混料設(shè)計(jì)優(yōu)化黃秋葵功能飲料配方

劉佳新,顏廷才,劉春菊,唐明霞,李大婧,劉春泉,袁春新,顧擁建

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,江蘇南京 210014; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽 110161; 3.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇如皋 226541)

黃秋葵又名秋葵、補(bǔ)腎草、洋辣椒等,為錦葵科(Malvaceae)秋葵屬(AbelmoschusMedic)的一年生草本植物,遍及熱帶和地中海地帶,最適合生長于熱氣候地區(qū)(溫度在25 ℃左右)。黃秋葵的果實(shí)、葉、芽、花均具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值,富含碳水化合物、維生素、蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)與脂肪等多種營養(yǎng)成分[1],可以改善腸道環(huán)境,提高人體抵抗力,預(yù)防白內(nèi)障、心血管等疾病。黃秋葵不僅可以作為蔬菜食用,還可開發(fā)成新型保健食品[2-4]。

混料設(shè)計(jì)是通過研究各因子在配料中的比例,而不涉及配料的總量,是一種受特殊約束的回歸設(shè)計(jì),在限定因素空間中,基于給定回歸模型,進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)方案后尋找最優(yōu)組合,從而獲得最優(yōu)回歸方程[5],目前混料設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于冶金、化工、制藥、食品等領(lǐng)域[6-9]。周劍忠等[10]利用混料設(shè)計(jì)對(duì)混合發(fā)酵劑中多組分和多目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得最優(yōu)的發(fā)酵劑組合;楊天意等[11]采用混料設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)發(fā)芽糙米香蕉復(fù)合粉的配方進(jìn)行優(yōu)化,并檢測產(chǎn)品流變性,研制出質(zhì)地優(yōu)良、口感純正、風(fēng)味獨(dú)特的發(fā)芽糙米保健型食品;吳佳麗等[12]采用混料設(shè)計(jì)研究調(diào)味液配方中各成分的不同組合對(duì)即食文蛤調(diào)味的感官質(zhì)量影響,獲得了即食文蛤調(diào)味液的最優(yōu)配方。

本實(shí)驗(yàn)以黃秋葵為原料,配以山藥、羽衣甘藍(lán)、多糖提取物、黃酮提取物進(jìn)行混料設(shè)計(jì),得到最優(yōu)飲料配方,經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著黃秋葵含量的增加,飲料的粘度會(huì)增大,濃度過大時(shí),飲料的口感過于粘稠,影響感官評(píng)價(jià),當(dāng)黃秋葵、山藥和羽衣甘藍(lán)混合相互作用時(shí),黃秋葵功能飲料的懸浮穩(wěn)定性最好,混合功能飲料中的功能因子多糖和黃酮的含量增加,其抗氧化能力增強(qiáng),為黃秋葵功能飲料研發(fā)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃秋葵 南通盛泰農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司“天之葵”黃秋葵種植基地;山藥 河南焦作懷康溫縣淮山新鮮鐵桿棒山荮種植基地;羽衣甘藍(lán) 上海老一生鮮果蔬貿(mào)易有限公司;黃秋葵多糖提取物[13]、竹葉黃酮提取物(40%) 陜西信瑞生物科技有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)、2,4,6-三吡啶基-S-三嗪(TPTZ) Sigma公司;葡萄糖、蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品 中國藥品生物制品檢定所;無水乙醇、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、硝酸鋁、蒽酮、硫酸、醋酸、三氯化鐵、硫酸亞鐵、過硫酸鉀等 分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

BS224S電子分析天平 北京賽多利斯科學(xué)儀器公司;UV-6300型紫外可見分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司;722可見光分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;WP800SL23-2格蘭仕微波爐 佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司;TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī) 長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;FW100高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;JMS-180 DB型分體式膠體磨(2013款) 河北廊坊市廊通機(jī)械有限公司;高壓均質(zhì)機(jī) 無錫同輝自動(dòng)化設(shè)備制造有限公司;DV-C數(shù)顯粘度計(jì) 上海方瑞儀器有限公司。

