紅棗杜仲復合飲料的配方優化及其風味物質分析

王 娟,趙 江,陳見容,王 慧,魏紹文

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

杜仲(Eucommiaulmoides)為杜仲科杜仲屬植物,又名思仙、仙仲,是我國特產的名貴中藥材,現已被國家衛計委列入新資源食品征詢意見目錄。杜仲葉和杜仲皮具有相同的功能成分和藥理功效,其中綠原酸含量可高達5%,具有降血壓、改善腎臟功能、促進腦部血液循環、抗疲勞、提高免疫力和抗衰老功效,其功能已被廣大消費者認可,杜仲飲料產品的開發將具有廣闊的市場空間[1-2]。甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)具有補脾益氣、清熱解毒等功效[1-4]。葛根(RadixPuerariae)具有通筋活絡,解酒毒等功效。紅棗(Redjujube)味美香甜,有增強人體免疫力、抗癌、抗突變、防治心血管疾病、護肝、抗過敏和抗疲勞的作用[1-5]。同時,紅棗汁含有維生素C、多糖、多種氨基酸等營養物質,具有較高的營養保健價值。

隨著“大健康”理念興起,消費者對于飲料不再僅滿足于口腹之欲,營養健康顯然已成為消費者對飲料的基本功能訴求。另外,風味是引起消費者購買欲的第一要素,濃郁宜人的香氣能讓消費者獲得感官上的愉悅和心理上的享受,是保證食品被消費者長期接受的必要條件,因此,改善飲料風味增加飲料營養價值是提高產品質量的關鍵[3]。另外,棗汁風味醇香,可改善杜仲飲料的風味口感,彌補中草藥氣味不易被消費者接受的不足,在飲料風味調節中起到至關重要的作用[5]。本文以紅棗、杜仲、甘草和葛根為原料,加入蔗糖、檸檬酸、甜菊糖苷進行風味調配,采用模糊數學法評價紅棗杜仲復合飲料感官指標,可以更好的彌補傳統評分法中因評價者個人主觀差異帶來的誤差,使實驗結果更加真實可靠。研制出的紅棗杜仲復合飲料口感風味俱佳,為藥食同源中草藥飲料的研發提供經驗和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

杜仲葉提取物 西安天一生物技術股份有限公司提供;甘草、葛根 北京同仁堂提供;金絲小棗 市售(柳林縣達滋食品有限公司);蔗糖 市售(太古糖業有限公司);檸檬酸 上海蘇科化工有限公司;甜菊糖苷 曲阜香州甜菊制品有限公司;果膠酶(酶活力:20000 U/g) 天津市利華酶制劑廠;殼聚糖、纖維素酶(酶活力:10000 U/g) 鄭州君凱化工產品有限公司;水 符合衛生標準(GB10790-89)。

QP2010 PLUS氣質聯用儀 日本島津公司;FA1104B電子分析天平 沈陽龍騰電子有限公司;PHS-3C數顯pH計 上海勇石電子有限公司;C137電磁爐 中山市奧杰斯電器有限公司;電陶爐 順德區容桂得利亞電器廠;JHF-1000打漿機 昆明鐵申商貿有限公司;TG16-WS低溫冷凍離心機 金壇市良友儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 生產工藝及操作要點

1.2.2.1 杜仲汁的制備 取杜仲葉提取物(相當于綠原酸含量1.07%)6 g,定容到500 mL,混合均勻4000 r/min離心10 min,四層紗布過濾后得杜仲汁備用。

1.2.2.2 甘草汁的制備 將甘草以料水比1∶20 (g/mL)的比例在96 ℃下煎煮2 h,冷卻后經四層紗布過濾,4000 r/min離心10 min,濾汁備用[10-14]。

1.2.2.3 葛根汁的制備 將葛根以料水比1∶10 (g/mL)的比例在96 ℃下煎煮1.5 h,冷卻后經四層紗布過濾,4000 r/min離心10 min,濾汁備用[15-18]。

1.2.2.4 杜仲混和汁制備 根據《中國藥典》限量標準及實驗感官分析,研究由杜仲、甘草和葛根為原料的杜仲混和汁最佳配比,制得的杜仲混和汁原液4000 r/min,離心10 min,得澄清液備用。

