D-最优混料设计优化基于天然椰枣糖浆、橙皮白层粉-柠檬汁悬浮体系的果冻产品：品质属性及加工诱导的柑橘果胶结构修饰

《LWT》：D-optimal mixture design optimization of a natural date syrup jelly with an orange albedo powder–lemon juice suspension: quality attributes and processing-induced citrus pectin modifications

　　

消费者对天然食品的偏好日益增长，同时推动了不含合成添加剂的最低限度加工产品的发展。在此背景下，环保型食品加工受到关注，消费者和制造商均希望减少苛刻溶剂和化学添加剂的使用。橙皮白层（orange albedo)作为柑橘加工副产物，可作为果胶和生物活性化合物的来源进行高值化利用，在食品工业中具有应用潜力。果胶是柑橘副产物中的关键多糖，因其增稠、凝胶和稳定等技术功能而被广泛应用。因此，橙皮白层的高值化利用成为从农业工业残留物中开发天然、高附加值原料的有吸引力的策略。柑橘果胶也在改性柑橘果胶(modified citrus pectin, MCP)的背景下被讨论，MCP是一类加工衍生的果胶材料，其结构重塑与生物功能假设相关，特别是与半乳糖凝集素-3(galectin-3)相关的转移机制的可能干扰有关。

食品凝胶配方，包括果胶基体系，其流变学和质构特性受加工条件和配方变量的影响，如pH、温度、离子浓度、共溶质的存在以及结构剂的类型和比例。在此背景下，使用天然来源的结构化配料替代传统凝胶剂仍是清洁标签配方开发的关键挑战。

由于凝胶性质强烈依赖于配方组成，混料设计(mixture design)是优化由组分比例而非绝对用量决定食品体系的有用工具。该研究建立在2011年开展的关于椰枣糖浆(date syrup, DS)、橙皮白层粉(orange albedo powder, OAP)和柠檬汁(lemon juice, LJ)果冻生产的早期探索性工作，以及研究人员先前的概念框架之上。除了产品配方之外，该研究还调查了这种温和的酸热处理是否能在柑橘果胶中诱导部分潜在有利的结构变化。研究人员通过约束D-最优混料设计进行配方优化，并对所得果胶级分进行结构表征来解决这一问题。从优化果冻中提取的果胶与从橙皮白层粉中提取的果胶通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、¹H NMR和GC-MS单糖分析进行比较，以阐明加工相关的结构变化，并检验这些修饰是否与食品基质中的凝胶形成相容。

总体而言，该研究在先前可行性工作的基础上推进了基于天然来源结构配料（DS、OAP和LJ）的无添加剂、清洁标签果冻体系的开发。本研究将约束D-最优混料优化、全面的产品表征和果胶结构分析整合于单一的DS-OAP-LJ体系中。这种整合方法不仅支持干椰枣和橙皮白层的高值化利用，还详细研究了温和的环保型酸热加工是否可能在柑橘果胶中诱导具有潜在生物功能重要性的MCP样结构特征。

**研究背景与问题**

天然、清洁标签食品的需求日益增长，消费者对无合成添加剂的最低限度加工产品兴趣增加，同时环保型食品加工也受到关注。橙皮白层作为柑橘加工副产物，含有丰富的果胶和生物活性化合物，具有高值化利用潜力。果胶因其增稠、凝胶和稳定等技术功能在食品工业中广泛应用，而改性柑橘果胶(MCP)的结构重塑更与生物活性相关。然而，使用天然来源的结构化配料替代传统凝胶剂仍面临挑战，且加工条件对果胶结构的影响尚需深入探究。此前虽有关于椰枣糖浆、橙皮白层粉和柠檬汁果冻的探索性工作，但缺乏系统的配方优化与果胶结构表征的整合研究。

**研究开展与结论**

研究人员以椰枣糖浆、橙皮白层粉和柠檬汁为原料，采用约束D-最优混料设计优化天然果冻配方，并对产品进行物理化学、营养和质构表征，同时提取果胶进行结构分析。研究发现，橙皮白层粉对凝胶硬度具有最强的正向效应，柠檬汁也有正向贡献，而椰枣糖浆则呈负向效应。最优配方为75%椰枣糖浆（75 °Brix）、2%橙皮白层粉和23%柠檬汁（w/w），该配方平衡了凝胶硬度、维生素C含量和糖分 reduction。加工过程中果胶发生部分去甲酯化和结构重塑，凝胶化主要与高半乳糖醛酸聚糖(homogalacturonan, HG)富集的果胶结构域相关。该研究发表在《LWT》期刊，为柑橘副产物高值化和天然结构化食品基质开发提供了新见解。

