响应面法优化芹菜黄瓜复合粉工艺的研究

张莉，胡婕，范荣波，姜新杰

(青岛农业大学 海都学院，山东 莱阳 265200)

果蔬粉是利用先进的加工技术和设备，经过打浆、均质、干燥等加工工艺制成具有速溶性并且能够保存果蔬原有风味的粉末状固体，常用的干燥方法有喷雾干燥、热风干燥等[1]。将新鲜的果蔬直接加工成果蔬粉，既延长了储存期，降低了贮存、运输、包装等费用，又拓展了果蔬的加工范围，能够满足人们对果蔬制品多样化和高档化发展趋势的需求，具有广阔的研发前景[2]。

芹菜是一种具有高营养价值的蔬菜，富含维生素、铁、钙、钠、磷等多种营养素[3]，其富含的芹菜素具有抗肿瘤、抗氧化、降血压等作用[4,5]。芹菜还具有清热解毒、清肠利便、利尿消肿的功效[6]。经研究发现，芹菜叶相较于芹菜茎具有更高的营养价值[7]，并且西芹的纤维含量比中国本地芹菜纤维含量少[8]，因此试验采用带叶西芹，制得的芹菜粉可以保留芹菜更多的营养和色泽。黄瓜是我国种植范围最广泛的蔬菜之一[9]，富含游离氨基酸、维生素、磷、铁、钙等多种人体必需的营养素[10]，还含有多种功效成分，其中黄酮类化合物及黄瓜多糖等具有预防冠心病、糖尿病和抗衰老等功能[11]。芹菜和黄瓜产量巨大，但深加工研究相对较少，除了作为菜品食用外，其他领域很少涉及[12]。试验以西芹和黄瓜为原料，配以白砂糖、柠檬酸、麦芽糊精等辅料，利用喷雾干燥方法研制即食芹菜黄瓜复合粉，既增加了市场上果蔬粉的种类，又为芹菜和黄瓜的深加工拓展了新的渠道，提高了其经济价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芹菜、黄瓜：购于莱阳市农贸市场；氯化钙(CaCl2)、纤维素酶：食品级，河南万邦实业有限公司；无水柠檬酸：食品级，潍坊英轩实业有限公司；白砂糖：山东荣光实业有限公司；羧甲基纤维素钠(CMC-Na)：食品级，上海申光食用化学品有限公司；麦芽糊精：山东西王糖业有限公司。

1.2 仪器与设备

YM-015喷雾干燥机 上海豫明仪器有限公司；JM型胶体磨 温州市七星乳品设备厂；二列四孔电热恒温水浴锅 龙口市先科仪器公司；JS-30F型电子天平 成都普瑞逊电子有限公司；TD10002G型电子天平 天津天马恒基仪器有限公司；MJ-25BM06A型打浆机 广东美的精品电器制造有限公司；C21-WK2102型多功能电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 芹菜汁的制备

原料的选择：选择无烂、黄、老叶和无虫的绿色新鲜西芹。

原料的预处理：剔除掉虫害、发黄及腐烂的芹菜，留下新鲜的带叶芹菜，用清水冲洗泥沙和异物，洗净后将带叶芹菜切成约3 cm的段。

护色：将切好的带叶芹菜段立即放进CaCl2溶液中护色10 min。

预煮：将护好色的带叶芹菜段置于90～95 ℃的热水中，预煮2 min，捞出备用。

破碎打浆：按料液比(芹菜∶纯净水)4∶1放入榨汁机中打浆。

微粉碎：将芹菜浆液放入胶体磨中均质5 min。

酶解：将0.06%纤维素酶加入均质好的芹菜浆液中，在40 ℃恒温水浴锅中酶解1.5 h，得到酶解浆液。

过滤：将酶解芹菜浆液用200目滤布进行过滤，得到芹菜清汁备用。

1.3.2.2 黄瓜汁的制备

原料的选择：选择新鲜、无损坏、无斑、绿色、外形完整的黄瓜。

原料的预处理：用清水冲去泥沙和异物，洗净后将黄瓜切成丁。

热烫：将切好的黄瓜丁立刻置于沸水中热烫1 min。

破碎打浆：捞出经热烫的黄瓜丁，用流动的净水冷却至室温后按料液比4∶1打浆。

过滤：将黄瓜浆液用200目滤布过滤，得到黄瓜清汁备用。

1.3.2.3 调配与均质

将芹菜汁与黄瓜汁按照一定比例(m/m)混合均匀，加入一定量的白砂糖、柠檬酸、麦芽糊精及0.1% CMC-Na进行调配，再经过胶体磨进一步均质。

1.3.2.4 喷雾干燥

喷雾干燥时设置进口热风温度为200 ℃，蠕动泵蠕动速率为30%。

1.3.3 感官评定

由10名专业人员组成感官评价小组[13]，对复合粉从组织状态、色泽、气味、口感、溶解性5个方面(满分100分)进行感官评定，具体评分标准见表1。

表1 芹菜黄瓜复合粉感官评定标准Table 1 Sensory evaluation standard of celery and cucumber composite powder

