響應面法優化桑葚-甘蔗汁復合飲料制備工藝及其抗氧化活性研究

李大成，韋巧艷，舒萬鑫，李英容，蔡吉祥

（廣西科技師范學院食品與生化工程學院，廣西 來賓 546199）

甘蔗是喬本科的多年生草本植物，在我國廣西、廣東、云南等南方亞熱帶地區廣泛種植。甘蔗含糖量高，而且富含人體容易缺乏的多種微量元素，其中鐵元素的含量居水果之首，因此甘蔗常被人們稱作“補血果”和“鐵桿莊稼”[1-3]。隨著人們生活水平的提高及對健康生活的追求，人們對天然飲料的需求也日漸增加。甘蔗汁中含有豐富的多酚及黃酮類物質，具有較好的抗氧化、抗炎和抗突變能力[4-5]。但是目前國內的甘蔗汁主要用于生產白砂糖，甘蔗制糖行業存在著產品單一的問題，限制了制糖行業的發展。

桑葚（mulberry）又名桑葚子、桑果、烏椹等，是蕁麻目?？粕僦参锷涞墓?。桑葚不僅含有人體所需的必需氨基酸和各類營養物質，而且具有抗氧化、預防心腦血管疾病、抑制癌細胞生長以及調節免疫等功效，被國家衛生部列為“既是食品又是藥品”的“藥食同源”的農產品之一[6-8]。但桑葚采摘期短、水分高、屬于漿果類。不耐壓、容易腐爛變質、不易貯藏和運輸，一旦變質就會造成極大的資源浪費和環境污染。目前以甘蔗汁和桑葚汁為原料進行調配制備具有保健功效的桑葚-甘蔗汁復合飲料鮮有報道。本試驗以甘蔗汁和桑葚汁為主要原料，加入茉莉花茶湯調節其風味，制備出一種新型的綠色保健型飲料。該試驗不僅可以為甘蔗的綜合利用提供新的途徑，提高甘蔗及桑葚的附加值，同時可以有效地解決桑葚貯藏保鮮時間短的問題，為蔗汁復合飲料的研究開發提供必要的理論依據。

1 儀器與材料

1.1 儀器與設備

試驗所需儀器型號及生產廠家見表1。

表1 儀器Table 1 The instrument

1.2 材料與試劑

試驗所用材料與試劑見表2。

表2 試劑Table 2 Material

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 甘蔗汁的制備

取甘蔗濃縮汁25 g，定容到100 mL，混合均勻后備用。

1.3.2.2 桑葚汁及茉莉花茶湯的制備

取桑葚濃縮汁6.7 g，定容到100 mL，混合均勻后備用；取茉莉花茶3 g于燒杯中浸泡，按料液比1∶40（g/mL）加入蒸餾水，在85℃水浴鍋中浸提10 min，冷卻、過濾得到茉莉花茶湯[9]。

1.3.3 桑葚-甘蔗汁復合飲料單因素試驗

以桑葚-甘蔗汁體積比3∶4、檸檬酸添加量1.5%、維生素C添加量4%、茉莉花茶湯添加量35%為固定工藝參數，以感官評分為指標，考察桑葚-甘蔗汁體積比（1∶6、2∶5、3∶4、4∶3、5∶2、6∶1）、檸檬酸添加量（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%）、維生素 C添加量（2%、3%、4%、5%、6%）、茉莉花茶湯添加量（20%、25%、30%、35%、40%）4個主要影響因素對桑葚-甘蔗汁復合飲料口感的影響。

1.4 感官評分標準

根據GB/T 31121—2014《果蔬汁類及其飲料》的相關規定，總分以100分記，各項所占比例為色澤∶氣味∶口感∶組織狀態=2∶3∶3∶2，篩選出 10 名成員組成評價小組，制定感官評價標準如表3所示。根據感官評價標準對復合飲料進行評分，并嚴格按照標準設置評價環境。

表3 桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評價標準Table 3 Sensory evaluation criteria of mulberry-sugarcane juice complex beverage

1.5 響應面法優化桑葚-甘蔗汁復合飲料的配制

依據單因素試驗確定不同因素的影響范圍，以桑葚-甘蔗汁體積比、檸檬酸添加量、維生素C添加量和茉莉花茶湯添加量為考察對象，感官評分作為響應值，采用Design Expert8.0.6方法設計四因素三水平響應面試驗，試驗因素水平表見表4。

