基于流变学参数及混料回归设计的浑浊型南瓜汁饮料工艺及配方优化

韩 璐,杨 陈,王胜男,朱丹实,朱力杰,王 勃,何余堂,马 涛,刘 贺

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁省食品安全重点实验室,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

基于流变学参数及混料回归设计的浑浊型南瓜汁饮料工艺及配方优化

韩 璐,杨 陈,王胜男,朱丹实,朱力杰,王 勃,何余堂,马 涛,刘 贺*

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁省食品安全重点实验室,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心,辽宁锦州 121013)

以南瓜为原料制作南瓜汁饮料,利用正交实验确定果胶酶、木糖醇、柠檬酸的最佳用量,并通过Design-Expert软件对南瓜汁的复配稳定剂进行混料设计研究。通过流变学参数考察了黄原胶、瓜尔豆胶、CMC对饮料稳定性的影响,分别建立了上行粘度、下行粘度、触变圈面积、感官评分与饮料品质之间的二元多项式回归模型,方差分析和配方优化验证实验表明各模型均具有高度显著性。实验结果表明:加入15 U/g果胶酶,可以使南瓜汁利用率达到94.2%,浑浊型南瓜汁饮料的最佳配方为:南瓜汁30%、木糖醇10%;复配稳定剂的最优组合为黄原胶0.089%,瓜尔豆胶0.2%,羧甲基纤维素钠(CMC)0.711%,感官分值达到最大,为89.92。

浑浊型南瓜汁,流变学,混料设计,复配稳定剂

南瓜(Pumpkin),葫芦科南瓜属的一年生蔓生草本植物,果肉营养成分丰富,含有果胶、戊聚糖、甘露糖、19种氨基酸、维生素C、胡萝卜素、矿物质及生物碱(南瓜子碱、葫芦巴碱)等[1],可以保护视力、预防眼疾、抗肿瘤、增强机体免疫力,因此,以南瓜为原料开发食品在资源、营养成分与保健功能方面均具有一定的优势[2-3]。

食品流变学属食品、化学、流体力学间的交叉学科,通过对食品流变性能的研究,可以了解食品的组成、内部结构、分子形态等,为产品配方、加工工艺设计、设备选型、质量检测等提供依据[4]。混料设计主要是研究各实验因子的不同比例对反映变量的关系,目前广泛应用于食品、冶金、化工、制药等领域[5-8],也常应用于工农业科学实验中[9-11]。在混料设计实验中,每个组分以占有的百分数来表示,占有量合计为1[12]。本文结合感官评定、流变学等方法对浑浊型南瓜汁饮料配方进行混料回归设计优化实验,得出饮料最佳配方组合。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南瓜 辽宁省阜新市振隆土特产有限公司;果胶酶Pectinex Ultra Color(酶活力10000 U/mL) 诺维信中国生物科技有限公司;黄原胶FF0370 内蒙古阜丰生物科技有限公司;瓜尔豆胶 山东金亮瓜尔豆胶有限公司;CMC FAH9 上海申光使用化学品有限公司;柠檬酸、木糖醇 均为市售。

LDZX-50FB型立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂;DFD-700型水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司;AR-G2/AR20型流变仪 美国TA仪器公司。

1.2 工艺流程

南瓜→预处理→热烫→打浆(料液比1∶2)→过滤→果胶酶酶解(43 ℃酶解3 h)→调配→高压均质(20 MPa均质5 min)→灌装、排气→密封、杀菌(121 ℃杀菌15 min)→冷却→成品。

1.3 实验方法

1.3.1 单因素实验

1.3.1.1 果胶酶添加量 用pH4.4的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液将果胶酶稀释至100 U/mL,然后称取60 g南瓜浆,分别加入1、2、3、4、5 mL上述酶液,使南瓜浆中的果胶酶浓度分别为5、10、15、20、25 U/g,43 ℃水浴搅拌3 h,测定南瓜浆的利用率,确定最佳果胶酶用量。南瓜汁利用率的计算公式如下:

1.3.1.2 南瓜汁添加量 在其它实验条件不变的基础上,分别加入10%、20%、30%、40%、50%的南瓜汁,根据感官评分确定南瓜汁的最适添加量。

1.3.1.3 木糖醇添加量 在其它实验条件不变的基础上,分别加入3%、5%、8%、10%、12%的木糖醇,根据感官评分确定木糖醇的最适添加量。

1.3.1.4 柠檬酸添加量 在其它实验条件不变的基础上,分别加入0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的柠檬酸,根据感官评分确定柠檬酸的最适添加量。

