四维辅助三维响应面法优化菠萝蜜种泥果冻配方

薛山 ，黄艺萍

1. 闽南师范大学生物科学与技术学院（漳州 363000）；2. 菌物产业福建省高校工程研究中心（漳州 363000）

菠萝蜜（Artocarpus heterophyllusLam.）又称树菠萝、蜜冬瓜，是一种广泛分布于世界各地的热带水果，果肉肥实，营养价值极高，有着“热带水果皇后”的美誉[1]。在我国，菠萝蜜主要种植于海南、广东、福建、台湾等热带、亚热带地区，以海南省种植面积最广，年产量约12万 t[2]。菠萝蜜的种子约占成熟果实的20%，且平均体积达到5.26 cm3[3]，其富含淀粉、膳食纤维、矿物质、赖氨酸及黄酮类抗氧化活性成分[4]，具有益气补血、消炎止痛等功效[5]，同时种子中高含量的抗性淀粉能够促进机体肠道蠕动，有助消化、降血糖等益处[6]。随着菠萝蜜种植与加工的不断推广，大量的菠萝蜜种子被遗弃而未得到有效的利用，不仅造成了资源浪费，还将一定程度上引起环境污染。有关菠萝蜜种子的研究多集中于淀粉、蛋白质结构及理化特性[7-8]和营养成分分析与品质评定[9-10]方面，而相关产品的研发十分欠缺。

果冻是一种以水、食糖等为主要原料，加以辅料凝胶剂和果蔬等加工而成的胶冻食品。市售果冻大多都添加人工色素、香精等，营养价值偏低，大量食用还可能会对健康产生不利影响[11]。基于此，以菠萝蜜种子为原料，辅以西瓜汁、凝胶剂、食糖等食材，优化研发菠萝蜜种泥果冻配方，不仅实现菠萝蜜种子的综合利用，还为大健康理念下果冻产品的研发创新提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

菠萝蜜（产地台湾）、西瓜、白砂糖、柠檬酸（均购于漳州沃尔玛超市）；魔芋胶、卡拉胶（均购于星火食品配料商城）。

MP-5002电子天平（上海恒平科技仪器有限公司）；C21-Simple101型电磁炉（广东美的生活电器制造有限公司）；PR-HWS-26电热恒温水浴锅（常州国华电器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程图

图1 菠萝蜜种泥果冻加工工艺流程图

1.2.2 操作要点

制备菠萝蜜种泥：取新鲜饱满的菠萝蜜种子，每个菠萝蜜核约12 g，将其最外一层黄膜去掉，用清水清洗，放入沸水中煮熟，约25 min，冷却后捣碎。

西瓜汁的制备：新鲜西瓜榨汁后将滤液倒入0.125 mm（120目）的尼龙过滤袋中过滤，取滤液备用。

溶胶与煮胶：将称量好的复合胶（卡拉胶与魔芋胶）按比例混合，加入100 mL水充分溶解并加热至100 ℃，在加热的过程中不断搅动以避免有絮状物质产生。

搅拌混匀：煮胶后迅速将称量好的菠萝蜜种泥、西瓜汁和白砂糖放入锅中与复合胶混合搅拌均匀，煮1 min即可。

加酸、排气：待温度降到60 ℃时，加入柠檬酸，搅拌均匀，超声水浴5 min除去气泡。

分装：混匀后马上倒入准备好的模具中。

灭菌和冷却：采用85 ℃灭菌15 min，自然冷却后即得成品。

1.2.3 单因素试验

1.2.3.1 西瓜汁添加量对果冻感官评分的影响

以3 g菠萝蜜种泥为基准，添加10%白砂糖、0.2%柠檬酸、3∶2 g/g卡拉胶-魔芋胶、1%复合胶。考察西瓜汁用量10%，15%，20%，25%和30%对果冻感官评分的影响。

