響應(yīng)面法優(yōu)化五味子泡騰顆粒固體飲料的制備工藝

劉 洋

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物技術(shù)分院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

五味子為木蘭科植物五味子的干燥成熟果實(shí)，主產(chǎn)于我國(guó)東北和華北地區(qū)，具有收斂固澀、益氣生津、補(bǔ)腎寧心之功效[1]。五味子果實(shí)含有檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸、酒石酸等多種有機(jī)酸，還含有維生素A、維生素B、樹(shù)脂、糅質(zhì)及鐵、硅、錳、磷等礦物質(zhì)[2-3]。五味子的有效成分為木脂素類化合物。目前已從五味子中分離出32種木脂素單體，其中7種單體(五味子甲素、乙素、丙素、醇甲、醇乙、酯甲、酯乙)均屬于木脂素成分中的聯(lián)苯環(huán)辛烯類化合物[4]，具有降低肝炎患者血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶水平的作用。護(hù)肝片是我國(guó)用于治療肝損傷的常用藥物，具有疏肝理氣、健脾、消食、降低轉(zhuǎn)氨酶的作用[5]。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)護(hù)肝片除了具有保肝降酶的作用外，還具有抗癌[6]、抗艾滋病毒(HIV)[7]、拮抗血小板活化因子[8]和抑制醛糖還原酶[9]等活性，并且可以增強(qiáng)人體免疫力[10]。

泡騰顆粒是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較為新型的制劑，內(nèi)含泡騰崩解劑，即有機(jī)酸和碳酸氫鈉，遇水后酸和堿會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放大量二氧化碳使顆粒劑迅速崩解。同時(shí)，二氧化碳?xì)怏w刺激味蕾，產(chǎn)生碳酸飲料的風(fēng)味，可增強(qiáng)飲料口感。

本研究采用“藥食同源”的五味子為原料制備五味子泡騰顆粒固體飲料，并對(duì)其制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。目前以五味子為主要原料的保健食品還屬空白，開(kāi)發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品具有良好的市場(chǎng)前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

北五味子：產(chǎn)地延吉；檸檬酸、NaHCO3：長(zhǎng)春東康醫(yī)藥科技有限公司；聚乙二醇-6000(PEG-6000)、聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)：上海天清生物醫(yī)藥有限公司)；蛋白糖：吉林省華陽(yáng)醫(yī)藥經(jīng)銷有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AUY220分析天平：島津公司；BYS-25型高效濕法造粒機(jī)：哈爾濱市北方制藥設(shè)備制造有限公司；DHG-9140A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：吳江華飛電熱設(shè)備有限公司；HH-S型水浴鍋：河南豫華儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制劑輔料與工藝流程[11-14]

(1)制劑輔料。檸檬酸為酸源；碳酸氫鈉為堿源；PEG-6000為包裹劑；蛋白糖為甜味劑；3%聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)無(wú)水乙醇溶液為黏合劑。

(2)工藝流程。五味子泡騰顆粒固體飲料的制備工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 五味子泡騰顆粒固體飲料的制備工藝流程

五味子浸膏粉的制備：取五味子果實(shí)經(jīng)熱水浸泡去掉果皮，60 ℃烘干，碾成粉末，加入3倍量85%乙醇回流提取2次，每次3 h，過(guò)濾，合并濾液，減壓濃縮干燥成浸膏粉。

制粒：將1%PEG-6000置于燒杯中水浴加熱(60～80 ℃)至熔融，加入碳酸氫鈉攪拌均勻，冷卻后粉碎成細(xì)粉(過(guò)80目篩)；將檸檬酸、蛋白糖等輔料分別過(guò)80目篩，與五味子浸膏粉混合均勻;以PVP-K30無(wú)水乙醇溶液作為黏合劑，用濕法制粒機(jī)制粒。

干燥、整粒、包裝：將濕顆粒于50 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥至含水量<3%，通過(guò)1號(hào)和5號(hào)藥篩進(jìn)行整粒，取兩篩號(hào)中間顆粒，經(jīng)含量測(cè)定合格后包裝，即得成品。

