主成分分析法优化绿茶复合代餐粉配方

李玉壬，吴神群，杨慧，陈春凤，杨晓萍

（华中农业大学园艺林学学院园艺植物生物学教育部重点实验室，湖北 武汉 430070）

随着生活水平的逐渐提高，人们开始关注自身生理指标是否能够满足健康生活的要求，全球范围内有超过40%的人正在进行减肥，并且主要通过饮食减肥[1]。常见的减重治疗包括生活方式的调整、内科药物与外科手术治疗等多种手段[2]。频繁使用药物与手术治疗会对人体造成不可逆的伤害[3]。目前主流观点认为改变环境与生活方式是预防或治疗肥胖的关键，包括合理膳食、加强体力锻炼、矫正过度进食或活动不足的行为和习惯等[4]。健康且长期有效的治疗方式推动了代餐食品与其他减肥途径相结合，代餐食品逐渐成为减肥市场的研究热点，其多以低热量的膳食营养物质组成[5]，作为一类简单快捷的低热量食物满足了当代消费者的需求。代餐食品以自身优势占据了功能食品市场中优势地位。研究表明，代餐食品可以明显降低体重，减弱代谢综合征对人体的影响，如心血管疾病、糖尿病等[6]。

绿茶中的生物活性成分具有减肥效果，同时可以补充人体多种必需营养元素。长期以来，绿茶的降脂能力受到减肥市场的青睐，市场上出现了种类多样的绿茶复合产品，如膳食饼干、功能性饮料和速溶茶等产品，但目前鲜有关于绿茶复合膳食代餐粉的研究。本文以绿茶、羽衣甘蓝、魔芋精粉为主要原料，通过测定抗氧化活性和体外降脂能力，结合感官评价对代餐粉进行工艺优化，开发一种能量和脂肪含量低、蛋白质含量高，同时抗氧化活性和降脂效果明显的绿茶复合代餐粉，以期为消费者提供更全面的产品选择。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿茶粉：华中农业大学茶叶深加工与综合利用实验室自制，以福云六号茶树品种一芽三叶夏秋茶鲜叶为原料，鲜叶采自华中农业大学教学茶园，经蒸汽杀青、干燥、粉碎和过筛（100目）所得；羽衣甘蓝（食品级）：江苏津杰食品有限公司；白芸豆、菊粉（均为食品级）：亳州宝丰生物科技有限公司；魔芋精粉、大豆分离蛋白、赤藓糖醇（均为食品级）：河南万邦化工科技有限公司。

1，1-二苯基-2-苦基肼（DPPH）、2，2’-联氨-双-3-乙基苯丙噻唑琳-6-磺酸二铵盐（ABTS）：上海源叶生物科技有限公司；胰脂肪酶（酶活≥4 000 U/g）、2，4，6-三吡啶基三嗪：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；邻苯二甲醛：上海麦克林生化科技有限公司；以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

722N型可见分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；IS-RDD3型台式恒温振荡器：美国Crystal公司；HH-6型数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；TDL-5-A型离心机：上海安亭科学仪器厂；ZHPZ-115型生化培养箱：天津市莱伯特瑞仪器设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 代餐粉制备工艺

各原料（绿茶粉、羽衣甘蓝、魔芋精粉、白芸豆粉、菊粉、大豆分离蛋白、赤藓糖醇）过100目筛保存，按照不同质量比混合均匀，得到绿茶复合代餐粉产品。

1.3.2 代餐粉单因素试验设计

以体外降脂能力（持油力、胆固醇吸附量和胰脂肪酶抑制率）为评价指标，研究不同绿茶粉添加量（5%、10%、15%、20%、25%）、羽衣甘蓝添加量（15%、25%、35%、45%、55%）以及魔芋精粉添加量（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）对代餐粉品质的影响。

1.3.3 正交试验设计

在单因素试验基础上，利用L9（34）正交试验探究不同原料添加量对代餐粉感官品质、抗氧化活性和体外降脂能力的影响，从而优化代餐粉配方，正交试验因素与水平设计见表1。

