響應(yīng)面法優(yōu)化胡蘿卜-發(fā)酵藍(lán)莓奶片的工藝研究

吳虹艷,孔令姝,趙家樂,譚思敏,李艾黎

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

藍(lán)莓(blueberry)又稱越橘,屬于娟花科(Ericaceae)越橘屬(Vaccinium.spp),多年生落葉或常綠灌木[1]。藍(lán)莓鮮果中含有多種人體必需的氨基酸、微量元素和生物活性物質(zhì),被世界衛(wèi)生組織認(rèn)為是抗氧化性最強(qiáng)的水果之一[2],尤其是果實(shí)中含有的鞣花酸、紫檀芪等成分,具有防治高血壓、疏通毛細(xì)血管等特殊功效,被譽(yù)為“漿果之王”[3-4]。

胡蘿卜(Daucuscarota),又名紅根、金筍,屬傘形科(Umbelliferae)草本植物[5],原產(chǎn)于歐洲及西亞,現(xiàn)廣泛分布于世界各地,其肉質(zhì)根供食用和藥用,素有“小人參”之稱[6]。其富含的β-胡蘿卜素具有解毒作用,在抗癌、預(yù)防心血管疾病及抗氧化方面有顯著的功效[7],被視為菜中上品。

藍(lán)莓中花青素含量豐富,具有較強(qiáng)的抗氧化能力。研究表明,在對(duì)藍(lán)莓汁進(jìn)行發(fā)酵處理后,由于多酚和多糖等因素的共同作用,總抗氧化能力進(jìn)一步得到提升[8-9]。據(jù)此,研究藍(lán)莓在發(fā)酵過程中總抗氧化能力的變化,并將藍(lán)莓發(fā)酵液的凍干粉應(yīng)用于產(chǎn)品加工工藝中具有一定的實(shí)際意義。近年來,隨著果蔬干燥脫水和凍干技術(shù)的研究不斷深入,果蔬粉壓制產(chǎn)品的品質(zhì)也不斷提高,如劉笑茹等[10]研究了藍(lán)莓枸杞咀嚼片的制備,張雁等[11]研究了胡蘿卜奶片的制備,但將藍(lán)莓與胡蘿卜結(jié)合以制備奶片的研究尚未見報(bào)道。本研究擬將奶粉、胡蘿卜粉和藍(lán)莓凍干粉結(jié)合,制備出胡蘿卜-發(fā)酵藍(lán)莓奶片。該奶片具有新鮮果蔬的色、香、味,為果蔬資源的利用提供了新途徑[12],且保有一定的抗氧化能力,具有很高的推廣價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

植物乳桿菌 山東中科嘉億生物工程有限公司;干酪乳桿菌 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;總抗氧化能力(T-AOC)測(cè)定試劑盒 齊一生物科技有限公司;藍(lán)莓 黑龍江藍(lán)寶貝食品有限公司;脫脂奶粉、胡蘿卜粉、麥芽糖醇、檸檬酸、硬質(zhì)酸鎂、麥芽糊精 廣州匯健生物科技有限公司。

BS-224S電子天平 德國Sartorius公司;無菌操作臺(tái) 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;LD-Y400A高速萬能粉碎機(jī) 上海頂帥電器有限公司;搖擺式顆粒機(jī) 山東青州精誠機(jī)械廠;MJ-BL25B26多功能榨汁機(jī) 美的集團(tuán)有限公司;V型混料器 上海宿嘉機(jī)械設(shè)備有限公司;TDP-5單沖壓片機(jī) 上海天祥制藥機(jī)械有限公司;DNP-9272型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司;FD5-3型冷凍干燥機(jī) 美國SIM公司;FCD-291XE冰柜 海爾集團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)酵藍(lán)莓凍干粉的制備 藍(lán)莓→清洗榨汁→調(diào)配殺菌→接種發(fā)酵→冷卻→預(yù)凍→真空冷凍干燥→凍干粉