**关键技术方法**

研究采用约束D-最优混料设计（使用MODDE软件）优化三组分配方比例；通过质构仪测定凝胶硬度；采用高效液相色谱(HPLC)分析糖类和维生素C；运用火焰原子吸收光谱法(FAAS)测定矿物质；通过酶解法分离总膳食纤维(TDF)并进一步分级为可溶性膳食纤维(SDF)和不可溶性膳食纤维(IDF)；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、¹H核磁共振波谱和GC-MS对提取果胶进行结构表征，并以滴定法和¹H NMR积分法测定甲酯化程度(DM/DE)。

**研究结果**

**原料物理化学性质**

椰枣糖浆(DS) pH为4.97，总糖含量86.18 g/100 g，以蔗糖为主（47.5 g/100 g），钾含量最高（698 mg/100 g），总多酚含量285 mg GAE/100 g。橙皮白层粉(OAP)水分含量低（6.80 g/100 g），总膳食纤维高达50.01 g/100 g，其中可溶性膳食纤维(SDF) 16.27 g/100 g、不可溶性膳食纤维(IDF) 27.63 g/100 g，钙含量突出（670 mg/100 g），总多酚含量998.37 mg GAE/100 g。柠檬汁(LJ) pH 2.26，提供酸性环境。OAP的果胶得率为16.30%，与文献报道的橙皮白层果胶得率范围一致。

**混料设计模型验证**

大多数响应变量的相对标准偏差(RSD)低于2%，决定系数(R²)、校正决定系数(R_adj²)和交叉验证预测能力(Q²)值较高，证实了模型的充分性和预测性能。硬度（4 h和24 h）、维生素C、蔗糖、总糖和°Brix的模型可靠，而葡萄糖和果糖模型预测性较差需谨慎解释。

**果冻质构特性**

橙皮白层粉(X1)对凝胶硬度有最强的正向影响，柠檬汁(X2)也有正向贡献，而椰枣糖浆(X3)呈负向效应。4 h硬度模型具有最可靠的统计性能（R² = 0.961，Q² = 0.754，不显著失拟），故作为解释配方变量效应的最可靠依据。等高线图显示了相似的趋势：OAP因其富含果胶的纤维级分而增强硬度，LJ通过降低pH促进果胶溶出从而增强硬度，而DS比例增加则因结构剂稀释而降低硬度。

**营养参数**

维生素C含量主要由LJ比例决定，模型具有良好预测性能（R² = 0.827，Q² = 0.604）。DS增加会降低维生素C含量，原因包括LJ来源抗坏血酸的稀释和热降解。糖类分析表明，DS是果冻中可溶糖的主要来源。蔗糖(Y5)和总糖(Y6)模型显示OAP有显著负效应而DS有正效应，表明替代/稀释效应。°Brix(Y7)模型中OAP和DS呈正效应、LJ呈负效应。OAP的添加在降低糖含量的同时保持了凝胶硬度，实现了营养与质构的有利平衡。

**优化果冻的物理化学特性**

优化果冻pH为3.46，水活度(a_w) 0.84，可溶性固形物67.30 °Brix，满足高甲氧基(HM)果胶凝胶形成条件（≥65 °Brix）。总糖含量79.01 g/100 g，蔗糖为主（34.40 g/100 g）。维生素C含量约40 mg/100 g，与含柠檬汁和蜂蜜的番石榴-菠萝果冻报道范围一致。硬度约10 N，略低于模型果胶凝胶文献值，反映了果胶来源和组成的差异。总多酚含量220.95 mg GAE/100 g，活性多酚含量76.15 mg GAE/100 g，特定抗氧化活性34.5%。

**加工诱导的果胶结构变化**

单糖组成分析显示，OAP果胶级分具有最高的糖醛酸(UA)含量（57.3 g/100 g）和最低的糖醛酸/鼠李糖(UA/Rha)比（5.3），表明其为HG/RG-I混合结构且RG-I结构域高度分支。DS果胶级分以中性糖(NS)为主（96.8%），UA极低（3.2 g/100 g）。果冻果胶级分同样以NS为主（94.1%），UA仅5.9 g/100 g，含有高比例葡萄糖，提示加工过程中酸热-处理促进了可溶性糖的非果胶碳水化合物共提取。