表4 響應面因素水平Table 4 Response surface factor level

1.6 桑葚-甘蔗汁復合飲料的抗氧化活性測定

1.6.1 桑葚-甘蔗汁復合飲料對DPPH自由基清除能力的測定

分別量取4 mL不同濃度梯度的桑葚-甘蔗汁復合飲料和0.2 mmol/L DPPH-乙醇溶液，充分混勻后放置在陰暗處靜置30 min，檢測其在517 nm波長時的吸光度值A1，同時用乙醇作空白對照組，吸光度值記為A0，取4 mL復合飲料和4 mL乙醇溶液混勻按上述方法測定吸光值記為A2[10-11]。以抗壞血酸作為對照組，無水乙醇調零，重復3次取平均值。DPPH自由基清除率的計算公式如下[12]。

1.6.2 桑葚-甘蔗汁復合飲料對羥基自由基清除能力的測定

準確量取不同濃度梯度的桑葚-甘蔗汁復合飲料1 mL，依次分別加入2 mL 9.9 mmol/L FeSO4·7H2O、9.9 mmol/L水楊酸-乙醇溶液、8.8 mmol/L過氧化氫溶液于比色管中定容至10 mL，于37℃水浴反應30 min，測定其在510 nm波長下的吸光度值Ax1[13-15]，以蒸餾水作參比，510 nm下測吸光值記為Ax0，量取不同濃度梯度的桑葚-甘蔗汁復合飲料1 mL，2 mL的9.9 mmol/L FeSO4·7H2O、9.9 mmol/L水楊酸-乙醇溶液于比色管中定容至10 mL，按上述方法測定其吸光度值Ax2。以抗壞血酸作為對照組，重復3次取平均值。羥基自由基清除率的計算公式[16]。

1.7 數據處理

試驗數據采用 Microsoft Excel 2016、Origin 2018和Design-Expert 8.0.6進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 桑葚-甘蔗汁體積比對復合飲料品質的影響

在檸檬酸添加量1.5%、維生素C添加量4%、茉莉花茶湯添加量35%的條件下，以蔗汁-桑葚體積比為變量，制備桑葚-甘蔗汁復合飲料，考察桑葚-甘蔗汁體積比對桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評分的影響，結果見圖1。

圖1 桑葚汁和甘蔗汁體積比對復合飲料感官評分的影響Fig.1 Effect of the volume ratio of mulberry juice to sugarcane juice on sensory evaluation of compound beverage

由圖1可知，當桑葚-甘蔗汁體積比在3∶4時，感官評分最高，為90.63分，口感酸甜適中，兼具兩者風味，色澤透亮。甘蔗汁口感甜膩，桑葚汁口感偏酸澀，甘蔗汁比例較高時，甘蔗風味濃郁，但糖分含量會偏高，口感過于甜膩；桑葚汁比例較高時，桑葚風味過重，口感微甜偏酸澀，且顏色呈紫黑色，感官上不易被消費者接受，感官評分偏低。因此選擇最佳桑葚-甘蔗汁體積比為 3∶4。

2.2 檸檬酸添加量對復合飲料品質的影響

在桑葚-甘蔗汁體積比3∶4、維生素C添加量4%、茉莉花茶湯添加量35%的條件下，以檸檬酸添加量為變量，制備桑葚-甘蔗汁復合飲料，考察檸檬酸添加量對桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評分的影響，結果見圖2。

圖2 檸檬酸添加量對復合飲料感官評分的影響Fig.2 Effect of citric acid on sensory evaluation of compound beverage

檸檬酸作為抑菌劑和調節劑，具有降低飲料的pH值、抑制微生物繁殖，促進纖維素和鈣、磷等物質溶解的作用[17]，但是檸檬酸呈酸味，對飲料風味和口感都有影響。由圖2可知，檸檬酸添加量為1.5%時感官評分最高達到89.97分，在大于1.5%時，其感官評分呈現下降趨勢。檸檬酸的添加量要達到一定量才具備抑菌和調節飲料口感的作用，但是添加量超過1.5%時，檸檬酸的酸味特性較為突顯，飲料口感偏酸，掩蓋甘蔗和桑葚的風味，導致復合飲料風味較差。因此選擇最佳檸檬酸添加量為1.5%。

2.3 維生素C添加量對復合飲料品質的影響

在桑葚-甘蔗汁體積比3∶4、檸檬酸添加量1.5%、茉莉花茶湯添加量35%的條件下，以維生素C添加量為變量，制備桑葚-甘蔗汁復合飲料，考察維生素C添加量對桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評分的影響，結果見圖3。

