响应面法优化桃汁富硒红茶复合饮料的研究

马 昕，江星锐，张 忠，2

（1.陕西师范大学，食品工程与营养科学学院，陕西省食品绿色加工与安全控制工程实验室，西安陕西710119；2.香港大学，中医药学院，香港999077）

陕西紫阳是我国第二大高硒区，紫阳富硒茶中平均硒含量为0.65 μg/g，富硒茶中的硒主要以有机态存在[1]，是非常安全的补硒产品。有机硒易被人体吸收，且具有良好的生理活性，不仅能有效防止缺硒导致的克山病，还能抗白血病等癌症[2]。此外，富硒茶中还含有茶多酚、生物碱、糖、蛋白质、矿物质、维生素等多种营养成分，具有降血糖和血脂、防止心血管疾病、防动脉硬化、防紫外对皮肤损伤、防辐射、防衰老等功效[3-5]。有研究表明，紫阳富硒茶有较强的抗氧化能力和还原能力，是天然的抗氧化剂[6]。对肿瘤细胞生长有阻滞作用和促凋亡作用，是开发新型保健品的绿色原材料。

目前，液态茶饮料的发展已成为中国饮料行业中的一个重要品类。尤其是近年来，绿色、健康食品的观念越来越深入人心，人们崇尚回归自然、向往健康高品质的生活方式，为茶饮料的市场开拓与发展提供了更加广阔的空间[7]。一方面，茶饮产品在追求解渴和口味的发展方向；另一方面，天然、健康和时尚是茶饮料吸引消费者的重要原因。富硒茶饮料恰好符合现时茶饮料市场对于天然、健康、时尚的主题追求，具有补充水分、提供营养和医疗保健的功效[8]。此外，富硒茶与普通茶相比，硒含量较高，具有改善人体健康和降低某些疾病风险的功效。以富硒茶为原料，添加营养丰富的果汁开发新的果汁茶产品，既能够好喝解渴，又能够给机体增加营养[9]。此外，由于富硒茶饮品加工简便易行、经济实惠，将富硒茶饮品作为补硒的首选，未来必然会成为一种趋势。

富硒茶兼具了茶与硒的双重功效，以紫阳富硒茶为原材料，与果汁进行复配，增加营养，并提供酸甜的口感，由此开发一款新型营养健康饮料，具有很大的发展空间和良好的市场前景。试验采用目前市场畅销的桃汁与红茶混合，并采用响应曲面法优化复合饮料的调制配方，以制备出口感、外观俱佳的桃汁红茶复合饮料，并对饮料的主要营养指标进行测定，为开发一款营养、健康的复硒饮品提供理论和实践基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫阳富硒红茶、市售浓缩桃汁、福林酚、氢氧化钠、没食子酸、碳酸钠、酪蛋白、酒石酸钾钠、硫酸铜、蒽酮、浓硫酸等。

PHS-3C型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司雷磁仪器厂产品；WBL25B26型搅拌机，广东美的生活电器制造公司产品；JM-B10001型电子天平；U-3900/3900H型紫外可见分光光度计；阿贝折光仪；原子荧光光谱仪。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

富硒红茶叶→高速粉碎→热水浸提→粗滤→富硒红茶汤、桃汁→混合调配→均质均匀→热灌杀菌→桃汁富硒茶复合饮料。

1.2.2 桃汁富硒红茶复合饮料的制备

（1）富硒红茶汤的制备。挑选完好的富硒红茶茶叶，经高速粉碎后过100目筛；采用一定体积的热水浸提，浸提的茶汤过滤后，就可以得到新鲜红茶汤。

（2）调配。将市场采购的浓缩桃汁和茶汤按一定比例调配，采用高压均质机进行2次均质处理，均质条件为压力70 MPa，时间10 min，使其混合均匀，以提高产品的口感，同时获得不易分层、沉淀的饮料。然后热灌装杀菌（100℃，30 s）并快速倒置5 min给瓶盖杀菌[10]，最后冷却至室温，即可得到复合饮料。

（3） 可溶性固形物的浸出率（后面简称为浸出率）的测定。称取2 g左右的茶叶样品（m）至恒质量的三角瓶中，加入一定体积的水，振荡提取一定时间，测定经过过滤并干燥的茶渣质量（m1）。通过以下公式进行计算

式中：m——红茶样品质量，g；

m1——过滤干燥得到的红茶茶渣质量，g。

（4）茶多酚提取率测定。通过福林酚法测定茶汤中茶多酚的含量，然后通过以下公式进行计算。

式中：C——茶汤中茶多酚含量，g/mL；

V——提取溶液水体积，mL；

m——红茶样品质量，g。

1.2.3 单因素试验的测定

（1） 浸提时间确定。料液比1∶75（g∶mL），浸提温度80℃，考查浸提时间分别为5，10，15，20，25，30 min时，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，确定最佳浸提时间。

