響應面法優化紅棗酸奶配方及質構特性研究

汪秀妹，汪毅寧，胡玲芳，張茹冰，張萌蝶，魏樹大，趙曉旭

（莆田學院環境與生物工程學院，福建省新型污染物生態毒理效應與控制重點實驗室，福建莆田351100）

隨著人們生活水平的不斷提高和經濟的快速發展，具有保健功能的食品越來越受到人們的青睞。酸奶作為一種發酵乳制品，具有較高的保健功效和營養價值，其中乳酸菌可以將乳糖分解成小分子物質，更利于人體消化吸收。除此之外，酸奶還可以改善腸道環境，促進腸道蠕動，抑制有害菌對腸道的入侵，特別適合乳糖不耐癥者和胃腸道功能紊亂的中老年人食用[1-5]。

酸奶還可以與各種蔬菜、水果或者谷類等相結合，增加酸奶產品的多樣性和功能性[6-9]。紅棗是我國特產，隸屬于鼠李科棗屬植物棗樹類果實，味甘香甜，不僅營養豐富，還具有補血益氣、安神健脾等保健功效[10-13]，將紅棗與酸奶結合制成的紅棗酸奶具有極高的市場前景。目前，雖然以紅棗為配料制備的紅棗酸奶[14-16]已屢見不鮮，但對影響紅棗酸奶品質的因素尚未進行全面系統地研究，同時尚未有對其質構特性的相關研究。因此，本文將以紅棗和牛乳為原料，采用單因素試驗和響應面法對紅棗酸奶的發酵工藝進行優化，并分析其質構特性，為風味型酸奶和我國紅棗的進一步研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干紅棗：市售；德亞全脂牛奶：德亞牛奶京東自營旗艦店；白砂糖（食品級）：廈門古龍食品有限公司；乳酸菌（食品級）：北京川秀科技有限公司；明膠（食品級）：浙江一諾生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

JYL-CO12 型榨汁機：山東九陽股份有限公司；CT3 型質構儀：美國BROOKFIELD 公司；ISO-9001 型電子分析天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；JHH-6A 型恒溫水浴鍋：上海勝衛電子科技有限公司；FJ-200 型高速均質機：上海標本模型廠；JY-SNJ 型酸奶機：濟南玖延機械有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅棗酸奶的制備工藝流程

紅棗酸奶的制備工藝流程見圖1。

圖1 紅棗酸奶的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of jujube yogurt

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 紅棗汁的制備

將新鮮、無腐爛、色澤鮮艷和大小均勻的紅棗清洗后去核，按紅棗∶水=1∶2（質量比）的比例，在60 ℃的溫度下浸泡30 min，打漿，并用干凈的紗布將紅棗漿過濾3 次，以獲得紅棗汁，密封、冷藏備用。

1.3.2.2 容器的消毒

將酸奶瓶、紗布、攪拌勺等試驗中用到的所有器具在沸水中殺菌5 min，晾干備用。

1.3.2.3 原料的調配

根據試驗所需的量，先將白砂糖加入預熱至60 ℃的純牛奶中，攪拌至溶解后，再依次加入制備得到的紅棗汁和穩定劑，攪拌均勻。

1.3.2.4 均質

將混合好的料液在60 ℃、15 MPa 的壓力下均質處理5 min，通過均質使脂肪球直徑減小，防止脂肪球上浮，并且使酸奶的質地細膩，口感良好，有利于酸奶的消化吸收。

1.3.2.5 殺菌、冷卻

將均質后的料液置于90 ℃恒溫水浴鍋中進行10 min 的滅菌處理，以便殺滅乳中的雜菌，確保乳酸菌正常生長繁殖，并使牛乳中乳清蛋白變性，改善組織狀態，防止成品乳清析出，滅菌后迅速冷卻至42 ℃。

