响应面法优化魔芋酸奶工艺

葛谦，袁亚宏，岳田利

（西北农林科技大学食品学院，陕西杨凌 712100）

魔芋是一种天南星科（Araceae）魔芋属（Amorphophallus Blume）的多年生草本植物，其含有魔芋葡甘露聚糖（KGM），是一种低热量的水溶性膳食纤维，具有减肥、降血糖、降血脂、提高抗氧化能力、润肠通便、调节胆固醇代谢等多重功效[1-2]，同时可减缓动脉硬化、调节血糖水平并且对空腹血糖值无显著影响[3]，是一种被广泛推崇的健康食品。同时，魔芋水合能力极强，具有很高的增稠性[4]，可提高魔芋酸奶产量，增强其黏稠性。酸奶是一种营养价值丰富、促进消化吸收、提高人体免疫力、调节肠道菌群平衡，通过添加乳酸菌等益生菌发酵哺乳动物的液态乳制品[5]。响应面法（response surface methodology，RSM）利用多元二次回归方程拟合因素与响应值两者之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题，优化效率高，近些年在食品、种植、医药等工业领域中得到了广泛应用[6-9]。

随着人们生活水平的提高，人们的饮食越来越趋于健康化、营养化、功能化，对酸奶的营养强化更加重视。本试验将魔芋精粉添加到酸奶中不仅可以提高酸奶黏稠度，扩大产值，更强化了该产品的营养保健功效，具有广泛的应用前景。

1 材料与方法

1.1 主要试验材料

魔芋精粉：由陕西汉中锦泰魔芋公司提供；鲜牛奶：由西北农林科技大学提供，符合GB 19301-2010《生乳》标准，微生物及理化指标合格且无抗生素；菌种：6063 嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus，St）和6064德氏乳杆菌保加利亚亚种（Lactobacillus bulgaricus，Lb）：由中国菌种保藏中心（CICC）提供；白砂糖；脱脂奶粉。

1.2 主要仪器设备

SHP6-60高压均质机：西安福玛试验设备有限公司；HH－60数显恒温培养箱：西安智城分析仪器制造有限公司；JA2003电子天平：北京精密科学仪器有限公司；ES－315高压蒸汽灭菌锅：日本TOMY公司；BCN－1360B生物洁净工作台：哈尔滨东联电子技术开发公司。

1.3 加工工艺

1.3.1 工艺流程

功能性魔芋固体酸奶生产工艺流程见图1。

图1 魔芋酸奶生产工艺流程图Fig.1 Process of konjac yogurt

1.3.2操作要点

1.3.2.1 工作发酵剂的制备

将10%～12%脱脂乳粉与水混合，待奶粉充分复水后，再108℃灭菌8 min～10 min，降温至43℃，按比接入发酵剂，在恒温培养箱43℃培养，待脱脂乳凝固后，置于0℃～4℃冰箱中后发酵并保存，如此逐级扩大培养，直到菌种有充分的活力。生产发酵剂活菌数检测乳酸菌的活菌数应当在1×106cfu/mL以上。

1.3.2.2 魔芋固体酸奶粉的制备

将鲜牛奶加热35℃～40℃时加入魔芋精粉，当温度上升至60℃～70℃时加入蔗糖，待蔗糖融化温度至70℃～75℃时，于18 Mpa～18 Mpa下进行均质。将其用保鲜膜封口，进行95℃、5 min的热杀菌处理。乳冷却到43℃～45℃，将发酵剂摇匀后加入乳中充分摇匀，封口，置于42℃恒温培养箱中发酵3 h～4 h，待乳凝固后，置于4℃～5℃保存 12 h～13 h。

1.4 检测方法

1.4.1 理化指标、微生物分析方法

酸度：GB 5413.34－2010《乳和乳制品酸度的测定》；蛋白质：GB 5009.5－2010《食品中蛋白质的测定》；脂肪：GB 5413.3－2010《婴幼儿食品和乳品中脂肪的测定》；非脂乳固体：GB 5413.39－2010《乳和乳制品中非脂乳固体的测定》；乳酸菌数：GB4789.35－2010《食品微生物学检验乳酸菌检验》；大肠菌群：GB 4789.3－2010《食品微生物学检验大肠菌群计数》；致病菌：GB4789.4－2010《食品微生物学检验沙门氏菌检验》，GB4789.10－2010《食品微生物学检验金黄色葡萄球》，GB4789.30－2010《食品微生物学检验单核细胞增生李斯特氏菌检验》。

