响应面法优化朝鲜蓟果冻的加工工艺*

陈 婕，邓爱华,，王 云，曾 卓，谢 鹏，张平喜

(1 湖南文理学院生命与环境科学学院，湖南 常德 415000；2 湖南省朝鲜蓟工程技术研究中心，湖南 常德 415000)

朝鲜蓟(CynarascolymusL)，别名洋蓟，法国百合，是菊科菜蓟属多年生草本植物，富含多酚、黄酮及萜类化合物[1]，具有保肝降脂、抗肿瘤、抗HIV病毒及治疗消化不良和防治重金属吸收等功效[2-3]。朝鲜蓟作为一种冬闲农田经济植物，已在我国湖南、云南等地大面积推广。然而，我国朝鲜蓟主要以鲜食及罐头出口为主，植株生物质利用率只有15%左右。近年来，本课题组先后开发了朝鲜蓟茶叶、饼干、片剂、胶囊及化妆品等系列产品[4-6]，实现了朝鲜蓟的综合开发及高值化利用。果冻作为一种广受大众喜爱的健康食品，市场需求量大，然而，以朝鲜蓟为主要原料的果冻研究还未见报道。因此，本文利用响应面法优化朝鲜蓟果冻加工工艺参数，开发一种独具朝鲜蓟风味的新型果冻，为朝鲜蓟产业的深加工提供技术参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

朝鲜蓟，汇美农业科技有限公司；卡拉胶、魔芋胶、氯化钾、柠檬酸，北京君泽生物科技有限公司；喜之郎果冻、白砂糖，当地超市；均为食品级。抗氧化能力试剂盒(ABTS法，批号：20181106；DPPH法，批号：20181110)，南京建成生物工程研究所。

TA.XTPlus质构仪,英国Stable Micro System公司；KQ5200E型超声波清洗器，昆山市超声波仪器有限公司；HJ-6型磁力加热搅拌器，金坛石城东新瑞仪器厂；BCD-656WDPT型冰箱，青岛海尔股份有限公司；EL104型电子天平，梅特勒-托利多仪器公司；DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱，上海右一仪器有限公司；UV-1600紫外可见分光光度计，上海精密仪器有限公司；ELx800酶标仪，美国宝特公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

朝鲜蓟果冻的加工工艺流程：

图1 朝鲜蓟果冻加工工艺Fig.1 Processing technology of artichoke jelly

将朝鲜蓟干苞叶清洗干净，按体积质量比20:1加入90 ℃蒸煮2 h，过滤得朝鲜蓟汁，待用；将卡拉胶、魔芋胶及氯化钾混匀后慢慢加入蒸馏水中搅拌均匀，在75 ℃下煮胶，加入朝鲜蓟汁混合均匀，依次加入白砂糖、柠檬酸溶液，超声脱气泡后趁热导入模具中，灭菌后放入冰箱冷藏至凝固，得朝鲜蓟果冻，备用。

1.2.2 质构特性测定条件

TA.XT Plus型质构仪采用TPA模式测试，对凝胶进行硬度，内聚性，弹性，胶黏性，咀嚼性的测定。探头型号：P/0.5；预测试速度：1 mm/s；测试速度：2 mm/s；返回速度：2 mm/s，触发点负载10 g；每个样品测试3次，取平均值。

1.2.3 感官评价

组织20位感官监评员对制备的朝鲜蓟果冻从色泽、风味、口感和组织形态等4个方面进行感官评定[7]，具体评分标准见表1。

表1 朝鲜蓟果冻的评价标准Table 1 Sensory evaluation of artichoke jelly

1.2.4 抗氧化性测定

通过体外抗氧化实验ABTS法[8]和DPPH法[9]来检测果冻的抗氧化能力。ABTS检测试剂盒是设定Trolox的总抗氧化能力为1，相同浓度下，果冻的抗氧化能力用Trolox的倍数来表示。计算公式为：果冻总抗氧化能力(mM)=-1.1214×测定OD值+1.1262。DPPH检测试剂盒是通过定义：在37 ℃时，每分钟每毫升朝鲜蓟果冻使反应体系的吸光度(OD)值每增加0.01时，为一个总抗氧化能力单位。计算公式为：总抗氧化能力(mL)=[(测定OD值-对照OD值)/0.3]×反应液总量×样本测试前稀释倍数/取样量。

