響應面法優化木糖醇酸奶制作工藝

2019-04-12 06:30:18陳艾嘉廖柳媚蘇慧倫

農產品加工 2019年5期

陳艾嘉，楊昭，李威，廖柳媚，蘇慧倫

（廣東食品藥品職業學院，廣東廣州 510520）

木糖醇是一種多元糖醇類物質，為白色結晶性顆粒或粉末，具有清涼的甜味，甜度和蔗糖一樣，熱穩定性好且不會發生美拉德反應，具有較高的營養價值，是多元醇類產品中最甜的甜味劑，也是人體糖類代謝的正常中間體[1]。木糖醇可作為糖尿病患者的營養劑和糖代謝的調整劑，具有良好的防齲齒功能，可以預防肺部感染、中耳炎和骨質疏松癥。

酸奶是一種以鮮牛奶為主要原料，經乳酸菌發酵而得到且營養價值豐富的半固體乳制品[2]。酸奶的營養、保健價值較高，能夠提高食欲、改善腸道的消化吸收、增加腸道有益菌的數量、維持腸道菌群的生態平衡，有效促進人體對鈣、磷等元素的吸收，并能降低血清中膽固醇的含量，提高人體免疫力，預防心血管疾病等[3]。因此，常飲用酸奶對人體健康具有很多益處。

響應曲面法（Response surface methodology，RSM）是一種應用廣泛的試驗優化方法，可有效快速地確定多因子系統的最佳試驗條件。利用響應曲面法具有試驗次數少、時間短等特點，可對試驗進行全面的研究[4]。目前，RSM在乳飲料加工、多糖及生物制劑提取等工藝的優化已有廣泛應用[5]。試驗探索了發酵工藝、熱處理溫度對木糖醇酸奶在貯藏過程中的品質變化，并對木糖醇酸奶的風味物質進行分析，旨在提出合理的加工工藝條件、熱處理溫度和貯藏條件，為開發木糖醇酸奶制品和產品的市場推廣提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

木糖醇，山東龍力生物科技股份有限公司提供；純牛奶（蛋白質2.9%、脂肪3.6%），蒙牛乳業（集團）股份有限公司提供；保加利亞乳桿菌凍干粉、嗜熱鏈球菌凍干粉，陜西森弗天然制品有限公司提供。

1.2 儀器與設備

NS810型分光測色儀，深圳市三恩馳科技有限公司產品；HH-6型數顯恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司產品；DHG-9075A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司產品；APV-60型高壓均質機，上海順儀實驗設備有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 木糖醇酸奶工藝流程

原料奶→鮮奶處理→牛奶（加入木糖醇）→均質→滅菌→冷卻→接種（保加利亞乳桿菌+嗜熱鏈球菌）→裝瓶→發酵→冷藏→成品。

1.3.2 操作要點

（1）原料乳的選擇。要符合國家標準要求、無抗生素。將驗收來的鮮奶過濾，并加入適量的脫脂奶粉，調整可溶性固形物含量。

（2）均質。均質前物料混合均勻，原料乳預熱到55~65℃，在10 MPa的壓力下進行均質，使制品口感更好。

（3）滅菌。升溫至95℃，保溫3~5 min進行滅菌。滅菌后，將原料乳冷卻到40℃。

（4）發酵劑的品質控制及接種量。工作發酵劑要從色澤、組織、氣味、滋味4個理化指標綜合考慮，感官達到要求后可測定活力，乳酸菌活力值在0.80~0.95，接種量為2.5%。

（5）接種。往原料乳中接入經過馴化培養的乳酸菌培養液。裝瓶封口，放在恒溫培養箱中進行發酵。

（6）冷藏：冷藏溫度為4℃，時間12 h。

根據響應曲面法中的Box-Behnken中心組合設計原理，選擇木糖醇添加量（A）、菌種接種量（B）、發酵溫度（C）、發酵時間（D）4個因素為自變量，每個因素取3個水平，以-1，0，1為編碼，以感官評價得分為響應值（Y），采用Design Expert 8.0.6軟件設計四因素三水平的響應面分析試驗，共29個試驗點，其中24個為分析因子，5個為中心試驗用以估計誤差。

Box-Benhnken設計試驗因素水平見表1。

表1 Box-Benhnken設計試驗因素水平

1.3.3 木糖醇酸奶品質評定

（1）感官評定方法及標準。根據木糖醇酸奶的色澤、香氣、口感及組織狀態進行感官評價，隨機選擇10名食品專業人員對產品進行感官評定[6]。根據感官評定標準進行打分，取其平均值作為最終評價記錄。

