响应面法优化金银花烘青绿茶复合饮料工艺研究

畅丽萍，魏琦超

（1.新乡学院继续教育学院，河南新乡453002；2.河南科技学院生命科技学院，河南新乡453002）

金银花一词最早的文献记录出现在《本草纲目》一书中，别名密二花、双苞花、金藤花、鹭鸶花和忍冬花，属于忍冬科忍冬属植物[1]。在我国有很大的种植面积，从气候寒冷的东北地区到炎热的华南地区，从最西部的青藏高原到最东部的山东半岛，都有人工种植和自然生长的金银花。在日本、韩国、朝鲜、俄罗斯等国境内都有野生的金银花存在。金银花属多年生半常绿灌木，其叶片、果实、花蕾等组成部分作为中药材应用广泛，特别是花蕾的功效最为显著[2]。根据《中华药典》记载，金银花具有抗菌抗病毒、消炎、清热解毒、保护肝脏、止血凉血、提高人体免疫力、抗动脉稠状硬化、中枢兴奋等作用，在医学上主要用于治疗风热感冒、细菌性感染、急性肠胃炎、高血脂症等40多种疾病[3-5]。金银花中的主要功效物质是绿原酸，其提取、纯化、工业化生产的技术和具体的开发用途已引起了国内外学者的广泛关注。根据有关文献报道，绿原酸具有较广泛的抗菌作用、兴奋神经和清除人体内自由基的作用[6-8]。烘青绿茶是常用的花茶茶胚，其浸提物中含有丰富的茶多酚、茶氨酸、茶皂甙等多种功能性物质，在防癌抗癌、清除自由基、降血压、抑制血脂等诸多方面具有保健功效[9-10]。本研究以四川省南江县所产金银花和烘青绿茶为原料，以两种原料的浸提溶液为基础，配合白砂糖、柠檬酸、L-抗坏血酸等食品添加剂，调配金银花烘青绿茶复合饮料，以期研制出能够保持较好有营养品质和饮料风味的复合型饮料，并得到最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 主要材料

金银花：四川省南江县大河金银花产业有限公司；烘青绿茶：四川省南江县元顶子茶场；白砂糖、柠檬酸、L-抗坏血酸等（食品级）：市售。

1.2 仪器设备

HH-6数显恒温水浴锅：上海驰唐精密仪器有限公司；GZX-9023MBE型恒温干燥箱：上海博迅实业有限公司；I50实验室高剪切均质机：上海翼控机电有限公司；XFB—400小型植物粉碎机：长沙中诚制药机械厂；XB220A-SCS型电子天平：上海茸研仪器有限公司；PH-820型pH测定仪：重庆欧宇科技有限公司。

1.3 复合型饮料工艺方法

1.3.1 工艺过程

1.3.2 操作要点

1）金银花提取液的制备：取经过日光晒干的金银花，放置于温度为105℃恒温干燥箱中烘干至恒重后，研磨至粉末状。准确称取适量的金银花粉末状样品，加入25倍80℃纯净水置于蒸馏烧瓶中，在90℃恒温水浴锅中连续浸提60 min，用4层纱布过滤，重复浸提2次，合并两次所得浸提液，得金银花提取液[11]。

2）烘青绿茶提取液制备：取绿茶样品研磨至粉末状。准确称取适量的绿茶粉末状样品，加入30倍75℃纯净水置于蒸馏烧瓶中，在75℃恒温水浴锅中连续浸提15 min，用4层纱布过滤，得第一次浸提液，取滤得的茶叶残渣置于烧杯中，加入50℃纯净水，在50℃恒温水浴锅中连续浸提10 min，得第二次浸提液，合并两次所得浸提液，得烘青绿茶提取液[12]。

