基于單形重心設(shè)計優(yōu)化柑橘皮渣餡料配方

宋悅，范剛，任婧楠，潘思軼，李正倫，何祥，胡兆興

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院/環(huán)境食品學(xué)教育部重點實驗室/果蔬加工與品質(zhì)調(diào)控湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.秭歸縣屈姑食品有限公司，秭歸 443600

柑橘是全球生產(chǎn)加工消費最多的水果之一。柑橘皮渣作為柑橘加工殘留的主要副產(chǎn)品（果皮、種子及果渣），約占鮮果質(zhì)量的55%～60%，富含酚類、膳食纖維、類胡蘿卜素、果膠以及精油等生物活性成分[1]，被廣泛用于生產(chǎn)果醬、烘焙食品、飲料以及調(diào)味品等多種產(chǎn)品，并在開發(fā)創(chuàng)新功能性食品方面顯示出巨大潛力[2]。

目前，市售焙烤食品餡料普遍重糖重油，膳食纖維含量低，熱量高，過量攝入易誘發(fā)齲齒、肥胖癥、心血管疾病和糖尿病等多種疾病[3-4]。柑橘皮渣熱量低且富含膳食纖維，適宜用作健康型餡料原料；此外，通過對餡料配方進行優(yōu)化，改變糖和脂肪的種類，可進一步降低食品熱量。糖和脂肪除提供食品基本味感和風(fēng)味外，還與食品中其他成分相互作用賦予食品獨特的質(zhì)地，部分或全部替代易導(dǎo)致食品質(zhì)構(gòu)和感官特性變化[5-6]。焙烤食品餡料中蔗糖替代品主要包括糖醇和低聚糖兩大類，但鑒于這些替代品的理化特性與蔗糖存在顯著差異，通常需要復(fù)配使用以達到協(xié)同增效作用[7]。目前商品化的油脂替代品多為固體粉末，缺乏傳統(tǒng)油脂固有的潤滑口感和流動性，產(chǎn)品易產(chǎn)生變硬、干裂、口感變差等品質(zhì)問題[8]。因此，本研究將質(zhì)構(gòu)特性和感官評價作為餡料配方優(yōu)化評估的2個關(guān)鍵指標，旨在研制出一款低熱量食品焙烤餡料，同時為柑橘深加工產(chǎn)品開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

臍橙購于湖北省秭歸縣；白砂糖、食用玉米淀粉、花生油，購于武漢市中百超市；紅豆沙、紫薯餡、白蓮蓉、鳳梨餡，購于廣州酒家股份有限公司；海藻糖、赤蘚糖醇、麥芽糖醇、羅漢果甜苷、變性木薯淀粉、菊粉、羥丙基甲基纖維素、聚葡萄糖，購于河南萬邦化工科技有限公司；椰子蜜購于香港樓上有限公司；中鏈甘油三酯購于VIVA Naturals；β-環(huán)糊精購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

TA.XT Plus物性測試儀，英國Stable Micro System有限公司。

1.2 柑橘皮渣餡料制作工藝

參考范茜等[9]的方法并加以修改，通過預(yù)實驗初步確定各混料組分的添加量范圍，通過D-optimal混料設(shè)計試驗，最終確定餡料的基礎(chǔ)配方為：以餡料總質(zhì)量為100%計，柑橘皮漿79.20%、白砂糖16.30%、花生油3.20%、玉米淀粉1.30%。

柑橘皮渣餡料的生產(chǎn)工藝流程：臍橙→清洗→剝皮→切塊→微波軟化→脫苦→磨漿→均質(zhì)→濃縮→炒制→冷卻→包裝→成品。關(guān)鍵操作點包括：①軟化。將橙皮置于微波器皿內(nèi)800 W微波80 s；②脫苦。添加0.70 g/L β-環(huán)糊精于25℃浸泡10 min，流動自來水下沖洗20～30 min；③磨漿。將柑橘皮渣倒入打漿機中按質(zhì)量比2∶3加水打漿；④均質(zhì)。將柑橘皮漿過孔徑0.42 mm篩，細化均質(zhì)；⑤濃縮。將柑橘皮漿置于不銹鋼鍋中于85～95℃下加熱濃縮約8 min，并不斷攪拌；⑥炒制。倒入白砂糖加熱混合約8～10 min并持續(xù)攪拌，隨后分3次加入乳化均勻的花生油與淀粉混合物，繼續(xù)翻炒直至餡料成型，約3～5 min。

