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基于混料回归设计的柳橙、草莓果味饮料配方设计及优化



全 文 :202
基于混料回归设计的柳橙、
草莓果味饮料配方设计及优化
吴 丹1,章振武2,张爱群2,叶兴乾1,* ,陈健初1
(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州 310058;
2.杭州佳禾食品有限公司,浙江杭州 310001)
摘 要:以柳橙和草莓果汁为原料,运用 DPS 数据处理软件进行果味饮料的混料设计研究。考察了蔗糖、柠檬酸、果
汁、食盐含量对果味饮料的感官影响,建立了各组分与果味饮料品质之间的二元多项式回归模型,方差分析和配方优
化验证实验研究表明该模型具有高度显著性。根据混料设计得到的优选果味饮料配方进行了柳橙和草莓果味饮料色
泽、香味和口感优化实验,最终得到柳橙和草莓果味饮料的最佳配方分别为蔗糖 22.80%、柠檬酸 0.50%、果汁 5%、食
盐 0.04%、日落黄 0.0012%,柠檬黄 0.006%,柳橙香精 0.07%,黄原胶 0.1%,瓜尔豆胶 0.25%,感官评分为 95 分和蔗糖
22.09%、柠檬酸 0.50%、果汁 5%、食盐 0.04%、草莓香精 0.06%,诱惑红 0.00008%,胭脂红 0.0003%,黄原胶 0.1%,瓜
尔豆胶 0.25%,感官评分为 94 分。
关键词:混料设计,柳橙,草莓,饮料
Application of mixture design to optimizing orange
and strawberry flavored beverages
WU Dan1,ZHANG Zhen-wu2,ZHANG Ai-qun2,YE Xing-qian1,* ,CHEN Jian-chu1
(1. College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;
2. Hangzhou Jiahe food Co.Ltd.,Hangzhou 310001,China)
Abstract:Taking orange and strawberry juice as raw material to develop the fruit flavored beverages by application
of mixture design of Data Processing System(DPS)software.The effect of sugar,citric acid,fruit juice and salt on
sensory characteristics of the products had been studied and the regression mathematical model between
constituents and organoleptic quality of fruit flavored beverages was established.The data of variance analysis and
demonstration test indicated that the established regression mathematical model had a high level of significance.
Based on optimizing components by mixture design for the flavored beverage,the further research on the
improvement of the color,odor and taste of the flavored beverage had been done.The results showed that the
optimum formulas of orange and strawberry flavored beverages were as following:sugar 22.80%,citric acid
0.50%,fruit juice 5%,salt 0.04%,sunset yellow 0.0012%,lemon yellow 0.006%,food flavour0.07%,xanthan gum
0.1%,guar gum 0.25%,sense evaluation value 95 and sugar 22.09%,citric acid 0.50%,fruit juice 5%,salt 0.04%,
allura red 0.00008%,cochineal 0.0003%,food flavour0.06%,xanthan gum 0.1%,guar gum 0.25%,sense evaluation
value 94.
