響應(yīng)面法優(yōu)化酸奶粉的發(fā)酵工藝

王丹，邵景海，李凱鋒，王慧敏

北大荒完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司（哈爾濱 150078）

酸奶通常是以生牛乳為原料，經(jīng)殺菌、接種嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌發(fā)酵制成的乳制品[1]。其除具有牛奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，還含有在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乳酸、氨基酸、B族維生素等多種營(yíng)養(yǎng)成分[2-3]，具有改善腸道菌群、緩解乳糖不耐癥、降低血清膽固醇水平、提高鈣磷利用率等保健作用[3-7]。酸奶以其營(yíng)養(yǎng)豐富、易于消化吸收、口感好等特點(diǎn)深受人們的青睞，但也存在著需要冷鏈儲(chǔ)運(yùn)、保質(zhì)期短、儲(chǔ)運(yùn)成本高等短板，影響消費(fèi)領(lǐng)域的擴(kuò)大[8-9]。

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了酸奶粉來解決上述問題。酸奶粉是用篩選后的乳酸菌接種于生牛乳等原料中，經(jīng)發(fā)酵和干燥制成的粉狀產(chǎn)品。酸奶粉便于儲(chǔ)運(yùn)，保質(zhì)期長(zhǎng)，可復(fù)原后形成酸奶，也可作為酸奶風(fēng)味食品原料，在未來食品工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景[9-10]。酸奶粉的生產(chǎn)工藝主要包括發(fā)酵和干燥兩部分，發(fā)酵工藝是影響后續(xù)干燥工藝及成品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[11]。此次試驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化原料型高酸度酸奶粉發(fā)酵工藝，確保發(fā)酵乳酸度滿足噴粉后酸奶粉的酸度要求，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生牛乳，北大荒完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司；直投式發(fā)酵劑（嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌），普爾斯（天津）貿(mào)易有限公司；氫氧化鈉（分析純）、酚酞指示劑（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；蒸餾水，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

YP402N電子天平（上海菁海儀器有限公司）；SRH250-70高壓均質(zhì)機(jī)（上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司）；YXQ-SG46-280S壓力蒸汽滅菌器（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；LRH-500F生化培養(yǎng)箱（上海一恒科技有限公司）；BCM-1300A超凈工作臺(tái)（蘇凈集團(tuán)泰安公司）；FE28pH計(jì)（梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

生牛乳→濃縮→預(yù)熱→均質(zhì)→殺菌→冷卻→接種、發(fā)酵→破乳→干燥→成品

1.3.2 操作要點(diǎn)

1) 濃縮：生牛乳經(jīng)蒸發(fā)濃縮至干物質(zhì)含量30%左右。

2) 預(yù)熱：將濃縮奶預(yù)熱至60～65 ℃。

3) 均質(zhì)：將預(yù)熱后的料液進(jìn)行均質(zhì)，均質(zhì)壓力20 MPa。

4) 殺菌：將均質(zhì)后的料液放入滅菌器中95 ℃殺菌5 min。

5) 接種、發(fā)酵：在無菌操作條件下，將發(fā)酵劑加入到料液中，充分?jǐn)嚢杈鶆颍湃牒銣嘏囵B(yǎng)箱中發(fā)酵。

1.3.3 酸度的測(cè)定

按照GB 5009.239—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品酸度的測(cè)定》[12]。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)（CCD）模型，選擇發(fā)酵時(shí)間（A）、發(fā)酵溫度（B）和菌種添加量（C）為自變量，以1.682，1，0，-1和-1.682代表自變量水平，以發(fā)酵乳酸度為響應(yīng)值Y，采用響應(yīng)面法對(duì)酸奶粉的發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化。具體試驗(yàn)方案見表1。使用Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 CCD試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)三因素五水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，以發(fā)酵乳酸度為響應(yīng)值Y，以發(fā)酵時(shí)間7 h、發(fā)酵溫度43 ℃、菌種添加量40 U/t為中心點(diǎn)實(shí)施響應(yīng)面分析。CCD試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。其中試驗(yàn)1～8是析因試驗(yàn)，試驗(yàn)15～20是中心試驗(yàn)。14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為析因和零點(diǎn)，其中析因點(diǎn)為自變量取值在A、B、C所構(gòu)成的頂點(diǎn)，零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)6次，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。

