陳永浩，李霽昕，馮麗丹，張禎，把靈珍，崔媛媛，張煜，蔣玉梅*

1(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730070)2(甘肅省葡萄與葡萄酒工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州，730070)3(甘肅省葡萄與葡萄酒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，甘肅 蘭州，730070)

沙棘別名酸刺、酸柳、黑刺，是胡頹子科沙棘屬的多年生落葉灌木[1]。適宜生長在亞洲和歐洲的溫帶高海拔地區(qū)[2]，主要分布于俄羅斯、芬蘭、加拿大、意大利、瑞典、土耳其、中國等38個國家[3]，我國在河北、內(nèi)蒙古、黑龍江、山西、陜西、甘肅、青海及四川均有種植[4]。沙棘因其營養(yǎng)和藥用價值而備受關(guān)注[5]，果實(shí)富含黃酮[6]、多酚[7]、氨基酸[8]、多糖[9]、類胡蘿卜素等物質(zhì)[10]。

目前沙棘果實(shí)被廣泛用于加工各種飲料和營養(yǎng)保健品，包括果汁飲料、固體飲料、果醬、軟糖等，果實(shí)中的類胡蘿卜素可作為餅干等烘焙糕點(diǎn)的著色添加劑[11]。然而富含多種活性物質(zhì)的沙棘果實(shí)口感酸澀[12]，直接用于食品加工時，產(chǎn)品口感很難被消費(fèi)者接受，往往需要加入大量的糖或甜味劑平衡口感。近年來，通過果蔬汁復(fù)配可平衡調(diào)節(jié)果汁口感，有廣闊的市場發(fā)展前景，已成為果蔬飲料研發(fā)的熱點(diǎn)之一。徐海祥等[13]將蜂王漿、沙棘汁與乳飲料復(fù)合開發(fā)乳飲料；夏霞[14]以沙棘原漿和紅棗為原料探究了沙棘和紅棗復(fù)合飲品；彭濤等[15]以苦水玫瑰花和沙棘為原料，并添加甜菊糖及穩(wěn)定劑調(diào)配制備了沙棘飲料。國外主要集中研究沙棘的藥用價值[16-18]，關(guān)于沙棘產(chǎn)品研發(fā)的報道較少。

本試驗(yàn)以沙棘原漿和皇冠梨為原料，以模糊數(shù)學(xué)模型評價樣品的感官品質(zhì)，根據(jù)樣品感官評分通過混料設(shè)計(jì)確定沙棘、梨混合果汁配方，同時以沉淀率為響應(yīng)值，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化混合果汁穩(wěn)定劑配比，并通過激光粒度分析進(jìn)一步確定穩(wěn)定劑的穩(wěn)定效果。研究結(jié)果可以為沙棘混合果汁產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)提供科學(xué)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

沙棘原漿：2019年11月采自甘肅省渭源縣上灣鎮(zhèn)，甘肅隴源紅生物科技有限公司制備。還原糖(80.67±1.15) g/L，pH值2.41±0.03，可溶性固形物(20±0.002)%。

皇冠梨：2019年11月采自甘肅省景泰縣條山農(nóng)場。還原糖(49.33±5.03) g/L，pH值4.67±0.02，可溶性固形物(7±0.001)%。

F60果葡糖漿，山東魯糖生物科技股份有限公司、蜂蜜、羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose，CMC)、黃原膠、瓜爾豆膠、果膠、異抗壞血酸鈉、果膠酶(≥60 000 U/g)、纖維素酶(50 000 U/g)，食品級，浙江一諾生物科技有限公司；平板計(jì)數(shù)瓊脂，北京陸橋技術(shù)股份有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

SPX-150-II生化培養(yǎng)箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司；500051S立式高壓滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠；SW-CJ-2FD超凈工作臺，蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；TU-810紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Bettersize2600激光粒徑分析儀，丹東百特儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 皇冠梨汁制備工藝流程

參照祝美云等[19]方法制備梨汁：

皇冠梨→清洗→切塊→護(hù)色→預(yù)煮→打漿→酶解→過濾→灌裝→保存?zhèn)溆?/p>

1.2.2 沙棘梨混合果汁制備工藝流程

沙棘梨混合果制備工藝流程

沙棘原漿→護(hù)色→混合調(diào)配→均質(zhì)→灌裝→殺菌→冷卻→檢驗(yàn)→成品

1.2.3 操作要點(diǎn)

