響應(yīng)面法優(yōu)化菊糖酸奶的發(fā)酵工藝

熊政委，王文佳，溫 瑞，董 全,*

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶第二師范學院生物與化學工程系，重慶 400715）

響應(yīng)面法優(yōu)化菊糖酸奶的發(fā)酵工藝

熊政委1,2，王文佳1，溫 瑞1，董 全1,*

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶第二師范學院生物與化學工程系，重慶 400715）

將菊糖以不同的量添加到酸奶中，結(jié)果表明，菊糖能夠刺激乳酸菌的增長，增加酸奶的持水力、黏度和甜度，降低酸奶的pH值，以及改變酸奶的組織狀態(tài)。在接種量和發(fā)酵溫度的單因素試驗基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析方法，優(yōu)化菊糖添加量、接種量、發(fā)酵溫度的工藝參數(shù)。經(jīng)Design-ExpertV8.0.6 軟件對結(jié)果進行分析，確定菊糖酸奶生產(chǎn)的最優(yōu)工藝參數(shù)為菊糖添加量47.85 g/L、接種量2.34%、發(fā)酵溫度42 ℃。在此條件下，菊糖酸奶的感官得分92.12，理論值92.46與實驗值的相對偏差是0.37%。

菊糖；酸奶；響應(yīng)面；流變學；感官品質(zhì)

菊糖（inulin），又稱菊粉，是一種廣泛存在于自然界的果聚糖，由D-呋喃果糖分子經(jīng)β-（2-1）糖苷鍵連接而成，末端常含有一個葡萄糖基，聚合度通常為2～60，平均聚合度為10[1]。菊糖作為一種功能性膳食纖維，已被認可的功能有促進礦物質(zhì)的吸收、降低血脂和血清膽固醇的含量、預(yù)防便秘和治療肥胖等功能[2]，近幾年對于菊糖還有很多新的發(fā)現(xiàn)：菊糖具有非齲齒性，主要是因為它們不能被變形鏈球菌利用形成酸和葡聚糖，形成齲齒的主要原因就是這些酸和葡聚糖[3]；菊糖發(fā)酵代謝的產(chǎn)物不但能夠刺激糖化菌發(fā)酵，而且還能夠減少潛在的有毒蛋白發(fā)酵代謝產(chǎn)物二甲基三硫和乙苯[4]；在高脂膳食中添加菊糖，能夠?qū)π玛惔x產(chǎn)生有益的影響，還能夠造成下丘腦神經(jīng)元活動的顯著變化[5]。菊糖和滅活的枯草芽孢桿菌，作 為合成素具有協(xié)同效應(yīng)，能夠加強一些先天免疫功能[6]。

酸奶是用新鮮的牛奶或者脫脂奶粉作為主要原料，利用保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌等微生物，通過乳酸發(fā)酵得到的一種發(fā)酵型乳制品，酸奶中含有大量的有利于健康的活性乳酸菌[7]。酸奶營養(yǎng)豐富、風味獨特，已被越來越多的消費者喜愛。

隨著生活水平的不斷提高，人們會更加重視食品的營養(yǎng)與口感。將菊糖添加到酸奶中，不但可以發(fā)揮菊糖的生理功能，而且菊糖還能夠刺激酸奶中乳酸菌的增長，改變酸奶的品質(zhì)與口感。本實驗研究菊糖對酸奶品質(zhì)的影響，并且根據(jù)響應(yīng)面法確定菊糖酸奶的最佳工藝，對菊糖添加量、接種量、發(fā)酵溫度工藝等參數(shù)進行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊糖 廣州市澤玉生物科技有限公司；純牛奶（蛋白質(zhì)2.9%、脂肪3.6%） 內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)股份有限公司；酸奶凍干發(fā)酵劑（嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌數(shù)量比1∶1） 常州益菌加生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Discovery HR-1流變儀 上海曲晨機電技術(shù)有限公司；SW-CJ-1FD超凈工作臺 蘇凈集團蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；DHP-600電熱恒溫培養(yǎng)箱 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；JJ0.3/25均質(zhì)機 廊坊市匯通機械廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

