燕麦鹰嘴豆复合饮料配方优化及工艺研究

宋 昊，阙 斐

（浙江经贸职业技术学院应用工程学院，浙江 杭州 310018）

燕麦（Avena sativa L.）为禾本科植物，是一类营养十分丰富的“杂粮”谷物，被入选为2017 中国营养学会公布的“十大中国好谷物”[1]。鹰嘴豆（Cicer arietinum Linn.）作为全球第二大消费豆类，其蛋白质含量占籽粒干重的15%～30%，含有10 余种人体所需的氨基酸，因此享有“豆中之王”、“珍珠果仁”和“黄金豆”的美誉[2]。燕麦和鹰嘴豆必需氨基酸齐全，但各自氨基酸组成却与联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）推荐模式有一定差距，食物中含量较低的必需氨基酸被称为限制性氨基酸，限制性氨基酸会严重影响蛋白质的利用价值[3-4]。早在上世纪就有人提出两种食物的蛋白质之间可以取长补短，发展至今已逐步成为一套理论：食物蛋白质互补原理。刘颖等[5]利用蛋白质互补原理对米糠蛋白粉和乳粉加以复配，结果显示，复配米糠蛋白粉的营养价值明显提高。燕麦中第一限制氨基酸是赖氨酸和蛋氨酸，鹰嘴豆中第一限制氨基酸是苏氨酸，因此如果通过科学的评价方法，将燕麦和鹰嘴豆按比例复配，可提高蛋白质的生物价，增加农产品的利用率，其应用前景广阔[6-7]。

目前关于谷物豆类复合产品较少，种类较为单一，而使用谷物豆类制作天然植物复合蛋白饮料鲜有报道[8]。由于谷物蛋白饮品生产中易出现口感差、品质低等诸多工艺问题，因此本研究在燕麦和鹰嘴豆复配的基础上，着重从工艺方面对复合饮料进行工艺参数及配方的优化，探究设计复合饮料的感官评价方法并以此筛选最佳调配辅料配方；考察不同稳定剂组合对复合饮料稳定性的影响以此优化复配稳定剂配方。本研究旨在提高燕麦和鹰嘴豆等谷物豆类蛋白的利用效率，探讨复合饮料的最佳工艺，进一步提高燕麦、鹰嘴豆的利用价值，对促进谷物资源的创新加工及提高谷物饮料贮藏品质具有实用价值和创新意义。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

燕麦：光明米业（集团）有限公司产品；鹰嘴豆：沈阳信昌粮食贸易有限公司产品；黄原胶、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、海藻酸钠和柠檬酸（以上均为食品级）：购于河南万邦实业有限公司；白砂糖（食品级）：购于上海怡神保健食品有限公司；混合氨基酸标准品：购于西格玛（Sigma）公司。

1.1.2 仪器与设备

Kjeltec-8400 型全自动凯氏定氮仪，瑞典福斯（Foss）公司；ICS-3000 型氨基酸分析仪，戴安（Dionex）公司；L18-Y901 型破壁机，九阳股份有限公司；XY600B 多功能粉碎机，永康小宝电器公司；DS-1 型高速组织捣碎机，上海标本模型厂；ME1002E 型电子天平，北京中仪公司；JM-L50 型胶体磨，广州恒东机械设备科技有限公司；AH2000 型高压均质机，ATS 工业系统有限公司；TGL-15B 型离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

燕麦、鹰嘴豆→预处理→磨粉、按比例复配→胶体磨剪切、过滤→调配（白砂糖、稳定剂等）→均质脱气→灌装→灭菌→成品

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 原料预处理

经过筛选、除杂后，选择饱满、无霉变的脱壳燕麦米和鹰嘴豆，清洗干净、晾干备用。

1.2.2.2 磨粉

将燕麦和鹰嘴豆磨成粉（过60 目筛），置于恒温干燥箱（60 ℃）中烘干至恒重，备用。

1.2.2.3 胶体磨剪切及过滤

将燕麦鹰嘴豆复合谷豆粉与一定比例清水混合，通过胶体磨处理，将获得的谷豆浓浆过100 目筛以进行粗滤。

1.2.2.4 调配

将蔗糖、稳定剂和乳化剂等辅料依次加入到浓浆中，混合并搅拌均匀，调节饮料pH 值至6.8～7.2。

1.2.2.5 均质

参考唐雪燕等[9]的方法，略有改动：第1 次均质压力为20 MPa，第2 次均质压力为25 MPa，温度为65～80 ℃。

1.2.2.6 灌装、杀菌

将均质后的谷豆浓浆加热至95 ℃封装，121 ℃灭菌15 min，即得燕麦鹰嘴豆复合饮料成品。

1.2.3 燕麦和鹰嘴豆混合配比的筛选

参照罗新也等[10]的方法，根据燕麦和鹰嘴豆的氨基酸测定结果，以FAO/WHO 提出的理想氨基酸评分模式（见表1），对燕麦和鹰嘴豆的氨基酸评分（AAS）进行计算，以此确定燕麦和鹰嘴豆混合配比。计算公式如下：

