響應(yīng)面法優(yōu)化香蕉山藥酸奶發(fā)酵工藝研究

蔣萌蒙，賈彥杰，錢志偉，魯慧芳，楊會會

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

0 引 言

香蕉是世界上最為廣泛種植的熱帶水果[1]，素有“植物奶粉”的美稱[2-3]。有資料表明[4]，常食香蕉可預(yù)防高血壓、糖尿病和肥胖癥等疾病，而且具有清熱解毒等功效。

山藥(Chinese yam，Dioscorea opposita Thunb)是薯蕷科(Dioscorea)多年生草本藤蔓植物，其中所含的尿囊素和薯蕷皂苷元[5]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[6]。

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，可有效快速地確定多因子系統(tǒng)的最佳試驗條件[7]。利用響應(yīng)曲面法具有試驗次數(shù)少、時間短等特點(diǎn)，可對試驗進(jìn)行全面的研究[8]。目前，RSM在乳飲料加工、多糖及生物制劑提取等工藝的優(yōu)化已有廣泛應(yīng)用[9-13]。本文以純牛奶為原料，將香蕉粉和山藥粉加入到牛奶中進(jìn)行發(fā)酵，并采用響應(yīng)面法對實(shí)驗工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨在為保健型香蕉山藥酸奶的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗

1.1 材料與試劑

香蕉粉，山藥粉，純牛奶，YO-M IX 883（內(nèi)含保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌），益生菌Lactobacillus.casei Zhang。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫生化培養(yǎng)箱（型號BPH-9272），高壓均質(zhì)機(jī)（型號GYB60-6S），無菌工作臺（型號SW-CJ-2F），電熱恒溫水浴鍋（型號HW S-12）。

1.3 香蕉山藥酸奶生產(chǎn)工藝

1.3.1 香蕉山藥酸奶工藝流程1.3.2 香蕉山藥酸奶感官評價

感官評定小組是由10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)為酸奶的色澤、組織形態(tài)、口感及香味。取平均分作為感官評價結(jié)果，依據(jù)表1感官評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表1 香蕉粉山藥酸奶感官評定標(biāo)準(zhǔn)

1.3.4 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/T 4789.18-2010《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。

1.4 香蕉山藥酸奶發(fā)酵條件優(yōu)化

1.4.1 單因素實(shí)驗

經(jīng)預(yù)試驗確定選擇香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量為考察因素，以達(dá)到縮小響應(yīng)面設(shè)計中因素水平范圍的目的，為下一步優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備。

1.4.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗

在單因素實(shí)驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量為考察因素，香蕉山藥酸奶感官評分Y為響應(yīng)值，利用Design Expert8.0.6軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得香蕉山藥酸奶最佳發(fā)酵工藝條件，實(shí)驗因素水平編碼如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗因素與水平編碼 %

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗

2.1.1 香蕉粉添加量對酸奶感官評價影響

由于香蕉含有一定的單寧而具有澀味[14]，因此香蕉粉添加量應(yīng)適宜。在山藥粉、蔗糖添加量分別為1.8%和7.5%時，香蕉粉添加量分別設(shè)置為0.05%，0.1%，0.35%，0.55%，0.75%，1.0%，1.2%，1.4%；統(tǒng)計感官評分分值。由圖1可以看出，感官分值隨香蕉粉添加量的增加先增大然后降低，在添加量為0.75%左右感官分值達(dá)到最大值，故選用0.1%～1.0%的香蕉粉添加量，在此范圍內(nèi)的值都大于80分。

圖1 感官分值隨香蕉粉添加量的變化

2.1.2 山藥粉添加量對酸奶感官評價影響

山藥粉的添加量不僅會影響酸奶的風(fēng)味，還會對酸奶的發(fā)酵效果及品質(zhì)有很大的影響。山藥粉添加量過大，會出現(xiàn)酸奶渾濁，口感粗糙，發(fā)酵效果不好；添加量過少，導(dǎo)致酸奶色澤亮度低，山藥味不明顯[15]。在香蕉粉、蔗糖添加量分別為0.6%和7.5%時，山藥粉添加量分別設(shè)置為0.25%，0.50%，1.00%，1.25%，1.50%，1.75%，2.00%，2.25%，2.50%；統(tǒng)計感官評分分值。由圖2可知，感官分值隨山藥粉添加量的增加先升高后降低，在添加量為1.5%時感官分值達(dá)到最大值，故選用1%～2%的山藥粉添加量，在此范圍內(nèi)的感官分值都大于80分。