菊糖→與鮮牛乳混合→均質(zhì)→殺菌→冷卻→添加發(fā)酵劑、穩(wěn)定劑→發(fā)酵→冷卻→冷藏→成品

1.3.2 操作要點

菊糖與鮮牛乳混合：鮮牛乳分為6 組，添加菊糖質(zhì)量濃度分別為：0、20、30、40、50、60 g/L，同時每組添加50 g/L的白糖。

均質(zhì)：將混合溶液用JJ0.3/25均質(zhì)機在25 MPa的條件下，均質(zhì)1～2 次[8]。

殺菌：將混合溶液放在水浴鍋中，85 ℃條件下持續(xù)殺菌30 min[9]。冷卻：殺菌后，將原料乳冷卻到42 ℃，然后接種發(fā)酵。接種：在42 ℃的條件下，在無菌的條件下，將混合發(fā)酵劑添加到乳中。

發(fā)酵：在42 ℃條件下，發(fā)酵4～6 h，待乳達到凝固狀態(tài)，酸度達到70～80 °T時即可停止發(fā)酵。

冷卻后熟：將發(fā)酵后的酸乳，冷卻到10～15 ℃，然后放入0～4 ℃的冰箱中，抑制乳酸菌的生長，同時避免繼續(xù)發(fā)酵造成的酸度升高，放置24 h即可[10]。

1.3.3 發(fā)酵劑的制備

酸奶發(fā)酵劑先經(jīng)過活化，在無菌操作臺上取少量乳酸菌干凍粉（約2.5 g），接種到經(jīng)過121 ℃、15 min滅菌處理過的脫脂奶培養(yǎng)基進行培養(yǎng)至凝固。再用滅菌吸管從培養(yǎng)基底部吸取1～2 mL培養(yǎng)液，在無菌條件下，接種到滅菌的脫脂乳中培養(yǎng)至凝固。反復(fù)接種3 次，使菌種充分活化，最后接入滅菌過的脫脂奶培養(yǎng)基的三角瓶進行培養(yǎng)至凝固，4 ℃冷藏，作為工作發(fā)酵劑使用[11]。

1.3.4 乳酸菌數(shù)的測定

使用MRS培養(yǎng)基，樣品經(jīng)過梯度稀釋，采用傾倒平板計數(shù)，讓平皿倒置于40 ℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)24～48 h，觀察長出的細小的菌落，計菌落數(shù)目，按照常規(guī)的方法選擇30～300 CFU平皿進行計算[12]。酸奶中乳酸菌活菌數(shù)用CFU/mL表示。

1.3.5 持水性的測定

取15～20 g的樣品，在4 ℃條件下10 000 r/min離心30 min，傾去上層清物，使離心管保持倒置狀態(tài)下10 min，然后稱量沉淀物的質(zhì)量，按下式計算酸奶的持水力[13]。

1.3.6 pH值的測定

用pH計直接測定。

1.3.7 流變學性質(zhì)

用Discovery HR-1流變儀對樣品進行測定。選用60 mm不銹鋼錐板，選用Flow Ramp模式，剪切速率設(shè)為（2～200 s-1）[14]，在60 s內(nèi)勻速上升，檢測樣品黏度隨剪切速率的變化規(guī)律。

1.3.8 感官性質(zhì)的評價[15]

評定指標為酸奶的色澤、組織形態(tài)、滋味、氣味，參與評定的人數(shù)為10 人，取平均分作為感官評價的結(jié)果。

表1 酸奶感官評分標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of yoghurt

1.3.9 菊糖酸奶單因素試驗

依次改變菊糖添加量、菌種接種量、發(fā)酵溫度做單因素試驗，以菊糖酸奶的pH值、持水力、黏度和感官評價為考核指標。

1.3.9.1 菊糖添加量的影響

在發(fā)酵溫度42 ℃、發(fā)酵時間6 h、接種量2%條件下，考察菊糖添加量分別為0、10、20、30、40、50 g/L的影響。

1.3.9.2 菌種接種量的影響

在發(fā)酵溫度42 ℃、發(fā)酵時間6 h、菊糖添加量40 g/L的條件下，考察接種量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%的影響。

1.3.9.3 發(fā)酵溫度的影響

在發(fā)酵時間6 h、接種量2%、菊糖添加量40 g/L的條件下，考察發(fā)酵溫度分別為36、38、40、42、44、46 ℃的影響。

1.3.10 菊糖酸奶發(fā)酵工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

以單因素試驗結(jié)果確定三因素三水平的最佳參數(shù)，根據(jù)感官評價指標進行響應(yīng)面分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，不同組間與對照組的比較采用方差分析，P＜0.05為差異顯著，P＜0.01為差異極顯著，響應(yīng)面分析結(jié)果用Design-ExpertV8.0.6進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊糖對酸奶品質(zhì)的影響將菊糖以不同的質(zhì)量濃度添加到酸奶中，測定酸奶中乳酸菌的數(shù)量，結(jié)果見表2。將菊糖添加到酸奶中，能夠顯著刺激微生物的生長（P＜0.05），在菊糖的添加量為40 g/L時，乳酸菌的數(shù)量最高，為（6.8±0.15）×

