Box-Behnken試驗設(shè)計優(yōu)化龍香芋醬穩(wěn)定性工藝

李志方，施帥，徐海祥

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

龍香芋是江蘇興化特有的芋頭品種，興化地處江蘇里下河地區(qū)，當?shù)氐耐寥栏缓?，特別適合龍香芋的生長。龍香芋中淀粉含量達12.04 g/100 g，特別是鮮味氨基酸含量與氨基酸總量之比達到44%[1]。以龍香芋為主要原料釀制成的新型調(diào)味醬，和黃豆醬及面醬相比味道更鮮。龍香芋醬是在龍香芋生醬中加入大豆油、芝麻油、炒熟黑芝麻、辣椒粉、白砂糖和食鹽等輔料熬制而成的一種調(diào)味醬，味道鮮美，深愛消費者喜愛。產(chǎn)品因含有較多的油脂，是一種固液不穩(wěn)定膠體體系，存貯一定時間后會由于油脂析出而產(chǎn)生固液分層的現(xiàn)象，影響感官品質(zhì)。乳化劑可顯著降低醬體的離心出油率，高雅文等[2]研究了單甘酯、卡拉膠、黃原膠、大豆磷脂、蔗糖酯、羧甲基纖維素等6種乳化劑對熟醬油脂析出率的影響，得出單甘酯、大豆磷脂和羧甲基纖維素鈉等添加劑對熟醬穩(wěn)定效果較好，其他對豆醬穩(wěn)定性的研究未見報導(dǎo)。畢海燕等[3]研究了蔗糖酯和單甘酯兩種乳化劑對芝麻醬穩(wěn)定性的影響，得出蔗糖酯與單甘酯復(fù)配后的乳化效果好于二者單獨使用的乳化效果，蔗糖酯∶單甘酯=2∶3的復(fù)合乳化劑的乳化效果最好。余權(quán)等[4]研究了乳化劑的復(fù)配比例和用量對花生乳穩(wěn)定性影響的研究，乳化劑主要在食品加工過程起乳化、分散和穩(wěn)定的作用，單硬脂酸甘油酯、大豆磷脂等乳化劑可以提高固液相的親和力[5-6]。磷脂、蔗糖酯和單甘酯等乳化劑可以提高固-液二相的親和力，防止小顆粒形成大顆粒而沉降[7-8]。本文通過比較，優(yōu)選了單硬脂酸甘油酯、改性大豆磷脂和磷脂等三種對油脂乳化性較好的乳化劑[9-10]，研究他們對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響，并通過Box-Behnken試驗設(shè)計[11-16]，得出復(fù)合乳化劑的最佳組合配方，以期為解決熟醬中油脂析出的問題，提高龍香芋醬的穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品貨架期提供生產(chǎn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

龍香芋：江蘇省興化市；滬釀3.042米曲霉（Aspergillus oryzae，活菌數(shù)≥2×1010CFU/g）、AS 3.350 黑曲霉（Aspergillus niger，活菌數(shù)≥2×1010CFU/g）：濟寧玉園生物科技有限公司；植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum，活菌數(shù)≥1010CFU/g）：山東嘉宏益科生物工程有限公司；大豆、大豆油、芝麻油、炒熟黑芝麻、白砂糖、辣椒粉、食鹽：市售；蒸餾單硬脂酸甘油酯（食品級）：佳力士添加劑（海安）有限公司；改性大豆磷脂（食品級）：河南萬邦實業(yè)有限公司；食品添加劑磷脂：常州市花之語食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Sorvall ST16臺式離心機：賽默飛世爾科技（中國）有限公司；ME-T分析天平、Tiger電子計價秤：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；LP-18E電陶爐：茂名市電白區(qū)天茵電器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程及操作要點

龍香芋生醬制作工藝流程：

熬醬工藝流程：鍋中加入大豆油、芝麻油→加熱至90℃左右→加入水、炒熟黑芝麻、白砂糖、辣椒粉、食鹽攪拌均勻→加入乳化劑溶解→加入龍香芋生醬→炒醬→裝瓶密封保存。

操作要點：稱取50 g大豆油與25 g芝麻油在鍋中加熱至90℃左右，放入水200 g、炒熟黑芝麻80 g、白砂糖25 g、辣椒粉30 g、食鹽20 g，充分攪拌均勻，加入乳化劑至完全溶解。稱取1 000 g龍香芋生醬加入鍋中邊加熱邊翻炒，至沸騰后再小火慢熬5 min，趁熱裝瓶密封保存，待15 d后測定。

