發(fā)酵紫薯凍干粉的研制及其在低糖低脂奶片中的應(yīng)用

梁 晶，何星璐，薩日那，韓佳歡，周 圍，耿麗晶

（錦州醫(yī)科大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

紫薯（Solanum tuberdsm）又叫黑薯，是一年生或多年生草本植物，在我國主要分布于遼寧、湖南、廣西等地區(qū)，薯肉富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，其中含有豐富的硒元素和花色苷[1-5]。花色苷可激活抗氧化防御體系，增強(qiáng)超氧化物歧化酶活性，具有抗腫瘤[6-7]、調(diào)整腸道菌群平衡[8]和預(yù)防心血管疾病[9-10]等功效，被譽(yù)為“防癌之王”[11]。研究表明，在肉雞飼料中添加紫薯粉，可顯著提升雞肉品質(zhì)[12]。發(fā)酵能夠提高食品營養(yǎng)價值，并且能夠改善食品風(fēng)味與口感[13-14]。紫薯發(fā)酵后多酚含量明顯上升，花色苷含量降低，但其穩(wěn)定性顯著上升，發(fā)酵紫薯總抗氧化能力提高[15]。

菊糖是由果糖聚合成的線性多糖，多存在于菊芋等作物中[16]。菊糖具有防治糖尿病[17]、改善腸道微環(huán)境[18]、減輕高脂血癥[19]等多種功效，并可作為脂肪、糖類替代物用于食品生產(chǎn)中[20]。在畜牧業(yè)中，將菊糖添加到畜禽飼料中，可以起到促進(jìn)畜禽對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，提高動物自身免疫力等作用[21]。

奶片是以鮮乳或乳粉為主要原料，添加適量輔料，經(jīng)混合、壓片等工藝制成的片狀乳制品，是內(nèi)蒙地區(qū)的特色食品，因其口味香醇、便于攜帶、保質(zhì)期長等特點備受青睞[22]。市面上奶片品種多樣，如紅棗奶片[23]、松花粉奶片[24]等，但優(yōu)化低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片配方工藝的研究較少。本研究以紫薯、脫脂奶粉、菊糖為主要原料，在傳統(tǒng)奶片的制作工藝基礎(chǔ)上，以感官評定為指標(biāo)，研制出一款營養(yǎng)豐富、口感適宜的低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片產(chǎn)品，為紫薯深加工以及奶片生產(chǎn)工藝提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

紫薯，2021 年7 月購于錦州市當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場；菊糖（純度為90%），濰坊市美凱威醫(yī)藥科技有限公司；脫脂奶粉，齊齊哈爾市碾子山乳品有限責(zé)任公司；硬脂酸鎂、羧甲基纖維素鈉，湖南爾康制藥股份有限公司；德式乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus bulgaricus，貨號：CICC 6098）、嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus，貨號：CICC 6223），上海北諾生物科技有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

PEN3 型便攜式電子鼻，德國Airsense 公司；FD5-3冷凍干燥機(jī)，美國SIM 公司；SB-02 多功能粉碎機(jī)，上海市浦恒信息科技有限公司；TDP-5 單沖壓片機(jī)，上海天祥制藥機(jī)械有限公司；LAC-5040S 全自動高壓滅菌鍋，浙江新豐醫(yī)療器械有限公司；SW-CJ 超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；DNP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海精宏試驗設(shè)備有限公司；DHG-9240A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

1.2.1.1 發(fā)酵紫薯凍干粉制作

紫薯→切塊→蒸煮→晾涼→按壓過濾→滅菌→加入混合發(fā)酵劑（德式乳桿菌保加利亞亞種∶嗜熱鏈球菌=1∶20[25]）→加水混勻→恒溫發(fā)酵→預(yù)凍→真空冷凍干燥→發(fā)酵紫薯凍干粉

1.2.1.2 低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片制作

發(fā)酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→噴灑潤濕劑→添加黏合劑和穩(wěn)定劑→混勻→壓片→烘干→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 發(fā)酵紫薯凍干粉的制備

