黑芝麻螺旋藻復(fù)合營養(yǎng)乳飲料成型工藝優(yōu)化

曾佩琴，劉靈杰，龍肇謀，韋艷萍，陀海燕，譚梔恩，羅春花，莫麗萍，劉雅婷，覃柳馨，陳衛(wèi)衛(wèi)，3，*，傅鵬，*，王志升

（1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)，廣西南寧530001；2.三亞學(xué)院，海南三亞572000；3.南京本末生物科技有限公司，江蘇南京210000；4.南方黑芝麻集團(tuán)股份有限公司，廣西南寧530001）

植物蛋白飲料（vegeable protein drinks）是指采用富含蛋白質(zhì)的植物種子或植物組織，經(jīng)過加工得到的混合的、單純的飲品，其屬于植物營養(yǎng)補(bǔ)充飲料的一種。植物營養(yǎng)補(bǔ)充飲料憑借其營養(yǎng)均衡和養(yǎng)生文化理念在現(xiàn)代社會深受大眾喜愛。目前的飲料消費(fèi)趨勢顯示[1-2]，消費(fèi)率較高的飲品之一的是能提供某些補(bǔ)充功能的復(fù)配型植物營養(yǎng)飲料，其中蛋白類營養(yǎng)飲品占的比例最高，植物蛋白類飲料的開發(fā)具有很高潛力。市場上現(xiàn)銷售的植物蛋白類營養(yǎng)飲料的品牌較多，但是產(chǎn)品種類相似，以黑芝麻為主螺旋藻為輔開發(fā)的蛋白飲料在市場上較為少見。在食品領(lǐng)域，螺旋藻因其具有較高的優(yōu)質(zhì)蛋白含量很早就被開發(fā)使用，營養(yǎng)較豐富，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%～70%；同時(shí)具有減輕癌癥化療、放療的毒副作用反應(yīng)，提高免疫力、降血脂等功效。黑芝麻有較成熟的食品加工開發(fā)歷史，具有健胃、保肝、促進(jìn)紅細(xì)胞生長，同時(shí)還有增加人體黑色素有利于頭發(fā)生長的功效[3-4]，現(xiàn)在仍然是副食代餐的熱點(diǎn)，但產(chǎn)品形式單一，無法滿足市場的多元化需求，因此以黑芝麻和螺旋藻相結(jié)合的植物蛋白飲料的研究具有較高的價(jià)值。

本試驗(yàn)以黑芝麻和螺旋藻為原料，輔以食品乳化穩(wěn)定劑促進(jìn)穩(wěn)定[5-8]，與其它材料按工藝方法制備復(fù)合營養(yǎng)乳飲料，關(guān)鍵點(diǎn)在于對螺旋藻的多次脫腥，并掩蓋螺旋藻的不良?xì)馕?，并采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法，優(yōu)選最佳制備工藝，以感官評分和沉淀率總評“歸一值”作為評價(jià)指標(biāo)。星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)特點(diǎn)就在于考察范圍連續(xù)性更強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)，更能接近真實(shí)值。

1 材料與方法

1.1 儀器

FLJ-010型高速攪拌機(jī)：廣東中山市海盤電器有限公司；HWS-28型電熱恒溫水浴鍋：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；KQ3200B超聲儀：江蘇昆山市超聲儀器有限公司；LD2X-75KBS型立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；FA25立式乳勻機(jī)：上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；DFY-100型高速粉碎機(jī)：浙江溫嶺市林大機(jī)械有限公司；GZX-9420-MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；WF-18型連續(xù)式超微粉碎機(jī)：浙江溫州頂歷醫(yī)療器械有限公司。

1.2 材料與試劑

黑芝麻：南方黑芝麻公司，批號20170301；螺旋藻粉：寧波市鎮(zhèn)海區(qū)明特藍(lán)藻有限公司，批號2015427；白砂糖：市售，批號20180101；羧甲基纖維素鈉：食品級，重慶市力宏精細(xì)化工有限公司，批號20160511；β-環(huán)糊精：食品級，郁南縣永光環(huán)糊精有限公司，批號20160102；高活性酵母：山東圣琪生物有限公司，批號SK0155；一水葡萄糖：食品級，吉林嘉吉生化有限公司，批號6900771000275。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 飲料的制備

高速粉碎黑芝麻混合螺旋藻粉，置于65℃烘箱烘4 h，不黏托盤時(shí)取出，超微粉碎后置于65℃烘箱烘4 h。取適量黑芝麻螺旋藻粉，加水調(diào)配成15%的漿液備用，使用時(shí)再稀釋成需要的濃度。取適量黑芝麻螺旋藻混合漿，加水調(diào)配至需要的體積濃度，用超聲儀超聲破壁10 min，使螺旋藻中的腥味物質(zhì)逸出，加入0.4%的酵母、4%的一水葡萄糖之后移入28℃的恒溫水浴鍋中培養(yǎng)脫腥1.5 h[9-12]?；旌蠞{脫腥后加入β-環(huán)糊精、白砂糖掩蓋不良?xì)馕叮咚贁嚢铏C(jī)攪打后用4層細(xì)紗布過濾，濾液加入蔗糖脂肪酸酯、蒸餾單硬脂酸甘油酯、黃原膠、海藻酸丙二醇酯、羧甲基纖維素鈉，再次攪打使輔料充分混勻溶解，混合液均質(zhì)5 min。乳飲料調(diào)配均質(zhì)后灌裝經(jīng)121℃滅菌的玻璃瓶中，封口，于105℃滅菌鍋中滅菌30 min，待鍋內(nèi)氣壓完全降下后取出冷卻，進(jìn)行感官評分以及沉淀率的測定。

