菊芋膳食纤维酸奶的工艺研究及营养分析

【摘 要】通过研究菊糖与蔗糖的配比、膳食纤维的添加量、发酵时间、菌种接种量对菊糖膳食纤维酸奶品质的影响，得到较优工艺参数，再对各因素间的相互作用进行分析，最终确定菊糖膳食纤维酸奶的最优工艺参数组合为：菊糖与蔗糖的配比7：5、膳食纤维的添加量2.27%、发酵时间4.02h、菌种接种量3.02%。得到的菊糖膳食纤维酸奶：膳食纤维含量明显增加，水分含量略有减少，不明显，乳酸菌菌数为10.98±1.7×107 cfu/ml，同时带有全脂脂肪的口感。

【关键词】菊糖；膳食纤维；响应面法

[Abstract] This research get the optimal process parameters through the research of inulin and sucrose ratio， amount of dietary fibre， strains of fermentation time， quantity of influence on quality of inulin dietary fiber yoghurt， and analyzed the interaction between different affecting factors， which is finally determined the optimal process parameters combination of dietary fiber yoghurt is： inulin and the ratio of sugar， dietary fiber， 2.27% of bacterial species， fermentation time 4.02 h， inoculation amount 3.02%. The inulin dietary fiber yoghurt： dietary fiber content increased significantly， moisture content is reduced slightly， not obvious， lactic acid bacteria count was 10.98 + / - 1.7 x 107 cfu/ml， at the same time with the taste of whole milk fat.

[Key words] inulin； dietary fiber； response surface method

菊糖为菊芋（Helianthus tuberosus L.）加工产品，是由D-果糖经β （1→2）键连接而成的线性直链多糖，作为一种天然食品配料被广泛应用[1-2]。菊糖具有改善食品组织状态，改变乳制品的口感，抑制有害微生物的生长，维持肠道微生态平衡以及促进钙，磷等物质吸收等保健功能[3-4]。膳食纤维（dietary fiber，DF）通常被认为是既不能被人体的胃肠道中消化酶所消化的，且不被人体吸收利用。膳食纤维能减少肠道吸收糖类、脂类，润滑肠道，促进排便，可有效预防肥胖、糖尿病、冠心病、直肠癌、结肠癌等。高纤维食品将是21 世纪主导食品之一[5-7]。随着生活水平的提高，人们追求更营养、更全面功能食品。本论文以菊糖与蔗糖的配比、膳食纤维的添加量、发酵时间、菌种接种量为因子，通过响应面分析，确定菊糖膳食纤维酸奶的最优工艺参数，为菊芋的综合开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

1.1.1 试验材料 菊粉：白银熙瑞生物工程有限公司（质量标准Q/BYXR0001S）；菌种：嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus，简称S）、保加利亚乳酸杆菌（Lactobacillus bulgar，简称L）；伊利纯牛奶（市售），蔗糖（市售）；膳食纤维（市售）；其他试剂均为分析纯。

1.1.2 试验设备 HWS智能型恒温恒湿培养箱（宁波江南仪器厂）；DH6000电热恒温培养箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；DSX—2808高压蒸汽灭菌锅（上海市申安医疗器械厂）；SLS-60-70高压均质机（上海申鹿均质有限公司）；FR-88手压盒杯封口机（瑞安市天马包装机械有限公司）；全自动定氮仪2300（瑞典福斯特卡托公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验流程

1.2.2 感官评分评价

感官评分标准如表1所示：

1.2.3单因素条件的确立 ①菊糖与蔗糖的配比对酸奶品质的影响：试验固定总糖添加量为6%，膳食纤维添加量为2%，菌种接种量为3%，发酵时间为4h，菊糖和蔗糖的配比分别为5：7、6：6、7：5、8：4、9：3五个水平进行实验，每个梯度做三个平行样，按照2.2.2方法经品尝者品评评定后得出结果，确定最佳配比。②膳食纤维添加量对酸奶品质的影响：如2.2.3.1 同法；膳食纤维添加量分别为1%、1.5%、2%、2.5%、3%五个水平进行实验，确定膳食纤维最佳添加量。③菌种添加量对酸奶品质的影响：如2.2.3.1 同法；菌种接种量为1%，2%，3%，4%，5%五个水平进行实验，确定最适宜种添加量。④发酵时间对酸奶品质的影响：如2.2.3.1；发酵时间分别为3h，4h，5h，6h，7h五个水平进行实验，确定最佳发酵时间。

