全 文 ：238
响应面法研制灵芝火棘复合保健饮料
李尽哲1，王德芝1，黄雅琴1，2，*
(1.信阳农林学院生物与制药工程学院，河南信阳 464000;
2.郑州大学河南省离子束生物工程重点实验室，河南郑州 450052)
收稿日期:2016－05－16
作者简介:李尽哲(1982－) ，男，硕士，讲师，研究方向:生物制药技术，E－mail:xynz1688@ 163.com。
* 通讯作者:黄雅琴(1985－) ，女，博士，研究方向:生物保健品开发，E－mail:359832965@ qq.com。
基金项目:河南省科技公关项目(152102110031) ;河南省高等学校重点科研项目(16A180051) ;信阳农林学院科技创新团队项目(CXTD－
201606)。
摘 要:为了提高灵芝和火棘的附加值，以火棘果和灵芝为原料，柠檬酸和木糖醇为调味剂，β－环糊精作为掩味剂，羧
甲基纤维素钠作为稳定剂，在单因素实验的基础上，应用 Box－Behnken中心组合实验设计和响应面分析方法，通过色
泽、香气、滋味三项感官指标分析，确定了火棘灵芝保健饮料的最佳配方。结果表明:灵芝浸提液、火棘果原汁添加量
分别为:25、75 mL /L，柠檬酸、木糖醇、β－环糊精、羧甲基纤维素钠的添加量分别为 0.55、50.00、6.00、4.17 g /L。最终获
得一款感官评价指标较好，质量符合相关标准的复合保健饮料。
关键词:火棘，灵芝，复合保健饮料，响应面法
Compound health beverage of Ganoderma lucidum
and Pyracantha fortuneana developed by response surface method
LI Jin－zhe1，WANG De－zhi1，HUANG Ya－qin1，2，*
(1.College of Biological and Pharmaceutical Engineering，Xinyang College of Agriculture and Forestry，Xinyang，464000，China;
2.Henan Provincial Key Laboratory of Ion Beam Bio－engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450052，China)
Abstract:In order to raise the added value of Ganoderma lucidum and Pyracantha crenulata，Pyracantha crenulata
fruit and Ganoderma lucidum as raw material，citric acid and xylitol as flavoring agents，β － cyclodextrin as a
masking agent，CMC－Na as a stabilizer.Based on single factor experiments，Box－Behnken experimental design
combined with response surface methodology(ＲSM)were employed，through the analysis of three sensory
indexes of color，aroma and taste，the optimum formula of the beverage was determined.The best formula was that
the addition amounts of Ganoderma lucidum leach liquor and Pyracantha crenulata raw juice were 25，75 mL/L，the
contents of citric acid，xylitol，β－ cyclodextrin，CMC－Na were 0.55，50.00，6.00，4.17 g /L respectively.A compound
health beverage with goood sensory evaluation index，qualified quality was acquired.