表1 正交试验因素与水平设计Table 1 Orthogonal experimental factors and horizontal design

1.3.4 代餐粉感官评价

称取10 g的代餐粉，加入100 mL、90℃的水，搅拌冷却后进行感官评价，选择8名人员（各项感知能力均正常，无吸烟酗酒、色盲色弱等问题[7]）进行代餐粉感官评价，参考GB/T 10221—2021《感官分析术语》和T/DCF 001—2019《代餐粉》，选取外形、溶解性、色泽、风味和口感作为感官评价因素，各项分配不同权重，感官评价总分为各项感官因素评分乘以权重后的加和，具体感官评价标准见表2。

表2 代餐粉感官审评标准Table 2 Sensory scoring scale of meal replacement powder

1.3.5 代餐粉体外降脂能力分析

1.3.5.1 持油力测定

取3.0 g代餐粉，分别加入20 mL猪油或20 mL大豆油，37℃静置1 h，4 500 r/min离心20 min，除去上层油后称质量，根据下式计算得样品对饱和脂肪与不饱和脂肪的吸油量（g/g）[8]。

式中：m为样品质量，g；m0为样品吸油后质量，g。

1.3.5.2 胆固醇吸附量测定

取新鲜鸡蛋分离蛋黄，按照蛋黄∶蒸馏水=1∶9（体积比）加入蒸馏水，搅拌后得到蛋黄乳液。量取15 mL蛋黄乳液，加入0.3 g样品混合均匀，分别调节pH值为2和7，37℃振荡2 h，4 500 r/min离心 20 min，收集上清液。准确移取上清液0.04 mL，在550 nm下采用邻苯二甲醛法比色测定胆固醇含量，以胆固醇为标准物质制作标准曲线，胆固醇吸附量（mg/g）按下式计算[9]。

式中：m0为未吸附乳浊液中胆固醇质量，mg；m1为已吸附上清液中胆固醇质量，mg；m为样品质量，g。

1.3.5.3 胰脂肪酶抑制率测定

取1 mL橄榄油，加入0.025 mol/L磷酸盐缓冲液（pH7.4）5 mL，37℃水浴保温5 min后，加入适量样品溶液，37℃水浴保温5min，然后除空白外，各加入2mg/mL胰脂肪酶液（由0.025 mol/L pH7.4磷酸缓冲液配制）1 mL，反应5 min后，加入15 mL 95%乙醇终止酶反应，再加1%酚酞2滴～3滴，用0.025 mol/L氢氧化钠滴定至淡红色，胰脂肪酶抑制率（%）按下式计算[10]。

式中：A为样品管消耗氢氧化钠的体积，mL；A0为样品空白管消耗氢氧化钠的体积，mL；B为对照管消耗氢氧化钠的体积，mL；B0为空白对照管消耗氢氧化钠的体积，mL。

1.3.6 抗氧化活性分析

总抗氧化活性（ferric reducing ability of plasma，FRAP）按照 Benzie等[11]的方法测定；DPPH·清除能力按照Blois[12]的方法测定；ABTS＋·清除能力参考Re等[13]和 Thaipong等[14]的方法测定。

1.4 营养成分测定

参考GB 28050—2011《食品安全国家标准预包装食品营养标签通则》测定各项营养成分；碳水化合物和能量测定参考GB/Z 21922—2008《食品营养成分基本术语》；蛋白质测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》；脂肪测定参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》；钠测定参考GB 5009.91—2017《食品安全国家标准食品中钾、钠的测定》，根据结果计算并绘制营养成分表。

1.5 数据统计分析

所有试验均为3次重复，结果以平均值±标准差表示。采用SPSS 25.0进行单因素方差分析与主成分分析。对代餐粉的各项评价指标进行主成分分析，得到原始数据特征值、贡献率及累积贡献率并对特征值大于1的主成分进行主成分提取[15]，同时根据下式进行计算得到综合评分F和规范化得分Z。

