的魔芋胶好，更加适合冲调式果冻粉的生产。通过分析发现，这三种产品的粘度高（≥30000 mPa·s），具有较好的外观和透明度。另外，实验过程中发现在冲调性方面A2和A6明显优于A10，前两者比较容易冲调，A10则存在较轻的抱团现象。综合考虑，选择A2进行后续实验。

2.2 魔芋胶浓度

在基础配方的基础上，添加不同浓度的魔芋胶A2，实验结果如图2所示，由图2可以看出，在魔芋胶添加浓度超过1.20%时具有较好的咀嚼度，并且此后随着浓度的增加咀嚼度增加不明显。实验结果表明在魔芋胶添加浓度为1.20%或1.60%时具有较好的口感，粘弹性和组织状态较好。考虑到成本问题，魔芋胶的添加量为1.20%，占按照1∶6用水冲调后制得成品果冻的0.17%，这与陈宇飞等［14］报道的实验结果相似。

图2 魔芋胶浓度对果冻感官和咀嚼度的影响Fig.2 Effect of konjac gum concentration on senses and chewiness of jelly

2.3 卡拉胶种类

图3 卡拉胶种类对果冻感官和咀嚼度的影响Fig.3 Effect of carrageenan types on senses and chewiness of jelly

选取11种不同凝胶强度的卡拉胶与魔芋胶进行复配，实验结果如图3所示，由图3可以看出，卡拉胶B6和B8具有较好的咀嚼度，并且感官评价好，具有很好的粘弹性。值得注意的是卡拉胶B3和B10虽然咀嚼度很低，但感官评价较好，这是因为与前两者所形成的果冻存在很大差别，这两个卡拉胶所形成的果冻具有透明的外观，果冻切面光滑，入口具有很好的“Q”感，同前两者相比具有不同的口感（后续实验进行另一种口感果冻的开发）；而前两者虽然组织状态好，但果冻剖面有少量颗粒，入口有轻微的粗糙感。另外，B1和B5都未形成果冻，这主要是由于两者属于λ-型卡拉胶。文献报道，卡拉胶种类是魔芋类果冻的关键之一，实验证实，必须使用κ-卡拉胶，而不能使用λ-卡拉胶或τ-卡拉胶［11］。根据以上实验结果，选取卡拉胶B8进行后续研究。

2.4 卡拉胶浓度

由图4可以看出随着卡拉胶浓度的增加，果冻的咀嚼度先增加后下降，在添加量为2.40%时最高，为249.712 J；感官评价发现，在卡拉胶浓度为1.20%、1.80% 和2.40%时具有较好的口感和组织状态，而添加量为0.60%时，果冻弹性大，添加量为3.00%时则呈现脆裂感，内聚性差，同时剖面不光滑，降低了果冻入口时具有的滑爽感。综合感官评价和咀嚼度，以2.40%的浓度进行实验，这与赵魁等报道的实验结果类似［15］。

图4 卡拉胶浓度对果冻感官和咀嚼度的影响Fig.4 Effect of carrageenan concentration on senses and chewiness of jelly

2.5 柠檬酸浓度

由图5可以看出，随着柠檬酸浓度的增加，感官评价和咀嚼度趋势一致，都呈现先增加后降低的趋势，并且在柠檬酸添加量为1.50%时，感官评价和咀嚼度最好，此时果冻具有很好的韧性，酸甜适口，质地均匀。这与王喜萍等报道的绿茶魔芋复合果冻的研制中柠檬酸添加量接近［16］。

图5 柠檬酸浓度对果冻感官和咀嚼度的影响Fig.5 Effect of citric acid concentration on senses and chewiness of jelly

2.6 KCl浓度

实验结果表明，KCl浓度对果冻的影响情况与柠檬酸类似，因此结果未列出，感官评价和咀嚼度都随着KCl浓度的增加先增加后降低，并且以添加量为0.14%时最好，相比徐志杰等［17］报道的添加量偏低。李艳［18］报道K+、Ca2+可以提高魔芋胶与卡拉胶在水溶液中形成的凝胶强度，并且汤毅珊等［19］报道表明KCl对卡拉胶有强烈的增效作用，可明显降低卡拉胶的用量，改善凝胶强度。

2.7 响应面优化配方组合

2.7.1 数学模型的建立和数据分析 根据单因素实验结果，可以看出咀嚼度和感官评价基本一致，基于咀嚼度更加客观，选取咀嚼度为响应值。依据Box-Behnken实验原理设计4因素3水平共设立29个处理组，实验结果如表3所示。根据所得实验数据采用软件Design-Expert 8.0.6进行多元回归拟合，得到咀嚼度（Y）对实验因素的二次多项回归方程。初步回归方程为：

表3 Box-Behnken设计方案及响应值Table3 Box-Behnken experimental design and corresponding experimentalpolysaccharide yields

方程中各项系数绝对值的大小直接反映各因素对响应值的影响程度，系数的正、负反映了影响的方向。由于方程的二次项系数均为负值，可以推断方程代表的抛物面开口向下，因而具有极大值点，可以进行优化分析。由方程的一次项系数可以得出，影响果冻粉所制备果冻的咀嚼度因素的主次顺序为：魔芋胶浓度＞卡拉胶浓度＞柠檬酸浓度＞KCl浓度。

对模型进行方差分析，结果显示，方程的模型显著性p＜0.0001，是极显著的，说明回归模型显著，拟合程度好，有实际应用意义。失拟项p＜0.05，显著，即模型预测值与实验值存在一定差异。为此，剔除模型中影响最不显著的AB和BD两项，对模型（1）进行优化可得：