3）复合饮料调配：将金银花和烘青绿茶提取液按照一定的比例混合均匀，加入调配好的白砂糖糖浆，用柠檬酸调溶液pH值至在6.0～6.5之间，最后加入L-抗坏血酸。

4）均质：将调配后的复合饮料加热至80℃，在35 MPa压强下进行均质。

1.4 试验设计

1.4.1 单因素试验

选取金银花和烘青绿茶提取液的混合比例、白砂糖添加量、柠檬酸添加量、L-抗坏血酸添加量为试验因素，复合型饮料感官审评得分为评价指标进行单因素试验，探讨各试验因素变化对复合型饮料感官审评结果的影响[13]。

1.4.2 响应面试验设计

综合单因素试验的结果，应用响应面试验设计方法进行试验设计[14]，以金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）、白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）、L-抗坏血酸添加量（X4）为自变量，复合型饮料感官审评得分（Y）为响应面值，设计四因素三水平试验对金银花烘青绿茶复合饮料的配方工艺参数进行优化。四因素三水平试验试验表如表1所示。

1.5 试验方法

1.5.1 金银花烘青绿茶复合饮料感官评价方法

邀请10位具有饮料审评经验的专业人员对金银花烘青绿茶复合饮料的成品进行审评。审评内容包括色泽、香气、滋味和组织状态4个方面，加和每个样品在这4个方面的得分，形成样品综合评分，最后取10位评审人员对该样品评分的平均值，作为该样品的最终感官审评得分[15]。评价标准如表2所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Encode table of factors and levels

表2 复合饮料感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standard of compound beverage

1.5.2 稳定剂与最佳添加量试验方法

1.5.2.1 稳定剂的选择

为使金银花烘青绿茶复合饮料能够在保质期内维持稳定，需要通过采用加入一定剂量稳定剂的方法来达到这一效果。试验中选择海藻酸钠、果胶以及黄原胶3种稳定剂作为备选对象，每一种稳定剂都配置形成添加量为0.10%、0.12%、0.14%的复合饮料试验样品，将试验样品于室温（25℃）条件下静置贮存2个月，然后测量这些试验样品的稳定程度，以确定最佳稳定剂[16]。试验样品的稳定程度计算公式如下：

式中：H0为液面总高度，mm；H1为液面上清液高度，mm。如果试验样品分散均匀，没有出现显著的分层现象，则试验样品稳定程度记为1。

1.5.2.2 稳定剂最佳添加量的确定

根据稳定剂选择试验的结果，确定稳定程度最佳的稳定剂为试验所用稳定剂，配置形成添加量为0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%的复合饮料试验样品，于室温（25℃）条件下静置贮存6个月，观察复合饮料试验样品的稳定性及感官品质为评价标准，最终确定试验所用稳定剂的最佳添加量。

1.5.3 pH值的测定

参照GB 5009.237-2016《食品安全国家标准食品pH值的测定》方法检测。

1.5.4 微生物指标的测定

参照GB 7101-2015《食品安全国家标准饮料》方法检测。

1.6 数据分析

采用design-expert8.0软件进行试验设计，并进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验分析

2.1.1 金银花和烘青绿茶提取液的混合比例对感官审评结果的影响

固定白砂糖添加量为8 g/100 mL，柠檬酸添加量为0.10 g/100 mL，L-抗坏血酸添加量为0.10 g/100 mL的基础试验因素条件，研究不同金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比下（0.25 ∶1、0.5 ∶1、1 ∶1、2 ∶1、4 ∶1）对感官审评结果的影响，试验结果见图1。

图1 金银花和烘青绿茶提取液的混合比例对感官审评结果的影响Fig.1 Effect of honeysuckle and baked green tea extract mixture ratio on the evaluation result for the senses

由图1可知，金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比在0.5∶1～1∶1范围内，感官审评结果呈现出上升趋势；金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比在1∶1～4∶1范围内，感官审评结果呈现出下降趋势；当金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比为0.5∶1时，感官审评结果得分最高。因此，在响应面法试验设计方案中，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例选择0.5∶1（体积比）为宜。

2.1.2 白砂糖添加量对感官审评结果的影响

固定金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比为1∶1，柠檬酸添加量为0.10 g/100 mL，L-抗坏血酸添加量为0.10 g/100 mL的基础试验因素条件，研究不同白砂糖添加量（4、6、8、10、12 g/100 mL）对感官审评结果的影响，试验结果见图2。