1.3 品質(zhì)評價指標

1）質(zhì)構(gòu)特性。參照文獻[10-11]的方法，將市售的紅豆沙、白蓮蓉、紫薯、鳳梨4種餡料整形切分為大小規(guī)格一致，2 cm×2 cm×2 cm的立方塊，對其硬度、彈性、黏聚性、咀嚼性和回復(fù)性等質(zhì)構(gòu)指標進行測定。TPA測定的參數(shù)設(shè)置如下：測前速度1.00 mm/s，測試速度5.00 mm/s，測后速度5.00 mm/s；目標模式：壓縮率50%，停留時間5 s，觸發(fā)力5.0 g，探頭類型P/36R。

2）感官評價。參照GB/T 21270－2007《食品餡料》并做相應(yīng)修改，邀請10名具有食品感官評鑒經(jīng)驗的同學(xué)從色澤、滋味、質(zhì)地、香氣和外形5個層面對餡料進行感官評價（表1）。

表1 柑橘皮渣餡料的感官評價標準Table 1 Sensory evaluation standard of citrus peel filling

3）營養(yǎng)成分。水分的測定參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》，蛋白質(zhì)的測定參照GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》，脂肪的測定參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》，總糖的測定參照GB/T 21270—2007《食品餡料》，膳食纖維的測定參照GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》，碳水化合物的換算方法參照GB/Z 21922—2008《食品營養(yǎng)成分基本術(shù)語》。

1.4 單因素試驗設(shè)計

1）單個蔗糖替代品的篩選。分別選用海藻糖、麥芽糖醇、赤蘚糖醇、椰子蜜以及羅漢果甜苷作為柑橘皮渣餡料配方中的蔗糖替代品，并選取0%、20%、40%、60%、80%和100%6個水平的蔗糖替代量，每個替代量水平做3個平行，最后進行TPA參數(shù)測定。

2）單個油脂替代品的篩選。分別選用變性木薯淀粉、聚葡萄糖、中鏈甘油三酯、菊粉以及羥丙基甲基纖維素作為柑橘皮渣餡料配方中的油脂替代品，并選取0%、25%、50%、75%及100%5個水平的油脂替代量，每個替代量水平做3個平行，最后進行TPA參數(shù)測定。

1.5 單形重心設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，將無顯著差異或低于對照組水平視為蔗糖替代品或者油脂替代品的最佳替代量，利用Design Expert 11.0中的單形重心設(shè)計將蔗糖替代品或油脂替代品進行復(fù)配，選取合適的質(zhì)構(gòu)參數(shù)為響應(yīng)值，建立最佳回歸模型，并輔以感官評價最終確定蔗糖替代品或油脂替代品之間的最佳復(fù)配比。

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析

每組試驗均重復(fù)3次，結(jié)果表示為“平均值±標準差”的形式。采用Design Expert 11.0和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，用GraphPad Prism 8.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 餡料品質(zhì)評價指標的確定

通過分析市面上同類餡料的感官評分與質(zhì)構(gòu)儀測定結(jié)果之間的相關(guān)性，表1結(jié)果顯示感官評分與硬度呈極顯著負相關(guān)（r=-0.855，P＜0.01），與黏聚性呈顯著負相關(guān)（r=-0.756，P＜0.05），與回復(fù)性呈極顯著負相關(guān)（r=-0.830，P＜0.01）。說明餡料的硬度、黏聚性、回復(fù)性越小，其感官品質(zhì)越好。因此，可借助這3個TPA參數(shù)客觀評價柑橘皮渣餡料品質(zhì)。