1.3.2.6 接種、發酵

冷卻后，加入稱好的乳酸菌發酵劑，攪拌使之混合均勻，然后置于酸奶機中發酵。

1.3.2.7 冷藏后熟

將發酵好的混合料液放入4 ℃冰箱中冷藏后熟12 h～24 h，促進香味物質產生，改善酸奶硬度，使酸奶的口感和風味更好。

1.3.3 紅棗酸奶的單因素試驗

以感官評分和質構特性為指標，研究紅棗汁添加量（8%、10%、12%、14%、16%）、白砂糖添加量（4%、6%、8%、10%、12%）、發酵劑添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、穩定劑添加量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、發酵時間（4、5、6、7、8 h）、發酵溫度（38、40、42、44、46 ℃）對紅棗酸奶品質的影響，確定各因素的適宜水平范圍。

1.3.4 紅棗酸奶制備工藝的響應面設計試驗

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken 組合試驗設計原理，選取對酸奶品質影響較大的紅棗汁添加量、白砂糖添加量和發酵時間3 個因素的較佳水平進行響應面試驗的設計。以紅棗酸奶的感官評分Y 為響應值，使用Design Expert 8.0.6 軟件處理試驗數據，構建模型，分析響應面，從而獲得紅棗酸奶的最佳工藝條件。響應面試驗因素與水平如表1 所示。

表1 響應面試驗因素水平Table 1 Response surface test factor level table

1.3.5 酸奶的感官評定

由10 名無任何感官缺陷的食品專業人員組成評價小組，每人分別從色澤（20 分）、組織狀態（20 分）、口感（20 分）、氣味（20 分）、滋味（20 分）5 個方面對樣品進行評分，滿分為100 分，取平均值作為酸奶的總分。酸奶的感官評價標準見表2。

表2 紅棗酸奶的感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standards of jujube yogurt

1.3.6 酸奶的質構特性測定

在對酸奶的品質進行分析時，感官評定在酸奶品質評價中占有重要的地位[17]，但其結果是評價者的主觀因素。而質構儀能夠對樣品特性給出數據化的表達[18-21]。

質構特性是酸奶的重要指標，受到很多因素的影響。采用CT3 型質構儀，直徑為12.7 mm 的TA10 探頭測定紅棗酸奶的硬度、黏性、內聚性和彈性，每個樣品測試3 次，取平均值。測定條件為：觸發點負載為5 g，形變量的目標值為20%，測試速度為2.0 mm/s，返回速度為2.0 mm/s，循環次數為2 次，探頭進入距離為20 mm，壓縮之間停留時間為5 s。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 紅棗汁添加量對酸奶品質的影響

紅棗汁的添加量對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖2。

圖2 紅棗汁的添加量對酸奶品質的影響Fig.2 Effects of the amount of jujube juice on the quality of yogurt

由圖2（a）可知，當紅棗汁的添加量逐漸增加時，紅棗酸奶的感官評分呈先上升后下降趨勢；當紅棗汁的添加量為12%時，紅棗酸奶的感官評分達到最大，為75.8 分，該條件下制備得到的紅棗酸奶酸甜適宜，酸味與紅棗味相互協調，口感最好，組織均勻細膩，無乳清析出。分析其原因可能為紅棗汁添加量較少時，酸奶中紅棗味不夠明顯，味道偏淡；當紅棗汁的添加量過大時，酸奶的風味變得不協調，口感粗糙，乳清析出量較大，說明紅棗汁的添加量會影響酸奶的組織狀態和風味。結合圖2（b），可以看到當紅棗汁的添加量越來越大時，紅棗酸奶的硬度和黏性均逐漸降低，內聚性和彈性則是呈現先增加后減少的趨勢，當紅棗汁的添加量為12%時，紅棗酸奶的各項質構指標都處于中間值，都較適宜。因此，經綜合分析，選擇紅棗汁的添加量為12%進行后續試驗。