由图2可知，白砂糖添加量在4 g/100 mL～10 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出上升趋势；白砂糖添加量为10 g/100 mL～12 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出下降趋势；当白砂糖添加量为10 g/100 mL时，感官审评结果得分最高。因此，在响应面法试验设计方案中，白砂糖添加量选择10 g/100 mL为宜。

图2 白砂糖添加量对感官审评结果的影响Fig.2 Effect of sugar content on the evaluation result for the sensest

2.1.3 柠檬酸添加量对感官审评结果的影响

固定金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比为1∶1，白砂糖添加量为8 g/100 mL，L-抗坏血酸添加量为0.10 g/100 mL的基础试验因素条件，研究不同柠檬酸添加量（0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 g/100 mL）对感官审评结果的影响，试验结果见图3。

图3 柠檬酸添加量对感官审评结果的影响Fig.3 Effect of citric acid content on the evaluation result for the sensest

由图3可知，柠檬酸添加量在0.06 g/100 mL～0.12 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出上升趋势；柠檬酸添加量为0.12 g/100 mL～0.14 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出下降趋势；当柠檬酸添加量为0.12 g/100 mL时，感官审评结果得分最高。因此，在响应面法试验设计方案中，柠檬酸添加量选择0.12 g/100 mL为宜。

2.1.4 L-抗坏血酸添加量对感官审评结果的影响

固定金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比为1∶1，白砂糖添加量为8 g/100 mL，柠檬酸添加量为0.10 g/100 mL的基础试验因素条件，研究不同L-抗坏血酸添加量（0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 g/100 mL）对感官审评结果的影响，试验结果见图4。

由图4可知，L-抗坏血添加量在0.06 g/100 mL～0.10 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出上升趋势；L-抗坏血酸添加量为0.10 g/100 mL～0.14 g/100 mL范围内，感官审评结果呈现出下降趋势；当L-抗坏血酸添加量为0.10 g/100 mL时，感官审评结果得分最高。因此，在响应面法试验设计方案中，L-抗坏血酸添加量选择0.10 g/100 mL为宜。

图4 L-抗坏血酸添加量对感官审评结果的影响Fig.4 Effect of L-ascorbic acid content on the evaluation result for the sensest

2.2 金银花烘青绿茶复合型饮料数学模型构建与工艺参数优化试验

2.2.1 优化试验设计

依据单因素试验的结果进行响应面法试验的设计，响应面试验设计组合及结果如表3所示。

表3 响应面试验设计组合及结果Table 3 Design combination and result of response surface test

续表3 响应面试验设计组合及结果Continue table 3 Design combination and result of response surface test

2.2.2 回归模型的建立与方差分析

以金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）、白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）、L-抗坏血酸添加量（X4）为试验设计因素，应用响应面试验设计方法，构建数学回归模型，研究试验设计因素对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响[17]。表4为回归方程的偏回归系数检验表，表5为方差分析表。

回归方程为Y=85.20+5.25X1+1.42X2+1.42X3+0.42X4+0.65X12-2.85X22-3.85X32-5.10X42-0.50X1X2+0.25X1X3+2.00X1X4+2.25X2X3-1.00X2X4-0.25X3X4。

表4 回归方程中偏回归系数显著性检验Table 4 Significance test of partial regression coefficient in the regression equation

由表4中回归方程的偏回归系数检验分析结果可知，根据一次项的F值大小，可以判断出各试验因素对金银花烘青绿茶复合饮料感官审评结果影响由大到小依次为：金银花和烘青绿茶提取液的混合比例＞白砂糖添加量＞柠檬酸添加量＞L-抗坏血酸添加量。

从一次项看，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）、白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）、L-抗坏血酸添加量（X4）的一次项均与复合型饮料感官审评得分（Y）呈正相关。其中，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）、白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）的一次项对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了极显著水平，L-抗坏血酸添加量（X4）的一次项对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了显著水平。

