低糖紫薯豆乳冰淇淋工藝配方優化研究

孫博瑞，姚瑤，黃章琪，王昌蓮，焦士蓉

（西華大學食品與生物工程學院，成都610039）

0 引 言

大豆是我國傳統食品之一，具有很高的營養價值。大豆蛋白被稱作“全價蛋白質”，是最具營養的植物蛋白[1]。紫薯營養豐富，紫薯中的花青素作為天然色素相對于人工合成色素安全性高，色調自然，且在中性或者酸性條件下色澤穩定，是一種理想的天然食用色素資源[2-4]。甜菊糖苷是一種從菊科草本植物甜葉菊當中提取的天然的高甜度、低熱量的甜味劑，其甜度是蔗糖的200～350倍，但是熱量僅為蔗糖的1/300且具有多種生理功能[5]，甜菊糖苷作為安全天然可靠的甜味劑已得到充分驗證[6-7]。

冰淇淋是一種深受大眾喜愛的夏日解暑良品，但傳統冰淇淋屬于高脂肪、高熱量、高膽固醇食品，不適宜糖尿病、冠心病、高血脂等病人食用。基于市場經濟和大眾對食品“天然、營養、健康”的新要求，冰淇淋逐步向營養保健型的復合型產品轉化[8]。早在1979年，就有學者提出用大豆植物蛋白替代乳制品用于冰淇淋加工中[9]，近幾年研究表明，大豆蛋白能夠使冰淇淋在老化過程中的質地得到一定的改善[10-11]，且不同品種的大豆及不同替代比對冰淇淋產品口味口感都存在較大差異[12-13]。紫薯花青素多運用于面制品中[14]，也有研究發現，紫薯花青素不受冰淇淋老化和冷凍過程的影響，可用于冰淇淋產品的加工[15]，但相關報道較少。另外，近年來甜菊糖苷也被廣泛利用，中國市場中甜菊糖苷主要應用在果茶飲料、風味發酵乳等飲料中，目前包括可口可樂、百事可樂、達能等跨國食品公司，都在不斷開發甜菊糖苷代糖的新產品[16-17]。

本文研究了用大豆粉、紫薯粉、甜菊糖苷為原料制作低糖紫薯豆乳冰淇淋的加工工藝，拓展了低糖功能性冰淇淋的開發思路，擴大了大豆粉、紫薯粉的利用價值，結合大豆粉、紫薯粉、甜菊糖苷特點的冰淇淋產品風味獨特，色澤柔和舒適，香氣濃郁，熱量低、具有一定抗氧化性。

表1低糖紫薯豆乳冰淇淋感官評價評分標準

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冰淇淋原料：大豆粉、雀巢全脂高鈣奶粉、紫薯粉、蔗糖、飲用水均為市售食品級；黃原膠、海藻酸鈉、甜菊糖苷、蛋黃粉，鄭州飛翔生物科技有限公司。

1.2 設備與儀器

JA2003電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；冰箱；TW-JTM-300膠體磨，上海沃迪智能裝備股份有限公司；GJB30L/h-40MPa均質機，常州市超力均質泵廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 冰淇淋產品工藝流程

冰淇淋的制作工藝參考孫雪姣[18]、賈娟[19]等人的方法并作適當調整。

1.3.2 低糖紫薯豆乳冰淇淋感官評定方法

為了養護腸胃，平時也不建議大家喝太熱或太涼的水，喝太燙的水會把口腔和食道黏膜“燙壞”，太涼又會刺激胃腸道。

以10人組成感官評定小組，采用100分制的計分方法，按照表1進行評分。

1.3.3 低糖紫薯豆乳冰淇淋最佳配方的確定

最佳配方采用單因素實驗與Box-Benhnken設計實驗的方法，以感官評分值為指標來確定。

（1）單因素實驗設計

以感官評分為指標，根據大量參考文獻[12-13，15-16]及預實驗選定奶粉：豆粉比例、豆奶粉（即大豆粉與奶粉的混合粉）：紫薯粉比例、加糖量、甜菊糖苷替代蔗糖比例、冰淇淋粉（即大豆粉、奶粉、紫薯粉、蔗糖、甜菊糖苷、添加劑混分）∶水比例為單因素，設定基本條件為奶粉∶豆粉=1∶1、豆奶粉（豆粉及奶粉混合物）∶紫薯粉=2∶1、甜菊糖苷替代30%蔗糖、冰淇淋粉：水=1∶2、加糖量20%。固定其他條件不變，逐一考察奶粉∶豆粉比例（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）、豆奶粉∶紫薯粉比例（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）、加糖量（5%、10%、15%、20%、25%）、甜菊糖苷替代蔗糖比（0、10%、20%、30%、40%）、冰淇淋粉∶水比例（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5）對冰淇淋產品感官評分的影響。

