響應(yīng)曲面法優(yōu)化紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝

王彥平，劉曉麗，孫瑞琳，焦鐳

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州451450）

響應(yīng)曲面法優(yōu)化紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝

王彥平，劉曉麗，孫瑞琳，焦鐳

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州451450）

以紫山藥和牛乳為原料，研究了紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝。以感官評(píng)價(jià)為指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析，優(yōu)化紫山藥漿添加量、白砂糖添加量、菌種添加量影響了紫山藥酸奶發(fā)酵效果的工藝參數(shù)。建立了響應(yīng)面回歸模型，最終得出紫山藥酸奶最佳工藝參數(shù)為：紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%。在此條件下制得的紫山藥酸奶總抗氧化值為21.03 U/g，具有一定的抗氧化功能，顏色微紫、組織細(xì)膩、酸甜可口、風(fēng)味獨(dú)特，適合飲用。

紫山藥；酸奶；響應(yīng)曲面；感官

0 引 言

紫山藥為薯蕷科山藥屬一年生或多年生植物參薯的塊莖，又名紫淮山、大薯、參薯等。其塊莖質(zhì)脆且有黏性，同時(shí)富含淀粉、膳食纖維、礦物元素、氨基酸、花青素、黏質(zhì)多糖、尿囊素和薯蕷皂苷等多種營(yíng)養(yǎng)和活性成分[1-3]，其具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、降血糖、降血脂等作用。據(jù)《本草綱目》記載紫山藥具有補(bǔ)脾胃、滋肺益腎、消渴等功效，對(duì)脾虛腹瀉、久痢不愈、虛勞咳嗽、氣虛衰弱等有一定的食療作用[4]。

目前，響應(yīng)曲面法在乳飲料加工、多糖提取及生物制劑提取等工藝過(guò)程的優(yōu)化已有較多應(yīng)用[5-10]。筆者以紫山藥和牛乳為主要原料，對(duì)研制出的紫山藥抗氧化酸奶進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，利用響應(yīng)面法對(duì)試驗(yàn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，旨為紫山藥抗氧化酸奶的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與試劑

紫山藥，純牛奶（1 L），保加利亞乳桿菌(Lactobacil?lus bulgaricus，Lb.)，嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus，St.)為河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院食品工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室提供，蔗糖（市售）。

1.2 儀器與設(shè)備

BPH-9272型恒溫培養(yǎng)箱，GYB60-6S均質(zhì)機(jī)，電熱恒溫水浴鍋，LDZX-50FBS型壓力蒸汽滅菌器，F(xiàn)A1604電子分析天平，BD/BC-718C升型臥式冷柜，PHS-3C精密pH計(jì)。

1.3 紫山藥抗氧化酸奶生產(chǎn)工藝

1.3.1 工藝流程

1.3.2 紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)

感官評(píng)定的小組是由16名經(jīng)過(guò)訓(xùn)練過(guò)的人員組成，熟悉各類(lèi)型酸奶的感官評(píng)定。評(píng)價(jià)指標(biāo)為酸奶的色澤、組織形態(tài)、口感及香味。取平均分作為感官評(píng)價(jià)結(jié)果，依據(jù)表1感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3.3 微生物指標(biāo)檢驗(yàn)

檢驗(yàn)指標(biāo)主要為大腸菌群和致病菌，按照GB/T 4789.18-2003《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn)乳與乳制品檢驗(yàn)》規(guī)定的方法進(jìn)行檢驗(yàn)[11]。

表1 紫山藥保健酸奶感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.4 紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵條件優(yōu)化

1.4.1 單因素實(shí)驗(yàn)

經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)得出，發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官分值影響較小，因此，選擇紫山藥漿添加量、蔗糖添加量、菌種添加量為考察因素，以達(dá)到縮小響應(yīng)面設(shè)計(jì)中因素水平范圍的目的，為下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

1.4.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，以紫山藥漿添加量、蔗糖添加量及菌種添加量為考察因素，紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)分Y為響應(yīng)值，利用Design Expert8.0.6軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得紫山藥抗氧化酸奶最佳發(fā)酵工藝條件，試驗(yàn)因素水平編碼如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 紫山藥漿添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)影響

