響應面法優化分心木袋泡飲料沖泡工藝研究

劉姍姍,王正紅,祿 璐,侯偉偉,楊海燕,*

(1.新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830000;2.新疆阿布丹食品開發有限公司,新疆和田 848000)

響應面法優化分心木袋泡飲料沖泡工藝研究

劉姍姍1,王正紅2,祿 璐1,侯偉偉1,楊海燕1,*

(1.新疆農業大學食品科學與藥學學院,新疆烏魯木齊 830000;2.新疆阿布丹食品開發有限公司,新疆和田 848000)

目的:采用響應面設計法優化分心木袋泡飲料沖泡工藝。方法:以分心木為主要原料,桑葉和沙棘葉為輔料,通過感官評分與總黃酮含量的綜合考評,篩選出分心木袋泡飲料的最佳配比(分心木∶桑葉∶沙棘葉質量比為3∶1∶1)。并采用單因素和響應面實驗,優化分心木袋泡飲料的沖泡工藝。結果:原料粉碎度80目、沖泡水溫83 ℃、沖泡時間20 min、沖泡2次,此時總黃酮含量為(58.65±0.12)mg/g,接近理論值58.70 mg/g,沖泡工藝最佳。結論:本研究在提高核桃副產物附加值的同時,為分心木和核桃資源的綜合開發提供了有力的理論依據。

分心木,總黃酮,感官評定,桑葉,沙棘葉

核桃分心木(簡稱分心木),胡桃科,核桃屬,為核桃隔膜[1]。新疆人自古就將核桃仁隔膜與茶一起泡制飲用。在維吾爾醫學中,分心木能補腎澀精,用于治療多汗、尿頻、腎虛遺精、慢性腰肌勞損等多種疾病,有養心、降脂、穩定血壓等多種作用[2-3]。研究表明,分心木中含有總黃酮[4-5]、多糖[6-8]、總生物堿[9]等生物活性物質,并含有Na、K、Ca等10種微量元素,具有一定的抑菌效果[10]。2010～2012年新疆核桃產量已由24.15萬t上升為31.36萬t,居全國前列。但我國核桃資源大多仍處于出口原料階段[11],人們缺乏對分心木價值的認識,導致該資源往往被廢棄或當作燃料燒掉,既造成了環境污染,又浪費了資源。

桑葉中含有黃酮及其苷、生物堿、多糖、揮發油、各種氨基酸、微量元素等多種成份[12],黃酮類是其主要成分之一[13],具有降血糖、降血壓及抗衰老、抗腫瘤、抗心腦血管疾病、抗菌與抗病毒等多種藥理作用[14]。沙棘葉含有黃酮及16種氨基酸和多種礦物質,具有清腦安神、降低膽固醇的作用,其所含的沙棘黃酮及多種維生素、微量元素,能活血通脈、抑制血栓形成[15]、促進血液循環,有益傷口愈合[16],全面調理陰陽和肌體分泌,恢復生理機能,適宜高血壓、高血脂、神經衰弱、腸胃不適等人群飲用。

分心木、桑葉和沙棘葉具有相似的功能性成分,且在降脂、穩定血壓等方面具有一定的共性與保健功效,未見有此3種原料共同使用的文獻,若能配合使用,在提高產品黃酮含量的基礎上,還可改善產品口感。本實驗擬研發一種以新疆豐富資源分心木為主要原料的袋泡飲料,并采用響應面法優化其沖泡工藝,以期開辟分心木開發利用的新思路,豐富袋泡飲料的消費種類。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

分心木 新疆阿布丹食品開發有限公司;桑葉 普濟堂大藥房文化宮店;沙棘葉 新疆青河三道海子沙棘生物科技有限公司;蘆丁標準品 西格瑪奧德里奇生物制品有限公司。

AL204-1C電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;FW-100萬能粉碎機 北京市永光明醫療儀器有限公司;JH-752紫外分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 分別粉碎分心木、桑葉、沙棘葉,用實驗篩將其篩分為40、60、80、100、120目五種粉碎度。按一定比例準確稱取共2.0 g的原料裝入茶袋,混合均勻,封口,制成料包。

