響應面法結(jié)合模糊數(shù)學優(yōu)化南瓜籽酸奶發(fā)酵工藝

周 嬋， 吳 宏， 劉 婭， 代文婷

（1.石河子大學 食品學院，新疆 石河子832003；2.新疆農(nóng)墾科學院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆 石河子832003）

大量研究表明，南瓜籽不僅具有能夠降低膽固醇、血糖，緩解高血壓的功效，還能防治前列腺增生，是一種富有良好保健效果的食品，具有很高的開發(fā)利用價值[1-8]。

目前，市場上的南瓜籽產(chǎn)品主要為南瓜籽休閑食品、南瓜籽油等。酸奶風味獨特，營養(yǎng)豐富，受到廣大消費者的喜愛。師坤用南瓜籽與葵花籽復合研發(fā)出一種酸奶[9]。張秀鳳等將南瓜籽與山藥加入牛奶中，研發(fā)了風味獨特的酸奶[10]。將南瓜籽應用于酸奶加工中的研究較少，且研究仍然以牛、羊乳為主導，在產(chǎn)品中沒有突出南瓜籽的作用，研究方法仍然以單因素為主，研究方法過于單一。作者以南瓜籽為主要原料，將南瓜籽打漿后與牛奶復配進行混合發(fā)酵，利用模糊數(shù)學綜合評價法和響應面發(fā)優(yōu)化發(fā)酵工藝，不僅為籽用南瓜開發(fā)新產(chǎn)品，同時也為新的植物酸奶提供更多的產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

南瓜籽、巴氏殺菌乳、雙乙酰酒石酸單雙甘油酯（DATEM）、白砂糖：市售；酸奶菌：安琪食品公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設備

均質(zhì)機：溫州江南機械廠產(chǎn)品；DFD-700恒溫水浴鍋：浙江東方公司產(chǎn)品；SPX-150B智能型生化培養(yǎng)箱：上?，槴\公司產(chǎn)品。

1.3 工藝流程

無殼南瓜籽→打漿→過濾→牛奶復配→添加劑→均質(zhì)→灌裝→殺菌→冷卻→發(fā)酵劑→發(fā)酵→后熟→成品。

1.4 操作要點

無殼南瓜籽與純凈水按1 kg∶6 L配制，破壁機打漿4 min，過200目篩。將南瓜籽漿與牛奶混合加熱到60℃左右，一級壓力20 MPa，二級壓力5 MPa條件下均質(zhì)。復配好的液體裝入殺菌后的容器中，在65℃下水浴殺菌30 min，迅速冷卻至室溫。發(fā)酵結(jié)束后，立即放入4℃左右的冰箱冷藏后熟10 h。

1.5 單因素試驗

1.5.1 南瓜籽漿添加量在牛奶中分別加入體積分數(shù)為0、20%、40%、50%、60%、80%、100%的南瓜籽漿，殺菌冷卻后加入1 g/L的2菌酸奶菌，42℃發(fā)酵6.5 h，通過感官評價確定南瓜籽漿的最佳添加量，感官評分表見表2。

1.5.2 發(fā)酵劑品種在牛奶中加入體積分數(shù)為50%的南瓜籽漿，殺菌冷卻后分別加入1 g/L的2菌酸奶菌、8菌酸奶菌、10菌酸奶菌、12菌酸奶菌，42℃發(fā)酵6.5 h，通過感官評價確定最優(yōu)發(fā)酵劑品種，感官評分表見表2。

1.5.3 發(fā)酵劑添加量在牛奶中加入質(zhì)量分數(shù)為50%的南瓜籽漿，殺菌冷卻后分別加入1、2、3、4、5 g/L的12菌酸奶菌，42℃發(fā)酵，通過合理的發(fā)酵時間，確定發(fā)酵劑的最佳添加量。

1.5.4 蔗糖添加量在牛奶中加入質(zhì)量分數(shù)為50%的南瓜籽漿，分別加入質(zhì)量分數(shù)為0、3%、5%、7%、9%、11%的蔗糖，殺菌冷卻后加入5 g/L的酸奶菌，42℃發(fā)酵4 h，通過感官評價確定蔗糖的最佳添加量，感官評分見表2。

