響應面優化乳酸菌發酵馬鈴薯飲料工藝

胡盼盼

呂梁學院生命科學系（呂梁 033000）

馬鈴薯是一種營養價值特別高的蔬菜，也可以作為糧食[1]。馬鈴薯中淀粉、蛋白質和脂肪含量豐富，含有很多人體需要的微量元素，食用后有很好的飽腹感[2]，同時補充人體中必需氨基酸。因此馬鈴薯不僅有利于身體健康，還有助于凈化腸道環境，清除身體內的有害物質，更加符合人們對健康膳食的要求[3]。蔬菜和水果含有人體所需的多種營養，然而它們大多是季節性的，容易腐爛，不易保存。在歐洲、非洲和其他洲部分國家的學者對果蔬原料進行處理，使其成為飲料產品[4]，這樣可以有效地增加水果和蔬菜的附加價值。飲料制品是水果和蔬菜的一種主要加工產品，隨著水果和蔬菜飲料產量逐年增加，經濟效益也在快速上升。

馬鈴薯極高的營養價值和食療作用已經得到人們的一致認可，它的糖類物質含量較高，在乳酸發酵過程中能提供充足的碳源，用來滿足乳酸菌的生長，是活菌型乳酸菌飲料發酵的良好基礎[5]。加入有益乳酸菌發酵馬鈴薯后，可以做出營養好、口感細膩、價格較低的飲料。選擇恰當的馬鈴薯加工工藝，能最大限度地保留馬鈴薯的營養價值和功效成分，從而更加有效地發揮其預防疾病、防治衰老的功效[6]。研究選擇馬鈴薯為主要原料，利用乳酸菌發酵技術研制馬鈴薯乳酸發酵飲料，為開發發酵型馬鈴薯功能性飲料提供理論依據和工藝參數，對我國馬鈴薯的深加工有積極的現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳酸菌發酵劑（保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌），江蘇微康生物科技有限公司；馬鈴薯、蔗糖、糖化酶、α-淀粉酶、果膠、羧甲基纖維素，食用級，市售；檸檬酸，嶧城縣福爾康食品有限公司。

1.2 儀器與設備

SHZ-88-1型水浴恒溫振蕩器，永康市明科電器有限公司；BNI-T型電子天平，上海平軒科學儀器有限公司；FD-1型大功率電爐，廣州永程實驗儀器有限公司；HC-3018型離心機，廣東美的生活電器制造有限公司；DJ12B-Y63型豆漿機，SUPOR股份有限公司；SX500型高壓蒸汽滅菌鍋，日本TOMY公司；ZHWY-200D型培養箱，深圳市三恩時科技有限公司。

1.3 工藝流程[7]

1.4 單因素試驗

1.4.1 發酵時間對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

選取8，10，12，14和16 h發酵時間進行試驗，在接種量為5%、發酵溫度為42 ℃、糖添加量為4%的工藝條件下，通過感官評分得到最佳的發酵時間。

1.4.2 接種量對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

選取3%，4%，5%，6%和7%接種量進行試驗，在發酵時間為12 h、發酵溫度為42 ℃、糖添加量為4%的工藝條件下，通過感官評分得到最佳的接種量。

1.4.3 發酵溫度對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

選取38，40，42，44和46 ℃發酵溫度進行試驗，在接種量為5%、發酵時間為12 h、糖添加量為4%的工藝條件下，通過感官評分得到最佳的發酵溫度。

1.4.4 糖添加量對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

選取2%，3%，4%，5%和6%糖添加量進行試驗，在接種量為5%、發酵溫度為42 ℃、發酵時間為12 h的工藝條件下，通過感官評分得到最佳的糖添加量。

1.5 響應面分析法優化試驗

根據Box-Behnken試驗設計原理，此次試驗中，分別以接種量、發酵溫度、發酵時間、糖添加量為考察因素。采用四因素三水平的響應面分析方法檢驗各水平對成品質量的影響，得出最佳工藝條件[8-9]。

1.6 成品的感官評價

把發酵好的馬鈴薯乳酸飲料分成若干份，由10名專業人員組成品嘗小組，從氣味、色澤、組織、滋味與口感和總體接受度對飲料進行品嘗，并按表1標準對產品感官評定打分[10]，取平均值，保留一位小數。

表1 馬鈴薯乳酸飲料質量評分表

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 發酵時間對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

由圖1可知，馬鈴薯乳酸飲料的感官評分隨發酵時間的升高呈現先上升后下降的趨勢。當時間為8 h時，乳酸發酵不徹底，嘗起來有淡淡的甜味和不明顯的香味。發酵時間12 h是發酵的最佳時間。12 h以后感官評分又隨時間的增加而下降。因此，最佳發酵時間是12 h。

圖1 發酵時間對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

2.1.2 接種量對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

由圖2可知，馬鈴薯乳酸飲料的感官評分隨接種量的升高呈現先上升后下降的趨勢。當接種量為5%時發酵效果最好。隨接種量增大，乳酸菌的產酸能力增強，酸味過重，入口苦澀，感官評分開始降低。因此，最佳乳酸菌接種量是5%。