1.3 实验设计

1.3.1 复配胶配方优化

凝胶种类、配比及浓度对果冻性能起着决定性的作用，单一凝胶往往达不到预期的效果，而通过胶体复配协同增效可以提高凝胶的性能[10]。果冻中的无机盐，如氯化钾可以促进分子之间的交联作用，从而增加凝胶强度和弹性。在预实验的基础上，以市面上三种不同规格的喜之郎®果冻为参考，考察卡拉胶和魔芋胶配比、浓度及氯化钾添加量对复配胶质构特性(硬度，弹性，咀嚼性)的影响，优化复配胶的配方。

1.3.2 单因素实验

选取复配胶添加量，朝鲜蓟汁添加量，白砂糖添加量及柠檬酸添加量4个因素进行单因素实验。当其中一个变量变化时，其他的固定添加量为：柠檬酸添加量0.02%，复配胶添加量0.6%，白沙糖添加量5.5%，朝鲜蓟汁添加量80%。对制备的朝鲜蓟果冻进行质构分析和感官评价，从而确定各个因素的适宜水平。

1.3.3 响应面实验设计

优化复配胶卡拉胶:魔芋胶:氯化钾比例为5:15:4，结合单因素实验结果，选取柠檬酸、复配胶、白砂糖及朝鲜蓟汁添加量4个因素为因变量，以朝鲜蓟果冻的感官评价为自变量(Y)，采用响应面Box-Behnken模式优化实验配方，通过Design-Expert 8.0.6软件设计分析。响应面实验因素水平见表2。

表2 响应面实验因素水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2016绘制多元凝胶的数据图像；通过Exponent Lite Express软件设定质构仪参数及对果冻硬度、内聚性、弹性、胶黏性及咀嚼性数据分析；运用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面实验设计、数据分析及二阶模型的建立，进行显著性检验优化实验配方。所有实验重复3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 市售果冻质构指标

为了建立果冻的评价标准，先用质构仪对市面上销售的三种喜之郎果冻(1号、2号含不同果肉颗粒，3号为水果味果冻)进行检测，结果如表3所示。三种果冻的硬度和咀嚼性在12～14之间，弹性在1.0左右。

表3 市售喜之郎果冻的质构指标Table 3 Texture index of Xizhilang jelly

2.2 复配胶的配方优化

通过大量的预实验，选择在浓度为0.5%，0.7%，0.9%下，魔芋胶:卡拉胶比例为3:1，2:1，1:1，1:2，1:3，检测其三种物性指标(表4)，在实验中，胶含量在0.5%中，3:1的果冻呈半固体状，软烂不成形。这是因为卡拉胶-魔芋胶的体系中，卡拉胶形成主要的网络结构，而魔芋胶起到填补网络结构中去，这就形成较好凝胶的条件是要求卡拉胶达到一定的浓度，而在之前的预实验中证明了这一点。

通过对数据分析发现，在不同浓度中，魔芋胶:卡拉胶在3:1与2:1的果冻中，其硬度，胶黏性较与其他的比例数据较大，这是因为魔芋胶能够通过氢键与卡拉胶相互作用，用使胶体网络结构更为致密[11]。各种物性特征中，最为接近市面上果冻的配方是胶含量0.7%，魔芋胶与卡拉胶比例为1:3的果冻。

表4 复配胶的质构分析Table 4 Texture analysis on the different proportions of mixed gum amount

2.3 氯化钾添加量对复配胶质构分析的影响

表5 氯化钾对复配胶质构分析的影响Table 5 Texture analysis on the different proportions of mixed gum amount

钾离子能够有效地增加凝胶强度，使分子间的交联增强。由表5可知，果冻的弹性、硬度及胶粘性随氯化钾添加量的增大先增大后减小，当氯化钾添加量为0.4%时，达到最大值。在0.1%～0.4%的范围中，硬度，弹性，胶黏性先增大后减少。而在0.5%以后凝胶强度减少且在0.8%时，复配胶呈半凝固状态，各种特征无法测出。这是因为过量的离子强度会加速凝胶老化过程，过量的离子中和了卡拉胶分子所带的负电荷，减少了斥力，使游离水释放出来[12]。与市面上的果冻作对比，以经济角度以及果冻凝胶状态来看，选择添加氯化钾0.4%适宜。综上所述，选择总胶量为0.7%，氯化钾0.1%的果冻配比。

