基于单因素实验采用响应面优化竹汁果冻的工艺配方

摘 要：本研究将营养丰富的竹汁与现代果冻加工制作技术有机结合，制得一款具有竹味清香、质地均匀、口感细腻的果冻。基于前期单因素试验研究，进一步确定3个单因素的适用范围，并采用Box-Behnken设计实验方案，利用Design-Expert10.0.1根据Box-Behnken实验方案结果探究每两个单因素间的相互作用对响应值的影响并建立响应面模型，通过响应面模型可预测得到竹汁果冻理论最佳配方参数。通过验证试验得到竹汁果冻的最佳配方为竹汁添加量22%、赤藓糖醇添加量10%、复配胶添加量0.8%。

关键词：响应面；竹汁；果冻；工艺配方

Optimization of the Technological Formula of Bamboo Juice Jelly by Response Surface Methodology Based on Single Factor Experiment

DUAN Ailing， LI Xiangyu， YAN Kuan*

（Department of Agriculture Forestry and Food Engineering， Yibin University， Yinbin 644000， China）

Abstract： In this study， the nutritious bamboo juice was organically combined with modern jelly processing technology to produce a jelly with bamboo flavor， uniform texture and delicate taste. Based on the previous single factor experimental research， further determine the scope of application of the three single factors， and use box behnken to design the experimental scheme. Use design expert 10.0.1 to explore the influence of the interaction between each two single factors on the response value according to the results of box behnken experimental scheme， and establish a response surface model. Through the response surface model， the best formula parameters of bamboo juice jelly theory can be predicted. Finally， the best formula of bamboo juice jelly is： bamboo juice 22%， erythritol 10%， compound glue 0.8%.

Keywords： response surface; bamboo juice; jelly; process formula

竹汁是从竹中提取的天然汁液，有较为丰富的营养价值[1]。果冻是一种由可食用凝胶剂制成的口感细腻、凝胶状态的制品。目前，国内外在果冻研发实验中对探究最佳配方的实验设计思路主要分为正交实验设计和响应面优化实验设计。本研究首次运用竹汁作为主要原材料，结合现代果冻制作工艺，采用响应面优化法预测竹汁果冻的最佳工艺配方，并通过验证试验后得到竹汁果冻的最佳工艺配方，为研发一种新型竹食品——竹汁果冻提供科学依据，从而制得一款天然营养、口感尚佳的竹汁果冻。

1 材料与方法

1.1 实验材料

竹汁（四川省通园制药集团有限公司）；卡拉胶（河南腾达食品配料有限公司）；赤藓糖醇（日本日研化学公司）；魔芋胶、明胶片（东方珍味食品有限公司）。

1.2 试验方法

以复合凝胶剂的添加量、竹汁的添加量、赤藓糖醇的添加量为影响因素，进行单因素试验。基于前期竹汁果冻单因素试验的基础，从而进一步缩小了各因素的最佳用量范围，确定在赤藓糖醇添加量5%～15%、竹汁添加量为5%～25%、复配胶添加量为0.6%～1.0%进行响应面优化实验，通过响应面优化分析可预测理论最佳工艺配方和最高感官得分值，并在理论最佳条件进行产品验证试验和质量检验，从而得到竹汁果冻的最佳工艺配方。

1.2.1 竹汁果冻工艺优化响应面试验

在单因素实验基础上，利用Box-Behnken中心组合设计实验方案（表1），采用Design-Expert10.0.1优化竹汁果冻的工艺配方。

1.2.2 竹汁果冻质量评定

按预测所得最佳配方，结合果冻制作工艺，得到竹汁果冻成品，随后进行果冻质量标准评定。

（1）感官评定。样品采用感官评分法进行评定，由《果冻》（GB/T 19883—2018）[2]可知果冻感官评价从色泽、滋味气味和组织形态3个方面进行评价。

（2）理化指标测定。果冻产品的理化指标为蛋白质和可溶性固形物，其中针对以竹汁为主要原材料制成的果冻，理化指标则为可溶性固形物。用数显糖度计法对竹汁果冻进行可溶性固形物含量测定。

（3）微生物指标测定。参照《食品安全国家标准 果冻》（GB 19299—2015）[3]的方法测定。

1.3 数据处理

利用Excel 2019对数据进行收集和处理，采用Design-Expert 10.0.1根据Box-Behnken实验方案数据拟合得到二次多项函及相应的模型，即可利用该模型预测出最佳配方和感官评分理论最高值。

2 结果与分析

2.1 回归模型的建立及显著性分析检验

在前期单因素实验的基础上，以感官评价得分（Y，分）为响应值，利用Box-Behnken中心组合设计实验模型，拟合二次多项方程可得最优工艺配方及最高感官评价得分。3因素3水平的响应面试验结果如表2所示。

通过采用Design-Expert10.0.1软件对Box-Behnken设计方案和结果数据进行拟合二次方程，可得二次多项回归方程：Y=0.076A+0.41B+0.25C-0.47AB-0.047AC+0.068BC-1.23A2-1.07B2-1.73C2+85.88。

为更好检验模型的有效性，对响应面模型进行方差和显著性分析，回归模型的方差分析结果如表3。

由表3方差分析可知，回归模型的F值为20.15，P值为0.000 3，表示该回归模型极显著；失拟项F值为0.22，P值为0.878 7，表示失拟项不显著。由此，说明该模型可接受并可用于评估3个自变量对于感官评价得分的影响，即表示该模型可用于评估竹汁果冻的感官评价得分[4]。