將新鮮無腐爛、無機(jī)械傷、無蟲蛀的紫薯洗凈，蒸熟后晾涼剝?nèi)ネ馄?，?0 目篩按壓過濾，去掉粗木質(zhì)纖維，滅菌后接入8.0%混合發(fā)酵劑，按料液比為9∶14（g/mL）加入純凈水，于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵9 h。取發(fā)酵液攪拌均勻后于-20 ℃冰箱中預(yù)凍10 h，然后轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥24 h。粉碎機(jī)打碎后過40 目篩得到發(fā)酵紫薯凍干粉。

1.2.2.2 奶片制作工藝

參照吳虹艷等[26]和袁祎琳等[27]的方法，并稍作修改。將脫脂奶粉與發(fā)酵紫薯凍干粉按質(zhì)量比3∶2 進(jìn)行混勻，噴灑4%（以奶粉和發(fā)酵紫薯凍干粉總質(zhì)量為100%）煮沸晾涼后的純凈水做潤濕劑，添加10%菊糖，分別添加2.5%的羧甲基纖維素鈉和硬脂酸鎂[28]，再次混勻后置于奶片專用模具中壓片（壓片規(guī)格：直徑17~19 mm，厚度3~4 mm，克重4.0~6.0 g），于70 ℃烘箱中烘烤30 min 后稱重，繼續(xù)烘烤15 min 后稱重，反復(fù)多次，直至奶片質(zhì)量不再減輕。

1.2.3 單因素試驗設(shè)計

對影響發(fā)酵紫薯凍干粉感官評價的主要工藝參數(shù)進(jìn)行單因素試驗，試驗設(shè)計見表1。單獨考察一個單因素時，其他因素水平分別固定為混合發(fā)酵劑添加量8.0%，料液比9∶14（g/mL），發(fā)酵溫度37 ℃，發(fā)酵時間9 h。

表1 單因素試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of single factor experiments

1.2.4 Box-Benhnken 中心組合試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，優(yōu)選3 個主要因素（發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、發(fā)酵劑添加量）設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗，每個因素選取3 個發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分較高的水平。Box-Behnken 試驗因素與水平的設(shè)計見表2，最終優(yōu)化得到發(fā)酵紫薯凍干粉的最佳工藝條件并進(jìn)行驗證。

表2 響應(yīng)面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.5 感官評價

1.2.5.1 發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評價

由10 名有經(jīng)驗的感官評價員組成感官評定小組，分別對發(fā)酵紫薯凍干粉的品質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行綜合評分，采用百分制，評定標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 發(fā)酵紫薯凍干粉感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory scoring criteria(scores)of fermented purple potato freeze-dried powder

1.2.5.2 低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片的感官評價

由10 名有經(jīng)驗的感官評價員組成感官評定小組，分別對低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片的品質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行綜合評分，采用百分制，評定標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Sensory scoring criteria(scores)of low-sugar low-fat fermented purple potato milk tablet

1.2.6 電子鼻檢測

發(fā)酵紫薯凍干粉制作完成后，將其與脫脂奶粉等配料混勻，按照工藝流程制成低脂低糖發(fā)酵紫薯奶片（終產(chǎn)品），同時將低脂未發(fā)酵紫薯奶片、低脂發(fā)酵紫薯奶片、低糖低脂未發(fā)酵紫薯奶片作為對照組。各組具體試驗設(shè)計如下：

低脂未發(fā)酵紫薯奶片：紫薯凍干粉+脫脂奶粉+白砂糖→混勻→壓片→烘干→成品

低脂發(fā)酵紫薯奶片：發(fā)酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+白砂糖→混勻→壓片→烘干→成品

低糖低脂未發(fā)酵紫薯奶片：紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→壓片→烘干→成品

低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片（終產(chǎn)品）：發(fā)酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→壓片→烘干→成品

將每組奶片取一片磨碎之后用保鮮膜密封于頂空瓶中12 h 后，待其頂部空間的揮發(fā)物將達(dá)到平衡狀態(tài)時進(jìn)行電子鼻檢測，室內(nèi)環(huán)境溫度24~27 ℃，4組樣品每個樣品各做3 次平行試驗。測定參數(shù)設(shè)置：傳感器室流量及測量樣品流量均為300 mL/min，預(yù)采樣時間5.0 s，抽樣間隔1.0 s，調(diào)零時間10.0 s，沖洗時間100.0 s，測定時間70.0 s。各傳感器名稱和性能詳情見表5。

