響應面法優化胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料工藝

李 良，王 帥，程建軍，馮憲民，楊文鑫

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

響應面法優化胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料工藝

李 良，王 帥，程建軍，馮憲民，楊文鑫

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

實驗以胡蘿卜、蘋果、乳清發酵液為原料，研究乳清發酵飲料制備的工藝條件。采用響應面法對胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料生產的工藝條件進行優化。結果表明，最佳工藝條件為白砂糖6.7%，胡蘿卜蘋果汁比例2.2∶1（果汁占總量的50%），乳清發酵液添加量38%。最終得到穩定性較好的混合果蔬乳清發酵飲料，感官評價得分為92.5，產品酸甜適中，口感良好，營養豐富，具有濃郁的胡蘿卜蘋果混合的清香味。

響應面法，乳清飲料，發酵，胡蘿卜，蘋果

乳清是生產干酪、干酪素等的副產品，一般每生產1kg干酪會產生9kg乳清[1-2]。乳清營養極為豐富，其營養物質含量占原料奶55%，干物質約占6%～8%，粗蛋白占1%，總糖占3%～5%[3]。乳清富含具有多種功能特性、營養和生物活性的蛋白質，乳清蛋白大部分為α-乳白蛋白和β-乳球蛋白，它占總蛋白的70%～80%，其他蛋白組分為牛乳血清白蛋白、乳鐵蛋白、乳過氧化酶、免疫球蛋白、生長因子和許多生物活性因子及酶，這些物質均具有一定的生物活性[4]。乳清富含多種高質量、高生物活性蛋白質，并含有碳水化合物和礦物質，因此其具有保健和防止疾病的作用[5]。乳清蛋白的理化性質、生物學特性和保健功能決定了乳清的市場應用前景。歐美等國家不僅將乳清應用于普通食品中，還開發出了糖尿病飲料、減肥食品、免疫功能食品和運動營養食品。目前我國乳清蛋白質的應用尚處于起步階段[6]，大量乳清被作為廢水排掉，這不僅浪費了營養資源，降低了企業經濟效益；而且乳清中乳糖會消耗水中的溶解氧，會造成環境污染。因此合理開發利用乳清資源已成為急待解決的問題[1]。

發酵型乳清飲料是利用營養價值極豐富的乳清作主要原料，添加乳酸菌發酵到一定程度，可以降低乳糖，產生乳酸，最后生成一種酸甜適口、營養豐富的高檔飲料。這樣既可充分利用乳清資源，又具有工藝簡單、投資設備少、產量大、經濟效益高等特點，故發酵乳清飲料是乳清利用的一個重要方向[7-8]。

本實驗對發酵型乳清飲料的配方工藝進行優化，得到口感細膩，酸甜可口，風味獨特，營養豐富的乳清飲品，為乳清的利用拓寬了思路，為進一步開發保健型乳清產品奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清粉、胡蘿卜、蘋果、白砂糖、CMC、發酵劑（德氏乳桿菌保加利亞種、嗜熱鏈球菌） 均為市售。

電子分析天平 上海精密儀器儀表有限公司；超凈工作臺 北京東聯哈爾儀器制造有限公司；電熱恒溫培養箱 上海一恒科技有限公司；pH計 雷迪美特中國有限公司；Midea榨汁機 廣東美的生活電器制造有限公司等。

1.2 工藝流程[9]

1.3 操作要點

1.3.1 胡蘿卜汁制備 將胡蘿卜切成2～3cm的小塊，預煮5min以便于打漿。打漿時胡蘿卜∶水=1∶2，榨汁后用兩層紗布過濾得到胡蘿卜汁。

1.3.2 蘋果汁的制備 原料切分約3cm見方的塊狀。打漿時蘋果∶水=1∶2，過濾得到蘋果汁。

1.3.3 乳清處理 稱取100g乳清粉溶解至1000mL，過濾。

1.3.4 加熱 采用巴氏滅菌法，加熱溫度85℃，時間15min。

1.3.5 發酵 冷卻至溫度42℃，接種乳酸菌種，在42℃左右保溫培養4～5h。

1.3.6 調配 添加糖、檸檬酸等添加劑進行調配。

1.4 單因素實驗

選擇發酵劑接種量、發酵時間和乳糖添加量三個因素進行單因素實驗，以感官評價為指標，對這三個因素對乳清發酵液的影響進行研究。固定乳糖添加量為4%，發酵時間4h，分別在發酵劑接種量2%、3%、4%、5%、6%的條件下進行發酵，對發酵劑接種量進行優化；固定乳糖添加量為4%，發酵劑接種量4%的條件下，分別在發酵時間3、4、5、6、7h的條件下進行發酵，對發酵時間進行優化；固定發酵時間5h，發酵劑接種量4%，分別在乳糖添加量為1%、2%、3%、4%、5%的條件下進行發酵，對乳糖的添加量進行優化。