1.2.3 操作要點(diǎn) 將藍(lán)莓清洗后榨汁,加入1.5倍體積的水混合,于80 ℃殺菌10 min。干酪乳桿菌與植物乳桿菌按1∶2的比例以5%的添加量接種于藍(lán)莓汁中,于35 ℃發(fā)酵25 h。藍(lán)莓發(fā)酵液于-55 ℃預(yù)凍7.5 h后,再進(jìn)行真空冷凍干燥32 h,獲取藍(lán)莓凍干粉。將藍(lán)莓凍干粉與胡蘿卜粉按1∶1的比例混合制成果蔬粉,再將奶粉與果蔬粉按2∶1的比例放入混料器內(nèi),攪拌10～15 min至完全均勻。緩慢加入70%乙醇溶液作為濕潤劑,加入量控制在5%以使軟材適合制粒。將制好的軟材于顆粒機(jī)中進(jìn)行造粒,以20目篩網(wǎng)粉碎整粒。向干燥顆粒中加入7.5%麥芽糖醇、0.3%檸檬酸和0.5%硬脂酸鎂,物料混合均勻后于壓片機(jī)中進(jìn)行壓片。壓力控制在58～65 MPa,最后經(jīng)滅菌處理后得到成品。

1.2.4 藍(lán)莓發(fā)酵條件的單因素實(shí)驗(yàn) 在確定發(fā)酵藍(lán)莓的最佳條件時(shí),測(cè)定條件為固定反應(yīng)條件為發(fā)酵溫度35 ℃、發(fā)酵時(shí)間25 h,考察不同菌種添加量(1%、2%、3%、4%、5%)對(duì)藍(lán)莓發(fā)酵液總抗氧化能力的影響;固定反應(yīng)條件為發(fā)酵溫度35 ℃、菌種添加量5%,考察不同發(fā)酵時(shí)間(10、15、20、25、30 h)對(duì)藍(lán)莓發(fā)酵液總抗氧化能力的影響;固定反應(yīng)條件為發(fā)酵時(shí)間25 h、菌種添加量5%,考察不同發(fā)酵溫度(25、30、35、40、45 ℃)對(duì)藍(lán)莓發(fā)酵液總抗氧化能力的影響。

1.2.5 藍(lán)莓發(fā)酵條件的正交試驗(yàn) 采用L9(33)正交試驗(yàn)對(duì)藍(lán)莓發(fā)酵條件進(jìn)行篩選,各因素的三個(gè)水平采用1、2、3進(jìn)行編碼,如表1。

表1 藍(lán)莓發(fā)酵正交因素水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for blueberry fermentation

1.2.6 藍(lán)莓發(fā)酵液總抗氧化能力的測(cè)定 進(jìn)行總抗氧化能力測(cè)定時(shí)設(shè)置測(cè)定管和對(duì)照管,按總抗氧化能力(T-AOC)測(cè)定試劑盒使用說明書上的方法測(cè)定其吸光值,總抗氧化能力的計(jì)算公式為:

式中:ODU為測(cè)定管吸光度值,ODC為對(duì)照管吸光度值,N為反應(yīng)體系稀釋倍數(shù)(反應(yīng)液總體積/取樣量),n為樣本測(cè)試前稀釋倍數(shù)。

1.2.7 奶片工藝配方的單因素實(shí)驗(yàn) 在確定奶片配方工藝時(shí),測(cè)定條件為固定反應(yīng)條件為麥芽糖醇添加量7%、檸檬酸添加量0.3%,考察奶粉與果蔬粉的不同比例(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1)對(duì)奶片感官評(píng)分的影響;固定反應(yīng)條件為麥芽糖醇添加量7%、奶粉∶果蔬粉=2∶1,考察不同檸檬酸添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)對(duì)奶片感官評(píng)分的影響;固定反應(yīng)條件為奶粉∶果蔬粉=2∶1、檬酸添加量0.3%,考察不同麥芽糖醇添加量(3%、5%、7%、9%、11%)對(duì)奶片感官評(píng)分的影響。

1.2.8 奶片工藝配方的Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,每個(gè)因素選取三個(gè)對(duì)奶片感官評(píng)分影響較大的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken中心組合試驗(yàn),以感官評(píng)分為響應(yīng)值,各因素的水平采用-1、0、1進(jìn)行編碼,如表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 2 Factors and levels of the Box-Behnken experiment design

1.2.9 感官評(píng)定 根據(jù)產(chǎn)品的風(fēng)味、外觀和口感,邀請(qǐng)十名有一定相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的品評(píng)員,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行感官評(píng)定,以所得平均分作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終得分,感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 奶片的感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory evaluation criteria of milk tablet

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次,取平均值。采用Origin 8.0軟件和Design Expert 10.0.7軟件進(jìn)行作圖分析和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍(lán)莓發(fā)酵條件的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 發(fā)酵溫度對(duì)總抗氧化能力的影響 由圖1可知,總抗氧化能力隨發(fā)酵溫度的增加呈先增大后降低的趨勢(shì),發(fā)酵溫度為35 ℃時(shí),總抗氧化能力達(dá)到最大值,之后隨發(fā)酵溫度的增加而迅速下降,這是由于高溫造成了花色苷的熱降解和多酚物質(zhì)的氧化,同時(shí)破壞了酶蛋白,導(dǎo)致酶失去活性,使其抗氧化能力降低[13-14]。因此，發(fā)酵溫度選擇為35 ℃。

