響應面法優(yōu)化魔芋酸奶工藝

葛謙，袁亞宏，岳田利

（西北農(nóng)林科技大學食品學院，陜西楊凌 712100）

魔芋是一種天南星科（Araceae）魔芋屬（Amorphophallus Blume）的多年生草本植物，其含有魔芋葡甘露聚糖（KGM），是一種低熱量的水溶性膳食纖維，具有減肥、降血糖、降血脂、提高抗氧化能力、潤腸通便、調(diào)節(jié)膽固醇代謝等多重功效[1-2]，同時可減緩動脈硬化、調(diào)節(jié)血糖水平并且對空腹血糖值無顯著影響[3]，是一種被廣泛推崇的健康食品。同時，魔芋水合能力極強，具有很高的增稠性[4]，可提高魔芋酸奶產(chǎn)量，增強其黏稠性。酸奶是一種營養(yǎng)價值豐富、促進消化吸收、提高人體免疫力、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，通過添加乳酸菌等益生菌發(fā)酵哺乳動物的液態(tài)乳制品[5]。響應面法（response surface methodology，RSM）利用多元二次回歸方程擬合因素與響應值兩者之間的函數(shù)關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題，優(yōu)化效率高，近些年在食品、種植、醫(yī)藥等工業(yè)領域中得到了廣泛應用[6-9]。

隨著人們生活水平的提高，人們的飲食越來越趨于健康化、營養(yǎng)化、功能化，對酸奶的營養(yǎng)強化更加重視。本試驗將魔芋精粉添加到酸奶中不僅可以提高酸奶黏稠度，擴大產(chǎn)值，更強化了該產(chǎn)品的營養(yǎng)保健功效，具有廣泛的應用前景。

1 材料與方法

1.1 主要試驗材料

魔芋精粉：由陜西漢中錦泰魔芋公司提供；鮮牛奶：由西北農(nóng)林科技大學提供，符合GB 19301-2010《生乳》標準，微生物及理化指標合格且無抗生素；菌種：6063 嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus，St）和6064德氏乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus bulgaricus，Lb）：由中國菌種保藏中心（CICC）提供；白砂糖；脫脂奶粉。

1.2 主要儀器設備

SHP6-60高壓均質(zhì)機：西安?，斣囼炘O備有限公司；HH－60數(shù)顯恒溫培養(yǎng)箱：西安智城分析儀器制造有限公司；JA2003電子天平：北京精密科學儀器有限公司；ES－315高壓蒸汽滅菌鍋：日本TOMY公司；BCN－1360B生物潔凈工作臺：哈爾濱東聯(lián)電子技術開發(fā)公司。

1.3 加工工藝

1.3.1 工藝流程

功能性魔芋固體酸奶生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 魔芋酸奶生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Process of konjac yogurt

1.3.2操作要點

1.3.2.1 工作發(fā)酵劑的制備

將10%～12%脫脂乳粉與水混合，待奶粉充分復水后，再108℃滅菌8 min～10 min，降溫至43℃，按比接入發(fā)酵劑，在恒溫培養(yǎng)箱43℃培養(yǎng)，待脫脂乳凝固后，置于0℃～4℃冰箱中后發(fā)酵并保存，如此逐級擴大培養(yǎng)，直到菌種有充分的活力。生產(chǎn)發(fā)酵劑活菌數(shù)檢測乳酸菌的活菌數(shù)應當在1×106cfu/mL以上。

1.3.2.2 魔芋固體酸奶粉的制備

將鮮牛奶加熱35℃～40℃時加入魔芋精粉，當溫度上升至60℃～70℃時加入蔗糖，待蔗糖融化溫度至70℃～75℃時，于18 Mpa～18 Mpa下進行均質(zhì)。將其用保鮮膜封口，進行95℃、5 min的熱殺菌處理。乳冷卻到43℃～45℃，將發(fā)酵劑搖勻后加入乳中充分搖勻，封口，置于42℃恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵3 h～4 h，待乳凝固后，置于4℃～5℃保存 12 h～13 h。

1.4 檢測方法

1.4.1 理化指標、微生物分析方法

酸度：GB 5413.34－2010《乳和乳制品酸度的測定》；蛋白質(zhì)：GB 5009.5－2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》；脂肪：GB 5413.3－2010《嬰幼兒食品和乳品中脂肪的測定》；非脂乳固體：GB 5413.39－2010《乳和乳制品中非脂乳固體的測定》；乳酸菌數(shù)：GB4789.35－2010《食品微生物學檢驗乳酸菌檢驗》；大腸菌群：GB 4789.3－2010《食品微生物學檢驗大腸菌群計數(shù)》；致病菌：GB4789.4－2010《食品微生物學檢驗沙門氏菌檢驗》，GB4789.10－2010《食品微生物學檢驗金黃色葡萄球》，GB4789.30－2010《食品微生物學檢驗單核細胞增生李斯特氏菌檢驗》。