1.2.2.5 紅棗澄清汁的制備

a. 原料選擇與清洗:挑選果肉飽滿、色澤美觀、無腐爛和病蟲害的棗為原料,用流動清水沖洗2～3次,以除去附著在棗表面的泥沙、塵土和其他雜物,控干水分[5]。

b. 軟化:料水比1∶10 (g/mL)、溫度為97 ℃軟化20 min。

c. 打漿:用打漿機將軟化的棗打成均勻的棗漿,破碎粒度以3～5 mm為宜、去核。

d. 酶解、滅酶:0.6 g/L果膠酶、2 g/L纖維素酶,酶解(50～55 ℃)2 h,95 ℃滅酶10 min。

e. 澄清、過濾:將殼聚糖配成1%的殼聚糖醋酸溶液,棗汁預熱至40～50 ℃后,加入3%～6%(質量比)1%的殼聚糖醋酸溶液,靜置1 h后4000 r/min離心10 min,除去絮凝沉淀獲得澄清透明的紅棗汁[5]。

1.2.2.6 紅棗杜仲飲料的研制 經實驗分析確定杜仲混和汁中杜仲、甘草和葛根的最佳比例,加入蔗糖、檸檬酸、甜菊糖苷和棗汁進行風味口感調配,設計單因素實驗與響應面實驗優化配方,使其風味和諧、口感最佳。

1.2.3 紅棗杜仲飲料配方單因素實驗

1.2.3.1 杜仲混和汁配方的確定 根據預實驗配制杜仲:甘草:葛根質量比分別為1∶2∶1、1∶3∶1、1∶3∶2、2∶3∶1和2∶4∶1,5種不同比例的杜仲混和汁,根據感官品質分析確定最佳比例。

1.2.3.2 輔料添加量的確定 以感官評分為指標,選擇棗汁、蔗糖、檸檬酸、甜菊糖苷4因素5個添加水平,研究其對杜仲功能飲料的風味影響。固定蔗糖4%,檸檬酸0.01%,甜菊糖苷0.08‰和棗2.5%為基本配方,考察蔗糖(4%、5%、6%、7%、8%)、檸檬酸(0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%)、甜菊糖苷(0.0008‰、0.0016‰、0.0024‰、0.0032‰、0.0040‰、0.0048‰、0.0056‰、0.0064‰)和棗汁(2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%)對杜仲功能飲料感官評分的影響。

1.2.4 響應面法優化杜仲復合飲料配方 依據單因素實驗確定因素影響范圍,以蔗糖、檸檬酸、甜菊糖苷和紅棗汁為自變量,感官評分為響應值,采用Box-behnken Design(BBD)方法中四因素三水平優化配方并進行方差分析[19-23]。

1.2.5 感官品質評定標準 根據飲料的色澤、香氣、滋味、組織狀態四個感官指標進行品質評定,評定標準見表2。

表2 紅棗杜仲復合飲料感官評分標準Table 2 Sensory evaluation index of Eucommia ulmoides and red jujube compound beverage

1.2.6 紅棗杜仲復合飲料模糊數學感官評定 由10名經過專業培訓的人員組成感官質量評價小組,對產品的色澤、香氣、滋味和組織狀態四個因素進行感官質量評定。按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(優、良、中、差)四個等級,采用模糊數學感官評定法進行評定[24-25]。

模糊數學評定法(Fuzzy mathematics Evaluation method)使影響因素定量化,并對被評價對象隸屬等級進行綜合評價,避免了“評分法”中評價人員主觀因素的干擾,使評定結果更具有客觀性和合理性,因此被廣泛應用于食品評定中[26-27]。

復合飲料感官評價的因素集U由m個因素子集構成:

U={u1,u2,···,um}={色澤、香氣、滋味、組織狀態}

評語等級集合為V:

V={v1,v2,…,vm}={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}={優,良,中,差}

四個因素權重:

記為X=(a1,a2,a3,a4)其中a1+a2+a3+a4=1

模糊關系綜合評判集Y=X·R,其中R為從U映射到V的一個評判模糊矩陣。

(其中rij為第i個感官質量指標評定等級為j的人數比例)