1.2.2 原料配比篩選 在敞口玻璃杯中,放入原料量2.0 g(粉碎度均為80目)的料包,添加95 ℃、150 mL的熱水沖泡15 min后,取出料包,以感官評分和總黃酮含量為評判指標[17]。本實驗旨在篩選出一種以分心木為主、桑葉和沙棘葉作為輔料的袋泡飲料配比,故分心木在配比中占較大比重(1.2、1.3、1.4)。7、8、9號配比方案是在前6種方案的基礎上設計的,將3種原料同時添加的情況也進行對比。

表1 配比設計表

1.2.3 感官評定 感官評分表參照GB/T 23776-2009《茶葉感官評審方法》[18]和GB/T24690-2009《袋泡茶》[19]制定,并結合分心木的特征,做了一些修改,見表2。感官評分總分為各小項得分分別乘以相應評分系數后相加的和,即感官評分總分T=0.3b+0.3c+0.3d+0.1e[20]。組織有食品專業背景和感官評定經驗的30人從湯色、香氣、滋味、料包四個方面進行評定,每個樣品的得分取30人評定后的平均值[21]。

表2 感官評分表

1.2.4 總黃酮含量的測定 采用蘆丁法,吸取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL蘆丁標準溶液,相當于0.00、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mg無水蘆丁,分別置于25 mL具塞比色管中,補水至約10 mL,加1.0 mL亞硝酸鈉溶液,混勻,放置6 min,加1.0 mL硝酸鋁溶液,混勻,放置6 min,加4.0 mL氫氧化鈉溶液,再加水至刻度,搖勻,放置15 min。用1 cm比色皿,以試劑空白調節零點,在波長510 nm處測定吸光度[22]。以吸光度(Y)為縱坐標,蘆丁濃度(X)為橫坐標,繪制標準曲線并得其回歸方程為Y=0.01139X-0.00951(R2=0.9992)。

樣品的測定:吸取2.00 mL樣品溶液兩等份,分別置于25 mL具塞比色管中,補水至約10 mL,加1.0 mL亞硝酸鈉溶液,混勻,放置6 min,加1.0 mL硝酸鋁溶液,混勻,放置6 min,加4.0 mL氫氧化鈉溶液,再加水至刻度,搖勻,放置15 min。另一份重復上述步驟,不加硝酸鋁溶液,做樣品空白。顯色后用濾紙過濾,棄去初濾液后,收集濾液備測。將測得樣品的吸光度減去樣品空白吸光度,用回歸方程和公式1計算出樣品溶液中總黃酮的質量(m1)。

式(1)

式中:m1為樣品溶液中總黃酮的質量/mg;m為樣品質量/g。

1.2.5 單因素實驗 在分心木袋泡飲料最佳配比的基礎上,設定其粉碎度為80目、沖泡水溫95 ℃、沖泡時間15 min、沖泡2次,固定其他條件,分別考察粉碎度(40、60、80、100、120目)、沖泡水溫(60、70、80、90、100 ℃)、沖泡時間(10、15、20、25、30 min)、沖泡次數(1、2、3、4次)對沖泡液中總黃酮含量的影響。

表4 各配比的感官評分與總黃酮含量測定

注:-未檢測出。

1.2.6 響應面實驗 以單因素實驗為基礎,確定沖泡次數為2次,考察粉碎度、沖泡水溫、沖泡時間3個因素間的交叉影響,根據中心組合設計原理,以3個因素為自變量,總黃酮含量為響應值,設計3因素3水平的響應面分析實驗,其因素水平編碼見表3。

表3 響應面因素水平編碼

2 結果與分析

2.1 原料配比篩選結果

根據表1配比設計以感官評分和總黃酮含量為指標對配方進行篩選,結果見表4。

表4結果顯示,單獨添加分心木和桑葉時,以第2組桑葉添加量為0.7 g感官評分最高;單獨添加分心木和沙棘葉時,以第4組沙棘葉添加量為0.8 g感官評分最高。取感官評分總分在86分以上配比的沖泡液測定其總黃酮含量,綜合考慮感官評分和總黃酮含量兩個指標,發現9號方案(分心木∶桑葉∶沙棘葉質量比為3∶1∶1)為最佳配比,并以此為基礎進行后續實驗。

2.2 單因素實驗結果與分析

2.2.1 粉碎度對總黃酮含量的影響 粉碎度對總黃酮含量的影響如圖1。

圖1 粉碎度對總黃酮含量的影響Fig.1 Effect of raw material particle size on total flavonids content