1.4.2 酸奶質(zhì)構指標測定方法

測定方法：將酸乳置于100 mL燒杯中約占燒杯3/5，在4℃下，用TA.XT PLUS/50型物性測定儀測定黏附力、黏附性、凝膠強度、硬度等質(zhì)構指標，每個樣品取3個平行樣。測定參數(shù)：圓柱型擠壓檢測探頭直徑25.4mm。測試參數(shù)：測試距離30 mm，測試前速60 mm/min，測試速度60 mm/min，測試后速度120 mm/min，樣品壓縮百分率30%[10]。

1.4.3 酸奶品質(zhì)的感官評價

邀請10位有經(jīng)驗的專業(yè)人員根據(jù)魔芋酸奶乳清析出情況、滋味、組織狀態(tài)、風味等進行綜合評分，取平均值為總感官評分（百分制），標準如表1。

表1 魔芋酸奶感官評分標準Table 1 Standard of sensory evaluation for Konjac yogurt

1.4.4 響應面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box－Behnken模型，以感官評分Y為響應值，利用Design Expert7.0.0軟件進行三因素三水平的響應面優(yōu)化，試驗設計見表2。

表2 響應曲面試驗設計因素水平及編碼Table 2 Factors，levels and codes of response surface design

2 結果與分析

2.1 魔芋精粉添加量的確定

魔芋精粉添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響結果見圖2。

圖2 不同魔芋精粉添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of different Konjac Powder on yoghurt quality

由圖2可知，當魔芋精粉添加量為0.06%時，魔芋酸奶色澤、氣味、組織狀態(tài)、口感各項感官都達到最高；當小于0.06%時，酸奶質(zhì)地稀薄、風味不足；當大于0.06%時，酸奶過于濃稠厚重，在1‰、1.2‰時甚至出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2.2 發(fā)酵劑接種量的確定

發(fā)酵劑接種量對酸奶感官品質(zhì)的影響結果見圖3。

圖3 不同接種量對酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of the number of strains on yoghurt quality

菌種接種量是影響酸奶發(fā)酵的一個重要指標，接種量偏高，發(fā)酵速度過快，無法形成濃郁的乳酸發(fā)酵風味；接種量偏低，發(fā)酵力弱，發(fā)酵時間長，風味不足。由圖3可以看出，當菌種接種量為3%，魔芋酸奶富有光澤、口感細膩、乳清析出少、風味俱佳均優(yōu)于其他組。

2.3 菌種比例的影響

菌種比例對酸奶感官品質(zhì)的影響結果見圖4。

圖4 不同接種量對酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of different proportions of strains on yoghurt quality

由圖4可知，當嗜熱鏈球菌與保加利亞乳比例為2∶1時酸奶感官評價最高、風味俱佳、色澤富有光澤。桿菌主要以產(chǎn)酸為主，球菌發(fā)酵力強，當球桿菌比例小于2∶1時，桿菌占優(yōu)勢，導致產(chǎn)酸較快而影響酸奶的凝固性，并且伴有乳清析出、口味偏酸。當球桿菌比例大于2∶1時球菌占優(yōu)勢、發(fā)酵力過強，風味不足。

2.4 蔗糖添加量的確定

蔗糖添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響結果見圖5。

圖5 不同蔗糖添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of different sucrose on yoghurt quality

由圖5可知，當加糖兩為8%時，魔芋酸奶感官評價最高，調(diào)節(jié)蔗糖添加量可改善酸奶酸甜比，當蔗糖添加量少于8%時酸味較重，而大于8%時又過甜，當蔗糖添加量為8%時口感俱佳、酸甜比合適、可口宜人。

2.5 響應面優(yōu)化試驗結果

魔芋酸奶工藝參數(shù)優(yōu)化設計方案及其結果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗及結果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

利用Design－expert 7.0.0軟件對表3數(shù)據(jù)進行分析，得到感官評分值Y與自變量X1、X2、X3的二次回歸方程為：Y=+79.60－1.87*A－1.12*B－2.00*C－1.00 A*B－0.25 A*C－1.25 B*C－6.80*A2－6.30*B2－7.55 C2。對該模型進行的方差分析及顯著性檢驗結果見表4。

表4 Box-Behnken試驗方差分析Table 4 Variance analysis of Box-Behnken experiment

由方差分析表4可知，失擬項不顯著（0.329 9＞0.05），模型擬合試驗真實情況較好，可預測其結果，模型p值為0.000 1，小于0.05，說明模型顯著。因素一次項（A、B、C）、交互項（BC）及二次項（A、B、C）對結果影響顯著（p＜0.05），交互項（AC、AC）對果影響不顯著（p＞0.05）。