此外，该回归模型的回归系数R2=0.962 8，表明该模型能解释96.28%响应值变化，拟合度较好。校正回归系数R2Adj=0.915 1，信噪比为11.016，表示试验操作的可信度较高，实验误差小，只有8.49%的变异不能用此模型分析，表明该模型能真实反应单因素与感官评价得分间的关系[5]，能较为准确分析和预测竹汁果冻感官评价得分。综上，说明可通过该模型预测获得竹汁果冻的最佳工艺配方和最高感官评价得分。

2.2 响应面分析

由图1可知，当竹汁添加量为22.216 4%，赤藓糖醇添加量为10.336%时，响应曲面为最高点且等高线形状为马鞍状，表明竹汁添加量和赤藓糖醇添加量间的相互作用对竹汁果冻的感官评价得分影响极显著。

由图2可知，当竹汁添加量为22.216 4%，复配胶添加量为0.812 442%时，响应曲面达到最高点且等高线形状为马鞍状，表明竹汁添加量和复配胶添加量间的相互作用对竹汁果冻的感官评价得分影响极显著。

由图3可知，当赤藓糖醇添加量为10.036 6%、复配胶添加量为0.812 442%时，响应曲面达到最高点，等高线呈马鞍状，表明赤藓糖醇添加量和复配胶添加量的相互作用对竹汁果冻的感官评价得分影响极显著。

2.3 竹汁果冻最佳加工工艺配方和回归模型验证

利用回归模型通过响应面法可拟合得到最佳竹汁果冻的加工工艺配方。拟合所得最佳工艺条件为竹汁添加量22.216 4%，复配胶添加量

0.812 442%，赤藓糖醇添加量10.336 6%。并且通过响应面法得到该配方的竹汁果冻感官评价得分预测值为85.306 5分。此外，考虑到实际操作情况与工业生产便利性等情况，将上述原料按百分率换算为竹汁添加量22%，复配胶添加量0.8%，赤藓糖醇添加量10%。

采用上述最优竹汁果冻加工工艺配方，重复进行3次验证实验，制得一款色泽金黄、口感柔滑且独具竹味清香的果冻，再对其进行感官评价。所得感官评价得分为（85±1.09）分，与预测值相似度为98.36%～99.09%，说明竹汁果冻最佳工艺配方为竹汁添加量22%，赤藓糖醇添加量10%，复配胶添加量0.8%。

2.4 质量分析

2.4.1 竹汁果冻感官评定检验结果

采用响应面法优化所得的最佳工艺配方，进行验证试验，得到一款组织形态良好、口感顺滑、色泽金黄、透明无杂质且具有独特的竹味清香的竹汁果冻。

2.4.2 竹汁果冻的质量指标检测结果

（1）理化指标的检测。采用《果冻》（GB/T 19883－2018）中果冻数显糖度计法对可溶性固形物进行测定。经过实验，测定竹汁果冻中可溶性固形物的含量为17.39%，符合国家标准。理化指标检测结果如表4所示。

（2）微生物指标的检测。竹汁果冻微生物参照指标为菌落总数、大肠杆菌数、霉菌和酵母菌数。参照《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》（GB 4789.2—2016）方法对菌落总数进行测定；根据《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数》（GB 47893—2016）方法对大肠菌群进行测定；参照《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母菌计数》（GB 4789.15—2016）方法对霉菌、酵母菌进行计数。经过微生物检测，菌落总数、霉菌和酵母菌的检出量分别为31 CFU·g-1、9 CFU·g-1、11 CFU·g-1，均符合国家标准。

3 讨论

本研究探索竹汁果冻的最佳配方采用的分析方法为响应面优化法，相较于正交分析法，响应面优化法所需实验组数较多，理解相对困难，但响应面优化法是在一连续范围内选取最高数值，同时也将单因素间相互作用对响应值的影响包含在实验设计方案内。利用Design-expert10.0.1根据响应面拟合所得二次多项方程式建立3D模型，可更为直观了解到各因素间的相互作用对响应值的影响程度和对竹汁果冻的最佳工艺进行优化，故该方法所得结果更为精准且理论值预测能力较正交分析法更为突出[6]。因此，本研究在探究竹汁果冻的最佳工艺配方时选择响应面优化法，使得结果更为准确和可靠，为预测果冻最佳工艺条件的分析方法选择上提供了一定的参考价值。

4 结论

采用最佳工艺配方制得的竹汁果冻色泽金黄、组织形态良好、口感弹牙、呈透明状少杂质且具有独特的竹味清香。实验主要是在单因素实验基础上进行响应面优化实验，在验证实验中的感官得分为（85±1.09）分，与理论最高感官评价得分近似度为98.36%～99.09%。成品的各质量指标均符合国家标准。综上，竹汁果冻最优工艺配方为22%竹汁用量、10%赤藓糖醇用量、0.8%的复配胶（魔芋胶∶卡拉胶=2∶1）用量。

参考文献

[1]季爱兵，彭文书，龚婉莹，等.勃氏甜龙竹竹汁的开发及其对高脂血症小鼠血脂和血糖的影响[J].食品科技，2018，43（8）：103-108.

[2]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.果冻：GB/T 19883—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[3]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.食品安全国家标准 果冻：GB 19299—2015[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4]黄新仁.响应面法在生物过程优化中的应用[D].长沙：湖南大学，2011.

[5]方杰，温忠麟.基于两水平回归模型的调节效应分析及其效应量[J].心理科学进展，2022，30（5）：1183-1190.

[6]李华妮，郑连营，葛文静，等.正交试验、响应面法优化加味三根汤的提取工艺比较[J].中国现代中药，2019，21（8）：1089-1093.