令等級分數矩陣為D,并計算每組產品最終感官評分W:

D=(D1,D2,D3,D4)=(90,80,70,60)

W=Y·D=(b1,b2,b3,b4)(D1,D2,D3,D4)T

1.3 頂空固相微萃取(HS-SPME)分析揮發性風味物質

1.3.1 頂空吸附 參照Daan Saison等[27]的方法吸取5 mL樣品于萃取瓶中,放入轉子并用封瓶膜密封,置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中,將75 μm CAR/PDMS萃取頭插入,設置攪拌器轉數為600 r/min,60 ℃水浴條件下吸附20 min,然后GC-MS進樣口250 ℃條件下解吸15 min。

1.3.2 GC-MC條件

1.3.2.1 GC條件 采取程序升溫,起始溫度40 ℃,時間10 min,先以3 ℃/min上升到100 ℃,再以4 ℃/min升至180 ℃,最后以6 ℃/min升至220 ℃。進樣口溫度250 ℃,以氦氣為載氣,流速為1 mL/min,不分流進樣。

1.3.2.2 MS條件 接口溫度220 ℃,電離方式為EI,70 eV,離子源溫度為230 ℃,掃描質量范圍為33～450 aum。通過質譜圖與計算機檢索庫提供的標準質譜圖對照,鑒定化合物,從而確定揮發性風味物質成分,用面積歸一化法測定其相對含量[28-31]。

1.4 統計與分析

實驗數據采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017和Design-Expert 8.0.6進行分析處理[21-22]。

2 結果和分析

2.1 杜仲、甘草和葛根比例確定

甘草中含有的甘草酸及其鹽類稱為甘草甜素,甘草甜素具有高甜度(約為蔗糖的250倍)、低熱能(不到蔗糖的1/10)的特點,甘草甜素被美國食品與藥品管理局(FDA)列入“公認的安全物質”,可作為甜味劑添加于飲料中,能夠降低增香成本,增加保健功效[1-4]。甘草汁口感清甜,后味有淡淡的甘草清香,其添加量較少時甜味不足,過量時則甘草味偏重,較為甜膩,并且咽喉處有甜味與苦味分離的感覺。葛根汁口味偏苦,中草藥氣味較強烈,一般不易被接受。杜仲汁有淡淡清香味,但過量時杜仲味道較重,風味差,并且混合液顏色偏深褐色,感官上不易被消費者接受。本實驗通過改變杜仲、甘草和葛根的添加比例,根據其不同特點達到優勢互補,配制口感及風味容易被糾正、完善的原料混和汁。降低了飲料調配工序的難度,為下一步的工藝做好鋪墊。由實驗結果可知,杜仲(g)∶甘草(g)∶葛根(g)=1∶3∶2時最佳,即杜仲混和汁最佳配比為杜仲0.002 g/mL,甘草0.006 g/mL,葛根0.004 g/mL,在此配比條件下杜仲味道清淡,甘草甜味適中,葛根苦味及中草藥氣味更容易被糾正。

表3 不同比例的杜仲、甘草和葛根對杜仲飲料感官品質的影響Table 3 Effect of different volume proportion of three materials on the sensory quality

2.2 紅棗杜仲復合飲料配方單因素實驗

2.2.1 蔗糖用量確定 蔗糖屬于營養型甜味劑,能夠增加飲料甜度,掩蓋杜仲混合液的苦澀,但是糖度過高的飲料不適于肥胖癥、高血壓及糖尿病人食用[30]。由圖1可知,蔗糖添加量在4%～8%范圍內,杜仲復合飲料的感官評分呈先上升后下降趨勢,其中蔗糖添加量4%～5%以及7%～8%范圍內變化明顯,5%～7%范圍內變化平緩,因此,選擇蔗糖添加量5%、6%、7%進行響應面試驗。

圖1 不同添加量的蔗糖對杜仲復合飲料感官品質的影響Fig.1 Effect of different level of sugar on the sensory quality

