响应面法优化山药葡萄复合饮料的制作

刘砚耕，高 琦，李雨佳，耿 艺，叶 童，党 猛，薛友林

（1.辽宁大学轻型产业学院，辽宁沈阳 110036；2.辽宁行政学院，辽宁沈阳 110161）

响应面法优化山药葡萄复合饮料的制作

刘砚耕1，高 琦2，李雨佳1，耿 艺1，叶 童1，党 猛1，*薛友林1

（1.辽宁大学轻型产业学院，辽宁沈阳 110036；2.辽宁行政学院，辽宁沈阳 110161）

以山药和葡萄为主要原料制备复合饮料，采用单因素试验得出山药与水的最佳配比为1∶6（g∶g）；在单因素试验基础上，经Box-Behnken响应面优化法，最终确定山药葡萄复合饮料的最佳配方为白砂糖添加量5.17%，柠檬酸添加量0.16%，山药汁∶葡萄汁配比值0.59，在此配方下山药葡萄复合饮料感官评分为92.10分。采用正交试验确定了产品的最佳稳定剂配方，即黄原胶添加量0.15%，CMC添加量0.30%，海藻酸钠添加量0.10%。

山药葡萄复合饮料；正交试验；响应面优化法；感官评价

0 引言

山药即薯蓣，是多年生草本植物。作为药食同源农产品，山药不仅含有蛋白质、淀粉、维生素、皂苷、胆碱等多种营养成分[1-2]，而且性平味甘，能健脾止泻、补脾养胃、补肾涩精[3]，具有增强免疫、调整肠胃、降血糖、抗衰老、降脂[2，4]、抗肿瘤、抗氧化等作用[5]。

葡萄属落叶藤本植物，多为圆球形或椭圆球形浆果，色泽随品种而异。葡萄是一种有益人体健康的水果，具有补虚健胃功效。成熟的葡萄浆果中不但含有葡萄糖、蛋白质，还含有多种微量元素，如VA，VB1，VB2，VC及钾、磷、铁等[6]。葡萄中含有的多酚类物质可以阻止细胞受氧化伤害，具有抗衰老、降低心血管疾病发病率及预防癌症的功效[7]。

饮料是人们常需的食品之一，色泽自然、风味清爽、口感顺滑、形态均匀的健康饮品将拥有较广阔的市场前景。山药葡萄复合饮料集营养、保健于一体，其制作工艺技术符合当前食品工业发展的新潮流，同时能为山药、葡萄的深加工开辟新途径。

1 材料与方法

1.1 原料

新鲜山药，产自河南焦作；新鲜葡萄，产自辽宁营口。

1.2 试剂

柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸、食盐、白砂糖、海藻酸钠、黄原胶、酸性CMC，均为市售食品级。

1.3 主要仪器

CP114型电子天平，上海奥豪斯仪器有限公司产品；3NH-NR20XE型精密色差仪，深圳三恩驰科技有限公司产品；JYL-G12型九阳多功能榨汁机，九阳股份有限公司产品；JTM60DCB型胶体磨，沈阳市香洋机械厂产品；TG16G型台式高速离心机，长沙英泰仪器有限公司产品。

1.4 工艺流程

①葡萄→选料→清洗→去籽→打浆→胶体磨研磨→离心→葡萄原浆；

②山药→选料→清洗→去皮→切片→护色→预煮→打浆→胶体磨研磨→离心→山药原浆；

①+②→混合→调配→灌装→灭菌→冷却→成品。

1.5 操作要点

（1）山药原浆的制备。山药清洗、去皮、切片后，置于预先配好的护色剂中浸泡45 min，然后将其放入90~95℃热水中用电磁炉预煮5 min。将预煮过的山药冷却后按质量比1∶6与水混合，并用打浆机打浆。浆液过胶体磨研磨5次，随后于常温下以转速5 000 r/min离心30 min，上清液即为山药原浆。

（2）葡萄原浆的制备。葡萄清洗后去籽，用打浆机打浆后将葡萄浆倒入容器中，在室温条件下过胶体磨10次，之后在室温下以转速5 000 r/min离心30 min，取其上清液，即得葡萄原浆。

（3）调配。将山药原浆、葡萄原浆按一定比例混合，取混合汁于容器中，将一定比例的白砂糖、柠檬酸和最佳配比的酸性CMC、黄原胶、海藻酸钠混合，待搅拌均匀后加入容器中，将混合汁加热到50℃，缓慢搅拌后过胶体磨研磨5次。

（4） 脱气、灭菌。于70~75℃下脱气10 min，85~90℃下灭菌15 min并冷却至室温。经7 d储存试验，经检查无染菌、分层和胀盖等现象，即制得山药葡萄复合饮料成品。