表2 餡料質(zhì)構(gòu)特性與感官評定結(jié)果Table 2 Results of instrumental analysis and sensory evaluation of fillings

2.2 單因素試驗結(jié)果

由圖1A可知，隨著海藻糖替代量的不斷增加，對餡料的質(zhì)構(gòu)參數(shù)影響較大，海藻糖具有低吸濕性，替代量超過20%后，餡料彈性變差，黏聚性和回復(fù)性均呈極顯著增長（P＜0.01），硬度總體呈增長趨勢，并在100%達到最大值。綜合考慮，海藻糖不適宜做柑橘皮渣餡料中的蔗糖替代品。由圖1B可見，麥芽糖醇替代量為20%～60%時，餡料的硬度呈極顯著性降低（P＜0.01），黏聚性與麥芽糖醇替代量呈同步增長趨勢，回復(fù)性除20%替代量時呈極顯著性降低（P＜0.01），其余替代量較對照組水平無顯著性差異（P＞0.05）。綜合考慮，麥芽糖醇的最佳替代量為20%。由圖1C可見，隨著赤蘚糖醇替代量的增加，餡料硬度呈先增加后降低趨勢，但與對照組相比，其硬度值均極顯著高于對照組（P＜0.01），這是由于赤蘚糖醇具有結(jié)晶傾向，餡料的黏聚性呈極顯著性增長（P＜0.01），表皮顏色變淺，赤蘚糖醇替代量超過20%后，餡料回復(fù)性也極顯著增加（P＜0.01）。綜合考慮，赤蘚糖醇不適宜做柑橘皮渣餡料中的蔗糖替代品。由圖1D可見，液態(tài)的椰子蜜黏性較強，隨著替代量的增加，餡料可塑性增強，硬度與回復(fù)性均呈極顯著性降低（P＜0.01），替代量為80%～100%時，餡料的黏聚性無顯著性變化（P＞0.05）。綜合考慮，椰子蜜的最佳替代量為80%～100%。由圖1E可見，羅漢果甜苷水溶性良好，隨著替代量的增加，餡料的硬度呈下降趨勢，并在100%時達到最低值（P＜0.01），羅漢果甜苷溶液黏度較蔗糖低，當替代量超過40%時，餡料結(jié)構(gòu)松散，回復(fù)性呈極顯著性增加（P＜0.01）。綜合考慮，羅漢果甜苷的最佳替代量為40%。

圖1 蔗糖替代品海藻糖（A）、麥芽糖醇（B）、赤蘚糖醇（C）、椰子蜜（D）和羅漢果甜苷（E）對柑橘皮渣餡料質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.1 Effect of sucrose substitutes trehalose（A），maltitol（B），erythritol（C），coconut nectar（D）and mogroside（E）on texture of citrus peel filling