1.2 樣品的制備

1.2.1 黃秋葵汁制備 黃秋葵原料揀選洗凈,稱取200 g黃秋葵原料,沸水燙漂2 min,冷卻瀝水去籽切碎,按1∶3加蒸餾水打漿,膠體磨研磨2次,均質(zhì)機(jī)均質(zhì)1次,放入離心機(jī)5000 r/min離心10 min,取濾液裝瓶,95 ℃巴氏殺菌10 min得黃秋葵汁備用[14]。

1.2.2 黃秋葵功能飲料制備 將黃秋葵、山藥、羽衣甘藍(lán)按一定的比例混合,加三倍蒸餾水打漿,沸水浸提10 min,加一定量的白砂糖、黃酮和多糖,膠體磨研磨2次,均質(zhì)機(jī)均質(zhì)1次,放入5000 r/min離心機(jī)離心10 min,取濾液裝瓶,95 ℃巴氏殺菌10 min得黃秋葵復(fù)合汁備用。

1.3 飲料配方的混料設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于混料設(shè)計(jì)優(yōu)化黃秋葵功能飲料工藝的最佳配方,選取黃秋葵、山藥、羽衣甘藍(lán)、黃酮提取物、多糖提取物、水為主要成分,制成不同的黃秋葵功能飲料,以飲料的粘度、懸浮穩(wěn)定性、感官評(píng)價(jià)為考察指標(biāo),采用Design Expert 8.0.5軟件進(jìn)行最優(yōu)混料設(shè)計(jì),影響因素與水平如表1所示。

表1 影響因素與水平表Table 1 Influencing factors and levelsTable

1.4 指標(biāo)的測定

1.4.1 粘度的測定 使用DV-C數(shù)顯黏度計(jì),選取轉(zhuǎn)子號(hào)為61的轉(zhuǎn)子在常溫下測定3次,取平均值。

1.4.2 懸浮穩(wěn)定性的測定 將黃秋葵功能飲料3500 r/min離心15 min,取離心后的上清液和離心前的液體用722可見光分光光度計(jì)分別在720 nm的波長下測定吸光度,分別記為A2和A1。A2與A1的比值表示黃秋葵功能飲料的懸浮穩(wěn)定性,測定3次,取平均值。

1.4.3 感官評(píng)價(jià) 采用定量描述的分析方法對(duì)黃秋葵強(qiáng)化功能飲料進(jìn)行感官評(píng)價(jià),邀請(qǐng)食品科學(xué)與工程專業(yè)并對(duì)試驗(yàn)樣品的感官性質(zhì)差別具有識(shí)別能力的10位學(xué)生作為品評(píng)員,樣品隨機(jī)提供給評(píng)價(jià)員,每位評(píng)價(jià)員單獨(dú)進(jìn)行品評(píng),相互不接觸交流,樣品評(píng)定之間用清水漱口。

黃秋葵強(qiáng)化功能飲料感官評(píng)價(jià)主要包括4個(gè)方面:香味、口感、色澤、風(fēng)味。香味是指混合果汁果香味濃郁,協(xié)調(diào);口感是指混合果汁清甜可口,無苦澀味;色澤是指色澤純正均一,無雜色;風(fēng)味是指飲料中的三種原料風(fēng)味濃郁,各成分組成比例合適。評(píng)價(jià)采用5點(diǎn)強(qiáng)度標(biāo)度,由低到高,以此表示相應(yīng)感官特征由弱到強(qiáng)的變化,即:1分:極弱;2分:較弱;3分:中等;4分:較強(qiáng);5分:極強(qiáng)。

1.5 飲料的抗氧化能力測定

1.5.1 黃酮含量的測定 稱取黃秋葵功能飲料1.00 g于50 mL錐形瓶中,加入30 mL 80%的乙醇溶液,混勻后放入超聲設(shè)備中,超聲功率為800 W,80 ℃超聲40 min,離心后收集上清液,用80%乙醇定容至50 mL。

參考李有寶等[15]方法,并稍加修改。于試管分別加入0.5 mL空白樣(95%乙醇)、樣品提取液,并補(bǔ)加95%乙醇至1.5 mL。分別向各試管中加入臨用現(xiàn)配的4% NaNO2溶液0.25 mL,靜置6 min后再次分別加入10% Al(NO3)3溶液0.25 mL,靜置6 min,最后再加入4% NaOH溶液1.5 mL,混勻。于波長510 nm處測其吸光度值。