1.3.2 離心出油率測定

準確稱取50 g（m1）龍香芋醬于離心管中，稱量并記錄離心管和醬的總質(zhì)量m2，將離心管置于離心機中，在3 000 r/min的條件下離心15 min，離心后水平線向下15°傾斜放置15 min，慢慢倒出離心析出的油脂，并用脫脂棉擦凈管壁上殘留的油脂，精確稱量離心管及沉淀物的質(zhì)量為m3，析出油脂的質(zhì)量為（m2-m3），離心出油率計算公式如下。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 乳化劑單因素試驗

1.4.1.1 單硬脂酸甘油酯對龍香芋醬穩(wěn)定性影響的單因素試驗

稱取龍香芋生醬1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分別加入 2、4、6、8、10 g 的單硬脂酸甘油酯，進行單因素試驗。

1.4.1.2 改性大豆磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性影響的單因素試驗

稱取龍香芋生醬1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分別加入 10、15、20、25、30 g的改性大豆磷脂進行單因素試驗。

1.4.1.3 磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性影響的單因素試驗

稱取龍香芋生醬1 000 g，大豆油50 g，芝麻油25 g，分別加入 10、12、14、16、18 g 的磷脂，進行單因素試驗。

1.4.2 乳化劑最佳配比響應(yīng)面分析法優(yōu)化

根據(jù)乳化劑制備原理，采用兩種或兩種以上的乳化劑制備的乳化體比單獨使用一種乳化劑制得的乳化體更為穩(wěn)定[17]。三種復(fù)合乳化劑的穩(wěn)定效果一般會優(yōu)于單一乳化劑，本文通過響應(yīng)面試驗研究如何在復(fù)合乳化劑中用最少的添加量獲得最好的效果。采用Box-Behnken試驗設(shè)計，以單硬脂酸甘油酯添加量（A）、改性大豆磷脂添加量（B）、磷脂添加量（C）3個影響因素為自變量，每個因素取3個水平，以-1.000、0.000、1.000編碼，以醬體的離心出油率（R）為響應(yīng)值，考察上述3種因素對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響，試驗因素水平及編碼設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平和編碼Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理及繪制圖表采用Microsoft Office Excel 2010和Design-Expert 12軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化劑單因素試驗

2.1.1 單硬脂酸甘油酯對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響

單硬脂酸甘油酯對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響如圖1所示。

圖1 單硬脂酸甘油酯對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of glyceryl monostearate on the stability of Longxiang taro paste

由圖1可知，隨著單硬脂酸甘油酯的添加量不斷增多，醬體的離心出油率逐漸減小，當添加量為8 g/kg和10 g/kg時，離心出油率分別為4.06%和3.90%，變化幅度很低。說明在一定添加范圍內(nèi)，單硬脂酸甘油酯隨著添加量的增加對龍香芋醬的乳化作用逐漸增大，當單硬脂酸甘油酯添加量大于8 g/kg時，乳化作用增加得不顯著。因此，選取1 kg龍香芋生醬添加4 g、6 g、8 g的單硬脂酸甘油酯進行響應(yīng)面試驗。

2.1.2 改性大豆磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響

改性大豆磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

圖2 改性大豆磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of modified soybean phospholipid on the stability of Longxiang taro paste

由圖2可知，隨著改性大豆磷脂的添加量增加，龍香芋醬體離心出油率逐漸減小，而后趨于平穩(wěn)。說明改性大豆磷脂隨著添加量的逐漸增加，在一定添加范圍內(nèi)對龍香芋醬的乳化作用逐漸增大，當改性大豆磷脂添加量大于25 g/kg時，乳化作用雖不太明顯還是稍有增加。因此，選取改性大豆磷脂添加量為15 g/kg、20 g/kg、25 g/kg進行響應(yīng)面試驗。

2.1.3 磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響

磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響如圖3所示。

圖3 磷脂對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of phospholipids on the stability of Longxiang taro paste

由圖3可知，隨著磷脂添加量不斷增加，醬體的離心后的出油率逐漸減小，再后趨于平穩(wěn)。說明磷脂在一定添加范圍內(nèi)，隨著添加量的增加對龍香芋醬的乳化作用逐漸增大，當磷脂添加量大于16 g/kg時，乳化作用趨于平緩，油與醬體分層程度很低。因此，選取磷脂添加量為12 g/kg、14 g/kg、16 g/kg進行響應(yīng)面試驗。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

依據(jù)響應(yīng)面試驗設(shè)計分別測定復(fù)合乳化劑在不同配比添加量下龍香芋醬的離心出油率，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Results and experimental design of Box-Benhnken

