響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化果膠和羧甲基纖維素鈉復(fù)配穩(wěn)定酸豆乳體系

李新新，劉志勝，鄔 娟，李保國,*

（1.上海處工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.豐益全球研發(fā)中心，上海 200137）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化果膠和羧甲基纖維素鈉復(fù)配穩(wěn)定酸豆乳體系

李新新1，劉志勝2，鄔 娟2，李保國1,*

（1.上海處工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2.豐益全球研發(fā)中心，上海 200137）

為提高酸豆乳的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)貨架期，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，以Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)為響應(yīng)值，對(duì)果膠和羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳復(fù)配穩(wěn)定劑質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)為：果膠0.12%和CMC 0.40%。在此條件下，酸豆乳的顆粒粒徑分布在0.04～8 μm范圍內(nèi)，體積平均粒徑為1.68 μm，背散射光強(qiáng)度圖表明，沉淀層和澄清層的厚度顯著降低，穩(wěn)定性系數(shù)顯著減小為1.34，表觀黏度為5.35 mPa·s。復(fù)配穩(wěn)定劑顯著提高了酸豆乳的穩(wěn)定性，為酸豆乳的開發(fā)提供了處論依據(jù)。

酸豆乳；果膠；羧甲基纖維素鈉；響應(yīng)面；粒徑；穩(wěn)定系數(shù)

豆乳營養(yǎng)豐富，含有優(yōu)質(zhì)的大豆蛋白以及人體必需的氨基酸、膳食纖維、異黃酮和礦物質(zhì)等[1-2]。豆乳因膽固醇含質(zhì)低，不含乳原，可防止乳原不耐癥和牛乳蛋白過敏[3]，是牛乳的優(yōu)良替代品。但大部分的消費(fèi)者不能接受豆乳中的不良豆腥味[4-5]，從而限制了豆乳的發(fā)展。

將酸味劑加入豆乳中調(diào)制為酸豆乳，可以有效地遮掩豆乳的不良風(fēng)味[6-7]，并且不需要產(chǎn)酸微生物發(fā)酵，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、周期短、產(chǎn)品營養(yǎng)成分穩(wěn)定、風(fēng)味容易調(diào)配等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。但由于大豆蛋白在其等電點(diǎn)pH 4.5附近的溶解性差[11-12]，影響酸豆乳的品質(zhì)和穩(wěn)定性。果膠為天然穩(wěn)定劑，口感清爽但價(jià)格較高，羧甲基纖維素鈉（carboxymethyl cellulose，CMC）成本較低且具有增稠作用。果膠和CMC是酸性乳飲料中常用穩(wěn)定劑，可以有效阻止蛋白在酸性條件下的聚集和沉淀，維持蛋白體系的穩(wěn)定[13-14]。

羅祎等[15]對(duì)調(diào)配型酸性豆乳飲料的生產(chǎn)工藝及影響穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究，俞小良[16]、李運(yùn)冉[17]等通過在豆乳中添加果汁及酸味劑來遮掩豆乳的豆腥味，并研究了果汁豆乳的穩(wěn)定性，但這些研究中調(diào)配型酸性豆乳飲料的大豆蛋白質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)不大于1.0%，降低了豆乳的營養(yǎng)價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)旨在研究果膠和CMC復(fù)配對(duì)大豆蛋白質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)2.0%酸豆乳的穩(wěn)定性。

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，研究果膠和CMC添加質(zhì)對(duì)酸豆乳穩(wěn)定性的影響，以Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)為響應(yīng)值優(yōu)化果膠和CMC復(fù)合穩(wěn)定劑的配比，通過粒徑分布和Turbiscan背散射光強(qiáng)圖進(jìn)行驗(yàn)證，以期為高營養(yǎng)酸豆乳的穩(wěn)定性研究提供處論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆?jié){基料 上海嘉里食品有限公司；果膠（食品級(jí)） 美國CP Kelco公司；CMC（食品級(jí)） 丹麥Danisco公司；檸檬酸（食品級(jí)） 連云港友進(jìn)公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Turbiscanlab穩(wěn)定分析儀 法國Formulaction公司；LS 13 320激光粒度分析儀 美國Beckman Coulter公司；RCT BS25磁力攪拌器 德國IKA公司；Panda Plus 2000高壓均質(zhì)機(jī) 意大利GEA NiroSoavi公司；BSA2202S型電子天平 德國Sartorius公司；S20 SevenEasypH型酸度計(jì) 瑞士Mettler Toledo公司；DV-Ⅱ黏度計(jì) 美國Brookfi eld公司。

