響應面法優(yōu)化核桃營養(yǎng)代餐粉配方的研究

柳 青，黃廣學，張江寧，馬長路，田文靜，梁 婕

（1.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 食品與生物工程系，北京102442; 2.山西農(nóng)業(yè)大學 山西功能食品研究院，太原030031）

核桃又叫姜桃、胡桃，富含豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素B1、維生素B2、維生素E 及磷、鈣[1]，以及α-亞麻酸和褐花酸[2-3]，其中蛋白質(zhì)中含有18 種氨基酸，包含8 種人體必需氨基酸[4]，具有預防和緩解II 型糖尿病，降低膽固醇，抑制癌細胞生長等功效[5]。 2018 年，我國核桃的年產(chǎn)量高達100 萬t，居世界之首，然而加工率較低。 目前，對于核桃產(chǎn)品的研究主要集中在核桃乳、核桃油、核桃酥、核桃粉等[6-7]。 趙見軍等[8]對原味、甜味等4 種不同風味速溶核桃粉配方進行研究，其中原味核桃粉配方中白砂糖、低脂奶粉、植脂末添加量分別為5．0%、6．0%、4．0%；陳義勇等[9]以核桃粕為原料，利用噴霧干燥法制備營養(yǎng)核桃粉，結果表明, 蔗糖脂肪酸酯添加量為4%，β-環(huán)糊精添加量為1．4%。 前人對于核桃粉的研究大多集中在核桃粉的風味改善方面，未關注到核桃粉營養(yǎng)搭配及中老年人、特殊人群的膳食需求等方面，產(chǎn)品的營養(yǎng)素較為單一，且通過市場調(diào)研表明,目前銷售的核桃粉蛋白質(zhì)含量約為5%[10]，不能滿足消費者對于營養(yǎng)健康的需求。 因此，為制備出營養(yǎng)均衡的核桃代餐粉，需要對核桃代餐粉的配方進行優(yōu)化。 本研究以核桃、黑米和黑豆為主要原料，輔以紅棗、紫薯，進行蛋白質(zhì)和氨基酸營養(yǎng)互相強化， 克服單一原料營養(yǎng)的不足， 并通過響應面分析和模糊數(shù)學感官評價方法優(yōu)化核桃營養(yǎng)代餐粉的制作配方，使其氨基酸組成接近FAO/WHO 提出的合理膳食標準模式[11]，發(fā)揮營養(yǎng)學中氨基酸評分的作用[12]，滿足人們對營養(yǎng)配餐、蛋白質(zhì)互補、必需氨基酸強化方面的需求[13]。 沖調(diào)后的產(chǎn)品呈糊狀或者流食狀，尤其適合于中老年人、康復期間患者等膳食需要，以期為今后核桃相關產(chǎn)品開發(fā)與推廣提供理論依據(jù)和技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃由北京房山區(qū)佛子莊鄉(xiāng)石板房村提供；黑豆、黑米、紅棗、紫薯均為市售；混合氨基酸標準品、色氨酸標準品（美國Sigma 公司）；NaOH、HCl、茚三酮、檸檬酸鈉、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、甲基紅指示劑、95%乙醇等試劑均為分析純。

1.2 儀器設備

主要儀器設備為：凱氏定氮儀（FOSS 分析儀器公司）、自動氨基酸分析儀（L-8800，日本日立公司）、電熱消解儀（FOSS 分析儀器公司）、電熱恒溫鼓風干燥箱（DL-101，天津市環(huán)實驗電路有限公司）、電烤箱（ATOM09PACA，北美電器有限公司）、電子天平（YP1002 型，上海儀田精密儀器有限公司）、雙聯(lián)電爐（DL-1，惠州市宏業(yè)儀器有限公司）、超微粉碎機（FW177，天津市泰斯特儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程 主要工藝流程為：

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 原料選擇與處理 選擇新鮮、果仁飽滿、無病蟲霉變的核桃，剝殼去皮；選擇飽滿、無霉變的黑米、黑豆、紅棗和紫薯，用清水沖洗干凈。