表5 PEN3 型電子鼻的傳感器及性能Table 5 Sensors and performance of PEN3 electronic nose

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵紫薯凍干粉的單因素試驗結(jié)果

2.1.1 發(fā)酵劑添加量對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖1 可知，在發(fā)酵劑添加量為8.0%時，發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分最高，發(fā)酵劑添加量大于10%后感官評分急劇下降，可能是由于發(fā)酵劑添加量過大，發(fā)酵產(chǎn)酸過多，導(dǎo)致發(fā)酵紫薯凍干粉甜酸比例嚴(yán)重失衡所致。

圖1 發(fā)酵劑添加量對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.1 Effects of amount of fermentation agent on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.2 料液比對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖2 可知，料液比對發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分影響較弱，整體趨勢為先緩慢升高，在料液比為9∶14（g/mL）時達(dá)到最高分，再呈緩慢下降趨勢。

圖2 料液比對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.2 Effects of material-liquid ratio on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.3 發(fā)酵溫度對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖3 可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分急劇升高，于37 ℃時達(dá)到最高分，隨后逐漸下降，可能是由于溫度逐漸升高，影響了菌種的活性，導(dǎo)致發(fā)酵減慢，風(fēng)味減淡。

圖3 發(fā)酵溫度對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.4 發(fā)酵時間對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖4 可知，隨著發(fā)酵時間的增加，發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在發(fā)酵時間為5~9 h 時，感官評分升高，9 h 后感官評分降低，可能是由于發(fā)酵時間過長，產(chǎn)生過量的乳酸，影響了發(fā)酵紫薯凍干粉的口感及質(zhì)地狀態(tài)。

圖4 發(fā)酵時間對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.4 Effects of fermentation time on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

由圖1~4 可知，發(fā)酵劑添加量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度能夠明顯影響發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分；相比之下，料液比對發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分影響較小。單因素試驗分別在發(fā)酵劑添加量8%，料液比9∶14（g/mL），發(fā)酵溫度37 ℃，發(fā)酵時間9 h 時，發(fā)酵紫薯凍干粉的感官評分達(dá)到最高。

2.2 Box-Behnken 試驗設(shè)計與結(jié)果分析

2.2.1 Box-Behnken 試驗設(shè)計方案與結(jié)果

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，由Design Expert 10.0.7統(tǒng)計分析軟件設(shè)計出的試驗方案及結(jié)果見表6，以發(fā)酵劑添加量（A）、發(fā)酵溫度（B）、發(fā)酵時間（C）為自變量，以感官評分為響應(yīng)值優(yōu)化發(fā)酵紫薯凍干粉制作工藝。

2.2.2 回歸方程擬合及方差分析

對表6 數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合和優(yōu)化出以響應(yīng)值為函數(shù)的二次多元回歸方程為：

表6 Box-Behnken 試驗設(shè)計與結(jié)果Table 6 Box-Behnken experimental design and results

對模型進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表7。由表7 可見，該回歸模型P＜0.001，方程模擬達(dá)到極顯著，失擬項P=0.354 8＞0.05，不顯著，且回歸模型R2=0.966 4，=0.923 2，表明所得回歸方程擬合程度較高，與實際擬合中非正常誤差所占比例較小，使用該方程模擬真實的三因素三水平分析，能夠?qū)Πl(fā)酵紫薯凍干粉感官評分進(jìn)行可靠地預(yù)測，將該回歸方程用于發(fā)酵紫薯凍干粉工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗的理論推測是可行的。

由表7 方差分析結(jié)果可知，F(xiàn)A=0.078，F(xiàn)B=13.16，F(xiàn)C=9.08，可得FB＞FC＞FA，即影響發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的因素按主次順序為:發(fā)酵溫度（B）＞發(fā)酵時間（C）＞發(fā)酵劑添加量（A）。在交互作用中，AB、AC、BC 表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01），二次項A2、B2、C2表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01），說明各因素之間存在交互作用，并對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響極顯著。