1.3.4 单因素试验设计

1.3.4.1 芹菜与黄瓜配比的确定

在护色液CaCl2溶液浓度为0.8%、白砂糖添加量为0.8%、柠檬酸添加量为0.03%、麦芽糊精添加量为0.5%(全部为质量百分比)的条件下，探究芹菜与黄瓜的配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)分别为1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1时对复合粉感官评价的影响，从而确定芹菜与黄瓜的最佳配比。

1.3.4.2 护色液CaCl2浓度的确定

在芹菜和黄瓜配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)为2∶1、白砂糖添加量为0.8%、柠檬酸添加量为0.03%、麦芽糊精添加量为0.5%的条件下，探究CaCl2浓度为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时对复合粉感官评价的影响，从而确定CaCl2的最适浓度。

1.3.4.3 白砂糖添加量的确定

在芹菜和黄瓜配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)为2∶1、CaCl2浓度为0.8%、柠檬酸添加量为0.03%、麦芽糊精添加量为0.5%的条件下，探究白砂糖添加量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时对复合粉感官评价的影响，从而确定白砂糖的最适添加量。

1.3.4.4 柠檬酸添加量的确定

在芹菜和黄瓜配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)为2∶1、CaCl2浓度为0.8%、白砂糖添加量为0.8%、麦芽糊精添加量为0.5%的条件下，探究柠檬酸添加量为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%时对复合粉感官评价的影响，从而确定柠檬酸的最适添加量。

1.3.4.5 麦芽糊精添加量的确定

在芹菜和黄瓜配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)为2∶1、CaCl2浓度为0.8%、白砂糖添加量为0.8%、柠檬酸添加量为0.03%的条件下，探究麦芽糊精添加量为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%时对复合粉感官评价的影响，从而确定麦芽糊精的最适添加量。

1.3.5 响应面试验设计

采用响应面设计软件Design-Expert V8.0.6中的Box-Behnken进行试验设计，主要试验因素为芹菜和黄瓜配比(A)、柠檬酸添加量(B)、麦芽糊精添加量(C)，评价指标即响应值为感官评价分数(Y)，进行三因素三水平设计[14]，响应面分析试验因素和水平见表2。

表2 响应面分析试验因素和水平Table 2 The factors and levels of response surface analysis test

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 芹菜和黄瓜配比的确定

图1 芹菜和黄瓜配比对复合粉感官评分的影响Fig.1 Effect of ratio of celery and cucumber on sensory score of composite powder

芹菜与黄瓜的风味存在明显的差异，因此二者的配比对复合粉的口感、风味及最终的质量和感官评价有重要影响。由图1可知，当芹菜与黄瓜的配比为2∶1时，复合粉的综合感官评分最高，产品风味纯正，口感滑润。随后，产品综合感官评分随着芹菜添加量的增加而降低，复合粉中芹菜味加重，导致风味下降、口感不佳。因此，芹菜和黄瓜的最佳配比为2∶1。

2.1.2 护色液CaCl2浓度的确定

图2 CaCl2浓度对复合粉感官评分的影响Fig.2 Effect of CaCl2 concentration on sensory score of composite powder

芹菜制汁时易发生褐变，从而导致复合粉颜色发生不良变化。经研究发现，致使芹菜发生褐变的关键酶是多酚氧化酶(PPO)[15]， CaCl2对PPO有明显的抑制作用，可控制芹菜制汁后发生褐变。由图2可知，随着护色液CaCl2浓度的增大，复合粉的感官品质越来越好，当CaCl2浓度为0.8%时，复合粉的感官评分最高，之后再增加CaCl2浓度，护色效果与之前相比差别不大，并且苦味加大，复合粉的感官评分也不再有大的变化。因此，确定CaCl2的最佳浓度为0.8%。

2.1.3 白砂糖添加量的确定

图3 白砂糖添加量对复合粉感官评分的影响Fig.3 Effect of sugar additive amount on sensory score of composite powder

由图3可知，随着白砂糖添加量的增加，复合粉的综合感官评分逐渐升高，当白砂糖添加量为0.8%时，复合粉的感官评分最高，甜度适中，口感最佳。之后随着白砂糖添加量的增加，复合粉综合评分呈现降低的趋势，这是因为白砂糖添加量过多，复合粉甜味偏大，导致口感变差。因此，确定白砂糖最适添加量为0.8%。

2.1.4 柠檬酸添加量的确定

图4 柠檬酸添加量对复合粉感官评分的影响Fig.4 Effect of citric acid additive amount on sensory score of composite powder

由图4可知，复合粉感官评分随着柠檬酸添加量的增大而升高，在柠檬酸添加量为0.03%时得分最高，此时复合粉酸甜适宜，口感最佳。随着添加的柠檬酸越来越多，复合粉酸度过大，影响风味，感官评分逐渐降低。因此，确定柠檬酸最适添加量为0.03%。

2.1.5 麦芽糊精添加量的确定

麦芽糊精对复合粉的作用：一是作为稳定剂，二是解决粘壁现象。由于物料在喷雾干燥过程中会出现粘结在干燥室内壁及旋风分离器表面的现象，因此可加入大分子添加剂(麦芽糊精、淀粉、果葡糖浆等)来解决该问题，其中麦芽糊精因为溶解度低、价格低，是解决粘壁现象最常用的载体[16]。