由圖2A可知，變性木薯淀粉支鏈淀粉含量高，黏性大，添加量不宜過高。隨著變性木薯淀粉替代量的不斷增加，其吸水性降低，保留了面筋網(wǎng)絡(luò)中的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)，硬度、黏聚性及回復(fù)性均呈極顯著性增加（P＜0.01）。綜合考慮，變性木薯淀粉不適宜做柑橘皮渣餡料中的油脂替代品。由圖2B可知，隨著聚葡萄糖替代量的增加，餡料硬度先降低后增加，并在100%時達到最高值（P＜0.01），餡料的黏聚性呈快速增長趨勢，餡料的回復(fù)性呈降低趨勢。綜合考慮，聚葡萄糖的最佳替代量為25%。由圖2C可知，中鏈甘油三酯具有輕微的親水特性，隨著替代量的不斷增加，餡料硬度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，并在100%替代時，餡料的硬度和黏聚性與對照組無顯著性差異（P＞0.05），中鏈甘油三酯相較于傳統(tǒng)油脂，其流動性更佳、黏度更低。因此，餡料的回復(fù)性總體呈下降趨勢，并在80%～100%替代量時極顯著性降低（P＜0.01）。綜合考慮，中鏈甘油三酯的最佳替代量為100%。由圖2D可知，隨著菊粉替代量的增加，餡料硬度發(fā)生極顯著性增長，菊粉可與食品體系中的水分子緊密結(jié)合，菊粉凝膠的黏性增加，餡料的黏聚性和回復(fù)性整體呈極顯著性增長趨勢（P＜0.01），并在100%時達到最大值。綜合考慮，菊粉不適宜做柑橘皮渣餡料中的油脂替代品。由圖2E可知，隨羥丙基甲基纖維素替代量的增加，餡料的硬度總體呈下降趨勢，回復(fù)性未發(fā)生顯著性變化（P＞0.05），而黏聚性呈極劇增長趨勢（P＜0.01），添加量過多時餡料過于粘牙。綜合考慮，羥丙基甲基纖維素不適宜作柑橘皮渣餡料中油脂的替代品。

圖2 油脂替代品變性木薯淀粉（A）、聚葡萄糖（B）、中鏈甘油三酯（C）、菊粉（D）和羥丙基甲基纖維素（E）對柑橘皮渣餡料質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.2 Effect of fat substitutes modified cassava starch（A），polydextrose（B），medium chain triglyceride（C），inulin（D）and hydroxypropyl methyl cellulose（E）on texture of citrus peel filling

2.3 蔗糖替代品｛4,3｝單形重心設(shè)計試驗結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取3種效果顯著的蔗糖替代品麥芽糖醇（B）、椰子蜜（C）、羅漢果甜苷（D）和白砂糖（A）進行復(fù)配，A+B+C+D=1，1表示每100 g餡料中蔗糖替代量為16.30 g。以硬度、黏聚性和回復(fù)性為響應(yīng)值，通過｛4，3｝單形重心設(shè)計試驗進行配方優(yōu)化分析，確定各成分最優(yōu)配比。試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表3。

表3 ｛4，3｝單形重心設(shè)計試驗結(jié)果Table 3 Results of｛4，3｝simplex centroid design experiment

利用Design Expert 10.0軟件對表3數(shù)據(jù)進行回歸擬合，方差分析結(jié)果見表4。分別以硬度、黏聚性及回復(fù)性為響應(yīng)值建立回歸模型，P＜0.000 1，均為極顯著，且失擬項P值＞0.05，均為不顯著，說明試驗所選用的模型擬合度較好，試驗誤差小，表明該回歸模型可用于對復(fù)配蔗糖替代品的質(zhì)構(gòu)特性進行分析預(yù)測。

表4 回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

由圖3A可知，固定白砂糖含量，響應(yīng)面彎曲程度大，坡度大，即椰子蜜添加量對餡料硬度影響顯著，麥芽糖醇添加量和羅漢果甜苷添加量對硬度的影響較小。由圖3B可知，固定白砂糖含量，響應(yīng)面呈拱形，麥芽糖醇、椰子蜜和羅漢果甜苷存在一定的交互作用，添加適宜比例時，餡料的黏聚性存在極低值。由圖3C可知，固定白砂糖含量，響應(yīng)面曲面陡峭，即椰子蜜添加量對餡料回復(fù)性影響顯著，麥芽糖醇和羅漢果甜苷添加量對回復(fù)性影響較小。

圖3 復(fù)合蔗糖替代品對餡料硬度（A）、黏聚性（B）、回復(fù)性（C）的三維等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.3 3D contour map and response surface diagram of compound sucrose substitute on hardness（A），cohesiveness（B）and resilience（C）of filling