表7 回歸模型的方差分析Table 7 ANOVA of the regression models

2.2.3 響應(yīng)面分析與優(yōu)化

為更好地研究發(fā)酵紫薯凍干粉中各因素的交互作用，由設(shè)計試驗所得的響應(yīng)面曲線圖和等高線圖如圖5 所示。

由圖5 可知，響應(yīng)面圖均呈先升高后降低的趨勢，曲面均有較為明顯的弧度，梯度變化明顯，有明顯的峰值。響應(yīng)面圖傾斜度越高，坡度越陡，兩因素間的相互影響越大。因此，各因素對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分的影響大小為：發(fā)酵溫度＞發(fā)酵時間＞發(fā)酵劑添加量。等高線圖中等高線輪廓呈橢圓，表明各因素之間存在極顯著交互作用，等值線出現(xiàn)最高值（即最小的橢圓中心點），說明響應(yīng)面設(shè)計試驗的各因素取值在最優(yōu)取值范圍內(nèi)，優(yōu)化模型具有很高的可信度與實際意義。

圖5 各因素交互作用對發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots of the effect of interaction of each factor on sensory score of fermented purple potato lyophilized powder

2.2.4 發(fā)酵紫薯凍干粉最佳工藝條件的確定

采用Design Expert 10.0.7 軟件對發(fā)酵紫薯凍干粉感官試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行最優(yōu)求解，得到發(fā)酵紫薯凍干粉的最佳制備工藝條件為：發(fā)酵劑添加量7.590%，發(fā)酵溫度37.624 ℃，發(fā)酵時間9.506 h，預(yù)測感官評分為96.988分。為了驗證發(fā)酵紫薯凍干粉響應(yīng)面優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性，在方便操作的基礎(chǔ)上，調(diào)整驗證工藝參數(shù)為：發(fā)酵劑添加量7.6%，發(fā)酵溫度37.6 ℃，發(fā)酵時間9.5 h，進(jìn)行驗證試驗。實際的感官評分為95.20±1.64 分，與預(yù)測值接近，說明回歸方程可以反映各因素對發(fā)酵紫薯凍干粉制作工藝的影響，具有實際應(yīng)用價值。

2.3 低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片感官評定

由10 名專業(yè)人士對低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片及另外3 種紫薯奶片進(jìn)行感官評定，結(jié)果如表8 所示。

表8 4 種不同配方紫薯奶片感官評定結(jié)果Table 8 Sensory scores of four different formulations of purple potato milk tablet 單位：分

由表8 可知，低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片的外觀、色澤、口感以及風(fēng)味分別得分為18.20 分、24.20 分、28.00 分、24.00 分，總分為94.40 分。低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片的各項感官評分均為最高，說明該低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片更容易被大眾所接受。

2.4 電子鼻結(jié)果分析

PCA（Principal component analysis）亦稱主成分分析，是一種在原始維度上轉(zhuǎn)換為一種新的維度同時保留原始的數(shù)據(jù)信息，是對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化的一種對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的技術(shù)。該分析方法可以有效地分析出樣品中最主要的風(fēng)味成分，一般第一主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于第二主成分（PC2）的貢獻(xiàn)率[29]，且兩者總貢獻(xiàn)率超過85%就可以反映原始數(shù)據(jù)的信息[30]。不同配方紫薯奶片的PCA 分析如圖6A 所示，每個橢圓代表不同配方紫薯奶片風(fēng)味成分的數(shù)據(jù)采集點，各橢圓之間的距離大小反映每個樣品之間風(fēng)味主成分差異性的大小。圖6A 中PC1 貢獻(xiàn)率為99.33%，PC2 貢獻(xiàn)率為0.47%，總貢獻(xiàn)率為99.80%。其中低脂低糖發(fā)酵紫薯奶片的PC1 濃度為最大，低糖低脂未發(fā)酵紫薯奶片兩種主成分均為最小，且低脂發(fā)酵紫薯奶片與低脂低糖發(fā)酵紫薯奶片的PC2 的氣味最為相似。