（2）料液比的确定。浸提温度80℃，浸提时间20 min，考查料液比为 1∶50，1∶75，1∶100，1∶125，1∶150，1∶175（g∶mL） 时，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，确定最佳料液比。

（3） 浸提温度确定。料液比1∶75（g∶mL），浸提时间20 min时，考查浸提温度为70，75，80，85，90，95℃时，可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的大小，确定最佳浸提温度。

1.2.4 响应曲面设计优化茶叶提取条件

根据单因素试验的结果，综合考虑各因素对可溶性固形物的浸出率和茶多酚提取率的影响。采用统计分析软件Design Expert对茶叶的浸提温度、浸提时间和料液比采用三因素三水平的Box-Bohnken模型，以可溶性固形物提取率和茶多酚提取率为指标，确定最佳配方。

响应面试验因素和水平设计见表1。

1.2.5 茶汤理化指标的测定

通过响应曲面设计得到最优的茶汤提取条件，得到优化的茶汤。采用福林酚法[11]测定样品茶多酚含量，采用pH计测定样品酸度，采用蒽酮硫酸法测定样品的还原糖含量[12]，采用原子荧光光谱法测定样品硒含量[13]，采用全自动凯氏定氮仪测定样品蛋白质的含量[14]。

表1 响应面试验因素和水平设计

1.2.6 复配桃汁体积量的确定

以最优结果用于制备果汁茶饮料，将体积为10，25，40 mL的桃汁与最佳浸提条件下提取的茶汤进行调配，根据感官评定结果确定果汁用量，以得到果汁茶饮料。

1.2.7 饮料的感官评定

请10位经过培训的评审员对复合饮料进行感官评定，满分100分，分别从色泽、气味、口感、均匀度和沉淀效果5个方面来评定复合饮料的品质优劣。

果汁茶饮料感官品质评定标准见表2。

表2 果汁茶饮料感官品质评定标准

1.3 数据处理

试验采用Design Expert 8.06软件和Excel软件对试验数据进行统计分析，每个结果平行进行3次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

为保证富硒红茶中的水溶性营养成分被充分浸提出来，同时主要营养成分茶多酚不被破坏，保持原有活性。分别以可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率为双指标进行测定。分别对浸提时间、料液比和浸提温度进行单因素试验，确定最优提取条件。

不同因素对可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率的影响见图1。

由图1（a） 可知，随着浸提时间的延长，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都不断增加，当浸提时间为20 min时，可溶性固形物浸出率均为38.0%，茶多酚提取率为3.89%。继续延长浸提时间，虽然提取率略有提升，但是影响不大。考虑到茶多酚是一种极易氧化的营养物质，长时间高温浸提，会破坏茶叶中茶多酚的活性。综合考虑，选择20 min作为浸提最佳时间。

由图1（b）可知，随着料液比的增加，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都呈现先增加后减小的趋势，当料液比为1∶50～1∶100（g∶mL） 时，富硒红茶可溶物浸出率和茶多酚提取率都随料液比增大而增大；料液比为1∶100～1∶175（g∶mL）时，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都随料液比增大而略有降低；当料液比为1∶100（g∶mL）时，可溶性固形物浸出率为37.8%，茶多酚提取率达到最大，达到4.25%。这是因为适当增加提取溶剂的体积，有助于加大体系中提取溶剂的质量浓度梯度，有利于传质过程和提取效率，从而提高可溶性固形 物和茶多酚的提取率。然而，如果溶剂使用太多，会造成后续的浓缩工作量加大，造成时间延长和能源浪费。从节约成本和提取效果的角度考虑，确定最佳料液比为1∶100（g∶mL）。

图1 不同因素对可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率的影响

由图1（c） 可知，随着提取温度的增加，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率都呈现先增加后减小的趋势，在浸提温度为85℃时，可溶性固形物浸出率和茶多酚提取率分别达到最大值为38.9%和4.23%。当浸提温度达到90℃以后，茶多酚的提取率显著降低。这是因为在高温中，茶多酚容易氧化变质，造成茶多酚提取率的下降。为了尽量保持红茶中主要营养成分茶多酚的含量，确定最佳浸提温度为85℃。

2.2 响应面法优化提取条件

2.2.1 模型的建立和显著性检验

为了进一步优化提取条件，采用Box-Bohnken试验设计对浸出率和提取率进行优化，通过Design Expert软件对试验数据进行二次响应面回归分析，分别得到了可溶性固形物浸出率（Y1）和茶多酚提取率（Y2）的多元二次回归模型：

Box-Bohnken试验设计和提取率结果见表3。

表3 Box-Bohnken试验设计和提取率结果

对以上数据结果进行方差分析。在方差分析中，p值的大小表明模型和影响因素对提取率的显著水平。p值越小，影响越显著。当p＜0.05，说明模型和因素对结果有显著影响；当p＜0.01，说明模型和因素对结果有着极显著影响[15]。以可溶性固形物浸出率为考查指标时，模型p=0.010 6，影响显著；以茶多酚提取率为考查指标时，模型p=0.002 9，影响极显著，说明以茶多酚为考查指标，具有更好的拟合效果，这主要是因为茶多酚提取率的测定采用比色法，相比浸出率采用的质量法测定，具有更高的精度，结果更加可靠。故后续试验以茶多酚提取率为考查指标，进行更加详细的方差分析和交互试验分析。