2.2.2 檸檬酸用量確定 檸檬酸作為酸度調節劑,具有降低飲料pH、抑制微生物繁殖、調節飲料風味和口感的作用[4]。由圖2可知,檸檬酸添加量在0.01%～0.05%范圍內感官評分呈先增加后下降的趨勢,檸檬酸為0.02%時感官評分值達到最高,添加量在0.01%～0.03%范圍內,評分值增加緩慢,在0.03%～0.05%范圍內,評分值下降明顯,這可能是由于檸檬酸添加量在0.03%時,剛好能夠遮蓋杜仲飲料的苦澀,并賦予飲料酸甜可口的風味,此時稍過量的檸檬酸使飲料口味偏酸,口感較差。因此,選擇檸檬酸添加量0.02%、0.03%、0.04%進行響應面試驗。

圖2 不同添加量的檸檬酸對杜仲復合飲料感官品質的影響Fig.2 Effect of different level of citric acid on the sensory quality

2.2.3 甜菊糖苷用量確定 甜菊糖苷被譽為“第三糖原”,是一類天然的高甜度低熱值甜味劑,同時具有降血壓、降血糖、抑菌和抗腫瘤功效[31-32]。由圖3可知,甜菊糖苷添加量在0.0008‰～0.0032‰和0.0032‰～0.0064‰范圍內,感官評分呈現先增加后下降趨勢。這可能是因為0.0004‰～0.0032‰范圍內的甜菊糖苷能明顯遮蓋杜仲的苦澀味,同時甜菊糖苷本身的青草味影響杜仲飲料評分值,當甜菊糖苷添加量高于0.0004‰時,其本身的甜味改善了飲料的風味口感,當甜菊糖苷添加量為0.0056‰時,杜仲飲料感官評分最佳。因此,選擇甜菊糖苷添加量0.0048‰、0.0056‰、0.0064‰進行響應面試驗。

圖3 不同添加量的甜菊糖苷對杜仲復合飲料感官品質的影響Fig.3 Effect of different level of stevioside on the sensory quality

2.2.4 棗汁用量確定 棗汁的香氣清新濃郁,能夠掩蓋飲料不易被接受的氣味,可以作為香精的替代品,并且紅棗富含蛋白質、維生素和鈣、磷、鐵等礦物質[4-5]。由圖4可知,棗汁添加量在2.5%～12.5%范圍內,感官評分呈先增加后下降的趨勢,棗汁能改善杜仲飲料的風味及口感,賦予其濃郁的棗香,過量的棗汁則會增加飲料的甜膩感。棗汁添加量在5%時,飲料感官評分值較高,因此,選擇棗汁添加量4%、5%、6%進行響應面試驗。

圖4 不同添加量的棗汁對紅棗杜仲復合飲料感官品質的影響Fig.4 Effect of different level of jujube juice on the functional quality

2.3 感官評分等級得票數

由表6得出模糊權向量=(0.16,0.22,0.42,0.20)

表4 樣品R1感官評價等級得票數Table 4 The votes of sensory evaluation of R1

表5 不同指標隸屬度Table 5 The membership degree of different indicator

表6 隸屬度歸一化處理結果Table 6 The results of membership normalization processing

模糊關系綜合評判集為Yi=X·Ri

以表7中樣品1為例:

同理得:Y2～Y29

令等級矩陣為D=(90,80,70,60),復合飲料每組感官評分為W,則:Wi=Yi·DT(i表示第i組產品)。

經計算得:W1=Y1·DT=76.88

同理得表7中W1～W29

表7 Box-Behnken試驗設計及結果Table 7 Design and result of Box-Behnken

2.4 響應面試驗

對響應面結果進行多元二次分析,得到杜仲復合飲料感官評分與各因素變量之間的二元回歸方程:Y=85.06+3.91A-0.22B-2.04C+1.53D+0.085AB-3.27AC-3.32AD+0.34BC+1.12BD-1.56CD-5.34A2-15.60B2-4.03C2-5.74D2