由圖1可知,總黃酮含量隨原料粉碎度的增加而先上升后下降,80目時達到最高值(56.71 mg/g)。當粉碎度為40目時,因原料顆粒較大,與水接觸面積過小導致總黃酮含量低(39.85 mg/g);當粉碎度為120目時,原料粒徑較小使得吸附作用增強,總黃酮浸出量有所下降(43.74 mg/g)。因此,選擇原料粉碎度60、80、100目進行響應面實驗。

2.2.2 沖泡水溫對總黃酮含量的影響 沖泡水溫對總黃酮含量的影響如圖2。

圖2 沖泡水溫對總黃酮含量的影響Fig2 Effect of brewing temperature on total flavonids content

由圖2可知,在60～100 ℃之間總黃酮含量先升高后降低,在80 ℃時達到最高值(58.02 mg/g)。當溫度小于80 ℃時含量較低,水溫太低無法破壞原料分子與水分子間的吸附作用;當溫度大于80 ℃時含量降低,溫度較高部分黃酮分子被破壞。因此選擇沖泡水溫70、80、90 ℃進行響應面實驗。

2.2.3 沖泡時間對總黃酮含量的影響 沖泡時間對總黃酮含量的影響如圖3。

圖3 沖泡時間對總黃酮含量的影響Fig.3 Effect of brewing time on total flavonids content

由圖3可知,沖泡時間在10～30 min范圍內時,沖泡液中的總黃酮含量首先隨著沖泡時間的增加而增加,在20 min時達到最高(57.49 mg/g),超過20 min后,總黃酮含量有所下降。因為總黃酮的溶出需要一定的時間,適當延長時間會增加其含量,當總黃酮含量達到最大值后,繼續延長時間,會增加雜質的溶出,且溫度下降后,原料顆粒的吸附作用會加強,同時增加成本。因此,選擇沖泡時間15、20、25 min進行響應面實驗。

2.2.4 沖泡次數對總黃酮含量的影響 沖泡次數對總黃酮含量的影響如圖4。

圖4 沖泡次數對總黃酮含量的影響Fig.4 Effect of brewing times on total flavonids content

由圖4看出,隨著沖泡次數的增加,總黃酮含量隨之降低,前2次沖泡后的總黃酮含量明顯高于第3次和第4次,表明第1次沖泡后原料中還有較多的總黃酮未浸出(60.74 mg/g),沖泡第2次時總黃酮含量雖有降低但仍在大量浸出(57.32 mg/g),而沖泡至3、4次時雖有總黃酮的浸出但對其含量貢獻不大(39.59、7.45 mg/g),因此從總黃酮含量及節約能源的角度出發,選擇沖泡次數為2次,后續所有實驗固定沖泡次數為2次。

2.3 響應面實驗結果及方差分析

根據Box-Behnken的中心組合實驗設計原理,作三因素三水平共17個實驗點(5個中心點)的響應面分析實驗,對分心木袋泡飲料的影響因素進行更深入的研究和條件優化,并作出響應面圖。

表5 響應面設計及響應值

按表5進行實驗,得到沖泡液總黃酮含量(Y)與粉碎度(A)、沖泡水溫(B)、沖泡時間(C)的響應面回歸方程為:

Y=58.35+0.80A+0.70B+0.35C+0.68AB+1.000E-002AC-0.43BC-0.90A2-1.61B2-1.20C2。

從表6可以看出,用上述回歸方程描述各因素與響應值間的關系時,其因變量和全體自變量之間的線性關系顯著,模型的顯著性p值小于0.01,此時Quadratic回歸方差模型極顯著,方程的失擬項不顯著(p>0.05),表明該方程對實驗擬合程度良好、誤差小,因此可用該回歸方程對分心木袋泡飲料沖泡工藝參數進行分析預測。影響分心木袋泡飲料沖泡液總黃酮含量的因素順序為:粉碎度>沖泡水溫>沖泡時間,且影響程度均達到顯著水平。AB、BC因素之間交互作用顯著,其中AC因素p值大于0.05,表明其對總黃酮含量的影響不顯著,可忽略[23]。優化響應面圖分別見圖5a、圖5b。

圖5 各因素交互作用對總黃酮含量的響應面圖Fig.5 Response surface plot for the interactive effects of parameters on total flavonids content