图5 麦芽糊精添加量对复合粉感官评分的影响Fig.5 Effect of maltodextrin additive amount on sensory score of composite powder

由图5可知，当麦芽糊精添加量为0.5%时，粉末疏松干燥，几乎不粘壁，溶解度最大，色泽明亮，风味最佳。之后，复合粉的感官评分随着麦芽糊精添加量的增加呈下降趋势，这是因为随着麦芽糊精添加量的增多，复合粉的色泽发白、溶解度下降。因此，确定麦芽糊精的最适添加量为0.5%。

2.2 响应面结果与分析

2.2.1 回归模型分析

响应面试验设计方案及感官评分见表3，回归方程的方差分析见表4。

表3 响应面试验结果Table 3 Response surface test results

续 表

表4 响应面试验回归方程方差分析结果Table 4 Analysis results of variance of regression equation in response surface test

由表4可知，试验模型的P值<0.0001，表现为极显著；失拟项P值=0.1284>0.05，表现为不显著；同时，其确定系数R2=0.9924，调整确定系数RAdj2=0.9826，表明此模型拟合度良好，可以很好地反映出芹菜和黄瓜复配比例、柠檬酸添加量及麦芽糊精添加量与感官评分之间的关系，可作为分析芹菜和黄瓜复合粉最佳工艺参数的理论依据。

Y=90.62-0.050A-0.41B+0.94C+0.13AB-5.02AC-2.30BC-4.04A2-3.16B2-9.21C2为该模型的回归方程。从回归方程各项系数的显著性可以得出结论：麦芽糊精添加量(C)对感官评定分数(Y)影响显著，芹菜和黄瓜配比(A)、柠檬酸添加量(B)的影响不显著；3个主因素对复合粉感官评定分数影响的强弱为C>B>A。各个主因素中的交互项AC、BC对响应值影响极显著，二次项(A2、B2、C2)对响应值(Y)影响表现为极显著。

2.2.2 交互作用分析

图6 芹菜和黄瓜配比与柠檬酸添加量对复合粉感官评分影响的响应面及等高线图Fig.6 Response surface and contour diagram of the effect of celery and cucumber ratio and citric acid additive amount on sensory score of composite powder

图7 柠檬酸添加量与麦芽糊精添加量对复合粉感官评分影响的响应面及等高线图Fig.7 Response surface and contour diagram of the effect of citric acid additive amount and maltdextrin additive amount on sensory score of composite powder

图8 芹菜和黄瓜配比与麦芽糊精添加量对复合粉感官评分影响的响应面及等高线图Fig.8 Response surface and contour diagram of the effect of celery and cucumber ratio and maltdextrin additive amount on sensory score of composite powder

每个自变量对响应值(Y)的影响可以通过响应面分析图直接反映，各因素间交互效应的强弱也可以通过等高线反映[17]。由图6～图8可知，芹菜和黄瓜配比与柠檬酸添加量交互作用的响应面坡度趋于平缓，等高线接近圆形，二者交互作用不显著；芹菜和黄瓜配比与麦芽糊精添加量交互作用的响应面坡度最为陡峭，即交互作用最显著，这与响应面回归方程分析是一致的。

2.2.3 芹菜黄瓜复合粉工艺优化及验证

利用回归模型预测芹菜黄瓜复合粉的最佳工艺参数为：芹菜黄瓜配比为1.97∶1，柠檬酸添加量为0.03%，麦芽糊精添加量为0.52%，感官评分为90.7。考虑到可操作性，将最佳工艺参数调整为：芹菜和黄瓜配比为2∶1，柠檬酸添加量为0.03%，麦芽糊精添加量为0.52%，在此条件下进行3次重复试验验证模型的准确性，所得复合粉感官评分为92.4，接近模型预测值，说明响应面优化的芹菜和黄瓜复合粉加工工艺是可行的。

3 结论

经单因素试验及响应面分析，确定芹菜黄瓜复合粉的最佳加工工艺为：将新鲜的带叶西芹清洗切段后放入浓度为0.8% 的CaCl2溶液中护色10 min，在90～95 ℃的沸水中预煮2 min，按料液比4∶1打浆得到芹菜浆液在胶体磨中均质5 min，用0.06%纤维素酶在40 ℃恒温水浴锅中酶解1.5 h；同时将新鲜黄瓜切丁置于沸水中热烫1 min后，按料液比4∶1打浆；将芹菜浆液与黄瓜浆液分别用200目滤布过滤得到清汁进行复配。芹菜和黄瓜配比(芹菜汁∶黄瓜汁，m/m)为2∶1，添加0.8%白砂糖、0.03%柠檬酸、0.1% CMC-Na和0.52%麦芽糊精。复配好的汁液经胶体磨均质后，在进口热风温度为200 ℃，蠕动泵蠕动速率为30%条件下进行喷雾干燥，成功制得溶解度较好、色泽清亮、口感滑润、具有独特风味的芹菜黄瓜复合粉。