1.3.2 泡騰劑配比試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取1 g碳酸氫鈉，分別與0.6～1.5 g檸檬酸反應(yīng)，計(jì)算減重量，即CO2的釋放量，再測(cè)試溶液的pH值。

1.3.3 酸甜配比試驗(yàn)

在已經(jīng)確定的碳酸氫鈉與檸檬酸配比范圍內(nèi)，添加不同量的蛋白糖調(diào)配酸甜口感，當(dāng)?shù)鞍滋恰锰妓釟溻c∶檸檬酸的質(zhì)量配比為0.85∶1.12∶0.89、0.75∶0.93∶0.85、0.64∶0.89∶0.71、0.56∶0.69∶0.53、0.48∶0.55∶0.46時(shí)，根據(jù)配比關(guān)系確定蛋白糖與泡騰劑的總量分別為18%、20%、24%、26%、28%，酸甜口感均較適宜。

1.3.4 單因素實(shí)驗(yàn)

采用單因素實(shí)驗(yàn)，考察五味子浸膏添加量(6%、9%、12%、15%、17%)、蛋白糖與泡騰劑總量(18%、20%、24%、26%、28%)、黏合劑PVP-K30用量(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%)對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)[15-17]

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，以五味子浸膏添加量(A)、蛋白糖與泡騰劑總量(B)、黏合劑PVP-K30用量(C)為考察因素，以感官評(píng)分(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素與水平

1.3.6 測(cè)定方法

(1)感官評(píng)定。由18位經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)品評(píng)員(9男9女)組成感官評(píng)定小組，對(duì)隨機(jī)編號(hào)的6種五味子泡騰顆粒固體飲料樣品從湯色、溶化時(shí)間、風(fēng)味、沉淀等四個(gè)方面進(jìn)行感官評(píng)分，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(2)理化指標(biāo)檢測(cè)。參照GB/T 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》、GB/T 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》，分別對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料中水分、灰分等理化指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

(3)微生物指標(biāo)檢測(cè)。參照GB/T 4789.2—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測(cè)定》、GB/T 4789.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn)大腸菌群計(jì)數(shù)》，分別對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料中菌落總數(shù)和大腸菌群等微生物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG-6000包裹法制粒

五味子浸膏粉有較強(qiáng)的吸濕性，受潮后酸源和二氧化碳源會(huì)發(fā)生泡騰反應(yīng)，導(dǎo)致成品失去泡騰效果。本研究采用PEG-6000包裹二氧化碳源，可有效隔離酸源與二氧化碳源，從而保證制劑的穩(wěn)定性。此外，采用PVP-K30無(wú)水乙醇溶液制粒，并降低生產(chǎn)環(huán)境的濕度，有效提高了五味子泡騰顆粒固體飲料的穩(wěn)定性。

2.2 泡騰劑配比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)合理復(fù)配泡騰劑(碳酸氫鈉和檸檬酸比例)達(dá)到理想的泡騰結(jié)果。由表3可知，碳酸氫鈉和檸檬酸的比例在1.0∶(0.6～1.0)時(shí)，CO2的釋放量較多，且pH值符合標(biāo)準(zhǔn)。

表3 復(fù)配泡騰劑對(duì)CO 2釋放量和反應(yīng)溶液pH值的影響

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 五味子浸膏添加量對(duì)飲料品質(zhì)的影響

設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，考察五味子浸膏添加量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響。五味子浸膏添加量6%～18%、蛋白糖與泡騰劑總量24%、PVP-K30用量1.5%，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 五味子浸膏添加量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響

