响应曲面法优化火龙果果皮果冻的制作工艺

唐海尧，张俊丽，司圆圆

（阳江职业技术学院，广东 阳江 529566）

0 引言

火龙果（Hylocereus undatus） 属仙人掌科（Cactaceae） 量天尺属（Hylocereus） 植物，其果实的外表长有肉质鳞片，又有青龙果、红龙果、仙蜜果等名称，原产地在巴西、墨西哥等美洲热带沙漠地区，目前我国的海南、广东、福建和广西等省份都有着较大规模的种植[1-2]。长期以来，火龙果的果肉可以直接食用或被当成重要的食品原材料，被加工成各种果酒、果醋、酸奶等[3]，而果皮部分不可食用，只能丢弃。火龙果的果皮含有丰富的蛋白质、维生素、水溶性膳食纤维、多酚、花青素等活性物质，直接丢弃火龙果果皮造成的资源浪费是巨大的，如何处理好火龙果的果皮是提升火龙果综合利用价值的关键[4-7]。果冻是人们喜爱的休闲食品，目前市场上常见产品多以水果果肉加工而成，而将火龙果果皮作为主要原料制作果冻尚不多见，利用火龙果果皮为主要原料制作果冻[8-9]，可以变废为宝，提升火龙果资源的综合利用价值。以模糊数学法评价果冻的综合感官品质，在单因素试验的基础上采用响应曲面法对果冻的工艺配方进行优化，以期得到具有较好开发价值的火龙果果皮果冻，为火龙果产业化的多元发展提供新思路，具有积极的现实意义[10]。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜红肉火龙果，采摘自广东阳西县华翔果场；白砂糖，舒可曼（SUGARMAN）；卡拉胶、槐豆胶、结冷胶、柠檬酸等均为食品级，河南万邦实业有限公司提供。

万分之一电子分析天平，梅特勒-托利多国际股份有限公司产品；HS-4 型恒温水浴加热锅，太仓市华利达试验设备有限公司产品；L12-P155 型多功能破壁榨汁机，九阳股份有限公司产品；101-1A 型数字显示鼓风干燥机，鹤壁市新天科煤质仪器有限公司产品；APV-1000 型均质机，深圳市荣利丰科技有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

①火龙果前处理→取皮→热烫→破壁→火龙果果皮原浆；

②复合凝胶剂→溶解→熬煮→混合调配；

③白砂糖→溶解；

①+②+③→均质→灌装→杀菌→成型→成品。

1.2.2 操作要点

（1） 原料选择。选择大小基本一致，成熟度八分左右，无机械伤、无虫害、无病害的火龙果，在果园采摘后立即运回实验室进行处理。

（2） 原材料的预处理。清水洗净果实，自然沥干水分，削去火龙果果皮最边缘的鳞片，将果皮表层撕下去掉，分离果皮和果肉，果皮备用。

（3） 热烫。将火龙果果皮切成约10 mm×10 mm大小的方块，加入少量食盐和柠檬酸的沸水中热烫约90 s。

（4） 制取果皮原浆。将上述火龙果果皮放入破壁机中打碎，以转速2 000 r/min 离心2 min，得到火龙果果皮原浆。

（5） 溶解。白砂糖加水溶解，复合凝胶剂加入水中，加热溶解，备用。

（6） 熬煮。将上述原料与火龙果果皮原浆混合加热熬煮，保持微沸，中途添加少量柠檬酸，当混合液可以细短状态流下，且不易断落，停止熬煮。

（7） 均质条件为50 ℃，25 MPa，重复进行2 次处理。

（8） 灌装成型。混合液倒入果冻模具，冷却、成型、封口，即得到成品。

1.3 感官评定

感官评定小组的成员由10 个人组成，在进行评价活动前2 h 内不能接触辛辣等刺激性的食物，评价后立即用清水漱口，5 min 后再进行下一个样品的评定，且各成员在评定过程中互相不接触讨论，独立完成评价工作。火龙果果皮果冻的感官评分标准主要从果冻的色泽、风味、组织形态、口感等4 个方面进行，以优、良、中、差4 个等级进行评分，4 个等级的具体分值则根据果冻的实际情况确定。