1.5 乳清發酵液條件的優化

根據單因素實驗結果，本實驗選用接種量、發酵時間、乳糖添加量三個因素進行正交實驗，以感官評價為指標，正交因素水平表見表1。

表1 正交實驗設計因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.6 胡蘿卜、蘋果乳清發酵飲料工藝條件的優化

在乳清發酵液配方的基礎上，根據飲料自身的特點，本實驗選用白砂糖、胡蘿卜蘋果汁的比例（果汁添加量占飲料總量的50%）、發酵乳清液添加量三個因素進行響應面實驗，實驗因素水平見表2。

1.7 感官評價

選擇有品嘗經驗的10名人員對乳清發酵液和胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料進行感官評價，發酵乳清感官評價標準如表3[10]，胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料感官評價標準見表4，評定結果取平均值。

表2 響應面分析因素與水平Table 2 Factors and levels in the response surface design

表3 乳清發酵液感官評價標準Table 3 Sensory evaluation standards of whey fermented

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 發酵劑接種量的確定 發酵劑接種量對于產酸的速度和產品的感官評價有很大影響，發酵劑接種量對乳清發酵液感官評價的影響見圖1所示。從圖1可以看出，當發酵劑加量為4%時，乳清基料發酵液感官評價最高，為87分，因此選擇發酵劑的添加量為4%。

圖1 發酵劑接種量對乳清發酵液感官評價的影響Fig.1 The effect of supplementing amount of starter on sensory of whey fermentation liquid

2.1.2 發酵時間的確定 菌種生長過程中風味物質的產生與發酵時間有很大的關系，發酵時間與pH的關系如圖2所示。

從圖2中可以看出，在發酵時間3～7h，隨時間的延長，發酵乳清的pH也呈下降趨勢。由于發酵時間短，凝乳效果不好，但發酵時間過長酸度太高會影響發酵乳清液的酸度和口感。綜合以上因素考慮，發酵時間在5h時，pH在4.5附近時，具有濃郁的乳酸風味，同時乳清發酵到pH4.5～4.6，這時可見乳清下部出現沉淀，通過過濾的方法將其除去可獲得澄清液[9]。因此發酵5h對于生產澄清飲料是必要的。在接下來的發酵條件優化中，都以發酵時間5h條件下進行。

圖2 發酵時間與pH的關系Fig.2 Relationship of fermentation time and pH

表4 胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料感官評價標準Table 4 Sensory evaluation standards of carrot-apple-whey fermented beverage

圖3 乳糖添加量對乳清發酵液感官評價的影響Fig.3 The effect of lactose on sensory of whey fermentation liquid

表5 正交實驗方案與結果Table 5 Experimental design and results of orthogonal test

2.1.3 乳糖添加量的確定 乳糖的添加可以為乳酸菌提供碳源，同時通過乳酸菌的代謝可以產生許多風味物質，乳糖添加量對乳清基料發酵液感官評價的影響見圖3所示。從圖3可以看出，當乳糖添加量為4%時，乳清基料發酵液感官評價最高，為86分，因此選擇乳糖添加量為4%。

2.2 乳清發酵液發酵條件優化

乳清發酵液發酵條件正交因素水平分析表見表5。

從表5中R值大小可知，接種量、發酵時間、乳糖添加量對乳清發酵液的感官評價有不同程度的影響，由極差分析得出各因素對胡蘿卜乳清飲料的感官質量影響主次順序為B＞A＞C，發酵時間的影響最大，其次是接種量，乳糖添加量為最次因素。確定最佳組合為A2B2C2，經過驗證實驗，A2B2C2感官評分為86，高于9個組合中的最高分，因此最佳組合為A2B2C2：即接種量為4%，發酵時間5h，乳糖添加量4%，以此配方制備的乳清發酵液為基料，通過響應面對制備胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料的配方進行優化。

2.3 胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料配方的確定

根據單因素實驗，選擇采用Box-Behnken響應面設計法進行優化。實驗結果如表6所示。

2.3.1 模型方程的建立與顯著性檢驗 利用Design Expert軟件對表6數據進行二次多項回歸擬合，獲得感官評價（Y）對自變量蔗糖添加量（X1）、果汁比例（X2）、乳清液添加量（X3）的多元回歸方程Y=91.00+ 4.37X1-0.88X2-1.00X3-3.75X1X2-1.00X1X3-1.50X2X3-7.37X12-5.37X22-2.63X32。