1.3.2 配方的优选实验 为了提高南瓜的出汁率,本实验采用果胶酶酶解南瓜汁,并将木糖醇和柠檬酸分别作为甜味剂和酸味剂加入到南瓜汁中[13],在单因素实验的基础上,以南瓜汁含量、木糖醇含量和柠檬酸含量为主要因素,进行L9(34)正交实验。采用感官评分进行评价,确定浑浊型南瓜汁饮料的最佳调配工艺。正交实验因素水平表如表1所示。

表1 饮料配方的正交实验因素水平表Table 1 Table of factors and levels of orthogonal test for beverage formula

1.3.3 混料设计 本实验利用Design-Expert数据处理系统对浑浊型南瓜汁饮料复配稳定剂的配方进行设计优化,根据前期实验结果,确定黄原胶的浓度范围为0～0.1%,瓜尔豆胶的浓度范围为0～0.2%,CMC的浓度范围为0.7%～1.0%。

1.3.4 饮料的评价参数 本实验主要通过感官评定(色泽、香气、滋味、组织状态)、流变学参数(上行粘度、下行粘度、触变圈面积)对浑浊型南瓜汁饮料的品质进行评定。选取10名食品科学与工程专业的学生组成评价小组,对饮料品质进行感官品评,取其平均值作为最终评价结果,感官评价标准如表2所示。流变学各参数的测定采用TA流变仪进行测定,设定仪器参数为:温度25 ℃,间隙500 mm,测定剪切应力随剪切速率的变化,剪切速率从1 s-1增大到100 s-1,平衡5 s,再从100 s-1减小到1 s-1,完成一次循环,得到的数据利用Origin软件进行处理。

表2 感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standard

1.4 数据统计分析

所有实验均三次重复,采用Origin8.0软件作图,应用SPSS 19.0软件进行方差分析,以p<0.05为显著性检验标准。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 果胶酶添加量对南瓜汁利用率的影响 果胶酶添加量对酶解效果的影响结果见图1。从图1可以看出,随着酶用量的增加,南瓜汁利用率快速增加,当酶添加量达到15 U/g时,南瓜汁利用率最高,继续增加酶添加量后,利用率呈下降趋势,这是因为果胶酶能催化果胶降解,使大分子长链的原果胶降解为低分子的果胶、低聚半乳糖醛酸和半乳糖醛酸,底物粘度迅速下降,增加可溶性果胶的含量,细胞壁被降解,使细胞内的液体比较容易释放出来,故而增加了南瓜汁的出汁率[14],南瓜汁利用率在15 U/g时达到最大值94.2%随后下降可能是因为果胶酶在15 U/g时作用完全,酶解充分,所以增加酶添加量不会再提高利用率,反而会导致利用率下降,但下降幅度不明显。

图1 果胶酶用量对南瓜汁利用率的影响Fig.1 Effect of pectinase dosage on utilization rate of pumpkin juice

2.1.2 南瓜汁添加量对感官评定的影响 南瓜汁添加量对感官评定的影响如图2,从图中可以看出,当南瓜汁添加量为20%时,感官评分最高,这是因为南瓜汁本身具有浓郁的风味和一定的黏性,添加量过大,会影响饮料的口感,从而降低了感官评分。所以选定20%的南瓜汁添加量为最佳水平。

图2 南瓜汁添加量对感官评分的影响Fig.2 Effect of additive amount of pumpkin juice on the value of sensory evaluation

2.1.3 木糖醇添加量对感官评定的影响 木糖醇添加量对感官评定的影响如图3,由图可知,木糖醇添加量在8%和10%时感官评分相差不大,分数相对偏高,木糖醇含量过高会导致饮料偏苦,影响口感。故确定木糖醇的最适添加量为8%。

图3 木糖醇添加量对感官评分的影响Fig.3 Effect of additive amount of xylitol on the value of sensory evaluation

2.1.4 柠檬酸添加量对感官评定的影响 柠檬酸添加量对感官评定的影响如图4,柠檬酸作为酸味剂加入,添加量不宜过多,过多会使南瓜汁偏酸,失去原有风味,而且配制果胶酶时是用柠檬酸的缓冲液稀释的,会造成南瓜汁具有一定的酸度,故选择柠檬酸的最佳添加量是0.1%。