Key words:Pyracantha crenulata;Ganoderma lucidum;compound health beverage;response surface methodology
中图分类号:TS275 文献标识码:B 文 章 编 号:1002－0306(2016)21－0238－05
doi:10． 13386 / j． issn1002 － 0306． 2016． 21． 037
灵芝(Ganoderma lucidum)自古以来就是中国传
统的名贵中药材，是中药材中的八大仙草之一，含有
多种氨基酸、有机酸、糖类、微生物和微量元素，其最
主要的活性成分主要有灵芝多糖、三萜、环磷酸腺
苷、芦丁等［1－3］，具有抗菌、保护核酸、提高免疫力、抗
氧化、抗肿瘤、防止肿瘤转移、治疗哮喘、降三高、修
复 组 织 损 伤 等 功 效［4－9］。 火 棘 (Pyracantha
fortuneana)俗称“火把果”、“红灯笼”，是一种南方地
区的观赏植物，其果实中含有丰富的氨基酸、维生
素、脂肪酸、可溶性多糖、果胶和膳食纤维等营养成
分［10－13］，尤其值得一提的是火棘果实中还含有丰富的
黄酮、多酚、红色素和黄色素和槲皮素［14－16］，具有降血
脂、提高免疫力、抗疲劳、清除自由基、抗氧化等方面
的功效［17－20］。目前对灵芝和火棘的研究更多地集中
在其活性成分的提取、药用功效方面等基础研究领
域，这些研究固然能够促进对火棘和灵芝的开发，但
是短时间很难直接转化为经济效益，因此进行应用
型保健饮料的开发很有必要。目前，关于灵芝火棘
复合保健饮料的研究尚未见报道，本文以自己驯化
的鸡公山赤灵芝［21］和信阳当地产火棘果为原料，在
单因素实验的基础上，应用 Box－Behnken 中心组合
实验设计和响应面分析方法确定了灵芝浸提液、火
棘果原汁、木糖醇、柠檬酸、β－环糊精、羧甲基纤维素
钠的添加量，为开发出一款感官评价指标较好、质量
合格的饮料奠定基础。
239
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
灵芝子实体 信阳市食用菌无公害重点实验
室培养保存(被驯化的鸡公山野生赤灵芝) ;火棘
果 采自校内园艺系实训基地(已经成熟的火棘
果) ;β－环糊精、木糖醇、柠檬酸、羧甲基纤维素
钠 均购自信阳市淮河化学试剂(食品级) ;果胶酶
(10000 U /g) 广西东恒华道生物科技有限公司。
XFB－200 型中药粉碎机 湖南中诚制药设备公
司;101－0 型电热恒温鼓风干燥箱 上海梅香仪器公
司;FA2004B 型电子天平 上海精密科学仪器公司;
PHS－3C 型 pH 计 深圳怡华电子公司;ＲA－600 型
阿贝折光仪 中科恒远实验仪器公司;HH－S6 型恒
温水浴锅 金坛市国旺实验仪器公司;GJB8－20 型
高压均质机 常州均质设备公司;AM－10 破碎乳化
机 上海季诺科贸有限公司;LD66 型中药切片
机 长沙益广制药机械有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 火棘灵芝低糖保健饮料的生产工艺 采火棘
果→预处理→软化打浆→果胶酶处理→过滤;灵芝子实体→
预处理→烘干→粉碎→浸提→过滤;调配→均质→灭菌→灌
装→质检。火棘原汁的制备:采摘成熟度高、无病变、
颜色深红的火棘作为原料，按照 1∶ 2(火棘鲜果重量 /
水重量)加入 85 ℃热水，软化 5 min，用破碎乳化机
匀浆 15 min，待浆汁温度冷却到(43 ± 1)℃时，按照
0.2%的添加量加入果胶酶(10000 U /g) ，充分搅拌混
匀后，45 ℃静置 6～8 h，四层纱布过滤，获得火棘原
汁。灵芝浸提液的制备:选取无病虫害的灵芝子实
体，放入电热恒温鼓风干燥箱中 50 ℃烘干，用中药
切片机切片后放入中药粉碎机中粉碎后过 50 目筛
网。按照灵芝∶水(1∶ 200)的比例 60 ℃浸提 2 h，双
层滤纸过滤，得到第一次滤液。取滤渣加入等体积
(第一次加入热水等量)的热水，80 ℃浸提 3 h，双层
滤纸过滤，合并两次滤液得到灵芝浸提液。调配:将
火棘果原汁和灵芝浸提液按照实验获得的比例混
合，用 β－环糊精去除火棘果汁的涩味道和灵芝浸提