Key words:Mixture design;orange;strawberry;beverage
中图分类号:TS255.44 文献标识码:B 文 章 编 号:1002-0306(2014)21-0202-05
doi:10. 13386 / j. issn1002 - 0306. 2014. 21. 035
收稿日期:2014-04-16
作者简介:吴丹(1979-) ,女,博士,工程师,研究方向:食品加工。
* 通讯作者:叶兴乾(1962-) ,男,教授,研究方向:食品加工。
基金项目:国家支撑项目(2012BAD31B06) ;省级重点创新团队项目
(2010R50032) ;杭州市级项目(20130432B65)。
柳橙属于柑橘类水果,营养丰富,不仅含人体所
需的 6 大营养元素,而且氨基酸齐全、VC 含量较
高[1-2]。柳橙果汁因糖酸比适宜,风味佳,深受消费
者喜爱,是全球最受欢迎的果汁饮品之一,约占世界
果汁类饮料消费的 2 /3[3]。大量的研究表明,食用柑
橘类水果利于抗癌和防止心血管疾病[4-6]。草莓在
欧洲有“水果皇后”美誉之称,其 VC 含量比苹果高
11.7 倍,同时含类黄酮和酚酸类物质,具有抗氧化、
增强免疫力、预防心脑血管疾病、预防贫血、抗癌等
作用[7]。自上个世纪 90 年代开始,人们就对橙汁饮
料和草莓汁饮料进行了大量的研究,主要包括清汁
或者浊汁饮料[8-10]、果蔬或水果复合饮料[11-13]、发酵
饮料[14-15]、乳饮料类[16-17]等。
果汁类饮料的配方设计涉及混料问题。混料设
203
计是工农业科学实验中经常运用到的实验设计[18-22]。
在混料实验中,每个组分以占有的百分数来表示,各
个组分加和计算为 1。目前的文献报道中以正交实
验来优化果汁饮料配方的较为多见,而混料设计方
法在柳橙果味饮料和草莓果味饮料的配方优化中还
未涉及。本文结合食品感官评定法对柳橙和草莓果
味饮料配方进行混料回归设计优化实验,得出优选
的柳橙和草莓果味配方组合,同时通过增加相关的
色香味辅料进一步实验实现果味饮料色香味的优
化,最终确定较优的柳橙味饮料配方和草莓味饮料
配方。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
柳橙汁(糖度:66°Bé,酸度:4.16%)、草莓汁(糖
度:62.5°Bé,酸度:1.16%) 杭州博多工贸有限公司
提供;蔗糖、食盐 市售;柠檬酸 购自山东省中创
柠檬生化有限公司;色素和香精 购自杭州绿精香
精有限公司;黄原胶(食品级)和瓜尔豆胶(食品
级) 购自河北金丰化工有限公司。
WX-300 的索尼数码相机 购自日本索尼公司。
1.2 果味饮料的制备
将蔗糖和柠檬酸、食盐等各种配料按照混料设
计表中的比例放入煮沸的纯净水充分溶解,待冷却
到 50~60℃时,加入纯果汁混匀,用均质机在 18 ~
22MPa 下进行均质处理,而后装罐巴氏杀菌得到
成品。
1.3 实验方法
1.3.1 混 料 设 计 本 研 究 利 用 DPS DATA
PROCESSING SYSTEM 13.5,采用混料设计方法,对柳
橙和草莓果味饮料的配方进行设计优化。经过初步预
实验后,果汁浓度范围选定为 3%~5%,蔗糖的浓度范
围选定为 20% ~40%,柠檬酸的浓度范围为 0.2% ~
0.5%,食盐的浓度范围为 0.04% ~0.08%,其余为纯净
水。混料设计表如表 1。
1.3.2 感官评价 22 位感官评价员通过评分检验法
对得到的果味饮料从色泽、香味、口感、外观三方面
进行感官评定。感官评价标准如表 2。
1.3.3 配方优化 在混料设计基础配方的基础上,
通过日落黄和柠檬黄的浓度添加实验进行柳橙果味
饮料的色泽优化,通过诱惑红和胭脂红的浓度添加
实验进行草莓果味饮料的色泽优化;通过柳橙香精
和草莓香精的浓度添加实验进行果味饮料的香味优
化;通过黄原胶和瓜尔豆胶的浓度添加实验进行果
味饮料的口感优化。
1.3.4 颜色特征参数的提取 在室内自然光照下固
定位置,采用型号 WX-300 的索尼数码相机摄取各
个样品的数字图像。拍摄角度为样品正上方的垂直
方向。以数码相机的自动曝光模式控制曝光时间和
色彩平衡,图像的分辨率采用 1920 像素 × 1080 像
素。图像分析与色彩特征值的提取采用 Adobe
Photoshopcs 7.0 进行,选取照片中的样品区域,利用
Adobe Photoshopcs 7.0 读取各样品图像的 R、G、B 值
