D-最优混料设计优化树莓平菇解酒片主料配比

张丽姿，高涵，田益玲，陆文静，何俊萍

（河北农业大学 食品科技学院，河北保定 071000）

我国酒文化底蕴深厚、源远流长，几乎对每一位炎黄子孙都有影响[1]。酒是由醇、水、酸、酮以及杂环化合物等有机化合物组成的，其中水和乙醇（又名酒精）的含量约为98%，并且对人体伤害最大的成分就是乙醇[2]。医学证明，适量饮酒可以消除疲劳、促进睡眠、活血通络，但是过量饮酒则会危害人体健康。通过一些发达国家的研究表明，很多死亡率和发病率较高的疾病都在一定程度上和酒精相关疾病有关[3]。醉酒和酒精中毒已成为我国公共卫生问题，它在给家庭、社会带来极大的危害的同时，也对人体的神经系统、消化系统、造血系统、骨骼系统等多系统造成一定的伤害。有资料显示，大量急性饮酒可引起头疼、恶心、呕吐、注意力不集中、记忆力减退、情绪不稳定、意识和行为失控导致的交通事故以及急性死亡等严重后果[4-6]。如果长期饮酒则会引起酒精性肝病、肝硬化、食管癌以及胃癌等。随着社会的发展和人民物质生活水平的提高，饮酒的同时又不醉酒成为许多人所追求的目标。因此探讨如何迅速降解酒精，保护机体肝脏是一个值得关注的热门课题[7-10]。

红树莓不仅果实中含有鞣花酸、水杨酸、黄酮和多糖等活性成分，而且其枝叶中也含有一些果实中特有的活性成分。但每年树莓产果后的枝条都会被砍掉，而造成大面积的浪费和环境污染等问题。食用菌类不仅含有丰富的营养物质，还具有独特的药用保健价值。本试验用废弃的树莓枝条取代普通的木屑添加到平菇菌袋中充当培养基，经验证所培育的平菇中鞣花酸含量为0.219 mg/g（干重），而未使用红树莓枝培育的平菇中鞣花酸含量几乎为0，由于红树莓中富含的鞣花酸和其聚合物以及其他化合物具有解酒功能，故结合传统药膳进行平菇解酒片的开发。

最优混料设计是一种将D-最优化设计应用于混料试验中的设计方法[11]，该试验方法主要研究响应变量与各试验因素的不同比例之间的关系，只与各因素的总量有关且与各因素单个含量无关。因为此方法具有信息量充分、试验次数少、多目标同步优化和参数预测精度高等特点被广泛应用到化工、农药、农林、食品、冶金等行业[12-14]。本试验使用软件Design Expert（V.8.0.6）中的混料设计中的D-Optional方法，以小米粉、苦荞粉、平菇粉、葛花粉、拐枣粉为主要原料设计解酒片的最佳主料配方，以体外乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）的激活率为评价指标。建立各组分不同比例与ADH激活率之间的回归模型，考察该配方中各组分的交互作用对响应值的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红树莓枝条：产于河北邢台；小米：市售；苦荞、葛花、拐枣：保定中药材公司，产地江西；无水乙醇、甲醇、乙酸乙酯、焦磷酸钠：均为分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；氧化型辅酶I（酶活≥500 U/mg）、乙醇脱氢酶（酶活≥500 U/mg）：北京索莱宝科技有限公司；解酒药HANGOVER：medicura每德公司。

1.2 仪器与设备

HC-800Y1超微粉碎机：台湾欣镇有限公司；80目标准检验筛PT20：浙江上虞市华丰五金仪器有限公司；BS214D精密分析天平：上海双旭电子有限公司；HW?SY11电热恒温水浴锅：北京市长风仪器仪表公司；KQ-500DE数控超声波清洗机：昆山市超声仪器有限公司；UV-2008H紫外可见分光光度计：上海UNIC公司；RE-52旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；TD4-5K离心机：湖南易达京华仪器公司；101-0型电热鼓风干燥箱：上海锦屏仪器仪表有限公司通州分公司。

1.3 方法

1.3.1 配方的混料设计

将A小米粉、B苦荞粉、C蘑菇粉、D葛花粉、E拐枣粉按照Design Expert软件设计的最优混料设计（optimal mixture design）试验组合进行配比，设计方案见表1，各因子的体积总和为1。本试验对每种材料在配方中所占的比例进行了限制，为了达到良好的外观、较好的口感和理想的功效，设置蘑菇粉（C）的含量不高于 0.3，葛花粉（D）含量不高于 0.2，拐枣粉（E）含量不高于0.1，故各指标的设定方案见表1所示。

