發酵紫薯凍干粉的研制及其在低糖低脂奶片中的應用

梁 晶，何星璐，薩日那，韓佳歡，周 圍，耿麗晶

（錦州醫科大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121000）

紫薯（Solanum tuberdsm）又叫黑薯，是一年生或多年生草本植物，在我國主要分布于遼寧、湖南、廣西等地區，薯肉富含多種營養物質，其中含有豐富的硒元素和花色苷[1-5]。花色苷可激活抗氧化防御體系，增強超氧化物歧化酶活性，具有抗腫瘤[6-7]、調整腸道菌群平衡[8]和預防心血管疾病[9-10]等功效，被譽為“防癌之王”[11]。研究表明，在肉雞飼料中添加紫薯粉，可顯著提升雞肉品質[12]。發酵能夠提高食品營養價值，并且能夠改善食品風味與口感[13-14]。紫薯發酵后多酚含量明顯上升，花色苷含量降低，但其穩定性顯著上升，發酵紫薯總抗氧化能力提高[15]。

菊糖是由果糖聚合成的線性多糖，多存在于菊芋等作物中[16]。菊糖具有防治糖尿病[17]、改善腸道微環境[18]、減輕高脂血癥[19]等多種功效，并可作為脂肪、糖類替代物用于食品生產中[20]。在畜牧業中，將菊糖添加到畜禽飼料中，可以起到促進畜禽對營養物質的吸收，提高動物自身免疫力等作用[21]。

奶片是以鮮乳或乳粉為主要原料，添加適量輔料，經混合、壓片等工藝制成的片狀乳制品，是內蒙地區的特色食品，因其口味香醇、便于攜帶、保質期長等特點備受青睞[22]。市面上奶片品種多樣，如紅棗奶片[23]、松花粉奶片[24]等，但優化低糖低脂發酵紫薯奶片配方工藝的研究較少。本研究以紫薯、脫脂奶粉、菊糖為主要原料，在傳統奶片的制作工藝基礎上，以感官評定為指標，研制出一款營養豐富、口感適宜的低糖低脂發酵紫薯奶片產品，為紫薯深加工以及奶片生產工藝提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

紫薯，2021 年7 月購于錦州市當地農貿市場；菊糖（純度為90%），濰坊市美凱威醫藥科技有限公司；脫脂奶粉，齊齊哈爾市碾子山乳品有限責任公司；硬脂酸鎂、羧甲基纖維素鈉，湖南爾康制藥股份有限公司；德式乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus bulgaricus，貨號：CICC 6098）、嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus，貨號：CICC 6223），上海北諾生物科技有限公司。

1.1.2 儀器與設備

PEN3 型便攜式電子鼻，德國Airsense 公司；FD5-3冷凍干燥機，美國SIM 公司；SB-02 多功能粉碎機，上海市浦恒信息科技有限公司；TDP-5 單沖壓片機，上海天祥制藥機械有限公司；LAC-5040S 全自動高壓滅菌鍋，浙江新豐醫療器械有限公司；SW-CJ 超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司；DNP-9272電熱恒溫培養箱，上海精宏試驗設備有限公司；DHG-9240A 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

1.2.1.1 發酵紫薯凍干粉制作

紫薯→切塊→蒸煮→晾涼→按壓過濾→滅菌→加入混合發酵劑（德式乳桿菌保加利亞亞種∶嗜熱鏈球菌=1∶20[25]）→加水混勻→恒溫發酵→預凍→真空冷凍干燥→發酵紫薯凍干粉

1.2.1.2 低糖低脂發酵紫薯奶片制作

發酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→噴灑潤濕劑→添加黏合劑和穩定劑→混勻→壓片→烘干→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 發酵紫薯凍干粉的制備

將新鮮無腐爛、無機械傷、無蟲蛀的紫薯洗凈，蒸熟后晾涼剝去外皮，用20 目篩按壓過濾，去掉粗木質纖維，滅菌后接入8.0%混合發酵劑，按料液比為9∶14（g/mL）加入純凈水，于37 ℃恒溫培養箱中發酵9 h。取發酵液攪拌均勻后于-20 ℃冰箱中預凍10 h，然后轉移至冷凍干燥機內冷凍干燥24 h。粉碎機打碎后過40 目篩得到發酵紫薯凍干粉。

1.2.2.2 奶片制作工藝

參照吳虹艷等[26]和袁祎琳等[27]的方法，并稍作修改。將脫脂奶粉與發酵紫薯凍干粉按質量比3∶2 進行混勻，噴灑4%（以奶粉和發酵紫薯凍干粉總質量為100%）煮沸晾涼后的純凈水做潤濕劑，添加10%菊糖，分別添加2.5%的羧甲基纖維素鈉和硬脂酸鎂[28]，再次混勻后置于奶片專用模具中壓片（壓片規格：直徑17~19 mm，厚度3~4 mm，克重4.0~6.0 g），于70 ℃烘箱中烘烤30 min 后稱重，繼續烘烤15 min 后稱重，反復多次，直至奶片質量不再減輕。

