高蛋白酸奶復配穩(wěn)定劑的響應面法優(yōu)化

梁佳祺，張書文，馬春麗，石靜文，依勝男，郝莉雨，吳禹昊，王童，邵伯悅，亓藝潔，呂加平

（1.中國農業(yè)科學院農產品加工研究所，北京 100093；2.東北農業(yè)大學食品學院，哈爾濱 150030）

0 引言

酸奶是在乳中添加含有嗜熱鏈球菌和保加利亞桿菌的發(fā)酵劑發(fā)酵而成的產品[1]。當前消費者對酸奶的需求進一步升級[2]，市場上銷售的酸奶產品同質化嚴重。因此，開發(fā)營養(yǎng)健康美味的新型酸奶產品非常必要。

目前，酸奶加工的穩(wěn)定劑主要有果膠、瓊脂、明膠、變性淀粉等[3-4]，多以變性淀粉為主，含量高達0.8%～1.0%，口感糊口黏滯。明膠可提高產品的組織狀態(tài)及穩(wěn)定性[5]。但近幾年劣質明膠事件一直成為輿論的話題，消費者多有顧慮[6-7]。本研究選用乳蛋白濃縮物（MPC）為配料添加到牛乳中，可提高酸奶的蛋白質含量，同時獲得較好的口感及穩(wěn)定的產品。本研究在參考相關文獻[8-10]及前期單因素試驗其適宜用量的基礎上，通過響應面法優(yōu)化穩(wěn)定劑的復配方案，得到一種新型復配穩(wěn)定劑。

1 實驗

1.1 材料

純牛乳（超高溫滅菌乳），酸奶發(fā)酵劑（CHR HANSEN），白砂糖，MPC，穩(wěn)定劑：瓊脂，變性淀粉。

1.2 儀器與設備

BSA124S-CW型電子天平，DK-S24電熱恒溫水浴鍋，LHS-150/250HC-II恒溫恒濕箱，SRH 60-70型均質機，RW-20高速攪拌器。

2 方法

2.1 工藝流程

牛乳→配料→均質→殺菌→冷卻→接種→保溫發(fā)酵→冷卻→后熟→檢驗→成品

2.2 制備要點

（1）配料。牛奶預熱至60℃，按試驗設計加入白砂糖，MPC，穩(wěn)定劑，用高速攪拌裝置使其充分溶解。

（2）均質。采用高速剪切均質方法。

（3）殺菌、冷卻。經均質后的料液在95℃的條件下，保溫5 min殺菌，將殺菌后的料液迅速冷卻至42℃左右。

（4）接種。菌種（CHR HANSEN），接種量0.117 g/L，接種時應注意無菌操作，防止雜菌污染。接種后充分攪拌均勻，罐裝于高壓滅菌（121℃，15 min）后的玻璃瓶中進行發(fā)酵。

（5）發(fā)酵。接種后的料液攪拌均勻后，在恒溫恒濕箱中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度是42℃，培養(yǎng)時間約4 h～5 h。

（6）發(fā)酵終點的判定。酸奶發(fā)酵終點判定是酸奶制作的關鍵技術之一，直接影響酸奶的組織狀態(tài)和風味。酸奶終點確定過早，則酸奶組織過軟，風味差；過遲則酸度高，乳清析出過多。判斷方法：發(fā)酵一段時間，抽樣觀察其組織狀態(tài)并測定酸度。當組織狀態(tài)良好，有較穩(wěn)定均勻的凝固狀態(tài)，表面無乳清，滴定酸度達到80～95oT后終止發(fā)酵。

（7）冷卻、后熟。冷藏的溫度控制在4℃。冷卻可抑制后酸化過度，改善酸奶的硬度、促進香味物質的產生等。后熟時間約12～14 h。

2.3 產品感官評價標準

由10位感官正常人員經培訓后品嘗，分別從口感及組織狀態(tài)兩個方面對發(fā)酵乳樣品進行評定，滿分100分，平均值取整后作為結果。參考GB 19302-2010中發(fā)酵乳的評價標準[11]并進行適當修改[12]，具體感官項目權重的分布如表1所示。

表1 酸奶穩(wěn)定性感官評價標準

2.4 單因素實驗

選取對酸奶發(fā)酵有顯著影響的3個因素，即蛋白、瓊脂和變性淀粉的添加量。按表1的評價標準對酸奶進行感官評分。

2.5 響應曲面實驗設計

以單因素實驗結果為基礎，以蛋白質、變性淀粉和瓊脂的添加量為自變量，以感官評分為因變量，采用Box-Behnken軟件設計三因素三水平回歸組合實驗[8-10]，實驗設計如表2所示。

表2 酸奶配方響應面試驗因素水平%

2.6 數據處理

每個試驗平行重復3次，取平均值，采用Design Expert 8.0軟件進行數據分析[13]。

2.7 酸奶主要指標測定

（1）酸度測定采用NaOH滴定法測定[14－15]。

（2）黏度測定采用NDJ-1旋轉黏度計測定[16]。

（3）持水力測定采用離心法測定持水力[17-18]。

3 結果與分析

3.1 單因素實驗

3.1.1 蛋白添加量對酸奶的影響

加糖量6%，瓊脂添加量為0.4%，變性淀粉添加量0.3%，蛋白添加量分別為3%，6%，9%，12%，42℃培養(yǎng)4 h、20 min，經后熟后，感官評價結果如圖1所示。

