响应面法优化雪莲果果脯加工工艺

王紫琳，曹蓝心，赵存朝,2，杨 敏，陶 亮,2,*，田 洋,2,3

（1.云南农业大学食品科学技术学院，云南 昆明 650201；2.国家辣木加工技术研发专业中心，云南 昆明 650201；3.食药同源资源开发与利用教育部工程研究中心，云南 昆明 650201）

雪莲果（Smallanthussonchifolius（Poepp）H.Rob.），学名亚贡（Yacon），为菊科向日葵属双子叶草本植物，原产于南美洲西部的安第斯山脉[1]，是一种热带高山水果，外形与地瓜相似，在云南、福建、海南、贵州等地均有种植[2]。雪莲果肉质晶莹如玉，口感甜脆多汁，含有10%～14%的干物质，其中70%～80%为糖[3]，尤其低聚果糖的含量极高，有“低聚果糖之王”的美称[4]。雪莲果还富含酚酸类、类黄酮类、萜类、挥发油、脂肪、纤维素、20多种人体所需的氨基酸，以及丰富的钙、镁、铁、锌、钾、硒等多种微量元素[5]，具有抗氧化[6]、调节胃肠道[7]、降血糖[8]、降血脂[9]等特殊的保健和药用功效，开发利用价值极高。但雪莲果鲜果中水分含量高，很容易腐败变质，不易贮藏，且雪莲果中的多酚氧化酶（PPO）在加工过程中极易催化内源性多酚物质氧化生成黑色素[10]，严重降低产品的外观品质及营养价值，因此，开展雪莲果精深加工成为产业发展的重大需求，目前，市场已有一些雪莲果加工制品，如饮料[11]、果醋[12]、果酱[13]、糖浆[14]等。

果脯是以水果和蔬菜等为原料，与食用盐、糖、蜂蜜等辅料混合加工而成的食品，种类繁多，早在3 000多年前的商代就开始加工，是我国特色传统休闲食品，属于蜜饯类[15]。果脯类产品流传广泛，历久弥新，是休闲零食的典型代表，其不仅能够开袋即食，还可作为其他食物的装饰或用于改进其他食品的口味[16]，同时，也可缓解鲜果的季节性、地域性及运输成本问题[17]。经高糖渗入后加工出的果脯产品主要是利用一定浓度的糖液起到保藏作用，有效减少了高水分含量果蔬在贮藏中的浪费[18]。

由于雪莲果具有水分含量大、易褐变等特点，研究拟通过单因素结合响应面试验优化雪莲果果脯加工工艺，并比较不同护色剂对雪莲果果脯的护色效果。研制出的雪莲果果脯产品可有效解决雪莲果不易贮存、易褐变等问题，在提高雪莲果自身利用率的同时，扩宽雪莲果产品的开发范围，提高其综合利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

雪莲果：市售；蔗糖：昆明合略商贸有限公司；亚硫酸氢钠（NaHSO3）、硫酸氢钠（NaHSO4）：广州市帝仁科技有限公司；氯化钠（NaCl）：云南省盐业有限公司；柠檬酸：河南千志商贸有限公司；抗坏血酸：浙江一诺生物科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

CT-0-8热风循环烘箱：上海智众机械设备有限公司；C21-SX810电磁炉：九阳股份有限公司；AR224CN电子天平：奥豪斯仪器（常州）有限公司；WSC-S色差仪：上海精密仪器仪表有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

雪莲果→清洗→去皮→切块→护色→漂洗→糖渍→烘干→成品

1.2.2 操作要点

原料的选择：选择新鲜饱满，形状呈较粗的圆柱形，果皮完整、无霉烂，成熟度为8～9成的雪莲果果实。

清洗：用水将其表面的泥沙等杂质冲洗干净。

去皮：削去雪莲果外层果皮，果皮去除后再次清洗果肉。

切块：将去皮后的雪莲果切成规格约为2 cm×2 cm×2 cm的均匀块状。

护色：配制0.3 g/L柠檬酸护色剂溶液，将切块的雪莲果在护色剂溶液中浸泡6 h。

漂洗：将浸泡过护色剂的雪莲果在流水下反复冲洗，直至表面不滑手。

糖渍：用占雪莲果质量30%的蔗糖和雪莲果混合均匀，浸渍30 h。

烘干：浸渍后的雪莲果置于恒温热风循环烘箱中，60℃下烘干12 h，使雪莲果受热均匀，去除部分水分。烘干后的雪莲果置于干燥环境中保存。

1.2.3 单因素试验设计

以产品感官评分和L*值或水分含量为评价指标，设置基础试验条件为：护色剂浓度3 g/L、蔗糖添加量25%、糖渍时间25 h、烘干温度12℃、烘干时间12 h，改变单一因素用量，分别考察护色剂种类（柠檬酸、亚硫酸氢钠、硫酸氢钠、氯化钠、抗坏血酸）、护色剂柠檬酸浓度（1、2、3、4、5 g/L）、蔗糖添加量（15%、20%、25%、30%、35%）、糖渍时间（15、20、25、30、35 h）、烘干温度（55、60、65、70、75℃）、烘干时间（8、10、12、14、16 h）对雪莲果果脯品质的影响。