的各项平均值。样品间色差值计算公式为:
D =(ΔR2 + G2 + B2)1 /2
R:样品图像 R值与参比物图像 R值差;G:样品
图像 G值与参比物图像 G 值差;B:样品图像 B 值与
参比物图像 B值差。
表 1 果味饮料混料设计表
Table 1 Mixture design for fruity drinks
实验号
A蔗糖
(%)
B柠檬酸
(%)
C果汁
(%)
D食盐
(%)
E纯净水
(%)
1 20 0.2 3 0.04 76.76
2 20 0.2 3 0.08 76.72
3 20 0.2 5 0.08 74.72
4 20 0.35 4 0.06 75.59
5 20 0.5 3 0.08 76.42
6 20 0.5 5 0.04 74.46
7 20 0.5 5 0.08 74.42
8 20 0.5 3 0.08 76.42
9 20 0.2 3 0.04 76.76
10 30 0.2 5 0.04 64.76
11 30 0.2 3 0.08 66.72
12 30 0.5 5 0.08 64.42
13 30 0.5 3 0.04 66.46
14 30 0.5 5 0.04 64.46
15 30 0.35 4 0.08 65.57
16 40 0.2 3 0.04 56.76
17 40 0.2 4 0.08 55.72
18 40 0.2 5 0.06 54.74
19 40 0.35 5 0.08 54.57
20 40 0.5 3 0.04 56.46
21 40 0.5 3 0.08 56.42
22 40 0.5 5 0.04 54.46
23 40 0.5 3 0.08 56.42
24 40 0.2 4 0.08 55.72
25 40 0.35 5 0.08 54.57
表 2 感官评价标准
Table 2 Standard of sense evaluation
感官指标 特征描述 评分
香气
(30 分)
果香纯正、留香时间长
果香味淡,留香时间短
无明显香气或有异味
20~30
10~20
0~10
外观
(30 分)
色泽正常、无分层现象
色淡、不澄清
色差、溶液有分层或者浑浊
20~30
10~20
0~10
滋味
(40 分)
酸甜适口、口感醇厚
偏酸或者偏甜、滋味较淡
酸涩、难以接受
30~40
15~30
0~15
1.3.5 数 据 分 析 与 处 理 采 用 DPS DATA
PROCESSING SYSTEM 13.5 进行混料实验设计和回
归分析;采用 Adobe Photoshopcs 7.0 进行图像分析;
采用 EXCEL 进行图表处理。
2 结果与讨论
2.1 数学模型的建立
根据表 1 的混料设计配方,最终得到 2 种口味饮
204
表 3 果味饮料感官评价值
Table 3 Sense evaluation for fruity drinks
实验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
柳橙
实测 73 68 70 68 82 83 83 82 73 78 78 75 77 76 70 57 57 57 53 53 55 58 55 57 53
预测 73 71 70 68 82 83 81 82 73 78 73 77 76 79 71 58 58 57 52 53 55 56 55 58 52
草莓
实测 72 65 71 69 83 86 84 80 72 77 79 77 74 73 71 58 58 56 51 52 54 60 56 55 51
预测 69 70 70 76 81 85 80 81 69 76 73 74 76 79 74 58 57 57 53 54 54 55 54 57 53
表 4 二次多项式回归模型方差分析
Table 4 Variance analysis of regression model equation
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p值
柳橙
回归 2832.20 13 202.30 43.14 0.0001
残差 55.56 11 5.05
总的 2887.76
草莓
回归 2852.99 7 356.62 28.78 0.0001
残差 240.77 17 14.16
总的 3093.76
表 5 优化配方的感官评定值
