響應(yīng)面法優(yōu)化菊粉山藥酸奶發(fā)酵工藝研究

賈彥杰，魏 楠，李宗澤，錢志偉*，劉曉麗

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451450）

菊粉（inulin）又名菊糖，為D-呋喃果糖經(jīng)β-（2,1）糖苷鍵聚合而成的一種果聚糖，在菊芋和菊苣等植物中廣泛存在[1-2]。菊粉中含有大量的膳食纖維，不僅具有益生元的生理特性，而且水溶性好、凝膠性能特殊，與面粉的粉體特征較相似，故與其他膳食纖維相比，菊粉在改善食品質(zhì)構(gòu)性狀、提高營養(yǎng)價值及加工性能等方面更具有優(yōu)越性[3-6]。山藥（Dioscorea oppositaThunb.）是薯蕷科（Dioscorea）[7]多年生草本藤蔓植物，為我國傳統(tǒng)的藥食同源性植物。山藥中所含的尿囊素[8]和薯蕷皂苷元[9]等功能因子賦予了其助消化、健脾益胃、降低血糖等保健作用[10-11]。目前關(guān)于山藥酸奶有較多相關(guān)報道，如劉春芬等[12]以奶粉和山藥為原料研制保健酸奶，通過單因素和正交試驗，得到山藥保健酸奶的優(yōu)化條件；魏秋紅[13]以山藥、桂圓為原料，得出了山藥桂圓酸奶的最佳配方；張東京等[14]以山藥和全脂奶粉為原料，研究得出了山藥酸奶的最佳發(fā)酵條件。而以山藥和菊粉為原料制作的酸奶還未見相關(guān)報道。

響應(yīng)曲面法（response surface methodology，RSM）是一種應(yīng)用廣泛的試驗優(yōu)化方法，它采用合理的試驗設(shè)計，以經(jīng)濟(jì)的形式對實驗進(jìn)行全面研究，可有效快速地確定多因子系統(tǒng)的最佳試驗條件[15]。利用響應(yīng)曲面法，可以合理的進(jìn)行試驗設(shè)計，同時還具有試驗次數(shù)少、時間短等特點，可對試驗進(jìn)行全面的研究[16]。目前，RSM在乳飲料加工、多糖提取及生物制劑提取等工藝過程的優(yōu)化已有廣泛應(yīng)用[17-21]。本試驗以脫脂純牛奶為原料，木糖醇為甜味劑，將菊粉和山藥粉加入到牛奶中進(jìn)行發(fā)酵，并采用響應(yīng)面法對試驗工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為低糖低脂型菊粉山藥酸奶的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山藥粉：焦作懷山源食品有限公司；菊粉：陜西森弗高科實業(yè)有限公司；脫脂牛奶：中國品利公司；菌種發(fā)酵劑（菌種活力50U，內(nèi)含嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌）：丹麥科漢森公司；木糖醇：山東蜜福堂有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DNP-9272恒溫培養(yǎng)箱、DK-S26電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；GYB60-6S均質(zhì)機(jī)：上海嘉鵬科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菊粉山藥酸奶工藝流程

操作要點：

（1）預(yù)熱：預(yù)熱溫度應(yīng)保持在40～50℃范圍內(nèi)，否則脫脂牛奶中的水分蒸發(fā)較多，體積減小。

（2）均質(zhì)：將預(yù)熱后的酸奶進(jìn)行均質(zhì)，均質(zhì)壓力18MPa，時間2 min。

（3）冷卻：均質(zhì)后，冷卻至42℃。

（4）接種：接種時溫度不可過高，否則會導(dǎo)致發(fā)酵劑損失，應(yīng)冷卻至42℃再接種。

（5）發(fā)酵：接種后，置于42℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)酵5 h至凝乳停止發(fā)酵。

（6）冷卻后熟發(fā)酵完成的酸奶應(yīng)立即降溫。于4℃冰箱中冷藏后熟12 h，促進(jìn)酸奶香味物質(zhì)形成。

1.3.2 菊粉山藥酸奶感官評價

感官評定小組是由16名經(jīng)過訓(xùn)練過的人員組成，熟悉各類型酸奶的感官評定。評價指標(biāo)為菊粉山藥酸奶的色澤、組織形態(tài)、口感和氣味。取平均分作為感官評價結(jié)果，依據(jù)表1感官評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