圖1 發(fā)酵溫度對(duì)總抗氧化能力的影響

2.1.2 菌種添加量對(duì)總抗氧化能力的影響 由圖2可知,總抗氧化能力隨菌種添加量的增加呈現(xiàn)出先迅速增加后緩慢增加的趨勢(shì)。當(dāng)菌種添加量小于2%時(shí),總抗氧化能力增加明顯,菌種添加量為5%時(shí),總抗氧化能力達(dá)到最大值。研究表明,酚類物質(zhì)是果蔬中的主要抗氧化成分[15],隨著接種量的增大,發(fā)酵液中的酶類水解生成游離多酚,抗氧化作用增強(qiáng)。因此，菌種添加量選擇3%、4%、5%進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖2 菌種添加量對(duì)總抗氧化能力的影響

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)總抗氧化能力的影響 由圖3可知,總抗氧化能力隨發(fā)酵時(shí)間的增加呈先增大后降低的趨勢(shì),發(fā)酵時(shí)間為25 h時(shí),總抗氧化能力達(dá)到最大值,之后隨發(fā)酵時(shí)間的增加而迅速下降。在發(fā)酵過程中,可能會(huì)產(chǎn)生羰基化合物等風(fēng)味老化物質(zhì),使花青素發(fā)生氧化、聚合和沉淀等反應(yīng)[16-17],使總抗氧化能力發(fā)生變化。因此，發(fā)酵時(shí)間選擇15、20、25 h進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)總抗氧化能力的影響

2.2 藍(lán)莓發(fā)酵條件正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

從表4可以看出,影響藍(lán)莓發(fā)酵條件的主次因素是:發(fā)酵溫度>菌種添加量>發(fā)酵時(shí)間,藍(lán)莓發(fā)酵條件的最佳工藝為:菌種添加量5%,發(fā)酵溫度35 ℃,發(fā)酵時(shí)間25 h。此條件下,藍(lán)莓發(fā)酵液的總抗氧化能力為230.158 U/mL,保有較高的營養(yǎng)價(jià)值。

表4 藍(lán)莓發(fā)酵的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments for blueberry fermentation

2.3 奶片工藝配方的單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 奶粉∶果蔬粉對(duì)奶片的影響 由圖4可以看出,奶粉∶果蔬粉=2∶1時(shí),奶片的感官評(píng)分最高,具有天然的奶香味,并附有果蔬的清香;當(dāng)奶粉∶果蔬粉<2∶1時(shí),奶味不足;當(dāng)奶粉∶果蔬粉>2∶1時(shí),其奶香味過于濃厚,掩蓋了果蔬的清香,使感官評(píng)分呈下降趨勢(shì),將奶粉與果蔬粉比例為1∶1、2∶1、3∶1作為響應(yīng)面試驗(yàn)的水平。

圖4 奶粉與果蔬粉配比對(duì)奶片感官評(píng)分的影響

2.3.2 麥芽糖醇添加量對(duì)奶片的影響 由圖5可以看出,麥芽糖醇添加量為7%時(shí),奶片的感官評(píng)分最高,此時(shí)口感酸甜適宜,硬度適中;當(dāng)麥芽糖醇添加量低于7%時(shí),奶片味道偏于平淡;當(dāng)麥芽糖醇添加量高于7%時(shí),奶片口感過于甜膩,使感官評(píng)分呈下降趨勢(shì)。因此,將麥芽糖醇添加量5%、7%、9%作為響應(yīng)面試驗(yàn)的水平。

圖5 麥芽糖醇添加量對(duì)奶片感官評(píng)分的影響

2.3.3 檸檬酸添加量對(duì)奶片的影響 由圖6可以看出,檸檬酸添加量為0.3%時(shí),奶片酸甜爽口,風(fēng)味最好,感官評(píng)分最高;當(dāng)檸檬酸添加量<0.3%時(shí),添加量越少,奶片口感越偏于甜膩;當(dāng)檸檬酸添加量>0.3%時(shí),奶片酸度增加,并伴有苦澀味,口感變差。因此,將檸檬酸添加量0.2%、0.3%、0.4%作為響應(yīng)面試驗(yàn)的水平。