由圖2可知，隨著五味子浸膏添加量的增加，溶化時(shí)間、灰分、水分均呈上升趨勢(shì)，其中溶化時(shí)間由40 s增加到53 s，灰分含量由2.2%上升到5.6%，水分含量由1.7%上升到3.8%。當(dāng)五味子浸膏添加量為6%～12%時(shí)，感官評(píng)分隨著五味子浸膏添加量的增加而增加，當(dāng)五味子浸膏添加量達(dá)12%時(shí)，感官評(píng)分高達(dá)92.5分，此時(shí)溶化時(shí)間為42 s、灰分含量為3.8%、水分含量為2.6%，其理化指標(biāo)均符合泡騰顆粒固體飲料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)五味子浸膏添加量為12%～18%時(shí)，感官評(píng)分呈下降趨勢(shì)，當(dāng)五味子浸膏添加量達(dá)18%時(shí)，感官評(píng)分低至60.3分，此時(shí)水分含量為3.8%、灰分含量為5.6%，灰分指標(biāo)超出固體飲料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限度范圍，說(shuō)明飲料中的無(wú)機(jī)鹽和氧化物總含量超標(biāo)。同時(shí)，試驗(yàn)證明，含水量超過(guò)2.6%時(shí)嚴(yán)重影響五味子泡騰顆粒劑的泡騰效果，CO2釋放量減少，飲料底部沉淀量明顯增加，飲料略有澀味，口感下降。因此，五味子浸膏最適宜的添加量是12%。

2.3.2 蛋白糖與泡騰劑總量對(duì)飲料品質(zhì)的影響

設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，考察蛋白糖與泡騰劑總量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響。五味子浸膏添加量12%、蛋白糖與泡騰劑總量18%～28%、PVP-K30用量1.5%，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 蛋白糖與泡騰劑總量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響

由圖3可知，隨著蛋白糖與泡騰劑總量的增加，溶化時(shí)間呈先減少后增多的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)鞍滋桥c泡騰劑總量為18%～26%時(shí)，感官評(píng)分呈上升趨勢(shì)，最高可達(dá)95.2分，此時(shí)溶化時(shí)間為48 s、灰分含量為3.5%、水分含量為2.2%；當(dāng)?shù)鞍滋桥c泡騰劑總量為26%～28%時(shí)，感官評(píng)分呈下降趨勢(shì)，當(dāng)?shù)鞍滋桥c泡騰劑總量達(dá)28%時(shí)，感官評(píng)分為73.4分，此時(shí)溶化時(shí)間為63 s、水分含量為3.9%、灰分含量為5.3%，灰分指標(biāo)超出固體飲料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限度范圍，且水分含量較大，影響泡騰效果，五味子本身具有的咸、澀味有所呈現(xiàn)，飲料口感下降。因此，蛋白糖與泡騰劑最適宜的總量為26%。

2.3.3 黏合劑PVP-K30用量對(duì)飲料品質(zhì)的影響

設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，考察黏合劑PVP-K30用量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響。五味子浸膏添加量12%、蛋白糖與泡騰劑總量26%、黏合劑PVP-K30用量0.5%～2.5%，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 PVP-K30用量對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料品質(zhì)的影響

由圖4可知，隨著PVP-K30用量的增加，溶化時(shí)間、灰分、水分?jǐn)?shù)值均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)PVP-K30用量為0.5%～1.5%時(shí)，感官評(píng)分呈上升趨勢(shì)。當(dāng)PVP-K30用量為0.5%時(shí)，顆粒劑成型較差，細(xì)顆粒(通過(guò)5號(hào)篩)較多，PEG包裹性能差，顆粒泡騰效果差，飲料的苦澀味顯現(xiàn)；當(dāng)PVP-K30用量為1.5%時(shí)，感官評(píng)分最高可達(dá)90.4分，此時(shí)溶化時(shí)間為49 s、灰分含量為1.9%、水分含量為2.3%，其理化指標(biāo)均符合顆粒劑固體飲料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)PVP-K30用量為1.5%～2.5%時(shí)，感官評(píng)分呈下降趨勢(shì)。當(dāng)PVP-K30用量為2.5%時(shí)，顆粒劑容易多粒粘附，溶化時(shí)間延長(zhǎng)，沉淀量增加，水分含量達(dá)4.0%，泡騰效果明顯減弱。因此，黏合劑PVP-K30最適宜的用量為1.5%。