表1 FAO/WHO 标准氨基酸评分Table 1 Standard amino acids content of FAO/WHO

式中：AA 为被测食物中每克蛋白质中氨基酸含量，mg/g。

1.2.4 燕麦鹰嘴豆复合饮料配方优化试验设计

1.2.4.1 单因素试验设计

初步选择料液比（燕麦鹰嘴豆复合粉∶水）为1∶14（g/mL），白砂糖添加量15 g/L，柠檬酸添加量3 g/L为基础条件，以感官评分为评价指标，考察料液比（1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18（g/mL））、白砂糖添加量（5、10、15、20、25 g/L）、柠檬酸添加量（1、2、3、4、5 g/L）对燕麦鹰嘴豆复合饮料感官品质的影响。

1.2.4.2 正交试验设计

在前期单因素试验的基础上，采用L9(34)正交试验设计，对燕麦鹰嘴豆复合饮料配方进行优化。正交试验因素与水平设计见表2。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Orthogonal factor level table

1.2.4.3 感官评定

参考任建军[11]的方法，分别从色泽、风味、组织状态和滋味4 个方面对燕麦鹰嘴豆复合饮料进行感官评价。采取双盲法，选取10 位经过专业训练的食品专业学生按照表3 的感官评价标准进行评分，取平均值作为最终得分。

表3 燕麦鹰嘴豆复合饮料感官评分标准Table 3 Sensory evaluation criteria of oat-chickpea compound beverage

1.2.5 复合饮料稳定性优化试验设计

1.2.5.1 单因素试验设计

在燕麦鹰嘴豆复合饮料最佳配方基础上，同时参考庞震鹏[12]的试验设计，初始选定CMC-Na 添加量1.5 g/L、黄原胶添加量0.4 g/L、海藻酸钠添加量0.3 g/L，以饮料离心沉淀率为评价指标（设定稳定剂添加量范围内，复合饮料感官评分差异不显著，在评价单一稳定剂对试验结果的影响时，其他稳定剂的添加量不变），考察CMC-Na 添加量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L）、黄原胶添加量（0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 g/L）、海藻酸钠添加量（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L）对复合饮料稳定性的影响。

1.2.5.2 响应面试验设计

在单因素试验结果的基础上，依据Box-Behnken中心组合设计原理，以CMC-Na、黄原胶、海藻酸钠添加量为自变量，以离心沉淀率为响应值，设计3 因素3 水平响应面试验，对燕麦鹰嘴豆复合饮料复配稳定剂配方进行优化，试验因素和水平见表4。

表4 Box-Behnken 设计因素水平表Table 4 Factors and levels for Box-Behnken design单位：g/L

1.2.6 测定项目与方法

1.2.6.1 蛋白质含量

根据GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[13]规定的方法进行测定。其中，燕麦换算系数为5.83，鹰嘴豆换算系数为6.25。

1.2.6.2 氨基酸含量

参照GB 5009.124—2016《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》[14]规定的方法进行测定。

1.2.6.3 离心沉淀率

参考王昌陵等[15]的方法，将均质完成的燕麦鹰嘴豆复合饮料在室温下静置24 h，准确移取10 mL 至15 mL 离心管中，于4 000 r/min 离心10 min 后取出，弃上清液后用滤纸吸除管壁上残留液体，准确称量沉淀物质量（精确至0.001 g）。离心沉淀率越低，表示复合饮料越不易沉淀，稳定性越好，计算公式如下：

1.2.7 数据处理

数据采用SPSS 20 软件进行正交试验和方差分析，所有指标重复测定4 次，结果以xˉ±s 表示，运用Excel 2016 绘制图形，Design-Expert 8.0.6 软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦鹰嘴豆氨基酸评分及混合配比试验结果

燕麦和鹰嘴豆的蛋白质含量分别为13.5 g/100 g和22.1 g/100 g，其氨基酸含量见表5。

表5 燕麦、鹰嘴豆蛋白质和氨基酸含量Table 5 Protein and amino acids contents of oat and chickpea

由表6 可知，蛋氨酸+胱氨酸是燕麦的第一限制氨基酸，苏氨酸是鹰嘴豆的第一限制氨基酸，作为单一原料使用时，其氨基酸构成与FAO/WHO 标准氨基酸模式存在较大差别，氨基酸模式不均衡。鹰嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸含量丰富，氨基酸评分为151，燕麦米中苏氨酸含量比鹰嘴豆含量高，氨基酸评分为90，故可将燕麦和鹰嘴豆进行合理复配，使其更符合人体所需要的模式。

