響應(yīng)面法優(yōu)化富硒發(fā)酵羊乳飲料加工工藝

祁新華，張秀秀，王海霞，李曉東，劉璐

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150030）

0 引 言

硒（Se）元素作為人體必需的微量元素之一，與多種疾病的防治以及防氧化、抗衰老密切相關(guān)。硒有無機(jī)硒和有機(jī)硒兩種存在形式，但有機(jī)硒比無機(jī)硒的毒性小，更易吸收[1-3]。目前，利用富硒酵母補(bǔ)硒是最常用的生物富硒途徑，有利用率高和環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)最高效補(bǔ)硒制劑[4]。羊奶富含蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、維生素及生物活性物質(zhì)，易于被人體消化吸收[5]。作為一種新興奶源開始受到更多的關(guān)注[6-8]。小麥胚芽含有麥胚凝集素、谷胱甘肽以及黃酮類化合物等多種生物活性物質(zhì)[9]。

本研究以羊奶粉、小麥胚芽粉和富硒酵母為原料，以感官評分作為評價指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析，確定富硒發(fā)酵羊乳飲料的最佳加工工藝及配方，為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

羊奶粉，小麥胚芽粉，富硒酵母，嗜酸乳桿菌，副干酪乳桿菌，白砂糖，乳清蛋白粉，檸檬酸，羧甲基纖維素，黃原膠（符合國家標(biāo)準(zhǔn)）。

GSP-9080M B隔熱式恒溫培養(yǎng)箱，LDZX-50FBS型立式壓力蒸汽滅菌器，SW-CJ-1F型超凈工作臺，AL-104型精密電子天平，SRH型高壓均質(zhì)機(jī)，BCD-241ZE3CKJ冰箱。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程[10-11]

羊奶粉→溶解→小麥胚芽粉+富硒酵母+乳清蛋白粉+蔗糖→均質(zhì)→脫氣→殺菌→冷卻→接種發(fā)酵→冷卻后熟→檸檬酸+羧甲基纖維素+黃原膠殺菌后混合→均質(zhì)→灌裝

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

分別以小麥胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度作為自變量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每組選取5水平，對羊乳飲料進(jìn)行感官評價。

（1）小麥胚芽粉添加量。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，富硒酵母添加量為0.50‰，發(fā)酵時間為8 h，發(fā)酵溫度為41℃條件下，小麥胚芽粉添加量分別為5%、7%、9%、11%、13%，以感官評價得分為指標(biāo)，確定小麥胚芽粉的添加量。

（2）富硒酵母添加量。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%，發(fā)酵時間為8 h，發(fā)酵溫度為41℃條件下，富硒酵母添加量分別為0.18‰、0.34‰、0.50‰、0.66‰、0.82‰，以感官評價得分為指標(biāo)，確定富硒酵母的添加量。

（3）發(fā)酵溫度。嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%、富硒酵母添加量為0.50‰，發(fā)酵時間為8 h，發(fā)酵溫度分別為37，39，41，43，45；以感官評價得分為指標(biāo)，確定發(fā)酵溫度。

（4）發(fā)酵時間。嗜酸乳桿菌∶副干酪乳桿菌=1∶1，小麥胚芽粉添加量為9%、富硒酵母添加量為0.50‰，發(fā)酵溫度為41℃，發(fā)酵時間分別為4，6，8，10，12；以感官評價得分為指標(biāo)，確定發(fā)酵時間。

1.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為綜合考慮各因素對羊乳飲料的影響，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，以羊乳飲料的感官評價得分為優(yōu)化指標(biāo)，以小麥胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間作為響應(yīng)變量，分別以X1，X2，X3和X4表示，并以-1，0，1分別代表變量的水平，以感官評價得分Y作為響應(yīng)量，通過Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼

1.4 硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測

檢測方法參照GB 5009.93-2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中硒的測定》進(jìn)行。

1.5 滴定酸度的測定

滴定酸度的測定按照GB 5009.239-2016的方法測定，結(jié)果以°T示。

1.6 感官評價標(biāo)準(zhǔn)