2.1.2 白砂糖的添加量對酸奶品質的影響

白砂糖的添加量對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖3。

圖3 白砂糖的添加量對酸奶品質的影響Fig.3 Effects of the amount of sugar on the quality of yogurt

從圖3（a）可知，當白砂糖的添加量從4%增加到6%時，紅棗酸奶的感官評分逐漸增大；當白砂糖的添加量達到6%時，此時紅棗酸奶感官評分最高，為76.8分，該條件下得到的紅棗酸奶滋味酸甜適中，口感最好，組織狀態良好，無乳清析出；當白砂糖的添加量繼續增大時，紅棗酸奶的感官評分逐漸下降，特別是當白砂糖的添加量為12%時，紅棗酸奶由于滋味過甜，酸味不足，沒有酸奶應有的風味，口感也很差，所以酸奶的感官評分最低。結合圖3（b），可以看到隨著白砂糖添加量的增加，紅棗酸奶的硬度逐漸下降，黏性呈現先增加后下降的趨勢，當白砂糖添加量為6%時，紅棗酸奶的黏性和彈性均是最佳，并且硬度和內聚性也適宜。因此，選擇白砂糖添加量為6%進行后續試驗。

2.1.3 發酵劑的添加量對酸奶品質的影響

發酵劑的添加量對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖4。

圖4 發酵劑的添加量對酸奶品質的影響Fig.4 Effects of the amount of ferment on the quality of yogurt

由圖4（a）可知，隨著發酵劑添加量的增加，紅棗酸奶的感官評分呈先增加后降低趨勢。當發酵劑的添加量為0.1%時，紅棗酸奶的酸度不夠，凝固性不好，口感不佳，感官評分為69.3 分；當發酵劑添加量達到0.2%時，紅棗酸奶的感官評分達到最高，為79.5 分，此時紅棗酸奶酸甜適中，口感光滑細膩，組織狀態良好，無乳清析出；繼續添加發酵劑，由于過高濃度的發酵劑會導致乳中蛋白過度減少而使乳清析出，并且酸度過高，影響了紅棗酸奶的感官評分，當發酵劑的添加量為0.6%時，紅棗酸奶的感官評分為64.2 分。從圖4（b）可以看出，隨著發酵劑添加量的增加，紅棗酸奶的硬度和內聚性均呈降低趨勢，彈性呈現先增加后減少的趨勢；當發酵劑的添加量為0.2%時，紅棗酸奶的硬度、黏性和彈性均達到最大值，內聚性較好。因此，選擇發酵劑添加量為0.2%進行后續試驗。

2.1.4 穩定劑的添加量對酸奶品質的影響

穩定劑的添加量對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖5。

由圖5（a）可知，當穩定劑添加量從0.1%增加到0.2%時，紅棗酸奶的感官評分逐漸增大；當穩定劑添加量為0.2%時，紅棗酸奶的感官評分達到最大，為80.8 分，該條件制備得到的紅棗酸奶酸甜適中，口感細膩，色澤均勻一致，凝乳狀態較好；當穩定劑添加量繼續增加時，紅棗酸奶的感官評分呈下降趨勢，當穩定劑添加量為0.5%時，紅棗酸奶的感官評分為64.2 分。從圖5（b）可以看到，隨著穩定劑添加量的增加，紅棗酸奶的硬度和黏性均呈現先降低后保持不變的趨勢，彈性逐漸增加，內聚性則是先增加后降低；當穩定劑的添加量為0.2%時，紅棗酸奶的硬度、黏性、內聚性和彈性均較好。因此，選擇穩定劑添加量為0.2%進行后續試驗。

圖5 穩定劑的添加量對酸奶品質的影響Fig.5 Effects of the amount of stabilizer on the quality of yogurt

2.1.5 發酵時間對酸奶品質的影響

在生產過程中，往往需要盡量縮短發酵時間，以達到節約能源和提高效益的目的。發酵時間對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖6。

圖6 發酵時間對酸奶品質的影響Fig.6 Effects of fermentation time on the quality of yogurt

由圖6（a）可知，隨著發酵時間的延長，紅棗酸奶的感官評分呈先上升后下降趨勢。當發酵時間為4 h時，發酵時間過短，導致紅棗酸奶的凝固性較差，口感不好，感官評分較低，為69.6 分；當發酵時間達到6 h時，紅棗酸奶的凝固性和口感最好，酸味與紅棗味相互協調，感官評分達到最大，為81.4 分；當發酵時間為8 h 時，紅棗酸奶口感不佳，并且出現嚴重的乳清析出現象，感官評分為67.4 分。結合圖6（b）可以看到，隨著發酵時間的延長，紅棗酸奶的硬度、黏性、內聚性和彈性均是呈先增加后減少趨勢，當發酵時間為6 h 時，紅棗酸奶的硬度、黏性和彈性均達到最高，內聚性也較好。因此，選擇發酵時間為6 h 進行后續試驗。

