响应面优化乳清雪菊酒稳定剂的研究

张亚南,付二冬,王 威,古丽娜孜,田 歌,吴浩天,马文瑞,刘 伟,张志臻,王 沛,武 运,*

(1.新疆农业大学 食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学科学技术学院,新疆乌鲁木齐 830052)

响应面优化乳清雪菊酒稳定剂的研究

张亚南1,付二冬1,王 威1,古丽娜孜1,田 歌1,吴浩天1,马文瑞1,刘 伟1,张志臻2,王 沛1,武 运1,*

(1.新疆农业大学 食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学科学技术学院,新疆乌鲁木齐 830052)

为了研究不同稳定剂对乳清雪菊酒稳定性的影响,并得到最佳的稳定剂复配方案,本文以发酵的乳清雪菊酒为原料,通过添加黄原胶、海藻酸丙二醇酯(PGA)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、卡拉胶、蔗糖酯和果胶6种不同稳定剂进行单因素考察,以沉淀率为考察指标,筛选出稳定效果较好的3种稳定剂,利用响应面优化法进行复配稳定剂的优化,以此改善乳清雪菊酒的不稳定性。实验结果表明,乳清雪菊酒中稳定剂CMC-Na的添加量为0.16%、蔗糖酯的添加量为0.11%、果胶的添加量为0.07%时产品的稳定性最优,沉淀率为1.27%,复配稳定剂能够较好的改善产品的不稳定性。

乳清雪菊酒,响应面法,稳定剂,沉淀率

乳清是制造干酪和干酪素的加工副产物,乳清具有较高的营养价值,其中约含乳清干物质6%～8%,粗蛋白质1%,粗脂肪0.3%～0.4%,总糖3%～5%(乳糖占99.8%),此外还含有矿物质和多种维生素[1-3]。乳清中富含的营养成分可促进机体的新陈代谢,增强机体的免疫力,并能降低血脂,对于动脉粥样硬化、过敏病、糖尿病等慢性疾病都有较好的功效[4-5]。雪菊(CoreopsistinctoriaNuff)学名两色金鸡菊,又称清三高花,是药食两用植物,含有多种黄酮类物质、多种人体必需的矿物元素、20多种氨基酸、数十种芳香族化合物、丰富的有机酸、维生素、酶类、多糖等。将雪菊冲泡,香味浓郁,汤色绛红而清透,具有清热解毒、活血化疲、健脾胃、降血压、降血脂和降血糖之功,还可治心慌、胃肠不适、食欲不振、痢疾及肿毒[6-9],现已成为营养学家、药理学家以及养生专家研究的热点。

随着人们对健康饮食的意识不断加强,健康饮品尤其是乳类饮品备受关注,但市面上所销售的乳酒类产品较少,而乳清雪菊酒产品的研制不仅丰富了乳类产品的种类,而且充分体现了健康饮品的观念,将副产物乳清与雪菊混合,接种酵母菌和乳酸菌进行混合发酵,得到的产品营养丰富、风味独特,也是一种客观不稳定的分散体系,它包括蛋白质微粒所形成的悬浮液,以盐类、碳水化合物等形成的真溶液,在贮藏过程中易产生蛋白质类物质沉淀等问题[10-12]。目前为解决此类问题,常通过添加稳定剂、增稠剂、品质改良剂等,提高产品的稳定性,以此改善产品不稳定的现象。

为获得稳定性良好的乳清雪菊酒饮品,本文通过研究不同稳定剂添加量对乳清雪菊酒稳定性的影响,筛选出适于乳清雪菊酒使用的单一稳定剂,运用响应面法对最适稳定剂的复配进行优化,以期为乳清雪菊酒工业化生产提供基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

乳清 新疆库尔勒奶酪厂;雪菊 新疆北园春市场;食品级海藻酸丙二醇酯(PGA) 上海欣融实业发展有限公司;食品级果胶 上海欣融实业发展有限公司;食品级羧甲基纤维素钠(CMC-Na) 上海欣融实业发展有限公司;食品级蔗糖酯 上海欣融实业发展有限公司;食品级黄原胶 上海欣融实业发展有限公司;食品级卡拉胶 上海欣融实业发展有限公司。