液的苦味，用不同配比的火棘果汁和灵芝浸提液、木
糖醇、柠檬酸和羧甲基纤维素钠调节该饮料的风味，
以单因素实验为基础，通过响应面优化实验和感官
评定，确定该饮料的最佳配方。均质、灭菌、灌装:将
调配好的饮料混合液放入高压均质机中，65 ℃、
15 MPa，均质 15 min;将均质好的饮料迅速加热到
85 ℃，维持 5 min;迅速灌装到已经洗净、灭菌好的玻
璃瓶中，迅速封口，保存备检。
1.2.2 质量指标检测 感官指标:制定火棘灵芝
低糖保健饮料的感官指标表(见表 1) ，挑选 20 名
食品专业人员从色泽、香气和风味方面对该饮料
进行感官质量评价，满分为 100 分。理化指标:用
阿贝折光仪在室温(20 ℃)测定饮料中可溶性固
形物的含量;利用酸碱滴定法测定饮料总酸含量
(以柠檬酸计)。微生物指标:用微生物学常规检
测方法对饮料中细菌总数、大肠杆菌及病原菌进
行检测。
表 1 火棘灵芝复合保健饮料感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation standards of
compound health beverage of
Pyracantha fortuneana and Ganoderma lucidum
感官指标 等级 评价标准 感官评价(分)
色泽
(30 分)
一级 呈现橙红色 25～30
二级 呈现暗红色 15～25
三级 呈现淡红色 1～15
香味
(30 分)
一级
典型的灵芝
和火棘果药香味，无异味
25～30
二级
较弱的灵芝和火棘果
药香味，稍有异味
15～25
三级 无药香味，异味明显 1～15
滋味
(40 分)
一级 酸甜爽滑，风味协调 35～40
二级 酸甜适中，稍有异味 25～35
三级 酸甜失调，异味明显 1～20
1.2.3 配方优化单因素实验 火棘果原汁的添加量
对饮料感官品质的影响:选定复合饮料中分别添加
不同浓度(表 2)的火棘果原汁、灵芝浸提液、柠檬酸、
木糖醇、β－环糊精和羧甲基纤维素，分别调配到 1 L，
经过感官综合评价，确定较为适合的各因素添加量。
各组单因素实验重复三次，取平均值，分析各组
差异。
表 2 火棘灵芝复合保健饮料不同原料的添加量
Table 2 The addition of different raw materials in compound
health beverage of Pyracantha fortuneana and Ganoderma lucidum
火棘果
原汁
(mL /L)
灵芝
浸提液
(mL /L)
柠檬酸
(g /L)
木糖醇
(g /L)
β－环糊精
(g /L)
CMC
－Na
(g /L)
25 15 0.2 25 2 1
50 25 0.3 35 4 2
75 35 0.4 45 6 3
100 45 0.5 55 8 4
125 55 0.6 65 10 5
1.2.4 配方优化的响应面实验 分析单因素实验各
组实验结果，充分考虑营养功效和成本问题，固定火
棘果原汁和灵芝浸提液的添加量分别为 75 mL /L 和
25 mL /L，并对四种辅料的单因素实验结果进行比较
发现，在所选择的浓度梯度范围内，相对来说柠檬
酸、木糖醇和羧甲基纤维素钠对饮料的感官品质影
响较大，因此选择以柠檬酸、木糖醇和羧甲基纤维素
钠添加量为自变量，以该保健饮料的感官评分作为
响应值，进行 Box－Behnken 设计及响应面实验，具体
因素和水平见表 3。响应面实验采用 Design Expert
8.05 软件进行实验设计和响应面分析。
1.2.5 数据统计方法 采用 Office 2007 进行作图，
SPSS 19.0 软件进行统计学分析，差异显著水平为
p ＜ 0.05，差异极显著水平为 p ＜ 0.01。
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果
通过火棘果原汁和灵芝浸提液添加量实验，结
240
表 3 灵芝火棘复合保健饮料 Box－Behnken设计因素和水平
Table 3 Factors and levels of Box－Behnken
for compound heanth beverage of