式中：F1、F2为主成分 1、2 因子得分；Y1、Y2为主成分特征值；Fmax、Fmin为综合得分中最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 绿茶粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响

绿茶粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响见表3。

表3 绿茶粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响Table 3 Effect of green tea powder addition on the sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表3可知，因为绿茶本身的鲜爽与苦涩味，绿茶粉添加量的增加使得感官评分先升高后降低，绿茶粉添加量为15%的绿茶代餐粉口感细腻，感官评价最佳。随着绿茶粉添加量的增加，代餐粉的胆固醇吸附量（pH7）与胰脂肪酶抑制率显著增大（p＜0.05），但持油力与胆固醇吸附量（pH2）无明显差异。造成不同pH值条件下胆固醇吸附量差异的原因可能是绿茶中具有降脂效果的茶多酚在弱碱性环境下会发生氧化、聚合、降解等反应，导致其含量降低，说明相较于弱碱环境，茶多酚在酸性环境中更加稳定，使不同绿茶粉添加量在pH2环境中胆固醇吸附量无显著差异[16-17]。易吸水溶胀的碳水化合物和纤维素等物质影响代餐粉持油力[18]，不同绿茶粉添加量的代餐粉之间无明显差异，其原因可能是绿茶并非代餐粉中膳食纤维的主要来源。因此，综合考虑选择绿茶粉添加量为10%～20%。

2.2 羽衣甘蓝添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响

羽衣甘蓝是一种十字花科植物，富含人体必需矿物质、生物活性物质和膳食纤维，其所含硫代葡萄糖苷作为次生代谢产物，能够预防癌症和心脑血管疾病[19-21]，此外，羽衣甘蓝含有丰富的维生素C和酚类化合物，具有抗氧化作用。羽衣甘蓝添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响见表4。

例2：(2002年（襄樊市中考题）如图8，已知在矩形ABCD中，AB=6cm，BC=12cm，点P从点A开始沿AB边向点B以1厘米/秒的速度移动，点Q从点B开始沿BC边向点C以2厘米/秒的速度移动，如果P、Q分别从A、B同时出发，设S表示面积，X表示移动时间(X＞0),

表4 羽衣甘蓝添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响Table 4 Effect of kale addition on the sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表4可知，随着羽衣甘蓝添加量的增加，感官评分先升高后降低，羽衣甘蓝具有明显咸味与青草气，稍苦涩，添加量少时香味较淡，添加量多时羽衣甘蓝掩盖了其他配料的风味。感官评价结果表明，添加35%的羽衣甘蓝代餐粉风味协调，感官评价最佳。随着羽衣甘蓝添加量的增加，持油力（不饱和脂肪）与胰脂肪酶抑制率显著升高（p＜0.05）；胆固醇吸附量（pH2）呈现先升高后稳定的趋势，在pH7条件下，胆固醇吸附量先升高后降低，在35%时有最大值；持油力（饱和脂肪）无明显差异。因此，综合考虑选择羽衣甘蓝添加量为25%～45%。

2.3 魔芋精粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响

魔芋精粉具有丰富的生物活性，在食品加工中应用广泛，其主要成分为魔芋葡甘聚糖，因为该物质分子量大、水合能力强和不带电荷等特性使其具有优良的增稠性质，此外，魔芋葡甘聚糖是一种优良的水溶性膳食纤维，具有明显的降血脂效果，能够调节脂质代谢、预防高脂血症[22]。魔芋精粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响见表5。

表5 魔芋精粉添加量对代餐粉感官品质和体外降脂能力的影响Table 5 Effect of konjac powder addition on sensory quality and the in vitro lipid-lowering ability of meal replacement powder