1.3.2.2 核桃去皮 參照溫凱等[14]的方法，核桃仁外有一層種皮帶有色素和苦澀味，會對核桃營養(yǎng)代餐粉產(chǎn)品的色澤和風味產(chǎn)生影響，利用稀堿液在一定的溫度下浸泡核桃仁，使得皮與核桃仁之間的果膠層先被溶解，皮塊較為容易去掉。 本試驗在溫度為60～70℃下，采用1%NaOH 溶液浸泡3min 后，用大量清水將脫皮的核桃仁漂洗干凈。

1.3.2.3 烘烤 參照余少華[15]的方法，略有改動。為保證產(chǎn)品良好的風味和最佳的營養(yǎng)性能，經(jīng)課題前期試驗確定核桃的烘烤溫度為80℃，時間20min；黑米烘烤溫度為80℃，時間2h；黑豆烘烤溫度為110℃，時間20min；將切片后的紅棗和紫薯放入鼓風干燥箱中，在80℃的條件下，低溫烘烤4h。

1.3.2.4 粉碎稱量 將烘干后的核桃、黑米、黑豆、紅棗、紫薯用超微粉碎機分別粉碎后，過100 目的篩，然后再按比例進行稱量。

1.3.2.5 調(diào)配 首先將核桃粉、黑米粉和黑豆粉按照比例混合成復合粉，然后根據(jù)響應面分析設計的配方，將核桃復合粉（核桃、黑米、黑豆）與紅棗粉、紫薯粉進行混合調(diào)配。

1.3.2.6 包裝 將按比例搭配好的各種粉料，按量配比后進行包裝即得成品。

1.3.3 蛋白質(zhì)、氨基酸的測定 蛋白質(zhì)的測定：參照GB 5009．5-2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》[16]；氨基酸的測定：參照GB 5009．124-2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》[17]。

1.3.4 核桃、黑米、黑豆混合配比的確定 參考BANO 等[18]的方法，氨基酸評分（AAS）是目前應用廣泛的一種食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值評價方法，F(xiàn)AO／WHO 標準氨基酸評分見表1。

表1 FAO／WHO 標準氨基酸評分Table 1 Standard amino acids content of FAO/WHO

根據(jù)核桃、黑米、黑豆的氨基酸測定結果，參照FAO／WHO 提供的必需氨基酸組成標準模式，計算各原料的氨基酸評分，以此確定核桃、黑米、黑豆的混合配比。 計算公式為：

式中：AA 為待測食物每克蛋白質(zhì)中氨基酸含量（mg·g-1）。

1.3.5 單因素試驗設計 將核桃、黑米、黑豆混合的固定配比的核桃粉簡稱為復合粉。 在原料添加量相同的情況下，通過預試驗研究，復合粉添加量、紅棗粉添加量、紫薯粉添加量的固定值分別為55，14，24g，分別對復合粉添加量（35，45，55，65，75g）、紅棗粉添加量（6，10，14，18，22g）和紫薯粉添加量（16，20，24，28，32g）設計單因素試驗，研究對核桃營養(yǎng)代餐粉的感官品質(zhì)的影響。

1.3.6 響應面試驗優(yōu)化核桃營養(yǎng)代餐粉配方 根據(jù)單因素試驗結果，以復合粉添加量（A）、紅棗粉添加量（B）、紫薯粉添加量（C）為3 個因素，并以核桃營養(yǎng)代餐粉的模糊感官綜合評分為響應值（Y），各因素水平見表2。

1.3.7 核桃營養(yǎng)代餐粉的感官評價 取產(chǎn)品100g 加入95℃，200mL 的水沖調(diào)，待充分攪拌均勻后由10 名專業(yè)感官評價員按照表3 的感官評價標準進行感官評價[19]。

1.3.8 模糊綜合評價 設定影響核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)的指標集合，表示方式為：

核桃營養(yǎng)代餐粉的感官評價采用百分制的原則，其中，一級為91～100 分，二級為81～90 分，三級為61～80分，四級為41～60 分，五級為20～40 分。 根據(jù)各因素在核桃營養(yǎng)代餐粉感官評價中的重要性，設權重集為X=（0．1，0．2，0．4，0．2，0．1）。 根據(jù)模糊矩陣的計算方法進行模糊評判，由Y=XR 得到每個產(chǎn)品感官評分。