1.2.4 响应面优化实验设计

在单因素试验的基础上，以菊糖和蔗糖的配比、膳食纤维添加量（%）、菌种接种量（%）、发酵时间（h）为自变量，感官得分平均分为响应值，应用Design-expert 7.1.6中的Box-Behnken（BBD）原理设计试验，因素水平编码见表2。

1.2.5 响应面优化数据分析

实验数据采用Design-Expert 7.1.6建模，并进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素生产工艺优化条件

2.1.1 菊糖与蔗糖的配比对酸奶品质的影响 由图1可知：菊糖与蔗糖的配比逐渐增加时，感官得分也不断升高。当菊糖与蔗糖的配比超过7：5时，感官评分下降。实验的最佳菊糖与蔗糖的配比为7：5。

2.1.2 膳食纤维添加量对酸奶品质的影响 由图2可知：提取膳食纤维添加量的增加，感官评分也随之增加。当添加量超过2%后，感官得分又重新呈下降趋势，实验的最佳膳食纤维添加量为2%。

2.1.3 菌种添加量对酸奶品质的影响 由图3可知：随着菌种添加量的增加，感官得分也在升高。当菌种添加量超过3%后，又开始下降，所以本实验中最佳的菌种添加量为3%。

2.1.4 发酵时间对酸奶品质的影响 由图4可知：当发酵时间为4h时，感官评分最高，所以该实验中最佳的发酵时间为4h.

2.2 响应面优化分析结果

2.2.1 数学建模 在单因素试验的基础上，以菊糖和蔗糖的配比、膳食纤维添加量（%）、菌种接种量（%）、发酵时间（h）为自变量，感官得分平均分为响应值，应用Design-expert 7.1.6中的Box-Behnken（BBD）原理设计试验，试验设计及结果见表3。

利用Design-Expert 7.1.6 对表3结果进行方差分析，方差分析的结果见表4。对数据进行二次多元回归拟合，建立以感官得分（R）为目标函数的多元二次回归方程：R1=-187.97500-4.75000A+57.03333B+159.56667C+5.15000D+1.00000AB-0.50000AC-7.10543E-015AD+2.00000BC+3.75000BD+4.50000CD-13.73333A2-9.23333B2-44.43333C2-4.60833D2。

2.2.2 方差分析 利用BBD原理对模型进行方差分析，结果见表4。

注：*代表该项具有显著性（P≤0.05），下表同。

由表4可知，对菊糖膳食纤维酸奶感官得分数学模型惊醒方差分析，二次多元模型中F=66.69，P<0.0001，而失拟项P=0.1909>0.05，表明该模型显著。在模型中，一次项（A、B、C和D），二次项（A2、B2、C2、D2）以及交互项AB和BD的P值均小于0.05，表明这些项的作用显著，而交互项AC、AD、BC、CD项的P值大于0.05，为不显著交互项。

2.3 响应面工艺优化分析

在其他两个因素固定的条件下，利用Design-Expert 7.1.6分析交互项对还原糖含量的影响，结果如图5-图10所示。

从图5中看出，当菊糖与蔗糖的配比为7：5、发酵时间为4h时，随着发酵时间的增加，感官得分逐渐升高，在发酵时间为4h左右时达到最大，之后又逐渐下降。随着菊糖与蔗糖配比增加，感官得分逐渐增大，在配比数值为7：5左右时，感官得分达最大，之后又逐渐下降。同时，从等高线图中可看出菊糖与蔗糖配比对酸奶感官得分的影响要比发酵时间对酸奶感官得分的影响显著。而发酵时间在合理数值内对响应值影响不大。

从图6中看出，当菊糖与蔗糖的配比为7：5、膳食纤维添加量为2%时，随着提菊糖与蔗糖配比增加，感官得分逐渐升高，在配比值为7：5左右时达到最大，之后又逐渐下降。随着膳食纤维添加量增加，感官得分逐渐增大，在膳食纤维添加量2%左右时，感官得分达最大，之后又逐渐下降。同时，从等高线图中可看出菊糖与蔗糖配比对酸奶感官得分的影响要比膳食纤维添加量对酸奶感官得分的影响显著。