1.6 试验方法

1.6.1 原料与水的配比选择

采用单因素试验方法，根据感官评分标准，比较不同加水量对山药原浆的影响，并选择最适添加量。

山药原浆的感官评分标准见表1。

1.6.2 饮料配方的优化

（1）单因素试验。考察白砂糖添加量（3%，4%，5%，6%，7%）、山药汁与葡萄汁配比（1∶3，2∶3，3∶3，4∶3，5∶3）、柠檬酸添加量（0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%）单因素对复合饮料感官综合评分的影响，确定复合饮料生产的基本配方。

（2） 响应面优化复合饮料的配方工艺。根据Design Expert 7.0软件中的Box-Behnken试验设计原理，在单因素试验基础上，选取白砂糖添加量、山药汁与葡萄汁配比、柠檬酸添加量分别为因素X1，X2，X3，进行三因素三水平响应面分析试验，以感官评分为Y值，进一步优化正交试验所得到的最佳配方，并进行各因素间交互作用分析。

响应面分析因素与水平设计见表2。

表1 山药原浆的感官评分标准

表2 响应面分析因素与水平设计

1.6.3 稳定剂的选择

根据前期研究基础[8]，选取3种稳定剂，即酸性CMC、黄原胶、海藻酸钠，采用正交试验的方法进行复合饮料的稳定性研究，以确定复合稳定剂添加量。

各种稳定剂添加量水平取值见表3。

表3 各种稳定剂添加量水平取值/%

1.7 成品品质评价

1.7.1 感官评价

采用感官评价方法进行评定，感官评价小组由10名具有一定感官评价经验的人员组成，感官评定参照GB/T 31121—2014果蔬汁类及饮料中的感官要求，以10人评分的平均值作为评价结果。

复合饮料的感官综合评价标准见表4。

1.7.2 稳定效果的评价方法

稳定效果用沉淀率来衡量。沉淀率的测定：取10 g样品，在室温条件下以转速3 000 r/min离心10 min，称取上清液的质量。

表4 复合饮料的感官综合评价标准

1.7.3 理化指标测定方法

理化指标测定：可溶性固形物（20℃折光计法），按GB/T 12143—2008规定执行；蛋白质测定，按GB/T 5009.5—2010规定执行；总糖测定，按GB/T 5009.8—2008规定执行；总酸测定（以柠檬酸换算），按GB/T 12456—2008规定执行。

1.7.4 卫生指标检测

菌落总数、大肠杆菌、致病菌的检测，参照GB 4789.21—2003食品卫生微生物学检验：冷冻食品、饮料检验。

2 结果与分析

2.1 原料与水的比例选择

单因素试验中，选择10人进行品鉴，按照感官评分标准打分。山药与水配比（g∶g） 为1∶5和1∶6时最佳，浆料浓度适宜，组织状态均匀，有山药的清香味，色泽鲜亮。考虑到原料成本，选择1∶6。

原料与水配比对产品品质的影响见表5。

表5 原料与水配比对产品品质的影响

2.2 山药葡萄复合饮料配方的优化

2.2.1 单因素试验

（1）白砂糖添加量的确定。在山药汁与葡萄汁配比为2∶3（g∶g），柠檬酸添加量0.2%的条件下，随着白砂糖添加量的增加，感官评分呈现先增大后减小的趋势。

白砂糖添加量对山药葡萄复合饮料感官评分的影响见图1。

当白砂糖添加量为5%时，感官评分最高。继续添加白砂糖时，会较明显感觉到复合饮料过于甜腻，因此感官评分明显降低。

图1 白砂糖添加量对山药葡萄复合饮料感官评分的影响

（2）山药汁与葡萄汁配比的确定。在白砂糖添加量5%，柠檬酸添加量0.2%的条件下，随着山药汁与葡萄汁配比的增加，感官评分呈现出先增大后减小的趋势。

山药汁与葡萄汁配比对感官评分的影响见图2。

图2 山药汁与葡萄汁配比对感官评分的影响

当山药汁与葡萄汁配比为2∶3时，感官评分最高。山药汁与葡萄汁配比过小，感觉不到山药的风味；而山药汁与葡萄汁配比超过2∶3时，葡萄的风味过淡。

（3）柠檬酸添加量的确定。

柠檬酸添加量对感官评分的影响见图3。

图3 柠檬酸添加量对感官评分的影响

由图3可知，在山药汁与葡萄汁配比为2∶3，白砂糖添加量5%的条件下，柠檬酸的最佳添加量为0.2%。当柠檬酸添加量高于0.2%后，会明显感觉到复合饮料偏酸而不易被接受，从而导致山药葡萄复合饮料的感官评分降低。