表1 菊粉山藥酸奶感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standards of inulin yam yogurt

1.3.3 酸度測定[22]

稱取樣品10 mL于100 mL錐形瓶中，加20 mL蒸餾水搖勻，加入1～2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅色，且30 s內(nèi)顏色不褪，消耗的NaOH體積乘以10即為滴定酸度。

1.3.4 持水力測定[23]

取5 mL待測樣品，并準(zhǔn)確稱量樣品的質(zhì)量，將樣品放入離心機(jī)3 000 r/min離心30 min，取出離心管靜置10 min。去除上清液，測殘余物的質(zhì)量，酸奶持水力按式（1）計算。

式中：m代表殘余物的質(zhì)量，g；m0代表樣品的質(zhì)量，g。

1.3.5 微生物指標(biāo)檢驗

檢驗指標(biāo)主要為大腸菌群和致病菌，按照GB/T4789.18—2010《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗乳與乳制品檢驗》規(guī)定的方法進(jìn)行檢驗[24]。

1.3.6 菊粉山藥酸奶發(fā)酵條件優(yōu)化

（1）單因素試驗

菊粉添加量：山藥粉、木糖醇、菌種添加量分別為0.5%、10%、0.4 U/L時，考察菊粉添加量（0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%）對感官評分的影響。

山藥粉添加量：菊粉、木糖醇、菌種添加量分別為0.9%、10%、0.4 U/L時，考察山藥粉添加量（0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%）對感官評分的影響。

木糖醇添加量：菊粉、山藥粉、菌種添加量分別為0.9%、0.5%、0.4U/L時，考察木糖醇添加量（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%）對感官評分的影響。

發(fā)酵劑添加量：菊粉、山藥粉、木糖醇添加量分別為0.9%、0.5%、10%時，考察發(fā)酵劑添加量（0.1 U/L、0.2 U/L、0.3 U/L、0.4 U/L、0.5 U/L、0.6 U/L、0.7 U/L、0.8 U/L、0.9 U/L）對感官評分的影響。

（2）響應(yīng)面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以菊粉、山藥粉、木糖醇、發(fā)酵劑添加量為考察因素，菊粉山藥酸奶感官評分（Y）為響應(yīng)值，運用Design Expert 8.0.6軟件采用4因素3水平的響應(yīng)曲面優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得菊粉山藥酸奶最佳發(fā)酵工藝條件，響應(yīng)面試驗因素與水平見表2。

表2 酸奶配方優(yōu)化響應(yīng)面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments for yogurt formula optimization

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 菊粉添加量對菊粉山藥酸奶感官評分影響

由圖1可知，感官評分隨菊粉添加量的增加先升高后降低，在添加量為0.9%時感官評分達(dá)到最大，這主要是菊粉添加量低時色澤較差、沒有菊粉的特殊風(fēng)味，而當(dāng)菊粉添加過多時，凝結(jié)狀態(tài)差，分層明顯，顏色呈褐色，質(zhì)地粗糙，影響最終的評價，故最佳菊粉添加量為0.9%。

圖1 菊粉添加量對酸奶感官評分的影響Fig.1 Effect of inulin addition on sensory score of yogurt

2.1.2 山藥粉添加量對菊粉山藥酸奶感官評分影響

圖2 山藥粉添加量對酸奶感官評分的影響Fig.2 Effect of yam powder addition on sensory score of yogurt

由圖2可知，感官評分隨山藥粉添加量的增加先升高后降低，山藥粉添加量過大，會出現(xiàn)乳清析出，口感粗糙，發(fā)酵效果不好；山藥粉添加量過少，導(dǎo)致酸奶色澤亮度低，山藥味不明顯[28]。在添加量為0.5%時感官評分達(dá)到最大，故選用0.5%為山藥粉添加量。

2.1.3 木糖醇添加量對菊粉山藥酸奶感官評分影響

圖3 木糖醇添加量對酸奶感官評分的影響Fig.3 Effect of xylitol addition on sensory score of yogurt

由圖3可知，菊粉山藥酸奶感官評分隨木糖醇添加量的增加先升高后降低，在添加量為10%時感官評分達(dá)到最高，這是因為木糖醇添加量過小，形成的酸奶甜味不足，影響產(chǎn)品評分，而木糖醇含量過高時，造成產(chǎn)品過甜，且發(fā)酵過度產(chǎn)酸量增加，導(dǎo)致評分下降，故選用木糖醇添加量為10%。

