燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料配方優(yōu)化及工藝研究

宋 昊，闕 斐

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院應(yīng)用工程學院，浙江 杭州 310018）

燕麥（Avena sativa L.）為禾本科植物，是一類營養(yǎng)十分豐富的“雜糧”谷物，被入選為2017 中國營養(yǎng)學會公布的“十大中國好谷物”[1]。鷹嘴豆（Cicer arietinum Linn.）作為全球第二大消費豆類，其蛋白質(zhì)含量占籽粒干重的15%～30%，含有10 余種人體所需的氨基酸，因此享有“豆中之王”、“珍珠果仁”和“黃金豆”的美譽[2]。燕麥和鷹嘴豆必需氨基酸齊全，但各自氨基酸組成卻與聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織（FAO/WHO）推薦模式有一定差距，食物中含量較低的必需氨基酸被稱為限制性氨基酸，限制性氨基酸會嚴重影響蛋白質(zhì)的利用價值[3-4]。早在上世紀就有人提出兩種食物的蛋白質(zhì)之間可以取長補短，發(fā)展至今已逐步成為一套理論：食物蛋白質(zhì)互補原理。劉穎等[5]利用蛋白質(zhì)互補原理對米糠蛋白粉和乳粉加以復(fù)配，結(jié)果顯示，復(fù)配米糠蛋白粉的營養(yǎng)價值明顯提高。燕麥中第一限制氨基酸是賴氨酸和蛋氨酸，鷹嘴豆中第一限制氨基酸是蘇氨酸，因此如果通過科學的評價方法，將燕麥和鷹嘴豆按比例復(fù)配，可提高蛋白質(zhì)的生物價，增加農(nóng)產(chǎn)品的利用率，其應(yīng)用前景廣闊[6-7]。

目前關(guān)于谷物豆類復(fù)合產(chǎn)品較少，種類較為單一，而使用谷物豆類制作天然植物復(fù)合蛋白飲料鮮有報道[8]。由于谷物蛋白飲品生產(chǎn)中易出現(xiàn)口感差、品質(zhì)低等諸多工藝問題，因此本研究在燕麥和鷹嘴豆復(fù)配的基礎(chǔ)上，著重從工藝方面對復(fù)合飲料進行工藝參數(shù)及配方的優(yōu)化，探究設(shè)計復(fù)合飲料的感官評價方法并以此篩選最佳調(diào)配輔料配方；考察不同穩(wěn)定劑組合對復(fù)合飲料穩(wěn)定性的影響以此優(yōu)化復(fù)配穩(wěn)定劑配方。本研究旨在提高燕麥和鷹嘴豆等谷物豆類蛋白的利用效率，探討復(fù)合飲料的最佳工藝，進一步提高燕麥、鷹嘴豆的利用價值，對促進谷物資源的創(chuàng)新加工及提高谷物飲料貯藏品質(zhì)具有實用價值和創(chuàng)新意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

燕麥：光明米業(yè)（集團）有限公司產(chǎn)品；鷹嘴豆：沈陽信昌糧食貿(mào)易有限公司產(chǎn)品；黃原膠、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、海藻酸鈉和檸檬酸（以上均為食品級）：購于河南萬邦實業(yè)有限公司；白砂糖（食品級）：購于上海怡神保健食品有限公司；混合氨基酸標準品：購于西格瑪（Sigma）公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

Kjeltec-8400 型全自動凱氏定氮儀，瑞典福斯（Foss）公司；ICS-3000 型氨基酸分析儀，戴安（Dionex）公司；L18-Y901 型破壁機，九陽股份有限公司；XY600B 多功能粉碎機，永康小寶電器公司；DS-1 型高速組織搗碎機，上海標本模型廠；ME1002E 型電子天平，北京中儀公司；JM-L50 型膠體磨，廣州恒東機械設(shè)備科技有限公司；AH2000 型高壓均質(zhì)機，ATS 工業(yè)系統(tǒng)有限公司；TGL-15B 型離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

燕麥、鷹嘴豆→預(yù)處理→磨粉、按比例復(fù)配→膠體磨剪切、過濾→調(diào)配（白砂糖、穩(wěn)定劑等）→均質(zhì)脫氣→灌裝→滅菌→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料預(yù)處理