Table 5 Sense evaluation under the optimized formula of fruit drinks
品种 A蔗糖(%) B柠檬酸(%) C果汁(%) D食盐(%) E纯净水(%)
感官评价值
预测值 实际值
柳橙 22.80 0.50 5.00 0.04 71.66 83.53 83.30
草莓 22.09 0.50 5.00 0.04 72.37 84.88 84.70
料的感官评价值,见表 3。
利用数据处理软件,对实验结果进行混料设计
统计,建立回归模型,见如下方程,根据回归方程可
以预测不同配方情况下的果味饮料感官评定值(见
表 3) :
柳橙评分方程:
Y = -3.64 × 102A + 2.04 × 106B + 1.50 × 103C +
9.39 × 107D + 5.04 × 10E - 2.06 × 106 AB - 9.40 ×
107AD +9.21 × 102AE-2.06 × 106BC-9.39 × 107 BD-
2.04 × 106BE - 9.43 × 107CD - 1.38 × 103CE - 9.39 ×
107DE
草莓评分方程:
Y = -3.64 × 102A + 8.31 × 104B + 6.39 × 102C-
2.09 × 104D-2.74 × 10E-2.35 × 104AB + 8.88 × 102AE
-6.27 × 105CD
柳橙果味饮料的二次多项回归方程的复相关系
数 R2 为 0.98,校正后的复相关系数 R2 为 0.96。草莓
果味饮料二次多项回归方程的复相关系数 R2 为
0.92,校正后的复相关系数 R2 为 0.89。对以上 2 个方
程进行方差分析,得到方差分析表 4。从表中可以看
出,这 2 个方程的线性模型和二次模型的 p 值达到
0.0001,均达到显著性水平。可以看出拟合的方程能
很好的反映果味配方指标与感官评价值之间的关系。
同时通过数据处理软件,可以得到柳橙和草莓
果味饮料的优化配方,表 5 为软件运行得到的最佳
组合配方和预测的感官评定值,以及进行人工感官
评定得到的实测值。
从表 5 中可以看到实际测定得到的感官评定值
在预测值 1%的置信区间范围内。建立的拟合方程
可以很好的模拟配方的感官评价值。
2.2 配方优化
表 5 中的柳橙和草莓优化配方果味饮料,虽然
感官评价值较高,在一定程度上已经能满足人们的
消费需要,但是与原果汁相比在色、香、味方面还是
有一定的差距,需要进一步的完善和优化。
2.2.1 色泽优化 按照表 5 中柳橙优化配方,添加日
落黄,其添加量分别为 0,0.0003%,0.0006%,
0.0009%,0.0012%,0.0015%,见图 1。其中色差值 D
以原橙汁溶液为参比物。从图 1 中可以看到添加
0.0012%的日落黄与原果汁的色差值最小,与原果汁
相差色差为 5.0,因此将该浓度作为优选添加量。
图 1 日落黄添加量对柳橙果味饮料色差的影响
Fig.1 The effect of sunset yellow on colour difference
of orange flavored beverages
按照表 5 中柳橙优化配方和日落黄优选添加
量,进行柠檬黄色素添加实验,其添加量分别为 0,
0.003%,0.006%,0.009%,0.012%,0.015%,见图 2,
其中色差值 D 以原橙汁溶液为参比物。可以看出,
205
当柠檬黄添加量达到 0.006%时与原果汁的色差值
最小,与原果汁相差色差为 2.45,因此可将此浓度作
为优选添加量。
图 2 柠檬黄添加量对柳橙果味饮料色差的影响
Fig.2 The effect of lemon yellow on colour difference
of orange flavored beverages
按照表 5 中草莓优化配方,进行诱惑红色素添
加实验,其添加量分别为 0,0.00002%,0.00004%,
0.00006%,0.00008%,0.00010%,见图 3,其中色差值
D以草莓汁原液为参比物。单独使用诱惑红的颜色
偏粉红色,与草莓色泽差异较大,色差值均在 100 以
上。当诱惑红的浓度大于 0.00008%时与原果汁的色
差值最小,因此可将此浓度作为优选添加量。
图 3 诱惑红添加量对柳橙果味饮料色差的影响
Fig.3 The effect of allura red on colour difference
of strawberry flavored beverages