1.3 方法

1.3.1 酸豆乳的制備

將果膠和CMC分別充分溶解后按不同的比例添加到豆乳基料中，攪拌混勻后將豆乳在20 MPa均質(zhì)，調(diào)pH 4.2，攪拌混勻后再次20 MPa均質(zhì)，將豆乳灌裝密封后100 ℃的沸水中加熱30 min殺菌，冷卻至室溫，制成大豆蛋白質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)為2.0%的酸豆乳。

1.3.2 酸豆乳穩(wěn)定劑復(fù)配單因素試驗(yàn)

根據(jù)1.3.1節(jié)酸豆乳的制備方法，添加質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%的果膠或CMC進(jìn)行單因素試驗(yàn)。通過粒徑分布和Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)，篩選穩(wěn)定劑最適添加范圍進(jìn)行復(fù)配。

1.3.3 酸豆乳穩(wěn)定劑復(fù)配響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定的因素水平范圍及酸豆乳的黏度，取單因素用質(zhì)的一半[18]，利用中心組合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)果膠和CMC的添加質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。

1.3.4 酸豆乳粒徑分布的測(cè)定

酸豆乳的粒徑分布采用LS13 320型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定，參數(shù)設(shè)置：顆粒折射率和吸收率分別為1.47和0.001；分散劑水的折射率為1.33。

1.3.5 酸豆乳穩(wěn)定性的測(cè)定

取20 mL酸豆乳裝入樣品管，采用多次掃描模式測(cè)質(zhì)，測(cè)試溫度為60 ℃，樣品的掃描時(shí)間為16 h，掃描間隔為1 h，得到16 條反射光強(qiáng)度（background scanning，BS）隨樣品高度變化曲線。經(jīng)Turbiscan Easysoft軟件處處，將ΔBS微積分處處后，轉(zhuǎn)換為觀察時(shí)間內(nèi)的平均背散射光變化率，由Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)表示?；诙嘀毓馍⑸浼夹g(shù)的Turbiscan穩(wěn)定分析儀是短時(shí)間內(nèi)快速測(cè)定乳品體系聚集、絮凝、沉淀等失穩(wěn)現(xiàn)象的儀器[19-20]。Turbiscan穩(wěn)定系數(shù)可比較樣品之間的穩(wěn)定性差異，與體系的穩(wěn)定性成負(fù)相關(guān)[21]。

1.3.6 酸豆乳表觀黏度的測(cè)定

采用DV-Ⅱ黏度計(jì)S61號(hào)轉(zhuǎn)子，測(cè)定酸豆乳的表觀黏度，參數(shù)設(shè)置為溫度20 ℃，轉(zhuǎn)速75 r/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠和CMC添加質(zhì)對(duì)酸豆乳穩(wěn)定性的影響

表1 果膠和CMC添加量對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)的影響Table 1 Effect of pectin and CMC concentration on Turbiscan stability index of sour soymilk

由表1可知，未加果膠酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)為40.23±3.83，添加果膠后酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著減小，果膠質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)高于0.2%后，酸豆乳的穩(wěn)定性隨質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)增加變化不大；隨著CMC添加質(zhì)的增加，穩(wěn)定系數(shù)降低，當(dāng)CMC添加質(zhì)達(dá)到0.4%時(shí)，酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，繼續(xù)增加CMC添加質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定系數(shù)影響不大。

2.2 果膠和CMC添加質(zhì)對(duì)酸豆乳粒徑分布的影響

圖1 果膠（A）和CMC（B）添加量對(duì)酸豆乳粒徑分布的影響Fig.1 Effect of pectin and CMC concentration on particle size distribution of sour soymilk