表2 響應面試驗因素水平Table 2 The factor level of the response surface methodology

2 結果與分析

2.1 核桃、黑米、黑豆的混合配比

采用凱氏定氮法測得核桃、黑米和黑豆中的蛋白質(zhì)含量分別為16．1，9．4，36．1g·100g-1，核桃、黑米、黑豆蛋白質(zhì)氨基酸的含量見表4。 核桃和黑豆含有較為豐富的異亮氨酸，分別為6．95mg·g-1和14．87mg·g-1，黑米中的亮氨酸為6．71mg·g-1。

由表5 可知，核桃、黑米、黑豆單一作為原料時，氨基酸模式結構都不均衡。 氨基酸評分值低于100 的為限制性氨基酸，其中最小的為第一限制氨基酸[20]?？芍颂?、黑米的第一限制氨基酸為賴氨酸，其氨基酸評分分別為63 和57，黑豆的賴氨酸遠高于核桃和黑米，補償了谷物蛋白中賴氨酸不足的缺陷；黑豆的第一限制氨基酸為蛋氨酸和胱氨酸，其氨基酸評分為32，而核桃和黑米含有豐富的蛋氨酸和胱氨酸，氨基酸評分分別為82 和182。

表3 核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)評分標準Table 3 Scoring standard of sensory quality for walnut nutritional meal replacement powder

表4 核桃、黑米、黑豆蛋白質(zhì)和氨基酸的含量Table 4 Amino acids contents in protein of walnut, black rice and black bean

表5 核桃、黑米、黑豆的氨基酸評分Table 5 Amino acid score of walnut, black rice and black bean

由于核桃復合粉中有3 種谷物需要進行配方計算，可將核桃與黑豆，黑豆與黑米分別搭配計算。 根據(jù)營養(yǎng)強化的原理，為提高氨基酸營養(yǎng)的均衡性，在核桃和黑米的賴氨酸評分分別為63 和57 以及黑豆蛋氨酸+胱氨酸的氨基酸評分為32 的基礎上，擬設定復合粉蛋白質(zhì)互補之后氨基酸評分為80 分[21]。

（1）核桃與黑豆搭配的計算。 設配方中黑豆必需氨基酸用量為X，核桃的氨基酸為Y，根據(jù)表5 核桃、黑米、黑豆的氨基酸評分，則有：

（2）黑豆與黑米相互搭配計算。 設配方中黑米必需氨基酸用量為Z，黑豆的氨基酸為X，根據(jù)表5 核桃、黑米、黑豆的氨基酸評分，則有：

式（1）和式（2）相加除以2，得出：X=0．4282，Y=0．4399，Z=0．1661。

（3）氨基酸評分的改變。 經(jīng)過營養(yǎng)強化后，核算原第一限制必需氨基酸的評分：

強化后原第二限制氨基酸的評分

蘇氨酸：84×0．4399+75×0．1661+96×0．4282=91

經(jīng)過營養(yǎng)強化后，核桃復合粉原料中賴氨酸和蛋氨酸+胱氨酸的氨基酸評分均達到80，蘇氨酸的氨基酸評分達到91，因此利用蛋白質(zhì)互補作用，氨基酸模式值趨于平衡，提高了核桃代餐粉產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。

（4）原料用量的計算。

原料用量=原料蛋白質(zhì)必需氨基酸用量/（原料蛋白質(zhì)含量×在蛋白質(zhì)中含有必需氨基酸含量）

即每100g 的復合粉中，核桃、黑米、黑豆的固定比例為54∶28∶18。 即單因素試驗中35，45，55，65，75g 復合粉中，35g 的復合粉中核桃、黑米、黑豆的添加量分別為18．90，9．80，6．30g；45g 的復合粉中核桃、黑米、黑豆的添加量分別為24．30，12．60，8．10g；55g 的復合粉中核桃、黑米、黑豆的添加量分別為29．70，15．40，9．90g；65g 的復合粉中核桃、黑米、黑豆的添加量分別為35．10，18．20，11．70g；75g 的復合粉中核桃、黑米、黑豆的添加量分別為40．50，21．00，13．50g。