AB135-S型电子天平 瑞士Mettler-Toledo公司;LD2X-50KB型立式电热压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器厂;DZKW-172电热恒温水浴锅 北京市光明医疗仪器厂;CH2176J微电脑电磁炉 格兰仕生活电器制造有限公司;JM-L型胶体磨 上海诺尼轻工机械有限公司;TD5A-WS台式低速离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;NCJJ.1/100 纳米超高压均质机 廊坊通用机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 操作要点 称取一定量的雪菊将其浸泡在蒸馏水中,获得雪菊溶液,同时使用无菌纱布过滤除去乳清中的杂质,将预处理后的乳清与雪菊溶液进行混合,置于85 ℃的水浴锅中,水浴30 min,冷却至室温,并接种6%的菌种发酵剂于乳清雪菊混合液中,置于30 ℃培养箱中培养3 d,得到乳清雪菊酒。乳清雪菊酒温度控制在55 ℃,分别添加不同稳定剂,经胶体磨处理3 min,再将处理后的样液在20 MPa下均质10 min,进行灌装并于85 ℃条件下杀菌20 min,冷却储藏。

1.2.2 乳清雪菊酒单一稳定剂实验设计 以乳清雪菊酒为原料,分别以质量百分比黄原胶添加量(0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%)、卡拉胶添加量(0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.11%)、PGA添加量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.30%)、羧甲基纤维素钠CMC-Na添加量(0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%)、蔗糖酯添加量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%)、果胶添加量(0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.11%)进行单因素实验,通过测定沉淀率及透光率来考察稳定剂对乳清雪菊酒稳定性的影响。

1.2.3 响应面实验设计 根据单因素实验结果,选择影响稳定性较好的稳定剂CMC-Na(A)、蔗糖酯(B)、果胶(C)为影响因素进行复配,以乳清雪菊酒沉淀率(Y)为应变量,利用响应面软件Design-Expert 8.05中的Box-Behnken Design进行响应面实验设计,因素水平表见表1。

表1 响应面分析实验因素编码及水平表(%)

1.2.4 检测指标 稳定性测定:取乳清雪菊酒10 mL装入离心管中,4000 r/min离心15 min,弃去上清液,称量沉淀物重量。每个样品进行3次平行实验,取平均值[13]。沉淀率计算公式:

沉淀率(%)=[沉淀物重量(g)/样品重量(g)]×100。

透光率测定:取乳清雪菊酒10 mL装入离心管中,4000 r/min离心15 min,吸取上清液使用紫外分光光度计,在波长640 nm处测定乳清雪菊酒的透光率。

感官评价:采用综合评价法,在有明亮自然光、温度为25 ℃的房间内进行。

表2 感官评价表

1.2.5 数据处理 应用sigmaplot12.5软件进行单因素分析图的绘制。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 黄原胶对乳清雪菊酒稳定性的影响 图1可知,当黄原胶添加量在0.1%～0.15%之间,乳清雪菊酒的沉淀率与透光率下降幅度较大,在0.15%～0.35%之间,沉淀率与透光率呈现平缓趋势,黄原胶添加量在0.20%时,沉淀率达到最小值为6.03%,而透光率为0.55%,综合考虑,选择黄原胶添加量为0.20%时,产品稳定性最佳。由于黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸以2∶2∶1分子比组成的高分子胞外阴离子多糖[14],分子侧链中含有乙酸和丙酮酸等基团,这些基团在酸性条件下,可以吸附带正电荷的酪蛋白分子,形成空间位阻以减少蛋白质的沉淀,达到稳定乳体系的作用。

图1 不同黄原胶添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.1 Effect of different amounts of Xanthan added of whey chrysanthemum wine