2.2.2 响应面分析方案设计

对白砂糖添加量、山药汁与葡萄汁配比（g∶g）、柠檬酸添加量3个影响复合饮料配方因素采用响应面优化法进行优化，以5.00%，0.67，0.20%为中心，选取白砂糖添加量的3个水平分别为4.00%，5.00%，6.00%；山药汁与葡萄汁配比分别为1∶3，2∶3，3∶3；柠檬酸添加量分别为0.10%，0.20%，0.30%，建立三因素三水平中心组合，试验设计包括17个试验方案，5个中心试验点，用以计算试验误差。

响应面分析方案见表6。

表6 响应面分析方案

2.2.3 响应面试验结果分析

采用Design Expert 7.0统计软件对所得数据进行回归分析，对各因素回归拟合后，得到回归方程：

结果表明，“Prob>F”值<0.001，模型呈显著性（p<0.05）；失拟项值等于0.194 0，失拟项不显著（p>0.05）；线性相关系数R2=0.996 3，表明回归方程拟合度较好。说明该模型与实际拟合良好，可以用此模型进行分析预测。

p值用来检验影响因素的重要性，其值也能暗示各影响因素之间的相互作用[10]。p值越小，说明这个影响因素越重要[11]。所以，白砂糖添加量（X1）、山药汁与葡萄汁配比（X2）、柠檬酸添加量（X3）、白砂糖添加量与柠檬酸添加量交互相（X1X3）、白砂糖添加量二次项（X12）、山药汁与葡萄汁配比值二次项（X22）、柠檬酸添加量二次项（X32）对感官评分都有显著的影响，而其他因素的影响较小。由F值检验贡献率，得到各响应因素对响应值显著性的排序为X3>X1>X2。

方差分析见表7。

2.2.4 响应面因素交互作用分析

为综合考察交互项对感官评分的影响，固定其中1个因素，选择任意2个因素观察其对感官评分的影响。利用Design Expert 8.05软件对表3的数据进行回归拟合得到回归方程的3D响应面图和2D等高线图[12]。

Y=f（X1，X2）等值线和响应面见图4，Y=f（X1，X3）等值线和响应面见图5，Y=f（X2，X3）等值线和响应面见图6。

表7 方差分析

图4 Y=f（X1，X2）等值线和响应面

通过比较3组图可知，白砂糖添加量（X1）与柠檬酸添加量（X3）的交互作用对感官评分影响显著，其他因素之间的交互作用对感官评分的影响不显著。由图5可以看出，感官评分随着白砂糖添加量增加呈先上升后下降的趋势，随柠檬酸添加量增加先上升后趋于平缓。

由Design Expert 7.0软件分析得到山药葡萄复合饮料的感官品质最佳配方为白砂糖添加量5.17%，山药汁与葡萄汁的配比值0.59，柠檬酸添加量0.16%，理论上预测山药葡萄复合饮料感官评分为92.4分。对优化的最佳配方进行试验验证，进行3次平行试验，得出感官评分的平均值为92.1±1.58分，与预测值差异不显著，说明实际试验值与软件预测值吻合良好，在实际应用中具有可操作性[13]。

图5 Y=f（X1，X3）等值线和响应面

图6 Y=f（X2，X3）等值线和响应面

2.3 稳定剂的选择

正交试验中，采用复合稳定剂对山药葡萄复合饮料的稳定性进行研究，稳定剂的稳定效果以沉淀率来衡量。

稳定剂的选择见表8。

根据对表8结果的直观分析，各因素的最优水平组合为A2B3C2，即黄原胶添加量0.15%，CMC添加量0.30%，海藻酸钠添加量0.10%。由表8的极差（R）可知，黄原胶（A），CMC（B），海藻酸钠（C）3个影响复合饮料稳定状况因素的主次顺序为A>B>C，即黄原胶>CMC>海藻酸钠，且均为主要影响因素。

表8 稳定剂的选择

2.4 山药葡萄复合饮料品质指标

2.4.1 感官指标

山药葡萄复合饮料的品质指数：①色泽。山药葡萄复合饮料为淡紫色，色泽均一；②风味。具有山药与葡萄相协调的风味，酸甜适宜，口感柔和清爽；③组织形态。质地均匀，无明显沉淀。

