响应面法优化大米肽果冻配方

黄莹，赵彤，陈曦，杨晓

中国健康促进基金会抗衰老营养与健康研发中心（武汉 430000）

我国幅员辽阔，水稻种植面积极大，据统计，2019年稻谷的总产量达到2.1亿 t[1]，位居世界各国稻谷总产量的首位。稻谷在国民经济中占有举足轻重的地位，但在稻谷加工成精米的过程中，会大量产生碎米和米糠这两种副产物，据统计，每年我国会产生2 000万 t碎米和1 400万 t米糠，这些副产物绝大部分经过简单的粉碎或烘干处理后，作为动物的蛋白饲料直接销售，稻谷经济效益没有得到充分发挥。碎米和米糠中含有丰富的大米蛋白，其含量约为7.4%[2]，这些大米蛋白可以作为制备大米肽的原料。近年来，大量研究表明，大米肽具有降血压[3-4]、调节免疫活性[5]、抗氧化[6]、抗高尿酸[7]、预防年龄相关性认知功能衰退和痴呆[8]，以及预防牙周炎[9]等生物活性。大米肽和大米蛋白一样含有各种人体所需的氨基酸，但大米肽具有低抗原性，满足人体营养需求时也不会造成身体的不良反应。同时，大米肽的相对分子质量比大米蛋白小很多，能通过肠道快速吸收，且消化性比大米蛋白更佳，使大米肽广泛应用到各类提高人体健康水平的保健类食品中，包括功能性食品、保健食品营养制剂和特医食品等[10]，是研制功能性食品的理想原料[11]。

果冻产品因其良好的风味，以及其特有的咀嚼性和弹性，是一种深受消费者喜爱的食品[12]。同时可在果冻配方中添加功能性成分，使其具备一定的保健效果，满足某些特殊人群的需求[13]。目前关于大米肽的功能性食品报道相对较少，试验以大米肽为主要原料，并辅以黑加仑果汁、凝胶剂，研制具有一定功能性的大米肽果冻，丰富大米肽的功能性食品应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米肽、魔芋胶和卡拉胶（以下简称“复配胶”）、黑加仑果汁、柠檬酸钠、氯化钾、乳酸钙、三氯蔗糖、黑加仑香精等均为市售。

1.2 仪器与设备

Scout电子天平[奥豪斯仪器（常州）有限公司]；AJL-10B电煮锅（中山市奔迈电器有限公司）；HHS6数显恒温水浴锅（江苏金怡仪器科技有限公司）；FR-900多功能自动封口机（温州市瑞利包装机械有限公司）；LB 901糖度计（广州市速为电子科技有限公司）；TA.XT Plus质构仪（英国Stable Micro System公司）；HTC-150恒温恒湿培养箱（上海三腾仪器有限公司）。

1.3 果冻的制备

1.3.1 工艺流程

胶液的制备→调配→过滤→灌装→杀菌→冷却→成品

1.3.2 操作要点

溶液一：将复配胶、氯化钾、乳酸钙按比例混合均匀，边搅拌边加入60 mL冷水，使胶充分溶胀后，置于沸水中加热10 min。

溶液二：将大米肽、黑加仑果汁、柠檬酸钠、三氯蔗糖等加入沸水溶解均匀后，降温后保持温度在60～70 ℃。

待溶液一温度降到70 ℃左右加入溶液二，边加边搅拌使之混合均匀，再加入黑加仑香精。过滤后趁热灌装，于80～90 ℃灭菌20 min，冷却得到大米肽果冻，备用（按100 g计）。

1.4 单因素试验

选择复配胶添加量、大米肽添加量、复配胶配比、pH进行单因素试验，每次试验中设置其中三个因素为固定值，另外一个为变量，对其进行感官评价和质构分析，从而确定各个因素的适宜水平。复配胶添加量、大米肽添加量、复配胶配比、pH作为固定因素时，其值分别为0.8%，1%，2∶3和4。其他原料的添加量在各试验中保持一致。

1.5 响应面优化试验

在单因素试验基础上，以复配胶添加量（A）、大米肽添加量（B）、复配胶配比（C）、pH（D）为主要影响因素，以感官评分为响应值，采用响应面法设计中心组合试验，优化大米肽果冻配方工艺，因素水平见表1。

