柠檬(Citrus limon)属芸香科柑橘属,又称益母果,是世界上产量排名第三的柑橘类水果。柠檬中含有丰富的维生素、膳食纤维、有机酸、糖类、烟酸、类胡萝卜素和生物碱等成分,是一种营养和药用价值非常高的水果[1]。柠檬品种繁多,特征各不相同,例如香水柠檬果皮香气浓郁,适合捶打,但果汁酸度弱[2];塔西提柠檬入口酸,层次丰富,无籽,没有苦涩味,果皮清甜[3];青尤力克柠檬类似橙子的芳香,味道浓郁,出汁率高,但籽多有苦味[4];小青柠果肉橙黄色,皮薄,果小,比普通柠檬更酸,但香味清淡,籽大且多[5]。柠檬汁广泛运用于各类食品中,如柠檬鸡爪、奶茶、各类柠檬茶等,有调味、去腥、防止褐变等作用[6],因此柠檬汁的工业生产需求巨大。

柠檬汁工业化生产大多带皮榨汁,但柠檬皮中含有大量果胶、纤维、精油等物质[7],使得柠檬汁在储藏过程中易产生分层、浑浊等现象,影响了果汁的感官品质及产品货架期[8],制约了果汁的销售。因此,解决柠檬汁在加工储藏过程中的分层、浑浊现象至关重要。目前解决油滴悬浮现象多使用乳化剂[9],解决果肉、纤维素等分层现象多使用稳定剂,陈永浩等[10]使用黄原胶、羧甲基纤维素钠(carboxymethyl cellulose,CMC)、果胶复合稳定剂优化沙棘、梨复合果汁稳定效果,徐淑科等[11]使用黄原胶、低酯果胶、CMC和海藻酸丙二醇酯4种稳定剂优化蔓越莓果汁稳定效果。

本研究充分利用不同品种柠檬之间的品质差异和风味特异性,以香水柠檬、塔西提柠檬、青尤力克柠檬和小青柠4种柠檬为原料,以模糊数学感官评分为指标,通过混料设计确定柠檬汁配方,制备感官评分高的混合柠檬汁;以离心沉淀率、粒径分布及稳定系数为响应值进行单因素试验,选择稳定剂、乳化剂,通过响应面Box-Behnken设计,优化稳定剂、乳化剂复配比,提高柠檬汁的贮藏稳定性。本研究为柠檬汁产品研发及生产提供科学数据参考,综合不同品种柠檬的风味,配制出口感协调、层次均匀的混合柠檬汁。

1 材料与方法

1.1 材料

青尤力克、香水柠檬、塔西提、小青柠均购买于湖北宜昌本地农副市场。

芦丁、福林酚,上海源叶生物科技有限公司;咔唑、D-半乳糖醛酸,上海麦克林生化科技有限公司;其余有机试剂均购于天津市富于精细化工有限公司,无机试剂均购于天津市科密欧化学试剂有机公司;蔗糖酯、大豆卵磷脂、吐温-80、黄原胶、CMC、果胶,食品级,晟发生物有限公司。

1.2 仪器与设备

S3500激光粒度分析仪,美国Microtrac仪器有限公司;SP-754紫外可见光分光光度计、2 WA-J阿贝折光仪,上海光谱仪器有限公司;KQ5200E超声清洗机,昆山市超声仪器有限公司;SHB-Ⅲ循环水式真空泵,长沙明杰仪器有限公司;DK-S12电热恒温水浴锅,上海森信实验仪器有限公司;ME204E电子天平,梅特勒-托厉多仪器上海有限公司;LG10-2.4A离心机,上海安亭科学仪器厂;GJJ60L/40高压均质机,上海科劳机械设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

新鲜柠檬果→筛选→清洗→榨汁→过60目滤网→复配混合柠檬汁→添加稳定剂、乳化剂→高压均质→杀菌→检验→成品

1.3.2 混合柠檬汁配方优化

实验室在前期预实验中发现青尤力克出汁率最高,其他品种差异不显著,因此以青尤力克为主,而香水柠檬、塔西提、小青柠风味、色泽差别较大,因此主要用于调配口感。

采用Design-expert中混料设计Mixture的Optimal设计试验原理[12],以模糊数学感官评分为评价指标,在预实验的基础上以青尤力克、香水柠檬、塔西提、小青柠原浆研发混合柠檬汁,实验设计如表1所示。

