利用正交试验法分析优化饮品

利用正交试验法分析优化饮品
摘要正交分析实验是食品科学中常用且重要的一种研究方法，有效减小实验次数和误差。

本文介绍了用正交实验法优化咖啡因提取实验工艺研究和正交试验法研究红薯浆的酵制备红薯全汁酸奶两个实验，以体现正交分析实验的设计与数据分析过程。

并分析食品中试验设计与数据分析的注意事项，以及实验的重要作用。

关键词正交试验食品咖啡因酸奶
正文
食品研究的重要表现形式是新产品、新工艺的研制与开发。

把琳琅满目的食品提供给社会。

以满足不同层次、不同需求、不同用途的人们对食品多样化、合理化的要求。

从事食品生产的企业在激烈的市场竟争中要靠新产品、新工艺的研制与开发谋求企业的生存和发展。

因而重视食品研究。

用现代化的科学技术不断提高产品的科技含量。

增加产品的附加值来谋求企业的发展。

然，食品研究与其他学科一样，实际上是一个数据的收集、整理、分析过程。

翻阅国内外有关食品的期刊、杂志。

可以明显的发现国内与国外食品研究在试验设计与数据分析方面存在的差距。

因此将食品研究中常用的研究方法介绍给从事食品科研人员是非常必要的。

食品研究具有多因素的综合影响，试验效应常常包括因素的主效应,也包括因素间的交互作用，因此，试验设计者总希望安排足够多的研究因素以使试验效应有充分的试验论据。

但因素和水平的增加造成试验规模庞大，特别是对于多指标分析的试验往往由于分析困难而无法实施。

当试验因素超过3个的多水平试验时，由于采用组合处理,处理数目等于因素水平间的乘积，是随因素的增加呈几何级数增加。

由于处理数目太大，不仅增加了试验误差，而且由于受试材和条件的限制，这对食品研究来说有时是难以实施的。

因此正交试验在食品工艺改革、新产品的试制中得到了广泛的应用。

下面将例举两种正交实验在饮品优化当中所涉及的实验，以体现正交试验的分析方法及优点。

—
一、正交实验法优化咖啡因提取实验工艺研究
茶水作为中国人非常喜欢喝的饮料之一，有抗癌、预防心血管病等重要作用。

现代科学研究表明，茶叶中含有茶多酚、生物碱等多种对人身有益的成分其中生物碱主要是咖啡因。

而，影响咖啡因提取的因素主要有溶剂种类、回流时间、沉淀剂种类、茶叶品种、升华过程等,实验中确定了四个影响因素，即乙醇浓度、提取时间、沉淀剂、茶叶的包裹方式作为考察因素,通过正交实验的方法来探索这些因素对咖啡因提取产量的影响，从而确定一个提取率比较高的工艺流程。

1.实验方法
以8g 市售绿茶为原料，包裹后放入索氏提取器中， 用不同浓度比的乙醇作为提取剂，水浴加热，待第一次回流开始时记下时间，到达设计好的回流时间后，取下索氏提取器，改装成蒸馏装置回收乙醇。

待回收完大部分乙醇后，将园底烧瓶中的浓缩液倒入蒸发皿中，加入4g 沉淀剂，继续用水蒸气浴加热蒸发水分待水分蒸发完全后，在酒精灯加热条件下进行升华、收集产品、称量。

2.正交实验影响因素的选择
咖啡因易溶于水和乙醇，在提取过程中溶剂浓度对产率的影响较大，所以选择乙醇浓度作为考察的主要因素之一。

提取时间、沉淀剂种类及茶叶包裹方式均会影响提取效果。

故把这三个因素同时作为考察因素。

实验的影响因素和水平见表1 。

表 1 正交实验因素表
3.正交实验结果与讨论
本实验考察了4个影响因素和个水平，故选用4因素3水平9次实验的正交实验表，记为L 9( 34 )，“L ”是正交表的代号。

正交实验设计及实验结果见表2。

水平
\
实验因素
乙醇浓度/%
提取时间/h
沉淀剂种类/g
包裹方式
1 50
2 CaO …
滤纸包裹 2 75 NaAC 滤纸半包
3
95
3
Na 2CO 2
~ 纱布包裹
表2 正交试验表及结果
表中的R 为各因素的极差，即任何一列各水平下指标值的最大值与最小值之差，R 越大，说明该因素对实验指标的影响越大，因此也就越重要由极差分析结果可以看出，以提取产量为考察指标，4种因素对咖啡因提取产量的影响程度依次为：乙醇浓度( A )>提取时间( B )>包裹方式( D ) >沉淀剂种类( C )。