表8 Box-Benhnken實驗模型方差分析Table 8 Variance analysis of the fitted regression mode

響應面能夠直接反映各因素與響應值之間的關系以及各因素的交互作用,等高線的形狀為橢圓形表示因素的交互作用顯著,圓形則表示交互作用不顯著[36-37]。由圖5和圖6各因素交互作用等高線圖可知,等高線的形狀為橢圓形表示蔗糖與甜菊糖苷添加量、蔗糖與棗汁添加量交互作用顯著。從三維立體圖可以看出,響應面均呈開口朝下的曲面,表明響應面有極大值,最優配方在實驗范圍內。蔗糖與甜菊糖苷添加量、蔗糖與棗汁添加量的響應面圖均為橢圓形,說明其交互作用對杜仲飲料感官評分具有顯著影響(p<0.05)。

圖5 蔗糖與甜菊糖苷添加量對紅棗杜仲復合飲料感官評分的響應面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plot for effect of sugar and stevioside on sensory evaluation of compound beverage

圖6 蔗糖與棗汁添加量對紅棗杜仲復合飲料感官評分的響應面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plot for effect of sugar and jujube juice on sensory evaluation of compound beverage

應用Design-Expert8.0.6軟件對回歸方程進行分析,得到的最優響應結果為:蔗糖6.491%、檸檬酸2.993%、甜菊糖苷0.00518%、棗汁5.126%,感官評分預測值為86.53分。根據實際情況優化為:蔗糖6.49%、檸檬酸0.03%、甜菊糖苷0.0052‰、棗5.13%,該配方經三次平行檢驗后感官得分均值為85.12分,與預測值接近,說明響應面優化模型所得的工藝條件參數準確、可行。

2.5 紅棗杜仲復合飲料揮發性風味物質分析

2.5.1 紅棗杜仲復合飲料中香氣成分總離子流色譜圖 利用頂空固相微萃取和氣相色譜-質譜聯用技術對紅棗杜仲復合飲料的揮發性風味物質進行萃取及成分分析,結果見圖7。

圖7 紅棗杜仲復合飲料總離子流色譜圖Fig.7 Total ion chromatogram of compound beverage

2.5.2 紅棗杜仲復合飲料中揮發性風味物質分析 采用氣相色譜/質譜聯用儀(GC/MS)對紅棗杜仲復合飲料的揮發性風味物質進行測定,并對NIST譜庫檢索出的匹配度大于80%的風味物質進行歸類分析[33-39],結果見表9。共檢測出27種揮發性風味物質,包括5種醇類化合物,16種羰基類化合物,1種酸類化合物,2種雜環類化合物和3種酯類化合物。其中異戊醛具有令人愉快的水果香氣,反式-2-己烯醛具有綠葉清香和水果香氣,2-庚酮有類似梨的水果香氣,1-辛烯-3-醇具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣,正辛醛在香料工業上用于配制玫瑰、香石竹、橙花、桔香古龍等型香精,在食品工業上用以產生甜橙香氣,苯乙醛具有類似風信子的香氣,稀釋后具有水果的甜香氣,苯乙酮具有山楂香氣,壬醛具有玫瑰、柑橘等香氣,香葉基丙酮具有新鮮、清、淡的花香香氣,略帶甜蜜-玫瑰香韻味。這些揮發性風味物質促進了紅棗杜仲復合飲料良好風味的形成。

表9 紅棗杜仲復合飲料中揮發性風味物質Table 9 The volatile compounds of compound beverage

3 結論

經單因素實驗和響應面優化,最佳配方為:蔗糖6.49%、檸檬酸0.03%、甜菊糖苷0.0052‰、棗5.13%,該條件下的飲料口感風味最佳,符合食品衛生標準,為杜仲復合飲料研發和工業化生產提供了一定的參考價值。利用氣相色譜/質譜聯用儀(GC/MS)分析紅棗杜仲復合飲料的揮發性風味物質,結果表明醇類和羰基類化合物是飲料揮發性風味物質的主要成分。異戊醛、反式-2-己烯醛、2-庚酮、1-辛烯-3-醇、正辛醛、苯乙醛、苯乙酮、壬醛、香葉基丙酮呈現的特殊香氣對紅棗杜仲復合飲料的風味起到補充和調整作用,為紅棗飲料的香氣特征風味及其開發利用提供了一定的理論依據。