1.3.2.1 模糊数学感官综合评价法建立

参照张勋等[13]方法,评价指标因素集U={状态(U1),色泽(U2),气味(U3),风味(U4)}。评语集V={优(V1)、良(V2)和差(V3)}。试验中优、良和差3个等级分别对应其中间值为8、5、2,因此评价等级集K={K1,K2,K3}={8,5,2}。征集20名同学,其中男女各10名。采用用户调查法和二元对比法确定各个指标的权重,得出柠檬汁的权重集为W={W1,W2,W3,W4}。将经混料设计的20种混合柠檬汁建立评价体系R={R1,R2,R3,…,R20}。综合评价结果用Y表示,Y=W×R。模糊数学感官评分用T表示,T=Y×K。

1.3.2.2 感官评价

感官评价小组由具有食品专业背景的20人组成,10名男性,10名女性,采用9分制打分法[14]对样品的气味、风味、状态、以及色泽进行评分,感官评价表如表2所示。

1.3.3 柠檬汁的稳定性研究

1.3.3.1 单因素试验

向混合柠檬汁中分别添加稳定剂(黄原胶、CMC和果胶)[15]、乳化剂(大豆卵磷脂、蔗糖酯和吐温80)[16]。单一稳定剂以0.05%为梯度添加(0.05%～0.25%,质量分数);单一乳化剂以1.0%为梯度添加(1.0%～3.0%,质量分数)。再将混合柠檬汁在30 Pa、25 ℃下均质5 min,以离心沉淀率、稳定系数和粒径分布评判各添加剂对柠檬汁稳定性的影响[17-18]。

1.3.3.2 粒径分布测定

参照刘孝平等[19]方法,在室温下吸取一定量的混合柠檬汁,加入到分散介质(蒸馏水)中,调节激光粒度分析仪的遮光比大于0.6,测定其粒径,得到粒径分布曲线。

1.3.3.3 离心沉淀率测定

取30 g柠檬汁(记录质量)于离心管中,4 000 r/min离心15 min,弃去上清液,称取沉淀物的质量,离心沉淀率按公式(1)计算:

离心沉淀率/%=沉淀物质量/所取柠檬汁质量×100

(1)

1.3.3.4 稳定系数测定

将柠檬汁稀释20倍,取30 mL离心后的柠檬汁上清液和离心前的柠檬汁,在420 nm波长处测定吸光度[20],稳定系数按公式(2)计算:

稳定系数

(2)

1.3.3.5 响应面试验设计

在单因素试验的基础上,选取a(CMC)、b(黄原胶)、c(大豆卵磷脂)、d(蔗糖酯)4个因素,为解决混合柠檬汁沉淀现象,离心沉淀率为最主要评判因素,因此选取离心沉淀率为响应值,综合软件Design-Expert 8.0.6 中的Box-Behnken试验原理,设计四因素三水平试验[21-22],如表3所示。

1.4 数据处理

每组试验结果重复3次,计算其标准偏差。采用SPSS 20.0进行显著性分析(P<0.05),并使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 混合柠檬汁配方优化

2.1.1 模糊数学感官评价

根据20名同学的评价结果,采用二元对比法确定各指标权重,将结果进行归一化得到各评价指标所占权重比例为:权重集W={状态(W1),色泽(W2),气味(W3),风味(W4)}=(0.32,0.20,0.25,0.23)。由20名感官评定者对20种混合柠檬汁样品的4项指标进行逐一评价,模糊评定矩阵根据感官评价结果除以总人数,即得到20个模糊矩阵R={R1,R2,R3,…,R20}。

已知权重集W={0.32, 0.20, 0.25, 0.23},按照Y=W×R得到各混合柠檬汁评价结果:

