響應面法優化牦牛乳奶泡加工工藝

蘇德亮 ，羅麗，崔廣智，李亞萍，宋禮

1.甘肅華羚生物技術研究中心（蘭州 730000）；2.中國牦牛乳研究院（蘭州 730000）；3.甘肅華羚乳品股份有限公司（蘭州 730000）

牦牛是高原地區特色且珍貴的優勢畜種資源，能夠很好地適應高寒、高海拔等嚴酷環境。我國現有牦牛1 500多萬頭，占世界總數的90%以上，主要分布于青海、西藏、甘肅、四川、云南和新疆，在農牧業生產中占有極為重要地位[1-3]。

牦牛乳蛋白質含量3.60%～4.20%、脂肪含量5.04%～6.84%、灰分及維生素含量0.76%～0.82%，營養價值較普通牛乳高，含有多種普通牛乳中沒有的營養物質，如二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）等[1,4-5]。與普通牛乳相比，牦牛乳營養價值較高，具有極大的產業升級和市場潛力[6-7]。主要產品類型有牦牛乳粉、酥油茶、酥油和干酪素，其中大部分被當地牧民消費，而未被充分開發利用，產品附加值較低[1, 8-10]。

以全脂滿牦牛乳粉、植脂末、淀粉、麥芽糊精為原料，通過單因素試驗和Box-Behnken響應面試驗設計，確定牦牛乳奶泡的最佳生產工藝條件，為牦牛乳相關休閑食品的開發研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂牦牛乳粉（甘肅華羚乳品股份有限公司）；植脂末（山東天驕生物技術有限公司）；淀粉（濟南盛騰化工有限公司）；麥芽糊精（保齡寶生物股份有限公司）。

1.2 儀器與設備

FA1204分析天平（常州市幸運電子設備有限公司）；DZKW-2電熱恒溫不銹鋼水浴鍋（金壇市大地自動化儀器廠）；ZLE-B500高速剪切機[眾時（上海）機械有限公司]；LGJ干燥機（湘儀離心機儀器有限公司）。

1.3 工藝流程

原料過篩→原料溶解→高速剪切→靜置消泡→料液入模→真空烘干

1.3.1 操作要點

1.3.1.1 原料過篩、溶解

稱量配料前分別將400 g全脂乳粉、350 g植脂末、150 g淀粉、100 g麥芽糊精混合均勻，然后用0.250 mm孔徑（60目）篩過篩，加入40 ℃水，使最終樣品成糊狀。

1.3.1.2 高速剪切

攪拌均勻后料液進行高速剪切，剪切轉速500 r/min，剪切1～2 min。靜置5 min，使高速剪切產生的泡沫消失。

1.3.2 感官評定方法

根據不同工藝參數及水分配比的優劣，從產品的口感、色澤、組織狀態3個指標進行整體感官評價，滿分為100分，其中口感和組織狀態35分、色澤20分，選擇10名有食品專業背景的人員對成品進行感官評價，小組人員身體健康，味覺靈敏，在正式評定前進行相應指導，牦牛乳奶泡的感官評定標準見表1。

表1 牦牛乳奶泡感官評分標準

1.3.3 單因素試驗

在大量預試驗基礎上，確定奶泡的原料總量1 kg。W全脂牦牛乳粉∶W植脂末∶W淀粉∶W麥芽糊精=8∶7∶3∶2，考察對終產品感官評分產生比較明顯影響的因素（研究壓力-0.04，-0.05，-0.06，-0.07和-0.08 MPa；溫度50，60，70，80 和90 ℃；時間15，20，25，30和35 min；物料水分20%，22%，24%，26%和28%）對牦牛乳奶泡終產品感官評分的影響。

1.4 響應面試驗優化

在單因素基礎上，以壓力、溫度、時間、水分最佳參數點為基礎，以這些參數點為基礎，上下浮動取點，通過四因素三水平正交試驗，采用Design-Expert 8.0.6軟件的Box-Behnken響應面設計優化牦牛乳奶泡的生產工藝，因素水平編碼見表2。

表2 牦牛乳奶泡工藝參數響應面因素水平表

2 結果與分析

2.1 工藝參數單因素試驗結果

2.1.1 壓力對牦牛乳奶泡品質的影響

由圖1（a）可以看出，隨著壓力的增加，產品感官評分出現先上升后下降趨勢。壓力為-0.07 MPa時，感官評分最高。由圖1（b）可以看出，壓力大于-0.06 MPa時，奶泡綜合得分較低。奶泡表面由負壓較小沒有及時帶走水分，導致表面塌陷。負壓為-0.08～-0.06 MPa時，感官評分差距較小，因此選擇負壓-0.08～-0.06 MPa為工藝設計所需的水平范圍。