为了弥补诱惑红色泽的不足,按照表 5 中草莓
优化配方和诱惑红最佳添加量,加入胭脂红色素,其
添加量分别为 0,0.0001%,0.0002%,0.0003%,
0.0004%,0.0005%,结果见图 4,其中色差值 D 以草
莓汁原液为参比物。从图中可以看出,当胭脂红的
添加量达到 0.0003%时,色泽与草莓颜色最为接近,
最低色差值为 65.74,因此将此浓度作为优选添
加量。
2.2.2 香味优化 图 5 和图 6 为柳橙和草莓香精对
果味饮料香气影响的研究,其中感官评价值以表 2
的香气感官评定标准为参考。从图中可以看出当柳
橙香精添加量达到 0.07%,草莓香精添加量达到
0.06%时,获得了最佳的香气感官评分值。因此这里
将这 2 个添加浓度作为优选的香精添加量。
2.2.3 口感优化 选用黄原胶和瓜尔豆胶作为增稠
剂,对柳橙和草莓果味饮料进行口感优化实验。分
别选择不同的添加比例,并进行描述性感官评定,结
果见表 6。
图 4 胭脂红添加量对柳橙果味饮料色差的影响
Fig.4 The effect of cochineal on colour difference
of strawberry flavored beverages
图 5 柳橙香精对柳橙果味饮料香气的影响
Fig.5 The effect of orange flavour on odor
of strawberry flavored beverages
图 6 草莓香精对草莓果味饮料香气的影响
Fig.6 The effect of strawberry flavour on odor
of strawberry flavored beverages
表 6 黄原胶和瓜尔豆胶对果味饮料口感的影响
Table 6 The effect of xanthan gum and
guar gum on texture of flavored beverages
黄原胶∶瓜尔豆胶 感官评定
2∶1(0.1% ∶0.05%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感差
1∶1(0.05% ∶0.05%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感稍差
2∶3(0.1% ∶0.15%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感稍差
1∶2(0.05% ∶0.10%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感稍好
2∶5(0.1% ∶0.25%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感好
1∶3(0.05%:0.15%) 果味浓
,酸甜适中,
无沉淀,口感稍差
206
从表 6 可以看出,当黄原胶与瓜尔豆胶的添加
比例为 2∶5,即黄原胶添加量为 0.1%,瓜尔豆胶添加
量为 0.25%,得到最佳的感官评价,因此可将此添加
量作为优选配方浓度。
3 结论
综上所述,柳橙果味饮料的最佳配方为:蔗糖
22.80%、柠檬酸 0.50%、果汁 5%、食盐 0.04%、日落
黄 0.0012%,柠檬黄 0.006%,柳橙香精 0.07%,黄原
胶 0.1%,瓜尔豆胶 0.25%,其余为纯净水。此柳橙果
味饮料最佳配方下获得的产品感官评分值为 95 分;
草莓果味饮料的最佳配方为:蔗糖 22.09%、柠檬酸
0.50%、果汁 5%、食盐 0.04%、诱惑红 0.00008%,胭
脂红 0.0003%,草莓香精 0.06%,黄原胶 0.1%,瓜尔
豆胶 0.25%,其余为纯净水。此草莓果味饮料最佳
配方下获得的产品感官评分值为 94 分。
混料设计相比于目前配方设计中经常用到的正
交设计可以研究配方里各因子之间的配比和相关
性,利用回归分析建立各因变量的曲线方程,根据回
归方程和目标值推测出因子的最佳配比组合[23]。本
实验通过 DPS 进行混料设计和统计,建立了预测数
学模型,通过方差分析和验证实验,表明该方程可以
很好的预测各个因素水平与感官指标之间的关系。
在得到果味饮料基础配方的基础上进一步进行了
色、香、味的优化实验,确定了最终的优化配方。
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