1.5.2 多糖含量的測定 稱取黃秋葵功能飲料1.00 g加入25 mL蒸餾水,用550 W微波功率提取4 min,離心后取上清液,將沉淀中加入20 mL蒸餾水,再用550 W微波提取4 min,離心后合并兩次上清液,上清液中加入無水乙醇,混勻,使得乙醇濃度達(dá)到80%,置于4 ℃冰箱中靜置過夜,離心后取沉淀,加蒸餾水溶解后定容至50 mL,準(zhǔn)確移取待測液2 mL于20 mL具塞試管,加入DNS試劑1.5 mL,搖勻,沸水浴加熱5 min,取出,冷卻至室溫,蒸餾水定容至10 mL,顛倒混勻,于520 nm處測定樣品吸光度值[16]。

1.5.3 DPPH自由基清除能力的測定 DPPH自由基清除能力按照古小露等[17]的方法稍作修改,制備20～160 μmol/L濃度的Trolox標(biāo)準(zhǔn)溶液備用,分別取1 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液和4.5 mL 100 μmol/L的DPPH甲醇溶液(準(zhǔn)確稱取7.856 mg DPPH,用甲醇定容至200 mL)充分混合,室溫避光放置30 min,于517 nm 處測定吸光度A實(shí)驗(yàn)。4.5 mL無水甲醇代替DPPH溶液為對(duì)照組,1 mL蒸餾水代替樣品為空白組,每組平行測定三次。

式(1)

1.5.4 ABTS自由基清除能力的測定 ABTS自由基清除能力測定根據(jù)陳飛等[18]的方法測定,將ABTS粉末用蒸餾水溶解為濃度為7 mmol/L的ABTS溶液,再與濃度為140 mmol/L的K2S2O8溶液混合,室溫避光靜置過夜,使用無水乙醇稀釋,要求其在734 nm波長下的吸光度為0.70±0.02.在試管中加入3.6 mL ABTS溶液和0.4 mL待測液,充分振蕩,靜置5 min后,在734 nm處測吸光度A,空白組(A空白)用無水乙醇加入到3.6 mL ABTS溶液中,對(duì)照組(A對(duì)照)用無水乙醇加入到樣品溶液中。每組平行測定三次。

式(2)

1.5.5 鐵離子還原能力的測定 鐵離子還原能力按照汪超[19]的方法稍作修改,取2.5 mL pH6.6磷酸鹽緩沖液于試管中,加入0.3 mL的樣品溶液,充分搖勻,再加入1 mL 1%的鐵氰化鉀溶液,置于50 ℃水浴鍋中水浴20 min,之后快速冷卻,再加入1 mL 10%的三氯乙酸靜置1 min,取上清液2.5 mL于試管,加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL 0.1% FeCl3,5 min后于700 nm比色,空白組用蒸餾水代替樣品。每組平行測定三次。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 8.0.5軟件分析數(shù)據(jù),建立回歸方程,進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的建立與分析

使用統(tǒng)計(jì)分析軟件Design-Expert 8.0.5對(duì)表2的6種配料為自變量,以粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官評(píng)定為響應(yīng)值,經(jīng)軟件自動(dòng)優(yōu)化后,結(jié)果如表3所示,按不同配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用上述軟件得到Y(jié)(粘度)、Y(懸浮穩(wěn)定性)和Y(感官評(píng)定)與6種配料的回歸方程為:

表2 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria

表3 混料設(shè)計(jì)及功能飲料品質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mixture design and results of functional beverage quality index

Y(粘度)=113.91A+23.79B-1182.35C+5.08×107D+2.958×107E+59.41F-275.78AB+1633.06AC-5.09×107AD-2.96×107AE+42.65AF+2345.75BC-5.07×107BD-2.95×107BE-7.83BF-5.12×107CD-2.95×107CE+1.58×105CF-8.82×105DE-5.09×107DF-2.95×107EF(R2=0.8817,p<0.05)

Y(懸浮穩(wěn)定性)=0.089A-0.24B-0.28C+8.06×107D+2.56×104E+0.14F+0.25AB+0.36AC-8.07×104AD-2.57×104AE-0.07AF+0.57BC-8.06×104BD-2.56×104BE+0.36BF-8.06×104CD-2.56×104CE+0.41CF-1.2×105DE-8.07×104DF-2.57×104EF(R2=0.9932,p<0.001)