圖1 蛋白添加量對酸奶的影響

由圖1可以看出，蛋白添加量為6%時，口感和質地最佳，再繼續(xù)添加蛋白時，酸奶的質地粗糙，口感差，因此確定蛋白的添加量為3%～9%為優(yōu)化時的考察范圍。

3.1.2 變性淀粉添加量對酸奶的影響

加糖量6%，瓊脂添加量為0.4%，蛋白添加量為6%，變性淀粉添加量分別為0%，0.3%，0.6%，0.9%；42℃培養(yǎng)4 h，20 min，經后熟后，感官評價結果如圖2所示。

圖2 變性淀粉添加量對酸奶的影響

由圖2可以看出，變性淀粉在添加量為0.3%時，酸奶的口感和質地最佳。因此確定變性淀粉的添加量為0%～0.6%為優(yōu)化時的考察范圍。

3.1.3 瓊脂添加量對酸奶的影響

加糖量6%，蛋白添加量為6%，變性淀粉添加量為0.3%，瓊脂添加量分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%；42℃培養(yǎng)4 h，20 min，經后熟后，感官評價結果如圖3所示。

圖3 瓊脂添加量對酸奶的影響

由圖3可以看出，瓊脂在添加量為0.4%時，酸奶的口感和質地最佳。因此確定瓊脂的添加量為0.2%～0.6%為優(yōu)化時的考察范圍。

3.2 Box-Bohnken實驗

根據表2的實驗因素水平設計，得到酸奶穩(wěn)定劑配方Box-Bohnken實驗結果，如表3所示。

表3 Box-Bohnken實驗方案及結果

各模型方差比較如表4所示。在擬合模型中，二次多項式模型的擬合效果要好于其他模型。由表4可以看出，實驗選用的模型極顯著（P＜0.0001），失擬項不顯著（P=0.0976＞0.05），說明模型是合適的；由回歸方程系數顯著性檢驗可知，P＜0.05說明模型顯著；P＜0.0001說明模型極顯著。模型的校正絕對系數R2=0.9915，R2Adj=0.9807，說明該模型擬合效果良好，試驗誤差小，可信度高，可以用來分析和預測酸奶穩(wěn)定劑的復配方案。

模型中的各影響因素的方差分析如表4所示。由表4可以看出，經酸奶穩(wěn)定劑配方響應面試驗后，其感官評分與各影響因素之間關系符合二次方程模型。在三個因素交互作用下，其中，交互作用對酸奶口感有顯著影響。從單個因素影響來看，三個因素對酸奶感官評分的影響順序是：蛋白添加量＞變性淀粉添加量＞瓊脂添加量。

表4 酸奶感官評分回歸模型方差分析

利用Design Expert8.0軟件對所得數據進行回歸分析，得感官評分與各因素之間的三元二次回歸的方程為

感官評分=59.09+10.53A+8.57B-0.33C-2.22AB-0.33AC-0.41BC-0.91A2+1.47B2+5.81C2。

圖4 Y=f(A,B)的響應面曲面

圖5 Y=f(A,C)的響應面曲面

圖6 Y=f(B,C)的響應面曲面

圖4—圖6為各響應面立體分析結果。由圖4—圖6及軟件分析可知，回歸方程存在穩(wěn)定點。通過嶺脊分析預測，當酸奶復配穩(wěn)定劑MPC的添加量為5.64%、變性淀粉的添加量為0%，瓊脂的添加量為0.6%時，響應值Y達到最大值，即酸奶綜合得分，為90.1。由于以上最佳條件沒有包括在響應面優(yōu)化的17組實驗中，需進一步進行實驗驗證。驗證實驗結果表明，酸奶的綜合得分89.4與預測值相差不大，說明該方程與實際情況擬合良好，充分驗證了所建模型的正確性，說明響應面法適用于酸奶發(fā)酵工藝進行回歸分析和參數優(yōu)化。

4 結論

通過Box-Bohnken試驗設計及回歸模型預測確定的酸奶穩(wěn)定劑最佳配方為蛋白添加量5.64%，變性淀粉添加量0%，瓊脂添加量0.6%，在此條件下測得的感官評分均值為89.4，與理論預測值90.1誤差較小，各因素對感官評分的影響排序為A蛋白添加量＞B變性淀粉添加量＞C瓊脂添加量。經最佳復配穩(wěn)定劑實驗方案制得的酸奶在冷卻后熟后能保持產品均勻一致，口感細膩爽滑，無結塊分層和乳清析出現象。并且此配方用MPC成功替代了變性淀粉，使產品具有較高的蛋白質含量，可以在滿足消費者對酸奶風味及口感的同時為消費者提供更高的營養(yǎng)價值。