響應面法優化黃精發酵乳飲料工藝研究

◎ 戴 欣，唐 琪，方 偉，秦 丹

（1.湖南農業大學 食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.懷化學院 生物與食品工程學院，湖南 懷化 418000；3.山地生態食品精深加工湖南省普通高等學校重點實驗室，湖南 懷化 418008）

黃精，屬于百合科黃精屬植物，《本草綱目》中對于黃精有“補諸虛，填精髓”的記載[1]。研究表明，黃精根莖多糖、果糖和低聚果糖等含量約占50%，黃精多糖是黃精中的主要成分[2]。黃精含有的非淀粉多糖、低聚果糖與抗性淀粉具有降低餐后血糖的作用[3-4]。近年來在國家“健康中國2030”戰略大背景下，黃精人工種植逐漸形成規模但產品加工檔次低、規模小，產品附加值低，精深加工及綜合利用研發不足，不能滿足消費者日益增長的需求[5-6]。本研究以黃精和牛奶為主要原料，探究黃精產品開發的新方向，為黃精產業發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮黃精采挖自湖南懷化新晃清源藥業種植基地，經懷化學院伍賢進教授鑒定為多花黃精塊根；純牛奶，湖南新希望南山液態乳液有限公司；木糖醇，山東福田藥業有限公司；蔗糖，市售；乳酸菌菌粉，北京川秀科技有限公司。

1.2 儀器與設備

LHS-250SC恒溫恒濕培養箱，上海益恒實驗儀器有限公司；AL204電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；SW-CJ-1D無菌操作臺，蘇州凈化設備有限公司；XMTD-7000電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫療儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原材料預處理

稱取制黃精100 g于燒杯中，加入600 mL水浸泡30 min，將濾液和黃精浸泡液倒入電熱壺中，煮沸后慢火保持微沸30 min，過濾得到濾液和濾渣，將濾液放置在1 000 mL的燒杯中，濾渣再置于電熱壺中，加入400 mL水按上述方法煎煮，過濾。將所得濾液倒入1 000 mL燒杯中，濾渣置于電熱壺中，再加入300 mL水按上述方法煎煮，過濾，收集3次所得藥液，將濾液慢火熬煮至黏稠狀態進行濃縮（生藥含量1.36 g·mL-1），密封 4 ℃冷藏保存。

準確稱量黃精膏和牛奶，于38 ℃水浴鍋中混勻，過濾，收集濾液得黃精牛奶混合物。以質量分數為5%的黃精添加量為母液，配制好后置于錐形瓶中，4 ℃冷藏備用。

1.3.2 工藝流程及感官評價

黃精發酵乳飲料的工藝流程為黃精膏→純牛奶→加熱（70～90 ℃）→木糖醇→蔗糖→冷卻（40～50 ℃）→接種→培養發酵、冷卻→后熟。

感官評價：請食品專業10人進行品嘗，從表1所給參考標準的4個方面進行感官評價，評價總分為100分。

表1 感官評價標準表

1.3.3 單因素實驗

以感官評分為評判標準，在同等條件下以木糖醇添加量（6%、7%、8%、9%和10%）、黃精添加量（0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）、蔗糖添加量（4%、6%、8%、10%和12%）為單因素進行實驗。

1.3.4 響應面實驗

根據單因素篩選結果，以黃精添加量、木糖醇添加量、蔗糖添加量這3個因素作為自變量，以感官評分為響應值，進行響應面分析。單因素實驗得到數據利用Design-Expert 8.0.6軟件進行實驗設計與分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 木糖醇添加量

按照1.3.2步驟進行操作，每份菌粉添加量為2%，黃精添加量為1%，蔗糖添加量為8%，木糖醇的添加量每份分別為6%、7%、8%、9%和10%。測定不同木糖醇添加量對黃精發酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評分見表2。

表2 黃精發酵乳飲料木糖醇添加量單因素實驗表

由表2可知，當木糖醇添加量小于8%時，發酵乳飲料的感官得分隨著添加量的增加而升高；當木糖醇添加量大于8%時，發酵乳飲料感官得分開始逐漸降低。其主要原因為木糖醇的添加量對發酵乳飲料的甜度具有很大的影響，適量添加木糖醇可以賦予發酵乳飲料適宜的甜度；若木糖醇過量添加，發酵乳飲料不僅甜度過大，還會掩蓋黃精的風味。因此，木糖醇的最佳添加量為8%左右，暫定7%、9%為后續優化實驗的最低、最高水平進行響應面分析。

2.1.2 黃精添加量

按照1.3.2步驟進行操作，菌粉添加量為2%，木糖醇添加量為8%，蔗糖添加量為8%，黃精的添加量每份分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。測定不同的黃精添加量對黃精發酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評分見表3。

表3 黃精發酵乳飲料黃精添加量單因素實驗表

由表3可知，當黃精的添加量小于1.0%時，發酵乳飲料的感官得分隨著黃精的增加而升高，當黃精的添加量大于1.0%時，感官得分開始逐漸降低。其主要原因為黃精的添加量對發酵乳飲料的感官色澤和香味具有很大的影響，適量的黃精可以賦予發酵乳飲料適當的黃精味；若黃精過量添加，發酵乳飲料色澤和香味會增加，從而掩蓋發酵乳飲料特有香味，色澤過深引起感官不適。因此黃精的最佳添加量為1.0%左右，暫定0.5%、1.5%為后續優化實驗的最低、最高水平進行響應面分析。