同理可得:Y2={0.6, 0.39, 0.06},Y3={0.1, 0.425, 0.475},Y4={0.256, 0.644, 0.1},Y5={0.183, 0.435, 0.382},Y6={0.258, 0.462, 0.28},Y7={0.537, 0.303, 0.16},Y8={0.0, 0.515, 0.485},Y9={0.08, 0.566, 0.354},Y10={0.493, 0.507, 0.0},Y11={0.064, 0.323, 0.613},Y12={0.476, 0.3, 0.224},Y13={0.04, 0.45, 0.51},Y14={0.265, 0.396, 0.339},Y15={0.412, 0.428, 0.16},Y16={0.671, 0.329, 0.0},Y17={0.566, 0.334, 0.1},Y18={0.684, 0.316, 0},Y19={0.532, 0.328, 0.14},Y20={0.436, 0.404, 0.16}

模糊数学感官评分T=Y×K,评价等级集K={8, 5, 2},因此第1个混合柠檬汁的模糊综合评价总分:同理可得:T2=6.87,T3=3.875,T4=5.468,T5=4.403,T6=4.934,T7=6.131,T8=3.545,T9=4.178,T10=6.479,T11=3.353,T12=5.756,T13=3.59,T14=4.778,T15=5.756,T16=7.013,T17=6.398,T18=7.052,T19=6.176,T20=5.828。

2.1.2 Mixture的Optimal设计方差分析

混合果汁混料设计试验结果如表4及方差分析如表5所示,由极差分析可知,二次模型极差P=0.000 1<0.01,差异极显著,相关系数R2=0.962 3,说明试验因子对响应值有较大影响,表明模型的拟合程度良好,可反映青尤立克(A)、香水柠檬(B)、塔西提(C)、小青柠(D)对模糊数学感官评价总分的影响。变异系数(coefficient of variation,CV)为6.26%,表示试验的可信度和精确度较好。根据混料设计中方差分析,得到复合果汁配方:青尤立克40%、香水柠檬27.811%、塔西提24.955%、小青柠7.234%(质量分数),预测感官评分7.298,为验证方案真实性,此条件下进行3次验证试验,得到感官评分为7.345,与混料设计中的最高感官得分相近,说明混料设计可以很好地反映复配模型的可靠性。

2.2 混合柠檬汁稳定性优化

2.2.1 单因素试验

2.2.1.1 稳定剂对柠檬汁稳定性影响

稳定剂具有良好的水溶性、增稠性及悬浮性等,是大分子亲水性化合物,能在粒子表面形成亲水性被膜,形成包裹在粒子上的保护胶体,防止凝集沉淀,从而改善果汁的物理性质和组织状态[23]。如图1所示,单一稳定剂添加量增加,离心沉淀率均呈下降趋势,稳定系数均呈上升趋势,当单一稳定剂添加量超过0.20%时,混合柠檬汁离心沉淀率、稳定系数趋于稳定。如表6所示,单一稳定剂添加量增加,其粒径均减小,稳定性增加,其中黄原胶、CMC变化显著;当单一稳定剂添加量超过0.20%时,粒径分布无显著性差异。因此黄原胶、CMC、果胶的最佳添加量分别为0.25%、0.25%、0.20%,其中果胶对混合柠檬汁的稳定效果相对较低,可能是因为柠檬汁酸性较强对果胶的结构、流变特性等产生影响[24-25],而黄原胶和CMC具有良好的热稳定性及酸碱稳定性[26]。混合柠檬汁添加单一稳定剂后,离心沉淀率明显减少,但上层均含有悬浮油滴。因此选用黄原胶、CMC与乳化剂进行复配解决悬浮问题,提高混合柠檬汁综合稳定性。