结构比值分析表明，果冻果胶具有较低的Rha含量，提示加工可能改变RG-I骨架。其较高的UA/Rha比值（8.4）可能表明更大的HG贡献，而较高的(阿拉伯糖+半乳糖)/鼠李糖((Ara+Gal)/Rha)比值（4.7）提示存在RG-I型中性侧链。半乳糖的检测进一步支持OAP来源中性糖的贡献。尽管RG-I相关标志物减少，凝胶仍稳定形成，表明HG富集结构域在现有条件下起主要作用。

FTIR光谱显示，OAP果胶在1730-1745 cm^-1的酯羰基带强于果冻果胶级分，而果冻样品在1600-1630 cm^-1和1410 cm^-1的羧酸根带相对增强。OAP果胶的甲酯化程度(DE)为78.1%（滴定法），果冻果胶DE降至60.6%，证实酸热加工诱导了部分去甲酯化。

¹H NMR光谱中，OAP果胶显示清晰可辨的异头质子（4.6–5.5 ppm）和甲酯（3.70–3.85 ppm）信号区，而果冻果胶信号更宽且拥挤，与残留可溶性糖和加工诱导的结构异质性一致。果冻果胶中提取甲酯信号的相对强度降低，与其较低DE一致（60.63 ± 0.15%）。对于果冻样品，由于信号重叠和线展宽，¹H NMR积分法估算DM产生不现实值（>100%），故滴定DE被认为更可靠。

**讨论与结论总结**

研究表明，LJ的酸性结合加热促进了果胶的部分去甲酯化和结构异质性增加。游离羧基基团的增加可能有利于离子相互作用，而HG/RG-I相关特征的转变可能与凝胶结构化以及潜在的MCP框架内半乳糖凝集素相关相互作用有关。这些发现凸显了橙皮白层粉作为多功能配料的价值。

研究优化了完全天然、无添加剂的果冻配方，通过整合混料设计与物理化学、结构和功能表征，确定了平衡质构和营养属性的最优配方。OAP对硬度具有最强的正向效应，LJ也有正向贡献，而DS呈负向效应。除质构优化外，结果还突显了各配料的互补作用：OAP具有高总多酚含量，而DS表现出更高的特定抗氧化活性。结构分析进一步指示了加工诱导的回收果胶级分的结构变化，包括部分去甲酯化、结构异质性增加以及HG和RG-I相关特征的转变。凝胶形成似乎主要由HG富集结构域驱动，而RG-I富集结构域可能发挥次级调节作用。

总体而言，所开发的果冻代表了结合内在糖、矿物质和酚类化合物的天然结构化食品基质。这些发现凸显了OAP作为多功能结构配料的作用，支持柑橘副产物的高值化利用，并表明该果冻可作为含有潜在功能兴趣生物活性化合物的有前景的天然结构化基质。

**研究结论翻译**

该研究通过结合混料设计与物理化学、结构和功能表征，优化了一种由椰枣糖浆(DS)、橙皮白层粉(OAP)和柠檬汁(LJ)配制的完全天然、无添加剂果冻。在配方变量中，OAP对硬度具有最强的正向影响，LJ也有正向贡献，而DS则呈负效应。平衡质构和营养属性的最优配方为75% DS（75 °Brix）、2% OAP和23% LJ（w/w）。

除质构优化外，结果还突显了各配料的互补作用。OAP显示出高总多酚含量，而DS则表现出更高的特定抗氧化活性。结构分析进一步指示了回收果胶级分中加工诱导的变化，包括部分去甲酯化、结构异质性增加以及HG和RG-I相关特征的转变。凝胶形成似乎主要由HG富集结构域驱动，而RG-I富集结构域可能发挥次级调节作用。

总体而言，所开发的果冻代表了结合内在糖、矿物质和酚类化合物的天然结构化食品基质。这些发现凸显了OAP作为多功能结构配料的作用，支持柑橘副产物的高值化利用，并表明该果冻可作为含有潜在功能兴趣生物活性化合物的有前景的天然结构化基质。