1.4.2 酸奶质构指标测定方法

测定方法：将酸乳置于100 mL烧杯中约占烧杯3/5，在4℃下，用TA.XT PLUS/50型物性测定仪测定黏附力、黏附性、凝胶强度、硬度等质构指标，每个样品取3个平行样。测定参数：圆柱型挤压检测探头直径25.4mm。测试参数：测试距离30 mm，测试前速60 mm/min，测试速度60 mm/min，测试后速度120 mm/min，样品压缩百分率30%[10]。

1.4.3 酸奶品质的感官评价

邀请10位有经验的专业人员根据魔芋酸奶乳清析出情况、滋味、组织状态、风味等进行综合评分，取平均值为总感官评分（百分制），标准如表1。

表1 魔芋酸奶感官评分标准Table 1 Standard of sensory evaluation for Konjac yogurt

1.4.4 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用Box－Behnken模型，以感官评分Y为响应值，利用Design Expert7.0.0软件进行三因素三水平的响应面优化，试验设计见表2。

表2 响应曲面试验设计因素水平及编码Table 2 Factors，levels and codes of response surface design

2 结果与分析

2.1 魔芋精粉添加量的确定

魔芋精粉添加量对酸奶感官品质的影响结果见图2。

图2 不同魔芋精粉添加量对酸奶感官品质的影响Fig.2 Effect of different Konjac Powder on yoghurt quality

由图2可知，当魔芋精粉添加量为0.06%时，魔芋酸奶色泽、气味、组织状态、口感各项感官都达到最高；当小于0.06%时，酸奶质地稀薄、风味不足；当大于0.06%时，酸奶过于浓稠厚重，在1‰、1.2‰时甚至出现分层现象。

2.2 发酵剂接种量的确定

发酵剂接种量对酸奶感官品质的影响结果见图3。

图3 不同接种量对酸奶感官品质的影响Fig.3 Effect of the number of strains on yoghurt quality

菌种接种量是影响酸奶发酵的一个重要指标，接种量偏高，发酵速度过快，无法形成浓郁的乳酸发酵风味；接种量偏低，发酵力弱，发酵时间长，风味不足。由图3可以看出，当菌种接种量为3%，魔芋酸奶富有光泽、口感细腻、乳清析出少、风味俱佳均优于其他组。

2.3 菌种比例的影响

菌种比例对酸奶感官品质的影响结果见图4。

图4 不同接种量对酸奶感官品质的影响Fig.4 Effect of different proportions of strains on yoghurt quality

由图4可知，当嗜热链球菌与保加利亚乳比例为2∶1时酸奶感官评价最高、风味俱佳、色泽富有光泽。杆菌主要以产酸为主，球菌发酵力强，当球杆菌比例小于2∶1时，杆菌占优势，导致产酸较快而影响酸奶的凝固性，并且伴有乳清析出、口味偏酸。当球杆菌比例大于2∶1时球菌占优势、发酵力过强，风味不足。

2.4 蔗糖添加量的确定

蔗糖添加量对酸奶感官品质的影响结果见图5。

图5 不同蔗糖添加量对酸奶感官品质的影响Fig.5 Effect of different sucrose on yoghurt quality

由图5可知，当加糖两为8%时，魔芋酸奶感官评价最高，调节蔗糖添加量可改善酸奶酸甜比，当蔗糖添加量少于8%时酸味较重，而大于8%时又过甜，当蔗糖添加量为8%时口感俱佳、酸甜比合适、可口宜人。

2.5 响应面优化试验结果

魔芋酸奶工艺参数优化设计方案及其结果如表3所示。

表3 Box-Behnken试验及结果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiment

利用Design－expert 7.0.0软件对表3数据进行分析，得到感官评分值Y与自变量X1、X2、X3的二次回归方程为：Y=+79.60－1.87*A－1.12*B－2.00*C－1.00 A*B－0.25 A*C－1.25 B*C－6.80*A2－6.30*B2－7.55 C2。对该模型进行的方差分析及显著性检验结果见表4。

表4 Box-Behnken试验方差分析Table 4 Variance analysis of Box-Behnken experiment

由方差分析表4可知，失拟项不显著（0.329 9＞0.05），模型拟合试验真实情况较好，可预测其结果，模型p值为0.000 1，小于0.05，说明模型显著。因素一次项（A、B、C）、交互项（BC）及二次项（A、B、C）对结果影响显著（p＜0.05），交互项（AC、AC）对果影响不显著（p＞0.05）。