表1 各指标的设定Table 1 Settings of each indicator

1.3.2 体外乙醇脱氢酶激活率的测定

准确称取各粉末，充分混合均匀后取5 g混合粉末与烧杯中，定容于50 mL的容量瓶中，充分振荡摇匀，5 000 r/min离心10 min，取上清液即为待测溶液。

乙醇脱氢酶活力测定通常采用瓦勒-霍赫法[15-18]。主要操作方法为：首先在试管中加入1.5 mL pH值为8.8的焦磷酸钠溶液，再加入浓度为0.027 mol/L的氧化型辅酶I（NAD+）1.0 mL、浓度为11.5%的乙醇水溶液0.5 mL和0.1 mL的上述待测溶液，充分振荡摇匀后置于25℃水浴锅中保温5 min，待保温结束后立即向试管中加入0.25 U/mL的乙醇脱氢酶（ADH）0.1 mL，混匀后立即用分光光度计在340 nm波长下测定吸光度A340，每隔10s记录一次A340，连续记录5 min。用0.5 mL蒸馏水代替11.5%的乙醇水溶液做调零空白对照，用0.1 mL蒸馏水代替样品溶液做阴性对照，以等体积市售的解酒药HANGOVER（medicura每德公司）为阳性对照。

计算每分钟A340的增加值（△A340）值，根据生成的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）在340 nm时摩尔消光系数为6.2，计算ADH的活力单位，ADH的活力以每分钟生成 NADH 的纳摩尔（nmol/min）表示，按公式（1）计算ADH活力，并按公式（2）计算激活率：

式中：R为ADH激活率，%；U1为样品的ADH活力；U0为阴性对照组的ADH活力。结果平行测定3次。

2 结果与分析

2.1 ADH激活率的试验结果

按照软件设计的试验组合进行复配，共25组试验，试验方案和结果见表2。应用Design-expert软件对响应值ADH激活率的试验值进行二次多项回归拟合，建立乙醇脱氢酶激活率的回归模型，回归模型方程如下：

ADH激活率=+8.42A+10.43B+42.65C+67.77D-118.30E-14.13AB-61.94AC-42.22AD+133.05AE-61.66BC-47.56BD+141.65BE-87.59CD+111.45CE+244.58DE

表2 设计方案和结果Table 2 Design scheme and results

2.2 最优混料设计方差分析

通过对模型进行回归与方差分析见表3。

表3 二次多项回归模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance

由表3可知，ADH激活率的线性拟合模型达到极显著水平（P＜0.01），同时多元相关系数 R2=0.956 4，且失拟项在0.05水平上不显著，说明该模型与试验情况拟合较好，其中 AC、BC 达到显著水平（P＜0.05），AB 达到极显著水平（P＜0.01），故自变量与响应值之间的线性关系显著；校正后的判定系数R2Adj=0.895 2，表明该模型方程很好的拟合了ADH激活率指标与所用主料配方的比例关系。

2.3 组分交互作用对ADH激活率的影响

在混料试验设计中可以根据三元等值线图直观反映各原料组分的变化对乙醇脱氢酶激活率的影响，固定其中的两种组分，比较其他3种组分的交互作用对响应值的影响。由软件得到小米粉、苦荞粉、蘑菇粉、葛花粉和拐枣粉交互作用的3D曲线图和三元等值线图如图1所示。

从图1中可以看出，响应面图均为曲面图，说明这5种原料粉之间具有一定的交互作用。

2.4 配方优化

根据三角曲面试验结果和对各组分的限制条件，使小米粉的添加量尽可能大，因为小米粉可以赋予醒酒咀嚼片独特的香味和口感。经Design Expert软件优化得到的最佳配方为：小米粉31.2%、苦荞粉21.7%、平菇粉20.5%、葛花粉16.8%、拐枣粉9.8%，在该条件下对ADH的激活率达到最大。软件进行数据分析给出了达到或者接近目标响应值的多个组合，并提供了预测值。对其中的5个组合进行验证试验，每组进行5次验证，去掉一个最大值和一个最小值取剩下的平均值，验证试验结果如表4。

图1 小米粉、苦荞粉、蘑菇粉、葛花粉、拐枣粉对ADH激活率交互影响的三维曲面图和等高线图Fig.1 Three-dimensional surface map and contour map of the interaction of millet powder，bitter powder，mushroom powder，peony powder and jujube powder on ADH activation rate

表4 验证试验Table 4 Verification test

由表4可以看出试验值和给出的预测值基本吻合，本试验优化得到的最佳最佳主料配比参数准确可靠，说明该试验的模型拟合度较高。其中组合1对乙醇脱氢酶的激活率最高达到。

对优化得到的最佳配方进行复配，并与市售解酒药HANGOVER（medicura每德公司）对乙醇脱氢酶的激活率进行验证比较，结果如表5所示，说明此方法得到的醒酒咀嚼片有一定的功效。

表5 验证与比较Table 5 Verification and comparison

3 结论

本试验采用D-最优混料设计的方法，以乙醇脱氢酶的激活率大小为醒酒咀嚼片的评价指标，对主料配方小米粉、苦荞粉、蘑菇粉、葛花粉和拐枣粉的混合复配比例进行优化。通过建立评价指标的回归模型，对原料各组分间交互作用进行分析比较，同时通过结合混料设计软件的优化功能，并通过验证试验得到最佳配方：小米粉31.2%、苦荞粉21.7%、蘑菇粉20.5%、葛花粉16.8%、拐枣粉9.8%，在该条件下对ADH的激活率最大达到15.87%，验证试验结果与预测值相吻合，说明该试验得到的模型比较可靠，可以快速有效的应用于解酒咀嚼片的设计以及优化中，这种方法不仅能有效的减少试验次数，还可以获得较优的配方，从而提高解酒片的品质功能。