馬鈴薯酸奶研制及貯藏期間的品質變化

郭晶晶 李 斌

(華中農業大學食品科技學院，湖北 武漢 430070)

馬鈴薯俗稱土豆、洋芋，是中國餐桌上常見的食品[1]。馬鈴薯含豐富的賴氨酸與色氨酸，及鉀、鋅、鐵等礦物元素。馬鈴薯所含的纖維素細嫩，對胃腸黏膜無刺激作用，有解痛或減少胃酸分泌的作用，常食馬鈴薯已成為防治胃癌的輔助療法。近年來，隨著馬鈴薯主糧化的提出，馬鈴薯粉、馬鈴薯熱干面、馬鈴薯饅頭等研究層出不窮。同時，也有不少學者研究馬鈴薯的深加工，制作馬鈴薯休閑食品，如烘烤、膨化或是做果脯；還有飲料類如酒、罐頭等。王慧君[2]將馬鈴薯用酶先液化后糖化處理，再接種酵母制作蒸餾酒；王迎[3]從護色、脫水、殺菌等工藝參數研究了馬鈴薯咸菜；曾文杰[4]利用馬鈴薯發酵制取檸檬酸，嘗試取代傳統的玉米發酵。

酸奶中添加水果很常見，添加燕麥等粗糧也不少，但市面上還未出現將馬鈴薯添加到酸奶中的產品，本試驗擬以馬鈴薯、奶粉為原料，通過對發酵時間、溫度、菌粉添加量及攪拌速度、時間、馬鈴薯漿添加量進行研究，優化發酵和攪拌工藝。并對制作出的馬鈴薯酸奶在貯藏期的理化性質進行探討，以期為馬鈴薯深加工研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬鈴薯：湖北省云夢縣產；

全脂奶粉：瑞士雀巢有限公司；

金海芳白砂糖：武漢海芳工貿發展有限公司；

酸奶發酵專用菌粉：法國丹尼斯克(DANISCO)有限公司；

氫氧化鈉、鹽酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

分析天平：BSA124S-CW型，德國Sartorius公司；

pH計：PHS-3C型，上海精密科學儀器有限公司；

電子天平：PTT-A600型，美國康州HZ電子科技有限公司；

恒溫培養箱：DNP-9162型，上海精宏實驗設備有限公司；

磁力加熱攪拌器：78-1型，金壇市醫療儀器廠；

高速冷凍離心機：CR21G型，日本日立高新公司；

質構儀：TA.XT.plus.型，英國Stable Micro System公司；

流變儀：AR2000ex型，美國TA公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

(1)馬鈴薯→清洗去皮→切片→蒸10 min→打漿5 min→馬鈴薯漿

(2)全脂奶粉+6%白糖溶解→均質→巴氏殺菌→冷卻后接種菌粉→發酵→添加馬鈴薯漿并攪拌→4 ℃冷藏后熟→成品

1.2.2 發酵單因素試驗

(1)菌粉添加量對發酵的影響：選取接種量0.010%，0.015%，0.020%，0.025%，0.030%，控制發酵溫度41 ℃，發酵時間4 h，以pH值為評價指標。

(2)發酵時間對發酵的影響：選取發酵時間3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 h，控制發酵溫度41 ℃，菌種添加量0.02%，以pH值為評價指標。

(3)溫度對發酵的影響：選取發酵溫度39，40，41，42，43 ℃，控制發酵時間4 h，菌種添加量0.02%，以pH值為評價指標。

1.2.3 發酵工藝優化 選取菌粉添加量、發酵時間、發酵溫度為試驗因素，采用L9(33)正交試驗設計，以pH值為評價指標，確定酸奶的最佳發酵工藝[5]。

1.2.4 攪拌工藝單因素試驗

(1)攪拌速度對攪拌工藝的影響：選取攪拌速度60，70，80，90，100 r/min，控制攪拌時間30 min，馬鈴薯漿添加量25%，以持水力為評價指標。

(2)攪拌時間對攪拌工藝的影響：選取攪拌時間15，20，25，30，35 min，控制攪拌速度90 r/min，馬鈴薯漿添加量25%，以持水力為評價指標。

(3)馬鈴薯漿添加量對攪拌工藝的影響：選取馬鈴薯漿添加量15%，20%，25%，30%，35%，控制攪拌速度90 r/min，攪拌時間30 min，以持水力為評價指標。

1.2.5 攪拌工藝優化 根據單因素試驗所篩選的最佳攪拌速度、攪拌時間和馬鈴薯漿添加量，應用三因素三水平的Box-Behnken設計[6]，以持水力為響應值，采用響應面法進行分析。