利用Design Expert 12軟件對所得數(shù)據(jù)進行回歸分析，回歸分析結(jié)果詳見表3。

表3 回歸模型及方差分析Table 3 Anova results of response surface quadratic model

用DesignExpert12軟件對所得數(shù)據(jù)進行分析整理得離心出油率（R）二次回歸方程為：R=1.77-0.507 5A-0.477 5B-0.532 5C+0.265 0AB+0.265 0AC+0.300 0BC+0.399 5A2+0.404 5B2+0.374 5C2，由表3可知，對醬體離心出油率回歸模型進行分析，該二次多項式回歸模型P<0.000 1，具有差異顯著性，說明不同處理間的差異存在顯著性；失擬項P=0.088 0>0.05，不顯著。模型的調(diào)整確定系數(shù) R2Adj=0.989 4，一次項 A、B、C，二次項AB、AC、BC、A2、B2、C2差異極顯著（P＜0.01）。表明該模型的擬合度良好，該模型能夠擬合真實的試驗結(jié)果，可以用該模型對龍香芋醬穩(wěn)定性進行分析與預(yù)測。

在更多的乳化劑的實際應(yīng)用中，使用復(fù)合乳化劑相比單獨乳化劑能更好的改善乳液的理化性質(zhì)和功能性質(zhì)[17-19]。復(fù)合乳化劑對醬體的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于任何單一乳化劑，這與3種乳化劑的性質(zhì)有關(guān)。從響應(yīng)面試驗結(jié)果來看，3種乳化劑復(fù)合使用的效果明顯好于其中任何一種乳化劑的單因素試驗，這是因為復(fù)合乳化劑的乳化作用是通過改變油滴之間的作用力及復(fù)合乳化劑競爭吸附來實現(xiàn)的，相較于單一乳化劑，復(fù)合的天然乳化劑具有更優(yōu)良的性能[20]。

2.2.2 各因素間交互作用的影響

為了直觀表示各因素對響應(yīng)值的影響，并反映出最佳優(yōu)化條件，作出響應(yīng)面圖，結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 單硬脂酸甘油酯和改性大豆磷脂的添加量的交互影響Fig.4 The interaction of monoglycerides of glyceryl monostearate and modified soybean phospholipid

單硬脂酸甘油酯添加量、改性大豆磷脂添加量和磷脂添加量對龍香芋醬穩(wěn)定性的影響不是簡單的線性關(guān)系，具有一定的交互作用。比較圖4～圖6可知，3個因素對離心出油率的影響均極顯著。由Design-Expert 12軟件分析得到：響應(yīng)面值最小時，對應(yīng)的最佳條件是單硬脂酸甘油酯添加量6.772 g/kg、改性大豆磷脂添加量21.470 g/kg、磷脂添加量14.912 g/kg，離心出油率為1.476%。

圖5 單硬脂酸甘油酯和磷脂的添加量的交互影響Fig.5 The interaction of monoglycerides of glyceryl monostearate and phospholipid

圖6 改性大豆磷脂和磷脂的添加量的交互影響Fig.6 The interaction of modified soybean phospholipid and phospholipid

2.3 驗證試驗

根據(jù)對試驗結(jié)果取整，選取單硬脂酸甘油酯添加量6.8 g/kg、改性大豆磷脂添加量21.5 g/kg、磷脂添加量14.9 g/kg做驗證試驗。稱取龍香芋醬1 000 g、大豆油50 g、芝麻油25 g，溶解最優(yōu)復(fù)合乳化劑（為方便操作，分別取單硬脂酸甘油酯6.8 g/kg、改性大豆磷脂21.5 g/kg、磷脂14.9 g/kg）及白砂糖、辣椒粉、食鹽等配料，與龍香芋醬1 000 g、大豆油50 g，芝麻油25 g做試驗，貯存15 d后測得醬體的平均離心出油率為1.51%，接近試驗理論值1.476%，因此以離心后油脂析出率為檢測指標，響應(yīng)面法優(yōu)化影響龍香芋醬穩(wěn)定性的這3種乳化劑的用量是可行的。

3 結(jié)論

經(jīng)研究表明，采用優(yōu)化后的復(fù)合乳化劑（單硬脂酸甘油酯6.8 g/kg、改性大豆磷脂21.5 g/kg、磷脂14.9 g/kg）制作的龍香芋醬，油脂析出量最低，此時龍香芋醬達到最佳狀態(tài)，有較好的光澤，醬香濃郁，油香撲鼻，組織狀態(tài)均勻，無明顯油脂析出。試驗結(jié)果表明復(fù)合乳化劑較好的解決了龍香芋醬中油脂析出的問題，提高了醬的貯藏穩(wěn)定性。