2.2 單因素試驗

2.2.1 復合粉添加量對感官品質(zhì)的影響 由圖1 可知，在35～55g 的添加量范圍內(nèi)，隨著復合粉添加量的增加，感官評分升高，在55g 時感官評分達到最大值。 當復合粉添加量過少時，口感不純正，核桃香味不明顯；復合粉添加量大于60g 時，核桃苦味過濃，因此確定復合粉的添加量為55g。

2.2.2 紅棗粉添加量對感官品質(zhì)的影響 由圖2 可知，在6～14g 添加量范圍內(nèi)，隨著紅棗粉添加量的增加，感官評分升高，在14g 時感官評分達到最大值。 紅棗粉添加量過少時，達不到增香調(diào)味的效果；添加量過多時，則棗香味過重，掩蓋了核桃香味，因此可以初步確定紅棗粉添加量為14g。

2.2.3 紫薯粉添加量對感官品質(zhì)的影響 由圖3 可知，當紫薯粉添加量在16～24g 范圍內(nèi)，隨著紫薯粉添加量增加，感官評分升高，在24g 時感官評分達到最大值。其原因是紫薯粉添加量會影響成品的粘稠度，添加量過少時成品不能成糊狀；添加量過多時，核桃營養(yǎng)代餐粉顏色較深而且過于黏稠，會掩蓋成品的風味，因此可以初步確定紫薯粉的添加量為24g。

圖1 復合粉添加量對核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)的影響Figure 1 Effect of compound powde radding amount on sensory quality of walnut nutritional meal replacement powder

圖2 紅棗粉添加量對核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)的影響Figure 2 Effect of jujube powder adding amount on the sensory quality of walnut nutritional meal replacement powder

圖3 紫薯粉添加量對核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)的影響Figure 3 Effect of purple potato powder adding amounton sensory quality of walnut nutritional meal replacement powder

2.3 感官評價

采用模糊數(shù)學評價的方法感官評價， 根據(jù)響應面試驗方案設計制作相應的17 組核桃營養(yǎng)代餐粉配方，由10 名感官評價員對產(chǎn)品的色澤、香氣、滋味、沖調(diào)性以及組織形態(tài)5 個方面進行評價，其中配方1 的感官評價結果見表6。由表6 可知，色澤=[0．3,0．5,0．2,0．0,0．0]，同理可得，香氣=[0．3,0．3,0．3,0．1,0．0]，把5 個因素的評定結果轉化為矩陣：

根據(jù)模糊數(shù)學評價模型[22]：B=XR，其中權重系數(shù)X 根據(jù)表3 核桃營養(yǎng)代餐粉感官品質(zhì)評分標準確定，色澤、香氣、滋味、沖調(diào)性以及組織形態(tài)的權重分別為0．1，0．2，0．4，0．2，0．1，則對第n 號樣品綜合評定結果為：Bn=XRn，因此配方1 樣品的綜合評定結果為：

表6 配方1 的感官評定結果Table 6 The sensory evaluation of formulation 1

按照此方法對各個配方樣品的綜合模糊評定,歸一化后得出每個樣品的最后總分，見表7。

2.4 響應面分析和優(yōu)化

利用Design Expert10．0 軟件對試驗結果進行二次多元回歸擬合， 回歸方程為： Y=90．78+3．09A-1．54B+1．67C-0．63AB+2．40AC-0．85BC-0．68A2-4．73B2-4．00C2式中：A 為復合粉添加量；B 為紅棗粉添加量；C 為紫薯粉添加量。

由表8 可知，方差分析顯示，該回歸方程p＜0．05，表示模型顯著；而失擬項不顯著（p＞0．05），說明回歸方程的擬合程度很好，因此該響應面試驗能夠真實充分地反映試驗結果。 回歸方程方差分析中F 檢驗結果表明，對核桃營養(yǎng)代餐粉感官評分影響的主次順序為：A＞C＞B，即復合粉的添加量對感官評分影響最大，其次是紫薯粉，最后是紅棗粉。A（復合粉）、B2(紫薯粉)、C2(紅棗粉)對核桃營養(yǎng)代餐粉感官影響顯著（p＜0．05），二次項A2對核桃營養(yǎng)代餐粉感官影響達到極顯著水平（p＜0．01）。