2.2 響應(yīng)面方差分析

使用Minitab軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，回歸方差分析結(jié)果見表3。經(jīng)多元回歸擬合，得到回歸方程（以編碼單位表示）：

表2 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Y=-7 908+19.7A+361.58B+2.1C-2.573A2-4.161B2+ 0.002 38C2+0.475AB+0.132 5AC-0.06BC

表3結(jié)果顯示：回歸模型p＜0.01，差異極顯著；模型的擬合優(yōu)度R2=0.997 7，回歸模型決定系數(shù)Radj2= 0.995 7，R2和Radj2比較接近，表明模型與實(shí)際情況擬合好。表3中模型失擬項(xiàng)的p值為0.243＞0.05，表明模型失擬項(xiàng)不顯著，該模型的選擇比較合適，而且試驗(yàn)誤差小。因此，各因素和響應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系可以由該回歸方程來解釋，即應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析是可行的。模型中一次項(xiàng)A、B、C對(duì)發(fā)酵乳酸度的影響均極顯著（p＜0.01），通過方程可知影響因素按主次順序排序?yàn)锽＞A＞C；二次項(xiàng)A2、B2對(duì)發(fā)酵乳酸度的影響均極顯著（p＜0.01）；交互項(xiàng)AB的交互作用對(duì)發(fā)酵乳酸度Y無顯著影響（p＞0.05），AC和BC的交互作用對(duì)發(fā)酵乳酸度Y有顯著影響（p＜0.05）。

表3 回歸方程方差分析

2.3 響應(yīng)面交互作用分析及優(yōu)化

應(yīng)用Minitab軟件，繪制出以發(fā)酵乳酸度為響應(yīng)值的各因素的響應(yīng)面圖和等高線圖，進(jìn)行三維可視化的分析，結(jié)果見圖1～圖3。由圖2（d）和圖3（f）可見，等高線均呈橢圓形，顯示發(fā)酵時(shí)間與菌種添加量、發(fā)酵溫度與菌種添加量之間的交互作用顯著。

圖1 發(fā)酵時(shí)間與發(fā)酵溫度的交互作用

圖2 發(fā)酵時(shí)間與菌種添加量的交互作用

圖3 發(fā)酵溫度與菌種添加量的交互作用

應(yīng)用Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)化分析，可以預(yù)測(cè)得到模型的最佳優(yōu)化目標(biāo)酸度為125.0 °T，此時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為發(fā)酵時(shí)間7.88 h、發(fā)酵溫度42.79 ℃、菌種添加量36.27 U/t。對(duì)模型計(jì)算的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，考慮到實(shí)際生產(chǎn)的便利，將工藝參數(shù)修改為發(fā)酵時(shí)間7.5 h、發(fā)酵溫度43 ℃、菌種添加量40 U/t。按此生產(chǎn)工藝進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，3次試驗(yàn)的發(fā)酵乳平均酸度為125.8 °T，與模型預(yù)測(cè)的理論值125.0 °T比較接近，滿足酸奶粉的酸度要求，說明采用響應(yīng)面優(yōu)化得到的最佳參數(shù)是準(zhǔn)確可靠的，按照建立的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)試驗(yàn)在實(shí)踐中是可行的。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)酸奶粉發(fā)酵工藝發(fā)酵乳酸度進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明：發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度與菌種添加量對(duì)發(fā)酵乳酸度均有極顯著影響（p＜ 0.01），發(fā)酵時(shí)間與菌種添加量、發(fā)酵溫度與菌種添加量?jī)蓚€(gè)因素之間的交互作用，對(duì)混合均勻度均有顯著的影響（p＜0.05）。優(yōu)化后，最佳工藝參數(shù)為發(fā)酵時(shí)間7.5 h、發(fā)酵溫度43 ℃、菌種添加量40 U/t，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)的理論目標(biāo)值比較接近，滿足酸奶粉的酸度要求。因此采用響應(yīng)面分析優(yōu)化得到的酸奶粉發(fā)酵工藝參數(shù)具有可行性和可靠性，可用于生產(chǎn)實(shí)際操作。