黃精珍珠奶茶的響應(yīng)面工藝優(yōu)化與風(fēng)味物質(zhì)的GC-MS探究

李林秋，張琪苓，魏琪，周欽，李洋，馬家驊*

西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院（綿陽 621000）

黃精（Polygonatum）屬于一種多植物根莖，在我國中藥行業(yè)應(yīng)用歷史較悠久。黃精中含有多種活性功能化合物，具有降血糖、降血脂、抗氧化及增強免疫力等理化性質(zhì)[1]。將黃精作為功能性食品原料，具有獨特的滋補功能和風(fēng)味特性，擁有廣闊的應(yīng)用前景[2]。黑茶屬于后發(fā)酵茶[4]，主要產(chǎn)地是四川、湖北、湖南，其中最具有代表性的是湖南安化黑茶。由于黑茶中含有茶多酚、茶色素和茶多糖等功能性成分[3]，因此具有降血糖、降血壓、降血脂、美容養(yǎng)顏和抗肥胖等功效。黑茶的加工過程比較特殊，其香味及口感都不同于其他茶類[4]，特別是湖南安化的茯磚茶，具有特異的“菌花香”[5]。與做奶茶常用的紅茶相比，無論是口感還是所具有的功能，黑茶都具有較大優(yōu)勢。近年來，藥食兩用中藥材作為功能性食品和促進健康的膳食補充劑，具有顯著的市場前景。通過查閱文獻了解到黃精和黑茶相關(guān)產(chǎn)品不多，其開發(fā)利用程度較低，現(xiàn)有的以黃精為原料的食品主要為傳統(tǒng)的產(chǎn)品，而將黑茶應(yīng)用于食品中的產(chǎn)品在國內(nèi)外幾乎處于空白。奶茶是2011年以來被大量消費的飲料，近年來受到上班族、學(xué)生群體等追捧。而市面上的奶茶中所使用的原材料及添加劑不利于人體的健康，長期飲用會導(dǎo)致記憶力降低、發(fā)胖、引發(fā)冠心病[6]，因此研發(fā)出一款無添加劑以及具有更多功能的健康型奶茶會有更大的市場。

因此，以篩選的五蒸五制滇黃精為原料，用湖南安化黑茶代替奶茶中的紅茶，用牛奶代替奶茶中的植脂末，研制黃精珍珠奶茶。試驗中，以感官評分和體外抗氧化值為考察指標，使用權(quán)重法綜合2個考察指標，得出綜合評分。通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗篩選出最佳配比，并對其進行相關(guān)質(zhì)量檢測。采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）提取出香味物質(zhì)，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）法分析其香氣成分，以期將黃精和黑茶充分結(jié)合，各自發(fā)揮其作用，研制一款色香味齊全的健康功能性飲品，同時提高黃精和黑茶的開發(fā)利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

滇黃精（2021年6月，取自湖南阿丘生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司）；木薯粉、光明牛奶、果糖（均為食品級，湖北千鳳香食品有限公司）；黑茶（特級，湖南阿丘生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司）；黃酒（元紅，中國紹興黃酒集團有限公司）；1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH，分析純，美國Sigma公司）；氯化鈉（分析純，成都市科隆化品有限公司）。

1.2 儀器和設(shè)備

Alpha-1500分光光度計（上海譜元儀器有限公司）；KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；pH計（中國實驗儀器銷售中心）；LH-B55型折光儀（陸恒生物有限公司）；手動SPME進樣器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭（美國Supelco公司）；7890 A型氣相色譜儀、5975 C型質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；HHS型恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 黃精珍珠奶茶制作工藝

①黃精→炮制→干燥→粉碎→過篩→攪拌→搓圓→煮制→黃精珍珠 木薯粉↗

②黑茶→熬煮→過濾→茶汁

③黃精藥材→熬煮→過濾→黃精煎煮液

①+②+③→純牛奶→調(diào)配黃精珍珠奶茶→無菌灌裝→成品 果糖↗

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 珍珠部分

黃精粉制備：取黃精，去除雜質(zhì)，洗凈，烘干，以供炮制。每100 kg黃精，用20 kg黃酒。取總黃酒的20%與凈黃精攪勻后，浸潤30 min；蒸制（電磁爐蒸煮鍵）5 h；取出，經(jīng)鼓風(fēng)烘干箱于60 ℃烘干8 h。如此反復(fù)蒸制5次，最后飲片含水量控制在15%[7]，將經(jīng)過五蒸后的黃精放入干燥箱中烘干至水分低于2%（在溫度60 ℃時烘24 h），用粉碎機將其打碎過0.250 mm孔徑（60目）篩，以保證粉末中無較大顆粒而影響珍珠口感。