1.2.3.2 白砂糖添加量对果冻感官评分的影响

考察白砂糖用量8%，10%，12%，14%和16%对果冻感官评分的影响。

1.2.3.3 柠檬酸添加量对果冻感官评分的影响

考察柠檬酸用量0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%对果冻感官评分的影响。

1.2.3.4 卡拉胶与魔芋胶复配比对果冻感官评分的影响

考察卡拉胶与魔芋胶复配比3∶1，3∶2，1∶1，2∶3和1∶3 g/g对果冻感官评分的影响。

1.2.3.5 复合胶添加量对果冻感官评分的影响

考察复合胶用量0.6%，0.8%，1.0%，1.2%和1.4%对果冻感官评分的影响。

1.2.4 响应面试验

根据单因素试验结果，按照Box-Benhnken设计原则，以西瓜汁（A）、柠檬酸（B）和复合胶（C）的不同添加量为考察变量，将感官评价值（Y1）和弹性（Y2）作为响应值，进行三因素三水平的响应面分析法试验设计。响应面试验因素及水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平 单位：%

1.2.5 感官评分标准

参照GB 19299—2015《食品安全国家标准 果冻》中的感官评定方法，选择20人组成感官评价小组，根据表2进行评分。

表2 果冻感官评价

1.2.6 弹性的测定

采用CT3质构仪对菠萝蜜种泥果冻的弹性进行测定，测定方法采用质构剖面分析方法。弹性用第2次压缩时长与第1次的百分比表示。具体参数为：探头TA10、测试速度1 mm/s、数据频率10.00点/s、触发点负载5 g、循环2次，Target Type为距离。

1.2.7 数据处理与分析

使用SPSS 23.0进行显著性分析（p＜0.05为显著性），利用Origin 7.5进行数据处理及图表制作，响应面试验用Design-Expert.V8.0.6.1软件进行设计和多元线性回归方程拟合分析，四维和三维响应面图用Matlab软件绘制。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果及分析

2.1.1 西瓜汁添加量对菠萝蜜种泥果冻感官评分的影响从图2可以看出，西瓜汁添加量对结果具有较为显著的影响（p＜0.05）。西瓜汁添加量25%时，果冻呈鲜红色，柔软细腻，酸甜适宜，具有西瓜汁特有的清香。

图2 西瓜汁添加量对产品感官评分的影响

2.1.2 白砂糖添加量对菠萝蜜种泥果冻感官评分的影响

白砂糖添加量12%时，产品感官评分最高（图3）。适量的白砂糖在一定程度上可改善复合胶的组织结构[12]。

图3 白砂糖添加量对产品感官评分影响

2.1.3 柠檬酸添加量对菠萝蜜种泥果冻感官评分的影响

从图4可以看出，不同柠檬酸用量的感官评价值存在显著性差异（p＜0.05），柠檬酸添加量0.2%时，产品感官评分达最大值。这是因为柠檬酸的加入会使复合胶的酸碱性发生变化，当酸过量时卡拉胶产生水解作用，从而降低其凝胶性[10]，导致果冻的组织状态劣变。

图4 柠檬酸添加量对产品感官评分的影响

2.1.4 卡拉胶与魔芋胶复配比对菠萝蜜种泥果冻感官评分的影响

凝胶剂的种类、配比、用量对果冻的品质有着重要影响，单一凝胶剂往往达不到预期效果，需要通过复配协同增效凝胶性能[11，13]。从图5可知，在卡拉胶与魔芋胶复配比3∶2 g/g时，产品感官评分达最大值。

图5 卡拉胶与魔芋胶复配比对产品感官评分的影响

卡拉胶作为原材料制作的果冻在常温下十分稳定，且有良好持水性，但卡拉胶组织状态不细腻，pH 4.0以下时易被酸解[14-15]；魔芋胶用于食品中能改善食品的物理性质，增加食品的黏稠性和柔滑感[16]。因此，在卡拉胶-魔芋胶的体系中，卡拉胶形成主要的网络结构，而魔芋胶是填补网络结构，两者有一定互补性，适量配比可以提升产品的感官特性[11]。

2.1.5 复合胶添加量对菠萝蜜核种泥果冻感官评分的影响

复合胶用量对结果存在显著性差异（p＜0.05），用量达1.0%时产品感官评分达最大值（图6）。这可能是因为随着复合胶添加量增加，果冻的弹性和硬度逐渐增强，凝胶体系强度增强，内部结构的分子之间排列更加紧密，形成更加稳定的三维网状结构[17]，但复合胶添加量过大，产品容易结块，而用量过少时，无法形成果冻凝胶。