經(jīng)過篩選、除雜后，選擇飽滿、無霉變的脫殼燕麥米和鷹嘴豆，清洗干凈、晾干備用。

1.2.2.2 磨粉

將燕麥和鷹嘴豆磨成粉（過60 目篩），置于恒溫干燥箱（60 ℃）中烘干至恒重，備用。

1.2.2.3 膠體磨剪切及過濾

將燕麥鷹嘴豆復(fù)合谷豆粉與一定比例清水混合，通過膠體磨處理，將獲得的谷豆?jié)鉂{過100 目篩以進行粗濾。

1.2.2.4 調(diào)配

將蔗糖、穩(wěn)定劑和乳化劑等輔料依次加入到濃漿中，混合并攪拌均勻，調(diào)節(jié)飲料pH 值至6.8～7.2。

1.2.2.5 均質(zhì)

參考唐雪燕等[9]的方法，略有改動：第1 次均質(zhì)壓力為20 MPa，第2 次均質(zhì)壓力為25 MPa，溫度為65～80 ℃。

1.2.2.6 灌裝、殺菌

將均質(zhì)后的谷豆?jié)鉂{加熱至95 ℃封裝，121 ℃滅菌15 min，即得燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料成品。

1.2.3 燕麥和鷹嘴豆混合配比的篩選

參照羅新也等[10]的方法，根據(jù)燕麥和鷹嘴豆的氨基酸測定結(jié)果，以FAO/WHO 提出的理想氨基酸評分模式（見表1），對燕麥和鷹嘴豆的氨基酸評分（AAS）進行計算，以此確定燕麥和鷹嘴豆混合配比。計算公式如下：

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

式中：AA 為被測食物中每克蛋白質(zhì)中氨基酸含量，mg/g。

1.2.4 燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料配方優(yōu)化試驗設(shè)計

1.2.4.1 單因素試驗設(shè)計

初步選擇料液比（燕麥鷹嘴豆復(fù)合粉∶水）為1∶14（g/mL），白砂糖添加量15 g/L，檸檬酸添加量3 g/L為基礎(chǔ)條件，以感官評分為評價指標，考察料液比（1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18（g/mL））、白砂糖添加量（5、10、15、20、25 g/L）、檸檬酸添加量（1、2、3、4、5 g/L）對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料感官品質(zhì)的影響。

1.2.4.2 正交試驗設(shè)計

在前期單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交試驗設(shè)計，對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料配方進行優(yōu)化。正交試驗因素與水平設(shè)計見表2。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Orthogonal factor level table

1.2.4.3 感官評定

參考任建軍[11]的方法，分別從色澤、風味、組織狀態(tài)和滋味4 個方面對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料進行感官評價。采取雙盲法，選取10 位經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的食品專業(yè)學生按照表3 的感官評價標準進行評分，取平均值作為最終得分。

表3 燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評分標準Table 3 Sensory evaluation criteria of oat-chickpea compound beverage

1.2.5 復(fù)合飲料穩(wěn)定性優(yōu)化試驗設(shè)計

1.2.5.1 單因素試驗設(shè)計

在燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料最佳配方基礎(chǔ)上，同時參考龐震鵬[12]的試驗設(shè)計，初始選定CMC-Na 添加量1.5 g/L、黃原膠添加量0.4 g/L、海藻酸鈉添加量0.3 g/L，以飲料離心沉淀率為評價指標（設(shè)定穩(wěn)定劑添加量范圍內(nèi)，復(fù)合飲料感官評分差異不顯著，在評價單一穩(wěn)定劑對試驗結(jié)果的影響時，其他穩(wěn)定劑的添加量不變），考察CMC-Na 添加量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L）、黃原膠添加量（0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 g/L）、海藻酸鈉添加量（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L）對復(fù)合飲料穩(wěn)定性的影響。

1.2.5.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，依據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以CMC-Na、黃原膠、海藻酸鈉添加量為自變量，以離心沉淀率為響應(yīng)值，設(shè)計3 因素3 水平響應(yīng)面試驗，對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料復(fù)配穩(wěn)定劑配方進行優(yōu)化，試驗因素和水平見表4。

表4 Box-Behnken 設(shè)計因素水平表Table 4 Factors and levels for Box-Behnken design單位：g/L