（2）響應面優化實驗設計

根據單因素試驗結果，確定加糖量為20%，選取豆粉：奶粉比例（A），豆奶粉：紫薯粉比例（B），甜菊糖苷替代蔗糖比例（C），冰淇淋粉∶水的比例（D）4個因素，以-1、0、1分別編碼自變量的3個水平，以冰淇淋的感官評分（R）為響應值，按照表2設計四因素三水平響應面試驗以確定最佳的低糖紫薯豆乳冰淇淋配方。

根據GB/T 31321-2014《冷凍飲品檢驗方法》測定冰淇淋產品的總固形物含量、總糖含量和脂肪含量。

表2 Box-Benhnken設計實驗因素水平及編碼

1.3.5 數據統計

響應面數據采用Design Expert.V8.0.6軟件進行統計分析。另外采用Excel 2010，SPSS 22.0對數據進行分析處理。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗條件的確立

2.1.1 奶粉與豆粉比例對冰淇淋感官的影響

圖1奶粉與豆粉比例對冰淇淋感官的影響

由圖1可知，隨著豆粉添加比例的增加，冰淇淋的感官評分呈現先增加后減小的趨勢，當奶粉豆粉比例為1∶1時，感官評分達到峰值為73分。該變化說明適當的增加豆粉比例能夠改善冰淇淋的風味，分析具體感官評分報告可以看出，豆粉添加比例過高會影響冰淇淋的口感，奶香味逐漸消失且有澀味產生。該結論與李新華[20]、侯團偉[21]等人的結論相近。故選擇奶粉：豆粉為1∶1。

2.1.2 豆奶與粉紫薯粉的比例對冰淇淋感官的影響

圖2豆奶與粉紫薯粉比例對冰淇淋感官的影響

根據圖2可知，冰淇淋的感官評分受紫薯粉添加比例影響較大，冰淇淋的感官評分隨著紫薯粉添加比例的增加先升高后降低，豆奶粉∶紫薯粉比=2∶1時冰淇淋感官評分最高。實驗結果表明較高和較低的紫薯粉添加量均對冰淇淋感官有不良影響。分析具體感官評分報告可以得到，紫薯粉添加量過少時，冰淇淋色澤暗淡偏灰且紫薯香味較淡；添加量過高則會由于紫薯纖維素含量較高增加冰淇淋的顆粒感及粗糙程度，大大降低了冰淇淋產品的適口性。故選擇豆奶粉∶紫薯粉為2∶1。

2.1.3 加糖量對冰淇淋感官的影響

圖3加糖量對冰淇淋感官的影響

由圖3可以看出，加糖量對冰淇淋感官評分的影響不大。綜合分析實驗結果，原因可能是不同人群對糖的嗜好不同，且因為相對樣本量較少，差距很難顯現。由于甜菊糖苷甜味較大，替代蔗糖時相對加入量小，為了后續實驗可操作性，選擇加糖量為20%，并不繼續對糖添加量進行響應面優化研究。

2.1.4 甜菊糖苷替代蔗糖量對冰淇淋感官的影響

圖4甜菊糖苷替代比對冰淇淋感官的影響

由圖4可知，隨著甜菊糖苷替代比的增長，冰淇淋感官評分也隨之升高，在甜菊糖苷替代達到30%后趨于穩定，綜合分析具體感官評分表，甜菊糖苷替代40%時甜度更加適宜，且刺激性后味較為短暫，沒有苦味，甜味柔滑性略好，脂肪感與市售冰淇淋樣品更加接近，故后續實驗選擇甜菊糖苷替代比為40%。

2.1.5 冰淇淋粉與水的比例對冰淇淋感官的影響

圖5冰淇淋粉與水的比例對冰淇淋感官的影響

水添加量直接影響冰淇淋的質量。由圖5可知，冰淇淋感官評分隨著水添加量的增加，呈現出先升高后降低的趨勢，當水的添加量為冰淇淋粉的2倍時冰淇淋的感官評分最高。水添加量過低時，冰淇淋的質地緊實，口感粗糙，顆粒感極強，失去了冰淇淋應有的綿軟口感。水添加量過高時，冰淇淋產品顏色不純正，香味變淡或消失，在老化、凝凍的過程中冰淇淋內部產生較大冰晶，大大降低了其適口性，光滑度、口融性極差。綜上所述，冰淇淋粉與水比例選擇1∶2。