圖3 維生素C添加量對復合飲料感官評分的影響Fig.3 Effects of vitamin C supplementation on sensory evaluation of compound beverages

維生素C具有防止飲料發生褐變和營養成分損失的作用[18]，由圖3可知，當維生素C添加量增大到4%時，感官評分達到最高90.1分，當維生素C小于4%時，復合飲料的顏色比較偏紫黑色，感官上不易被接受；而當維生素C添加量超過4%后，則會導致飲料的pH值降低，不能夠遮蓋桑葚的苦澀味，還改變了飲料的風味[19-21]，導致復合飲料的感官評價值下降。因此選擇最佳維生素C添加量為4%。

2.4 茉莉花茶湯添加量對復合飲料品質的影響

在桑葚-甘蔗汁體積比3∶4、檸檬酸添加量1.5%、維生素C添加量4%的條件下，以茉莉花茶湯添加量為變量，制備桑葚-甘蔗汁復合飲料，考察茉莉花茶湯添加量對桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評分的影響，結果見圖4。

圖4 茉莉花茶湯添加量對復合飲料感官評分的影響Fig.4 Effect of adding amount of jasmine tea soup on sensory evaluation of compound beverage

由圖4可知，當茉莉花茶添加量在20%～40%時，其感官評分呈現先上升后下降的趨勢，當茉莉花茶湯的添加量為35%時，感官評分最高達到91分，桑葚-甘蔗汁復合飲料的酸甜口感適中，風味香氣適宜。

茉莉花茶湯可以賦予飲料清新的香氣，調節和掩蓋桑葚、甘蔗汁的苦澀味。茉莉花湯過多，茉莉花香氣完全掩蓋桑葚、甘蔗的特殊風味，導致口感不適宜飲用；茉莉花茶湯過少，茉莉花香氣無法中和甘蔗汁的甜膩，也無法掩蓋桑葚汁的酸澀味，導致各種風味無法融合，口感復雜，感官評價得分較低。因此選擇最佳茉莉花茶湯的添加量為35%。

2.5 響應面試驗

利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應面試驗進行設計，結果如表5所示。

表5 Box-Behnken試驗設計及結果Table 5 Design and results of Box-Behnken experiments

對表5進行擬合回歸，得到桑葚-甘蔗汁復合飲料感官評分與各因素變量（A桑葚-甘蔗汁體積比、B檸檬酸添加量、C維生素C添加量、D茉莉花茶湯添加量、Y感官評分）之間的二元回歸方程：Y=91.4+2.947A-2.43B-0.8C-1.858D-9.888A2-9.25B2-4.925C2-7.463D2+2.275AC+2.875AD-0.725AB+2.125BC+2.9BD。

進一步對表5試驗結果進行方差分析，結果如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗模型方差分析Table 6 Box-behnken experimental model analysis of variance

由表6可知，該試驗模型方差極顯著（p<0.01），失擬項不顯著（p=0.123 4>0.05），因此該模型可以反映各因素對桑葚-甘蔗汁復合飲料的影響。該回歸模型的決定系數R2=0.973 7，R2Adj=0.947 3，說明該回歸模型與試驗數值的擬合度程度較高，進一步說明該回歸方程可以對桑葚-甘蔗汁復合飲料的感官評價進行分析和預測。由F值可知各因素對響應值影響的主次順序為：A桑葚-甘蔗汁體積比>B檸檬酸添加量>D茉莉花茶湯添加量>C維生素C添加量。影響感官評分的因素中，一次項 A、B，二次項 A2、B2、C2、D2都是極顯著水平（p<0.01），而一次項D以及交互項AD、BD是顯著水平（p<0.05），而其他結果影響不顯著（p>0.05）。

各因素之間的交互作用可以由響應面直接反映，橢圓形等高線表示兩個因素間的交互作用明顯，圓形表示兩因素間的交互作用不明顯[22]。根據二元回歸方程繪制三維響應面圖和二維等高線圖，結果如圖5、圖6所示。

圖5 茉莉花茶湯添加量與桑葚-甘蔗汁體積比對復合飲料感官評分的等高線及響應值Fig.5 Contour line and response value of sensory score of compound beverage by adding amount of jasmine tea soup and mulberries-sugarcane juice volume ratio