圖6 檸檬酸添加量對(duì)奶片感官評(píng)分的影響

2.4 BBD試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.4.1 BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,由Design-Expert 10.0.7 統(tǒng)計(jì)分析軟件設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,以感官評(píng)分為響應(yīng)值,以奶粉∶果蔬粉(A)、麥芽糖醇添加量(B)、檸檬酸添加量(C)為自變量,建立三因素三水平中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)共包括17組試驗(yàn)方案。

表5 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Box-Behnken experimental design and results

2.4.2 回歸方程擬合及方差分析 采用Design-Expert 10.0.7 系統(tǒng)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,回歸分析結(jié)果見表6,對(duì)各因素回歸擬合后,得到回歸方程:

表6 回歸模型及方差分析Table 6 Analysis of variance of regression equation

Y=36.35000+14.17500A+5.88750B+148.25000C-5.21465E-015AB+7.50000AC-1.25000BC-3.95000A2-0.36250B2-270.00000C2

由表6知,影響感官評(píng)分因素按主次順序排列為:麥芽糖醇添加量(B)>檸檬酸添加量(C)>奶粉∶果蔬粉(A)。同時(shí)可知,AC的p值<0.05,奶粉∶果蔬粉與檸檬酸添加量對(duì)產(chǎn)品的影響存在交互作用,并對(duì)產(chǎn)品的影響顯著。由設(shè)計(jì)試驗(yàn)所得的響應(yīng)面曲面圖如圖7～圖9所示。

圖7 奶粉與果蔬粉比例和麥芽糖醇添加量對(duì)感官評(píng)分交互作用影響的響應(yīng)面和等高線圖

2.4.3 響應(yīng)面圖分析 為進(jìn)一步研究各因素交互作用,利用Design-Expert 10.0.7 統(tǒng)計(jì)軟件繪制響應(yīng)面和等高線分析圖,從圖7～圖9中可以較明顯地分析出多個(gè)自變量對(duì)響應(yīng)值的影響以及響應(yīng)值對(duì)不同自變量變化的敏感程度[18]。由圖7可知,奶粉∶果蔬粉(A)和麥芽糖醇添加量(B)的交互作用不顯著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官評(píng)分受麥芽糖醇添加量影響較大。由圖8可知,奶粉∶果蔬粉(A)和檸檬酸添加量(C)的交互作用顯著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官評(píng)分受檸檬酸添加量影響較大。由圖9可知,麥芽糖醇添加量(B)和檸檬酸添加量(C)的交互作用不顯著,相比于麥芽糖醇添加量,感官評(píng)分受檸檬酸添加量影響較大。

圖8 奶粉與果蔬粉比例和檸檬酸添加量對(duì)感官評(píng)分交互作用影響的響應(yīng)面和等高線圖

2.4.4 驗(yàn)證試驗(yàn) 利用Design Expert 10.0.7軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析,得到奶片的最佳制備條件為奶粉∶果蔬粉=2.07,麥芽糖醇添加量為7.63%,檸檬酸添加量為0.29%,預(yù)測(cè)感官評(píng)分為94.612,為了驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性,在方便操作的基礎(chǔ)上,調(diào)整工藝驗(yàn)證參數(shù)為奶粉∶果蔬粉=2∶1,麥芽糖醇添加量為7.5%,檸檬酸添加量為0.3%,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)際測(cè)得的感官評(píng)分為95分,與預(yù)測(cè)值接近,說明回歸方程可以反映各因素對(duì)奶片制作工藝的影響,具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

通過藍(lán)莓發(fā)酵條件正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可知,藍(lán)莓發(fā)酵條件的最佳工藝為菌種添加量5%、發(fā)酵溫度35 ℃、發(fā)酵時(shí)間25 h。此條件下,藍(lán)莓發(fā)酵液的總抗氧化能力為230.158 U/mL,總抗氧化能力較藍(lán)莓發(fā)酵前提高了33.18%,保有較高的營養(yǎng)價(jià)值。用響應(yīng)面法對(duì)奶片的工藝配方進(jìn)行優(yōu)化,建立了感官評(píng)分的回歸模型,由該模型優(yōu)化的奶片加工工藝配方為奶粉∶果蔬粉=2∶1、麥芽糖醇添加量為7.5%、檸檬酸添加量為0.3%。此條件下,奶片的感官評(píng)分為95分,與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相近,驗(yàn)證了該模型的可靠性。在該工藝條件下制備胡蘿卜-發(fā)酵藍(lán)莓奶片酸甜適中,奶香醇厚,為奶片市場(chǎng)的進(jìn)一步開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。