全 文 ：Science and Technology of Food Industry 工 艺 技 术
2014年第24期
响应曲面法优化苦荞饮料加工工艺
张晓宁，郭庆贺，杨 旭，吕远平*
（四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065）
摘 要：选取颗粒饱满的苦荞麦为原料，研究煮制时间、焙烤条件和浸提条件对苦荞饮料中黄酮含量及感官品质的影
响。在单因素实验的基础上，采用响应面实验优化工艺条件。结果表明：苦荞饮料的最佳加工工艺为煮制时间5min、焙
烤条件197℃焙烤15min、浸提条件90℃热水浸提32min。在此条件下，苦荞饮料在510nm处吸光度值为0.540，溶液中黄
酮类化合物含量可达0.3mg/mL。
关键词：苦荞，饮料，黄酮，响应曲面法
Optimization of process for tartary buckwheat drink by
response surface methodology
ZHANG Xiao-ning，GUO Qing-he，YANG Xu，LV Yuan-ping*
（College of Light Industry，Textile and Food Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstract：Tartary buckwheat was used as the raw material to study the effects of boiling time，baked condition
and extraction condition on absorbance and organoleptic quality of buckwheat drink. Trial conditions were
optimized by response surface methodology based on single factor experiments. The results showed that the
optimal conditions for process of tartary buckwheat drink were as follows：boiling time 5min，baked temperature
197℃，baked time 15min，extraction temperature 90℃，extraction time of 32min. Under these conditions，the
absorbance of buckwheat drink was 0.540 and the content of flavonoids was 0.3mg/mL.
Key words：tartary buckwheat；drink；flavonoids；response surface methodology
中图分类号：TS255.36 文献标识码：B 文 章 编 号：1002-0306（2014）24-0270-05
doi：10.13386/j.issn1002-0306.2014.24.049
收稿日期：2014－03－17
作者简介：张晓宁（1988-），男，硕士研究生，研究方向：食品科学。
* 通讯作者：吕远平（1971-），女，博士，副教授，研究方向：食品科学
与工程。
苦荞学名鞑靼荞麦，株高60~90cm，是一种药食
两用资源，分为黄苦荞和黑苦荞两类。黄苦荞一般生
长在海拔1500m左右的山区，而黑苦荞一般需生长在
海拔2000~3000m左右的山区。黑苦荞有“黑珍珠”之
称，外壳呈深黑色锥形状，营养价值比黄苦荞高很
多。中国是苦荞的发源地，其品种及产量都居世界首
位，在四川、云南、贵州等高原地区广泛种植[1]。
苦荞的营养成分丰富，除了富含人体所需的氨
基酸、维生素等营养元素，还含有其他谷物中所没有
的芦丁，其含量可达3.05%[2-3]。据李时珍《本草纲目》
记载：“苦荞麦性味苦、平、寒，有益气力，续精神，利
耳目，降气、宽肠、健胃的作用”。黄酮类化合物具有
降血糖、降血脂功能，可以增强人体免疫力，对糖尿
病、高血压、高血脂等病人都有辅助食疗作用[3-6]，被
人们称之为“三降”保健食品。现阶段关于苦荞的基
础理论较多，而在苦荞的应用方面研究较少。产品主
要为固态苦荞茶，现在市场液态苦荞饮料需求很大，
但关于液态苦荞饮料的研究却很少。