2.2 響應面法優化低糖紫薯豆乳冰淇淋配方

2.2.1 響應面法試驗設計結果及方差分析

表3 Box-behnken響應面設計及結果

2.2.2 回歸模型方差分析

應用Design Expert 8.0軟件對表2中的感官評分進行多元回歸分析，結果見表4。

表4回歸模型方差分析結果表明，實驗所選用模型P=0.0027＜0.01（極顯著），說明不同因子與響應值之間的線形關系顯著，試驗方法可靠。失擬項P值＞0.05，（不顯著），表明該方程對實驗的擬合情況良好，接近真實的響應曲面的情況。本實驗R2=0.8303，表明預測值與實際值之間相關性尚可。變異系數6.48%，故可以利用此模型對冰淇淋的感官評分進行預測。四個因子通過擬合，得到二元多項回歸方程：

表4 Box-Benhnken試驗結果分析

感官評分=79.91+1.55A-2.90B-0.71C-2.19D-1.95AB-0.19AC-2.86AD+0.11BC+2.00BD-2.44CD-1.02A2-5.17B2-5.19C2-12.36D2

2.2.3 響應面交互作用分析

利用Design-Expert V8.0.6軟件分析，得到的3D圖可直觀反映響應因素，不同因子間的響應面分析圖如圖6所示。

圖6奶粉與豆粉比例及豆奶粉與紫薯粉比例交互作用的等高線圖和響應面圖

圖7奶粉與豆粉比例與甜菊糖苷替代蔗糖比交互作用的等高線圖和響應面圖

圖8奶粉與豆粉比例與水的添加量交互作用的等高線圖和響應面圖

圖9豆奶粉：紫薯粉比例與甜菊糖苷替代蔗糖比例交互作用的等高線圖和響應面圖

圖10豆奶粉與紫薯粉比例與水添加量交互作用的等高線圖和響應面圖

圖11甜菊糖苷替代比與水添加量交互作用的等高線圖和響應面圖

由圖6-圖11可以看出，這4個因素兩兩之間的交互作用呈橢圓狀，比較影響的大小排序為：D＞C＞B＞A，即水添加量＞甜菊糖苷替代比＞豆奶粉：紫薯粉比例＞豆粉：奶粉比例。且響應面最高點在所選范圍內，說明冰淇淋的感官評分存在最高值。

2.2.4 最佳工藝的預測和驗證

通過輔助軟件Design Expert優化冰淇淋配方。得到理論上最佳配方和相應數據為，奶粉∶豆粉=3∶2，豆奶粉∶紫薯粉=1.48∶1，甜菊糖苷替代蔗糖比39.65%，水添加為冰淇淋粉的1.76倍。在此條件下進行3次驗證實驗，求平均值，得到的實驗結果為81.25。根據回歸方程，計算得其感官評分預測值是82.32，相對誤差小于10%。證明相應面優化低糖紫薯豆乳冰淇淋配方是可行的。

2.3 冰淇淋中理化指標的測定

冰淇淋成品的理化指標根據GB/T 31321-2014測定，以基本配方作為對照組，測定對照組和實驗組的總可溶性固形物含量、總糖含量和脂肪含量。實驗結果表明，實驗組樣品可溶性固形物的含量降低了35%，總糖含量降低至4.22%，較對照組下降了15.98%，脂肪含量降低了7.6%，計算可得每100 g低糖紫薯豆乳冰淇淋能量約為544.4k J，約為市場同類產品的一半。這說明低糖紫薯豆乳冰淇淋的配方在提高冰淇淋產品營養價值的同時達到了降低熱量的作用。

3 結 論

通過單因素實驗和Box-Benhnken響應面優化，確定了低糖紫薯冰淇淋的最優配方，奶粉∶豆粉=3∶2，豆奶粉∶果蔬粉=1.48∶1，甜菊糖苷替代比39.65%，水添加量為冰淇淋粉的1.76倍。通過對最佳配方的冰淇淋的理化指標的測定，結果表明，低糖紫薯冰淇淋的可溶性固形物、總糖和脂肪含量較對照組均明顯降低，表明該新產品配方能有效降低冰淇淋產品的熱量。這預示著用大豆粉替代奶粉，用紫薯粉替代色素，用甜菊糖苷替代蔗糖的思路生產具有功能性，較健康的冰淇淋產品是可行的。該實驗為開發新的冰淇淋產品提供了一定的參考和新的思路。