1.3 指標測定

1.3.1 pH值和酸度的測定 從冰箱中取出樣品并恢復至室溫，攪拌均勻后，直接用pH計測定樣品的pH值并記錄數據；樣品的酸度測定參考GB 5413.34—2010。

1.3.2 持水力的測定 根據文獻[7]進行測定，酸奶的持水力按式(1)計算：

(1)

式中：

X——持水力，%；

W0——離心前樣品質量，g；

W1——離心后樣品質量，g。

1.3.3 水分的測定 按GB 5009.3—2016執行。

1.3.4 酸奶質構分析 根據文獻[8]進行測定。檢測指標有：硬度、稠度、內聚性、黏度。

1.3.5 酸奶流變學分析 根據文獻[9]進行測定，每組樣品平行測定3次。

1.3.6 數據處理與統計分析 用Excel 2003軟件進行數據分析，Origin 8.0作圖并進行顯著性分析，顯著水平P=0.05。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯酸奶制作工藝

2.1.1 發酵工藝參數的確定 由圖1(a)可知，隨著發酵時間的延長，酸奶的pH值逐漸降低，這是乳酸菌利用乳糖發酵產生乳酸的結果。由于一般酸奶在pH為4.5左右品質較好，過酸同樣會影響酸奶的風味，所以選擇發酵時間為3.5～4.5 h進行正交試驗。由圖1(b)可知，隨著菌粉添加量的增加，酸奶的pH值逐漸降低，因為菌粉越多，即乳酸菌越多，分解更多乳糖產酸導致。同理選擇菌粉添加量為0.015%～0.025%進行正交試驗。由圖1(c)可知，隨著溫度的升高，酸奶的pH值先下降后上升，當發酵溫度為41 ℃時，pH值最小，之后溫度上升，pH值反而升高，因為41 ℃附近是乳酸菌較適宜的生長溫度，超過之后，不利于生長，乳糖消耗減小，乳酸產量減小，因而pH值升高，所以選擇發酵溫度為40～42 ℃進行下一步正交試驗。

2.1.2 發酵工藝參數優化 根據單因素試驗結果設計正交試驗因素水平表[10]，見表1，試驗結果見表2。

由表1、2可知，根據馬鈴薯酸奶發酵工藝條件優化正交試驗，進行極差分析，影響產品pH值的主次因素依次為發酵時間>發酵溫度>菌粉添加量。正交設計表的9個試驗組中，由于pH在4.5左右最優，則第5組試驗結果最優，組合為A2B2C3。但分析表中的k值，則得到理論最佳組合為A2B3C2，由于9組試驗組中無此組合，按此組合進行驗證實驗，得到產品的pH為4.502，因此最佳發酵工藝參數為菌粉添加量0.02%，發酵時間4 h，發酵溫度41 ℃。

2.1.3 攪拌工藝參數的確定 由圖2(a)可知，隨著攪拌速度的加快，持水力有一定程度的升高，但超過80 r/min后，持水力基本持平，攪拌速度較低時，只破壞酸奶的凝膠結構，酸奶被分割成碎塊狀，因此持水力較低；但攪拌速度上升后，同樣的時間里能攪拌得更加均勻，之后的冷藏又能形成比較均一的體系，持水力就有所上升。選擇80～100 r/min進行下一步響應面試驗。由圖2(b)可知，隨著攪拌時間的延長，持水力有小幅度的上升，但整體變化不大。選擇20～30 min進行響應面試驗。由圖2(c)可知，添加馬鈴薯漿越多，持水力逐漸下降，因為馬鈴薯漿含一定量的水分，相當于往酸奶中添加了液體，不利于酸奶凝膠網絡成型，因此導致持水力有一定程度的下降。綜合實際情況，選擇添加量20%～30%進行下一步試驗。

圖1 發酵工藝對馬鈴薯酸奶pH值的影響Figure 1 Effect of fermentation on pH value of potato yogurt

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 發酵工藝的正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment for fermentation technology

圖2 攪拌工藝對馬鈴薯酸奶持水力的影響Figure 2 Effect of mixing process on water holding of potato yogurt

2.1.4 攪拌工藝參數優化 綜合分析單因素試驗，確定攪拌速度、攪拌時間和馬鈴薯漿添加量3個因素為自變量，持水力為響應值，根據Box-Behnken設計試驗[11](表3)，試驗結果見表4。

使用Design Expert 8.0.6分析軟件對試驗數據進行擬合，得到二次多項回歸方程：

Y=47.12+0.64A+1.86B+0.76C-0.26AB-1.08AC+0.29BC-0.91A2-3.13B2-0.96C2。

(2)