1.2.4 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，选取蔗糖添加量（X1）、糖渍时间（X2）、烘干时间（X3）为响应面试验的影响因子，以感官评分（Y）为响应值，采用Box-Behnken设计进行3因素3水平试验，优化雪莲果果脯加工工艺，因素水平如表1所示。

表1 响应面试验因素水平表Table1 Factorsand levelstableof responsesurfacetest

1.2.5 感官评定

由10名有一定品评经验的专业人员组成评定小组（男女各半），分别从色泽（20分）、组织状态（20分）、滋味气味（20分）、饱满度（20分）及口感（20分）5项指标对雪莲果果脯产品采用百分制评分，取平均分作为最终得分。评价标准及所占分值见表2。

表2 雪莲果果脯感官评分标准Table 2 Sensory evaluation criteria for preserved yacon fruits

1.2.6 理化指标及微生物指标测定

总酸含量：参照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》[19]中的酸碱滴定法测定；pH值：使用pH计直接测定；水分含量：参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[20]中的直接干燥法测定；总糖含量：参照GB 5009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》[21]中的直接滴定法测定；大肠菌群：参照GB 4789.3—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数》[22]中的最大或然数计数（Most probable number，MPN）法测定；菌落总数：参照GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》[23]中的方法测定；霉菌：参照GB 4789.15—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》[24]中的平板计数法检测；致病菌：参照GB29921—2021《食品安全国家标准 预包装食品中致病菌限量》[25]中的方法测定；L*值：使用WSC-S色差仪测定。

1.2.7 数据处理

采用Excel 2013、SPSS19.0软件对单因素试验中的数据进行处理及方差分析；采用Design-Expert 8.0软件进行响应面优化试验设计；所有试验均进行3次平行重复，结果以x¯±s表示。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 护色剂种类的确定

雪莲果褐变严重会降低产品的外观品质及营养价值，故需对雪莲果果脯进行护色处理以提高其品质。添加护色剂是食品工业中抑制褐变最常用的方法[26]。如图1所示，亚硫酸氢钠与硫酸氢钠对雪莲果果脯的护色效果较好，这是由于雪莲果内多酚类物质在氧化过程中会形成醌类物质，亚硫酸盐、硫酸盐类护色剂能与醌类物质发生反应，使其不能进一步氧化形成黑色素[27]，从而推迟褐变反应的发生。但亚硫酸氢钠和硫酸氢钠不是直接作用于多酚氧化酶，酶催化反应会持续进行，当亚硫酸盐或硫酸盐消耗完毕后，褐变反应继续发生，且含硫护色剂具有安全隐患，不宜过量食用[28]。与其他不含硫的护色剂相比，柠檬酸对雪莲果果脯的护色效果较好，且安全性及持续性强。因此选择柠檬酸对雪莲果果脯进行护色处理。

图1 护色剂种类对产品品质的影响Fig.1 Effectsof color retaining agent types on products qualities

2.1.2 护色剂柠檬酸浓度的确定

柠檬酸是一种褐变抑制剂，应用广泛，护色效果较好，其护色原理是通过增加组织体系酸度使褐变关键酶和过氧化物酶的最适pH值发生偏离，同时其还会通过与过氧化物酶活性中心的Cu2+鳌合，从而延缓果蔬的褐变[29-30]。如图2所示，不同浓度的柠檬酸对雪莲果果脯褐变及感官品质的影响存在差异，随着柠檬酸浓度的增大，雪莲果果脯L*值呈先升高后降低的趋势。当使用3 g/L的柠檬酸处理后，雪莲果果脯的感官评分及L*值均较高，口味及褐变抑制效果均较好；随着柠檬酸浓度的增加，雪莲果果脯的感官评分及L*值均减小，其中感官评分的下降相对较明显，原因主要是柠檬酸浓度过高导致产品酸度过高，影响了产品口感。因此护色剂柠檬酸的浓度选择3 g/L为宜。

图2 护色剂柠檬酸浓度对产品品质的影响Fig.2 Effects of color retaining agent citric acid concentrations on productsqualities

