響應面法優化蘋果胡蘿卜果蔬汁發酵乳飲料

金萍，劉政，于小磊

錦州醫科大學食品與健康學院（錦州 121000）

發酵乳飲料是指以乳或者乳制品為原材料加入乳酸菌進行發酵得到的制品[2]，乳酸菌可以促進生長發育和調節腸道菌群平衡，還可以防止腹瀉、預防便秘、抑菌、抗腫瘤[3]，另外乳酸菌還可以增強人體的免疫力等功能。蘋果酸甜可口，營養豐富，富含鈣、磷、鐵、鋅、鉀、鎂、硫和多種維生素、煙酸和纖維素等營養成分。經研究表明，蘋果除了具有豐富的糖和維生素等物質外，還具有大量的鋅元素，鋅元素與記憶力水平息息相關。因此蘋果具有增強記憶力、提高智力水平的功效。胡蘿卜由于含有豐富的維生素A，因此多食用胡蘿卜可以預防夜盲癥的發生，還可以緩解視疲勞和避免眼睛干澀。因此多吃一點胡蘿卜對于眼睛還有視力是有很大幫助的。其次，胡蘿卜中還含有大量的纖維素和多種維生素，這些成分對于高血糖、高血脂等都有很大的幫助。

試驗選用營養豐富的胡蘿卜和蘋果，通過乳酸菌發酵技術對其發酵加工，開發研究一種新口味和功效的發酵乳飲料[4]，使其不僅具有胡蘿卜和蘋果的營養成分，而且還擁有發酵食品的獨特風味。通過優化蘋果發酵乳飲料的制作工藝，為其實現工業化生產提供理論依據，同時，也能為果蔬資源[5]的開發利用提供一條新的思路，因此具有廣闊的發展前景。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

胡蘿卜、蘋果、脫脂乳、保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、海藻酸鈉（濟南東軒生物有限公司）；蔗糖（濟南銘潤化工有限公司）。

1.1.2 儀器與設備

CJ-2D型超凈工作臺（泰斯特儀器有限公司）；LDZX-75KBS型高壓滅菌鍋（上海申安醫療器械廠）；HHS-4S型恒溫水浴鍋（宜昌儀器紗篩廠）；FA1104型電子天平（上海天平儀器廠）；TGL20M型高速冷凍離心機（凱特實驗儀器有限公司）；等。

1.2 方法

1.2.1 原材料的制備

胡蘿卜乳酸飲料的制備：胡蘿卜經清洗去污，沸水熱燙4～6 min，冷卻后按一定料液比榨汁[6]。用質量分數0.01%檸檬酸和質量分數0.1%的VC（按胡蘿卜質量計）護色，用0.04%的果膠酶在45 ℃酶解90 min。在胡蘿卜汁中加入牛奶、白砂糖和穩定劑，加熱至50～60 ℃于15～20 MPa均質，在90～95 ℃殺菌5 min，冷卻至45 ℃后接種乳酸菌發酵，于0～4 ℃冷藏，即得胡蘿卜乳酸飲料。

蘋果汁的制備：將蘋果清洗干凈后去皮，切成塊，用榨汁機榨汁。同樣使用雙層紗布進行過濾后對其進行滅菌處理[7]，備用。

工藝流程：以胡蘿卜汁、蘋果汁和牛奶為原材料[8]，以保加利亞乳桿菌Lactobacillus bulgaricus及嗜熱鏈球菌Streptococcus thermophilus為發酵劑制備發酵乳飲料。

制備的工藝流程：胡蘿卜、蘋果→挑選、洗凈→榨汁→過濾→加牛奶→滅菌處理→冷卻底液→接種（活化、馴化后的乳酸菌）→對底液進行發酵→離心處理→調配（加入穩定劑和調味劑）→成品。