Pyracantha fortuneana and Ganoderma lucidum
水平
A柠檬酸添加量
(g /L)
B木糖醇添加量
(g /L)
C CMC－Na
添加量(g /L)
－ 1 0.45 40 3.5
0 0.50 45 4.0
1 0.55 50 4.5
果表明饮料中火棘果原汁和灵芝浸提液添加量分别
为 75 mL /L和 25 mL /L时，饮料的感官评分最高，具
体见图 1 和图 2。通过柠檬酸、木糖醇、β－环糊精以
及羧甲基纤维素钠添加量实验，结果显示饮料中柠
檬酸、木糖醇、β－环糊精和羧甲基纤维素钠的添加量
分别在 0.5、45、6、4 g /L 左右时，饮料的感官品质较
佳，具体见图 3～图 6。
图 1 火棘果原汁添加量对饮料感官品质的影响
Fig.1 Effect of Pyracantha crenulata raw juice addition
on sensory quality of beverage
图 2 灵芝浸提液的添加量对饮料感官品质的影响
Fig.2 Effect of Ganoderma lucidum leach liquor addition
on sensory quality of beverage
通过对不同组单因素实验结果进行比较发现，
在一定的添加浓度梯度范围内，对饮料感官品质影
响相对较大的因素分别是柠檬酸、木糖醇和羧甲基
纤维素钠，具体见图 1～图 6。
2.2 配方优化响应面实验和方差分析结果
响应面实验设计及结果见表 4，通过 Design
Expert 8.0.5 对表 4 中的实验数据进行多元回归拟合
及对模型进行方差分析，分析结果见表 5 所示。由
表 5 可知，模型较显著(p = 0.0012 ＜ 0.05) ，失拟项不
显著(p = 0.3795 ＞ 0.05) ，这说明模型的拟合度较好，
能够较好地反映出各因素与响应值的变化关系，可
图 3 柠檬酸的添加量对饮料感官品质的影响
Fig.3 Effect of citric acid addition
on sensory quality of beverage
图 4 木糖醇的添加量对饮料感官品质的影响
Fig.4 Effect of xylitol addition
on sensory quality of beverage
图 5 β－环糊精的添加量对饮料感官品质的影响
Fig.5 Effect of β－cyclodextrin addition
on sensory quality of beverage
图 6 羧甲基纤维素钠的添加量对饮料感官品质的影响
Fig.6 Effect of CMC－Na addition
on sensory quality of beverage
用于预测灵芝火棘复合保健饮料最佳组合的实际情
况。通过表 5 中的显著性分析可以看出，三种因素
241
对饮料的感官评分影响大小分别是 C(CMC－Na 添
加量)＞ A(柠檬酸添加量)＞ B(木糖醇添加量) ，其
中 C和 C的二次项的影响达到差异极其显著，AB、
AC交互项影响显著，最终获得的回归模型方程为
Y =130.77500 － 707.50000A－ 5.73000B + 125.65000C
+ 8.00000AB + 70.00000AC－0.40000BC + 70.00000A2
+ 0.037000B2 －17.30000C2
表 4 中心组合实验设计及结果
Table 4 Box－Behnken design format and date
实验号
A柠檬酸
添加量
B木糖醇
添加量
C CMC－Na
添加量
感官评分
(分)
1 － 1 － 1 0 87
2 － 1 1 0 84
3 1 0 － 1 78
4 － 1 0 － 1 82
5 1 － 1 0 85
6 0 0 0 87
7 0 － 1 1 86
8 － 1 0 1 82
9 0 1 1 83
10 1 1 0 90
11 0 0 0 86
12 0 － 1 － 1 79
13 0 0 0 83
14 1 0 1 84
15 0 0 0 86
16 0 0 0 82
17 0 1 － 1 80
表 5 响应面实验结果方差分析