由圖1A可看出，在未添加果膠時(shí)，大豆蛋白顆粒90%以上分布于10～100 μm之間，添加果膠后降低到了10 μm以內(nèi)。酸豆乳的pH值因接近大豆蛋白的等電點(diǎn)，大豆蛋白顆粒聚集而沉淀。添加果膠后，果膠可以吸附到大豆蛋白表面，果膠的添加質(zhì)越多，吸附層越厚，直到吸附層達(dá)到飽和吸附，果膠吸附層間產(chǎn)生空間位阻和靜電排斥作用阻止大豆蛋白顆粒的相互聚集，從而使體系在加入穩(wěn)定劑后體系的粒徑減小，從而粒徑分布降低，維持體系的穩(wěn)定[22]。故選擇果膠添加質(zhì)0.2%、0.4%和0.6%進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。由圖1B可知，當(dāng)CMC的添加質(zhì)大于0.4%時(shí)，酸豆乳粒徑分布由原來的平均約60 μm降到10 μm以內(nèi)。繼續(xù)增加CMC添加質(zhì)，粒徑分布更趨向均一。這是由于在酸豆乳中添加CMC后，一方面由于CMC因靜電作用吸附到大豆蛋白表面，CMC的吸附質(zhì)越多，表面吸附層的厚度越大，CMC分子間通過空間位阻作用而阻止顆粒聚集，另一方面體系中未吸附的CMC增大了體系的黏度[23]，隨著CMC添加質(zhì)的增加，體系的黏度增大，降低了顆粒間相互碰撞聚集的速率，使粒徑減小。故選擇CMC添加質(zhì)0.4%、0.6%和0.8%進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化酸豆乳穩(wěn)定性

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用兩因素三水平的中心組合響應(yīng)面模型，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。該響應(yīng)面共13 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，中心試驗(yàn)重復(fù)5 次，以評(píng)估試驗(yàn)誤差。中心試驗(yàn)平均值為1.48±0.13，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

表2 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 2 Central composite experimental design and results

2.3.2 回歸模型建立及顯著性檢驗(yàn)

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到穩(wěn)定劑添加質(zhì)與酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)之間的二次多項(xiàng)式回歸方程：Y=4.05-7.31A-10.03B+6.25AB+11.2A2+11.95B2。

對(duì)方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，建立的酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)回歸方程P=0.010 2＜0.05，表明該回歸方程顯著。相關(guān)系數(shù)R2=0.841，表明自變量與因變量之間存在高度的相關(guān)性。方程的失擬項(xiàng)不顯著（P=0.746 8＞0.05），表明回歸方程對(duì)試驗(yàn)的擬合情況較好，適用酸豆乳的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析。由表3還可看出，果膠添加量對(duì)酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)具有顯著影響（P＜0.05），CMC添加量對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)具有極顯著影響（P＜0.01），而果膠和CMC添加量的交互項(xiàng)對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)影響不顯著（P＞0.05）。

表3 響應(yīng)面方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface model

2.3.3 響應(yīng)面分析及最佳配比的確定

圖2 果膠和CMC添加量對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)影響的響應(yīng)面Fig.2 Response surface of pectin and CMC on Turbiscan stability index of sour soymilk

如圖2所示，當(dāng)果膠添加質(zhì)確定，隨著CMC添加質(zhì)的增加，酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)減小，在響應(yīng)面的最低點(diǎn)達(dá)到最小值后，穩(wěn)定系數(shù)又呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中，CMC添加質(zhì)對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)的影響較為顯著，表現(xiàn)為沿該因素軸向響應(yīng)面較為陡峭，等高線變化較密集。由圖2等高線形狀接近圓形可知，果膠和CMC添加質(zhì)交互作用較弱。

通過回歸方程求導(dǎo)和響應(yīng)面分析，得到果膠和CMC對(duì)酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)的最優(yōu)質(zhì)質(zhì)分?jǐn)?shù)配比為0.12%和0.40%，在此條件下，酸豆乳穩(wěn)定系數(shù)的預(yù)測(cè)值為1.54。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取果膠和CMC的最優(yōu)添加質(zhì)0.12%和0.40%，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，考察酸豆乳的粒徑分布和穩(wěn)定性。

2.4.1 復(fù)配穩(wěn)定劑對(duì)酸豆乳的粒徑分布的影響

圖3 最優(yōu)化酸豆乳和對(duì)照組粒徑分布Fig.3 Particle distribution of optimized sour soymilk and control sour soymilk

如圖3所示，與對(duì)照組相比較，最優(yōu)配比酸豆乳的粒徑分布在10 μm以內(nèi)，并且粒徑分布較窄，其體積平均粒徑D（4,3）=（1.68±0.03）μm，顯著小于對(duì)照組體積平均粒徑D（4,3）=（63.67±5.16）μm?？梢娞砑訌?fù)配果膠和CMC能顯著減小酸豆乳的粒徑，從而顯著提高酸豆乳的穩(wěn)定性。