1.2.3.1 護(hù)色、酶解

挑選大小相近的皇冠梨，去柄切塊后置于0.15%的異抗壞血酸鈉護(hù)色液中淹沒護(hù)色10 min，撈出瀝干打漿，加入0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的果膠酶和纖維素酶(質(zhì)量比1∶1)，45 ℃酶解2 h。

1.2.3.2 混合調(diào)配

首先將穩(wěn)定劑和水以體積比1∶40的比例緩慢加入75 ℃溫水中溶解，并不斷攪拌。

沙棘原漿、皇冠梨汁、蜂蜜、果葡糖漿按照混料設(shè)計(jì)比例混合，并同時加入溶解好的穩(wěn)定劑，不斷攪拌至充分混合。

1.2.3.3 殺菌

80 ℃排氣10 min，密封殺菌20 min，殺菌后將樣品迅速冷卻至40 ℃。

1.2.4 混合果汁配方的確定

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，采用Design-expert 中混料設(shè)計(jì)Mixture設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理，以模糊數(shù)學(xué)感官評分為評價指標(biāo)，梨汁和沙棘原漿為主料，果葡糖漿和蜂蜜為輔料，研發(fā)混合果汁的配方(表1)。

表1 影響因素和水平

1.2.5 混合果汁穩(wěn)定劑配比優(yōu)化

1.2.5.1 單因素試驗(yàn)

向混合果汁中分別加入穩(wěn)定劑(CMC、黃原膠、果膠、瓜爾豆膠)，均質(zhì)5 min，得到穩(wěn)定的混合果汁。以離心沉淀率為評判指標(biāo)，考察單一穩(wěn)定劑以0.05%為梯度添加(0.05%～0.25%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))對混合果汁穩(wěn)定性的影響。

1.2.5.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，以CMC、黃原膠和果膠的添加量為自變量，離心沉淀率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

1.2.6 感官評價

1.2.6.1 模糊數(shù)學(xué)感官綜合評價法建立

參照張勛等[20]方法，評價因素集確定：以沙棘梨汁氣味(U1)、滋味(U2)、狀態(tài)(U3)和色澤(U4)為指標(biāo)，評價指標(biāo)因素集U={U1，U2，U3，U4}。

評價等級集確定：評價分為3個評價等級：優(yōu)(V1)、良(V2)和差(V3)，評語集V={V1，V2，V3}。試驗(yàn)中優(yōu)、良和差3個等級分別對應(yīng)其中間值為8、5、2，因此評價等級集K={K1，K2，K3}={8,5,2}。

權(quán)重集確定：征集20名消費(fèi)者，其中男女各10名，身體健康，無任何感官方面的缺陷。采用用戶調(diào)查法和二元對比法[21]確定個指標(biāo)的權(quán)重。得出沙棘梨汁的權(quán)重集為W={W1，W2，W3，W4}。

評價體系的建立：將經(jīng)混料設(shè)計(jì)的20種混合果汁建立評價體系Tg={T1，T2，T3，…，T20}。

1.2.6.2 感官評價

感官評價小組由具有食品專業(yè)背景的10人組成，5名男性，5名女性，采用9分制打分法[22]對樣品的氣味、滋味、狀態(tài)、以及色澤進(jìn)行評分，將不同處理的混合果汁分別裝到透明的20 mL玻璃杯中并隨機(jī)編號，讓評價員進(jìn)行感官評價。同時為每一個評價員提供純凈水以清除不同品嘗間干擾。感官評價表如表3所示。

表3 感官評價表

1.2.7 離心沉淀率的測定

參照楊柳等[23]方法，取適量混合果汁(m1)于離心管中，經(jīng)離心(3 000 r/min，20 min)后除去上清液，準(zhǔn)確稱得離心后的沉淀物質(zhì)量(m0)，按公式(1)計(jì)算混合果汁離心沉淀率:

(1)

1.2.8 粒度分布測定

參照劉孝平等[24]方法，用激光粒度分析儀進(jìn)行測定，在室溫下吸取一定量的混合果汁加入到以蒸餾水為分散介質(zhì)中，調(diào)節(jié)遮光比大于0.6，測定混合果汁粒度分布曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Microsoft Excel 2010對試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用OriginLab Origin 8.5繪圖，使用SPSS Statistics 20.0進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)，試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棘梨混合果汁配方研發(fā)