1.6 響應面分析試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，利用響應面法分析發(fā)酵工藝中各因素對感官評分的影響及各因素間的相互影響，進行參數(shù)優(yōu)化。選取對感官評分影響較大的3個因素：發(fā)酵劑數(shù)量、發(fā)酵時間和蔗糖。通過Design Expert 8.0軟件，對發(fā)酵工藝進行響應面分析。設計結(jié)果如表1所示。

表1 分析試驗因素與水平Table 1 Analysis test factors and levels

1.7 感官評定

感官評定小組由身體狀況良好、年齡跨度顯著的5男5女組成，以優(yōu)、良、差3個等級對每組樣品進行評分，感官評分見表2。

1.8 模糊數(shù)學模型的建立

根據(jù)感官評定員對個因素的評價標準，以色澤u1、口感u2、凝固性u33項指標建立評價因素集U={u1，u2，u3}；以10分為滿分，v17～10分為等級優(yōu)，v24～6分為等級良，v31～3分為等級差，建立評語集V={v1，v2，v3}[11]，具體的的感官評定細則見表2。根據(jù)感官評定小組的評定結(jié)果，用模糊數(shù)學模型進行分析。

表2 酸奶的感官評分表Table 2 Sensory score of yogurt

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊評價結(jié)果

2.1.1 確定質(zhì)量因素權(quán)重集用來表示權(quán)重k=（k1，k2，k3，…km），即各因素對結(jié)果影響程度在總體因素中所占比重，所有因素的權(quán)重總和為1[12]。由感官評定小組根據(jù)個人情感傾向評價色澤、口感、凝固性3項因素在南瓜籽酸奶感官評價中的重要性，按百分制打分，最后求出各項感官品質(zhì)權(quán)重平均值，結(jié)果見表3。

表3 評價南瓜籽酸奶質(zhì)量因素的權(quán)重分布統(tǒng)計Table 3 Weight distribution statistics of quality factors of pumpkin seed pulp yoghurt

3項 質(zhì) 量 因 素 權(quán) 重 集 合 為k=（k1，k2，k3）=（0.125，0.643，0.232），即影響南瓜籽漿酸奶感官品質(zhì)的質(zhì)量指標中口感最重要，其次是凝固性，而色澤影響程度較小。

2.1.2 模糊矩陣的建立及綜合評價結(jié)果 根據(jù)感官評定員對酸奶的色澤、口感、凝固性3個因素分別進行評分的結(jié)果，得到酸奶的感官評價模糊關(guān)系矩陣R。

其中：j=1，2，3…，t為樣品編號，每一行為各因素評價結(jié)果。

依據(jù)矩陣公式：Hj=k×Rj計算感官評分結(jié)果。

以第一組樣品R1為例，其感官評定結(jié)果見表4。

表4 樣品R1感官評價結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of R1

由上表得到對應的模糊關(guān)系矩陣：

該處理結(jié)果表明，由南瓜籽漿添加量為0，加入1 g/L的2菌酸奶菌，42℃發(fā)酵6.5 h，所制備的南瓜籽酸奶，有34%的成員認為其感官為優(yōu)，66%的成員認為其感官為良，無人認為其感官為差。同理可以得到其他樣品的綜合評價結(jié)果。

得到以上結(jié)果后，對評價標準賦值（v1=9，v2=6，v3=3），再與H1相乘，

同理得到其他樣品的感官評分。

2.2 單因素試驗

由圖1（a）可知，南瓜籽漿添加量越高，感官評分越低，口感越酸，添加量為質(zhì)量分數(shù)60%時開始出現(xiàn)乳清析出、分層等不良現(xiàn)象，添加量為100%時，析出大量液體，散發(fā)濃烈的異味，當南瓜籽漿添加量為0時，口感最好，綜合考慮到南瓜籽在此研究中為主要原料，在發(fā)酵良好的情況下，最終選取體積分數(shù)為50%的南瓜籽漿添加量。