交互作用根據(jù)響應面的等高線來判斷[23]。 由圖4 可知，復合粉添加量對核桃營養(yǎng)代餐粉感官評分的影響都比較陡峭，說明對核桃營養(yǎng)代餐粉的感官品質(zhì)影響顯著，各因素之間交互作用沒有顯著影響。 通過響應面軟件對數(shù)據(jù)進行模擬分析，優(yōu)化得出核桃營養(yǎng)代餐粉制作配方的優(yōu)化結果。 即復合粉（核桃粉33．23%、黑米粉17．23%、黑豆粉11．08%）、紅棗粉13．15%、紫薯粉25．31%，可以預測出該核桃營養(yǎng)代餐粉的模糊感官綜合評分為93．5。 為驗證該回歸模型的準確性，采用上述最佳工藝條件進行驗證試驗，做3 組平行實驗得到核桃營養(yǎng)代餐粉的感官評分為94．2，與預測值吻合良好。因此,響應面分析方法優(yōu)化得到的核桃營養(yǎng)代餐粉配方是可靠的，具有實際應用價值。

表7 響應面分析方案及試驗結果Table 7 The response surface analysis program and result

表8 回歸模型的方差分析Table 8 Variance analysis of the fitted regression model

圖4 各因素及交互作用對核桃營養(yǎng)代餐粉感官評分的影響Figure 4 Effect interaction of various factors and interactions on sensory score of walnut nutrional meal substitute meal replacement powder

3 討論與結論

蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值與氨基酸組成密切相關，氨基酸作為蛋白質(zhì)的基本組成單位，對生物體的代謝活動有著調(diào)節(jié)作用，異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸具有延遲及快速消除運動性疲勞、改善肝功能作用，酪氨酸和蛋氨酸具有抗氧化功能[24]。 目前，評價蛋白質(zhì)價值的方式是將樣品氨基酸組成比例與國際通用的FAO/WHO 氨基酸評分模式進行比較，氨基酸評分越高其蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值越高。

羅新也等[25]根據(jù)蛋白質(zhì)互補原則研制了五谷雜糧粥，將黑豆、蕎麥、燕麥、黑米、豌豆五種谷物合理配比，提高了湯底沖調(diào)粉和營養(yǎng)小粒包的營養(yǎng)價值。 這與本研究結論一致，經(jīng)過營養(yǎng)強化后，核桃復合粉原料中賴氨酸和蛋氨酸+胱氨酸的氨基酸評分均達到80，蘇氨酸的氨基酸評分達到91。 HARGETT 等[26]將大豆、土豆、雞蛋按照一定的比例混合后添加到焙烤或油炸餡餅中，可顯著提高蛋白質(zhì)的功效比，其蛋白質(zhì)生物價與酪蛋白相當。核桃、黑米、黑豆是我國傳統(tǒng)藥食兼用的農(nóng)產(chǎn)品資源。 本研究以核桃、黑米、黑豆、紅棗、紫薯為主要原料，根據(jù)蛋白質(zhì)互補和營養(yǎng)素間協(xié)同作用原則，參照FAO 和WHO 研究提供的符合人體需要的8 種必需氨基酸模式值計算合理配比，從而使核桃營養(yǎng)代餐粉產(chǎn)品中的營養(yǎng)搭配趨于平衡，提高人體的吸收利用率，得出核桃復合粉中核桃、黑米、黑豆的固定配比為54∶28∶18。

通過單因素試驗初步確定核桃復合粉添加量、紅棗粉添加量、紫薯粉添加量等因素的取值范圍，采用響應面分析結合模糊數(shù)學評價法最終得出核桃營養(yǎng)代餐粉的最佳配方：即復合粉（核桃粉33．23%、黑米粉17．23%、黑豆粉11．08%）、紅棗粉13．15%、紫薯粉25．31%。 應用本配方生產(chǎn)的核桃營養(yǎng)代餐粉克服單一原料的營養(yǎng)不足，滿足人們對營養(yǎng)配餐、蛋白質(zhì)互補方面的需求，沖調(diào)后產(chǎn)品呈糊狀或者流食狀，營養(yǎng)豐富，風味獨特，尤其適合于中老年人、康復期間患者流食等膳食需要。