響應(yīng)面法優(yōu)化黃精發(fā)酵乳飲料工藝研究

◎ 戴 欣，唐 琪，方 偉，秦 丹

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.懷化學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，湖南 懷化 418000；3.山地生態(tài)食品精深加工湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418008）

黃精，屬于百合科黃精屬植物，《本草綱目》中對(duì)于黃精有“補(bǔ)諸虛，填精髓”的記載[1]。研究表明，黃精根莖多糖、果糖和低聚果糖等含量約占50%，黃精多糖是黃精中的主要成分[2]。黃精含有的非淀粉多糖、低聚果糖與抗性淀粉具有降低餐后血糖的作用[3-4]。近年來(lái)在國(guó)家“健康中國(guó)2030”戰(zhàn)略大背景下，黃精人工種植逐漸形成規(guī)模但產(chǎn)品加工檔次低、規(guī)模小，產(chǎn)品附加值低，精深加工及綜合利用研發(fā)不足，不能滿足消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的需求[5-6]。本研究以黃精和牛奶為主要原料，探究黃精產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的新方向，為黃精產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮黃精采挖自湖南懷化新晃清源藥業(yè)種植基地，經(jīng)懷化學(xué)院伍賢進(jìn)教授鑒定為多花黃精塊根；純牛奶，湖南新希望南山液態(tài)乳液有限公司；木糖醇，山東福田藥業(yè)有限公司；蔗糖，市售；乳酸菌菌粉，北京川秀科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

LHS-250SC恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海益恒實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；AL204電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-1D無(wú)菌操作臺(tái)，蘇州凈化設(shè)備有限公司；XMTD-7000電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原材料預(yù)處理

稱取制黃精100 g于燒杯中，加入600 mL水浸泡30 min，將濾液和黃精浸泡液倒入電熱壺中，煮沸后慢火保持微沸30 min，過(guò)濾得到濾液和濾渣，將濾液放置在1 000 mL的燒杯中，濾渣再置于電熱壺中，加入400 mL水按上述方法煎煮，過(guò)濾。將所得濾液倒入1 000 mL燒杯中，濾渣置于電熱壺中，再加入300 mL水按上述方法煎煮，過(guò)濾，收集3次所得藥液，將濾液慢火熬煮至黏稠狀態(tài)進(jìn)行濃縮（生藥含量1.36 g·mL-1），密封 4 ℃冷藏保存。

準(zhǔn)確稱量黃精膏和牛奶，于38 ℃水浴鍋中混勻，過(guò)濾，收集濾液得黃精牛奶混合物。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的黃精添加量為母液，配制好后置于錐形瓶中，4 ℃冷藏備用。

1.3.2 工藝流程及感官評(píng)價(jià)

黃精發(fā)酵乳飲料的工藝流程為黃精膏→純牛奶→加熱（70～90 ℃）→木糖醇→蔗糖→冷卻（40～50 ℃）→接種→培養(yǎng)發(fā)酵、冷卻→后熟。

感官評(píng)價(jià)：請(qǐng)食品專業(yè)10人進(jìn)行品嘗，從表1所給參考標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)方面進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)總分為100分。

表1 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

以感官評(píng)分為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在同等條件下以木糖醇添加量（6%、7%、8%、9%和10%）、黃精添加量（0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）、蔗糖添加量（4%、6%、8%、10%和12%）為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素篩選結(jié)果，以黃精添加量、木糖醇添加量、蔗糖添加量這3個(gè)因素作為自變量，以感官評(píng)分為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析。單因素實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 木糖醇添加量

按照1.3.2步驟進(jìn)行操作，每份菌粉添加量為2%，黃精添加量為1%，蔗糖添加量為8%，木糖醇的添加量每份分別為6%、7%、8%、9%和10%。測(cè)定不同木糖醇添加量對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評(píng)分見(jiàn)表2。

表2 黃精發(fā)酵乳飲料木糖醇添加量單因素實(shí)驗(yàn)表

由表2可知，當(dāng)木糖醇添加量小于8%時(shí)，發(fā)酵乳飲料的感官得分隨著添加量的增加而升高；當(dāng)木糖醇添加量大于8%時(shí)，發(fā)酵乳飲料感官得分開(kāi)始逐漸降低。其主要原因?yàn)槟咎谴嫉奶砑恿繉?duì)發(fā)酵乳飲料的甜度具有很大的影響，適量添加木糖醇可以賦予發(fā)酵乳飲料適宜的甜度；若木糖醇過(guò)量添加，發(fā)酵乳飲料不僅甜度過(guò)大，還會(huì)掩蓋黃精的風(fēng)味。因此，木糖醇的最佳添加量為8%左右，暫定7%、9%為后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的最低、最高水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.1.2 黃精添加量

按照1.3.2步驟進(jìn)行操作，菌粉添加量為2%，木糖醇添加量為8%，蔗糖添加量為8%，黃精的添加量每份分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。測(cè)定不同的黃精添加量對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評(píng)分見(jiàn)表3。

表3 黃精發(fā)酵乳飲料黃精添加量單因素實(shí)驗(yàn)表

由表3可知，當(dāng)黃精的添加量小于1.0%時(shí)，發(fā)酵乳飲料的感官得分隨著黃精的增加而升高，當(dāng)黃精的添加量大于1.0%時(shí)，感官得分開(kāi)始逐漸降低。其主要原因?yàn)辄S精的添加量對(duì)發(fā)酵乳飲料的感官色澤和香味具有很大的影響，適量的黃精可以賦予發(fā)酵乳飲料適當(dāng)?shù)狞S精味；若黃精過(guò)量添加，發(fā)酵乳飲料色澤和香味會(huì)增加，從而掩蓋發(fā)酵乳飲料特有香味，色澤過(guò)深引起感官不適。因此黃精的最佳添加量為1.0%左右，暫定0.5%、1.5%為后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的最低、最高水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.1.3 蔗糖添加量