操作要點：

蘋果汁制備：選果→清洗→破碎榨汁→加熱滅酶（溫度85 ℃）→過濾→蘋果汁。

胡蘿卜汁制備：胡蘿卜→洗凈→破碎榨汁→過濾→胡蘿卜汁。

發酵原液的配制：將蘋果汁、胡蘿卜汁、鮮牛奶及蔗糖溶液配制發酵原液，經121 ℃殺菌10 s。

離心處理：按6 000 r/min離心5 min。

1.2.2 發酵工藝條件優化單因素試驗

1.2.2.1 發酵溫度單因素試驗

發酵時間為14 h，接種量為7.0%，脫脂乳添加量為12%，蘋果汁與胡蘿卜汁的添加量為60%，改變發酵溫度（36，38，40，42和44 ℃），進行單因素試驗，測定感官評分和pH，篩選出最優的3個水平。

1.2.2.2 發酵時間單因素試驗

1.2.2.3 混合菌種接種量單因素試驗

在發酵溫度42 ℃、發酵時間5.0 h、pH自然的條件下，選擇不同的混合菌種接種量（2.0%，2.5%，3.0%，3.5%和4.0%）進行單因素試驗，測定各發酵酸乳中酸度并進行感官評價，篩選最優的3個水平。

1.2.2.4 蘋果、胡蘿卜汁添加比例單因素試驗

確定發酵溫度42 ℃、發酵時間14 h、接種量7%、脫脂乳添加量12%，選擇不同的蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例（0.5∶1，1∶1，1.5∶1，2∶1和2.5∶1），進行單因素試驗，測定發酵乳中的感官評分和總酸度，篩選出最優的3個水平。

1.2.2.5 脫脂乳添加量單因素試驗

確定蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例2∶1、發酵溫度42 ℃、發酵時間14 h、接種量7%，選擇不同的脫脂乳添加量（10%，12%，14%，16%和18%），進行單因素試驗，測定發酵乳中的感官評分和總酸度，篩選出最優的3個水平。

1.2.3 響應面因素水平設計表

以職業道德為基礎，兼顧具體行業的特殊性。例如，為人師表的奉獻精神，公正嚴明的法律精神，不做假賬的會計精神，救死扶傷的醫者精神等，這樣的職業道德教育才更具實效。

表1 響應面設計因素水平表

由于主要考察發酵條件對果蔬汁發酵的影響，因此以發酵溫度、發酵時間、接種量為自變量，以感官評分為因變量響應面試驗。將制備好的番茄汁和蘋果汁混合在一起，制成復合汁，然后在復合汁中再加入牛乳，作為發酵底液[9]。將馴化后的乳酸菌菌種接種到發酵底液上，在恒溫下進行發酵[10]，制備發酵飲料，安排響應面試驗，進行感官評分，響應面試驗各個試驗因素和水平見表2。

表2 感官評價表

1.2.4 感官評分標準

1.2.5 總酸度測定

采用氫氧化鈉滴定法測定總酸度。

2 結果與分析

2.1 蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例對感官的影響

由圖1可以看出，蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例在0.5∶1～2.5∶1時，隨著添加比例的增加，蘋果的香甜味越來越濃，因此感官評分呈現上升的趨勢。當蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例為1.5∶1時，感官評分達到最高值91.78分。隨著蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例的繼續增加，感官評分[11]呈現下降的趨勢，這是由于蘋果胡蘿卜汁的添加量增加過多，遮蓋了奶香味。因此，選取1.5∶1為較佳液料比。

圖1 蘋果汁、胡蘿卜汁添加比例對感官的影響

由圖2可以看出，脫脂乳的添加量在8%～12%時，隨著添加量的增加，感官評分呈現上升的趨勢，脫脂乳添加后，飲料呈現有奶香味。當脫脂乳添加量為12%時，感官評分達到最高值92.8分。隨著脫脂乳添加量的增加，奶香味掩蓋了蘋果的香甜味，感官評分呈現下降的趨勢。因此，選取12%為較佳脫脂乳添加量。