从二次项看，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）的二次项与复合型饮料感官审评得分（Y）呈正相关；白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）、L-抗坏血酸添加量（X4）的二次项与复合型饮料感官审评得分（Y）呈负相关。其中，白砂糖添加量（X2）、柠檬酸添加量（X3）、L-抗坏血酸添加量（X4）的二次项对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了极显著水平，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）的二次项对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了显著水平。

从交互项看，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与柠檬酸添加量（X3）的交互项、金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与L-抗坏血酸添加量（X4）的交互项、白砂糖添加量（X2）与柠檬酸添加量（X3）的交互项同复合型饮料感官审评得分（Y）呈正相关；金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与白砂糖添加量（X2）、白砂糖添加量（X2）与 L-抗坏血酸添加量（X4）的交互项、柠檬酸添加量（X3）与 L-抗坏血酸添加量（X4）的交互项同复合型饮料感官审评得分（Y）呈负相关。其中，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与L-抗坏血酸添加量（X4）的交互项、白砂糖添加量（X2）与柠檬酸添加量（X3）对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了极显著水平，白砂糖添加量（X2）与L-抗坏血酸添加量（X4）的交互项对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响达到了显著水平，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与白砂糖添加量（X2）、金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与柠檬酸添加量（X3）的交互项、柠檬酸添加量（X3）与 L-抗坏血酸添加量（X4）对复合型饮料感官审评得分（Y）的影响不显著。

由表5方差分析结果可以得出，F失拟=2.25＜F0.05（4，10）=5.99，说明所建立的回归模型的拟合程度较好。同时从表5中可以看出，回归方程的P值＜0.000 1，说明回归模型的F值表现为极显著，即试验数据与所采用的回归方程模型预测结果基本相符[18]。

表5 方差分析结果Table 5 Variance analysis results

图5进一步展示了4个试验因素交互作用的响应面3D曲线及等高线分布情况。

由图5可知，4个试验因素交互作用中存在理论上的极值[19]。对比6张响应面图中的3D曲线陡峭程度可知，金银花和烘青绿茶提取液的混合比例（X1）与L-抗坏血酸添加量（X4）、白砂糖添加量（X2）与柠檬酸添加量（X3）、白砂糖添加量（X2）与 L-抗坏血酸添加量（X4）的交互作用的响应面曲张程度较为突出，这就意味着这3个交互项的影响相对其它交互项较为显著，这与表4的方差分析结果一致。

图5 双因素交互作用的响应面Fig.5 Responses surface of two-factor interactions

2.2.3 回归模型最优试验组合选择

利用design-expert软件包的极值分析工具对回归方程进行分析，由此可以获得回归方程极值点所对应的试验因素组合，即金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比1∶1、白砂糖添加量10.5 g/100 mL、柠檬酸添加量0.13 g/100 mL、L-抗坏血酸添加量0.10 g/100 mL。此时，复合型饮料感官审评得分的理论最大值为91分。

2.2.4 回归模型最优试验组合验证

用金银花烘青绿茶复合饮料的最佳工艺参数组合∶金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比1∶1、白砂糖添加量10.5 g/100 mL、柠檬酸添加量0.13 g/100 mL、L-抗坏血酸添加量0.10 g/100 mL，进行3次重复试验，分别对3个样品进行感官审评，得到感官审评得分的平均值为92分。理论的感官审评得分为91分，二者的相对误差为1.10%，在允许的范围内，说明模型拟合度较高，预测准确。在最佳工艺参数组合条件下生产的金银花烘青绿茶复合饮料，从审评结果来看，汤色黄绿、且澄清透明，具有烘青绿茶和金银花特有的香气、且无异味，滋味鲜爽可口，达到了较好的复合型饮料风味效果。

2.3 复合饮料的稳定性研究

2.3.1 稳定剂选择

选择海藻酸钠、果胶以及黄原胶3种稳定剂作为最佳工艺参数组合条件下生产的金银花烘青绿茶复合饮料的稳定剂，进行试验对比。图6展示了不同添加剂量时，金银花烘青绿茶复合饮料的稳定效果。