1.2.3 單因素試驗設計

對影響發酵紫薯凍干粉感官評價的主要工藝參數進行單因素試驗，試驗設計見表1。單獨考察一個單因素時，其他因素水平分別固定為混合發酵劑添加量8.0%，料液比9∶14（g/mL），發酵溫度37 ℃，發酵時間9 h。

表1 單因素試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of single factor experiments

1.2.4 Box-Benhnken 中心組合試驗設計

根據單因素試驗結果，優選3 個主要因素（發酵時間、發酵溫度、發酵劑添加量）設計響應面優化試驗，每個因素選取3 個發酵紫薯凍干粉感官評分較高的水平。Box-Behnken 試驗因素與水平的設計見表2，最終優化得到發酵紫薯凍干粉的最佳工藝條件并進行驗證。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of response surface design

1.2.5 感官評價

1.2.5.1 發酵紫薯凍干粉的感官評價

由10 名有經驗的感官評價員組成感官評定小組，分別對發酵紫薯凍干粉的品質狀態進行綜合評分，采用百分制，評定標準見表3。

表3 發酵紫薯凍干粉感官評定標準Table 3 Sensory scoring criteria(scores)of fermented purple potato freeze-dried powder

1.2.5.2 低糖低脂發酵紫薯奶片的感官評價

由10 名有經驗的感官評價員組成感官評定小組，分別對低糖低脂發酵紫薯奶片的品質狀態進行綜合評分，采用百分制，評定標準見表4。

表4 低糖低脂發酵紫薯奶片感官評定標準Table 4 Sensory scoring criteria(scores)of low-sugar low-fat fermented purple potato milk tablet

1.2.6 電子鼻檢測

發酵紫薯凍干粉制作完成后，將其與脫脂奶粉等配料混勻，按照工藝流程制成低脂低糖發酵紫薯奶片（終產品），同時將低脂未發酵紫薯奶片、低脂發酵紫薯奶片、低糖低脂未發酵紫薯奶片作為對照組。各組具體試驗設計如下：

低脂未發酵紫薯奶片：紫薯凍干粉+脫脂奶粉+白砂糖→混勻→壓片→烘干→成品

低脂發酵紫薯奶片：發酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+白砂糖→混勻→壓片→烘干→成品

低糖低脂未發酵紫薯奶片：紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→壓片→烘干→成品

低糖低脂發酵紫薯奶片（終產品）：發酵紫薯凍干粉+脫脂奶粉+菊糖→混勻→壓片→烘干→成品

將每組奶片取一片磨碎之后用保鮮膜密封于頂空瓶中12 h 后，待其頂部空間的揮發物將達到平衡狀態時進行電子鼻檢測，室內環境溫度24~27 ℃，4組樣品每個樣品各做3 次平行試驗。測定參數設置：傳感器室流量及測量樣品流量均為300 mL/min，預采樣時間5.0 s，抽樣間隔1.0 s，調零時間10.0 s，沖洗時間100.0 s，測定時間70.0 s。各傳感器名稱和性能詳情見表5。

表5 PEN3 型電子鼻的傳感器及性能Table 5 Sensors and performance of PEN3 electronic nose

1.2.7 數據處理

2 結果與分析

2.1 發酵紫薯凍干粉的單因素試驗結果

2.1.1 發酵劑添加量對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖1 可知，在發酵劑添加量為8.0%時，發酵紫薯凍干粉的感官評分最高，發酵劑添加量大于10%后感官評分急劇下降，可能是由于發酵劑添加量過大，發酵產酸過多，導致發酵紫薯凍干粉甜酸比例嚴重失衡所致。

圖1 發酵劑添加量對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.1 Effects of amount of fermentation agent on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.2 料液比對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖2 可知，料液比對發酵紫薯凍干粉的感官評分影響較弱，整體趨勢為先緩慢升高，在料液比為9∶14（g/mL）時達到最高分，再呈緩慢下降趨勢。

圖2 料液比對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.2 Effects of material-liquid ratio on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.3 發酵溫度對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖3 可知，隨著發酵溫度的升高，發酵紫薯凍干粉的感官評分急劇升高，于37 ℃時達到最高分，隨后逐漸下降，可能是由于溫度逐漸升高，影響了菌種的活性，導致發酵減慢，風味減淡。

圖3 發酵溫度對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.3 Effects of fermentation temperature on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