2.1.3 蔗糖添加量的确定

蔗糖是生产果脯的重要成分之一，适当的蔗糖添加量可增加产品的风味，浸出果实内部水分，使果脯香甜软糯，甜度适中，利于储藏[31]。由图3可知，随着蔗糖添加量的增加，产品的感官评分呈现先升高后降低的趋势，当蔗糖添加量为30%时，感官评分最高，为（86.3±0.7）分。由于渗糖作用，雪莲果组织收缩，糖从果实表面慢慢延伸至内部，直到最后趋于平衡。当蔗糖添加量过少时，产品甜味过淡，水分过多，果脯滋味不明显；较高的蔗糖添加量使雪莲果内部组织产生较高的渗透压，加速糖液的渗透，使产品内部含水量较低。低水分、高糖分的环境可抑制微生物的生长繁殖[32]，但糖分过高会导致产品口感过甜，且后期容易出现“返砂”现象，产品质量变差。水分含量随着蔗糖浓度的增加出现持续下降的趋势，且在蔗糖添加量超过30%时趋于平稳，说明30%蔗糖添加量可形成高糖、高渗透压的产品环境，从而实现雪莲果的快速脱水。综上，选择蔗糖添加量30%为宜。

图3 蔗糖添加量对产品品质的影响Fig.3 Effectsof sucrose additions on products qualities

2.1.4 糖渍时间的确定

糖渍时间会影响产品的色泽和风味。雪莲果原料渗透不完全会使产品品质变差，糖渍时间过长则会造成产品形态不完整[33]。如图4所示，雪莲果果脯感官评分随着糖渍时间的延长呈先升高后降低的趋势，当糖渍时间为30 h时，感官评分最高，为（91.7±0.6）分，感官品质最佳，但随着糖渍时间的延长，产品糖度过高，质地变硬，感官品质变差。随着浸渍时间的延长，雪莲果不断失水，水分含量持续降低，当糖渍时间超过30 h时，受糖液浓度和渗糖能力的影响，产品内部渗透压与外界趋于平衡，水分含量变化不大[34]，此时产品感官品质最佳。综上，选择糖渍时间30 h为宜。

图4 糖渍时间对产品品质的影响Fig.4 Effectsof sugaringtime on productsqualities

2.1.5 烘干温度的确定

热风干燥是指利用流动的热空气作为干燥介质，将热量传递给物料，同时带走物料中水分的干燥方式[35]。利用热风干燥可以快速完成果脯的干燥处理，效率较高。如图5所示，雪莲果果脯感官评分随烘干温度的升高呈先增高后降低的趋势，当温度较低时，产品失水较少，很难形成果干，烘干成本高且产品口感差；烘干温度过高时，不能实现恒速水分蒸发，导致表面水分蒸发速度远远大于内部水分转移至表面的速度，出现果脯表面较硬并呈褐色，内部水分无法排出的现象。当烘干温度为60℃时，感官评分最高且能实现高效稳步脱水。综上，选择60℃对雪莲果果脯进行烘干。

图5 烘干温度对产品品质的影响Fig.5 Effectsof drying temperatures on products qualities

2.1.6 烘干时间的确定

烘干时间与烘干温度共同决定果脯成品的品质与水分含量，是果脯制作过程中重要的品质影响因素[36]。如图6所示，雪莲果果脯感官评分在烘干时间为12 h时达到最高，为（92.8±0.7）分，此阶段果脯的形状饱满，口感软硬适宜，色泽金黄；低于12 h时，果脯的饱满度、口感、色泽均未达到最佳，感官评分偏低；超过12 h时，感官评分逐渐下降，这是由于随着烘干时间的延长，雪莲果果脯过度失水，口感变硬，颜色变为黄褐色，不仅时间成本增加，且品质逐渐下降。综上，选择烘干时间12 h为宜。

图6 烘干时间对产品品质的影响Fig.6 Effects of drying time on productsqualities

2.2 响应面试验设计及结果分析

2.2.1 响应面试验优化雪莲果果脯加工工艺

基于Box-Behnken试验设计，在单因素试验基础上，利用Design-Expert 8.0软件进行响应面优化试验，选取蔗糖添加量（X1）、糖渍时间（X2）、烘干时间（X3）3个因素，以感官评分（Y）为响应值，对雪莲果果脯加工工艺进行优化。试验设计与结果见表3。

2.2.2 模型的建立及方差分析

根据表3的结果，利用Design-Expert 8.0软件进行二元回归方程拟合和方差分析。回归方程为：Y=91.11+1.24X1+3.17X2-0.60X3-0.31X1X2-2.49X1X3-0.18X2X3-1.65X12-5.46X22-4.43X32。响应面模型方差分析见表4。