图4 柠檬酸添加量对感官评分的影响Fig.4 Effect of additive amount of citric acid on the value of sensory evaluation

2.2 正交实验结果

南瓜汁具有明快诱人的天然色泽,作为一种具有保健功能的饮料,要求有尽可能多的有效成分和浓郁的风味。在本饮料中不添加蔗糖,而是以木糖醇代替。木糖醇甜度相当于蔗糖,热量相当于葡萄糖,当人体因缺少胰岛素而影响糖代谢时,木糖醇能渗透到细胞组织,促进吸收和代谢,减轻患者多饮、多食、多尿症状,可作为糖尿病人和肝炎患者的治疗剂和营养剂[15-16]。正交实验结果见表3,由极差分析可知,浑浊型南瓜饮料配方优选影响结果的主次因素顺序是A>C>B,即影响南瓜汁品质最大的因素是南瓜汁加入量,其次是柠檬酸加入量,最后是木糖醇加入量。通过正交实验确定最优水平为A3B3C3,即南瓜汁加入量为30%,木糖醇加入量为10%。经过三次的重复验证实验,结果表明当配方组合为A3B3C3时,感官得分平均分为93.2分,确定A3B3C3为最佳配方。

表3 南瓜饮料配方优选实验结果Table 3 Experimental results of optimization of pumpkin beverage formula

表4 混料设计结果表Table 4 Mix design result table

注:A-黄原胶,B-瓜尔豆胶,C-CMC。

2.3 数学模型

根据Design-Expert软件设计并得出了浑浊型南瓜汁饮料复合稳定剂的最佳配方,实验结果如表4所示,利用数据处理软件,对实验结果进行混料设计统计,建立回归模型,得到如下回归方程:

Y上行粘度=8.66A+0.15B+0.095C-8.32AB-8.30AC+0.76BC

Y下行粘度=8.83A+0.12B+0.16C-8.27AB-7.99AC+0.88BC

Y触变圈面积=9059.30A+1809.56B+696.54C-10199.99AB-6014.80AC+813.66BC

Y感官评分=-65.65A+4.93B+1.60C+124.34AB+112.24AC-4.14BC-81.35ABC

上行粘度的二次多项回归方程的复相关系数(R-Squared)是0.9328,校正后的复相关系数(Adj R-Squared)是0.8992;下行粘度的二次多项回归方程的复相关系数是0.9377,校正后的复相关系数是0.9066;触变圈面积的二次多项回归方程的复相关系数是0.7861,校正后的复相关系数是0.6791;感官评分的二次多项回归方程的复相关系数是0.9284,校正后的复相关系数是0.8806。对以上四个方程进行方差分析,结果如表5～表8所示。

表5 复配稳定剂上行粘度的回归方程方差分析结果Table 5 The variance analysis results of the regression equation of the upstream viscosity of the compound stabilizer

表6 复配稳定剂下行粘度的回归方程方差分析结果Table 6 The variance analysis results of the regression equation of the downstream viscosity of the compound stabilizer

表7 复配稳定剂触变圈面积的回归方程方差分析结果Table 7 The variance analysis results of the regression equation of thixotropic loop area of the compound stabilizer

表8 复配稳定剂感官评分的回归方程方差分析结果Table 8 The variance analysis results of regression equation of sensory evaluation of the compound stabilizer

通过表5～表8可以看出,这四个方程的线性模型和二次模型的p值均达到显著性水平,可以看出拟合的方程能很好地反映出复合稳定剂配方与各评价指标之间的关系[17]。

2.4 复配稳定剂各成分变化对评价指标的影响与分析

混料设计可以根据各组分的3D图直观地观察各组分间的变化对指标的影响。本研究配方中共有3个变量,组合变化对饮料的感官品质均有影响,且相互作用。固定其中的一种成分,可以比较其它两种成分的交互作用对指标的影响[18]。复配稳定剂对评价指标的影响如图5～图7所示。

图5 黄原胶和CMC的交互作用对粘度的影响Fig.5 The effect of the interaction between the gum and CMC on the viscosity

由图5可以看出,当瓜尔豆胶添加量固定时,上行粘度与下行粘度都随着黄原胶添加量的增加而增大,CMC也有类似的结果。这说明随着黄原胶和瓜尔豆胶交互作用的增大,南瓜汁分子间束缚力相对增大,致使分子运动缓慢,宏观表现为均一稳定性增强,粘度增加[19]。