從響應面圖5a中可以看出,兩者間交互作用顯著,當粉碎度處于較低水平時,隨著沖泡水溫升高,總黃酮含量先增大后減小;總黃酮含量與粉碎度的曲線較沖泡水溫與總黃酮含量的曲線陡,說明粉碎度對總黃酮含量的影響大于沖泡水溫。圖5b中,當沖泡水溫和沖泡時間均在較低水平時,總黃酮含量較低;隨著沖泡時間的延長,總黃酮含量先上升后下降;當沖泡時間在較低水平時,沖泡水溫對總黃酮含量影響較大,且隨著沖泡水溫的升高,總黃酮含量逐漸升高,某一點后開始下降;總黃酮含量與沖泡水溫的曲線較沖泡時間與總黃酮含量的曲線陡,說明沖泡水溫對總黃酮含量的影響大于沖泡時間。

利用Design Expert 8.05軟件對優化后的回歸方程進行求解,得出分心木袋泡飲料的最佳沖泡工藝條件為:粉碎度81.30目,沖泡水溫83.25 ℃,沖泡時間20.44 min,沖泡2次,此時總黃酮含量為58.70 mg/g。

表6 回歸模型的方差分析

注:**.p<0.01,差異極顯著;*.p<0.05,差異顯著。

2.4 沖泡工藝驗證實驗

考慮到實際情況,將分心木袋泡飲料的沖泡工藝條件調整為:粉碎度80目,沖泡水溫83 ℃,沖泡時間20 min,沖泡2次。使用修正后的工藝條件進行三次驗證實驗,得到分心木袋泡飲料總黃酮含量為(58.65±0.12)mg/g,接近模型預測值58.70 mg/g,證明此模型適用于預測分心木袋泡飲料的沖泡工藝,具有較高的可靠性。

3 結論

從備選的9種分心木袋泡飲料原料配比中,以感官評分和總黃酮含量作為綜合評判指標,篩選得到分心木袋泡飲料的最佳質量配比為分心木∶桑葉∶沙棘葉為3∶1∶1。通過單因素實驗探討了原料粉碎度、沖泡水溫、沖泡時間、沖泡次數對原料總黃酮含量的影響,再采用響應面實驗優化其沖泡工藝條件,確定最佳工藝條件為:原料粉碎度80目,沖泡水溫83 ℃,沖泡時間20 min,沖泡2次,此時沖泡液中總黃酮含量為(58.65±0.12)mg/g。本研究為核桃廢棄物-分心木的利用提供了技術參考,為分心木和核桃資源的綜合性有效開發提供了有力的理論依據,同時增加了袋泡飲料種類,提高了核桃副產物的附加值。

[1]畢肯·阿不得克里木,韓艷春,阿依吐倫·斯馬義.核桃分心木化學成分的預實驗研究[J].新疆醫科大學學報,2010,33(9):1044-1046.

[2]王艷梅,高莉,劉夢,等.核桃隔膜化學成分定性研究[J].食品工業科技,2008,29(12):123-125.

[3]吐爾洪·吾買爾.維吾爾醫藥植物學(維吾爾文)[M].烏魯木齊:新疆人民出版社,2004:122.

[4]王艷梅,白潔,馬木提·庫爾班,等.核桃隔膜總黃酮和微量元素的測定[J].食品科學,2007,28(10):477-479.

[5]張淑蘭,吳燕子,王艷梅,等.響應面法優化核桃隔膜總黃酮提取工藝[J].中國藥方,2010,21(27):2519-2161.

[6]王艷,茹仙古麗·哈斯木,韓艷春,等.苯酚-硫酸法測定維吾爾藥核桃多糖的含量[J].亞太傳統醫藥,2012,8(2):35-37.

[7]韓艷春.維吾爾藥新疆核桃分心木有效化學成分及藥理作用的研究[D].烏魯木齊:新疆醫科大學,2010.

[8]高莉.新疆核桃殼膜多糖提取、分離、純化及抗氧化活性的研究[D].烏魯木齊:新疆大學,2010.

[9]白潔,王艷梅,艾合買提江,等.分光光度法測新疆核桃分心木中總生物堿含量[J].新疆大學學報(自然科學版),2007,24(增刊):217-219.