2.4 单因素实验结果与讨论

2.4.1 柠檬酸添加量对果冻品质的影响

在白砂糖5.5%，复配胶0.7%，朝鲜蓟汁80%的条件下，分别加入柠檬酸0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，柠檬酸对朝鲜蓟果冻品质的影响如图2所示。柠檬酸为0.03%时，感官评价和弹性达到最大值92分和1.23 mm，柠檬酸对调节溶液pH和果冻酸甜口感上有较大的作用，添加少量的柠檬酸，使果冻酸甜可口，口感更加丰富，且适当浓度的OH-能够有效地增加双螺旋结构，增强凝胶强度。当酸过量时，卡拉胶产生水解作用，从而降低凝胶强度，合适的柠檬酸为0.03%。

图2 柠檬酸添加量对果冻品质的影响Fig.2 Effect of adding citric acid on jelly quality

2.4.2 复配胶添加量对果冻品质的影响

在白砂糖5.5%，柠檬酸0.03%，朝鲜蓟汁80%的条件下，分别加入复配胶0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%，复配胶对朝鲜蓟果冻品质的影响如图3所示。感官评价和弹性随着复配胶添加量的增加而减少。随着复配胶添加量的增大，凝胶强度逐渐增大，弹性不断减少。卡拉胶是由红藻类提取出来的多糖，其本身带有的鱼腥味味道刺激。当在溶液中超过的一定浓度后，食用时明显的异味，让人难以接受，导致感官评价降低[12]。综合感官评价和弹性两个指标，与喜之郎果冻作对比，最终选择复配胶添加量为0.7%。

图3 复配胶添加量对果冻品质的影响Fig.3 Effect of adding the mixed gum amount on jelly quality

2.4.3 白砂糖添加量对果冻品质的影响

在复配胶0.7%，柠檬酸0.03%，朝鲜蓟汁80%的条件下，分别加入白砂糖4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，6.5%，白砂糖对朝鲜蓟果冻品质的影响如图4所示。感官评分先增大后减少，人们大都偏爱稍甜的食品，但是超过一定限度后，甜味会掩盖朝鲜蓟本身的香味，影响朝鲜蓟果冻的独特风味。在4.5%～6%中，弹性的变化不大，而在6.5%时弹性显著增大，由于适量的白砂糖会使果冻的凝胶强度增强，与文献报道的百合果冻影响一致[13]。合适的白砂糖为5.5%。

图4 白砂糖添加量对果冻品质的影响Fig.4 Effect of adding the sugar amount on jelly quality

2.4.4 朝鲜蓟汁添加量对果冻品质的影响

在复配胶0.7%，柠檬酸0.03%，白砂糖5.5%的条件下，分别加入朝鲜蓟汁60%，70%，80%，90%，100%，朝鲜蓟汁对朝鲜蓟果冻品质的影响如图5所示。朝鲜蓟具有独特的清香及回甘效果，随着朝鲜蓟汁的增加，朝鲜蓟风味越加浓郁，感官评分逐渐增大。果冻的弹性先增大后减少，市面上热销的果冻弹性在1 mm左右，选择合适朝鲜蓟汁添加量为80%。

图5 朝鲜蓟汁添加量对果冻品质的影响Fig.5 Effect of adding the artichoke amount on jelly quality

2.5 响应面实验设计结果与讨论

2.5.1 响应面回归模型的建立与分析

在单因素实验考察的区间内，果冻弹性变化不大，感官变换较为明显。因此，以果冻感官评价(Y)为响应值，选取柠檬酸添加量(A)、白砂糖添加量(B)，复配胶添加量(C)，朝鲜蓟汁添加量(D)四个配方变量，采用Box-Behnken模型设计了4因素3水平实验，结果见表6。

将表6中数据利用Design Expert 8.0.6软件进行二次多元回归拟合，得到模型的二次多项回归方程如下：

Y=92.83+2.28A+0.8B-2.5C+1.33D+0.82AB-0.31AC+0.32AD-1.34BC-0.065BD+ 3CD-3.3 4A2-3.58B2-6.24C2-2.61D2

表6 Box-Behnken设计方案及响应值Table 6 Box-Behnken experimental design and response values