2.2.1.2 乳化剂对柠檬汁稳定性影响

乳化剂能使含有互不相溶组分的混合液体形成稳定的乳状液,能改善混合液中不同组分间的表面张力,达到乳化、分散、稳定、发泡或消泡的目的,并能稳定食品的物理状态,改善风味、口感,提高食品质量,延长货架期等[27]。如图2所示,单一乳化剂添加量增加,离心沉淀率均呈下降趋势,稳定系数均呈上升趋势,当乳化剂添加量超过2.0%时,混合柠檬汁离心沉淀率增加,稳定系数趋于稳定。如表7所示,单一乳化剂添加量增加,粒径减小;当乳化剂添加量超过2.5%时,粒径增加,可能是因为此添加量下乳液中乳滴相互之间的静电斥力最大,乳滴不易聚集[28]。因此大豆卵磷脂、吐温80、蔗糖酯的最佳添加量分别为2.5%、2.5%和2.5%。在单一乳化剂中吐温80添加量对体系的稳定性影响显著(P<0.05),但吐温80有臭味且味苦,对柠檬汁口感风味有较大影响,这和张立彦等[29]报道的结果一致,混合柠檬汁添加单一乳化剂后,上层悬浮油滴明显减少,因此选用大豆卵磷脂、蔗糖酯、黄原胶、CMC进行复配探究对柠檬汁稳定性的影响。

2.2.2 稳定剂与乳化剂对混合柠檬汁协同影响

由于稳定剂与乳化剂同时添加时存在协同交互作用[30],因此在单因素试验的基础上选择黄原胶、CMC最适添加量的30%、40%、50%,大豆卵磷脂、蔗糖酯最适添加量的20%、30%、40%作为Box-Behnken设计中每个因素的低、中、高水平,以混合柠檬汁的离心沉淀率作为响应值进行试验,如表8所示。

2.2.3 方差分析

通过Design-Expert 8.0.6进行二次多项回归拟合得到黄原胶、CMC、大豆卵磷脂、蔗糖酯4个因素之间的二次多项回归方程:离心沉淀率=+1.27-0.063a+0.20b-0.14c+0.19d-0.21ab- 0.40ac-0.29ad+8.650×10-3bc-0.023bd-0.12cd+0.48a2+0.16b2+0.42c2+0.28d2。方差分析如表9所示,模型P<0.000 1,该模型回归达到极显著水平,接近回归方程系数R2=0.976 2,调整系数说明该模型能解释95.24%响应值的变化,该模型与实际拟合的较好。CV为5.01%,表示试验的可信度和精确度较好。模型二次项中ab、ac、ad呈极显著(P<0.01)。经过F值进行比较可知,各试验因素对稳定性的影响顺序为:黄原胶>蔗糖酯>大豆卵磷脂>CMC。

2.2.4 最优添加量的确定及验证实验

通过Design-Expert 8.0.6软件求解方程,得到优化添加量为CMC 0.100%、黄原胶0.075%、大豆卵磷脂0.820%、蔗糖酯0.600%,离心沉淀率为1.195%。为检验其可靠性,该条件下进行3次平行实验,得到离心沉淀率为1.201%,与理论值吻合。

2.3 柠檬汁粒径分布分析

不同稳定剂与乳化剂对混合柠檬汁粒径分布的影响如图3所示,混合柠檬汁粒径分布范围较大,为3.94～406.9 μm,体积百分率最高的粒径为159.1 μm,其次是9.5 μm的颗粒;添加0.25%的黄原胶,其粒径在0.4～159.9 μm,体积百分率最高的是68.5 μm;添加0.25%的CMC,其粒径在0.5～213.4 μm,体积百分率最高的是72.6 μm;添加2.5%的大豆卵磷脂,其粒径在0.4～196.3 μm,体积百分率最高的是79.7 μm;添加2.5%的蔗糖酯,其粒径在0.6～217.6 μm,体积百分率最高的是73.1 μm;但是添加复合稳定剂与乳化剂样品粒径分布在0.2～134.5 μm,在45.8 μm处出现最高峰,粒径分布较小。说明复合添加可显著降低柠檬汁中大颗粒物质的粒径,增加了混合柠檬汁的稳定性,进一步验证了复合稳定剂与乳化剂对混合柠檬汁的稳定效果优于单一稳定剂或乳化剂。