响应曲面是一种最优化方法[7]，它是将体系的响
应作为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这
种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的观察来
选择实验设计中的最优化条件。本论文从苦荞饮料
制作工艺的条件入手，研究了煮制时间、焙烤温度和
浸提时间三个因素对饮料中总黄酮含量和风味色泽
的影响，用响应面设计探索苦荞饮料制作的最佳实
验条件。研究结果可以为具有保健功能的苦荞饮料
的开发提供理论和实验依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
苦荞 由四川善为贸易有限公司提供；α-中温
淀粉酶 苏柯汉生物工程有限公司；芦丁 成都曼
斯特生物科技有限公司；其他试剂 均为分析纯。
JCD-20型烘烤箱 深圳市嘉力豪机械设备有限
公司；LD-Y300A型粉碎机 永康市顶帅五金制品有
限公司；DSY-1-4孔型电热恒温水浴锅 上海市机
密科学仪器有限公式医疗设备厂；AL104型电子分析
天平 上海电子天平仪器有限公司；T90型紫外可见分
光光度计 北京普析通用仪器有限公司；TD40型台式
低速自动平衡离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 苦荞饮料工艺流程 苦荞麦→煮制→焙烤→粉
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2014年第24期
Vol . 35 , No . 24 , 2014
碎→浸提→离心分离→酶解→过滤→杀菌灭酶→装瓶→
成品[8]。
1.2.2 检测波长的选择 精确称量芦丁标准25mg，
用50%乙醇定容至100mL，密塞，摇匀，即得标准溶
液。精确吸取标准溶液3mL置于25mL容量瓶中，各加
水至6mL，加5% NaNO2溶液1mL，摇匀后放置6min，
再加入10% AlNO3溶液1mL，摇匀放置6min，最后加
NaOH溶液10mL，再加水至刻度摇匀放置15min，以蒸
馏水为空白，分别在200～600nm波长范围内扫描，确
定合适的检测波长[9-11]。
1.2.3 标准曲线的制备 准确量取标准液1、2、3、4、
5、6mL，分别置于25mL容量瓶中，按照上述步骤制成
一系列浓度梯度的芦丁标准品。以相应的试剂为空
白，在510nm处测定吸光度，以吸光度（A）为纵坐标，
浓度（C）为横坐标，绘制标准曲线[12-13]。
1.2.4 煮制时间的选择 称取100g苦荞分别在沸水
中煮制0、3、5、7、9min，沥干水分后于200℃焙烤15min，
粉碎过40目筛，按料液比1 ∶30加入90℃热水浸提
30min，离心粗过滤后加入2‰ α-中温淀粉酶2mL在
60℃下水解20min然后超滤至0.22μm装瓶，于121℃
杀菌灭酶10min后[8]。在510nm处测苦荞清液的吸光
度[5]。重复3次，确定适宜的煮制时间。
1.2.5 焙烤条件的确定 在沸水中煮制5min的苦荞，
置于烤箱中分别在180、190、200、210、220℃下焙烤
5、10、15、20、25min。热水浸提30min酶解过滤杀菌
后，测清液的吸光度。重复3次，选择合适的焙烤温度
和时间。
1.2.6 浸提条件的确定 经过煮制5min，并在200℃
焙烤15min后苦荞麦粉碎，按粉末料液比1∶30分别加
入60、70、80、90、100℃热水浸提10、20、30、40、50min。
测其吸光度值。重复3次，确定适宜的浸提温度和
时间。
1.2.7 Box-Behnken实验设计 根据单因素实验结
果，应用三因素和三水平的Box-Behnken设计方法[14-15]，
以煮制时间、焙烤温度和浸提时间作为响应变量，分
别以A、B、C表示，并以-1、0、1分别代表变量的水平，
以吸光度值（Y）为响应值进行响应面优化。Box-
Behnken实验设计因素和水平见表1，采用Design
Expert软件对实验数据进行回归分析。
1.3 数据处理
所有数据利用Microsoft Excel进行统计处理，用
SAS 9.2进行ANOVA分析，不同平均值之间利用LSD
法进行差异显著性检验。应用Design Expert软件，利
用最小二乘法进行二次多项式回归统计分析，建立
响应曲面回归方程。其基本模型如下：
Y=β0+∑βiXi+∑βiiXii+∑∑βijXiXj
式中：β0，βi，βii和βij是回归系数；Xi和Xj代表不同