珍珠制備：將黃精粉和木薯粉按照比例混合，一邊加入純凈水一邊用手揉面團粉，將珍珠揉捏成直徑1 cm大小后放入木薯粉中，裹上粉，防止珍珠相互粘連成團。

煮制珍珠：使用電磁爐，將10 g珍珠倒入500 mL沸水中，繼續(xù)用100 ℃大火煮，煮的過程中要注意攪拌以避免粘鍋；15～20 min后將電磁爐功率調(diào)值500 W，繼續(xù)煮20 min；蓋上鍋蓋，熄火，悶15～20 min，使用脫脂棉紗布過濾，放入1 000 mL冷水，防止粘連[8]。

1.3.2.2 奶茶部分

黃精浸提液制備：取炮制后黃精，按黃精藥材與水質(zhì)量比1∶10加入水，在800 W的功率下熬煮30 min，熬煮時注意攪拌防止糊鍋。

黑茶的制備：取10 g黑茶，加入500 mL沸水中，浸泡30 min，采用0.150 mm孔徑（100目）的紗網(wǎng)過濾。

按比例混合黑茶、黃精浸提液、牛奶、果糖，得到最終成品。

1.3.3 體外抗氧化性試驗

體外抗氧化能力測定方法有多種，包括還原能力測定法、ABTS自由基清除能力法、DPPH自由基清除能力法、羥自由基清除能力法等。由于DPPH自由基清除能力法簡單易操作，所以試驗采用DPPH自由基清除能力法確定其體外抗氧化性[9]。其實驗步驟按照參考文獻[10]中的試驗步驟即可。

1.3.4 黃精珍珠奶茶工藝配方和體外抗氧化性研究

1.3.4.1 單因數(shù)試驗

1.3.4.1.1 熬煮時間的考察

試驗采用黃精浸提液的甜度和清除自由基能力作為考察指標，考察10，15，20，25，30和35 min時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質(zhì)量比1∶3.5的奶和茶水、質(zhì)量比1∶7的黃精粉和木薯粉條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.2 黃精粉加入量的考察

試驗采用黃精珍珠的口感和清除自由基能力作為考察指標，考察黃精粉和木薯粉的質(zhì)量比為1∶3，1∶5，1∶7，1∶9，1∶11和1∶13時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質(zhì)量比1∶3.5的奶和茶水、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.3 果糖加入量的考察

試驗采用黃精珍珠奶茶的甜度和清除自由基能力作為考察指標，考察2%，3%，4%，5%，6%和7%果糖時，在6%黃精浸提液、質(zhì)量比1∶3.5的奶和茶水、質(zhì)量比1∶7的黃精粉和木薯粉、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.4 黃精浸提液加入量的考察

試驗采用黃精奶茶的口感和清除自由基能力作為考察指標，考察黃精浸提液添加量3%，4%，5%，6%，7%和8%時，在4%果糖、質(zhì)量比1∶3.5的奶和茶水、質(zhì)量比1∶7的黃精粉和木薯粉、黃精浸提液熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

1.3.4.1.5 茶水和牛奶的比例的考察

試驗采用黃精奶茶的口味和清除自由基能力作為考察指標，考察奶和茶水質(zhì)量比1∶2.0，1∶2.5，1∶3.0，1∶3.5，1∶4.0和1∶4.5時，在6%黃精浸提液、4%果糖、質(zhì)量比1∶7黃精粉和木薯粉、黃精浸提液的熬煮時間25 min條件下黃精珍珠奶茶的綜合評分。

體外抗氧化試驗時所有樣品均要做3個平行，稀釋成4%的濃度。

1.3.4.2 響應(yīng)面試驗

在單因素試驗結(jié)果上，用權(quán)重法篩選出最佳配比，進行黃精珍珠奶茶制備工藝和體外抗氧化性的響應(yīng)面試驗，分別以感官評價及清除自由基能力確定黃精珍珠奶茶的最佳配方。

通過選取8名具有奶茶相關(guān)評價經(jīng)驗的專業(yè)人員，分別從黃精珍珠奶茶的味道、色澤和口感3個方面對產(chǎn)品進行綜合的評價打分，得到最終奶茶的感官得分[11]。評分標準如表1所示。

表1 黃精珍珠奶茶感官評分標準

1.3.5 權(quán)重法綜合評分

給予體外抗氧化加權(quán)系數(shù)0.5、感官評分加權(quán)系數(shù)0.5，以行歸一化處理后的數(shù)據(jù)加權(quán)求和，即得綜合評分，其關(guān)系式見式（1）。