复相关系数R的R2为0.990 9，校正后RAdj为0.979 1，预测值和测试纸非常接近，模型拟合程度较好，可用该模型对魔芋酸奶加工工艺进行分析和预测。各因素对魔芋酸奶感官评分的影响排序为：蔗糖添加量C＞魔芋精粉添加量A＞接种量B。

2.6 多因素交互作用响应曲面分析

图6中的响应面和等高线较好的反应了魔芋精粉添加量和菌种接种量对魔芋酸奶感官品质的影响，由图6可知，在蔗糖添加量一定的条件下，随魔芋精粉添加量和接种量的增加，感官评分先升高后降低，由此可知适量的魔芋精粉添加量和接种量可提高酸奶品质。等高线呈圆形是因魔芋精粉添加量和接种量交互作用小造成；与此同时，通过等高线可看出魔芋精粉添加量对酸奶品质的影响大于接种量对酸奶品质的影响。

图6 魔芋精粉添加量和接种量对感官质量交互影响的响应面图和等高线图Fig.6 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of konjac yougurt as a function of wheat germ amount and inoculum

图7中的响应面和等高线较好的反应了魔芋精粉添加量和蔗糖添加量对魔芋酸奶感官品质的影响。由图7可知，在接种量一定的情况下，随着魔芋精粉和蔗糖添加量的增多，感官评分先升高后降低；等高线顶处弧度小，交互作用不显著；通过等高线可看出，蔗糖添加量对魔芋酸奶品质的影响显著于魔芋精粉添加量对其影响。

图7 魔芋精粉添加量和蔗糖添加量对感官质量交互影响的响应面图和等高线图Fig.7 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of wheat germ yougurt as a function of konjac and sucrose amount

图8 接种量和蔗糖添加量对感官质量交互影响的响应面图和等高线图Fig.8 Response surface and contour diagram for the sensory evaluation of konjac yougurt as a function of inoculum and sucrose amount

图8中反应了菌种接种量和蔗糖添加量对酸奶感官品质交互影响。由图8可知，接种量和蔗糖添加量交互作用显著，随着接种量的升高，蔗糖添加量的感官评分先缓慢升高后较快下降，在蔗糖添加量和接种量交互处感官评分达到最高；同时，通过等高线可看出，蔗糖添加量对酸奶感官品质的影响显著于接种量对其影响。

从响应面分析图可知，蔗糖添加量和魔芋精粉添加量对魔芋酸奶工艺影响显著，表现为曲线较陡，魔芋精粉添加量最佳值为0.067%～0.082%，蔗糖添加量最佳值为7.8%～8.3%，菌种添加量对魔芋酸奶加工工艺影响不大，主要表现在曲线较平缓，随着接种量的增加或减少，响应值变化不大，最佳接种量为3%～4%。

2.7 工艺优化和验证性试验

使用Design Expert 7.0.0，经过手动优化回归方程对其求解，魔芋酸奶最佳发酵工艺条件为：魔芋精粉添加量0.076%，接种量3.54%，蔗糖添加量7.89%。考虑其实际操作性，将魔芋酸奶发酵工艺参数修正为：魔芋精粉添加量0.08%，接种量3.5%，蔗糖添加量7.9%，在此条件下进行验证性试验，其感官评分值可达83.9分。

3 产品质量指标

3.1 感官指标

色泽：呈乳白色、有光泽、色泽均匀一致。

气味：具有魔芋酸奶特殊的风味、兼具乳酸菌发酵的酸奶风味、无异味。

滋味：酸甜适中、浓稠可口、口感细腻柔和。

组织状态：黏附性强、质地均匀、无分层和沉淀现象。

3.2 理化指标

魔芋酸奶各项理化指标均符合相关要求。

3.3 微生物指标

乳酸菌数≥106个/mL，大肠杆菌≤90个/100 mL，未检测出致病菌，符合GB 19302－2010的要求。

4 结论

魔芋酸奶最佳发酵工艺条件为：魔芋精粉添加量为0.64‰，嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌比例为2∶1，接种量为2.8%（体积分数），蔗糖添加量为质量分数8.5%，43℃发酵4.5 h，在此条件下感官评分可达75.69。本试验建立的二次回归模型对试验拟合较好。所得到的魔芋酸奶口感细腻、质地均匀、风味醇厚，是一种营养极其丰富的保健食品，其开发前景颇为广阔。

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