表3 响应面试验设计及结果Table3 Design and resultsof response surface experiment

表4 回归模型方差分析结果Table 4 Resultsof variance analysisof regression model

由表4可知，该回归模型的P＜0.01，说明回归模型达到极显著水平；模型失拟项P值为0.096 7＞0.05，表明二次回归模型与实际试验的差异较小；模型的决定系数R2=0.933 0，表明该模型能解析93.30%的响应变化，存在6.70%的总变异，即该模型拟合程度相对较好。校正决定系数=0.846 8，说明该模型响应值的变化有84.68%来源于所选变量。响应值Y的变异系数（CV）与试验精确度和重复性成反比，其变异系数CV=2.34%＜5%，说明试验的精确度和重复性较高，且可信度高。由F值大小得出各因素对饮料感官品质影响的大小顺序为：X2（糖渍时间）＞X1（蔗糖添加量）＞X3（烘干时间）。X2的P值小于0.01，表明其对饮料感官品质的影响极显著，即糖渍时间是对雪莲果果脯感官评分影响最大的因素。

响应面的变化情况和等高线的稀疏程度可直观地反映蔗糖添加量（X1）、糖渍时间（X2）、烘干时间（X3）之间交互作用对雪莲果果脯感官评分的影响。曲面图弧度变化越陡峭，等高线越密集且呈椭圆形或马鞍形时，表示两因素之间交互作用越显著。由图7可知，交互项X1X2、X1X3的曲面倾斜度较大，坡度较陡，且等高线呈椭圆形，说明其对雪莲果果脯感官评分的影响显著（P＜0.05），X2X3的P值为0.866 3，影响不显著。各因素间交互作用对雪莲果果脯的感官评分影响大小依次为X1X2＞X1X3＞X2X3。

图7 各因素交互作用对雪莲果果脯感官品质影响的响应曲面图Fig.7 Responsesurfacesand contour lines showing the interaction effectsof various factorson sensory qualities of preserved yacon fruits

2.2.3 雪莲果果脯最佳加工工艺的确定及验证试验

对回归方程进一步拟合分析预测，得出雪莲果果脯最佳加工工艺参数为：蔗糖添加量26.95%，糖渍时间25.87 h，烘干时间11.66 h，雪莲果果脯感官评分预测值为（92.7±0.6）分。综合考虑各方面因素，选取蔗添加量30%，糖渍时间30 h，烘干时间12 h进行试验验证，得到雪莲果蜜饯感官评分为（91.6±0.3）分，与预测数值接近，说明响应面优化后得到的最佳制作工艺参数准确可靠，该模型具有一定的实际应用价值。

2.3 雪莲果果脯产品品质评价

2.3.1 雪莲果果脯感官指标评价结果

按照最优工艺加工雪莲果果脯，根据感官评分标准进行感官评定。开发的雪莲果果脯产品口感适宜，具有雪莲果的独特风味，色泽均匀，光泽度好，软硬适中且储存期长。雪莲果果脯的感官评定主要包括色泽、组织状态、滋味气味、饱满度、口感。由图8可知，滋味气味和口感的感官特性强度较强，组织状态的感官特性强度较弱，说明雪莲果果脯的整体滋味气味较好，口感甜度适中，色泽金黄，晶莹剔透。

图8 雪莲果果脯感官评定雷达图Fig.8 Radar map of overall sensory evaluation of preserved yacon fruits

2.3.2 雪莲果果脯理化指标及微生物指标检测结果

在最优工艺下制得的雪莲果果脯甜度适中，通透性及色泽均较好。经检测，总酸含量为（0.8±0.2）g/L，pH值为5.7±0.5，L*值为58.0±1.5；水分含量为（30.4±0.8）g/100 g，总糖含量为（62.5±0.6）g/100 g，水分和总糖含量均符合GB/T 10782—2021《蜜饯质量通则》[37]中的要求；菌落总数为（68.0±1.9）CFU/g，大肠杆菌、致病菌、霉菌均未检出，微生物指标符合NY/T436—2018《绿色食品 蜜饯》[38]中的要求。

3 结论

雪莲果果脯的最佳加工工艺为：采用浓度为3 g/L的柠檬酸护色，蔗糖添加量30%，糖渍时间30 h，60℃热风干燥12 h。在此工艺条件下加工的雪莲果果脯，色泽金黄，晶莹剔透，口味甜度适中，口感软糯，具有浓郁的雪莲果风味，感官评分（91.6±0.3）分；产品理化及微生物指标符合相关标准要求，是一款风味品质较佳的果脯类产品。该果脯的研发对促进雪莲果精深加工、丰富特色果脯品类具有一定的意义。