復相關系數(shù)R的R2為0.990 9，校正后RAdj為0.979 1，預測值和測試紙非常接近，模型擬合程度較好，可用該模型對魔芋酸奶加工工藝進行分析和預測。各因素對魔芋酸奶感官評分的影響排序為：蔗糖添加量C＞魔芋精粉添加量A＞接種量B。

2.6 多因素交互作用響應曲面分析

圖6中的響應面和等高線較好的反應了魔芋精粉添加量和菌種接種量對魔芋酸奶感官品質(zhì)的影響，由圖6可知，在蔗糖添加量一定的條件下，隨魔芋精粉添加量和接種量的增加，感官評分先升高后降低，由此可知適量的魔芋精粉添加量和接種量可提高酸奶品質(zhì)。等高線呈圓形是因魔芋精粉添加量和接種量交互作用小造成；與此同時，通過等高線可看出魔芋精粉添加量對酸奶品質(zhì)的影響大于接種量對酸奶品質(zhì)的影響。

圖6 魔芋精粉添加量和接種量對感官質(zhì)量交互影響的響應面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of konjac yougurt as a function of wheat germ amount and inoculum

圖7中的響應面和等高線較好的反應了魔芋精粉添加量和蔗糖添加量對魔芋酸奶感官品質(zhì)的影響。由圖7可知，在接種量一定的情況下，隨著魔芋精粉和蔗糖添加量的增多，感官評分先升高后降低；等高線頂處弧度小，交互作用不顯著；通過等高線可看出，蔗糖添加量對魔芋酸奶品質(zhì)的影響顯著于魔芋精粉添加量對其影響。

圖7 魔芋精粉添加量和蔗糖添加量對感官質(zhì)量交互影響的響應面圖和等高線圖Fig.7 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of wheat germ yougurt as a function of konjac and sucrose amount

圖8 接種量和蔗糖添加量對感官質(zhì)量交互影響的響應面圖和等高線圖Fig.8 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of konjac yougurt as a function of inoculum and sucrose amount

圖8中反應了菌種接種量和蔗糖添加量對酸奶感官品質(zhì)交互影響。由圖8可知，接種量和蔗糖添加量交互作用顯著，隨著接種量的升高，蔗糖添加量的感官評分先緩慢升高后較快下降，在蔗糖添加量和接種量交互處感官評分達到最高；同時，通過等高線可看出，蔗糖添加量對酸奶感官品質(zhì)的影響顯著于接種量對其影響。

從響應面分析圖可知，蔗糖添加量和魔芋精粉添加量對魔芋酸奶工藝影響顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，魔芋精粉添加量最佳值為0.067%～0.082%，蔗糖添加量最佳值為7.8%～8.3%，菌種添加量對魔芋酸奶加工工藝影響不大，主要表現(xiàn)在曲線較平緩，隨著接種量的增加或減少，響應值變化不大，最佳接種量為3%～4%。

2.7 工藝優(yōu)化和驗證性試驗

使用Design Expert 7.0.0，經(jīng)過手動優(yōu)化回歸方程對其求解，魔芋酸奶最佳發(fā)酵工藝條件為：魔芋精粉添加量0.076%，接種量3.54%，蔗糖添加量7.89%?？紤]其實際操作性，將魔芋酸奶發(fā)酵工藝參數(shù)修正為：魔芋精粉添加量0.08%，接種量3.5%，蔗糖添加量7.9%，在此條件下進行驗證性試驗，其感官評分值可達83.9分。

3 產(chǎn)品質(zhì)量指標

3.1 感官指標

色澤：呈乳白色、有光澤、色澤均勻一致。

氣味：具有魔芋酸奶特殊的風味、兼具乳酸菌發(fā)酵的酸奶風味、無異味。

滋味：酸甜適中、濃稠可口、口感細膩柔和。

組織狀態(tài)：黏附性強、質(zhì)地均勻、無分層和沉淀現(xiàn)象。

3.2 理化指標

魔芋酸奶各項理化指標均符合相關要求。

3.3 微生物指標

乳酸菌數(shù)≥106個/mL，大腸桿菌≤90個/100 mL，未檢測出致病菌，符合GB 19302－2010的要求。

4 結論

魔芋酸奶最佳發(fā)酵工藝條件為：魔芋精粉添加量為0.64‰，嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌比例為2∶1，接種量為2.8%（體積分數(shù)），蔗糖添加量為質(zhì)量分數(shù)8.5%，43℃發(fā)酵4.5 h，在此條件下感官評分可達75.69。本試驗建立的二次回歸模型對試驗擬合較好。所得到的魔芋酸奶口感細膩、質(zhì)地均勻、風味醇厚，是一種營養(yǎng)極其豐富的保健食品，其開發(fā)前景頗為廣闊。

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