綜合評分=[（體外抗氧化值/體外抗氧化最大值）×0.5+（感官評分/感官最大評分×0.5）]×100 （1）

1.3.6 產(chǎn)品指標的測定

1.3.6.1 理化指標

pH，采用pH計直接測定，平行測定3次；可溶性固形物/糖度，采用LH-B55型折光儀直接測定；蛋白質(zhì)含量，采用考馬斯亮藍法[12]檢測；多糖，采用苯酚-硫酸法[13]檢測。

1.3.6.2 微生物理化相關(guān)主要指標

食品檢驗中微生物理化相關(guān)主要指標：菌落總數(shù)測定參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標準 食品微生物學(xué)檢驗 菌落總數(shù)測定》；大腸菌群測定參照GB 4789.3—2016《食品安全國家標準 食品微生物學(xué)檢驗 大腸菌群測定》[14]。

1.3.7 香味物質(zhì)分析

1.3.7.1 風(fēng)味物質(zhì)富集

將制備好的黃精珍珠奶茶取6 mL，置于20 mL頂空瓶中。加入2.0 g的NaCl，并加入轉(zhuǎn)子（10 000 r/min），使其混合均勻，使用隔墊密封，將事先老化的裝有50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭快速插入樣品瓶中，用60 ℃水浴恒溫提取30 min，于250 ℃解析5 min，采集數(shù)據(jù)[15]。

1.3.7.2 風(fēng)味物質(zhì)檢測

工作條件：進樣量1 μL，進樣時間1 min，進樣口溫度250 ℃，載氣為高純氦氣；柱流量1.00 mL/min。升溫程序：初始溫度35 ℃，以6 ℃/min升至110 ℃，保持5 min，以10 ℃/min升至230 ℃；不分流進樣且時間30 min。離子源溫度230 ℃，轉(zhuǎn)接口溫度250 ℃[16]。

1.3.8 數(shù)據(jù)的處理

1.3.8.1 單因素數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010、SPSS 23.0、Prism 8.0.1進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，P＜0.05表示差異顯著，P＜0.01表示差異極顯著，所有數(shù)據(jù)均表示為平均值±標準差[17]。

1.3.8.2 響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析

采用Origin 6.0對數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理，可自動分析出結(jié)果；采用Design-Expert V8.0.6軟件對響應(yīng)面的數(shù)據(jù)特征進行優(yōu)化和處理，根據(jù)優(yōu)化和處理后的數(shù)據(jù)自動建立回歸方程模型與模型[18]。

1.3.8.3 風(fēng)味物質(zhì)數(shù)據(jù)分析

由氣相色譜-質(zhì)譜分析得到的質(zhì)譜數(shù)據(jù)在工作站中進行處理，根據(jù)質(zhì)譜匹配度進行核對，從特征離子、相對豐度、實際成分和保留指數(shù)等方面進行綜合比較，確定其化學(xué)成分，同時采用峰面積歸一化法進行定量，分別得到揮發(fā)性物質(zhì)的相對含量（組分峰面積占總峰面積）。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃精珍珠奶茶制備工藝單因素試驗

2.1.1 熬煮時間對黃精珍珠奶茶綜合評分影響

由圖1可以看出，不同熬煮時間下綜合評分無顯著性差異（P＞0.05），熬煮時間小于10 min時，產(chǎn)品中黃精味道還沒有完全釋放出來，其體外抗氧化性也沒有達到最佳值，綜合評分較低。熬煮時間20 min時，產(chǎn)品風(fēng)味適宜和諧，口感最佳，綜合評分也最高。隨著熬煮時間繼續(xù)延長，綜合評分開始下降，黃精特有的風(fēng)味過重，但總體變化不大，所以熬煮時間對綜合評分影響不大，熬煮時間以20 min為宜。

圖1 熬煮時間對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.2 黃精粉和木薯粉質(zhì)量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖2可以看出，黃精珍珠奶茶制備過程中，在不同黃精粉和木薯粉的質(zhì)量比下綜合評分存在顯著性差異（P＜0.05）。當(dāng)質(zhì)量比大于1∶5時，黃精珍珠的口感不佳且彈性不好，綜合評分較低。比例1∶7時，珍珠的彈性口感達到最佳，且體外抗氧化性最好。隨著質(zhì)量比減小，綜合評分開始下降，黃精風(fēng)味逐漸消失，抗氧化活性也降低，所以質(zhì)量比以1∶7為宜。