圖6 檸檬酸添加量與茉莉花茶湯添加量對復合飲料感官評分的等高線及響應值Fig.6 Contour line and response value of adding amount of citric acid and jasmine tea soup to sensory score of compound beverage

由圖5、圖6可以看出，AD、BD的交互作用對復合飲料的感官評價值具有顯著影響，而其他的交互作用都不顯著，且圖5、圖6的三維立體圖響應面的開口朝下，表明響應面具有最大值，在試驗范圍內有最優配方。

應用Design-Expert 8.0.6軟件對回歸方程分析，得到的最優響應面結果為：桑葚-甘蔗汁體積比為3：4，檸檬酸添加量1.4%，維生素C添加量4%，茉莉花茶湯添加量34.27%，對應的感官評分為91.877 6分。根據實際情況調整茉莉花茶湯添加量為34%，在此條件下進行飲料復配得到的感官評分值的平均值為90.72分，與預測值相接近，故該響應面優化模型所得到的工藝參數的可靠性高。

2.6 桑葚-甘蔗汁復合飲料對DPPH自由基清除能力分析

以抗壞血酸作為對照組，考察桑葚-甘蔗汁復合飲料對DPPH自由基清除能力，結果如圖7、圖8所示。

圖7 復合飲料對DPPH自由基的清除效果Fig.7 Scavenging effect of compound beverage on DPPH free radical

圖8 抗壞血酸對DPPH自由基的清除效果Fig.8 The scavenging effect of ascorbic acid on DPPH free radical

由圖7可知，桑葚-甘蔗汁復合飲料的濃度在0.2g/L～1.8g/L的范圍內，桑葚-甘蔗汁復合飲料對DPPH自由基清除能力隨著溶液濃度增大而提高。通過線性擬合得到桑葚-甘蔗汁復合飲料的溶液質量濃度與DPPH自由基清除率的線性方程是：y=0.422 5x+0.041（R2=0.998 1），IC50=1.086 g/L。由圖8可知，抗壞血酸的溶液的質量濃度與DPPH自由基清除率的線性方程為：y=31.75x-0.1099（R2=0.9929），IC50=0.019 g/L。桑葚-甘蔗汁復合飲料的質量濃度在料濃度在1.8 g/L時，DPPH自由基清除率達到78.93%，表明復合飲料具有抗氧化性，但其清除DPPH自由基的能力比抗壞血酸的弱。

2.7 桑葚-甘蔗汁復合飲料對羥基自由基清除能力分析

以抗壞血酸作為對照組，考察桑葚-甘蔗汁復合飲料對羥基自由基清除能力。結果如圖9、圖10所示。

圖9 復合飲料對羥基自由基的清除效果Fig.9 The scavenging effect of compound beverage on hydroxyl radical

圖10 抗壞血酸的羥基自由基的清除效果Fig.10 Scavenging effect of hydroxyl radical of ascorbic acid

由圖9可知，桑葚-甘蔗汁復合飲料的濃度在15g/L～75 g/L的范圍內，桑葚-甘蔗汁復合飲料對羥基自由基清除能力隨著溶液濃度增大而提高。通過線性擬合得到桑葚-甘蔗汁復合飲料的溶液質量濃度與羥基自由基清除率的線性方程是：y=0.011 2x+0.048 7（R2=0.986 1），IC50=40.29 g/L。由圖10可知，抗壞血酸的溶液濃度與羥基自由基清除率的線性方程是：y=0.349 3x-0.032 5（R2=0.996 6），IC50=1.52 g/L。桑葚-甘蔗汁復合飲料的質量濃度在料濃度在80 g/L時，羥基自由基清除率達到87.74%，表明復合飲料具有抗氧化性，但其清除羥基自由基的能力比抗壞血酸的弱。

3 結論

通過單因素試驗和響應面法，對桑葚-甘蔗汁復合飲料進行感官評價。結果表明最佳配方為：桑葚汁和甘蔗汁體積比為3∶4，檸檬酸添加量為1.4%，茉莉花茶湯添加量為34%，維生素C添加量為4%，在此條件下，桑葚-甘蔗汁復合飲料的感官評價得分為90.72分，此時復合飲料的色澤呈現紫紅色，酸甜適中，帶有濃濃的茉莉花茶的香氣。在此最優條件下，對桑葚-甘蔗汁復合飲料進行體外抗氧化試驗，結果表明桑葚-甘蔗汁復合飲對DPPH自由基和羥基自由基具有較強的清除能力。