Y(感官評(píng)定)=3.05A+5.44B+5.4C-40.83D-135E+3.88F(R2=0.8812,p<0.001)

從表4可知,以粘度為響應(yīng)值,模型p=0.0185<0.05,說明該模型達(dá)到顯著水平,失擬項(xiàng)p=0.9916>0.1,說明該試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型擬合較好,可以運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來推測試驗(yàn)結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2=0.8817,說明實(shí)驗(yàn)中有88.17%能用該模型解釋。從表4還可以知道AC、BC和CF的交互作用影響差異極顯著(p<0.01)。

表4 粘度方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression model of viscosity

從表5可知,以懸浮穩(wěn)定性為響應(yīng)值,模型p<0.0001,說明該模型達(dá)到極顯著水平,失擬項(xiàng)p=0.7077>0.1,說明該試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型擬合較好,可以運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來推測試驗(yàn)結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2=0.9932,說明實(shí)驗(yàn)中有99.32%能用該模型解釋。從表5還可以知道AD、BD、CD、DE和DF的交互作用影響差異極顯著(p<0.01),BF和CF的交互作用影響差異顯著(p<0.05)。

表5 懸浮穩(wěn)定性方差分析Table 5 Analysis of variance for the fitted regression model of suspension stability

從表6可知,以感官評(píng)定為響應(yīng)值,模型p<0.0001,說明該模型達(dá)到極顯著水平,失擬項(xiàng)p=0.7523>0.1,說明該試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型擬合較好,可以運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來推測試驗(yàn)結(jié)果。方程相關(guān)系數(shù)R2=0.8812,說明實(shí)驗(yàn)中有88.12%能用該模型解釋。

表6 感官評(píng)定方差分析Table 6 Analysis of variance for the fitted regression model of sensory evaluation

2.2 不同配比對(duì)黃秋葵功能飲料的粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官評(píng)價(jià)的影響

根據(jù)各組分的三元等值線圖可以直觀地觀察黃秋葵功能飲料各組分間的變化對(duì)粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官分值的影響,本研究的配方中共有6種成分,因黃酮和多糖添加量很少,在實(shí)驗(yàn)分析中調(diào)節(jié)的作用較小,對(duì)響應(yīng)面圖的改變較小,水則作為補(bǔ)足總量的溶劑使用,所以在分析時(shí)著重比較其他3種成分的交互作用對(duì)指標(biāo)的影響。圖1～圖3是在多糖、黃酮和水在固定水平時(shí),黃秋葵、山藥和羽衣甘藍(lán)的交互作用對(duì)黃秋葵功能飲料的粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官的影響。

圖1所示,三角曲面圖為一曲面,說明三者間有一定的交互作用。并且隨著黃秋葵含量增大,粘度逐漸增加,說明在混合飲料中,黃秋葵的含量對(duì)粘度起決定性作用。主要原因可能在于黃秋葵嫩莢含有豐富的粘稠液,除此之外,黃秋葵還含有一種稀有的黏性物質(zhì),即糖聚合體[20],這些物質(zhì)增加了混合飲料的粘度。對(duì)于山藥的添加量而言,隨著山藥添加量的增加,混合飲料的粘度也在增加,原因可能在于山藥中含有一種叫作黏蛋白的物質(zhì),它是一種多糖蛋白質(zhì)的混合物,這種物質(zhì)的存在增加了混合飲料的粘性。羽衣甘藍(lán)口感清爽,隨著羽衣甘藍(lán)的添加,混合飲料的粘度呈下降的趨勢。

圖1 配料比對(duì)粘度的影響Fig.1 Effect of batching ratio on viscosity

圖2所示,三角響應(yīng)曲面圖為一曲面,說明三者間有一定的交互作用,圖形呈現(xiàn)一定的拱形狀,并且隨著三者含量越均勻,懸浮穩(wěn)定性越高,說明在混合飲料中,三者對(duì)飲料的懸浮穩(wěn)定性都起著顯著影響。如圖1所介紹,黃秋葵和山藥的添加增加了混合飲料的粘度,羽衣甘藍(lán)則會(huì)減小混合飲料的粘度,三者適當(dāng)中和后,混合飲料達(dá)到了很好的穩(wěn)定性。