以茶多酚提取率为指标的方差分析结果见表4。

表4 以茶多酚提取率为指标的方差分析结果

由表4可以看出，当以茶多酚提取率为指标时，模型F值为17.45，p＜0.01，表明回归模型因素水平极显著。回归方程的相关系数R2为96.9%，说明96.9%的数据可以用此模型解释，试验误差比较小。在该模型中，一次项X3偏回归系数达到极显著水平，说明浸提温度对茶多酚提取率的影响最大；一次项X1偏回归系数达到显著水平，说明料液比对茶多酚提取率有显著影响；交互项中X2X3偏回归系数达到显著水平，说明料液比和浸提温度交互作用显著；其他各项的偏回归系数均未达到显著水平。

2.2.2 响应面交互作用分析及优化

利用Design Expert 8.06软件对各个因素之间的交互作用，可以做出相应的响应面曲线图。得到的等高线形状可以直观地反映2个因素交互作用的显著性水平。等高线为圆形，表示交互作用小；等高线为椭圆形，且越短长，表示两因素之间的交互作用越显著。

浸提时间和浸提温度对茶多酚提取率的交互影响见图2。

由图2可以看出，浸提时间和浸提温度的交互作用是显著的，当料液比保持不变，茶多酚的提取率随浸提时间增加先增加后减小。当浸提时间保持不变，随着浸提温度的增加，茶多酚的提取率不断增加。

2.2.3 最优工艺条件及验证

图2 浸提时间和温度对茶多酚提取率的交互影响

对二次多元回归方程分析并求解，得到了富硒红茶茶多酚提取率的最优提取条件为提取时间22.1min，料液比1∶100.3（g∶mL），提取温度89.5℃，在此条件下，红茶茶多酚提取量的预测值为4.25%，考虑到实际条件，提取时间22 min，料液比1∶100（g∶mL），浸提温度89℃，在此条件下进行3次平行验证试验，得到的平均茶多酚提取量为4.23%，与预测值4.25%接近，说明采用响应面分析法优化红茶中茶多酚的提取率是有效、可靠的。

2.3 茶汤理化指标的测定

通过前期试验得到最佳优化条件为浸提温度89℃，浸提时间22 min，料液比1∶100（g∶mL），并对相应的茶汤理化指标进行了测定。采用pH值对茶汤的酸度进行了测定，茶汤pH值为5.61，中性偏酸，符合正常的茶汤要求，采用福林酚法对其茶多酚的含量进行测定，茶多酚的提取率为4.23%。可溶性固形物浸出率为38.6%。采用蒽酮-硫酸法测定样品中糖含量，糖含量占茶汤0.74%。采用双缩脲法测定样品中蛋白质，发现蛋白质占茶叶含量0.42%。采用原子荧光法测定，茶汤中硒的含量为0.23 μg/L。证明该茶汤具有丰富的茶多酚和微量硒元素，具有良好的保健功能。

2.4 茶汤与桃汁的复配

桃汁富硒茶复合饮品的综合评价雷达见图3。

采用市售的浓缩桃汁复配红茶汁，采用100 mL富硒茶汤，加入不同体积的桃汁。经培训的评审员对果汁茶饮料进行品评，根据图3的感官评定分数，确定加入果汁的合适体积10 mL。加入少量的果汁，可以充分保留红茶的茶香，同时赋予红茶果汁的酸甜口感。果汁的体积为10 mL时，桃汁茶饮料具有最优的感官评价。复配的果汁茶饮料中红茶茶味圆滑干润、醇厚，茶汁偏甜；基本保留茶汤本身颜色茶的香气明显，留香久，香气纯，无异味。；

图3 桃汁富硒茶复合饮品的综合评价雷达

3 结论

通过响应曲面法对富硒红茶饮料加工工艺中浸提温度、浸提时间和料液比进行研究，优化了红茶可溶性固形物和茶多酚提取率的工艺研究，建立了该工艺的二次多项数学模型。该模型拟合极好，得到的各因素对茶多酚提取的影响因素大小依次为浸提温度＞料液比＞浸提时间。结果表明，浸提时间22 min，料液比1∶100（g∶mL），在浸提温度89℃的条件下，茶汤中茶多酚的提取率较高。在此条件下，茶汤pH值5.61，茶多酚约占提取物4.23%，可溶物浸出率38.6%，糖占茶叶含量0.74%，蛋白质约占茶叶0.42%。在体积为10 mL的条件下，复配的茶汁中红茶茶味圆滑干润、醇厚；复配后产品基本保留茶汤本身颜色；茶的香气明显，留香久，香气纯，无异味。