2.1.4 發酵時間對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響

由圖4 可知，隨著發酵時間的增加，發酵紫薯凍干粉的感官評分呈現先上升后下降的趨勢，在發酵時間為5~9 h 時，感官評分升高，9 h 后感官評分降低，可能是由于發酵時間過長，產生過量的乳酸，影響了發酵紫薯凍干粉的口感及質地狀態。

圖4 發酵時間對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響Fig.4 Effects of fermentation time on sensory evaluation of fermented purple potato lyophilized powder

由圖1~4 可知，發酵劑添加量、發酵時間、發酵溫度能夠明顯影響發酵紫薯凍干粉的感官評分；相比之下，料液比對發酵紫薯凍干粉的感官評分影響較小。單因素試驗分別在發酵劑添加量8%，料液比9∶14（g/mL），發酵溫度37 ℃，發酵時間9 h 時，發酵紫薯凍干粉的感官評分達到最高。

2.2 Box-Behnken 試驗設計與結果分析

2.2.1 Box-Behnken 試驗設計方案與結果

根據單因素試驗的結果，由Design Expert 10.0.7統計分析軟件設計出的試驗方案及結果見表6，以發酵劑添加量（A）、發酵溫度（B）、發酵時間（C）為自變量，以感官評分為響應值優化發酵紫薯凍干粉制作工藝。

2.2.2 回歸方程擬合及方差分析

對表6 數據進行回歸分析，擬合和優化出以響應值為函數的二次多元回歸方程為：

表6 Box-Behnken 試驗設計與結果Table 6 Box-Behnken experimental design and results

對模型進行顯著性檢驗，結果見表7。由表7 可見，該回歸模型P＜0.001，方程模擬達到極顯著，失擬項P=0.354 8＞0.05，不顯著，且回歸模型R2=0.966 4，=0.923 2，表明所得回歸方程擬合程度較高，與實際擬合中非正常誤差所占比例較小，使用該方程模擬真實的三因素三水平分析，能夠對發酵紫薯凍干粉感官評分進行可靠地預測，將該回歸方程用于發酵紫薯凍干粉工藝的響應面優化試驗的理論推測是可行的。

由表7 方差分析結果可知，FA=0.078，FB=13.16，FC=9.08，可得FB＞FC＞FA，即影響發酵紫薯凍干粉感官評分的因素按主次順序為:發酵溫度（B）＞發酵時間（C）＞發酵劑添加量（A）。在交互作用中，AB、AC、BC 表現為極顯著（P＜0.01），二次項A2、B2、C2表現為極顯著（P＜0.01），說明各因素之間存在交互作用，并對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響極顯著。

表7 回歸模型的方差分析Table 7 ANOVA of the regression models

2.2.3 響應面分析與優化

為更好地研究發酵紫薯凍干粉中各因素的交互作用，由設計試驗所得的響應面曲線圖和等高線圖如圖5 所示。

由圖5 可知，響應面圖均呈先升高后降低的趨勢，曲面均有較為明顯的弧度，梯度變化明顯，有明顯的峰值。響應面圖傾斜度越高，坡度越陡，兩因素間的相互影響越大。因此，各因素對發酵紫薯凍干粉感官評分的影響大小為：發酵溫度＞發酵時間＞發酵劑添加量。等高線圖中等高線輪廓呈橢圓，表明各因素之間存在極顯著交互作用，等值線出現最高值（即最小的橢圓中心點），說明響應面設計試驗的各因素取值在最優取值范圍內，優化模型具有很高的可信度與實際意義。

圖5 各因素交互作用對發酵紫薯凍干粉感官評分影響的響應面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots of the effect of interaction of each factor on sensory score of fermented purple potato lyophilized powder

2.2.4 發酵紫薯凍干粉最佳工藝條件的確定

采用Design Expert 10.0.7 軟件對發酵紫薯凍干粉感官試驗模型進行最優求解，得到發酵紫薯凍干粉的最佳制備工藝條件為：發酵劑添加量7.590%，發酵溫度37.624 ℃，發酵時間9.506 h，預測感官評分為96.988分。為了驗證發酵紫薯凍干粉響應面優化模型的準確性，在方便操作的基礎上，調整驗證工藝參數為：發酵劑添加量7.6%，發酵溫度37.6 ℃，發酵時間9.5 h，進行驗證試驗。實際的感官評分為95.20±1.64 分，與預測值接近，說明回歸方程可以反映各因素對發酵紫薯凍干粉制作工藝的影響，具有實際應用價值。

2.3 低糖低脂發酵紫薯奶片感官評定

由10 名專業人士對低糖低脂發酵紫薯奶片及另外3 種紫薯奶片進行感官評定，結果如表8 所示。

表8 4 種不同配方紫薯奶片感官評定結果Table 8 Sensory scores of four different formulations of purple potato milk tablet 單位：分