表6 燕麦、鹰嘴豆氨基酸评分Table 6 Amino acid score of oat and chickpea

根据氨基酸互补原理，在燕麦蛋氨酸+胱氨酸评分为63，鹰嘴豆苏氨酸评分为67 的基础上，假设互补配方中燕麦必需氨基酸用量为X，鹰嘴豆必需氨基酸用量为Y，根据低成本、高营养的原则经多次计算拟选择蛋白质互补之后的氨基酸评分为80。

蛋氨酸+胱氨酸评分：63X+151Y=80

苏氨酸评分分数：90X+67Y=80

可得：X=0.72，Y=0.23

经过核算，复配后的燕麦鹰嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸评达到80.09，苏氨酸的氨基酸评分达到80.21。

计算燕麦、鹰嘴豆在配方里的用量：

式中：Ly 为配方中原料用量；Lb 为配方中蛋白质必需氨基酸用量；Ha 为某种原料蛋白质含量，%；Hy 为蛋白质中含必需氨基酸含量，%。

燕麦：0.72/（13.5%×38.67%）=13.79

鹰嘴豆：0.23/（22.1%×58.15%）=1.79

即燕麦、鹰嘴豆添加量最佳质量配比为138∶18。

2.2 燕麦鹰嘴豆复合饮料配方优化单因素试验结果

2.2.1 料液比对复合饮料感官品质的影响

由图1 可知，随着料液比的增大，复合饮料的感官评分呈先上升后下降的趋势。当料液比为1∶16（g/mL）时，复合饮料的感官评分最高，为89±0.91 分。当继续增大水添加量时，推测复合饮料口感寡淡导致感官评分下降。故在保证不破坏复合饮料适口性条件下，确定最佳料液比为1∶16（g/mL）。

图1 料液比对燕麦鹰嘴豆复合饮料感官评分的影响Fig.1 Effect of material to water ratio on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.2 白砂糖添加量对复合饮料感官品质的影响

由图2 可知，随着白砂糖添加量的增加，复合饮料的感官评分逐渐增加。其中白砂糖添加量为20 g/L时，饮料口感最好，感官评分为91.25±1.31 分。当白砂糖添加量达到25 g/L 时，复合饮料感官评分略有下降，但不显著。因此从成本及健康角度考虑，选择将白砂糖添加量20 g/L 作为最佳添加量推荐。

图2 白砂糖添加量对燕麦鹰嘴豆复合饮料感官评分的影响Fig.2 Effect of addition of white sugar on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.3 柠檬酸添加量对复合饮料感官品质的影响

由图3 可知，柠檬酸添加量为2 g/L 时，燕麦、鹰嘴豆复合饮料感官评分为91.50±0.64 分，此时的饮料酸甜适口，谷物风味浓郁，评分最高。当柠檬酸添加量为1 g/L 时，复合饮料感官评定得分略低于其添加量为2 g/L 时，但差异不显著。当继续逐渐增大饮料中柠檬酸添加量时，复合饮料感官评分值显著下降，推测原因为，随着柠檬酸含量增加，饮料变得酸涩让人难以接受，故影响饮料感官评分。故推荐柠檬酸的添加量为1～2 g/L。

图3 柠檬酸添加量对燕麦鹰嘴豆复合饮料感官评分的影响Fig.3 Effect of addition of citric acid on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.3 燕麦鹰嘴豆复合饮料配方优化正交试验结果

根据单因素试验所得的试验参数范围，选择料液比（A）、白砂糖添加量（B）和柠檬酸添加量（C）3 个因素进行正交试验，以确定燕麦鹰嘴豆复合饮料最佳工艺配方。由表7 可知，各因素对复合饮料感官评分影响的大小排序为B＞C＞A，说明在设定的范围内白砂糖添加量影响作用最大，柠檬酸添加量次之，料液比影响最小；最佳燕麦鹰嘴豆复合饮料工艺配方为A2B2C2，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，柠檬酸添加量2 g/L，根据A2B2C2重新调配复合饮料进行感官评定，得分为88.63±0.97 分。由表8 方差分析可以看出，白砂糖添加量对感官品质的影响极显著（P＜0.01），柠檬酸添加量对感官品质的影响显著（P＜0.05），而料液比的影响不显著。

表7 复合饮料配方优化正交试验结果Table 7 Orthogonal test results for optimization of composite beverage formulation