表3 響應面試驗因素水平表Table 3 Factors and levels of response surface experiment

表4 Box-Behnken試驗設計及結果Table 4 Box-Behnken design matrix and experimental results

表5 回歸模型的方差分析Table 5 Analysis results of regression and variance

從圖3可知，在所選的范圍內存在極值點[12]。持水力隨著攪拌速度、攪拌時間和馬鈴薯漿添加量的變化呈先增大后下降趨勢，且3個響應面均呈開口向下的凸型曲面。根據數學模型分析，預測出最佳攪拌工藝條件為馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度92.31 r/min，攪拌時間25 min。此條件下預測到的持水力為47.227 7%。為驗證該預測，并結合實際情況，將最佳攪拌工藝參數調整為：馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度90 r/min，攪拌時間25 min，經多次平行實驗測得持水力為47.36%，與預測值接近，說明模型準確性較高，能較好地預測馬鈴薯酸奶攪拌工藝條件。

2.2 馬鈴薯酸奶在貯藏期間的品質變化

2.2.1 基本理化品質變化 由圖4可知，馬鈴薯酸奶的持水力與空白組相差不大，1～7 d兩者持水力都有一定程度的下降，但幅度不大。貯藏后期，空白組持水力下降十分明顯，比樣品組下降更多，馬鈴薯酸奶的貯藏穩定性較好[13]。

由圖5可知，馬鈴薯酸奶的水分含量比空白組高，分析是加入了馬鈴薯漿的緣故，兩者在第14天時水分含量有較明顯的下降，但整體變化不大。

由圖6、7可知，馬鈴薯的添加對酸奶的pH值有一定程度的影響，pH值更高，但仍在可接受的范圍內：pH<4.5，兩者都存在后酸化現象，隨著冷藏時間延長，pH值逐漸降低，酸度逐漸升高。貯藏后期，雖然兩者下降較多，但空白組的pH值比樣品組更低，分析可能會對口感和滋味有一定程度影響。

2.2.2 質構的變化 由圖8可知，馬鈴薯酸奶的硬度、稠度、內聚性、黏度相應數值均比空白組低，馬鈴薯的添加對酸奶品質有一定影響，但從貯藏時間來看，馬鈴薯酸奶質構特性指標的變化幅度很小，穩定性比空白組要好[14-16]。

圖3 攪拌工藝對馬鈴薯酸奶持水力的交互影響效應Figure 3 Interaction effect of stirring process on water holding capacity of potato yogurt

圖4 馬鈴薯酸奶貯藏期間持水力變化Figure 4 The water holding capacity of potato yogurt during storage

圖5 馬鈴薯酸奶貯藏期間水分含量變化Figure 5 The water cotent change of potato yogurt during storage

2.2.3 流變變化 由圖9可知，隨著剪切速率的加快，表觀黏度逐漸降低，最后趨近于0。馬鈴薯酸奶的黏度比空白組低，隨著貯藏時間的增加，2組黏度都先下降后小幅上升，根據圖中散點可以看出，樣品組的散點較集中，可以反映出馬鈴薯酸奶的流變特性更穩定[17-18]。

圖6 馬鈴薯酸奶貯藏期間pH值變化Figure 6 pH value change of potato yogurt during storage

圖7 馬鈴薯酸奶貯藏期間酸度變化Figure 7 Acidity change of potato yogurt during storage

圖8 馬鈴薯酸奶貯藏期間質構品質變化Figure 8 Changes in texture of potato yogurt during storage

3 結論

本試驗確定了馬鈴薯酸奶的制作工藝，試驗結果表明，馬鈴薯酸奶的最佳發酵工藝為菌粉添加量0.02%、發酵溫度41 ℃、發酵時間4.5 h；最佳攪拌工藝為馬鈴薯漿添加量25.5%、攪拌速度90 r/min、攪拌時間25 min。通過對馬鈴薯酸奶在貯藏期間的理化品質進行研究，發現馬鈴薯酸奶具有良好的貯藏穩定性，值得開發，為馬鈴薯的食用開辟了新途徑。在實際生產過程中，環境條件與試驗誤差不同，發酵、攪拌工藝的影響因素也更為復雜，后續可考慮將工藝參數進行細化，如控制攪拌時的溫度，轉子的不同型號等；還可從不同分子水平如微生物水平進行探討。

圖9 馬鈴薯酸奶貯藏期間流變變化Figure 9 Rheological changes of potato yogurt during storage