表2 菊糖對酸奶品質(zhì)的影響（x±s，n=4）Table 2 Effects of inulin concentration on quality characteristics of yoguurrtt ((x ±s,, n=4)

109CFU/mL。在40 g/L后，隨著菊糖添加量的增加乳酸菌的數(shù)量有所下降，可能是因為滲透壓增高不利于微生物生長[16]。酸奶的pH值隨著菊糖質(zhì)量濃度的升高也顯著的降低（P＜0.05），這是由于菊糖促進乳酸菌的生長，乳酸菌產(chǎn)酸使酸奶pH值降低，當菊糖添加量為40 g/L時，酸奶的pH值最低，為4.61±0.01。菊糖對酸奶持水力的提升效果顯著（P＜0.05），隨著菊糖添加量的增加，酸奶的持水力也不斷的增加。在60 g/L時，達到最大值為（57.48±1.7）%。膳食纖維能夠強化酸奶的持水性[17]。

2.2 菊糖對酸奶流變學性質(zhì)的影響

圖1 菊糖添加量對酸奶流變學性質(zhì)的影響Fig.1 Effects of inulin concentration on rheological properties of yogurt

由圖1可知，隨著剪切速率的增大，酸奶的黏度在降低，在同一剪切速率的條件下，隨著菊糖添加量的增加，酸奶的黏度也在增加，但是增幅各不相同，菊糖添加量為60 g/L時，酸奶的黏度最大。同時也可以從圖中看出，酸奶的表觀黏度隨著剪切速率的增大而逐漸降低，流變曲線的斜率總體上也是逐漸降低的，存在明顯的剪切稀釋現(xiàn)象，說明酸奶屬于非牛頓流體，具有明顯的剪切稀釋現(xiàn)象[18]，有利于食品加工，可以改進食品的灌注工藝和泵送，節(jié)省能源。

2.3 菊糖對酸奶感官品質(zhì)的影響由表3可知，將菊糖添加到酸奶中，對于酸奶的色澤沒有任何影響，但能顯著影響酸奶的滋味和組織狀態(tài)（P＜0.05），主要由于菊糖具有微甜的味道，而且能改變酸奶的組織狀態(tài)。當菊糖添加量為40 g/L時，感官評分最高，菊糖酸奶酸甜可口、組織均勻。

表3 菊糖添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響（x±s，n=4）Table 3 Effects of inulin concentration on sensory evaluation of yogurt (x ±s,, n=4)

2.4 接種量對酸奶品質(zhì)的影響

表4 接種量對酸奶品質(zhì)的影響（x±s，n=4）Table 4 Effects of inoculum concentration on quality characteristics of yoghuurrtt ((x ±s,, n=4)

由表4可知，隨著接種量的增加酸奶的pH值顯著降低（P＜0.01），乳酸菌的含量顯著增大（P＜0.01），在接種量為6%時，pH值達到最低為4.55±0.02，乳酸菌含量也達到最高為（1.25±0.15）×1010CFU/mL。隨著接種量的增加，持水力和感官評分都是呈先增大后減小的趨勢，當接種量在2%的時候感官評分最高，同時2%的時候持水力也最高。

2.5 發(fā)酵溫度對酸奶品質(zhì)的影響

由表5可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，pH值顯著降低（P＜0.05），持水力在顯著增加（P＜0.01），在發(fā)酵溫度為46 ℃的時候，pH值最低為4.57±0.01，持水力最高為（49.263±1.232）%。隨著發(fā)酵溫度的升高，乳酸菌數(shù)、感官評分都是呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當發(fā)酵溫度在44 ℃時，乳酸菌數(shù)最高為（1.74±0.09）×1010CFU/mL，當發(fā)酵溫度在42 ℃時，感官評分最高為93.1±1.0。2.6 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表5 發(fā)酵溫度對酸奶品質(zhì)的影響（x±s,n=4）Table 5 Effects of fermentation temperature on quality characteristics of yoghurt (x±s , n = 4)

選用菊糖添加量（X1）、接種量（X2）、發(fā)酵溫度（X3）3個因素作為自變量，感官評分作為因變量，采用Box-Behnken設(shè)計原理對菊糖酸奶發(fā)酵工藝參數(shù)進行優(yōu)化，如表6所示。