为了检验方程的有效性，对朝鲜蓟果冻感官得分的数学模型进行方差分析，结果如表7所示。由表7可知，在模型中p值<0.05(=0.018)，表明回归模型达到了显著水平；而失拟项p值为0.2275，大于0.05，表明失拟项不显著，说明模型方程与实际情况吻合的较好，实验误差小，因此可用该回归方程代替实验真实点对实验结果进行预测。该表中一次项A、C、交互项CD及二次项A2、B2、D2的p值小于0.05，达到显著影响水平，说明它们对感官得分有显著影响。二次项C2的p值小于0.001，达到极显著影响水平，说明它对感官得分有极显著影响。对F值进行比较分析可得，对感官评价得分的影响程度为：白砂糖添加量(C)>柠檬酸添加量(A)>朝鲜蓟汁添加量(D)>复配胶添加量(B)。

表7 回归曲线的方差分析Table 7 Analysis of variance for the fitted regression equation

续表7

D18.31118.312.650.1261AB2.6712.670.390.5443AC0.2710.270.0390.8473AD0.2810.280.0400.8447BC7.1817.181.040.3257BD0.01710.0172.441E-0.030.9613CD35.94135.945.190.0389∗A257.27157.278.270.0122∗B277.92177.9211.250.0047∗C2231.261231.2633.40<0.0001∗∗D240.52140.525.850.0297∗残差96.9316.92失拟项69.35148.671.890.2275notsignificant

注：p值小于0.01代表显著，以“**”表示；小于0.05代表显著，以“*”表示。

2.5.2 响应面图形分析

为更直观的分析两两交互因素对朝鲜蓟果冻感官评价的影响[14]，Design-Expert 8.0.6根据回归方程建立响应曲面图6。响应曲面倾斜程度反映了交互因素对Y值的影响程度，也就是说，响应曲面倾斜的角度越大，交互因素对感官评价的影响也就越大。从响应曲面可看出，白砂糖添加量和朝鲜蓟汁添加量的曲面坡度最大，说明其影响最大。感官评价随着白砂糖和朝鲜蓟汁的增加，先增加后减少。

2.5.3 优化实验配方及验证

经过响应面优化后的果冻配方(为了实验方便调配对其进行取整处理)为：柠檬酸添加量0.03%，复配胶添加量0.7%，白砂糖添加量5.5%，朝鲜蓟汁添加量80%，在此优化配方的条件下，预测的感官评价为93.69分。为了进一步验证响应面法的可靠性，制作朝鲜蓟果冻。经实验人员根据果冻的评判标准得到，优化配方过的果冻感官评价为93.9分，与预测得到的分数接近，但也在误差范围内，说明了响应面法优化产品工艺是可行的。

图6 两两因素交互作用对果冻感官评价影响的响应曲面图Fig.6 Response surface plots of interactive effects for every two factors on jelly quality

2.6 朝鲜蓟果冻抗氧化性

通过DPPH法和ABTS法分别检测朝鲜蓟果冻和市面上的两种果冻抗氧化能力，结果如表8所示。DPPH法检测朝鲜蓟果冻的抗氧化能力分别是1号、2号和3号果冻的5.6倍、5.8倍和1.3倍；ABTS法检测朝鲜蓟果冻的抗氧化能力分别是1号、2号和3号果冻的4.3倍、4.1倍和2.1倍，且两种方法的检测结果具有一致性。由于朝鲜蓟中富含洋蓟素及绿原酸等多酚类化合物[15]，研制的朝鲜蓟果冻具有显著的抗氧化效果，而3号喜之郎果冻中添加了水果提取物，水果中的多酚物质提高了果冻的抗氧化性。

表8 果冻的抗氧化能力结果Table 8 Antioxidant capacity of different jelly

3 结 论

本实验在单因素实验的基础上，利用响应面法建立朝鲜蓟果冻的二次多项式数学模型，对影响感官评价的关键因素及其相互作用进行深入探讨，发现各因素对果冻的感官影响大小为：白砂糖添加量>柠檬酸添加量>朝鲜蓟汁添加量>复配胶添加量。此外，白砂糖添加量及柠檬酸添加量对果冻的感官有显著的影响，白砂糖和朝鲜蓟汁添加量之间存在显著的交互影响。最佳的朝鲜蓟果冻配方为：柠檬酸0.03%，复配胶0.7%，卡拉胶:魔芋胶为2:1，白砂糖5.5%，朝鲜蓟汁80%，氯化钾0.1%，感官评价高达93.9分，弹性为1 mm。DPPH法和ABTS法检测朝鲜蓟果冻的抗氧化能力分别是市售喜之郎果冻的1.3倍和2.1倍，朝鲜蓟果冻具有良好的抗氧化性。