木糖醇酸奶感官評定標準見表2。

（2）滴定酸度的測定。參考GB 5009.239—2016對發酵乳滴定酸度進行測定。滴定酸度（吉爾里耳度°T）表示牛乳的酸度：（°T）指滴定100 mL牛乳樣品，消耗0.1 mol/L的NaOH的量。

表2 木糖醇酸奶感官評定標準

（3）色度的測定。使用色差儀對處理后的樣品進行色度分析，每個樣品取3個平行測定，結果以“平均值±標準差”表示。其中，L*值，a*值，b*值可由色差計直接讀出，按照公式計算△E。

式中：L*——明度；

a*——紅色度；

b*——黃色度。

1.4 單因素試驗

依次進行木糖醇添加量、菌種接種量、發酵溫度、發酵時間單因素試驗，以酸度、色度和感官評價為考查指標。

1.4.1 木糖醇添加量對酸奶品質的影響

在發酵溫度41℃，發酵時間8 h，菌種比例1∶1，菌種接種量0.4%的條件下，考查木糖醇的接種量按質量分數分別為3%，5%，7%，9%，11%時的影響。

1.4.2 菌種接種量對酸奶品質的影響

在發酵溫度41℃，發酵時間8 h，菌種比例1∶1，木糖醇添加量7%的條件下，考查菌種接種量分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%時的影響。

1.4.3 發酵溫度對酸奶品質的影響

在發酵時間8 h，木糖醇添加量7%，菌種比例1∶1，菌種接種量0.4%，考查發酵溫度分別為35，38，41，44，47℃時的影響。

1.4.4 發酵時間對酸奶品質的影響

在發酵溫度41℃，木糖醇添加量7%，菌種比例1∶1，菌種接種量0.4%，考查發酵時間分別為2，4，6，8，10 h時的影響。

2 結果與分析

2.1 單因素結果分析

2.1.1 木糖醇添加量對酸奶品質的影響

木糖醇添加量對酸奶品質的影響見表3。

表3 木糖醇添加量對酸奶品質的影響

從色度方面來看，木糖醇添加量小于7%，△E隨著木糖醇添加量的增加而下降，說明木糖醇添加量的增大能降低酸奶的色差；當木糖醇添加量超過7%后，△E的值呈現顯著上升趨勢（p<0.05），色差變大。從酸度值可發現，木糖醇添加量在7%以下時，木糖醇添加量的增大對酸奶的酸度值無顯著性影響（p>0.05）；在木糖醇添加量超過7%后，酸度值隨著木糖醇添加量的增大而呈現顯著下降趨勢（p<0.05），而且隨著木糖醇添加量增加，整體上酸度值呈現下降趨勢。從感官評定看，木糖醇添加量在7%以上時，酸奶味濃郁、酸甜適中、滋味良好，是由于適宜的糖添加量使得菌種發酵良好，形成的各種風味物質也有很好的作用，滋味良好。

2.1.2 菌種比例對酸奶品質的影響

菌種接種比例對酸奶品質的影響見表4。

接種比例對色差、酸度及感官評價的影響無顯著性差異。因菌種間的共生，使用混合發酵劑可大大縮短發酵時間，并對發酵產品的風味、口感、質地等也產生良好的效果。整體上，發現菌種比例主要會影響發酵酸奶的風味。如果產酸能力強的保加利亞乳桿菌接種過多容易使產品酸化速度過快，后酸化過強，乳清析出嚴重，大大影響了產品的結構和質地品質。因而，菌種接種比例選擇1∶1。

表4 菌種接種比例對酸奶品質的影響

2.1.3 菌種接種量對酸奶品質的影響

菌種接種量對酸奶品質的影響見表5。

在酸奶發酵過程中，2種菌種復合會提高酸奶的發酵產酸速度，嗜熱鏈球菌有利于提高酸奶酸度，縮短酸奶發酵時間，而保加利亞乳桿菌的產物對酸奶的風味有很大影響。復合菌種接種量對酸奶發酵影響較大，若接種量大，會導致酸奶發酵速度過快，酸奶的風味不足；接種量太少，酸奶發酵能力受挫，發酵時間延長，也會使酸奶風味不佳[7]。

表5 菌種接種量對酸奶品質的影響

由表5可知，復合菌種接種量0.4%以上時，隨著接種量的增大，酸度越來越大，具有顯著性差異（p<0.05）。色差隨著接種量的增大而減小，接種量在一定范圍內酸奶感官品質較好，接種量過高或者過低都會影響酸奶的感官及質地品質。當菌種接種量為0.4%時，原料得到充分利用，發酵良好，能很好地產生多種風味物質，使得樣品的滋味良好，酸甜適中，感官評分最高。