紫山藥漿添加量的多少不僅會(huì)影響酸奶的風(fēng)味，還會(huì)對(duì)酸奶的發(fā)酵效果及品質(zhì)有很大的影響，添加量太大，會(huì)導(dǎo)致粘稠度過(guò)高，風(fēng)味不好，添加量太少，會(huì)使酸奶色澤亮度低，感官評(píng)分低。在白砂糖、菌種添加量分別為9%和0.17%時(shí)，紫山藥漿添加量分別設(shè)置為20%，22%，24%，26%，28%，30%，32%，34%，36%；統(tǒng)計(jì)感官評(píng)分分值，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，感官分值隨紫山藥漿添加量的增加先增大然后降低，在添加量為28%左右感官分值達(dá)到最大值，故選用28%～32%的紫山藥漿添加量，在此范圍內(nèi)的感官分值都大于80分。

2.1.2 白砂糖添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)影響

白砂糖不但直接影響產(chǎn)品的甜度，還會(huì)對(duì)乳酸菌的發(fā)酵有一定的影響。酸奶中添加蔗糖可以緩和酸度，改善酸奶風(fēng)味，提高口感品質(zhì)，而適宜的白砂糖可以促進(jìn)乳酸發(fā)酵的進(jìn)行，但是白砂糖濃度過(guò)高將會(huì)抑制整個(gè)發(fā)酵過(guò)程[12-13]。固定紫山藥漿、菌種添加量分別為28%和0.17%；當(dāng)白砂糖添加量分別為2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%，16%時(shí)；測(cè)定不同白砂糖添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)分值隨白砂糖添加量的增加先增大后減小，在添加量為8%時(shí)感官分值達(dá)到最高，在添加量為8%～12%范圍內(nèi)，感官評(píng)價(jià)分值都大于80分，故選用白砂糖添加量8%～12%為適宜范圍。

圖1 感官分值隨紫山藥漿添加量的變化

圖2 感官分值隨白砂糖添加量的變化

2.1.3 菌種添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)影響

在酸奶發(fā)酵過(guò)程中，兩種菌種復(fù)合會(huì)提高酸奶的發(fā)酵產(chǎn)酸速度，嗜熱鏈球菌有利于提高酸奶酸度，縮短酸奶發(fā)酵時(shí)間，而保加利亞乳桿菌的產(chǎn)物對(duì)酸奶的風(fēng)味有很大影響[14]。復(fù)合菌種接種量對(duì)酸奶發(fā)酵影響較大，若接種量大，會(huì)導(dǎo)致酸奶發(fā)酵速度過(guò)快，酸奶的風(fēng)味會(huì)受到影響，接種量太少，酸奶發(fā)酵能力受挫，發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，也會(huì)使酸奶風(fēng)味不足[15]。固定紫山藥漿、白砂糖添加量分別為28%和9%；菌種添加量分別為0.06%，0.09%，0.12%，0.15%，0.18%，0.21%，0.24%，0.27%；測(cè)定不同菌種添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 感官分值隨菌種添加量的變化

由圖3可以看出，紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)分值隨菌種添加量的增加先增大后減小，在菌種添加量為0.18%左右時(shí)感官分值達(dá)到最高，在添加量為0.09%～0.18%范圍內(nèi)，感官評(píng)價(jià)分值都大于80分，故選用菌種添加量0.09%～0.18%為適宜范圍。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在確定三種因素適宜范圍后，選擇紫山藥漿添加量（X1）、白砂糖添加量（X2）、菌種添加量（X3）三個(gè)因素為自變量，感官評(píng)價(jià)分值為因變量Y，利用BOX等[16]的設(shè)計(jì)原理對(duì)紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用Design-expert 8.0.6軟件對(duì)表3進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到感官評(píng)價(jià)分值Y與自變量X1，X2，X3的二次回歸方程為Y=80.80-0.62X1+0.13X2-0.25X3-0.25X1X2-0.5X1X3+0.5X2X3-2.03X12-1.53X22-1.27X32。對(duì)此模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)方差分析

對(duì)表4進(jìn)行分析可知，模型P值為0.0013，小于0.01，說(shuō)明該模型顯著。失擬項(xiàng)P值為0.1639，大于0.05，不顯著，說(shuō)明該模型與實(shí)際情況較吻合。因素A、交互項(xiàng)（AB、AC、BC）對(duì)結(jié)果影響顯著，因素B、C對(duì)結(jié)果影響不顯著。3個(gè)單因素影響紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)價(jià)分值的影響順序?yàn)锳＞C＞B，即紫山藥漿添加量對(duì)感官評(píng)價(jià)最為顯著。同時(shí)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9448，表明預(yù)測(cè)效果較佳，可用該模型對(duì)紫山藥抗氧化酸奶加工工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.3 多因素交互作用響應(yīng)曲面分析