1.2.6 測定項目與方法

1.2.6.1 蛋白質(zhì)含量

根據(jù)GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》[13]規(guī)定的方法進行測定。其中，燕麥換算系數(shù)為5.83，鷹嘴豆換算系數(shù)為6.25。

1.2.6.2 氨基酸含量

參照GB 5009.124—2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》[14]規(guī)定的方法進行測定。

1.2.6.3 離心沉淀率

參考王昌陵等[15]的方法，將均質(zhì)完成的燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料在室溫下靜置24 h，準確移取10 mL 至15 mL 離心管中，于4 000 r/min 離心10 min 后取出，棄上清液后用濾紙吸除管壁上殘留液體，準確稱量沉淀物質(zhì)量（精確至0.001 g）。離心沉淀率越低，表示復(fù)合飲料越不易沉淀，穩(wěn)定性越好，計算公式如下：

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 20 軟件進行正交試驗和方差分析，所有指標重復(fù)測定4 次，結(jié)果以xˉ±s 表示，運用Excel 2016 繪制圖形，Design-Expert 8.0.6 軟件進行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥鷹嘴豆氨基酸評分及混合配比試驗結(jié)果

燕麥和鷹嘴豆的蛋白質(zhì)含量分別為13.5 g/100 g和22.1 g/100 g，其氨基酸含量見表5。

表5 燕麥、鷹嘴豆蛋白質(zhì)和氨基酸含量Table 5 Protein and amino acids contents of oat and chickpea

由表6 可知，蛋氨酸+胱氨酸是燕麥的第一限制氨基酸，蘇氨酸是鷹嘴豆的第一限制氨基酸，作為單一原料使用時，其氨基酸構(gòu)成與FAO/WHO 標準氨基酸模式存在較大差別，氨基酸模式不均衡。鷹嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸含量豐富，氨基酸評分為151，燕麥米中蘇氨酸含量比鷹嘴豆含量高，氨基酸評分為90，故可將燕麥和鷹嘴豆進行合理復(fù)配，使其更符合人體所需要的模式。

表6 燕麥、鷹嘴豆氨基酸評分Table 6 Amino acid score of oat and chickpea

根據(jù)氨基酸互補原理，在燕麥蛋氨酸+胱氨酸評分為63，鷹嘴豆蘇氨酸評分為67 的基礎(chǔ)上，假設(shè)互補配方中燕麥必需氨基酸用量為X，鷹嘴豆必需氨基酸用量為Y，根據(jù)低成本、高營養(yǎng)的原則經(jīng)多次計算擬選擇蛋白質(zhì)互補之后的氨基酸評分為80。

蛋氨酸+胱氨酸評分：63X+151Y=80

蘇氨酸評分分數(shù)：90X+67Y=80

可得：X=0.72，Y=0.23

經(jīng)過核算，復(fù)配后的燕麥鷹嘴豆中蛋氨酸+胱氨酸評達到80.09，蘇氨酸的氨基酸評分達到80.21。

計算燕麥、鷹嘴豆在配方里的用量：

式中：Ly 為配方中原料用量；Lb 為配方中蛋白質(zhì)必需氨基酸用量；Ha 為某種原料蛋白質(zhì)含量，%；Hy 為蛋白質(zhì)中含必需氨基酸含量，%。

燕麥：0.72/（13.5%×38.67%）=13.79

鷹嘴豆：0.23/（22.1%×58.15%）=1.79

即燕麥、鷹嘴豆添加量最佳質(zhì)量配比為138∶18。

2.2 燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料配方優(yōu)化單因素試驗結(jié)果

2.2.1 料液比對復(fù)合飲料感官品質(zhì)的影響

由圖1 可知，隨著料液比的增大，復(fù)合飲料的感官評分呈先上升后下降的趨勢。當料液比為1∶16（g/mL）時，復(fù)合飲料的感官評分最高，為89±0.91 分。當繼續(xù)增大水添加量時，推測復(fù)合飲料口感寡淡導(dǎo)致感官評分下降。故在保證不破壞復(fù)合飲料適口性條件下，確定最佳料液比為1∶16（g/mL）。

圖1 料液比對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評分的影響Fig.1 Effect of material to water ratio on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.2 白砂糖添加量對復(fù)合飲料感官品質(zhì)的影響