2.1.4 發酵溫度對酸奶品質的影響

發酵溫度對酸奶品質的影響見表6。

由表6可知，隨著發酵溫度的上升，酸度從62.5~93.0°T時逐漸增大；色度值呈現無規律變化的趨勢，感官評分先升后降，可能是因為酸度過大，導致口感下降。這與混合發酵劑不同溫度下的產酸特性相關。低溫下較有利于菌種的發酵，產生的風味較好，但是由于該菌發酵的產酸特性差，而低溫條件下菌種發酵不完全，不利于更多風味物質的形成，因而使得樣品的酸味不足，滋味偏甜。發酵溫度38~47℃時制作的樣品，原乳味明顯減弱，酸奶味濃郁，且滋味良好，其產酸性能也比較好，使樣品酸甜適中，滋味良好。因此，考慮最適發酵溫度為41℃。

表6 發酵溫度對酸奶品質的影響

2.1.5 發酵時間對酸奶品質的影響

發酵時間對酸奶品質的影響見表7。

表7 發酵時間對酸奶品質的影響

酸奶發酵的過程中各種生物化學變化會影響酸奶最終品質，其中影響酸奶加工過程的一個重要因素是選擇適宜長短的發酵時間。由表7可知，隨著發酵時間的延長，酸奶的色差越來越大，說明發酵時間會增大酸奶的色澤，使顏色加深，但8 h內，色差無顯著性差異（p>0.05）；在10 h時，色差變化顯著（p<0.05）。從酸度值發現，發酵時間越久，酸度增大速度越快，而且酸度值越大。發酵時間為8 h時，木糖醇酸奶的感官評定值最高。說明發酵時間過短和過長均會影響產品的組織狀態、穩定性及口感。發酵時間過短，菌種沒有充分發揮作用，產酸不足，酸乳凝固性較差，組織狀態不均勻；發酵時間過長，產品過度酸化，乳清析出現象加劇，口感較酸澀。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 試驗設計及結果

根據單因素試驗結果，利用Box-Behnken組合試驗設計原理[8]。研究制備木糖醇酸奶過程木糖醇添加量（A）、菌種接種量（B）、發酵溫度（C）、發酵時間（D）4個影響因素對木糖醇酸奶品質的影響，以感官評分為響應值Y，優化木糖醇酸奶發酵工藝。

Box-Benhnken試驗設計及結果見表8。

試驗結果采用Design Expert.V 8.0.6.1軟件對表10中27個試驗點的響應值進行多元回歸擬合得到感官得分與各因素的二次多項回歸方程模型Y：

回歸方程方差分析見表9，二次回歸方程的可信度分析見表10。

表8 Box-Benhnken試驗設計及結果

對模型進行顯著性檢驗，由回歸模型的方差分析表10可以看出，模型的F值為9.50，“Prob>F”的p<0.01，模型因子是具有極顯著性意義的。表10中，木糖醇酸奶感官評價模型的相關系數R2=0.904 8，說明該模型擬合程度良好，試驗誤差小；校正擬合度R2Adj為0.809 5，說明模型可以解釋80.95%響應值的變化。Adeq Precision=9.569，C.V=3.16%，說明模型有著較好的信噪比，試驗穩定性比較高，模型方程能夠較好地反映真實的試驗值，因此可以用該回歸方程模型來解釋設計方案。

表9 回歸方程方差分析

表10 二次回歸方程的可信度分析

各因素間顯著性分析見表11。

表11 各因素間顯著性分析

由表11分析結果可知，表中F值越大表明該因素對木糖醇酸奶感官評價的影響越顯著，各因素對木糖醇酸奶感官評價的影響大小依次為菌種接種量>木糖醇添加量>發酵溫度>發酵時間。在此回歸方程模型中F，C2和D2是極顯著性因子項（p<0.01）；A，C和交互項AC，B2為顯著性因子項（p<0.05）；而D和交互項AB，AD，BC，BD，CD，A2均無顯著性差異（p>0.05）。

2.2.2 各因素交互作用

根據模型繪制三維曲面圖，可直觀地看出各因素的交互作用對木糖醇酸奶感官評價的影響。若曲線越陡峭，則表明該因素對木糖醇酸奶感官評價的影響越大，相應表現為響應值變化的大小。由回歸系數模型及方差結果分析可知，4個因素中，只有木糖醇添加量與發酵溫度之間存在顯著的交互作用，而木糖醇添加量與菌種接種量、木糖醇添加量與發酵時間、菌種接種量與菌種接種量的交互作用均不顯著。

木糖醇添加量和菌種接種量對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖1，木糖醇添加量和發酵溫度對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖2，木糖醇添加量和發酵時間對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖3，菌種接種量和發酵溫度對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖4，菌種接種量和發酵時間對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖5，發酵溫度和發酵時間對酸奶感官評價的曲面圖及等高線見圖6。