同时，可以得到正交实验范围内的最佳提取条件为A 3 B 3 C 1 D 3 。

而正交实验中提取产量最高的条件为A 3 B 2 C 1 D 3 。

此条件下咖啡因的提取产量为。

产量/mg
1 1 1 1 1
2 1 2 . 2 2
3 1 3 3 3
4 【 2 1 2 3
5 2 2 3 1
)
6 2 3 1 2
7 3 1 ( 3 2
8 3 2 1 3
9 ￥ 3 3 2 1
I。

II
III
\
i
ii
<
iii
）
R
（
二．正交试验法研究红薯浆的酵制备红薯全汁酸奶
红薯作为经济作物之一，在一些欠发达地区(如江西)种植量较大，本实验进 一步对红薯去皮后的全汁进行深入的研究探讨;通过添加纤维素酶和α－淀粉酶来有效分解纤维素，使红薯淀粉水解为一系列以葡萄糖为组成的低聚糖，降低红薯浆的黏度、提高出汁率，减少加工过程中蔗糖的用量。

红薯全汁酸奶是在脱脂乳和红薯全汁的混合液中接入乳酸菌进行发酵，使一部分乳糖转变为乳酸，蛋白质发生部分降解，利用乳酸菌发酵可延长食品的保藏期，且富含对人体有益的乳 酸菌活菌，研究所得产品具有浓郁的红薯香味，是一种营养全面的酸奶，极大地提高了红薯的利用价值。

1.实验方法
酶解正交优化实验在单因素实验基础上，对影响红薯出汁率的加酶量、加水量与薯液比，pH 、酶解时间进行 L 9 (3 4 )正交实验，因素水平见表 3。

表3 酶解实验因素水平表
发酵正交优化实验在单因素实验基础上，对影响红薯全汁乳发酵过程的接种量、温度、蔗糖量、浆乳比进行 L 9 (3 4 )正交实验，因素水平见表4。

表 4 发酵实验因素水平表
水平
.
因素
A 酶添加量
(%)
B 水加量：薯液
（g/ml ） C pH
D 酶解时间（h ） 1 4：1
《
2
2 5：1
3 3
6：1
'
4
水平
因素
A 接种量（%）
>
C 蔗糖含量
D 红薯浆：脱
*
2.正交实验结果与讨论
表5 酶解正交实验设计及结果
实验号
A B C D 出汁率（%）
：
1 1 1 1 1 25
2 1 2 2 >
2 30
3 1 3 3 3 29
4 2 ！ 1
2 3 36 5
2 2
3 1 33 … 6 2 3 1 2 31 7 3 1 3 -
2 41 8
3 2 1 3 41 9 3 < 3 2 1 42 K 1 < K 2
K 3 ^
R
B 温度（o
C ）
（%） 脂乳（V/V ）
1 3 37 4 4：6
2 … 4 39 6 5：5
3 5
41
8
6：4
从表5 比较四个因素的极差R值，R A＞R C＞R D＞R B ，即酶添加量＞pH ＞酶解时间＞液料比，说明因素 A 对指标的影响最大。

根据K 值实验结果可见，最佳工艺组合为 A 3 B 2 C 2 D 2 ，即纤维素酶添加量为%、酶解时间，加水量与薯液比5∶1，，依照优化条件进行重复实验，获得出汁率为42% 。

|
表6 发酵正交实验设计及结果
实验号A B C D酸度评分
111
1，
1
21222：
313331
421—
3
2
52231
6^
312
2
73132…
83213
1
933—
2
K1
K2
K3
R
由表6 可知，各因素的影响顺序为：A＞B = D＞C，即接种量＞温度=红薯浆∶脱脂乳＞蔗糖含量;最佳配比条件为 A 3 B 1 C 1 D 2或者A 3 B 1 C 2 D 2 ，从节约成本的角度，优选方案 A 3 B 1 C 1 D 2 ，即接种量5%，温度37℃，蔗糖含量4% ，
红薯浆∶脱脂乳5∶5。

三．食品中试验设计与数据分析的注意事项
在食品实验设计与数据分析的过程中要注意以下几个事项，以增加实验与分析的准确度和时间的把控。

1.试验设计与分析方法相互吻合
2.不同性质的资料分析方法不同
3.试验设计与抽样调查必须坚持随机的原则
实验是探索、发现新事物最基本、最重要、最可靠的途径，是创新的根本。

我们要学会善于发现问题、乐于试验的精神，学会利用正确的方法设计实验并进行数据分析，为我国食品科学发展做出贡献。

参考文献
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