的自变量；Y代表响应变量。
2 结果与分析
2.1 芦丁标准曲线
基于最小二乘法对芦丁标准液浓度和吸光度做
线性回归分析，如图1所示。芦丁标准液吸光度随着
浓度的增加呈现线性增加的关系。以标准液浓度为
x，吸光度为y的线性方程为：y=0.1071x+0.0031；相关
系数：R2=0.9981。其中：y为芦丁标准液浓度（mg/L）；x
为芦丁标准液吸光度。
2.2 单因素实验
2.2.1 煮制时间的选择 图2为不同煮制时间对苦
荞饮料吸光度值的影响。在不同的煮制时间下测得
苦荞澄清液在510nm处吸光度值不同，其对苦荞中总
黄酮类化合物提取率的影响也不同，从图2中可以看
出，随着煮制时间的增加，溶液中黄酮含量呈现先增
加后减小的状况。煮制时间为5min的时吸光度达到
最大值。由于沸水的蒸煮破坏苦荞的细胞结构，黄酮
等化合物更易析出；然而煮制时间的增加，黄酮类化
合物就会溶解于水而造成苦荞麦中黄酮的流失 [16]。
确定适宜的煮制时间为5min左右。
2.2.2 焙烤条件的选择 图3是焙烤条件对苦荞饮
料吸光度的影响。从图3中看出，焙烤温度和焙烤时
间的吸光度变化曲线相似。在经过180~220℃不同
温度焙烤后，随着焙烤温度的增加吸光度值也不断
水平
因素
A 煮制时间（min） B 焙烤温度（℃） C 浸提时间（min）
-1 4 195 25
0 5 200 30
1 6 205 35
表1 Box-Behnken设计实验因素与水平表
Table 1 Factors and levels in Box-Behnken design
图1 芦丁标准曲线
Fig.1 Standard curve of rutin
吸光度
0 0.2 0.4 0.6 0.8
0.08
0.06
0.04
0.02
0
浓
度
（
m
g/
m
L）
图2 煮制时间对吸光度的影响
Fig.2 Effect of boiling time on absorbance value
煮制时间（min）
0 2 4 6 8 10
0.6
0.5
0.4
0.3
OD
51
0
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实验号 A B C Y 吸光度值
1 -1 -1 0 0.497
2 1 -1 0 0.63
3 -1 1 0 0.483
4 1 1 0 0.436
5 -1 0 -1 0.495
6 1 0 -1 0.449
7 -1 0 1 0.53
8 1 0 1 0.462
9 0 -1 -1 0.506
10 0 1 -1 0.485
11 0 -1 1 0.523
12 0 1 1 0.502
13 0 0 0 0.537
14 0 0 0 0.538
15 0 0 0 0.535
16 0 0 0 0.539
17 0 0 0 0.534
表2 Box-Behnken实验方案与结果
Table 2 Box-Behnken experimental design and result
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 p值
模型 0.018 9 1.945E-003 309.13 ＜0.0001
A 3.960E-003 1 3.960E-003 629.36 ＜0.0001
B 8.611E-004 1 8.611E-004 136.84 ＜0.0001
C 5.611E-004 1 5.611E-004 89.17 ＜0.0001
AB 4.225E-005 1 4.225E-005 6.71 0.0359
AC 2.250E-006 1 2.250E-006 0.36 0.5678
BC 1.000E-006 1 1.000E-006 0.16 0.4020
A2 8.755E-003 1 8.755E-003 1391.29 ＜0.0001
B2 2.010E-003 1 2.010E-004 319.44 ＜0.0001
C2 4.510E-004 1 4.510E-004 71.68 ＜0.0001
残差 4.405E-005 7 6.293E-006
失拟项 3.525E-005 3 1.175E-005 5.34 0.0696
纯误差 8.800E-006 4 2.200E-006
总差 0.018 16
表3 响应面分析实验方差分析结果
Table 3 Box-Behnken experimental design and