2.4 油脂替代品｛3,2｝單形重心設(shè)計試驗結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取2種效果顯著的油脂替代品中鏈甘油三酯（B）、聚葡萄糖（C）和花生油（A）進行復(fù)配，A+B+C=1，1表示1表示每100 g餡料中油脂替代量為3.20 g。以硬度、黏聚性和回復(fù)性為響應(yīng)值，通過｛3，2｝單形重心設(shè)計試驗進行配方優(yōu)化分析，確定各成分最優(yōu)配比。試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表5。

表5 ｛3，2｝單形重心設(shè)計試驗結(jié)果Table 5 Results of｛3，2｝simplex centroid design experiment

利用Design Expert 10.0軟件對表5數(shù)據(jù)進行回歸擬合，方差分析結(jié)果見表6。分別以硬度、黏聚性及回復(fù)性為響應(yīng)值建立回歸模型，可見P＜0.000 1，均為極顯著，且失擬項P值＞0.05，均為不顯著，說明試驗

所選用的模型擬合度較好，試驗誤差小，據(jù)此可用該回歸模型對復(fù)配油脂替代品的質(zhì)構(gòu)特性進行分析預(yù)測。

表6 回歸模型的方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

由圖4A可知，花生油、中鏈甘油三酯及聚葡萄糖三者間存在一定的交互作用，且聚葡萄糖對餡料硬度的影響較為顯著，隨著聚葡萄糖添加量的不斷增加，餡料硬度呈同步增長趨勢，表明花生油與中鏈甘油三酯交互項對餡料影響較小。由圖4B可知，響應(yīng)面曲面陡峭，坡度大，中鏈甘油三酯及聚葡萄糖對餡料黏聚性影響較顯著，且聚葡萄糖添加量超過50%時，隨著添加量的增加，餡料的黏聚性顯著增加。由圖4C可知，響應(yīng)面曲面彎曲程度大，坡度大，即花生油、中鏈甘油三酯及聚葡萄糖三者交互作用顯著，中鏈甘油三酯的添加可使產(chǎn)品口感更加順滑，質(zhì)地緊密，從而顯著降低餡料的回復(fù)性，餡料回復(fù)性隨聚葡萄糖替代量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

圖4 復(fù)合油脂替代品對餡料硬度（A）、黏聚性（B）、回復(fù)性（C）的三維等高線圖和響應(yīng)面圖Fig.4 3D contour map and response surface diagram of composite grease substitute filling on hardness（A），cohesiveness（B），and resiliense（C）

2.5 配方優(yōu)化結(jié)果

在最大限度保持感官品質(zhì)的前提下，將餡料的預(yù)期硬度、黏聚性以及回復(fù)性設(shè)置為最低水平，運行Design Expert軟件進行優(yōu)化，得到健康型柑橘皮渣餡料的最優(yōu)配方：以餡料總質(zhì)量為100%計，柑橘皮漿79.20%、麥芽糖醇7.50%、椰子蜜8.70%、羅漢果甜苷0.10%、花生油0.13%、中鏈甘油三酯2.26%、聚葡萄糖0.81%、玉米淀粉1.30%，樣品的感官評分為74.25。按此配方進行3次驗證試驗，結(jié)果表明真實值和預(yù)測值無顯著差異（P＞0.05），證實該模型適用于健康型柑橘皮渣餡料配方的優(yōu)化。

2.6 柑橘皮渣餡料的營養(yǎng)成分

根據(jù)GB/T 21270—2007《食品餡料》，焙烤食品餡料的干燥失重率要求≤40%，總糖含量要求≤60%，脂肪含量要求≤33%，結(jié)果表明兩款柑橘皮渣餡料均符合標準要求（表7）。

表7 柑橘皮渣餡料的營養(yǎng)成分測定結(jié)果Table 7 Nutrient content of citrus peel residue fillings %