表1 响应面试验因素及水平

1.6 感官评价

选择10名食品相关人士进行感官评定，参考谭春明等[14]、GB 19299—2015[15]和GB/T 19883—2018[16]制定大米肽果冻感官评定表，总分为100分，具体评分标准详见表2。

表2 果冻感官评价标准表

1.7 质构特性测定条件

TA.XT Plus型质构仪采用TPA模式测试。测试前探头下降速度：2 mm/s；测试中探头下降速度：1 mm/s；测试后探头下降速度：2 mm/s；下压距离：5.0 mm；两次压缩间隔时间：5 s；触发力：5.0 gf；探头直径和类型：10.0 mm和P/0.5。3次平行试验，取平均值。

1.8 数据统计与分析

采用SPSS 19.0和Design Expert软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 复配胶添加量

由表3可知，在添加量范围内，随着复配胶添加量的不断增大，果冻的硬度、弹性、黏性和耐嚼性均呈上升趋势，存在显著性差异。由于胶添加量的增加，果冻凝胶中形成更多双螺旋结构，增强了果冻的胶凝状态，使内部分子之间排列更加紧密，形成稳定的三维网状结构[17]。但当复配胶添加量达到2%时，会产生大量的不溶胶，并呈现凝固状态，是因为过量的凝胶使果冻过度凝聚而表现出硬度大、弹性小的质构特性[18]。在感官评价中，当复配胶添加量较小时，果冻口感偏软绵，随着胶添加量的增大，口感爽滑Q弹，若持续增大，硬度、耐嚼性也增大，缺乏弹性，口感极差。综合分析各因素，确定复配胶添加量0.8%为宜。

表3 复配胶添加量对果冻的影响

2.1.2 大米肽添加量

由表4可知，大米肽添加量影响果冻的感官评分和质构特性。随着大米肽添加量增加，果冻的感官评分、硬度、弹性、黏性和耐嚼性存在显著性差异，主要表现为下降趋势，大米肽添加量影响了整个果冻胶体的结构，可能原因是蛋白质的疏水作用或等电点等影响了魔芋胶和卡拉胶的相互作用。大米肽添加量小于1%时，感官评分随着大米肽添加量的增加而增加，当大米肽添加量较低时主要表现为黑加仑的果味，基本无大米肽味。大米肽添加量大于1%时，感官评分呈下降的趋势，主要原因是随着大米肽添加量增加，大米肽味较重，口感较差。综合分析各因素，确定大米肽添加量1%为宜。

表4 大米肽添加量对果感的影响

2.1.3 复配胶配比

由表5可知，在胶添加量不变的条件下，复配胶配比中随着魔芋胶含量的降低、卡拉胶含量的升高，果冻表现为硬度、黏性、耐嚼性均呈下降的趋势，弹性没有显著性的差异。陈婕等[19]研究朝鲜蓟果冻，同样采用魔芋胶与卡拉胶，随着魔芋胶含量的降低、卡拉胶含量的升高，硬度和咀嚼性均降低，弹性无显著性差异，当配比为1∶3时，果冻的硬度、咀嚼性最低，果冻软烂不成形，这与研究一致，因为在复配胶体系中，卡拉胶形成主要的网络结构，而魔芋胶填补到网络结构中，形成的胶体才更加稳定。郑凤锦等[20]研究香蕉果冻时发现，魔芋胶与卡拉胶比例为3∶1，硬度和咀嚼性达到最大，魔芋胶通过氢键与卡拉胶相互作用，形成更加致密的胶体三维网状结构。试验发现在复配胶配比为2∶3时，感官评分达到最大，此时果冻的硬度、弹性、黏性和耐嚼性均较适中。综合分析各因素，确定复配胶配比2∶3为宜。

表5 复配胶配比对果冻的影响

2.1.4 pH

由表6可知，在pH范围内，随着pH的增大，硬度、弹性、黏性和耐嚼性均呈现增大的趋势。这与庄远红等[21]研究的结果一致。当pH 2时，在酸的作用下卡拉胶发生水解作用，被降解为小分子，凝固性变差，不能形成稳定有序的网状结构[22]。同时，高浓度的H+造成卡拉胶和魔芋胶之间氢键断裂，分子舒展，破坏已形成的网络结构，导致果冻硬度、弹性、黏性、耐嚼性下降[23-24]，随着pH的增大，这些指标也呈现上升的趋势，因为pH的增大，魔芋胶的多糖分子与大米肽中的蛋白质和多肽通过疏水相互作用和氢键作用形成可溶性复合物，在果冻制备过程中加热使其形成具黏弹性的三维结构，把水分子包围其中，使果冻硬度、弹性、黏性、耐嚼性逐渐增大[25]。在pH 4时，感官评分达到最大，此时果冻的硬度、弹性、黏性和耐嚼性均较适中，当pH大于4时，果冻的颜色会变暗，呈黄褐色，可能是pH影响了大米肽或者黑加仑果汁的颜色，产生明显的咸味，口感较差。综合分析各因素，确定pH 4合适。