从图6可以明显看出黄原胶和瓜尔豆胶对触变圈面积的影响显著,当黄原胶添加量为0.1%、瓜尔豆胶添加量为0.107%、CMC添加量为为0.793%时,触变圈面积达到最大值2666.12 kN·mm,出现这种现象的原因是:在静止的状态下,南瓜汁中的稳定剂会形成一定的网络结构来保持饮料的稳定性[20-21],一旦搅动,这种网状结构就会在剪切力的作用下被破坏,随着复配稳定剂交互作用的加强,恢复原状比较困难,此时形成的滞后圈就会变大,反之,当稳定剂效果不明显时,经搅动后,剪切速率对南瓜汁内部网络结构的影响不会像稳定性高时那样明显,所以滞后圈变小[22]。

图7显示了黄原胶和CMC的交互作用对感官评分的影响。当瓜尔豆胶添加量为0.7%,黄原胶添加量在较低水平时,随着黄原胶添加量的增加,南瓜汁的感官分值有较大幅度的增加,但当黄原胶添加量趋于一定值后,感官分值呈下降趋势,CMC也有类似的结果,这是因为当复配稳定剂效果较差时,南瓜汁混合不均匀,宏观表现为有分层现象,但随着稳定剂效果增强,南瓜汁表现为均一稳定,不分层,口感细腻,随着稳定剂效果继续加强,南瓜汁虽然能维持良好的稳定性,却因为口感上粘性大、糊口而得不到较为理想的感官评价分值[23-24]。

表9 各稳定剂最佳组合及预测结果Table 9 The best combination of each stabilizer and forecast results

图6 黄原胶和瓜尔豆胶的交互作用对触变圈面积的影响Fig.6 The effect of the interaction between xanthan gum and guar gum on the thixotropic loop area

图7 黄原胶和CMC的交互作用对感官评分的影响Fig.7 The effect of the interaction between the gum and CMC on the sensory scores

2.5 复配稳定剂配方优化

利用统计软件对饮料配方进行优化,表9为得到的预测值及验证的实测值。从表9可以看出,实测值在预测值的范围内,建立的拟合方程可以很好的模拟配方的评定指标。

3 结论

综上所述,加入15 U/g果胶酶,可以使南瓜汁利用率达到94.2%,浑浊型南瓜汁饮料的最佳配方为:南瓜汁30%、木糖醇10%;复配稳定剂的最优组合为黄原胶0.089%,瓜尔豆胶0.2%,CMC 0.711%,能够使上行粘度达到0.949 Pa·s;下行粘度为1.052 Pa·s;触变圈面积为1849.68 kN·mm;感官评分为89.92。

混料设计通过建立具有显著性水平的线性回归方程,可以很好的预测各因素水平与评价指标之间的关系,同时还可以通过Design-Expert软件的优化功能获得较优的配方组合,经过实际操作后得到与预测值一样的实测值,证明该混料设计具有可操作性,值得在饮料加工行业应用与推广。

[1]许英一,徐雅琴,崔崇士. 浑浊型南瓜汁饮料的加工工艺研究[J].食品科技,2008,33(2):40-42.

[2]Fu C L,Tian H J,Cai T Y,et al. Some properties of an acidic protein-bound polysaccharide from the fruit of pumpkin[J]. Food Chemistry. 2007,100(3):944-947.

[3]孙波,李海鑫,任静,等. 南瓜大豆复合固体饮料的研制[J]. 东北农业大学学报,2013,44(11):73-77.

[4]李小娥,赵龙. 慈姑饮料的流变特性研究[J]. 中国食品工业,2009,(12):58-60.

[5]农毅清,许梦寒,刘源焕,等. D-最优混料设计优化保健食品蓝参降脂咀嚼片处方工艺[J]. 食品与生物技术学报,2015,34(3):316-323.

[6]Smith W F. Experimental design for formulation[M]. New York:Society for Industrial & Applied Mathematics,2005.

[7]林文祥,胡卓炎,余恺,等. 混料设计优化荔枝-苹果混合果汁饮料配方[J]. 食品科学,2013,34(4):23-27.

[8]Marian I R,Awang B,Ho C M. Optimisation of natural ingredient based lipstick formulation by using mixture design[J]. Journal of Applied Sciences,2007,7(15):2099-2103.

[9]黄光建,徐学锋,郭梅君,等. D-最优混料设计在豉香型白酒香醅优化中的应用[J]. 华南农业大学学报,2013,34(3):427-430.