由圖2 可知，隨著白砂糖添加量的增加，復(fù)合飲料的感官評分逐漸增加。其中白砂糖添加量為20 g/L時，飲料口感最好，感官評分為91.25±1.31 分。當白砂糖添加量達到25 g/L 時，復(fù)合飲料感官評分略有下降，但不顯著。因此從成本及健康角度考慮，選擇將白砂糖添加量20 g/L 作為最佳添加量推薦。

圖2 白砂糖添加量對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評分的影響Fig.2 Effect of addition of white sugar on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.2.3 檸檬酸添加量對復(fù)合飲料感官品質(zhì)的影響

由圖3 可知，檸檬酸添加量為2 g/L 時，燕麥、鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評分為91.50±0.64 分，此時的飲料酸甜適口，谷物風味濃郁，評分最高。當檸檬酸添加量為1 g/L 時，復(fù)合飲料感官評定得分略低于其添加量為2 g/L 時，但差異不顯著。當繼續(xù)逐漸增大飲料中檸檬酸添加量時，復(fù)合飲料感官評分值顯著下降，推測原因為，隨著檸檬酸含量增加，飲料變得酸澀讓人難以接受，故影響飲料感官評分。故推薦檸檬酸的添加量為1～2 g/L。

圖3 檸檬酸添加量對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料感官評分的影響Fig.3 Effect of addition of citric acid on sensory score of oat-chickpea compound beverage

2.3 燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗所得的試驗參數(shù)范圍，選擇料液比（A）、白砂糖添加量（B）和檸檬酸添加量（C）3 個因素進行正交試驗，以確定燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料最佳工藝配方。由表7 可知，各因素對復(fù)合飲料感官評分影響的大小排序為B＞C＞A，說明在設(shè)定的范圍內(nèi)白砂糖添加量影響作用最大，檸檬酸添加量次之，料液比影響最??；最佳燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料工藝配方為A2B2C2，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，檸檬酸添加量2 g/L，根據(jù)A2B2C2重新調(diào)配復(fù)合飲料進行感官評定，得分為88.63±0.97 分。由表8 方差分析可以看出，白砂糖添加量對感官品質(zhì)的影響極顯著（P＜0.01），檸檬酸添加量對感官品質(zhì)的影響顯著（P＜0.05），而料液比的影響不顯著。

表7 復(fù)合飲料配方優(yōu)化正交試驗結(jié)果Table 7 Orthogonal test results for optimization of composite beverage formulation

表8 方差分析表Table 8 Variance analysis table

2.4 復(fù)合飲料穩(wěn)定劑優(yōu)化單因素試驗結(jié)果

在未使用穩(wěn)定劑的情況下，復(fù)合飲料離心沉淀率為20.63%±0.85%。由圖4 可知，隨著3 種穩(wěn)定劑添加量的增加，復(fù)合飲料的離心沉淀率均呈先降低后上升的趨勢。當CMC-Na 添加量為1.0 g/L 時，穩(wěn)定性最高，離心沉淀率為13.08%±0.31%。CMC-Na 添加量大于1.0 g/L 后，復(fù)合飲料離心沉淀率上升，即穩(wěn)定性下降，這可能是隨著CMC-Na 和燕麥及鷹嘴豆谷豆蛋白質(zhì)之間靜電相互作用加強，導(dǎo)致乳濁體系由排斥絮凝轉(zhuǎn)變?yōu)闃蚪有跄瑥亩鴮?dǎo)致穩(wěn)定性大大降低[16]。當黃原膠添加量為0.4 g/L 時，此時復(fù)合飲料離心沉淀率為14.90%±0.06%，但隨著黃原膠添加量的增加，離心沉淀率逐步增加，這可能由于黃原膠在復(fù)合飲料加工工藝中受熱，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起體系絮凝[17]。當海藻酸鈉添加量為0.2 g/L 時，離心沉淀率為14.98%±0.12%，此時復(fù)合飲料穩(wěn)定性最高。同樣繼續(xù)添加海藻酸鈉，穩(wěn)定性下降，離心沉淀率上升，原因可能由于加工過程中熱處理和剪切導(dǎo)致分子尺寸減小，黏度下降[18]。

圖4 3 種穩(wěn)定劑對復(fù)合飲料離心沉淀率的影響Fig.4 Effect of three stabilizers on centrifugal sedimentation rate of composite beverage