[10]高莉,王艷梅,帕提古麗·馬合木提.核桃分心木粗提物抑菌活性的研究[J].食品科學,2008,29(11):69-71.

[11]劉瑋,張志華,馬學東.我國核桃深加工現狀及展望[J]. 果業論壇,2004,1:8-9.

[12]孫蓮,楊文菊,劉龍.桑葉揮發油氣相色譜-質譜指紋圖譜研究[J].中國中藥雜志,2009,34(7):879-883.

[13]孫敏耀,唐文照,盧霞,等.分光光度法測定不同采收時間桑葉中總黃酮[J].中草藥,2004,35(10):1190-1191.

[14]李克雄,高崇凱.桑葉藥材水浸出物和指標成份的含量測定研究[J].當代醫學,2012,18(25):136-138.

[15]J Cheng,K Kondo,Y Suzuki,et al. Inhibitory effects of total flavones of Hippo phaerhamnoides L on thrombosis in mouse femoral artery andinvitroplatelet aggregation[J]. Life Sciences,2003,72(20):2263-2271.

[16]A Gupta,R Kumar,K Pal,et al. Influence of sea buckthorn(Hippophae rhamnoides L.)flavone on dermal wound healing in rats[J]. Molecular and Cellular Biochemistry,2006,290(1-2):193-198.

[17]Ananthacumaraswamy S,Singh ID. An overview on the factors affecting the quality of Sri Lankan black tea[J]. Food Science Technology,2002;39:449-457.

[18]浙江大學,中國農業科學院茶葉研究所,農業部茶葉質量監督檢驗測試中心,等.GB/T 23776-2009 茶葉感官審評方法[S].北京:中國標準出版社,2009.

[19]國家加工食品質量監督檢驗中心(廣州),廣州市質量監督檢測研究院,中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院,等.GB/T 24690-2009袋泡茶[S].北京:中國標準出版社,2009.

[20]朱宇,姚英政,董玲,等.響應面法優化玉米須袋泡飲料沖泡工藝[J].食品科學,2014,35(2):328-332.

[21]張井印,劉素穩,常學東,等.山楂紅棗袋泡茶的工藝優化[J].食品研究與開發,2013,34(11):35-38.

[22]翟梅枝,張鳳云,高紹棠,等.核桃葉總黃酮提取方法研究[J].陜西林業科技,2000(1):5-8.

[23]SinH N,Yusof S,Sheikh Abdul Hamid N,et al. Optimization of hot water extraction for sapodilla juice using response surface methodology[J]. Journal of Food Engineering,2006,74(3):352-358.

Optimization of brewing process for walnut diaphragm tea bags using response surface methodology

LIU Shan-shan1,WANG Zheng-hong2,LU Lu1,HOU Wei-wei1,YANG Hai-yan1,*

(1.College of Food Science and Pharmacy,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830000,China;2.Xinjiang ABUDAN food development company,Hetian 848000,China)

Objective:Response surface methodology was used to optimize the brewing process for walnut diaphragm tea bags. Method:Walnut diaphragm were used as the main material of tea bags,mulberry leaf and hippophae rhamnoides leaf as the auxiliary material. Reference to the sensory evaluation and total flavonoids content,the best formulation of walnut diaphragm tea bag(walnut diaphragm,mulberry leaf and hippophae rhamnoides leaf,3∶1∶1,m/m/m)was selected. Based on the analysis results and response surface methodology,the brewing process was optimized. Results:The experimental total flavonoids content in the brewing liquid was(58.65±0.12)mg/g,which was close to the predicted value of 58.70 mg/g,under the optimized conditions,the raw materials were grounded to 80 mesh with 83 ℃ water for 20 min,2 times. Conclusion:The added value of walnut by -product was improved,at the same time,a strong theoretical basis for comprehensive development of distraction wood and walnut resources was provided.

walnut diaphragm;total flavonids;sensory evaluation;mulberry leaf;hippophae rhamnoides leaf

2015-02-09

劉姍姍(1989-),女,碩士,研究方向:天然產物提取與應用,E-mail:liushanshan16363@163.com。

*通訊作者:楊海燕(1962-),女,博士,教授,研究方向:天然產物提取與應用,E-mail:yanghaiyan163@163.com。

校企合作項目。

TS201.1

B

1002-0306(2015)21-0249-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.043