表6 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 6 Experimental design and results for response surface analysis

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到響應(yīng)面回歸模擬方程：

對方程進行顯著性分析，見表7。建立的數(shù)學模型P＜0.000 1，說明該數(shù)學模型非常顯著，失擬項0.638 8＞0.1，不顯著，說明該實驗?zāi)芎芎玫臄M合實驗的真實情況，可以用于菊糖酸奶發(fā)酵工藝的優(yōu)化。另外，相互項X2X3極顯著，說明接種量和發(fā)酵溫度這個兩個因素對酸奶感官品質(zhì)影響存在著交互作用。

表7 方差分析表Table 7 Analysis of variance for the response surface regression equation

2.7 各因素之間的交互作用

圖2 菊糖添加量、接種量及交互作用對感官得分的響應(yīng)面Fig.2 Response surface plot for the effects of inulin concentration (g/L) and inoculum size (%) on the sensory score of yogurt

由圖2可知，當發(fā)酵溫度為42 ℃時，菊糖添加量的比例增加，感官得分逐漸升高，在菊糖添加量47 g/L左右達到最大，之后又逐漸下降。隨著接種量的增加，感官得分逐漸增大，在接種量在2.3%左右時，感官得分達到最大，之后又逐漸下降。

圖3 發(fā)酵溫度、菊糖添加量及交互作用對感官得分的響應(yīng)面Fig.3 Response surface plot for the effects of fermentation temperature and inulin concentration on the sensory score of yogurt

由圖3可知，當接種量為2%時，隨著菊糖添加量的增加感官得分逐漸升高，在47 g/L左右達到最高，此后逐漸下降；隨著發(fā)酵溫度的增加，感官得分逐漸升高，在42 ℃時，達到最高，此后逐漸下降。

圖4 發(fā)酵溫度、接種量及交互作用對感官得分的響應(yīng)面Fig.4 Response surface plot for the effects of fermentation temperature and inoculum size on the sensory score of yogurt

由圖4可知，當菊糖添加量為40 g/L時，隨著接種量的增加感官得分在增加，在2.3%左右達到最高；隨著發(fā)酵溫度增加，感官得分也是逐漸升高，在42 ℃時達到最高，此后逐漸下降。

3 結(jié) 論

菊糖能夠促進乳酸菌的增長，增強酸奶的持水力、黏度和甜度，降低酸奶的pH值，并改變酸奶的組織狀態(tài)。

以牛奶為原料，通過單因素試驗和Box-Behnken響應(yīng)面分析得到了酸奶感官品質(zhì)和菊糖添加量、接種量和發(fā)酵溫度的回歸模型，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)為：菊糖添加量為47.85 g/L、接種量為2.34%、發(fā)酵溫度為42 ℃。在此條件下的驗證實驗中菊糖酸奶的感官得分是92.12，理論值（92.46）與實驗值的相對偏差是0.37%，此時感官品質(zhì)最佳。

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Optimization of Fermentation Process for Yogurt with Added Inulin by Response Surface Analysis

XIONG Zheng-wei1,2, WANG Wen-jia1, WEN Rui1, DONG Quan1,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. School of Biological and Chemical Engineering, Chongqing University of Education, Chongqing 400715, China)

By adding different amounts of inulin to milk before yogurt fermentation, it was found that the added inulin was able to stimulate the growth of lactic acid bacteria, enhance the water holding capacity, viscosity and sweetness of yogurt, decrease the pH value, and changed the texture. At the same time, inoculum size and fermentation temperature were investigated by single-factor experiments, and response surface methodology was designed to optimize the two fermentation conditions together with inulin concentration. By analyzing the experimental data using Design-Expert V8.0.6, the optimum fermentation parameters were determined as follows: 47.85 g/L inulin, an inoculum size of 2.34%, and a fermentation temperature of 42 ℃. Under these conditions, the sensory score of yogurt was 92.12 showing a relative standard deviation of 0.37% compared to the theoretical value of 92.46.

inulin; yogurt; response surface methodology; rheology; sensory quality

TS252.54

A

1002-6630（2014）13-0156-05

10.7506/spkx1002-6630-201413030

2013-08-04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2011AA100805-2）

熊政委（1989—），男，碩士研究生，研究方向為食品安全與質(zhì)量控制。E-mail：842406970@qq.com

*通信作者：董全（1962—），男，教授，博士，研究方向為現(xiàn)代食品加工理論與技術(shù)。E-mail：dongquan@swu.edu.cn