2.1.1 Mixture的D-optimal設(shè)計(jì)模糊數(shù)學(xué)感官評價

根據(jù)20名消費(fèi)者的評價結(jié)果，采用二元對比法確定各指標(biāo)權(quán)重，將結(jié)果進(jìn)行歸一化得到各評價指標(biāo)所占權(quán)重比例為：氣味0.24、滋味0.32、狀態(tài)0.21、色澤0.23，得到權(quán)重集W={24%，32%，21%，23%}，由10名感官評價員對20種混合果汁樣品的四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行逐一評價，將評價結(jié)果收集匯總后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出混合果汁感官評價指數(shù)票數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)。

表4 混合果汁感官評價指數(shù)票數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

模糊評定矩陣根據(jù)感官評價結(jié)果除以總?cè)藬?shù)，即得到20個Tg的模糊矩陣：

其中g(shù)=1,2,3,……20，為樣品編號，i=1，2，3，為混合果汁的各項(xiàng)評價指標(biāo)，ti1、ti2、ti3、ti4 分別表示第i個評價指標(biāo)分?jǐn)?shù)項(xiàng)所得到的票數(shù)。

文章采用矩陣乘法代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法，并按照綜合評分公式計(jì)算綜合評分可避免誤差。已知混合果汁4個權(quán)重集為W={0.24，0.32，0.21，0.23}，按照Y=W×T得到混合果汁各樣品評價結(jié)果：

Y2={0.979，0.021，0}，Y3={0.455，0.423，0.122}，Y4={0.721，0.279，0}，Y5={0.924，0.076，0}，Y6={0.776，0.224，0}，Y7={0.777，0.223，0}，Y8={0.6，0.4，0}，Y9={0.9，0.1，0}，Y10={0.7，0.3，0}，Y11={0.46，0.4，0.4}，Y12={0.977，0.023，0}，Y13={0.476，0.4，0.124}，Y14={0.768，0.232，0}，Y15={0.779，0.221，0}，Y16={0.556，0.391，0.053}，Y17={0.856，0.144，0}，Y18={0.532，0.368，0.1}，Y19={0.535，0.365，0.1}，Y20={0.423，0.04，0.177}。

模糊綜合評價總分T=Y×K，評價等級集K={8，5，2}，Y1={0.572，0.332，0.096}，因此，第1個混合果汁樣品的模糊綜合評價總分：

同理可得，T2=7.937，T3=5.999，T4=7.163，T5=7.772，T6=7.328，T7=7.331，T8=6.8，T9=7.7，T10=7.1，T11=5.96，T12=7.931，T13=6.056，T14=7.304，T15=7.337，T16=6.509，T17=7.568，T18=6.296，T19=6.305，T20=5.738。

2.1.2 Mixture的D-optimal設(shè)計(jì)方差分析

表5 混合果汁配方的混料設(shè)計(jì)組合設(shè)計(jì)表

表6 二次逐步回歸模型方差分析

2.2 沙棘梨混合果汁穩(wěn)定劑配比優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)選用黃原膠、果膠、CMC、瓜爾豆膠4種穩(wěn)定劑用于沙棘梨混合果汁穩(wěn)定性單因素試驗(yàn)(圖1)。當(dāng)穩(wěn)定劑添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.05%～0.20%時，離心沉淀率呈下降趨勢，其中CMC添加量對體系的穩(wěn)定性影響顯著(P<0.05)；當(dāng)穩(wěn)定劑添加量超過0.20%時，混合果汁沉淀率下降較低，趨于穩(wěn)定時CMC、黃原膠和果膠的添加量分別為0.25%、0.2%和0.25%。在單一穩(wěn)定劑中黃原膠效果優(yōu)于其他穩(wěn)定劑，這和侯瑩[25]報道的結(jié)果一致，添加量為0.25%時瓜爾豆膠離心沉淀率較高，因此后期選CMC、黃原膠和果膠進(jìn)行復(fù)配探究其對穩(wěn)定性的影響。

圖1 單一穩(wěn)定劑添加量對混合果汁飲料穩(wěn)定性影響

2.2.2 復(fù)合穩(wěn)定劑對沙棘梨混合果汁穩(wěn)定性影響

由于穩(wěn)定劑復(fù)合可能存在協(xié)同交互作用[26]，因此在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇 CMC、黃原膠和果膠穩(wěn)定劑最適添加量的10%、20%和30%作為Box-Behnken設(shè)計(jì)中每個因素的低、中、高水平，以混合果汁的離心沉淀率作為響應(yīng)值進(jìn)行試驗(yàn)(表7)。