表8 方差分析表Table 8 Variance analysis table

2.4 复合饮料稳定剂优化单因素试验结果

在未使用稳定剂的情况下，复合饮料离心沉淀率为20.63%±0.85%。由图4 可知，随着3 种稳定剂添加量的增加，复合饮料的离心沉淀率均呈先降低后上升的趋势。当CMC-Na 添加量为1.0 g/L 时，稳定性最高，离心沉淀率为13.08%±0.31%。CMC-Na 添加量大于1.0 g/L 后，复合饮料离心沉淀率上升，即稳定性下降，这可能是随着CMC-Na 和燕麦及鹰嘴豆谷豆蛋白质之间静电相互作用加强，导致乳浊体系由排斥絮凝转变为桥接絮凝，从而导致稳定性大大降低[16]。当黄原胶添加量为0.4 g/L 时，此时复合饮料离心沉淀率为14.90%±0.06%，但随着黄原胶添加量的增加，离心沉淀率逐步增加，这可能由于黄原胶在复合饮料加工工艺中受热，导致其分子结构发生变化，从而引起体系絮凝[17]。当海藻酸钠添加量为0.2 g/L 时，离心沉淀率为14.98%±0.12%，此时复合饮料稳定性最高。同样继续添加海藻酸钠，稳定性下降，离心沉淀率上升，原因可能由于加工过程中热处理和剪切导致分子尺寸减小，黏度下降[18]。

图4 3 种稳定剂对复合饮料离心沉淀率的影响Fig.4 Effect of three stabilizers on centrifugal sedimentation rate of composite beverage

2.5 复合饮料稳定剂响应面优化结果

2.5.1 响应面试验设计

基于单因素试验结果，利用Design-Expert 8.0.6软件采用Box-Behnken 设计原理，以复合饮料离心沉淀率为响应值（Y）进行响应面试验优化，试验设计及结果见表8。

表8 复合饮料稳定剂优化Box-Behnken 试验设计与结果Table 8 Design and results of Box-Behnken tests for composite beverage stabilizer optimization

2.5.2 响应面回归模型的建立与分析

采用软件对表8 中数据进行二次多元回归拟合分析，确定响应面的回归方程为：Y=12.90+0.80X1-0.93X2-0.65X3-0.088X1X2+0.095X1X3-0.56X2X3+0.91X21+0.81X22+0.97X23。

复合饮料稳定剂响应面回归模型方差分析见表9。由表9 可以看出，模型极显著（P＜0.01），失拟项不显著，决定系数R2=0.982 4，校正决定系数R2adj=0.959 8，说明该模型拟合良好，可以用于复合饮料离心沉淀率的分析和预测。由表9 的回归系数显著性和图5 各因素交互影响可知，一次项X1、X2、X3、交互项X2X3及二次项X21、X22、X23均对复合饮料离心沉淀率影响极显著（P＜0.01），说明CMC-Na、黄原胶和海藻酸钠的添加量对维持燕麦鹰嘴豆复合饮料稳定性影响是极显著的，其中黄原胶和海藻酸钠之间的交互作用对复合饮料离心沉淀率的影响很大，且考察因素对复合饮料稳定性的影响并不是单纯的线性关系。

2.5.3 最佳条件的确定和回归模型的验证

使用响应面图可以得到最优参数，等高线图呈椭圆状表示两个因素间交互作用显著，而圆形则不显著[19]。由图5 可知，各因素之间对复合饮料离心沉淀率的影响相似，黄原胶和海藻酸钠（X2X3）之间的交互作用影响较明显，这与表9 中方差分析的结果一致。

图5 各因素交互作用对复合饮料离心沉淀率影响的响应面图Fig.5 Response surface plot of the effect of factors interaction on centrifugation precipitation rate of composite beverage

表9 回归模型方差分析Table 9 Variance analysis of regression model

通过模型回归分析得到各因素的最优组合为：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黄原胶添加量0.5 g/L，海藻酸钠添加量0.3 g/L，此时复合饮料离心沉淀率为12.36%。为验证试验预测的准确性，采用该组合进行验证试验，离心沉淀率为12.40%±0.07%，与预测值相差不大，说明该复合饮料稳定性预测模型预测拟合度高，具备良好使用价值。

3 结论

本试验通过测定燕麦和鹰嘴豆蛋白质和必需氨基酸含量，参考FAO/WHO 规定氨基酸组成标准模式，通过选择最佳氨基酸互补配方，确定燕麦和鹰嘴豆的最佳原料添加量质量比为138∶18。通过单因素和正交试验对燕麦鹰嘴豆复合饮料工艺配方进行了优化，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，柠檬酸添加量2 g/L。在最佳复合饮料配方的基础上，通过单因素和响应面法研究复合饮料稳定性，确定在试验范围内最佳复配稳定剂组合为：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黄原胶添加量0.5 g/L，海藻酸钠添加量0.3 g/L，在此稳定剂组合下，复合饮料离心沉淀率为12.40%±0.07%。综上所述，本研究开发的燕麦鹰嘴豆复合饮料，提高了燕麦和鹰嘴豆的资源利用率和营养价值，对天然谷豆类复合饮料的开发提供了理论支撑。