圖2 接種量對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

2.1.3 發酵溫度對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

由圖3可知，馬鈴薯乳酸飲料的感官評分隨發酵溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢。當溫度為38 ℃時，乳酸反應速率較低，甜味過淡，香味不明顯。當溫度為42 ℃時感官評分最高，說明42 ℃是馬鈴薯乳酸飲料的最佳發酵時間。隨著時間繼續增加，酸味也增加，感官評分下降。因此，最佳發酵溫度是42 ℃。

2.2 響應面分析法確定最佳配方

2.2.1 因素水平選取及試驗設計

根據單因素試驗，確定響應面分析的因素和水平，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，以各因素最優值為中點，設計四因素三水平的響應面分析試驗[11]。試驗因素和水平設計見表2。

圖3 發酵溫度對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

圖4 糖添加量對馬鈴薯乳酸飲料品質影響

表2 試驗因素和水平設計見表

2.2.2 回歸模型建立及分析

馬鈴薯乳酸飲料制作工藝響應面試驗設計及結果見表3。

試驗結果如表3所示，用Design-Expert 10.0軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，得到以馬鈴薯飲料感官評分為目標的函數[12-14]，各條件編碼值的二次回歸方程為感官評價=92.92+3.25A-0.042B-0.39C+ 1.22D-3.40AB-5.33AC-2.57AD-1.38BC-0.60BD-0.42CD-7.08A2-3.94B2-9.11C2-4.08D2。

對該模型進行方差分析，對模型系數進行顯著性檢驗，結果見表4，p＜0.05表示該指標顯著。由表4可知：回歸模型顯著（p＜0.001），說明該模型建立有意義。對回歸方程進行檢驗，模型的校正決定系數R2=0.901 1，說明此模型與數據擬合度很高，試驗誤差小。模型的一次項中A（接種量）顯著；二次項A2、B2、C2、D2均顯著；失擬項為0.056 6，說明方程模擬好。四個因素對馬鈴薯乳酸飲料品質影響大小依次是A（接種量）＞D（糖添加量）＞C（發酵時間）＞B（發酵溫度）。

表3 Box-Behnken試驗及結果

表4 感官評價回歸模型方差分析

2.2.3 響應面分析與優化

運用Design-Expert 10.0軟件對試驗結果進行響應面分析，根據每組的響應面回歸方程做響應面圖形，觀察響應面的圖形和等高線的疏密情況，分析各組各因素的響應值，這樣更能直觀地反映出各因素的交互作用對馬鈴薯乳酸飲料的感官評價的影響，從而進一步確定馬鈴薯乳酸飲料的最適合參數。從圖5～圖10可以看出，馬鈴薯乳酸飲料的感官評分隨著接種量增加先上升，但是當接種量達到一定值以后，感官評分出現下降趨勢；發酵時間、糖添加量及發酵溫度對馬鈴薯乳酸飲料感官評分的影響與接種量類似；但由響應曲面的陡峭程度可知，接種量和糖添加量對成品感官評分的影響顯著，發酵時間及發酵溫度次之。等高線圖的形狀可反映出兩因素交互作用的強弱和顯著程度。圖8和圖9中的等高線為橢圓形，曲面更陡峭，可知接種量對感官評分的影響顯著，說明接種量與發酵溫度和糖添加量交互作用顯著；圖5和圖7中的等高線為橢圓形，發酵時間與接種量和糖添加量交互作用顯著；圖6和圖10中的等高線接近圓形，響應面圖比較平緩，可知發酵溫度對感官評分的影響不顯著，說明發酵溫度與糖添加量的交互作用不顯著，和發酵時間的交互作用也不顯著。

圖5 發酵時間與接種量交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

圖6 發酵時間與發酵溫度交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

圖7 發酵時間與糖添加量交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

圖8 接種量與發酵溫度交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

圖9 接種量與糖添加量交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

圖10 糖添加量與發酵溫度交互對馬鈴薯乳酸飲料感官評分影響的等高線圖和響應面圖

2.2.4 最佳配方確定及驗證試驗

利用Design-Expert 10.0統計軟件求解回歸方程，得到馬鈴薯乳酸飲料的最佳工藝條件：接種量5.28%、發酵溫度41.77 ℃、蔗糖添加量4.08%和發酵時間11.81 h，此時感官評分為93.44分。根據操作過程的可行性，將最佳配方調整為接種量5%、發酵溫度42 ℃、蔗糖添加量4%和發酵時間12 h。在此優化條件下進行驗證試驗，馬鈴薯乳酸飲料感官評分為92.8分，與模擬值非常接近，進一步驗證了模型的實用性。所以，采用響應面法優化馬鈴薯乳酸飲料的工藝參數是準確可靠的。

3 結論

試驗研究馬鈴薯飲料的配方和工藝優化，以及其他各種因素和其交互作用對最終產品品質的影響。通過響應面和感官評價兩方面的分析，試驗結果更加真實可靠。結果表明，乳酸菌接種量5%、發酵溫度42 ℃、蔗糖添加量4%和發酵時間12 h為最佳工藝條件。在這種條件下制作的馬鈴薯飲料口感良好，甜度適中，風味最佳，色澤最好，營養價值高，感官評價最高。