圖2 感官分值隨山藥粉添加量的變化

2.1.3 蔗糖添加量對酸奶感官評價影響

蔗糖是制作酸奶時最常用的甜味劑，給予酸奶適當(dāng)?shù)乃崽鸨群土己玫目诟衃16]，但蔗糖添加量的多少直接影響到酸奶的風(fēng)味和口感。固定香蕉粉、山藥粉添加量分別為0.6%和1.8%，當(dāng)蔗糖添加量分別為1.0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%，15%時；測定不同蔗糖添加量對香蕉山藥酸奶感官評價的影響。由圖3可以看出，香蕉山藥酸奶感官評價分值隨蔗糖添加量的增加先增大后減小，在添加量為7.5%時感官分值達(dá)到最高，在添加量為5.0%～10%范圍內(nèi)，感官評價分值都大于80分，故選用蔗糖添加量5.0%～10%為適宜范圍。

圖3 感官分值隨蔗糖添加量的變化

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗結(jié)果

在確定3種因素適宜范圍后，選擇香蕉粉添加量X1，山藥粉添加量X2，蔗糖添加量X3三個因素為自變量，感官評價分值為因變量Y，利用BOX等的設(shè)計原理對香蕉山藥酸奶發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)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

表4 Box-Behnken試驗方差分析

由表4可以看出，模型P值小于0.001，說明該模型極顯著。失擬項P值為0.0544，大于0.05，不顯著，說明該模型與實(shí)際情況較吻合。因素B及交互項AC對結(jié)果影響顯著，因素A和C交互相AB和BC不顯著。3個單因素影響香蕉山藥酸奶感官評價分值的影響順序為B＞A＞C，即山藥粉添加量對感官評價最為顯著。同時，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9983，表明預(yù)測效果較佳，可用該模型對香蕉山藥酸奶加工工藝進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.3 多因素交互作用響應(yīng)曲面

各因素交互作用響應(yīng)曲面分析結(jié)果如圖4～圖6所示。3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，香蕉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中兩因素交互作用較顯著，圖4和圖6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，香蕉山藥酸奶發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：香蕉粉添加量0.55%，山藥粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；香蕉粉山藥感官評分預(yù)測值可達(dá)（93.44±0.33）分。

圖4 香蕉和山藥粉添加量對香蕉山藥酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

圖5 香蕉粉和蔗糖添加量對香蕉山藥酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

圖6 山藥粉和蔗糖添加量對香蕉粉山藥酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

2.4 最佳工藝條件的驗證

為了驗證響應(yīng)面預(yù)測得出的最佳工藝參數(shù)，按照香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量分別為0.55%，1.15%，7.44%，進(jìn)行3次平行驗證實(shí)驗，最終感官評分值的平均值為（93.98±0.25）分，與預(yù)測值較接近，說明響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果可行，具有實(shí)際利用價值。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量各指標(biāo)的測定

香蕉山藥酸奶感官指標(biāo)：該產(chǎn)品為微黃色、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。

香蕉山藥酸奶品質(zhì)檢測結(jié)果如表5和表6所示[17]。

表5 理化指標(biāo)

表6 微生物指標(biāo)

3 結(jié) 論

（1）由單因素試驗得到香蕉山藥酸奶發(fā)酵前期的實(shí)驗條件，香蕉粉、山藥粉、蔗糖添加量取值范圍分別為0.1%～1.0%，1%～2%，5.0%～10%，為下一步的條件優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

（2）經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化得出香蕉山藥酸奶的最佳工藝配方為香蕉粉添加量0.55%，山藥粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗證實(shí)驗，得出的感官評價分值較高。因此，利用響應(yīng)曲面法對香蕉山藥復(fù)合酸乳的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，可以獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，可以有效地減少試驗操作的盲目性，為實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)。