按照1.3.2步驟進(jìn)行操作，菌粉添加量為2%，木糖醇添加量為8%，黃精添加量為1%，蔗糖的添加量分別為4%、6%、8%、10%和12%?？疾觳煌狞S精添加量對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評(píng)分見(jiàn)表4。

表4 黃精發(fā)酵乳飲料蔗糖添加量單因素實(shí)驗(yàn)表

由表4可知，當(dāng)蔗糖添加量小于6%時(shí)，發(fā)酵乳飲料的感官得分隨著蔗糖的增加而升高，當(dāng)蔗糖的添加量大于6%時(shí)，感官得分開(kāi)始逐漸降低。其主要原因是因?yàn)檎崽堑奶砑恿繉?duì)發(fā)酵乳飲料甜度具有很大影響，適當(dāng)?shù)恼崽强梢再x予發(fā)酵乳飲料適當(dāng)?shù)奶鸲?；若蔗糖過(guò)量添加，發(fā)酵乳飲料的色澤會(huì)發(fā)生變化，且口感因過(guò)甜而掩蓋黃精口感，在蔗糖濃度為12%時(shí)，發(fā)酵乳飲料有明顯分層，乳清析出較多，猜想原因是因?yàn)檎崽菨舛葹?2%時(shí)，乳酸菌的生長(zhǎng)受到了抑制。因此蔗糖的最佳添加量為6%左右，暫定4%、8%為后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的最低、最高水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Design-Expert 8.0.6軟件中，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平表格，見(jiàn)表5。響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平表

表6 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果表

2.2.2 方差分析及數(shù)據(jù)處理

回歸模型方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，擬合黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)分關(guān)于木糖醇的添加量（A）、黃精的添加量（B）和蔗糖的添加量（C）得到二次多項(xiàng)回歸模型為感官評(píng)分=86.31+0.57A+0.14B+0.41C-0.97AB-0.035AC+0.50BC-2.83A2-2.71B2-3.36C2，R2=0.987 8，p＜ 0.000 1。R2為0.987 8＞0.9，p＜0.000 1，表明模型極顯著，因此黃精發(fā)酵乳飲料各因素對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料品質(zhì)的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，木糖醇的添加量、黃精的添加量和蔗糖的添加量這3個(gè)因素之間存在顯著交互作用。失擬項(xiàng)值為0.361 1，大于0.05，表示該模型失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明其他因素對(duì)該模型干擾程度低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸模型擬合度好、誤差小。相關(guān)系數(shù)R2=0.987 8＞0.9，表明實(shí)驗(yàn)值和理論值具有相關(guān)性，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)誤差小，可以用此模型來(lái)分析。

表7 回歸模型方差分析結(jié)果表

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對(duì)模型進(jìn)行回歸方程系數(shù)顯著性檢測(cè)可知：A=0.012 8＜0.05，表明木糖醇的添加量達(dá)到顯著水平，對(duì)于黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)價(jià)具有明顯影響；C=0.046 6＜0.05，表明蔗糖的添加量達(dá)到顯著水平，對(duì)于黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)價(jià)具有明顯影響；AB=0.005 4＜0.05，表明木糖醇添加量和黃精添加量的交互項(xiàng)互相有影響；A2、B2、C2的p值均小于0.000 1，表明實(shí)驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)面是一種非線性關(guān)系。3D圖直觀體現(xiàn)木糖醇添加量、黃精添加量和蔗糖添加量這3個(gè)因素之間兩兩交互作用對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料品質(zhì)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1，坡度凸起越明顯，表明兩者交互作用越明顯，坡度越平緩，表明兩者交互作用越低。木糖醇添加量（A）與蔗糖添加量（C）、蔗糖添加量（C）與黃精添加量（B）交互作用響應(yīng)面3D圖坡度平緩，表明這2個(gè)因素交互作用不明顯，對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)價(jià)影響較小，且由AC=0.889 7＞0.05，BC=0.079 0＞0.05均可證明3D圖分析結(jié)果。黃精添加量與木糖醇添加量交互作用響應(yīng)面3D圖坡度較陡，表明黃精添加量與木糖醇添加量交互作用較強(qiáng)，對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料影響顯著，且AB=0.005 4＜0.05可證明3D圖這一結(jié)果。單因素對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)分影響大小順序?yàn)锳＞C＞B，根據(jù)分析計(jì)算，響應(yīng)面法優(yōu)化黃精發(fā)酵乳飲料工藝條件為木糖醇添加量為8%，黃精添加量為1%，蔗糖添加量為6%。

圖1 各因素交互作用對(duì)黃精發(fā)酵乳飲料感官評(píng)分影響的響應(yīng)面以及等高線圖

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)2.2.2下最優(yōu)工藝條件以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，黃精發(fā)酵乳飲料木糖醇的添加量為8%、黃精的添加量為1%、蔗糖添加量為6%制作3批樣品，進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，感官評(píng)分分別為85.79分、86.26分、86.57分，與相應(yīng)條件預(yù)測(cè)值相近。結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可靠，黃精發(fā)酵乳飲料口感的重現(xiàn)性好、可行性高、可操作性強(qiáng)。

3 結(jié)論

本研究在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用Box-Behnken響應(yīng)面分析方法進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)木糖醇的添加量為8%、黃精添加量為1%、蔗糖添加量為6%，菌粉添加量為2%，此條件下黃精發(fā)酵乳飲料的感官評(píng)分最高，具有較好的商業(yè)化潛力。