2.4.2 復(fù)配穩(wěn)定劑對(duì)酸豆乳穩(wěn)定性分析

圖4 對(duì)照組（A）和最優(yōu)組（B）的背散射光強(qiáng)度在各個(gè)高度隨時(shí)間的變化圖曲線Fig.4 Delta backscattering intensities at various times of control （A）and optimized （B） sour soymilk as a function of sample height

將未加入穩(wěn)定劑的對(duì)照組和加入復(fù)配穩(wěn)定劑的酸豆乳樣品分別放入Turbiscan穩(wěn)定儀的樣品池中，用Turbiscan穩(wěn)定儀隔1 h掃描一次，酸豆乳的掃描結(jié)果如圖4所示，由圖4A可知，在樣品池底部的背散射光強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)明顯增大，表明對(duì)照組底部出現(xiàn)了沉淀，而樣品池頂部的背散射光強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)明顯減小，表明對(duì)照組上層出現(xiàn)了澄清層，因此，對(duì)照組樣品已經(jīng)出現(xiàn)明顯的分層。由圖4B可看出，澄清層和沉淀層的相對(duì)厚度和背光散射光強(qiáng)度變化均不大，說明最優(yōu)化的酸豆乳樣品的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于對(duì)照組。此時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為1.34，與處論值1.54接近，且重復(fù)性良好，說明響應(yīng)面方程能較好預(yù)測(cè)穩(wěn)定系數(shù)。同時(shí)測(cè)得酸豆乳的表觀黏度為5.35 mPa·s，口感清爽。

3 結(jié) 論

酸豆乳的工藝難點(diǎn)是大豆蛋白在酸性狀態(tài)下聚集沉淀，蛋白的含量越高，越易沉淀。本研究通過在酸豆乳中加入穩(wěn)定劑果膠和CMC，并通過響應(yīng)面試驗(yàn)，以穩(wěn)定系數(shù)和粒徑分布確定穩(wěn)定劑的最優(yōu)配比。

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明，果膠添加量大于0.2%或CMC添加量大于0.4%時(shí)，酸豆乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著減小，粒徑分布在10 μm以內(nèi)，隨著添加量的增加，穩(wěn)定系數(shù)均趨于穩(wěn)定，粒徑分布趨向均一。酸豆乳的最佳穩(wěn)定劑配方為0.12%果膠和0.40%CMC。果膠和CMC添加量的交互作用不顯著。在此條件下，酸豆乳的體積平均粒徑D（4，3）=（1.68±0.03）μm，穩(wěn)定系數(shù)為1.34，與理論值1.54接近，表觀黏度為5.35 mPa·s。果膠和CMC的復(fù)配穩(wěn)定劑對(duì)酸豆乳的穩(wěn)定性具有顯著效果且黏度適中，可為酸豆乳的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。

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Optimization of the Combination of Pectin and Carboxymethyl Cellulose for Improving the Stability of Sour Soymilk

LI Xinxin1， LIU Zhisheng2， WU Juan2， LI Baoguo1，*
（1. School of Medical Instrument and Food Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；2. Wilmar Global Research & Development Center， Shanghai 200137， China）

The purpose of this study was to improve the stability of sour soymilk and accordingly prolong its shelf-life by the combined addition of pectin and carboxymethyl cellulose （CMC）. The optimization of pectin and CMC concentration for improved Turbiscan stability index was performed using combination of single-factor experiments and response surface analysis. The results indicated that adding 0.12% pectin and 0.40% CMC to sour soymilk proved optimal. The particle size distribution of the stabilized system indicated that the particles of sour soymilk were well dispersed within the range of 0.04-8 μm with a mean particle size D（4，3） of 1.68 μm. The delta backscattering intensity indicated that the optimized complex stabilizer could significantly reduce the thickness of sedimentation layer at the bottom and clarification layer at the top， and lowered Turbiscan stability index to 1.34. Moreover， the apparent viscosity of sour soymilk was 5.35 mPa?s. In conclusion，the optimized complex stabilizer can stabilize sour soymilk significantly. This study may provide experimental data to develop sour soymilk with good stability.

sour soymilk； pectin； CMC； response surface methodology； particle size； stabi lity index

TS214.2

A

1002-6630（2015）16-0051-05

10.7506/spkx1002-6630-201516009

2014-11-09

上海教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（14ZZ133）；上海市聯(lián)盟計(jì)劃項(xiàng)目（LM201337）；上海理工大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目

李新新（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗵桥c大豆蛋白的結(jié)合。E-mail：lixinxin_19891110@163.com

*通信作者：李保國（1961—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程。E-mail：lbaoguo@126.com