由表8 可知，低糖低脂發酵紫薯奶片的外觀、色澤、口感以及風味分別得分為18.20 分、24.20 分、28.00 分、24.00 分，總分為94.40 分。低糖低脂發酵紫薯奶片的各項感官評分均為最高，說明該低糖低脂發酵紫薯奶片更容易被大眾所接受。

2.4 電子鼻結果分析

PCA（Principal component analysis）亦稱主成分分析，是一種在原始維度上轉換為一種新的維度同時保留原始的數據信息，是對原有數據進行簡化的一種對數據進行分析的技術。該分析方法可以有效地分析出樣品中最主要的風味成分，一般第一主成分（PC1）的貢獻率遠大于第二主成分（PC2）的貢獻率[29]，且兩者總貢獻率超過85%就可以反映原始數據的信息[30]。不同配方紫薯奶片的PCA 分析如圖6A 所示，每個橢圓代表不同配方紫薯奶片風味成分的數據采集點，各橢圓之間的距離大小反映每個樣品之間風味主成分差異性的大小。圖6A 中PC1 貢獻率為99.33%，PC2 貢獻率為0.47%，總貢獻率為99.80%。其中低脂低糖發酵紫薯奶片的PC1 濃度為最大，低糖低脂未發酵紫薯奶片兩種主成分均為最小，且低脂發酵紫薯奶片與低脂低糖發酵紫薯奶片的PC2 的氣味最為相似。

Loading 分析即載荷分析，與PCA 分析算法相同，每個傳感器對特定氣味的分辨力體現在載荷圖PCA 坐標的位置，靠近原點位置的傳感器貢獻率最低，遠離原點的傳感器貢獻率高。本研究結果如圖6B所示，其中W3S、W6S、W2S、W1S 四個傳感器的PC1和PC2 貢獻率近似為0，說明其無法識別紫薯奶片中的風味成分。其中W1W 傳感器PC1 貢獻率最高，W5S、W2W 傳感器PC1 貢獻率僅低于W1W，W2W傳感器貢獻率略低于W5S 傳感器；W1S 傳感器PC2貢獻率最高，W2S 傳感器PC2 貢獻率低于W1S，W1W、W6S 次之。參照各傳感器的性能特征可知，W1W（硫化物）、W1S（甲基類化合物）兩種風味成分對紫薯奶片不同工藝配方的差異有主要貢獻。

圖6 不同配方紫薯奶片的電子鼻圖Fig.6 Electronic nose diagram of purple potato milk tablets with different formulations

LDA 分析是通過擴大組間間距、縮小組內間距分析研究樣品所屬類型的一種統計方法，亦稱線性判別分析。由圖6C 中橢圓的分布位置來看，不同工藝配方的紫薯奶片可明顯分開，可以看出紫薯奶片的揮發性成分差異明顯，LDA 圖能夠區分不同工藝配方紫薯奶片的揮發性成分。圖6C 中，第一判別式PC1貢獻率為86.19%，第二判別式PC2 貢獻率為13.16%，總貢獻率99.35%，發酵工藝紫薯奶片與未發酵工藝奶片離散度大，說明發酵前后紫薯奶片風味變化速率大；低糖低脂發酵紫薯奶片與低脂發酵紫薯奶片PC1 貢獻率略有偏差，說明添加菊糖和白砂糖對紫薯發酵奶片風味第一主成分影響極小，就風味方面，菊糖可以替代白砂糖加入到紫薯發酵奶片中。4 種工藝紫薯奶片的分析數據點均分布于各自區域，相互間無重疊或交叉，樣本間距離較大，說明運用LDA方法可以對是否發酵不同糖味添加劑的紫薯奶片進行區分。

3 結論

通過單因素及響應面試驗，確定發酵紫薯凍干粉最佳制備工藝為：紫薯發酵時間9.5h，發酵溫度37.6 ℃，混合發酵劑添加量7.6%，料液比為9∶14（g/mL），該條件下所制得的發酵紫薯凍干粉感官評分為95.2 分。

經電子鼻PCA 和LDA 分析可知，硫化物、甲基類化合物兩種風味成分對紫薯奶片不同工藝配方的差異有主要貢獻，不同工藝配方的紫薯奶片的揮發性成分差異明顯。以紫薯、脫脂奶粉、菊糖為主要原料，采用德式乳桿菌保加利亞亞種和嗜熱鏈球菌對紫薯進行發酵后獲得凍干粉，與脫脂奶粉等原料制得低糖低脂紫薯發酵奶片，具體風味成分及品質分析等后續研究有待進行，以期為低糖低脂奶片及紫薯、菊糖的研究和開發奠定基礎。