2.1.4 發(fā)酵劑添加量對菊粉山藥酸奶感官評分的影響

圖4 發(fā)酵劑接種量對酸奶感官評分的影響Fig.4 Effect of starter inoculum on sensory score of yogurt

由圖4可知，菊粉山藥酸奶感官評分隨菌種添加量的增加先升高后降低，復(fù)合菌種接種量對酸奶發(fā)酵影響較大，若接種量過大，會導(dǎo)致酸奶發(fā)酵速度過快，酸奶的風(fēng)味不足，接種量過少，酸奶發(fā)酵能力受挫，發(fā)酵時間延長，也會使酸奶風(fēng)味不佳[25]。在菌種添加量為0.4 U/L左右時感官評分達(dá)到最高，故選用菌種添加量為0.4 U/L。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗結(jié)果

對山藥酸奶發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments

續(xù)表

利用Design-expert 8.0.6軟件對表3進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到感官評分Y與自變量X1、X2、X3、X4的二次回歸方程為：Y=89.40-7.50X1+0.083X2+0.50X3+6.58X4-0.50X1X2+0.75X1X3-對此模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4分析可知，模型P值＜0.000 1，說明該模型極顯著。而失擬項P值為0.050 2＞0.05，不顯著，說明該模型與實際情況吻合度較大。因素X1、X4對結(jié)果影響顯著（P＜0.05）。4個單因素影響菊粉山藥酸奶感官評分的影響順序為X1＞X4＞X3＞X2，即菊粉添加量對感官評分最為顯著。同時，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.960 2，表明預(yù)測效果較佳，可用該模型對菊粉山藥酸奶加工工藝進(jìn)行分析和預(yù)測。

表4 Box-Behnken試驗方差分析Table 4 Variance analysis of Box-Behnken experiments

2.3 多因素交互作用響應(yīng)曲面分析

圖5 各因素交互作用對菊粉山藥酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interactions between each factors on sensory score of inulin yam yogurt

各因素交互作用響應(yīng)曲面分析結(jié)果如圖5所示。六張圖的交互結(jié)果較為一致，隨著各交互因素添加量的增加，菊粉山藥酸奶的感官評分值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，總體而言，感官評分值變化幅度不大，圖5中兩因素交互作用不明顯，這與表4中的分析結(jié)果相一致。經(jīng)軟件分析可得，菊粉山藥酸奶發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：菊粉添加量0.77%、山藥粉添加量0.52%、木糖醇添加量10.04%、發(fā)酵劑接種量0.47 U/L，菊粉山藥酸奶感官評分預(yù)測值可達(dá)93.19分。

2.4 最佳工藝條件的驗證

為了對響應(yīng)面預(yù)測得出的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行驗證，同時為方便實際操作對以上結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，按照菊粉、山藥粉、木糖醇、發(fā)酵劑添加量分別為0.8%、0.5%、10%、0.5 U/L，此條件下的平均感官評分為92.66分，與預(yù)測值較接近，說明響應(yīng)面法優(yōu)化的結(jié)果可信度較大。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量各指標(biāo)的測定

2.5.1 菊粉山藥酸奶感官指標(biāo)

該產(chǎn)品為乳白色或微黃色、色澤均勻一致，黏附性較強(qiáng)，無乳清分離現(xiàn)象，具有該產(chǎn)品特殊風(fēng)味，口感細(xì)膩、酸甜適宜。

2.5.2 菊粉山藥酸奶品質(zhì)檢測

蛋白質(zhì)含量：3.4%；酸度：84.2°T；總固形物含量：25.3%；持水力：18.24%。

乳酸菌數(shù)≥3.4×108CFU/mL；致病菌：未檢出。

3 結(jié)論

經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化得出菊粉山藥酸奶的最佳工藝配方為：菊粉添加量0.8%、山藥粉添加量0.5%，木糖醇添加量10%、發(fā)酵劑接種量0.5 U/L，在此結(jié)果上進(jìn)行驗證試驗，得出的感官評分為92.66分。因此，利用響應(yīng)曲面法對菊粉山藥復(fù)合酸乳的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，可以獲得較佳的工藝參數(shù)，有效地減少了試驗操作的盲目性，為實際生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

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