2.5 復(fù)合飲料穩(wěn)定劑響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

2.5.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

基于單因素試驗結(jié)果，利用Design-Expert 8.0.6軟件采用Box-Behnken 設(shè)計原理，以復(fù)合飲料離心沉淀率為響應(yīng)值（Y）進行響應(yīng)面試驗優(yōu)化，試驗設(shè)計及結(jié)果見表8。

表8 復(fù)合飲料穩(wěn)定劑優(yōu)化Box-Behnken 試驗設(shè)計與結(jié)果Table 8 Design and results of Box-Behnken tests for composite beverage stabilizer optimization

2.5.2 響應(yīng)面回歸模型的建立與分析

采用軟件對表8 中數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合分析，確定響應(yīng)面的回歸方程為：Y=12.90+0.80X1-0.93X2-0.65X3-0.088X1X2+0.095X1X3-0.56X2X3+0.91X21+0.81X22+0.97X23。

復(fù)合飲料穩(wěn)定劑響應(yīng)面回歸模型方差分析見表9。由表9 可以看出，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著，決定系數(shù)R2=0.982 4，校正決定系數(shù)R2adj=0.959 8，說明該模型擬合良好，可以用于復(fù)合飲料離心沉淀率的分析和預(yù)測。由表9 的回歸系數(shù)顯著性和圖5 各因素交互影響可知，一次項X1、X2、X3、交互項X2X3及二次項X21、X22、X23均對復(fù)合飲料離心沉淀率影響極顯著（P＜0.01），說明CMC-Na、黃原膠和海藻酸鈉的添加量對維持燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料穩(wěn)定性影響是極顯著的，其中黃原膠和海藻酸鈉之間的交互作用對復(fù)合飲料離心沉淀率的影響很大，且考察因素對復(fù)合飲料穩(wěn)定性的影響并不是單純的線性關(guān)系。

2.5.3 最佳條件的確定和回歸模型的驗證

使用響應(yīng)面圖可以得到最優(yōu)參數(shù)，等高線圖呈橢圓狀表示兩個因素間交互作用顯著，而圓形則不顯著[19]。由圖5 可知，各因素之間對復(fù)合飲料離心沉淀率的影響相似，黃原膠和海藻酸鈉（X2X3）之間的交互作用影響較明顯，這與表9 中方差分析的結(jié)果一致。

圖5 各因素交互作用對復(fù)合飲料離心沉淀率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface plot of the effect of factors interaction on centrifugation precipitation rate of composite beverage

表9 回歸模型方差分析Table 9 Variance analysis of regression model

通過模型回歸分析得到各因素的最優(yōu)組合為：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黃原膠添加量0.5 g/L，海藻酸鈉添加量0.3 g/L，此時復(fù)合飲料離心沉淀率為12.36%。為驗證試驗預(yù)測的準確性，采用該組合進行驗證試驗，離心沉淀率為12.40%±0.07%，與預(yù)測值相差不大，說明該復(fù)合飲料穩(wěn)定性預(yù)測模型預(yù)測擬合度高，具備良好使用價值。

3 結(jié)論

本試驗通過測定燕麥和鷹嘴豆蛋白質(zhì)和必需氨基酸含量，參考FAO/WHO 規(guī)定氨基酸組成標準模式，通過選擇最佳氨基酸互補配方，確定燕麥和鷹嘴豆的最佳原料添加量質(zhì)量比為138∶18。通過單因素和正交試驗對燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料工藝配方進行了優(yōu)化，即料液比1∶16（g/mL），白砂糖添加量20 g/L，檸檬酸添加量2 g/L。在最佳復(fù)合飲料配方的基礎(chǔ)上，通過單因素和響應(yīng)面法研究復(fù)合飲料穩(wěn)定性，確定在試驗范圍內(nèi)最佳復(fù)配穩(wěn)定劑組合為：CMC-Na 添加量0.8 g/L，黃原膠添加量0.5 g/L，海藻酸鈉添加量0.3 g/L，在此穩(wěn)定劑組合下，復(fù)合飲料離心沉淀率為12.40%±0.07%。綜上所述，本研究開發(fā)的燕麥鷹嘴豆復(fù)合飲料，提高了燕麥和鷹嘴豆的資源利用率和營養(yǎng)價值，對天然谷豆類復(fù)合飲料的開發(fā)提供了理論支撐。