图6 复合胶添加量对产品感官评分的影响

2.2 四维辅助三维响应面优化结果及分析

2.2.1 基于Y1和Y2三维响应面模型的建立

根据单因素试验结果，选择对产品感官评分影响最显著的3个因素进行Box-Behnken Design试验设计结果见表3。

表3 响应面试验设计及结果

经数据分析，得到Y1和Y2的回归方程：Y1=90.80+ 2.38A-1.37B-2.00C-6.50AB+4.75AC-9.25BC-7.65A2-13.15B2-4.40C2；Y2=73.49+0.53A-0.11B-0.37C-1.50AB+ 2.00AC-2.23BC-3.25A2-5.04B2-2.50C2。

2.2.2 基于Y1和Y2响应面模型的显著性检验

由表4可知，Y1和Y2模型的p值极显著（p＜0.01），说明其二次多项回归方程中的自变量和因变量均具有极显著的相关性。二者失拟项不显著（p＞0.05），表明试验结果和数学模型具有良好的拟合性，可对菠萝蜜种泥果冻的感官评分和弹性进行分析和预测。

表4 基于Y1和Y2响应面方差分析

分析回归方程的可行度（表5）可知，Y1和Y2模型回归方程相关系数均大于0.9，R2值越接近1，则回归方程越可靠，说明该回归方程可以真实反映该试验各因素与响应值之间的关系。Y1回归方程校正后可以解释99.68%的响应值变化，Y2校正后可以解释86.58%的响应值变化。Y1和Y2模型的AP＞4，说明该2个方程的拟合度和可信度较好。C.V.值反映回归方程的置信度，其值越小，回归方程的置信度越高，基于Y1模型的回归方程具有更高可信度。

表5 回归方程的可行度

2.2.3 四维和三维响应面结果分析

各因素两两交互对产品Y1和Y2影响的四维，三维响应面分别如图7和图8所示。

经M a tl a b分析（图7），Y1取得理论最大值（91.106 1分）时，通过矩阵计算得到A=25.714 3%、B=0.193 9%、C=0.979 6%；同理，Y2取得理论最大值（73.517 5%）时，A=25.306 1%，B=0.198 0%，C=0.987 8%。图7（a）较图7（b）的坡度更陡，色差值变化更大，说明Y1模型较Y2模型更显著，Y1模型中各因素交互作用较Y2更显著。

图7 基于Y1和Y2优化的四维交互曲面

经Design-Expert分析（图8），当A=25.53%，B=0.20%，C=0.99%时，Y1有最大理论值91.077 1分（＜91.106 1分），Y2有最大值73.510 7%（＜ 73.517 5%）。据报道，响应曲面越陡峭，说明交互因素对响应值的影响越显著[18]。由此，就Y1而言，两两交互作用均极显著（p＜0.01），其中BC＞AB＞AC，就Y2而言，图8（f），8（e）曲面较陡峭，故BC和AC交互作用显著（p＜0.05），且前者较后者更明显，而AB交互不显著（p＞0.05）。

图8 各因素交互作用对产品Y1和Y2影响的三维响应面

2.2.4 最优组合确定和验证

通过优化试验，得到最优配方：以菠萝蜜种泥为基准，西瓜汁添加量25.53%、白砂糖添加量12%、柠檬酸添加量0.20%、3∶2 g/g卡拉胶-魔芋胶、复合胶添加量0.99%，此时Y1预测值为91.077 1分，Y2预测值为73.510 7%，经验证，Y1实际值为91.09±0.04分，Y2预测值为73.39%±0.22%，与预测值差异不显著（p＞0.05），可见Y1和Y2模型均能较好地预测菠萝蜜种泥的感官评分和弹性质构。

3 结论

在单因素试验基础上，采用四维辅助三维响应面法研发并优化菠萝蜜种泥果冻的配方，得到菠萝蜜种泥果冻的最优组合：以菠萝蜜种泥为基准，西瓜汁添加量25.53%、白砂糖添加量12%、柠檬酸添加量0.20%、3∶2 g/g卡拉胶-魔芋胶、复合胶添加量0.99%，此时产品具有良好的口感、质地及外观，感官评分达91.09分，弹性为73.39%，为菠萝蜜种子的综合利用提供新思路。以四维辅助三维响应面法优化产品配方，不仅能够更直观地分析各因素相互作用对响应值的影响，还能够更准确地分析和验证试验结果，为产品工艺优化提供新方法。