表7 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2.3 方差結(jié)果分析

表8 方差分析

2.2.4 響應(yīng)面作用交互分析

響應(yīng)面圖交互分析(圖2)顯示，當(dāng)黃原膠為0.04%，果膠添加量一定時，沉淀率隨著CMC添加量的增加而增大；當(dāng) CMC 添加量一定時，沉淀率隨著果膠添加量的增加先減少后增大。等高線圖顯示二者交互作用極其顯著，結(jié)果與表8吻合。

圖2 CMC及果膠添加量對混合果汁穩(wěn)定性的影響

根據(jù)響應(yīng)面結(jié)果顯示，果膠、黃原膠和CMC的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.04%、0.05%、0.05%，預(yù)測此條件下離心沉淀率6.81%。為驗(yàn)證方案真實(shí)性，此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到離心沉淀率6.83%，與預(yù)測值相對誤差<5%，證明 Box-Behnken 法設(shè)計(jì)的添加復(fù)合穩(wěn)定劑方案可靠準(zhǔn)確，可滿足沙棘、梨混合果汁穩(wěn)定性要求。

2.2.5 沙棘梨混合果汁粒徑分布分析

粒徑分析是檢測飲料體系穩(wěn)定性的有效手段之一[27]，可以量化分析混合果汁中顆粒物的大小及分布。試驗(yàn)混合果汁樣品粒徑分布分析結(jié)果顯示(表9)，加入穩(wěn)定劑果膠和黃原膠可顯著提高D10顆粒粒徑比例。單一穩(wěn)定劑和復(fù)合穩(wěn)定劑均可顯著降低樣品粒徑D50和D90顆粒粒徑以及D[4，3]粒徑顆粒比例(P<0.05)。加入果膠和黃原膠可顯著提高D[3，2]粒徑顆粒比例(P<0.05)。粒徑分布圖(圖3)顯示不添加穩(wěn)定劑樣品粒徑分布范圍較大，為1～1 500 μm，體積百分率最高的粒徑為1 443.00 μm，其次是173.20 μm和6.41 μm的顆粒，單一穩(wěn)定劑中效果最好的是黃原膠，其粒徑在1～200 μm，體積百分率最高的是194.90 μm，其次是26.33 μm的顆粒，而復(fù)合穩(wěn)定劑添加樣品粒徑分布在0.61～200 μm，在173.20 μm處出現(xiàn)1個峰，對飲料粒徑分布影響較小。說明復(fù)合穩(wěn)定劑的添加可顯著降低果汁中大顆粒物質(zhì)的粒徑，增加了混合果汁的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合穩(wěn)定劑對混合果汁飲料的穩(wěn)定效果優(yōu)于單一穩(wěn)定劑。

圖3 不同穩(wěn)定劑對混合果汁粒徑分布的影響

表9 不同穩(wěn)定劑的粒徑分布

2.3 最佳配方和復(fù)合穩(wěn)定劑制備樣品理化與微生物指標(biāo)

最佳配方和復(fù)合穩(wěn)定劑配比制備的沙棘、梨混合果汁樣品色澤均勻，口感細(xì)膩，具有皇冠梨和沙棘原漿特有香氣，酸甜適宜。pH值2.78±0.01，可溶性固形物(14.2±0.02)%，可滴定酸(6.81±0.09)g/L，總糖(117.3±0.9)g/L。菌落總數(shù)<100 CFU/mL；致病菌未檢出，產(chǎn)品符合飲料的衛(wèi)生要求[28]。

3 結(jié)論

以模糊數(shù)學(xué)模型評價樣品的感官品質(zhì)，根據(jù)樣品感官評分通過混料設(shè)計(jì)確定混合果汁配方為17.5%沙棘原漿、67.6%皇冠梨汁、7.7%果葡糖漿、7.2%蜂蜜。通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化混合果汁穩(wěn)定劑配比，得到復(fù)配穩(wěn)定劑的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CMC、果膠和黃原膠分別為 0.05%，0.04%，0.05%；激光粒徑分析顯示，粒徑分布在0.61～200 μm的復(fù)合穩(wěn)定劑穩(wěn)定效果優(yōu)于1～1 500 μm的單一穩(wěn)定劑。采用最佳配方和復(fù)合穩(wěn)定劑配比制備的沙棘、梨混合果汁樣品色澤均勻，口感細(xì)膩，pH值為2.78±0.01，可溶性固形物(14.2±0.02)%，可滴定酸(6.81±0.09) g/L，總糖(117.3±0.9) g/L，菌落總數(shù)<100 CFU/mL，致病菌未檢出，產(chǎn)品符合飲料的衛(wèi)生要求。