图6 不同稳定剂剂量条件下的稳定效果Fig.6 Stability effect of different stabilizer dosage

由图6结果可知，金银花烘青绿茶复合饮料选用3种稳定剂的稳定效果，都呈现出随着稳定剂使用量的增加而增大的现象。当稳定剂添加量为0.14%时，采用海藻酸钠为稳定剂的复合饮料的稳定程度效果最好。因此，金银花烘青绿茶复合饮料的稳定剂应选择海藻酸钠。

2.3.2 稳定剂添加量的确定

选择海藻酸钠作为金银花烘青绿茶复合饮料的稳定剂。观察不同添加量时，海藻酸钠对金银花烘青绿茶复合饮料稳定性以及感官品质的影响，详细结果见表6。

表6 海藻酸钠添加量对复合饮料稳定性以及感官品质的影响Table 6 Effect of amount of sodium alginate added on the stability and sensory quality of compound beverage

由表6可知，金银花烘青绿茶复合饮料稳定性方面：随着海藻酸钠添加量的增大，复合饮料的稳定程度逐步增强；当海藻酸钠添加量低于1.6%时，复合饮料稳定性较差；当海藻酸钠添加量高于1.6%时，复合饮料稳定性良好。金银花烘青绿茶复合饮料感官品质方面：随着海藻酸钠添加量的增大，复合饮料的感官品质呈现出先上升后下降的趋势，当海藻酸钠添加量为1.6%时，复合饮料的感官品质最佳。由此可见，金银花烘青绿茶复合饮料中海藻酸钠的添加量应选择为1.6%。

2.3.3 pH值测定

对海藻酸钠添加量为1.6%的金银花烘青绿茶复合饮料进行pH值测定。pH值测定结果为5.42，在茶饮料生产要求pH值范围之内。

2.3.4 微生物指标测定

对海藻酸钠添加量为1.6%的金银花烘青绿茶复合饮料进行微生物指标测定。测定结果为细菌总数＜100 cfu/mL，大肠杆菌＜4 MPN/100 mL，未检出致病菌，符合茶饮料食品卫生安全生产标准。

3 结论

本研究在单因素试验设计的基础上，采用响应面试验设计方法，构建了金银花烘青绿茶复合饮料感官审评得分与金银花和烘青绿茶提取液的混合比例、白砂糖添加量、柠檬酸添加量、L-抗坏血酸添加量4个试验因素之间的数学回归模型，依据此回归模型可以较为准确的预测理论金银花烘青绿茶复合饮料感官审评得分。同时，判断出4个试验因素对金银花烘青绿茶复合饮料感官审评得分的影响依次为：金银花和烘青绿茶提取液的混合比例＞白砂糖添加量＞柠檬酸添加量＞L-抗坏血酸添加量。

采用design-expert软件包的optimization choices工具箱对二次回归模型进行优化，可以得出金银花烘青绿茶复合饮料最佳工艺参数组合为：金银花和烘青绿茶提取液的混合体积比1∶1、白砂糖添加量10.5 g/100 mL、柠檬酸添加量0.13 g/100 mL、L-抗坏血酸添加量0.10 g/100 mL。在此条件下，复合型饮料感官审评得分的理论最大值为91分。通过验证试验测得实际感官审评得分为92分，与理论分析结果的相对误差为1.10%，表明回归方程结果可信。

通过稳定性试验，最终选择海藻酸钠作为金银花烘青绿茶复合饮料的稳定剂，最佳添加量为0.16%。在此条件下的金银花烘青绿茶复合饮料pH值为5.42，细菌总数＜100 cfu/mL，大肠杆菌＜4 MPN/100 mL，未检出致病菌，符合茶饮料食品卫生安全生产标准。最终制成的金银花烘青绿茶复合饮料，汤色黄绿、且澄清透明，具有烘青绿茶和金银花特有的香气、且无异味，滋味鲜爽可口，稳定性良好。