2.1.6 發酵溫度對酸奶品質的影響

發酵溫度對酸奶感官評分及質構特性的影響見圖7。

圖7 發酵溫度對酸奶品質的影響Fig.7 Effects of fermentation temperature on the quality of yogurt

由圖7（a）可知，隨著發酵溫度的升高，紅棗酸奶的感官評分呈先上升后下降趨勢。當發酵溫度為38 ℃時，由于發酵溫度偏低，不利于乳酸菌產酸，導致紅棗酸奶的口感偏甜，感官評分偏低，為66.6 分；當發酵溫度達到44 ℃時，紅棗酸奶凝固性良好，酸甜適中，酸味與紅棗味相互協調，口感最好，感官評分達到最大，為80.1 分；當發酵溫度達到46 ℃時，紅棗酸奶的口感有所下降，出現乳清析出的現象，感官評分下降，為73.8分。結合圖7（b）可知，隨著發酵溫度的升高，紅棗酸奶的硬度和彈性均逐漸增加，黏性逐漸降低，內聚性則是呈先增加后減少趨勢，當發酵溫度為44 ℃時，紅棗酸奶的內聚性最高，硬度、黏性和彈性均較好。因此，紅棗酸奶的最適發酵溫度為44 ℃。

2.2 響應面試驗優化結果與分析

2.2.1 響應面試驗設計及結果

在單因素試驗結果的基礎上，利用響應面法優化紅棗酸奶的發酵工藝，隨機進行17 組試驗，試驗方案及結果見表3。

表3 響應面試驗驗方案與結果Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

2.2.2 模型建立及擬合分析

利用Desigh Expert 軟件對表3 中的數據進行多元非線性回歸擬合，得到感官評分（Y）對紅棗汁添加量（A）、白砂糖添加量（B）、發酵時間（C）的二次回歸方程為：Y=79.85-0.64A+1.77B-1.70C-0.66AB-1.60AC+1.50BC-3.27A2-6.33B2-2.69C2。

為了檢驗方程的有效性，對紅棗酸奶感官評分的數學模型進行方差分析，結果見表4。

從表4 中可以看出，模型的P 值＜0.000 1，表明該模型達到了高度顯著的水平，而失擬項P=0.126 4＞0.05，相對于純誤差，失擬項是不顯著的，說明該模型是可行的。從表4 中還可以看出，一次項B、C 和二次項B2對結果具有極顯著（P＜0.01）的影響，二次項A2（P=0.021 7＜0.05）和交互項BC（P=0.016 4＜0.05）對結果的影響都為顯著。二次項C2（P ＜0.000 1）對結果的影響達到高度顯著的水平，而一次項A 和交互項AB、AC對結果的影響均為不顯著（P＞0.05）。由主要因素A、B、C 的F 值可以得知，各因素對紅棗酸奶感官評分的影響程度依次為：白砂糖添加量（B）＞發酵時間（C）＞紅棗汁添加量（A）。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

2.2.3 紅棗酸奶的感官評分的響應面圖分析

通過Design-Expert 軟件對回歸方程進行分析，得到紅棗酸奶制備工藝中兩個交互項之間的響應面圖及等高線圖，預測紅棗汁添加量、白砂糖添加量和發酵時間3 個因素對紅棗酸奶感官評分的影響見圖8～圖10。