results for response surface analysis
增加，在200℃达到峰值，温度继续升高，吸光度值反
而随之下降。在低焙烤条件下的焙烤，饮料中黄酮含
量不高，并且也没有出现焙烤所特有的麦香味，可能
是由于蛋白质、抗性淀粉等物质没有充分变性和碳
化，而阻遏了黄酮类物质的溶解[17-18]，也影响了其焙
烤的风味；而在高温度条件下焙烤时，苦荞出现糊
味，严重碳化的蛋白质颗粒影响了苦荞饮料的外观
和口感，同时黄酮类物质也因高温而变性沉淀，同时
失去其生物活性，因此合适的焙烤条件为200℃焙烤
15min左右。
2.2.3 浸提条件的影响 图4为浸提条件对苦荞饮
料吸光度值的影响。随着浸提温度和时间的增加，饮
料的吸光度值增加到达峰值后不再改变。在浸提
90℃和100℃下浸提30min时吸光度值到达最大值
0.533。当浸提时间超过30min时，溶液中的黄酮含量
不再增加，可能达到了其水溶液中的最大溶解度。当
时间超过45min时，会导致苦荞饮料的过度氧化呈现
深褐色，影响黄酮类化合物的抗氧化性[19-20]，并伴随
有糊味等严重影响苦荞饮料的感官。确定适宜的浸
提条件为90℃下浸提30min左右。
2.3 Box-Behnken实验
2.3.1 Box-Behnken实验结果 Box-Behnken实验设
计及以煮制时间（A）、焙烤温度（B）和浸提时间（C）
为响应变量，以吸光度（y）为响应值的结果见表2。
2.3.2 回归模型建立及方差显著性分析 采用Design-
Expert软件，建立关于吸光度的二阶响应回归模型，
寻求较化的响应水平。对表2中实验结果进行统计分
析，得到的方差分析结果如表3所示。
由表3可知，二次模型的方差分析极显著（p＜
0.0001），并且失拟项不显著，说明该方程对实验拟
合较好。一次项A、B、C及二次项A2、B2、C2均对饮料
吸光度具有极显著影响，交互项AB对吸光度具有显
著影响，其余对吸光度为非显著影响。各因素对吸光
度影响显著性顺序：煮制时间＞焙烤温度＞浸提时间。
经二次多项式回归拟合 [19]，获得二次多项式回归模
型为：
y＝0.54－0.022A－0.01B＋8.375×10-3C－3.25×10-3AB－
7.50×10-4AC＋5.00×10-4BC－0.046A2－0.022B2－0.01C2
去掉非显著项，得到优化的回归方程为：
图3 焙烤条件（温度和时间）对吸光度值的影响
Fig.3 Effect of baked condition（temperature and time）
on absorbance
焙烤时间（min）
5 10 15 20 25
0.55
0.50
0.45
0.40
OD
51
0
180℃
190℃
200℃
210℃
220℃
图4 浸提条件对吸光度值的影响
Fig.4 Effect of extracted condition on absorbance
浸提时间（min）
10 20 30 40 50
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
OD
51
0
60℃
70℃
80℃
90℃
100℃
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Vol . 35 , No . 24 , 2014
图5 煮制时间和焙烤温度的交互影响
Fig.5 Interactive effect between boiling time and
baked temperature
B：焙烤温度（℃） 190.00
0.56
吸
光
度
4.00 A：煮制时间（min）
0.54
0.52
0.50
0.48
0.46
0.44
0.42
195.00
200.00
205.00
210.00
4.50
5.50
5.00
6.00
图6 煮制时间和浸提时间的交互影响
Fig.6 Interactive effect between boiling time and extraction time
C：浸提时间（h） 25.00
0.56
吸
光
度
4.00 A：煮制时间（min）
0.54
0.52
0.50
0.48
0.46
0.44
27.00
29.00
31.00
4.50
5.50
5.00
6.00
33.00
35.00
图7 焙烤温度与浸提时间的交互影响
Fig.7 Interactive effect between baked temperature and