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

利用Design Expert 8.0軟件對(duì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。得到感官評(píng)分(Y)與五味子浸膏添加量(A)、蛋白糖與泡騰劑總量(B)、黏合劑PVP-K30用量(C)的多元回歸方程：Y=89.4+6.15A-1.18B-0.48C-2.82AB+1.48AC+9.83BC-4.33A2-10.73B2-6.03C2。

由表5可知，五味子泡騰顆粒固體飲料感官評(píng)分的回歸方程與響應(yīng)面模型的關(guān)系顯著(P<0.05)，并且失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，說(shuō)明該模型基本能夠擬合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于確定五味子泡騰顆粒固體飲料的最優(yōu)釀造工藝具有一定的參考價(jià)值。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

多元回歸方程一次項(xiàng)B、C和交互項(xiàng)AC對(duì)感官評(píng)分沒(méi)有表現(xiàn)出顯著影響(P>0.05)，但是多元回歸方程一次項(xiàng)A和交互項(xiàng)AB、BC及二次項(xiàng)A2、B2和C2分別對(duì)感官評(píng)分具有顯著性影響(P<0.05)，其中一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)BC、二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)感官評(píng)分的影響為極顯著(P<0.01)，這表明三個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)感官評(píng)分的影響不是單純的線性關(guān)系，而是二次關(guān)系。

各因素交互作用的響應(yīng)面及等高線見(jiàn)圖5。由圖5可知，五味子浸膏添加量和蛋白糖與泡騰劑總量之間的交互作用對(duì)感官評(píng)分影響顯著，蛋白糖與泡騰劑總量和黏合劑PVP-K30用量之間的交互作用對(duì)感官評(píng)分影響極顯著。在五味子泡騰顆粒固體飲料制備過(guò)程中，五味子浸膏添加量、黏合劑PVP-K30用量對(duì)感官品質(zhì)具有重要影響，主要原因是五味子富含氨基酸、揮發(fā)油、有機(jī)酸、維生素及K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Si等礦物質(zhì)元素，還富含單糖類等活性物質(zhì)，這些成分與甜味劑、泡騰劑共同形成五味子飲料的特殊風(fēng)味和口感。黏合劑PVP-K30的用量決定了泡騰劑能否成功將有效成分及風(fēng)味釋放出來(lái)。

圖5 五味子浸膏添加量、蛋白糖與泡騰劑總量、PVP-K30用量的交互作用的響應(yīng)面及等高線

2.5 優(yōu)化條件的確定和模型驗(yàn)證

通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得出五味子泡騰顆粒固體飲料的最優(yōu)制備工藝為五味子浸膏添加量9.28%、蛋白糖與泡騰劑總量21.34%、黏合劑PVP-K30用量1.65%，感官評(píng)分預(yù)測(cè)值為92.53分。為了便于操作，對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整為五味子浸膏添加量9.3%、蛋白糖與泡騰劑總量21.3%、黏合劑PVP-K30用量1.7%。采用此條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到五味子泡騰顆粒固體飲料的感官評(píng)分為94.3分，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為1.9%，表明該預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)情況較符合，具有一定的參考價(jià)值。

2.6 理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

五味子泡騰顆粒劑溶于水呈黃褐色，口味酸甜，無(wú)澀味，感官優(yōu)良。根據(jù)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料的理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果為水分1.8 g/100 g、灰分3.3 g/100 g、溶化時(shí)間48 s；微生物指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果為菌落總數(shù)35 CFU/g、大腸菌群1.8 MPN/g，未檢出其他致病菌。五味子泡騰顆粒固體飲料的各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB 7101—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 飲料》的規(guī)定。

3 結(jié)論

本研究以五味子為原料，采用PEG-6000包裹技術(shù)制備泡騰顆粒劑。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)五味子泡騰顆粒固體飲料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)工藝為五味子浸膏添加量9.3%、蛋白糖與泡騰劑總量21.3%、黏合劑PVP-K30用量1.7%。采用此工藝制備的五味子泡騰顆粒固體飲料的感官評(píng)分為94.3分，大腸菌群1.8 MPN/g、菌落總數(shù)35 CFU/g，未檢出其他致病菌，說(shuō)明該工藝參數(shù)是可靠的，可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供較好的參考價(jià)值。