表6 pH 对大米肽果冻感官评分和质构特性的影响

2.2 响应面优化结果分析

2.2.1 响应面试验结果

运用Design Expert软件，以感官评分为响应值，复配胶添加量（A）、大米肽添加量（B）、复配胶配比（C）、pH（D）为因变量，进行Box-Behnken四因素三水平响应面试验设计，试验结果见表7。

表7 响应面试验结果

2.2.2 回归分析

利用Design Expert软件对表7试验数据进行方差及多元回归拟合分析，得二次多项回归模型方程：Y=93.60+0.83A+4.83B+0.083C-0.92D+2.75AB-2.25AC+1.00AD+0.25BC+2.50BD+0.25CD-4.72A2-9.22B2-7.84C2-11.09D2。

由表8可知，该回归模型极显著（P＜0.000 1），失拟项（P=0.091 1）不显著，R2=0.978 6，Radj2=0.957 3，变异系数（C.V.）为2.02%＜10%，在可接受范围内，表明模型拟合度较好，可用于预测实际情况。由方差分析结果P值得出结论，一次项B极显著（P＜0.01），其余均不显著，二次项A2、B2、C2、D2均极显著（P＜0.01）。由F值可知，各影响因素对大米肽果冻感官品质的影响大小顺序为B＞D＞A＞C。

表8 响应面试验结果方差分析

2.2.3 交互作用

利用Design Expert软件绘制响应面三维立曲面图和等高线图，响应曲面倾斜程度反映了交互因素对感官评分的影响程度，即响应曲面倾斜的角度越大，交互因素对感官评价的影响也就越大。如图1所示，AD、BC和CD对感官评分影响不显著，AC对感官评分影响为显著，AB和BD对感官评分影响为极显著。从响应曲面可看出，响应面BD的曲面坡度最大，说明其影响最大。感官评价随着大米肽添加量和pH的增加，呈现先增加后减少。

图1 两两因素交互作用对感官得分影响的响应曲面

2.3 果冻最优配方的验证

经响应面优化得到最佳配方：复配胶添加量0.8%、大米肽添加量1%、复配胶配比2∶3、pH 4，在此配方条件下进行3次重复性试验，结果发现果冻感官综合评分均值为93分，与预测值误差为1.06%，说明该模型与实际情况拟合度高，模型预测效果良好。其质构特性均值为硬度451.23 g、弹性0.98 mm、黏性338.47 g、咀嚼性325.46 mJ，可溶性固形物均值为16.3 g/100 g。因此，在实际操作中可用此模型建立大米肽果冻配方条件进行生产。

3 结论

研究是以复配胶添加量、大米肽添加量、复配胶配比、pH为考察因素，通过单因素试验和响应面优化试验对大米肽果冻配方进行优化。试验结果表明，果冻最佳配方为复配胶添加量0.8%、大米肽添加量1%、复配胶配比2∶3、pH 4。在最佳配方条件下感官综合评分为93分，质构特性为硬度451.23 g、弹性0.98 mm、黏性338.47 g、咀嚼性325.46 mJ，可溶性固形物为16.3 g/100 g。关于大米肽果冻的功能性有待后续进一步研究。

目前关于大米肽功能性食品的报道相对较少，例如谭春明等[14]以大米肽为主要功能因子，研制一种口感好且稳定、澄清的营养保健型大米肽饮料。目前市售的大米肽产品较少，以功能性饮料为主，例如颜如玉白肌酸大米肽液态饮、蜜拓蜜白肌酸美白饮等。大米肽其他剂型的功能性产品相对较少，研究采用果冻凝胶剂型，打开了大米肽应用的新市场，为大米肽健康产品的开发与利用提供理论依据和新思路。