2.4.2 理化指标

可溶性固形物含量为11%，蛋白质含量为0.015%，总糖含量为10.5%，总酸含量为0.3%，pH值为3.5。

2.4.3 卫生指标

细菌菌落总数≤100 CFU/mL；大肠菌群≤3 MPN/100 mL；致病菌未检出。

3 结论

以新鲜山药和葡萄为主要原料制备山药葡萄复合饮料，通过单因素试验、正交试验及响应面优化法确定复合饮料的最佳工艺，山药葡萄复合饮料的最佳配方为白砂糖添加量5.17%，柠檬酸添加量0.16%，山药汁与葡萄汁配比值0.59；复合稳定剂的最佳配方为0.15%黄原胶+0.30%CMC+0.10%海藻酸钠，复合稳定剂添加量0.55%。复合饮料经70~75℃脱气10 min，灌装后于85~90℃条件下灭菌15 min，冷却至室温，经5~7 d储存试验，检查无染菌、分层、胀盖现象，即为山药葡萄复合饮料成品。采用以上配方及生产工艺生产出具有较好风味和品质的山药葡萄复合饮料，符合现代人的饮食需求，增加饮料品种多样性的同时，也为现代人健康饮食提供了更多选择。

[1]沙世炎.中草药有效成分分析 [M].北京：人民卫生出版社，1985：139.

[2]成河，吴云，张友明，等.山药加工与开发利用 [J].食品工业，2004（8）：12-15.

[3]王洪新，王远辉.山药多糖研究进展 [J].食品与生物技术学报，2011，30（3）：321-325.

[4]陈艳，姚成.淮山药中氨基酸含量的测定 [J].氨基酸和生物资源，2004，26（2）：47-48.

[5]王镇宙，黄绍华.山药中的保健功能成分及其在食品加工中的应用 [J].食品工业，2004（4）：51-52.

[6]李秀凤.透明葡萄汁生产工艺的研究 [J].食品工业科技，2004（10）：105.

[7]梁治军，张小妮.荔枝葡萄复合果汁饮料的研制 [J].饮料工业，2015，18（3）：37-41.

[8]艾辛梓，高琦，段华妮，等.山药大米复合饮料的研制 [J].饮料工业，2015，18（3）：23-28.

[9]梁治军，黄盈盈.怀山药大枣山楂枸杞复合保健饮料工艺及稳定性的研究 [J].饮料工业，2014，17（10）：10-15.

[10]Zhang H W，Bai X L.Optimization of extraction conditions for phytic acid from rice bran using response surface methodology and its antioxidant effects[J].J Food Sci Technol，2011，51（2）：371-376.

[11]Muralidhar R V，Chirumamila R R，Marchant R，et al.A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindracea using two different carbon sources[J].Bioch Eng.，2001，9（1）：17-23.

[12]王睿，孙鹏，李贵节，等.响应面法优化方竹笋汁饮料工艺研究 [J].食品科技，2015，40（2）：114-119.

[13]Wang P R，Chen D F，Jiang D H，et al.Alkali extraction and in vitro antioxidant activity of Monascus mycelium poly saccharides[J].J Food Sci Technol，2011，51（7）：1 251-1 259.

Optimization of Technology of Yam and Grape Compound Beverage by Response Surface Methodology

LIU Yangeng1，GAO Qi2，LI Yujia1，GENG Yi1，YE Tong1，DANG Meng1，*XUE Youlin1
（1.Light Industry College，Liaoning University，Shenyang，Liaoning 110036，China；2.Liaoning Vocational College of Basiness，Shenyang，Liaoning 110161，China）

In this work，yam and grapes are used as the main materials to produce a new kind of compound beverage.In an attempt to reach a better sensory quality，we carry out a lot of studies.Firstly，the optimum of grinding process is achieved by adding 1/6 weight of water for yam using single-factor tests.Then，the formula of the compound beverage is optimized by the Box-Behnken response surface methodology（RSM）.The optimum formula of the compound beverage is to mix yam juice and grape juice in the weight ratio of 0.59 with the addition of 5.17%sucrose and 0.16%citric acid and the sensory score under the optimal conditions is 92.10.Finally，the optimum composite stabilizer is a mixture of 0.15%xanthan gum，0.30%CMC and 0.10%sodium alginate determined by the orthogonal experiment.

yam and grape compound beverage；orthogonal test；response surface optimization method；sensory evaluation

TS275.4

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.02.028

1671-9646（2017）02b-0001-05

2017-01-09

国家自然科学基金青年项目（31201285）；教育部留学回国人员科研启动基金（2013693）；辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014009）；辽宁大学大学生创新创业训练计划项目（X201610140202，X201610140218，X201610140221，X201610140222）。

刘砚耕（1994— ），男，本科，研究方向为农产品加工。

*通讯作者：薛友林（1980— ），男，博士，副教授，研究方向为农产品加工及食物营养。