Loading 分析即載荷分析，與PCA 分析算法相同，每個傳感器對特定氣味的分辨力體現(xiàn)在載荷圖PCA 坐標(biāo)的位置，靠近原點位置的傳感器貢獻(xiàn)率最低，遠(yuǎn)離原點的傳感器貢獻(xiàn)率高。本研究結(jié)果如圖6B所示，其中W3S、W6S、W2S、W1S 四個傳感器的PC1和PC2 貢獻(xiàn)率近似為0，說明其無法識別紫薯奶片中的風(fēng)味成分。其中W1W 傳感器PC1 貢獻(xiàn)率最高，W5S、W2W 傳感器PC1 貢獻(xiàn)率僅低于W1W，W2W傳感器貢獻(xiàn)率略低于W5S 傳感器；W1S 傳感器PC2貢獻(xiàn)率最高，W2S 傳感器PC2 貢獻(xiàn)率低于W1S，W1W、W6S 次之。參照各傳感器的性能特征可知，W1W（硫化物）、W1S（甲基類化合物）兩種風(fēng)味成分對紫薯奶片不同工藝配方的差異有主要貢獻(xiàn)。

圖6 不同配方紫薯奶片的電子鼻圖Fig.6 Electronic nose diagram of purple potato milk tablets with different formulations

LDA 分析是通過擴(kuò)大組間間距、縮小組內(nèi)間距分析研究樣品所屬類型的一種統(tǒng)計方法，亦稱線性判別分析。由圖6C 中橢圓的分布位置來看，不同工藝配方的紫薯奶片可明顯分開，可以看出紫薯奶片的揮發(fā)性成分差異明顯，LDA 圖能夠區(qū)分不同工藝配方紫薯奶片的揮發(fā)性成分。圖6C 中，第一判別式PC1貢獻(xiàn)率為86.19%，第二判別式PC2 貢獻(xiàn)率為13.16%，總貢獻(xiàn)率99.35%，發(fā)酵工藝紫薯奶片與未發(fā)酵工藝奶片離散度大，說明發(fā)酵前后紫薯奶片風(fēng)味變化速率大；低糖低脂發(fā)酵紫薯奶片與低脂發(fā)酵紫薯奶片PC1 貢獻(xiàn)率略有偏差，說明添加菊糖和白砂糖對紫薯發(fā)酵奶片風(fēng)味第一主成分影響極小，就風(fēng)味方面，菊糖可以替代白砂糖加入到紫薯發(fā)酵奶片中。4 種工藝紫薯奶片的分析數(shù)據(jù)點均分布于各自區(qū)域，相互間無重疊或交叉，樣本間距離較大，說明運用LDA方法可以對是否發(fā)酵不同糖味添加劑的紫薯奶片進(jìn)行區(qū)分。

3 結(jié)論

通過單因素及響應(yīng)面試驗，確定發(fā)酵紫薯凍干粉最佳制備工藝為：紫薯發(fā)酵時間9.5h，發(fā)酵溫度37.6 ℃，混合發(fā)酵劑添加量7.6%，料液比為9∶14（g/mL），該條件下所制得的發(fā)酵紫薯凍干粉感官評分為95.2 分。

經(jīng)電子鼻PCA 和LDA 分析可知，硫化物、甲基類化合物兩種風(fēng)味成分對紫薯奶片不同工藝配方的差異有主要貢獻(xiàn)，不同工藝配方的紫薯奶片的揮發(fā)性成分差異明顯。以紫薯、脫脂奶粉、菊糖為主要原料，采用德式乳桿菌保加利亞亞種和嗜熱鏈球菌對紫薯進(jìn)行發(fā)酵后獲得凍干粉，與脫脂奶粉等原料制得低糖低脂紫薯發(fā)酵奶片，具體風(fēng)味成分及品質(zhì)分析等后續(xù)研究有待進(jìn)行，以期為低糖低脂奶片及紫薯、菊糖的研究和開發(fā)奠定基礎(chǔ)。