火龙果果皮果冻的感官评分标准见表1。

表1 火龙果果皮果冻的感官评分标准

1.4 配方优化设计

通过查阅相关文献[11-12]，并进行市场调研，在参考市面上常见的果冻产品配方基础上结合预试验结果确定所用的复合凝胶剂配比，卡拉胶∶槐豆胶∶结冷胶的质量比为1∶0.8∶1，以火龙果果皮原浆用量为80 g/L，复合凝胶剂用量为10 g/L，白砂糖用量为100 g/L 作为基础的试验条件，分别对火龙果果皮原浆用量（A）、复合凝胶剂用量（B）和白砂糖用量（C） 3 个因素进行考查，以感官评价得分为结果，确定3 个因素适宜的用量范围。

1.4.1 火龙果果皮原浆用量的单因素试验

在基础试验条件上考查火龙果果皮原浆用量对结果的影响，分别取火龙果果皮原浆60，80，100，120，140 g/L。

1.4.2 复合凝胶剂用量的单因素试验

在基础试验条件上考察复合凝胶剂用量对结果的影响，分别取6，8，10，12，14 g/L 作为该水平的考查因素。

1.4.3 白砂糖用量的单因素试验

在基础试验条件上考察白砂糖用量对结果的影响，分别添加60，80，100，120，140 g/L 的白砂糖，评价果冻的感官品质。

根据以上试验结果，以火龙果果皮原浆用量、复合凝胶剂用量和白砂糖用量3 个变量为响应因素，综合感官评分为响应值，根据Box-behnken 试验原理，设计三因素三水平组合的响应面试验。

响应面试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面试验因素与水平设计/g·L-1

1.5 模糊数学评定模型的建立

1.5.1 评价因素集U 的确定

评价因素集是对火龙果果皮果冻感官评价因素的集合，参考相关文献[13-14]并根据果冻实际品质情况，以色泽（u1）、风味（u2）、组织形态（u3）、口感（u4） 4 项指标作为因素集U。

1.5.2 评语集（V） 的确定

评语集（V） 是感官评定员对火龙果果皮果冻因素集（U） 评价标准分数的集合，以优（v1）、良（v2）、中（v3）、差（v4） 为评语集。

满分为10 分，v1等级为8~10 分，v2等级为6~7 分，v3等级为3~5 分，v4等级为0~3 分，参考表1进行评级评价。根据感官评定结果，建立评价矩阵，以模糊数学评判方法进行分析，评价标准赋值分数为V=（v1=8，v2=6，v3=4，v4=2）。

1.5.3 权重集的确定

参考归一化原则，将色泽（u1）、风味（u2）、组织形态（u3）、口感（u4） 4 项评价指标的权重集表示为k=（k1，k2，k3，k4），权重集中元素总和为1，根据各评价因素在感官评价中的重要性，10 名感官评定员对4 项评价指标客观做出评分，每个评价指标的得分所占比重即为权重。

权重系数打分表见表3。

表3 权重系数打分表

根据表3 的结果，4 项评价指标的权重集合为k=（k1，k2，k3，k4） =（0.13，0.23，0.27，0.37），即影响火龙果果皮果冻感官品质的4 项质量指标，口感最为重要，其次是组织形态和风味，而色泽影响程度相对最小。

1.6 质量安全指标测定

参考GB 4789.3—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验大菌落总数肠菌群计数》，对火龙果果皮果冻的大肠菌数进行测定；参考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》，对火龙果果皮果冻的菌落总数进行测定。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 火龙果果皮原浆用量对果冻感官品质的影响火龙果果皮原浆用量对果冻感官品质的影响见图1。

图1 火龙果果皮原浆用量对果冻感官品质的影响

由图1 可知，随着火龙果果皮原浆用量的增加，果冻的感官评分呈上升趋势，当火龙果果皮原浆用量为100，120，140 g/L 时感官评分较高，选择这3 个用量继续进行后续响应面试验。

2.1.2 复合凝胶剂用量对果冻感官品质的影响

复合凝胶剂用量对果冻感官品质的影响见图2。

图2 复合凝胶剂用量对果冻感官品质的影响

由图2 可知，复合凝胶剂用量在10 g/L 以下果冻感官品质并不稳定，当复合凝胶剂用量超过10 g/L 时，果冻的感官评分逐渐上升且处在较高分数水平，选择10，12，14 g/L 用量做后续响应面试验。