由圖1（b）可知，12菌酸奶菌的感官評分最高，黏稠度最好，口感溫和?？诟兴岫入S著菌種數(shù)增加逐漸遞減，黏稠度也逐漸增加，其中2菌酸奶菌口感最酸，黏稠度較差。

發(fā)酵劑的添加量決定了酸奶發(fā)酵成型的時間，達到規(guī)定酸度即可（GB 19302—2010）。酸奶的發(fā)酵時間不宜過長，過長浪費時間成本；也不宜過短，過短酸奶還未成型，且其中的香氣物質(zhì)和部分營養(yǎng)物質(zhì)也會受到影響。由圖1（c）可知，最終選取5 g/L的添加量，發(fā)酵4 h。

由圖1（d）可知，隨著蔗糖質(zhì)量分數(shù)的提高，口感酸度逐漸降低，酸奶的感官評分也逐漸提高，在質(zhì)量分數(shù)為7%達到最大值。

圖1 單因素試驗結(jié)果Fig.1 Results of single factor experiments

2.3 響應面優(yōu)化工藝條件

試驗設計結(jié)果見表5。各因素經(jīng)系統(tǒng)進行回歸擬合后，得到如下二次多項回歸方程：

表5 Box-Behnken試驗設計方案及結(jié)果Table 5 Design and results of Box-Behnken experiments

從表6中可以看出該模型回歸顯著且失擬項不顯著（P＜0.01），R2=0.993 5，說明該模型能夠與實際試驗擬合，且擬合效果較好，上述回歸方程可以說明各影響因子與感官評分鍵的管關(guān)系，對酸奶發(fā)酵工藝進行預測。從各項的P值（A：0.023 1，B：0.151 7，C：0.036 8）可以說明各因子對酸奶品質(zhì)影響顯著；根據(jù)各項的F值（A：8.39，B：2.59，C：6.63）可以看出，在所選的各因素水平范圍內(nèi)，對酸奶質(zhì)量影響大小的順序為：蔗糖質(zhì)量分數(shù)＞發(fā)酵時間＞發(fā)酵劑品種。

表6 回歸模擬方差分析結(jié)果Table6 Analysisof variancefor thefitted regression model

根據(jù)圖2（a）中的弧面及等高線的變化程度，可以看出對酸奶質(zhì)量的影響蔗糖添加量大于發(fā)酵劑品種，且兩因素之間存在較強的相互作用。從圖2（b）可以看出，對酸奶質(zhì)量影響程度蔗糖添加量顯著大于發(fā)酵時間，且兩因素之間不存在明顯的相互作用，即其中一個因素對酸奶質(zhì)量的影響作用并不會隨著另一個因素的變化而變化。從圖2（c）可以看出，發(fā)酵時間對酸奶感官評分的影響高于發(fā)酵劑品種，且兩者存在較強的相互作用。

圖2 各因素交互作用的響應面圖Fig.2 Response surface plots for the effects of three process conditions on the extraction yield of polysaccharide

結(jié)合以上回歸模型分析結(jié)果可知，最佳工藝參數(shù)為：蔗糖添加量為質(zhì)量分數(shù)的9%，發(fā)酵劑品種為12菌酸奶菌，發(fā)酵時間為6 h，南瓜籽漿添加量為體積分數(shù)50%。

3 結(jié)語

根據(jù)以上試驗結(jié)果得到南瓜籽酸奶的最適發(fā)酵工藝：質(zhì)量分數(shù)為17%的南瓜籽漿與牛奶的體積比為1∶1，蔗糖添加量為質(zhì)量分數(shù)的9%，發(fā)酵劑為12種乳酸菌酸奶菌，菌種添加量為5 g/L，發(fā)酵時間為6 h。此時，酸奶的感官評分為8.27，顏色微綠，質(zhì)地絲滑，入口柔順，后味留有南瓜籽的香味，凝固性好。用南瓜籽和牛奶復合發(fā)酵的酸奶產(chǎn)品不僅擁有普通酸奶的保健功能，還增加了南瓜籽的抗氧化、提高免疫力等優(yōu)良特性。