圖2 黃精粉和木薯粉的質(zhì)量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.3 牛奶和茶水質(zhì)量比對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖3可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，牛奶和茶水的質(zhì)量比對綜合評分起著至關(guān)重要的影響。當(dāng)質(zhì)量比大于1∶3時，黃精珍珠奶茶的口感不佳，且奶味偏重，體外抗氧化性不佳，綜合評分較低。比例為1∶3.5時，奶茶口感最佳，具有奶茶的香氣且體外抗氧化性最好。隨著質(zhì)量比減小，茶味偏重，綜合評分開始下降，所以質(zhì)量比以1∶3.5為宜。

圖3 牛奶和茶水的比值對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.4 果糖添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖4可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，果糖添加量對綜合評分幾乎沒有影響。添加量小于3%時，甜度不夠，口感不佳，綜合評分較低。添加量4%時，奶茶口感最佳，甜度合適，適合所有口味的人群。隨著添加量繼續(xù)增加，甜味偏重，綜合評分開始下降，所以添加量以4%為宜。

圖4 果糖添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.1.5 黃精浸提液添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

由圖5可以看出，黃精珍珠奶茶在制備過程中，黃精浸提液添加量對權(quán)重影響較大。添加量小于6%時，黃精香味不足，且體外抗氧化性不佳，綜合評分較低。添加量6%時，奶茶口感最佳，黃精香氣充足，抗氧化性最佳，隨著添加量增加，黃精味道偏濃，感官評分開始下降，所以添加量以6%為宜。

圖5 黃精浸提液添加量對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響

2.2 黃精珍珠奶茶制備工藝響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

通過對5個單因素結(jié)果的分析，篩選出對綜合評分影響較大的3個因素，根據(jù)Box-Benhnken研究試驗中心的組合試驗的設(shè)計原理進行研究三因素三水平的響應(yīng)面設(shè)計，篩選試驗后所得結(jié)果如表3所示。采用Design-Expert V8.0.6版本對表中的3個因素進行響應(yīng)面試驗[19]。

表2 正交試驗因素及水平設(shè)計

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計表

2.2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果方差分析

方差分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明：該模型呈極顯著（P＜0.01），R2=0.987 6，且失擬項不顯著（P=0.712 9＞0.05），說明該模型擬合度較好、誤差小，能準確表示牛奶和茶水質(zhì)量比、黃精浸提液添加量、黃精粉和木薯粉質(zhì)量比3個因素對黃精珍珠奶茶綜合評分的影響，可以利用此模型對黃精珍珠奶茶工藝配方進行優(yōu)化。C、BC及A2、B2、C2均呈極顯著差異。通過對F值分析可知，影響黃精珍珠奶茶權(quán)重因素主次順序為黃精浸提液添加量（C）＞牛奶和茶水質(zhì)量比（B）＞黃精粉和木薯粉質(zhì)量比（A）。

表4 黃精珍珠奶茶權(quán)重回歸方程分析

2.2.3 各因素交互作用對黃精珍珠奶茶權(quán)重的影響各因素交互作用的等高線及響應(yīng)面圖見圖6。

響應(yīng)面圖能直觀反映各因素間的交互作用對響應(yīng)值的影響，曲面的陡度越大，添加量的變化對響應(yīng)值影響越大。等高線圖反映各因素間交互作用的強度，當(dāng)趨向于橢圓時效果更顯著，反之則不顯著。由圖6可知，各交互項的等高線圖呈橢圓形，說明它們之間的交互作用顯著，響應(yīng)面圖呈一定坡度，說明存在最佳點可使權(quán)重達到最大值，結(jié)果與方差分析一致。

圖6 各因素交互作用的等高線及響應(yīng)面圖

利用響應(yīng)面分析確定黃精珍珠奶茶的最佳工藝：牛奶和茶水質(zhì)量比1∶3.5、果糖添加量4%、黃精浸提液添加量6%、黃精粉和木薯粉質(zhì)量比1∶7，該配比下黃精珍珠奶茶的綜合評分為92.65分。為驗證響應(yīng)面預(yù)測結(jié)果的合理性和可行性，將響應(yīng)面優(yōu)化工藝條件調(diào)整為牛奶和黑茶質(zhì)量比1∶3、果糖添加量5%、黃精浸提液添加量7%、黃精粉和木薯粉質(zhì)量比1∶8，進行3次驗證試驗，綜合評分91.62分，與理論預(yù)測值相近。

2.3 理化指標及微生物指標的測定結(jié)果

經(jīng)檢測，工藝優(yōu)化后的黃精珍珠奶茶中pH 6.44，可溶性固形物10.4%（≤20%），蛋白質(zhì)含量0.556 g/100 g（≥0.5 g/100 g），多糖含量39.844 5 g/mL，菌落總數(shù)和大腸桿菌均未檢測出，符合國家相關(guān)衛(wèi)生要求。