2.4 理化指标分析

如表10所示,添加稳定剂与乳化剂的稳定混合柠檬汁对比混合柠檬汁的理化指标差异不显著,说明添加稳定剂与乳化剂后对柠檬汁的品质影响较低,且稳定混合柠檬汁色泽均匀,口感均衡,具有浓厚的柠檬香味,具有实际生产意义。

3 结论

本研究以模糊数学感官评分为指标,通过混料设计确定混合柠檬汁配方为青尤立克40%、香水柠檬27.8%、塔西提25.0%、小青柠7.2%,混合柠檬汁色、香、味、各理化指标对比单一柠檬汁均有所提高。通过单因素试验和响应面Box-Behnken设计确定稳定剂与乳化剂的配比,使柠檬汁能够均一稳定保存,得到复合稳定剂与乳化剂的添加量为CMC 0.100%、黄原胶0.075%、大豆卵磷脂0.820%、蔗糖酯0.600%。采用最佳混合柠檬汁和复合稳定剂与乳化剂配比制备得到的稳定混合柠檬汁层次均匀,色泽均匀,且粒径分布在0.3～134.5 μm,效果明显优于3.94～406.9 μm的原混合柠檬汁,稳定混合柠檬汁中可溶性固形物、总糖、总酚、可滴定酸、总黄酮与原混合柠檬汁中理化指标差异不显著。该研究为柠檬汁的实际工业生产提供了新的思路,为柠檬汁生产与研究提供技术参考。

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Stability study and sensory evaluation of mixed lemon juice

YANG Dandan1, OUYANG Nongfei1, LIU Haiyan1, LEI Shengjiao1,2*, LI Wenjie3, WU Junqian1, HUANG Yiwei1, ZHU Jundong1

1(College of Biological and Pharmaceutical, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)
2(Key Laboratory of Natural Products Research and Development, College of Biological and Pharmaceutical, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)3(College of International Education, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, China)

ABSTRACT To fully exploit the quality differences and flavor specificities among different lemon varieties, this study employed fuzzy mathematical sensory scores as indicators to investigate the blending ratios of various lemon juices.The aim was to determine the optimal compounding scheme for sensory evaluation.The whole fruit juicing process of lemon juice can induce alterations in its storage stability due to the inclusion of pectin, fiber, and essential oils.Based on the optimal formulation, this study conducted single-factor experiments using the centrifugal sedimentation rate, particle size distribution, and stability coefficient of lemon juice as response variables.The stabilizer and emulsifier ratios were optimized through the response surface Box-Behnken design to enhance the stability of the blended lemon juice.The results indicated that the blend with the highest sensory score consisted of 40.0% green eulic lemon juice, 27.8% perfumed lemon juice, 25.0% tahitian lemon juice, and 7.2% small lime juice.Additionally, optimal stability was achieved with 0.100% sodium carboxymethyl cellulose (CMC), 0.075% xanthan gum, 0.820% soy lecithin, 0.600% sucralose ester, and the centrifugal sedimentation rate of 1.195% for lemon juice.Furthermore, the study revealed that the particle size distribution of the mixed lemon juice with stabilizers and emulsifiers ranged from 0.3 to 134.5 μm, while that of the original mixture ranged from 3.9 to 406.9 μm.The addition of stabilizers and emulsifiers resulted in smaller particle sizes, uniform state, even color, and higher sensory scores compared to the original mixture.This study offers theoretical support for the industrial application of lemon juice, aiding in its production and holding significant practical implications.

Key words lemon juice;stability;particle size distribution;fuzzy mathematical model;mixture design

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.039055

引用格式：杨丹丹,欧阳侬非,刘海燕,等.混合柠檬汁的稳定性研究及感官评价[J].食品与发酵工业,2025,51(3):284-291.YANG Dandan, OUYANG Nongfei, LIU Haiyan, et al.Stability study and sensory evaluation of mixed lemon juice[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(3):284-291.

第一作者：硕士研究生(雷生姣副教授为通信作者,E-mail:leishengjiao@163.com)

基金项目：湖北省重点研发计划项目(2023BBB167)

收稿日期：2024-03-02,改回日期:2024-04-12