圖1 壓力對產品感官評分的影響（a）及產品圖（b）

2.1.2 溫度對牦牛乳奶泡品質的影響

從圖2（a）可以看出，隨著溫度升高，產品感官評分出現先上升后下降趨勢。溫度為70 ℃時，感官評分最高。溫度較低時，產品外觀較好，但截面有水存在，溫度過高奶泡會發生焦黃現象，感官評分較低。圖2（b）顯示，溫度60 ℃時，產品截面會出現少量水分。因此選擇溫度65～75 ℃為工藝設計所需的水平范圍。

圖2 溫度對產品感官評分的影響（a）及產品圖（b）

2.1.3 時間對牦牛乳奶泡品質的影響

從圖3（a）可以看出，隨時間的增加，產品感官評分出現先上升后下降趨勢。時間為25 min時，感官評分最高。圖3（b）顯示，當時間為30 min時，產品質地會變硬，橫截面粗糙，口感差。因此選擇時間22～28 min為工藝設計所需的水平范圍。

圖3 時間對產品感官評分的影響（a）及產品圖（b）

2.1.4 水分對牦牛乳奶泡品質的影響

從圖4（a）看出，隨著水分的增加，產品感官評分出現先上升后下降趨勢。水分為26%時，感官評分最高。水分升高時，奶泡質地會逐漸松散，水分為26%時口感最佳。圖4（b）顯示，水分繼續增加，奶泡之間會出現粘連現象。因此選擇水分25%～27%為工藝設計所需水平范圍。

圖4 水分對產品感官評分的影響（a）及產品圖（b）

2.2 牦牛乳奶泡響應面結果與分析

Box-Behnken響應面優化結果見表3。

表3 牦牛乳奶泡工藝參數響應面試驗設計及結果

利用Box-Behnken響應面對數據進行多元回歸擬合，得到感官評分的二次多項回歸方程：Y=93.8+0.916 7A+1.25B+C+0.166 7D+0.25AB-1.5AC+AD+0.25BC-0.25BD-1.25CD-9.77A2-6.77B2-4.4C2-7.15D2。牦牛乳奶泡回歸模型方差分析見表4。

由表4可知：該模型是極顯著的（P＜0.01），各單因素中一次項A、B、C，交互項AC，二次項A2、B2、C2、D2極顯著，AD、CD顯著。回歸模型的決定系數R2=0.988 2，說明該模型擬合度良好，該模型失擬項P=0.772 8＞0.05，說明失擬項不顯著，C.V.即離散系數，指的是標準值和均值的比值，試驗中，感官評分擬合C.V.=1.12%。C.V.值可以反饋試驗精度，其值越高，響應的可靠性越差，偏離均值也就越大。經過上述分析可以得知，回歸模型擬合程度比較好，可以用牦牛乳奶泡的感官評分進行較為準確的分析和估算，具有實踐意義。

表4 牦牛乳奶泡回歸模型方差分析

通過觀察P值可以得知，在牦牛乳奶泡感官評分過程中，影響由大到小分別是溫度＞時間＞壓力＞水分。壓力和時間的交互作用的響應面見圖5，壓力和水分的交互作用的響應面見圖6，時間和水分的交互作用響應面見圖7。

圖5 時間和壓力對牦牛乳奶泡感官評價的響應面曲線圖（a）和等高線圖（b）

圖6 壓力和水分對牦牛乳奶泡感官評價的響應面曲線圖（a）和等高線圖（b）

圖7 時間和水分對牦牛乳奶泡感官評價的響應面曲線圖（a）和等高線圖（b）

由圖5～圖7可知：響應面和等高線圖都存在頂點，所選范圍存在極值，等高線形狀呈橢圓形，說明壓力、時間和水分的交互作用顯著，與方差分析結果基本一致。在響應面和等高線中描述壓力、時間和水分對感官評分的影響時，固定其中一個因素，感官評分隨另外一個自變量的增大呈先增大后減小趨勢，規律與前期的單因素試驗結果相近。

2.3 牦牛乳奶泡工藝參數的確定

在各因素可選范圍內，以感官評分為響應值，根據模型回歸分析可得牦牛乳奶泡最佳生產工藝：壓力-0.07 MPa，溫度70.474 ℃，時間25.328 min，水分26.003%。在此優化條件下牦牛乳奶泡的理論綜合評分為93.932分，同時為驗證該模型的可靠性，根據最優條件做了3組重復驗證試驗，最終評分為92，91和94分，平均分為92.33分，與模型預測評分接近，并且工藝參數所得的成品在色澤、口感和組織狀態均良好。

3 結論

通過單因素試驗和Box-Behnken響應面優化，確定牦牛乳奶泡的最佳工藝參數：壓力為-0.07 MPa，溫度70.474 ℃，時間25.328 min，水分26.003%。根據此工藝得到的牦牛乳奶泡感官良好，口感脆爽，是一種具有廣闊開發前景的產品。