由圖8（a）可知，當白砂糖添加量一定時，紅棗酸奶的感官評分隨著紅棗汁添加量的增加呈現先上升后下降的趨勢，但總體上并沒有出現較大的起伏。當紅棗汁添加量一定時，紅棗酸奶的感官評分隨著白砂糖添加量的增加呈現先迅速增加后緩慢減少的趨勢，由此可知，白砂糖的添加量對紅棗酸奶的感官評分具有較大的影響。從圖8（b）可以看出，紅棗汁添加量與白砂糖添加量交互作用的等高線接近圓形，表明兩者之間的相互作用對紅棗酸奶的感官評分影響不顯著。

由圖9（a）可知，隨著紅棗汁添加量的增加和發酵時間的延長，紅棗酸奶的感官評分均是呈現先增加后減少的趨勢，但總體上看變化值并不明顯。從圖9（b）可以看出，紅棗汁添加量與發酵時間之間交互作用的等高線接近圓形，表明兩者之間的相互作用對紅棗酸奶的感官評分影響不顯著。

圖8 紅棗汁添加量和白砂糖添加量的相互作用對紅棗酸奶感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.8 Three-dimension response surface and its contour plots for the effect of the interaction between jujube juice amount and sugar amount on the sensory score of jujube yogurt

圖9 紅棗汁添加量和發酵時間的相互作用對紅棗酸奶感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.9 Three-dimension response surface and its contour plots for the effect of the interaction between jujube juice amount and fermentation time on the sensory score of jujube yogurt

圖10 白砂糖添加量和發酵時間的相互作用對紅棗酸奶感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.10 Three-dimension response surface and its contour plots for the effect of the interaction between sugar amount and fermentation time on the sensory score of jujube yogurt

由圖10（a）可知，當發酵時間一定時，紅棗酸奶的感官評分隨著白砂糖添加量的增加而先增加達到最大值后又緩慢降低。當白砂糖添加量一定時，紅棗酸奶的感官評分隨著發酵時間的延長呈現先升高后降低的趨勢，但總體上看變化的幅度比較小。從圖10（b）可以看出，白砂糖添加量與發酵時間之間交互作用的等高線接近橢圓形，表明兩者之間的相互作用對紅棗酸奶的感官評分影響顯著。

2.2.4 紅棗酸奶制備工藝參數的確定

利用Design-Expert 軟件對所得回歸方程進行分析求解，得到紅棗酸奶制備工藝的最佳工藝條件為：紅棗汁添加量為11.91%、白砂糖添加量為6.21%、發酵時間為5.73 h，在此條件下得到紅棗酸奶感官評分預測值為80.2 分。考慮到實際操作的可行性，將最佳工藝條件修改為紅棗汁添加量為11.9%、白砂糖添加量為6.2%、發酵時間為5.7 h，按此條件進行3 次重復試驗，結果取平均值，得到紅棗酸奶的感官評分為80分，紅棗酸奶的硬度為15.5 g、黏性為0.20 mJ、內聚性為1.64、彈性為0.64 mm。該結果說明真實值與回歸模型預測值兩者擬合良好，以感官評分為響應值，運用響應面法優化紅棗酸奶的工藝參數方法可行合理。

選取紅棗風味酸牛奶作為樣品，邀請10 名無任何感官缺陷的食品專業人員對市售紅棗酸奶進行感官評定，同時用質構儀測定其質構特性，得到市售紅棗酸奶的感官評分為75.8 分，酸奶的硬度為4.0 g、黏性為0.10 mJ、內聚性為10.19、彈性為0。由此可知，本試驗制備得到的紅棗酸奶比市售紅棗酸奶具有更好的感官品質和質構特性。

3 結論

經過單因素試驗和響應面優化試驗得到紅棗酸奶的最佳配方為：紅棗汁添加量為11.9%、白砂糖添加量為6.2%、發酵時間為5.7 h。按此配方制備得到的紅棗酸奶組織細膩，質地均勻，酸味與紅棗味相互協調，酸甜適宜，感官評分為80 分，酸奶的硬度為15.5 g、黏性為0.20 mJ、內聚性為1.64、彈性為0.64 mm。與市售紅棗酸奶相比較，該試驗制備得到的紅棗酸奶在口感風味和質地上都優于市售紅棗酸奶，且不添加任何香精和防腐劑，更加營養、安全、健康。