感官評價由10名（男女比例為1∶1）經(jīng)過感官評價訓(xùn)練、有經(jīng)驗(yàn)的評定員，進(jìn)行評定。分別從滋味、色澤、凝固狀態(tài)、氣味這四個方面對羊乳飲料進(jìn)行感官評分[12]，滿分100分，通過得分高低來評判產(chǎn)品的優(yōu)劣。感官評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 感官評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 小麥胚芽粉添加量的確定

由圖1可以看出，當(dāng)小麥胚芽粉的添加量為5%～9%時，隨著添加量的增加，羊乳飲料感官評價得分逐漸升高，且當(dāng)添加量為9%時，滴定酸度達(dá)到最大值，羊乳飲料感官評價得分最高。此時，小麥胚芽粉可以提供適量的糖類物質(zhì)，有助于促進(jìn)乳酸菌發(fā)酵，羊乳飲料的酸度等品質(zhì)達(dá)到較優(yōu)水平。當(dāng)小麥胚芽粉添加量大于9%時，滴定酸度降低，可能由于發(fā)酵液含糖量過高，乳酸菌發(fā)酵受到抑制，乳酸生成量減少，羊乳飲料感官評價得分逐漸降低[13]。因此，小麥胚芽粉的最佳添加量為9%。

圖1 小麥胚芽粉添加量對羊乳飲料品質(zhì)的影響

2.1.2 富硒酵母添加量的確定

由圖2可知，當(dāng)富硒酵母的添加量為0.18～0.50‰時，隨著添加量的增加，滴定酸度逐漸升高，羊乳飲料感官評價得分逐漸升高，且在添加量為0.50‰時，羊乳飲料感官評價得分最高。當(dāng)富硒酵母添加量超過0.50‰時，滴定酸度逐漸下降，羊乳飲料的感官評價得分逐漸下降。在羊乳發(fā)酵過程中添加適量富硒酵母，可以加速發(fā)酵，增加乳酸生成量，提高乳飲料的酸度。但隨著富硒酵母的用量增加，羊乳中營養(yǎng)供應(yīng)不足，會影響富硒酵母的生長，從而會影響發(fā)酵程度，使乳飲料的酸度降低。當(dāng)富硒酵母用量過大時，富硒酵母的生長受到抑制，同時富硒酵母含有的特殊氣味會影響羊乳飲料的感官評價得分[14-16]。因此，富硒酵母的最佳添加量為0.50‰。

圖2 富硒酵母添加量對羊乳飲料品質(zhì)的影響

2.1.3 發(fā)酵溫度的確定

由圖3可知，當(dāng)發(fā)酵溫度為37～41℃時，隨著發(fā)酵溫度的升高，羊乳飲料的滴定酸度升高，羊乳飲料的感官評價得分逐漸升高，這可能是由于乳酸菌體內(nèi)參與的代謝活動的酶活性逐漸增強(qiáng)，乳酸菌代謝增強(qiáng)，乳酸菌分解乳糖產(chǎn)生的乳酸含量增加，逐漸形成乳飲料特有的發(fā)酵風(fēng)味，從而使得羊乳飲料的感官評價得分逐漸增加；當(dāng)發(fā)酵溫度超過41℃時，參與乳酸菌體內(nèi)代謝活動的酶隨溫度的升高活性逐漸降低，乳酸菌分解乳糖產(chǎn)生的乳酸不足，乳飲料酸度下降、風(fēng)味不佳，使得羊乳飲料的感官評價得分下降[17]。因此，最佳發(fā)酵溫度為41℃。

圖3 發(fā)酵溫度對羊乳飲料品質(zhì)的影響

2.1.4 發(fā)酵時間的確定

由圖4可知，當(dāng)發(fā)酵時間為4～8 h時，隨著發(fā)酵時間的延長，羊乳飲料的滴定酸度和感官評價得分逐漸增大，感官評價得分于發(fā)酵時間為8 h時達(dá)到最大值。分析可能在8 h時乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)酸量適中，羊乳飲料組織狀態(tài)良好，酸度適中。當(dāng)發(fā)酵時間超過8 h時，滴定酸度持續(xù)增加，由于乳酸菌過度發(fā)酵，產(chǎn)酸過多，導(dǎo)致羊乳飲料酸味太重，組織狀態(tài)不好，有顆粒狀結(jié)構(gòu)，有較多的乳清析出，感官評價得分逐漸降低[18]。因此，最佳發(fā)酵時間為8 h。