对优化后模型进行方差分析，结果（表4）显示，回归方程模型显著，同时失拟项p＞0.05，不显著，即模型预测值与实验值的差异较小。

表4 回归方程方差分析Table4 Analysis of variance for response surface quadratic model

2.7.2 响应面分析图 根据回归方程建立响应曲面图，考察响应面形状，分析魔芋胶浓度、卡拉胶浓度、柠檬酸浓度和KCl浓度对响应值咀嚼度的影响。各因素之间的交互作用对果冻粉所制备果冻咀嚼度影响的响应面图如图6～图9所示。响应曲面的坡度的陡峭程度说明随着影响因素的变化，其对应响应值的变化情况。等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反［20］。

由图6可知，随着魔芋胶浓度的增加，咀嚼度增大；而随着柠檬酸浓度的增加，咀嚼度先增加后降低。与单因素实验相比，可以看出柠檬酸浓度影响了魔芋胶浓度对果冻咀嚼度的作用，也就是说两者存在交互作用。响应曲面陡峭，进一步表明魔芋胶浓度和柠檬酸浓度的交互作用对咀嚼度影响较大。从等高线形状可以看出，魔芋胶浓度对咀嚼度的影响大于柠檬酸浓度。

图6 魔芋胶浓度和柠檬酸浓度对果冻咀嚼度的响应面图Fig.6 Response surface plot of the effects of konjac gum concentration and citric acid concentration on the chewiness of jelly

由图7可知，随着魔芋胶浓度的增加咀嚼度不断增加，而KCl浓度则对咀嚼度影响较小。

图7 魔芋胶浓度和KCl浓度对果冻咀嚼度的响应面图Fig.7 Response surface plot of the effects of konjac gum concentration and KCl concentration on the chewiness of jelly

由图8可知，随着卡拉胶浓度和柠檬酸浓度的增加，咀嚼度先升高后降低。从等高线形状可看出，卡拉胶浓度对咀嚼度的影响要大于柠檬酸浓度。

由图9可知，随着柠檬酸浓度和KCl浓度的增加咀嚼度有减小的趋势，并且两者对果冻的咀嚼度影响较小。从等高线形状可看出，柠檬酸浓度对咀嚼度的影响大于KCl浓度。

综上所述，魔芋胶浓度对咀嚼度的影响最大；其次是卡拉胶胶浓度和柠檬酸浓度，这与之前的方差分析结果一致。

图8 卡拉胶浓度和柠檬酸浓度对果冻咀嚼度的响应面图Fig.8 Response surface plot of the effects of carrageenan concentration and citric acid concentration on the chewiness of jelly

图9 柠檬酸浓度和KCl浓度对果冻咀嚼度的响应面图Fig.9 Response surface plot of the effects of citric acid concentration and KCl concentration on the chewiness of jelly

2.7.3 优化配方参数和验证模型 通过响应面实验分析，确定果冻粉的最佳配方为：赤藓糖醇77.70%，可溶性膳食纤维16.40%，魔芋胶1.54%，卡拉胶2.46%，柠檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%，此配方配制的果冻咀嚼度预测值为327.639 J。此时魔芋胶与卡拉胶的比例与徐志杰等［17］报道的类似，约为2∶3。在上述条件下，进行3组验证性实验，实验结果平均咀嚼度为：318.734 J，果冻的感官得分为87。经验证，实测值与预测值之间拟合较好，误差在允许范围内，说明利用响应面法优化果冻粉的配方是可行、有效的。

3 结论

在单因素实验的基础之上，利用响应面（RSM）分析建立果冻粉配比的二次多项式数学模型，对影响咀嚼度的关键因素及其相互作用进行深入探讨，通过典型分析并考虑到感官评价得到最佳果冻粉配方为：赤藓糖醇77.70%，可溶性膳食纤维16.40%，魔芋胶1.54%，卡拉胶2.46%，柠檬酸1.30%，KCl 0.14%，食用色素0.03%，食用香精0.03%。采用上述最优条件进行3次，测得咀嚼度为：318.734 J，与理论值相比，相对误差较小，为2.7%，此时果冻的感官得分为87。该配方配制得到的果冻粉，按照1∶6的热水冲调具有较好的弹性和适中的硬度，并且消费者可以依据自己的爱好添加不同的果汁，制备天然的果汁果冻。

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Formula optimization of a zero calories jelly powder based on response surface methodology

FAN Guang-sen1，ZHU Si-yue2，DUAN Sheng-lin1，LIU Jie1，LIU Yan-qiao1，WAN Ning1，*
（1.China National Research Institute of Food&Fermentation Industries，Beijing 100015，China；2.China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Utilizing erythritol instead of traditional white granulated sugar as basic material，a zero calories jelly powder was developed in this paper.The effects of gel，acid，and KCl，which were greater influence on the jelly-forming properties and taste，were studied in single factor experiments.Subsequently，the optimal formula of jell powder were explored by Box-Behnken design involving the above four factors at three levels in combination with response surface methodology.The best formula was as follows:erythritol 77.70%，soluble dietary fiber 16.40%，konjac gum 1.54%，carrageenan 2.46%，citric acid 1.30%and 0.14%KCl，0.03%edible flavor，and edible essence 0.03%.Jelly made by this formula had good elasticity，smooth taste，and the chewiness was 318.734 J，and that was a zero calories food.

jelly power；erythritol；konjac gum；carrageenan

TS278

B

1002-0306（2016）02-0296-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.051

2015－04－17

范光森（1984-），男，博士研究生，工程师，研究方向：食品生物技术，E-mail：fgs-ln@163.com。

*通讯作者：万宁（1964-），男，大学本科，高级工程师，研究方向：发酵工程和网络信息化，E-mail：wanning010@aliyun.com。

首都食品安全科技创新优培育专项（Z141100002614019）。