3 討論

蔗糖與油脂是餡料制作過程中必不可少的兩大原料。本研究通過單因素試驗與單形重心設(shè)計試驗成功篩選出麥芽糖醇、椰子蜜以及羅漢果甜苷為柑橘皮渣餡中的蔗糖替代品，并實現(xiàn)了蔗糖全替代，中鏈甘油三酯、聚葡萄糖與花生油進行復(fù)配，充當柑橘皮渣餡料中的油脂替代品，結(jié)果表明制得的餡料清潤細膩，較好地維持了餡料原有質(zhì)地的穩(wěn)定性。其中，麥芽糖醇與蔗糖的性質(zhì)最為相似，可與水分子結(jié)合形成大量的氫鍵，具有良好的吸濕性和穩(wěn)定性，增加溶液的黏度，并可降低淀粉顆粒的水合作用和膨脹度，抑制淀粉糊化及面筋網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育[12]，從而增加了餡料的黏性，賦予餡料奶油般的細膩質(zhì)地[13]，椰子蜜則是由椰子花自身分泌物濃縮制成的一種天然甜味劑[14]，黏性較強，促使餡料可塑性增強。唐曉鳳[15]篩取麥芽糖醇作為低熱量柿子全果月餅餡料的蔗糖全替代品，李雪蓮等[16]以蜂蜜、麥芽糖醇為主要原料制成的低糖蔬果月餅餡料，清甜適宜，不油膩，研究表明蔗糖除提供甜味以外，還與水、淀粉、蛋白質(zhì)以及脂肪等成分相互作用[7]，在不影響食品的品質(zhì)與穩(wěn)定性的情況下消除或替代糖具有一定難度。

此外，脂肪還可決定餡料最終產(chǎn)品的質(zhì)地及風(fēng)味，單一去除脂肪易導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，當脂肪減少超過30%～40%時，產(chǎn)品易發(fā)生變硬、干裂、口感差等品質(zhì)問題[17]，目前在食品中廣泛使用脂肪替代品來彌補這一缺陷，陳弦[10]采用菊粉、Simpless100以及麥芽糊精分別對廣式冬瓜蓉餡料中的油脂進行了替代，結(jié)果表明三者均對餡料的硬度、黏聚性和回復(fù)性產(chǎn)生極顯著影響，餡料的質(zhì)地變差，均不適宜做餡料的油脂替代品，而本研究發(fā)現(xiàn)液體脂肪的存在可確保餡料保持適當?shù)臐櫥?，油脂的減少會降低油脂與淀粉的乳化作用，使餡料的硬度和黏性增加，從而影響產(chǎn)品的最終質(zhì)地[18]，而中鏈甘油三酯作為一種膳食甘油三酯，具有傳統(tǒng)油脂般的流動性與潤滑口感，且黏度較花生油低。因此，本研究利用中鏈甘油三酯提高了餡料的延展性，口感更加細膩，這可能是因為當?shù)矸垲w粒被脂肪覆蓋時，水分擴散以及蛋白質(zhì)的水合作用受到抑制[19]，從而使得餡料質(zhì)地緊密，最終產(chǎn)品更加柔軟，黏聚性大幅降低。Koh等[20]使用中鏈甘油三酯替代食品調(diào)味品中的大豆油，并對油基沙拉醬的產(chǎn)品外觀和感官接受度無顯著影響。此外，聚葡萄糖吸濕性較強，可借助水分形成一種高度黏稠的凝膠狀基質(zhì)，從而模擬類似脂肪般的塑化效果，呈現(xiàn)高黏度的凝膠狀，也可顯著增強食品的黏彈性，Aggarwal等[17]也發(fā)現(xiàn)聚葡萄糖在餅干中的最佳替代量為30%，并對食品的感官特性無顯著影響，與本研究結(jié)果相似。

綜上所述，本研究采用單形重心設(shè)計，通過質(zhì)構(gòu)分析和感官評價，獲得了柑橘皮渣餡料的質(zhì)構(gòu)特性（硬度、黏聚性和回復(fù)性）與蔗糖、油脂復(fù)配比例的預(yù)測模型，結(jié)果合理可行，通過對糖及脂肪替代品的有效調(diào)控，滿足了消費者對餡料的營養(yǎng)健康需求。