圖4 發(fā)酵時間對羊乳飲料品質(zhì)的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取小麥胚芽粉添加量（X1）、富硒酵母添加量（X2）、發(fā)酵溫度（X3）及發(fā)酵時間（X4）進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面分析，以感官評價得分（Y）為測量指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，由此可求出影響因素的一次效應(yīng)、二次效應(yīng)、及其交互效應(yīng)的關(guān)聯(lián)式，得到二次多項(xiàng)回歸模型為

對該模型的方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，回歸模型的F=43.37，P＜0.0001，表明發(fā)酵羊乳飲料的感官評價得分與4個因素之間的回歸方程極顯著。失擬項(xiàng)P＞0.05，說明模型可靠。模型的校正系數(shù)R2=97.75%，說明該方程擬合程度良好。模型的修正系數(shù)R2Adj=95.49%，表明該模型較好地反映了各因素的關(guān)系。模型的一次項(xiàng) X1，X2，X3，X4；交互項(xiàng) X1X2，X1X4，的 P值均小于0.01，達(dá)極顯著水平，二次項(xiàng)X12的P值小于0.05，達(dá)顯著水平，交互項(xiàng)X1X3的P值大于0.05，不顯著。根據(jù)主因素F值的大小，得各因素對羊乳飲料感官評分影響的主次順序?yàn)椋焊晃湍柑砑恿浚╔2）＞小麥胚芽粉添加量（X1）=發(fā)酵溫度（X3）＞發(fā)酵時間（X4）。

2.2.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)上述回歸方程及回歸模型方差分析表繪出雙因子效應(yīng)分析圖，如圖5。兩因素之間的影響基本呈拋物線型關(guān)系，且均有一個極大值點(diǎn)，變化趨勢是先增大后減小。對二元多次回歸模型進(jìn)行分析并求解，得羊乳飲料的最佳制作工藝條件為：小麥胚芽粉添加量為10.73%，富硒酵母添加量為0.44‰，發(fā)酵溫度為42.09℃，發(fā)酵時間為7.95 h。此時，羊乳飲料的理論感官評價評分為86.21分

表3 響應(yīng)面分析方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表 4方差分析

圖5 各兩因素交互作用對羊乳飲料影響的響應(yīng)曲面

2.2.3 最優(yōu)工藝及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證模型的可靠性，采用優(yōu)化后的工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，同時考慮到實(shí)際操作的可行性，將工藝參數(shù)修正為：小麥胚芽粉添加量為11%、富硒酵母添加量為0.44‰、發(fā)酵溫度為42℃、發(fā)酵時間為8 h。在修正條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，制得羊乳飲料的感官評價得分為86.10分，與預(yù)測值86.21分基本吻合。此時，羊乳飲料呈現(xiàn)淡黃色，顏色均一，有濃郁羊奶香味和麥芽清香，組織狀態(tài)細(xì)膩，酸甜適宜。說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化羊乳飲料的生產(chǎn)工藝準(zhǔn)確可靠，對生產(chǎn)企業(yè)來說，具有很好的參考意義。

3 結(jié)論

以羊奶粉、小麥胚芽粉及富硒酵母作為原料制備富硒發(fā)酵羊乳飲料，并對其加工工藝及配方進(jìn)行研究。通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析，確定嗜酸乳桿菌：副干酪乳桿菌的添加比例為1∶1，小麥胚芽粉添加量為11%，富硒酵母添加量為0.44‰，42℃條件下發(fā)酵8 h，制備所得的富硒發(fā)酵羊乳飲料硒含量為145μg/kg，符合GB14880《食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定含乳飲料中硒的使用量為50～200μg/kg。每天飲用適量該發(fā)酵羊乳飲料，能夠有效提高人體免疫力，預(yù)防多種疾病。