由表5可知，随着魔芋精粉添加量增加，代餐粉形态产生明显变化，添加量少时代餐粉黏度小，易分层，添加量多时代餐粉黏度大，易结块，从而影响代餐粉风味与口感。感官评价结果表明，添加2.0%的魔芋精粉代餐粉形态较好、口感丰富，随着魔芋精粉添加量的增加，胆固醇吸附量（pH2）和持油力（饱和脂肪）升高；胰脂肪酶抑制率则呈现先升高后降低的趋势；持油力（不饱和脂肪）没有明显差异。因此，综合考虑选择魔芋精粉添加量为1.5%～2.5%。

2.4 正交试验优化配方

采用L9（34）进行正交试验设计，在感官评价的基础上，以 FRAP、DPPH·和 ABTS+·的清除能力、持油力、胆固醇吸附量和胰脂肪酶抑制率为正交试验评价指 标，测定结果如表6所示。

表6 正交试验测定结果Table 6 Orthogonal experimental design results

2.4.1 主成分提取及贡献率计算

为消除各个指标单位、度量的差异，采用SPSS 25.0对表6中代餐粉的胰脂肪酶抑制率、持油力、胆固醇吸附量和抗氧化活性进行主成分分析，得到少量指数，代替原始指标中包含的信息，客观地确定各个指标的权重，避免主观随意性[23-24]。代餐粉主成分特征值及贡献率见表7。

表7 代餐粉主成分特征值及贡献率Table 7 Principal component characteristic value and contribution rate of meal replacement powder

表8 主要指标的特征向量表Table 8 Characteristic vector scale of main indicators

决定第1主成分的指标为胰脂肪酶抑制率、胆固醇吸附量和抗氧化活性指标；决定第2主成分的是持油力。同时，根据表8可以得到各主成分得分F1和F2。

以不同特征值的方差贡献率为加权系数，利用综合评价函数计算出主成分的主成分分数及规范化得分，以规范化得分作为正交试验评价指标，结果如表9所示。

表9 主成分得分值与规范化得分Table 9 Principal component score value and standardized comprehensive score

2.4.2 正交试验结果分析

以规范化得分为评价指标，代餐粉配方正交试验分析结果见表10。

表10 代餐粉配方正交试验分析结果Table 10 Analysis results of orthogonal test of meal replacement powder formula

由表10可知，影响绿茶复合代餐粉规范化得分的因素主次顺序为A（绿茶粉添加量）＞B（羽衣甘蓝添加量）＞C（魔芋精粉添加量）。根据代餐粉配方正交试验结果分析可得，优化工艺组合为A3B3C1，即绿茶复合代餐粉的最优配方选择为绿茶粉添加量20%、羽衣甘蓝添加量45%、魔芋精粉添加量1.5%，测定其规范化得分为1.34，与正交试验各组结果比较，该配方代餐粉规范化得分最高。

2.5 最优配方营养成分测定

营养成分与功能指标测定结果见表11。

表11 营养成分与功能指标测定结果Table 11 Nutrient composition and functional index measurement results

如表11所示，能量为1 494.0 kJ/100 g，达到了国内代餐食品标准限定每餐能量大于835kJ/100g，不高于1 670 kJ/100 g的要求[25]，同时富含蛋白质、脂肪含量低，能够满足基本营养需求，保证人体能量摄入。

3 结论

本文对绿茶复合代餐粉的配方进行研究，以代餐粉的感官评价、抗氧化活性和体外降脂能力为评价指标，通过单因素试验与正交试验，结合主成分分析法对其进行综合品质评价，通过统计数学模型分析，得出绿茶复合代餐粉的最优配方为绿茶粉添加量20%、羽衣甘蓝添加量45%、魔芋精粉添加量1.5%、其他组分添加量33.5%。此配方代餐粉具有能量低、高蛋白、脂肪含量低、营养丰富、抗氧化活性明显的特点，同时持油力、体外胆固醇吸附和胰脂肪酶抑制率试验结果表明，该代餐粉具有一定的降血脂能力。利用绿茶粉与其他食品复配所得代餐粉，提高了绿茶粉的营养价值，强化降血脂能力，为绿茶的综合利用与复合产品的研发提供参考。