2.4 風(fēng)味分析結(jié)果

黃精珍珠奶茶經(jīng)過SPME提取其揮發(fā)性香氣成分，經(jīng)過GCMS分析，得到其揮發(fā)性組分總離子流圖（圖7）[20]。

圖7 黃精珍珠奶茶總離子流圖

2.5 黃精珍珠奶茶的風(fēng)味成分組成

GC-MS結(jié)果顯示黃精珍珠奶茶中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)包括酮類、醛類、烷烴類、醇類、酯類以及其他類六大類風(fēng)味物質(zhì)，總共有49種物質(zhì)，其中酮類6種、醛類9種、烷烴類23種、醇類6種、酯類13、其他類3種。烷烴類和酯類風(fēng)味物質(zhì)種類豐富，但醇類和酮類及其他類的風(fēng)味物質(zhì)相對含量占比最大。酮類占8.58%，醇類占9.05%，其他類占10.21%。由于黃精珍珠奶茶中的牛奶使用的是市售純牛奶，而牛奶中的風(fēng)味物質(zhì)主要包括酮類和醇類，此次試驗中檢測出的酮類和醇類會賦予黃精珍珠奶茶水果味、花香及焦糖香，構(gòu)成黃精珍珠奶茶獨特的香味。其中，芳香醛不僅可作為奶茶香氣的重要組成部分，而且具有一定的防腐和抑菌能力[21]，可能會對黃精珍珠奶茶的保存產(chǎn)生重要影響。

圖8 黃精珍珠奶茶揮發(fā)性物質(zhì)種類的相對含量

黃精珍珠奶茶中黑茶使用的是湖南安化的茯磚茶，茯磚茶中酮類（16.86%）、醛類和烯醛類含量較高[22]。鄭鵬程等[15]研究出茯磚茶具有獨特的“菌花香”，其風(fēng)味物質(zhì)中主要以醇類、醛類和芳香烴為主。尤其是(E,Z)-2, 4-庚二烯醛+糠醛、(E,E)-2, 4-庚二烯醛等成分，具有獨特的“菌花香”，(E)-2-庚烯醛雖然相對含量較低，卻是黃精珍珠奶茶中不可缺少的風(fēng)味物質(zhì)。高茜等[23]用固相微萃取和同時蒸餾萃取法分析黃精的揮發(fā)性成分，分析出黃精中的主要揮發(fā)性物質(zhì)包含鄰苯二甲酸二異丁酯、2-庚酮、8-甲基-1-癸烯、壬醛、棕櫚酸、月桂醛等，此次試驗的這幾種風(fēng)味物質(zhì)來源于黃精。由于中藥炮制方法顯著降低了醛類和烷烴類的含量，而在炮制周期中生成了較多的酮類、醇類化合物[24]，其中含量較高的風(fēng)味物質(zhì)白樺脂醇不僅賦予黃精珍珠奶茶中草藥的香氣，還具有祛痰止咳、抑制黑色素、降血糖血脂等功效[25]。其中，含量最高的甲氧基苯肟，在許多物質(zhì)的揮發(fā)性成分檢測中都被檢測出來，但是其來源并不清楚，也有可能是一種污染物，所以該物質(zhì)的來源還需要進一步分析。

3 結(jié)論

采用單因素試驗結(jié)合響應(yīng)面設(shè)計試驗，篩選出黃精珍珠奶茶的最佳配比。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃精珍珠奶茶中牛奶和茶水質(zhì)量比1∶3.5、果糖添加量4%、黃精浸提液添加量6%、黃精粉和木薯淀粉質(zhì)量比1∶7時，黃精珍珠奶茶的綜合評分最高，在此比例下，黃精珍珠奶茶的口感最佳，并且具有較好的體外抗氧化性。該配比下的奶茶風(fēng)味物質(zhì)主要包括烷烴類、酯類、醇類和酮類。其獨特的風(fēng)味物質(zhì)有(E,Z)-2, 4-庚二烯醛+糠醛、(E,E)-2, 4-庚二烯醛等（菌花香），含量較高的白樺脂醇予黃精珍珠奶茶中草藥的香氣。

黃精珍珠奶茶可將牛奶和黃精及黑茶更好地結(jié)合，同時將原本大眾認為不健康的奶茶轉(zhuǎn)化為集感官和健康為一體的功能性食品，大幅提高黃精和黑茶在食品方面的價值，為黃精和黑茶的推廣指出新途徑，也為兩者的資源深加工提供理論依據(jù)和實踐支撐。