表6 響應面實驗方案與結果Table 6 Experimental design and results of response surface design

對得出的方程進行方差分析結果如表7所示。由表7可知，模型p＜0.01（p=0.0005），說明本實驗選用的二次多項模型具有高度的顯著性。失擬項p＞0.05（p= 0.2051）不顯著，模型決定系數R2=0.9585，表明感官評價的實測值與預測值有很好的擬合度。因此，該模型擬合程度較好，可以用此模型來分析和預測胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料的工藝。各影響因素主次順序為：X1（白砂糖添加量）＞X3（乳清發酵液添加量）＞X2（胡蘿卜汁∶蘋果汁）。

2.3.2 響應面分析 利用Design Expert 7.0軟件對數據進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面圖如圖4～圖6所示。

比較三組圖可知：糖添加量與果汁比例對感官評價的影響顯著；糖添加量與乳清發酵液添加量對感官評價的影響不顯著；果汁比例與乳清發酵液添加量對感官評價的影響不顯著。

回歸模型的決定系數為X1、X1X2、X12、X22、X32，即白砂糖添加量、白砂糖和果汁比值之間的交互作用、白砂糖添加量的二次項、果汁比值的二次項對產品的感官評價的影響達到極顯著，發酵乳清基料的添加量的二次項對產品的感官評價的影響達到顯著。

表7 方差分析Table 7 Analysis of variance

圖4 糖添加量與果汁比例對感官評價影響的響應面圖Fig.4 Response surface for the effects of sugar and fruit juice ratio on sensory evaluation

圖5 糖添加量與乳清發酵液添加量對感官評價影響的響應面圖Fig.5 Response surface and for the effects of sugar and whey additive amount on sensory evaluation

2.3.3 最佳條件的確定 通過該回歸方程求解優化后的最佳工藝參數為：白砂糖添加量6.7%、胡蘿卜與蘋果汁比例2.2∶1（果汁總量占飲料總量的50%）、乳清發酵液添加量38%，此條件下該乳酸飲料的感官評價可達到91.9589。對最佳條件下進行驗證，選白砂糖添加量6.7%、胡蘿卜與蘋果汁比例2.2∶1、乳清發酵液添加量38%為樣品進行感官評價，平均值為92.5，與預測值接近，說明模型能夠較好預測實際情況。

圖6 果汁比例與乳清液添加量對感官評價影響的響應面圖Fig.6 Response surface for the effects of juice ratio and whey additive amount on sensory evaluation

3 結論

本實驗利用乳清基料進行發酵，制備出具有發酵乳清特有風味，酸甜適中，口感良好，果味清香濃郁的乳清發酵飲料。本產品為乳制品副產物乳清基料的充分利用提供了依據，同時豐富了乳清產品的類型。

3.1 通過正交實驗確定乳清基料發酵的最佳參數為：發酵溫度42℃，接種量4%，發酵時間5h，乳糖添加量4%。

3.2 通過響應面法優化了胡蘿卜蘋果乳清發酵飲料加工工藝，建立了多元回歸模型，模型擬合度良好。確定的最佳比例為：白砂糖添加量6.7%，胡蘿卜蘋果果汁比例2.2∶1（果汁占總量50%），乳清發酵液添加量38%。

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Optimization of technology of the carrot-apple-whey fermented beverage using response surface methodology

LI Liang，WANG Shuai，CHENG Jian-jun，FENG Xian-min，YANG Wen-xin
（Food College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

This experiment took the carrot，apple，whey fermented liquid as raw materials to study the process conditions of whey beverages preparation.Using response surface optimization method，the fermentation process of carrot-apple-whey fermented beverage fermented process were studied.Results showed that the best process conditions was sugar 6.7%，carrot apple juice percentage 2.2∶1（juice accounted for 50%of the total），whey fermented liquid 38%.The product was a kind of stability good mixed fruit and vegetable of fermented beverage，sensory evaluation score of 92.5，had rich nutrition，sweet，with full-bodied apple carrot mixture of incense smell.

response surface methodology；whey beverage；fermentation；carrot；apple

TS275.5

B

1002-0306（2014）08-0267-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.052

2013－07－08

李良（1981-），男，博士，講師，研究方向：農產品精深加工。

黑龍江省教育廳面上項目（12531022）。