圖2 脫脂乳添加量對感官的影響

由圖3可以看出，發酵溫度在36～42 ℃時，隨著溫度的升高，發酵乳飲料的口感適宜，感官評分呈現上升的趨勢。當發酵溫度為42 ℃時，感官評分達到最高值97.05分。超過42 ℃，口感過酸，因此感官評分呈現下降的趨勢。當發酵溫度為42 ℃時，酸度為0.5，因此，選取42 ℃為最佳的提取溫度。

圖3 發酵溫度對感官評分及酸度的影響

由圖4可以看出，接種量在4%～7%時，隨著接種量的增加，乳飲料的酸度適宜，因此感官評分呈現上升的趨勢。當接種量為7%時，感官評分達到最高值97.2分。隨著接種量的繼續增加，口感過酸，因此，感官評分呈現下降的趨勢。當接種量為7%時，酸度為0.5，較為適宜。因此，選取7%為較佳的接種量。

圖4 接種量對感官評分的影響

由圖5可以看出，發酵時間在12～14 h時，隨著發酵時間的增加[12]，乳飲料的酸度口感適宜，感官評分呈現上升的趨勢。當發酵時間為14 h時，感官評分達到最高值96.7分。隨著發酵時間的繼續增加，口感過酸，感官評分呈現下降的趨勢。當發酵時間為14 h時，酸度為0.4，較為適宜。因此，選取14 h為較佳的發酵時間。

圖5 發酵時間對感官評分及酸度的影響

3 響應面優化試驗設計及結果

表4 響應面方差分析

以A（發酵溫度）、B（發酵時間）、C（接種量）為自變量，Y（感官評分）為響應值，根據表3響應面試驗分析方案，對各因素數據進行回歸擬合，建立胡蘿卜蘋果發酵乳飲料發酵條件與感官評分的二次多項式方程：感官評分=92.88+0.7X1-0.65X2+0.57X3+0.32X1X2-0.025X1X3+0.87X2X3-2.43-5.23-5.43。

表3 應面試驗設計及結果

根據試驗結果得胡蘿卜蘋果發酵乳飲料制作得響應面與等高線圖[13]，見圖6～圖8。通過圖形可評價各因素條件對發酵乳飲料品質的影響及因素間的交互作用，如果等高線是圓形，則表示因素間的交互作用不顯著，如果等高線呈現為橢圓形，則表示交互作用顯著[14]；如果響應面的曲線走勢越陡峭，表示影響越顯著，如果響應面的曲線呈現越光滑，則影響力越小。從圖6～圖8的等高線圖和響應面圖的形狀可以判斷出，接種量和發酵時間因素影響顯著，發酵時間和發酵溫度影響為其次，發酵溫度和接種量的影響最小。

圖6 溫度和接種量3D圖和等高線圖

圖7 發酵時間和溫度3D圖和等高線圖

圖8 接種量和時間3D圖和高線圖

3.1 最佳提取條件的確定

通過Design Expert 12.0軟件求解所得回歸方程，得出最優發酵工藝參數：發酵溫度42.28 ℃、發酵時間13.89 h、接種量7.05%，預測國光蘋果胡蘿卜發酵乳飲料感官評分為92.960 5分[15]。考慮到在試驗過程的可操作性，將國光蘋果發酵乳飲料最優工藝調整為發酵溫度42 ℃、發酵時間14 h、接種量7%。按照最佳工藝條件進行試驗，用以驗證模型的準確度，一共設置5次平行試驗，國光蘋果發酵乳飲料的感官評分平均值為93.02分，證明試驗結果準確度較高，與預測值基本相符，表明方法可行。

4 結論

通過單因素試驗及響應面優化試驗結果，發酵乳飲料的最優工藝條件為發酵溫度42 ℃、發酵時間14 h、接種量7%，在此試驗條件下對試驗的結果進行驗證，感官評分平均值為93.02分，與響應面模型的理論預測值相符。試驗提取條件和因素水平設置合理，試驗處理較少，證明此模型預測結果準確，可用于發酵乳飲料的發酵工藝優化。