因使用單一乳化穩(wěn)定劑的成型效果不理想，考慮使用兩種或兩種以上的乳化劑，復(fù)配加以增稠劑的混合乳化穩(wěn)定劑，比單一乳化劑、增稠劑具有更好的乳化效果和更佳的乳化穩(wěn)定性[13-19]。以此進(jìn)行工藝配比篩選試驗(yàn)，得出最佳工藝條件。

1.3.2 評價(jià)指標(biāo)

1.3.2.1 沉淀率測定

稱取搖勻的一定量（m）的樣品，用臺式離心機(jī)在4 000 r/min離心15 min，棄去上層清液，稱得沉淀的質(zhì)量（m1），沉淀率/%=m1/m × 100。

1.3.2.2 感官評價(jià)

感官評價(jià)指標(biāo)及評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 感官評價(jià)指標(biāo)及評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation indexes and scoring criteria

1.3.3 單因素試驗(yàn)

1.3.3.1 原料配比

黑芝麻與螺旋藻的配比比例擬用50∶1、50∶2.5、50 ∶5、50 ∶10、50 ∶20（質(zhì)量比），根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定原料配比的最佳范圍。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 原料配比感官評價(jià)及沉淀率Table 2 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material proportion

由表2可以看出，從50∶1比例開始，隨著原料配比用量增加，沉淀率先下降后上升。

1.3.3.2 原料用量

原料稀釋用量濃度為1%、2%、3%、4%、5%，根據(jù)單因素試驗(yàn)確定最佳使用濃度。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3結(jié)果可以看出，隨著原料濃度的增加，成品沉淀率亦隨之上升；沉淀率與感官評價(jià)分不成正比，原料用量1%～5%進(jìn)而保留，使用星點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步對比試驗(yàn)。

表3 原料用量感官評價(jià)及沉淀率Table 3 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material consumption

1.3.3.3 白糖用量

白糖添加量為2%、3%、4%、5%、6%，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定蔗糖的使用范圍。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 白糖使用量感官評價(jià)及沉淀率Table 4 Sensory evaluation and precipitation rate of amount of white sugar

由表4可以看出，4%的使用量感官評價(jià)最高，但沉淀率偏高，5%、6%的使用量感官評分相等，沉淀率相差不大。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，根據(jù)星點(diǎn)方法設(shè)計(jì)原理，選取黑芝麻與螺旋藻配比范圍X1（2.5∶1～50∶1）（質(zhì)量比）、原料用量范圍X2（1%～5%）、白糖用量范圍X3（2%～6%）為考察因素。以感官評價(jià)和沉淀率為評價(jià)指標(biāo)，采用Design Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件，每個(gè)指標(biāo)均標(biāo)準(zhǔn)化的用Hansan分別轉(zhuǎn)化為0～1的總評“歸一值（overall desirability，OD）”，按OD=（d1×d2…dk）1/k（k為指標(biāo)數(shù)）計(jì)算，按星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法三因素五水平表進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平編碼見表5，試驗(yàn)安排及結(jié)果見表6。

2.2 模擬擬合

將所得數(shù)據(jù)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行效應(yīng)面試驗(yàn)分析，以各考察指標(biāo)的總評OD值為效應(yīng)值，對各因素進(jìn)行多元線性回歸和二次項(xiàng)擬合，多元線性回歸擬合方程為Y=-0.029 384+8.609 98×10-3X1-4.89860×10-3X2+0.055 571X3（r＝0.277 4，P＞0.05），二次項(xiàng)擬合方程為Y=-1.604 68+0.062 098X1-0.293 01X2+0.695 19X3-8.699 55×10-3X1X2-6.478 54×10-3X1X3-3.558 95×10-3X2X3-2.809 58×10-3X12+0.088 452X22-0.057 360X32（r＝0.933 8，P＜0.01）。從擬合方程的相關(guān)系數(shù)可知，由于多元線性回歸方程的r較低，自變量與因變量之間線性相關(guān)性較差，回歸擬合度不佳，預(yù)測性較差，因此不適宜選用多元線性方程進(jìn)行擬合；二次項(xiàng)擬合方程r較高，擬合效果較好，所以選用二項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合。

表5 黑芝麻螺旋藻復(fù)合營養(yǎng)乳飲料配方工藝星點(diǎn)試驗(yàn)因素水平Table 5 Factors influencing the formulation of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