[10]杭锋,郭本恒,任璐,等. 基于混料设计优化超高温灭菌乳复配乳化剂[J]. 化工学报,2009(4):984-989.

[11]周剑忠,黄开红,董明盛,等. 混料设计在藏灵菇奶纯培养发酵剂配方设计中的应用[J]. 中国农业科学,2008,41(3):816-822.

[12]李春梅,迟玉杰. 混料法优化甜玉米、红豆复合发酵乳的配料工艺[J]. 中国乳品工业,2012,40(8):50-52.

[13]王丽威,郑彦山,陶敏慧,等. 低醇南瓜汁饮料发酵工艺条件的优化[J]. 西北农业学报,2010,19(2):194-197.

[14]钱长华,许时婴. 酶法制取南瓜汁[J]. 无锡轻工大学学报,2002,21(1):71-74.

[15]刘芳竹,屠振华,冯霖,等. 木糖醇魔芋软糖的研制[J]. 中国食品学报,2012,12(6):120-123.

[16]许英一. 澄清型南瓜饮料加工工艺研究[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2006.

[17]周剑忠,李莹,单成俊,等. 混料设计在葛根全粉咀嚼片配方研究中的应用[J]. 食品科学,2008,32(11):188-191.

[18]王晴华. 双孢菇功能饮料工艺及特性研究[D]. 天津:天津科技大学,2009.

[19]Rossana Coda,Alessia Lanera,Antonio Trani. Yogurt-like beverages made of a mixture of cereals,soy and grape must:Microbiology,texture,nutritional and sensory properties[J]. International Journal of Food Microbiology,2012(155):120-127.

[20]孔倩倩,苏政波. 玉米饮料酶解工艺的研究[J]. 山东食品发酵,2011,175(2):3-5.

[21]吴丹,章振武,张爱群,等. 基于混料回归设计的柳橙、草莓果味饮料配方设计及优化[J]. 食品工业科技,2014,35(21):202-206.

[22]Arancibia C,Costell E,Bayarri S. Fat replacers in low-fat carboxymethyl cellulose dairy beverages:Color,rheology,and consumer perception[J]. Journal of Dairy Science,2011,94(5):2245-2258.

[23]李鑫,刘锐,张民,等. 澄清型黑蒜饮料的流变特性研究[J]. 食品工业科技,2015,36(7):132-134.

[24]周文化,杨慧敏,李维敏,等. 椰子水饮料贮藏稳定性及流变学特性的实验研究[J]. 农业工程学报,2013(19):262-267.

Application of rheological parameters and mixture design to optimize the formula of cloudypumpkinjuice beverages

HAN Lu,YANG Chen,WANG Sheng-nan,ZHU Dan-shi,ZHU Li-jie,WANG Bo,HE Yu-tang,MA Tao,LIU He*

(College of Food Science and Technology,Bohai University,Key Laboratory of Food Safety in Liaoning, Research Center of National local joint Engineering for Fresh Agricultural Product Storage and Safety Control Technology,Jinzhou 121013,China)

This study utilizedpumpkinas raw material to produce juice and optimized parameters by orthogonal test and mixture design. The optimal dosage of pectinase,xylitol and citric acid were determined by orthogonal test,and the influences of xanthan gum,guar bean gum and CMC on the stability of the beverage were also studied. The regression models which can reflect the relation of quality and beverage components including upstream viscosity,downstream viscosity,thixotropic loop area and sensory evaluation value was established. The analysis of variance and demonstration test indicated that the models and regressive equation had a high level of significance. The results showed that the utilization ratio ofpumpkinjuice reached 94.2% by adding 15 U/g pectinase. The optimal proportions of thepumpkinbeverage are as following:pumpkinjuice 30%,and xylitol 10%,the optimal combination of the compound stabilizer is xanthan gum 0.089%,guar gum 0.2%,CMC 0.711%. The maximum value of sensory evaluation is 89.92.

cloudypumpkinjuice;rheology;mixture design;compound stabilizer

2016-10-08

韩璐(1993-)，女，在读硕士，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白工程，E-mail：13841688951@163.com。

*通讯作者:刘贺(1979-)，男，博士，教授，研究方向：食品大分子的结构与功能及其修饰，E-mail：liuhe2069@163.com。

国家自然科学基金面上项目(31471621)；国家自然科学基金青年基金项目(31201385)；辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LR2014034)。

TS275.4

B

1002-0306(2017)07-0193-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.029