2.1.3 白砂糖用量对果冻感官品质的影响

白砂糖用量对果冻感官品质的影响见图3。

由图3 可以看出，随着白砂糖用量的增加，果冻的感官评价呈上升趋势，当白砂糖用量超过100 g/L 时，感官评价上升趋势放缓趋于平稳，选择100，120，140 g/L 用量进行后续的响应面试验。

图3 白砂糖用量对果冻感官品质的影响

2.2 火龙果果皮果冻模糊数学感官综合评价结果

在单因素试验结果的基础上，以火龙果果皮原浆用量、复合凝胶剂用量和白砂糖用量3 个变量为响应因素，火龙果果皮果冻的综合感官评分作为响应值，利用Design Expert 软件设计三因素三水平的响应分析试验。

Box-behnken 设计方案及响应值见表4，火龙果果皮果冻模糊数学感官综合评价统计表见表5。

表5 火龙果果皮果冻模糊数学感官综合评价统计表

以表4 中第1 组试验为例展示计算过程[15]。将各等级评价次数的结果除以总人数10，得到1 号试验的模糊评价矩阵。

表4 Box-behnken 设计方案及响应值

模糊综合评价值Y的计算：Y等于权重集乘以模糊评价矩阵

Y=k×R1，即

模糊综合评分M=Y×V，即

同理可得表4 中全部17 组试验的感官评分结果。

2.3 响应面试验设计及结果

回归方程的方差分析见表6。

综合得分= 6.26+0.21A+0.19B+0.30C+0.12AB+0.45AC-0.87A2-0.37B2-0.79C2.

由表6 可知，以感官评分为响应值，得到的模型极显著（p=0.003 4＜0.01），且失拟项不显著（p＞0.05），模型的确定系数R2=0.925 62，信噪比=8.786，说明该模型拟合性较好。利用Design Expert软件对多元二次回归方程求解，可得最优工艺配方为火龙果果皮原浆用量124.14 g/L，复合凝胶剂用量10.58 g/L，白砂糖用量为84.97 g/L。

表6 回归方程的方差分析

2.4 响应曲面交互作用分析

各因素交互作用对感官评分的影响见图4。

图4是响应曲面3D 图，较为清晰地体现出了影响火龙果果皮果冻综合感官得分的因素两两之间的交互作用，由该图3D 曲面的平滑程度可推测，火龙果果皮原浆用量、复合凝胶剂用量和白砂糖用量3 个因素之间的交互作用明显。

图4 各因素交互作用对感官评分的影响

2.5 验证试验

基于Design Expert 中心组合法并结合实际操作的情况，将上述得到的预测试验数据进行实际取值，即火龙果果皮原浆用量125 g/L，复合凝胶剂用量10.5 g/L，白砂糖用量为85 g/L 为最终优化的结果并进行验证试验。验证试验结果表明，在该优化条件下制得的火龙果果皮果感官评分为6.51 分，与预测值6.35 分差异不大，得到的优化工艺参数基本可靠。

将优化工艺制作的火龙果果皮果冻进行菌落总数和大肠菌群测定，结果显示，菌落总数为13 CFU/mL，大肠菌群未检出，卫生安全良好。

3 结论

在火龙果果皮果冻加工过程选择的几个因素：火龙果果皮原浆用量、复合凝胶剂用量和白砂糖用量水平改变均可引起结果产生较大的差异，因而选取其中几个较好的点进行响应曲面优化试验，根据响应曲面试验结果再次制作并评价该配方的火龙果果皮果冻品质，可得到外观透明光滑，有纯正的火龙果风味，爽口不黏牙，柔软有弹性，咀嚼性良好，无硬皮，不皱缩的果冻产品。

试验结果表明，火龙果果皮果冻的最佳工艺配方为火龙果果皮原浆125 g/L，复合凝胶剂10.5 g/L，白砂糖85 g/L，在此优化配方下制作的火龙果果皮果冻综合感官评价最优，且大肠菌群未检出，菌落总数为13 CFU/mL，卫生指标符合国家相关标准。试验结果对火龙果的综合开发利用及其他相关休闲食品的制作起到一定的参考和借鉴。