各因素交互作用響應(yīng)曲面分析結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出，三張圖的交互結(jié)果較一致，隨著各交互因素添加量的增加，紫山藥抗氧化酸奶的感官評(píng)分值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，總體而言，感官評(píng)分值變化量不大。圖5和圖6中兩因素交互作用較顯著，圖4中兩因素交互作用次之，這與表4中的分析結(jié)果相一致。經(jīng)軟件分析可得，紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%，紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)分預(yù)測(cè)值可達(dá)83.7分。

圖4 紫山藥漿和白砂糖添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線

圖5 紫山藥漿和菌種添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線

圖6 白砂糖和菌種添加量對(duì)紫山藥抗氧化酸奶感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線

2.4 最佳工藝條件的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證響應(yīng)面預(yù)測(cè)得出的最佳工藝參數(shù)，考慮其實(shí)際操作性，將三種添加量分別調(diào)整為28.8%，9.2%，0.18%；進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，最終感官評(píng)分值的平均值為83.45分，與預(yù)測(cè)值較接近，說(shuō)明響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果可行，具有實(shí)際利用價(jià)值。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量各指標(biāo)的測(cè)定

2.5.1 紫山藥抗氧化酸奶感官指標(biāo)

該產(chǎn)品為淡紫色、色澤均勻一致，黏附性較強(qiáng)，無(wú)乳清分離現(xiàn)象，具有紫山藥和牛乳的特殊風(fēng)味，口感細(xì)膩、酸甜適宜。

2.5.2 理化指標(biāo)

紫山藥抗氧化酸奶各項(xiàng)理化指標(biāo)均符合相關(guān)要求。

2.5.3 微生物指標(biāo)

乳酸菌數(shù)大于106CFU/mL，大腸菌群小于28 CFU/mL，致病菌未檢出。

2.5.4 總抗氧化能力比較

根據(jù)總抗氧化能力測(cè)定試劑盒說(shuō)明書(shū)測(cè)定紫山藥酸奶的總抗氧化能力，并與部分市售酸奶比較。由表4可知，按最佳生產(chǎn)工藝所得紫山藥酸奶總抗氧化能力為21.03 U/g，明顯高于其他市售酸奶，具有一定的抗氧化能力，為抗氧化功能性酸奶。

表5 酸奶總抗氧化能力比較

3 結(jié)論

（1）由單因素試驗(yàn)得到紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵前期的試驗(yàn)條件，紫山藥添加量取值范圍為28%～32%，白砂糖添加量范圍為8%～12%，發(fā)酵劑添加量為0.09%～0.18%，為下一步的條件優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

（2）經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化得出紫山藥抗氧化酸奶的最佳工藝配方為紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出的感官評(píng)價(jià)分值較高，研制出的紫山藥抗氧化酸奶口感細(xì)膩，質(zhì)地均勻，風(fēng)味獨(dú)特，其開(kāi)發(fā)前景可觀，也為實(shí)際生產(chǎn)提供了相關(guān)的理論依據(jù)。

（3）最佳條件下所得紫山藥酸奶的總抗氧化能力為21.03 U/g，具有一定的抗氧化能力，為抗氧化功能性酸奶。

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Optimization of fermentation technology of purple yam yogurt with antioxi?dant function by response surface methodology

WANG Yanping,LIU Xiaoli,SUN Ruilin,JIAO Lei

（Henan Vocational College of Agriculture,Zhengzhou 451450）

The purple yam and milk as raw materials,fermentation technology of purple yam yogurt with antioxidant function.The sensory evaluation index,based on single factor experiment,the response surface experiment method to carry on the analysis,the technological param?eters of purple yam yogurt fermentation were optimized.Optimization of py slurry adding sucrose,adding amount of strain parameters influ?ence the effect of purple yam health yogurt fermentation.A response surface regression model was established.Obtained the optimum process parameters of purple yam yogurt:purple yam syrup adding quantity 28.82%,sugar content 9.23%,inoculation amount of 0.18%.Under the condition of purple yam yogurt micro color purple,delicate,sweet and delicious,unique flavor,suitable for drinking.The total antioxidant capacity of purple yam yogurt was 21.03 U/g,which had antioxidant activity.

purple yam;yogurt;response surface;sensory organs

TS252.54

A

1001-2230（2017）08-0057-04

2016-11-25

鄭州市普通科技攻關(guān)項(xiàng)目(153PKJGG424)；2015年度河南省高等學(xué)校優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)；2014年度河南省高等學(xué)校“專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目。

王彥平(1983-)，女，講師，研究方向?yàn)槭称饭δ芘c營(yíng)養(yǎng)因子。

焦鐳