extraction time
C：浸提时间（h） 25.00
0.55
吸
光
度
190.00 B：焙烤温度（℃）
27.00
29.00
31.00
195.00
205.00
200.00
210.00
33.00
35.00
0.54
0.53
0.52
0.51
0.50
0.49
0.48
y＝0.54－0.022A－0.01B＋8.375×10-3C－3.25×10-3AB－
0.046A2－0.022B2－0.01C2
相关系数R2=0.9671，表明该方程对实验拟合较好。
2.3.3 响应曲面分析 图5~图7表示，回归方程所反
应的三维响应曲面图。其意义在于有效地追踪变量
的最优值，使被测的响应值最大化，并通过图形的分
析计算得到最佳的工艺条件。经过优化得到苦荞液
体饮料加工的最佳工艺。由图5可知，浸提时间为
30min时，吸光度随煮制时间和焙烤温度水平的增加
均呈现先增加后降低的趋势。图6和图7中，都出现当
因素水平增加时吸光度增加，到达峰值后，出现的变
化不再显著，可能是由于达到了水中的最大溶解度。
通过峰值的分析得到最佳的工艺条件为：煮制时间
4.7min、焙烤条件为196.94℃焙烤15min、浸提条件为
90℃热水浸提32.24min，吸光度可以达到0.542。根据
实际生产将工艺条件调整为：煮制时间5min、焙烤条
件为197℃下15min、浸提条件为90℃热水浸提32min，
在此条件下，苦荞饮料在510nm处吸光度值为0.540，
黄酮类化合物含量可达0.3mg/mL，得率为0.75%。与
预测模型相差0.002。同时苦荞饮料颜色金黄澄清，
具有苦荞焙烤后特有的香气。
与闫斐艳[21]相比，黄酮的提取率低1.6%，但她们
并没有必要考虑饮料的特殊要求。因为苦荞茶饮料
对可食用性和风味等特殊的要求，许多工艺处理比
如煮制和焙烤等会影响黄酮的提取和溶解。但与现
在市场上常见的苦荞茶相比，该产品的黄酮含量要
比其高0.4%~0.6%。该产品不仅具备了苦荞茶的特
性，同时也尽可能高的保持其黄酮含量。
3 结论
通过单因素实验和Box-Behnken实验设计对苦
荞饮料的加工工艺进行了优化，得到各因素对饮料
中黄酮含量的影响顺序为：煮制时间＞焙烤温度＞浸
提时间。结合实际操作条件，确定苦荞饮料研制最
佳工艺条件为：煮制时间5min、焙烤条件为197℃下
15min、浸提条件为90℃热水浸提32min，饮料中黄酮
类化合物含量可达0.3mg/mL。
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为了验证模型预测的准确性，在修正后的最优
工艺条件下，进行3次验证实验取平均值，在该条件
下产品弹性平均值和感官评分平均值分别为0.90和
91.2与预测值0.92和90.1较接近，说明响应值的实验
值与回归方程预测值吻合良好。最终确定高弹性干
豆腐最优生产工艺条件为：微射流均质压力120MPa，
蒸汽煮浆压力0.25MPa，蒸汽煮浆温度110℃。
3 结论
在传统干豆腐制作工艺基础上，对高弹性干豆
腐生产工艺进行了研究。结果表明，微射流均质压
力、蒸汽煮浆压力和蒸汽煮浆温度对产品弹性影响
较显著。在单因素实验基础上，通过响应曲面分析
法对高弹性干豆腐生产工艺进行优化，确定最优工
艺条件为：微射流均质压力120MPa，蒸汽煮浆压力
0.25MPa，蒸汽煮浆温度110℃。在最优工艺条件下，
可制得弹性高、品质及感官好的干豆腐。
参考文献
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图7 两因素交互作用（显著项）对感官评分R2影响的响应面图
Fig.7 Response surface analysis of significant effective
interaction items on sensory score R2
B：蒸汽煮浆压力
感
官
评
分
A：微射流均质压力-2.00
93
-1.00
0.00
2.00
1.00
-2.00
-1.00
0.00
2.00
1.00
a
C：蒸汽煮浆温度
感
官
评
分
A：微射流均质压力-2.00
100
-1.00
0.00
2.00
1.00
-2.00
-1.00
0.00
2.00
1.00
b
75
57
39
21
70
40
10
-20
（上接第273页）
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