表6 黑芝麻螺旋藻復(fù)合營養(yǎng)乳飲料配方工藝星點(diǎn)試驗(yàn)及結(jié)果Table 6 Central composite design and effect surface methodology of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

2.3 方差分析

方差分析結(jié)果見表7。

由表7可知，二項(xiàng)式回歸方程失擬檢驗(yàn)不顯著，說明未知因素對試驗(yàn)結(jié)果干擾很小，模型擬合檢驗(yàn)高度顯著，說明該方程與實(shí)際情況擬合很好，較好地反映了考察指標(biāo)總評OD值與黑芝麻與螺旋藻配比、原料用量、白糖用量的關(guān)系。原料配比與交叉項(xiàng)X1X2、X1X3、二次項(xiàng)X22、X32對總評OD值的影響極顯著，白糖用量影響顯著。

表7 回歸模型方差分析結(jié)果Table 7 Regression model analysis of variance

2.4 效應(yīng)面優(yōu)化和預(yù)測

根據(jù)Design-Expert 8.0.6，繪制總評OD值與各自變量間的效應(yīng)曲面圖（見圖1、圖2、圖3），通過這些可以直觀反映各因素交互作用對響應(yīng)值的影響，從圖中直觀的看出，3個(gè)曲面都處于上升狀態(tài)，不存在最大值。各用量響應(yīng)面曲線走勢越陡，切線斜率變化越快，說明該因素對工藝影響率越大，從圖中直觀看出，影響率大小為：黑芝麻與螺旋藻配比＞白糖用量＞原料用量。當(dāng)黑芝麻與螺旋藻配比在2.5∶1～50∶1（質(zhì)量比）、原料用量在1%～5%、白糖用量在2%～6%，根據(jù)上述二次項(xiàng)回歸方程，得出優(yōu)化條件：黑芝麻與螺旋藻配比為50∶1.24（質(zhì)量比），原料用量為1.81%，白糖用量為3.73%；可預(yù)測出總評OD值為0.705?？紤]大生產(chǎn)實(shí)際，為保證簡便可行，確定黑芝麻螺旋藻復(fù)合營養(yǎng)乳飲料成型工藝為黑芝麻與螺旋藻配比為50∶1.2（質(zhì)量比），原料用量為1.8%，白糖用量為3.7%。

圖1 原料配比和原料用量對總評歸一值影響的效應(yīng)面圖Fig.1 Effect surface ratio of raw material ratio and raw material consumption on total evaluation normalization value

圖2 原料配比和白糖用量對總評歸一值影響的效應(yīng)面圖Fig.2 Effect surface ratio of raw material ratio and sugar content on total evaluation normalization value

圖3 原料用量和白糖用量對總評歸一值影響的效應(yīng)面圖Fig.3 The response surface diagram of the influence of raw material consumption and sugar content on the general evaluation normalization value

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法優(yōu)選出的最佳工藝條件，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果見表8。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Verification test results

采用上述優(yōu)化配比方案與上述試驗(yàn)相同的其他條件，實(shí)際測得OD值為0.775，與理論預(yù)測值0.705的偏差率為-9.93%。結(jié)果表明，所建立的數(shù)學(xué)模型具有較好的預(yù)測性，所選的工藝條件重現(xiàn)性較好。

3 結(jié)果與討論

在工藝中螺旋藻[20]超微粉的添加量對成品香氣、余味有一定影響，添加量越多，越難去除藻腥味，形成微苦的澀味，可以考慮添加香精之類的添加劑[21]，掩蓋不良?xì)馕缎纬善渌L(fēng)味，但是考慮到成品的適用性，實(shí)際是否需要添加視工藝兼容性決定。

黑芝麻添加量在本工藝中不變，但是黑芝麻與螺旋藻混合粉比例不同及原料用量不同對成品色澤與香氣亦有影響，原料比例中螺旋藻越少，芝麻香氣在入口時(shí)越容易察覺。乳化穩(wěn)定劑[22-23]可以使成品呈均勻穩(wěn)定的狀態(tài)，但是穩(wěn)定劑發(fā)揮效果除去本身固有效果外，還與配制時(shí)的操作有關(guān)，經(jīng)過試驗(yàn)，本工藝所使用的所有乳化穩(wěn)定劑在純水中的自溶性均不好。因此，在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)加入乳化穩(wěn)定劑后使用高速攪拌機(jī)攪打，促進(jìn)溶化，羧甲基纖維素鈉（carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na）在冷水中溶化時(shí)間較長，加入冷水后置于水浴鍋上加熱可促進(jìn)溶解。

以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)化飲料的制備工藝。根據(jù)星點(diǎn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，黑芝麻與螺旋藻配比的最佳用量為50∶1.2（質(zhì)量比），原料用量為1.8%，白糖用量為3.7%；星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面優(yōu)化法對黑芝麻螺旋藻復(fù)合營養(yǎng)乳飲料工藝研究的試驗(yàn)指標(biāo)具有較好的優(yōu)選性和預(yù)測性。