Table 5 Variance analysis of response surface experiments results
变异来源 自由度 平方和 均方 F 值 p值
模型 9 137.24 16.59 6.29 0.0012＊＊
A柠檬酸添加量 1 0.13 0.13 0.017 0.0433*
B木糖醇添加量 1 0.000 0.000 0.000 1.000
C CMC－Na添加量 1 36.12 36.12 13.71 0.0076＊＊
AB 1 16.00 16.00 6.07 0.0432*
AC 1 12.25 12.25 4.55 0.0430*
BC 1 4.00 4.00 1.52 0.2578
A2 1 0.13 0.13 0.049 0.8313
B2 1 3.60 3.60 1.37 0.2806
C2 1 78.76 78.76 29.88 0.0009＊＊
残差 7 18.45 2.64
失拟项 3 9.25 3.08 1.34 (0.3975)不显著
纯误差 4 9.20 2.30
总和 16 167.76
注:* p ＜ 0.05，差异显著，＊＊p ＜ 0.01，差异极显著。
2.3 响应面分析
利用 Design－Expert 8.0.5 软件生成响应面曲线
图对各个因素之间的交互作用进行响应面分析，响
应曲面及其等高线图见图 7，由实验所得的响应曲面
分析图能够直观地反映出各个因素的交互作用对饮
图 7 柠檬酸、木糖醇及羧甲基纤维素钠添加量交互作用
对饮料感官评分的响应面
Fig.7 Ｒesoponse surface on the effect of
citric acid，xylitol，β－cyclodextrin
and CMC－Na addition on sensory quality of beverage
料感官品质的影响。由图 7 以及模型可知，最佳的
三种辅料的添加量是柠檬酸添加量 0.55 g /L、木糖醇
242
添加量 50.00 g /L、羧甲基纤维素钠添加量 4.17 g /L，
在该条件下饮料的感官评分达到 89.10 分。
2.4 模型优化与验证
结合回归模型的数学分析和单因素实验结果，
得到灵芝火棘复合保健饮料的最佳配方为灵芝浸提
液 25 mL /L、火棘果原汁 75 mL /L、柠檬酸添加量
0.55 g /L、木糖醇添加量50.00 g /L、β－环糊精6.00 g /L、
羧甲基纤维素钠添加量 4.17 g /L，在此实验条件下的
感官评价分拟合值为 89.10 分，按照此配方做三次平
行验证实验，结果为 89.32 分，两者之间非常接近，这
说明该模型较为可靠。
2.5 质量检测结果
2.5.1 感官指标 灵芝火棘复合保健饮料，色泽鲜
亮，呈现橙红色，有一定的黏度，有浓郁的灵芝和火
棘果的香味，入口爽滑、酸甜适宜，余味悠长。
2.5.2 理化指标 可溶性固形物含量≥8%;总酸
(以柠檬酸计)≥0.04%。
2.5.3 微生物指标 细菌总数≤100 CFU /mL，大肠
杆菌≤30 MPN /100 mL，致病菌未检出。
3 结论
本研究根据单因素实验和 Box－Benhnken 实验
设计，建立了以饮料感官评分为响应值，以柠檬酸、
木糖醇及羧甲基纤维素钠添加量为变量的回归模
型，进行了灵芝火棘复合保健饮料调配工艺优化，最
终确定最佳的配方为柠檬酸添加量 0.55 g /L、木糖醇
添加量 50.00 g /L、β－环糊精 6.00 g /L、羧甲基纤维素
钠添加量 4.17 g /L，在该配方下实验所得到的饮料复
合保健饮料色泽鲜亮(橙红色) ，入口爽滑，酸甜可
口，感官评分高达 89.32 分。
目前，在保健饮料的研制上，大多数都采用正
交实验设计法，只有个别人使用响应面实验设计
法［22］，利用响应面实验设计研制灵芝火棘复合保健
饮料，能够克服正交实验设计只能够处理离散的水
平值而不能找出整个区域上因素的最佳组合和响
应值的最优值的缺陷，显著地减少了实验次数，深
入地分析了不同辅料相互作用对该保健饮料感官
品质的影响，相对比较全面地反映了各个因素水平
的效果，最终能够获得一个更加令人满意的实验
结果。
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