2.1.3 蔗糖添加量

按照1.3.2步驟進行操作，菌粉添加量為2%，木糖醇添加量為8%，黃精添加量為1%，蔗糖的添加量分別為4%、6%、8%、10%和12%。考察不同的黃精添加量對黃精發酵乳飲料口感的影響，各物料稱取量及感官評分見表4。

表4 黃精發酵乳飲料蔗糖添加量單因素實驗表

由表4可知，當蔗糖添加量小于6%時，發酵乳飲料的感官得分隨著蔗糖的增加而升高，當蔗糖的添加量大于6%時，感官得分開始逐漸降低。其主要原因是因為蔗糖的添加量對發酵乳飲料甜度具有很大影響，適當的蔗糖可以賦予發酵乳飲料適當的甜度；若蔗糖過量添加，發酵乳飲料的色澤會發生變化，且口感因過甜而掩蓋黃精口感，在蔗糖濃度為12%時，發酵乳飲料有明顯分層，乳清析出較多，猜想原因是因為蔗糖濃度為12%時，乳酸菌的生長受到了抑制。因此蔗糖的最佳添加量為6%左右，暫定4%、8%為后續優化實驗的最低、最高水平進行響應面分析。

2.2 響應面法優化實驗分析

2.2.1 響應面法實驗結果

將單因素實驗數據輸入Design-Expert 8.0.6軟件中，自動生成實驗設計因素和水平表格，見表5。響應面設計方案及響應結果見表6。

表5 Box-Behnken實驗設計因素與水平表

表6 響應面實驗設計及結果表

2.2.2 方差分析及數據處理

回歸模型方差分析及回歸系數顯著性檢驗結果見表7，擬合黃精發酵乳飲料感官評分關于木糖醇的添加量（A）、黃精的添加量（B）和蔗糖的添加量（C）得到二次多項回歸模型為感官評分=86.31+0.57A+0.14B+0.41C-0.97AB-0.035AC+0.50BC-2.83A2-2.71B2-3.36C2，R2=0.987 8，p＜ 0.000 1。R2為0.987 8＞0.9，p＜0.000 1，表明模型極顯著，因此黃精發酵乳飲料各因素對黃精發酵乳飲料品質的影響不是簡單的線性關系，木糖醇的添加量、黃精的添加量和蔗糖的添加量這3個因素之間存在顯著交互作用。失擬項值為0.361 1，大于0.05，表示該模型失擬項不顯著，說明其他因素對該模型干擾程度低，實驗數據和回歸模型擬合度好、誤差小。相關系數R2=0.987 8＞0.9，表明實驗值和理論值具有相關性，響應面實驗誤差小，可以用此模型來分析。

表7 回歸模型方差分析結果表

運用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據擬合，對模型進行回歸方程系數顯著性檢測可知：A=0.012 8＜0.05，表明木糖醇的添加量達到顯著水平，對于黃精發酵乳飲料感官評價具有明顯影響；C=0.046 6＜0.05，表明蔗糖的添加量達到顯著水平，對于黃精發酵乳飲料感官評價具有明顯影響；AB=0.005 4＜0.05，表明木糖醇添加量和黃精添加量的交互項互相有影響；A2、B2、C2的p值均小于0.000 1，表明實驗因素對響應面是一種非線性關系。3D圖直觀體現木糖醇添加量、黃精添加量和蔗糖添加量這3個因素之間兩兩交互作用對黃精發酵乳飲料品質的影響，結果見圖1，坡度凸起越明顯，表明兩者交互作用越明顯，坡度越平緩，表明兩者交互作用越低。木糖醇添加量（A）與蔗糖添加量（C）、蔗糖添加量（C）與黃精添加量（B）交互作用響應面3D圖坡度平緩，表明這2個因素交互作用不明顯，對黃精發酵乳飲料感官評價影響較小，且由AC=0.889 7＞0.05，BC=0.079 0＞0.05均可證明3D圖分析結果。黃精添加量與木糖醇添加量交互作用響應面3D圖坡度較陡，表明黃精添加量與木糖醇添加量交互作用較強，對黃精發酵乳飲料影響顯著，且AB=0.005 4＜0.05可證明3D圖這一結果。單因素對黃精發酵乳飲料感官評分影響大小順序為A＞C＞B，根據分析計算，響應面法優化黃精發酵乳飲料工藝條件為木糖醇添加量為8%，黃精添加量為1%，蔗糖添加量為6%。

圖1 各因素交互作用對黃精發酵乳飲料感官評分影響的響應面以及等高線圖

2.2.3 驗證實驗

根據2.2.2下最優工藝條件以及實際實驗條件，黃精發酵乳飲料木糖醇的添加量為8%、黃精的添加量為1%、蔗糖添加量為6%制作3批樣品，進行感官評價，感官評分分別為85.79分、86.26分、86.57分，與相應條件預測值相近。結果表明，數學模型準確可靠，黃精發酵乳飲料口感的重現性好、可行性高、可操作性強。

3 結論

本研究在單因素實驗基礎上，用Box-Behnken響應面分析方法進行優化。當木糖醇的添加量為8%、黃精添加量為1%、蔗糖添加量為6%，菌粉添加量為2%，此條件下黃精發酵乳飲料的感官評分最高，具有較好的商業化潛力。