从图7中看出，当菊糖与蔗糖的配比为7：5、菌种接种量为3%时，随着菊糖与蔗糖配比的增加，感官得分逐渐升高，在菊糖和蔗糖配比7：5左右时达到最大，之后又逐渐下降。随着菌种接种量的增加，感官得分略微增大，在数值为3%左右时，感官得分达最大，之后又逐渐下降。同时，从等高线图中可看出菊糖与蔗糖的配比对酸奶感官得分影响要比菌种接种量对酸奶感官得分的影响显著。而菌种接种量在合理数值内对响应值影响不大。

从图8中看出，当膳食纤维添加量为2%、发酵时间为4h时，随着膳食纤维添加量增加，感官值逐渐增大，在膳食纤维添加量为2%左右时，感官值达最大，之后又逐渐下降。随着发酵时间的增加，感官得分逐渐升高，在发酵时间为4h左右时达到最大，之后又逐渐下降。

从图9中看出，当发酵时间为4h、菌种接种量为3%时，随着菌种接种量的增加，感官得分逐渐增大，在菌种接种量为3%左右时，感官值达最大，之后又逐渐下降。随着发酵时间的增加，感官得分逐渐升高，在发酵时间为4h左右时达到最大，之后又逐渐下降。从图中可以看出。发酵时间和菌种接种量对菊糖膳食纤维酸奶感官得分不显著。

从图10中看出，当膳食纤维添加量为2%、发酵时间为4h时，随着膳食纤维添加量增加，感官值逐渐增大，在膳食纤维添加量为2%左右时，感官值达最大，之后又逐渐下降。随着菌种接种量的增加，感官得分逐渐增大，在菌种接种量为4%左右时，感官值达最大，之后又逐渐下降。

综上所述，菊糖与蔗糖配比和膳食纤维的添加量比对菊糖膳食纤维酸奶感官值的影响较为明显，表现为曲线较为陡峭，而发酵时间、菌种接种量对菊糖膳食纤维酸奶感官值的影响较小，表现为曲线较为平缓，即随其添加量的增加，响应值变化范围不大。因此，在所选因素水平范围内各因素对结果的影响排序为：菊糖与蔗糖配比>膳食纤维添加量>发酵时间>菌种接种量。

为进一步确定工艺最佳点，用Design-Expert 7.1.6软件进行数值优化分析，经软件分析，最适条件值分别为菊糖与蔗糖配比7：5、膳食纤维添加量为2.27%、发酵时间为4.02h、菌种接种量3.02%，在此条件下经手动化调节的回归方程对菊糖膳食纤维酸奶工艺的分析和预测准确率达98.99%。

2.4 营养成分分析

通过实验测定的数据，得到以下结果：

由表5看出，制得的菊糖膳食纤维酸奶，增加了较多的营养元素膳食纤维，而膳食纤维具有吸水性，水分含量较纯酸奶略有减少；因为膳食纤维的加入，有利于保加利亚乳杆菌具有一定的促进增殖作用，乳酸菌菌数增加幅度较大；同时带有全脂脂肪口感，其营养价值和口感总体高于纯酸奶。

3 结论

将菊糖与蔗糖的配比、膳食纤维添加到鲜牛乳中进行乳酸发酵，制备菊糖膳食纤维酸奶。试验通过单因素试验，以膳食纤维添加量、菌种接种量、发酵时间、白砂糖添加量为自变量，感官评分为因变量。再采用响应面法，按照中心组合设计法中的 Box-Behnken 法设计试验，得出优化菊糖膳食纤维酸奶的生产工艺参数。优化得到的最佳工艺参数为：菊糖与蔗糖的配比为7：5，膳食纤维添加量 2.27%，菌种接种量 3.02%，发酵时间4.02h。各因素影响顺序：菊糖与蔗糖的配比>膳食纤维添加量>发酵时间>菌种接种量。

工艺优化后的菊糖膳食纤维酸奶的表面有少量乳清析出，口感细腻，并带有全脂脂肪口感，色泽均匀，呈微黄色，质地均匀，具有奶香味及乳酸发酵香味。最佳工艺条件下制备的菊糖膳食纤维酸奶：膳食纤维含量明显增加，水分含量略有有减少，不明显，乳酸菌菌数为10.98±1.7×107 cfu/ml，同时带有全脂脂肪的口感。

随着国际、国内糖质资源的匮乏，菊芋作为工业原料部分可缓解粮食深加工行业原料来源不足的难题，菊糖正在被越来越多热爱生活、追求生活的消费者所认识、关注，为菊芋的综合开发提供理论依据。

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