圖2 配料比對(duì)懸浮穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of batching ratio on suspension stability

圖3所示,三角響應(yīng)面為一個(gè)平面,說明三者之間沒有交互作用[21]。隨著黃秋葵含量的增加,感官評(píng)定的得分隨之減小,并且可以看出,相應(yīng)平面向山藥和羽衣甘藍(lán)增加量方向傾斜,說明山藥和羽衣甘藍(lán)的作用較強(qiáng),在三者中起主導(dǎo)作用。主要原因可能是因?yàn)辄S秋葵具有濃郁的氣味且粘度較大,當(dāng)黃秋葵含量增加時(shí),飲料的粘度過大,黃秋葵氣味過于厚重,口感不夠清爽[22],飲料的氣味和厚重感會(huì)很大的影響感官評(píng)價(jià)[23],這可能就是造成感官評(píng)定降低的主要原因。山藥口感爽滑,無特殊氣味,從圖3可以看出,隨著山藥量的添加,混合飲料的感官評(píng)價(jià)升高。羽衣甘藍(lán)口感清爽,很大程度上減輕了黃秋葵和山藥帶來的粘稠感,所以從圖中也可以看出,隨著羽衣甘藍(lán)的添加,感官評(píng)價(jià)升高。

圖3 配料比對(duì)感官評(píng)定的影響Fig.3 Effect of batching ratio on sensory evaluation

2.3 配方的優(yōu)化及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了使粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官評(píng)定的分?jǐn)?shù)同時(shí)達(dá)到最大值,因素水平在設(shè)定范圍以內(nèi),運(yùn)行軟件的多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化程序,得到一個(gè)最優(yōu)組合配方,即:5%黃秋葵、5%山藥、2.79%羽衣甘藍(lán)、0.02%黃酮、0.02%多糖和87.17%的水,粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官評(píng)定的理論值值分別為38.33 mPa·s、0.12和4.30,對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行三次平行測定,測出的實(shí)際值分別為38.37 mPa·s、0.125和4.32,和軟件給出的理論值相差較小,說明所獲得的目標(biāo)配方及理論值可靠性較強(qiáng),可作為該功能飲料的配方使用。

2.4 黃秋葵功能飲料與黃秋葵汁體外抗氧化能力比較

如表7所示,與黃秋葵汁相比,黃秋葵功能飲料的抗氧化能力都有不同程度的提高,其中鐵離子還原能力(FRAP)、多糖含量和黃酮含量提高較為明顯,分別提高了32.81%、39.22%和44.44%,DPPH自由基清除率和ABTS自由基清除率分別提高了4.17%和8.86%。結(jié)果表明,黃秋葵功能飲料比黃秋葵汁表現(xiàn)出更好的抗氧化能力?？赡苁怯捎诙嗵侵泻幸恍O性基團(tuán)對(duì)其抗氧化能力指數(shù)具有較大影響[13]。

表7 黃秋葵功能飲料與黃秋葵汁體外抗氧化能力比較Table 7 Comparison in vitro antioxidant capacity of okra functional beverage and okra juice

3 結(jié)論

本文主要研究黃秋葵功能飲料的穩(wěn)定性及口感,以混料設(shè)計(jì)的理論對(duì)黃秋葵功能飲料的配方進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終黃秋葵功能飲料的最優(yōu)配比為:5%黃秋葵、5%山藥、2.79%羽衣甘藍(lán)、0.02%黃酮、0.02%多糖和87.17%的水時(shí),此條件下,黃秋葵功能飲料的粘度、懸浮穩(wěn)定性和感官評(píng)價(jià)達(dá)到38.37 mPa·s、0.125和4.32,DPPH自由基清除率、ABTS自由基清除率、鐵離子還原能力(FRAP)、多糖含量和黃酮含量分別比黃秋葵汁增加了4.17%、8.86%、32.81%、39.22%和44.44%,獲得的飲料色澤純正,清甜可口,功能因子含量增加,抗氧化能力明顯增加,不僅滿足了消費(fèi)者對(duì)飲料口感舒適的要求,還迎合了人們對(duì)飲品高營養(yǎng)的追求,具有很好的市場前景。