选择黄原胶添加量为0.20%时的样品进行感官评价得出,产品浓稠,呈现奶白色,失去了乳清雪菊酒原有的色泽,风味与口感不佳,并综合沉淀率与透光率值,虽黄原胶的沉淀率较小,但对产品的透光率影响较大,透光率较低,产品的色泽及组织状态不佳,因此不宜选择黄原胶作为复配稳定剂。

2.1.2 CMC-Na对乳清雪菊酒稳定性的影响 由图2可知,CMC-Na的添加量在0.1%～0.15%之间,样品沉淀率和透光率呈现下降趋势;在0.15%～0.35%之间,沉淀率和透光率呈缓慢上升趋势。当CMC-Na添加量为0.15%时,样品的沉淀率出现最小值为4.20%,透光率为50.65%。综合考虑,选择CMC-Na的添加量在0.15%时为最佳添加量,产品稳定性最好。CMC-Na是一种阴离子多糖,除具有空间位阻和静电排斥作用外,它本身提供了一定的黏度,即增稠性,对样品的稳定性也有较大的贡献[15-16]

图2 不同CMC-Na添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.2 Effect of different amounts of CMC-Na added of whey chrysanthemum wine

在最佳添加量0.15%下,制备稳定样品,将其进行感官评价,可知样品呈现淡橘黄色,奶香与雪菊香气相协调,无异味,品尝无粘稠感,综合沉淀率与透光率值,选择CMC-Na作为复配稳定剂。

2.1.3 海藻酸钠丙二醇酯(PGA)对乳清雪菊酒稳定性的影响 由图3可知,PGA的添加量在0.05%～0.20%时,样品沉淀率与透光率呈下降趋势,而在0.20%～0.30%之间,沉淀率与透光率出现上升。随着添加量的逐渐增大,样品的稳定性不佳,当添加量为0.20%时沉淀率最小为8.06%,透光率为66.58%,样品稳定性达到最佳。综合考虑,PGA添加量为0.20%,能够保证产品稳定性最好。PGA是由葡聚糖聚合生成的大分子聚合物,具有很强的亲水性。其分子的高度延伸性使其可以有效的包围和吸附蛋白质分子[17]。同时它的亲水基N·OH和亲油基R使得它具有良好的乳化效果,可以减少乳体系中的脂肪上浮。

图3 不同PGA添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.3 Effect of different amounts of PGA added of whey chrysanthemum wine

将乳清雪菊酒中添加0.20% PGA稳定剂,制备样品,对其进行感官评价,可知样品呈现淡橘黄色,品尝较粘稠,且沉淀率较大,透光率较低,整体外观不佳,所以不选择PGA进行稳定剂的复配优化实验。

2.1.4 卡拉胶对乳清雪菊酒稳定性的影响 如图4所示,随着卡拉胶添加量的增加,样品中沉淀率呈现上升趋势,而透光率呈现下降趋势,当添加量为0.01%～0.03%时,透光率急剧下降,0.01%～0.05%时,沉淀率呈先上升后下降趋势,当添加量为0.05%～0.11%时,沉淀率呈上升趋势,透光率呈下降趋势,当添加量为0.05%时,沉淀率最小为6.12%,透光率为33.37%。综合考虑,选择卡拉胶添加量为0.05%时,具有稳定效果。卡拉胶是一种线性多糖,具有很强的增稠作用,同时它可以与酪蛋白发生络合反应,使得酪蛋白在乳体系中均匀稳定分布,防止产生沉淀[18]。

图4 不同卡拉胶添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.4 Effect of different amounts of carrageenan added of whey chrysanthemum wine

将乳清雪菊酒中添加0.05%的卡拉胶,制备样品,对其进行感官评价,可知样品呈现淡橘黄色,出现分层,存在异味,口感不佳,沉淀率虽相对较小,但其透光率较低,产品的状态不佳,综合分析,卡拉胶不适合作为乳清雪菊酒的稳定剂。

2.1.5 蔗糖酯对乳清雪菊酒稳定性的影响 由图5可知,当蔗糖酯添加量在0.05%～0.15%之间,样品沉淀率与透光率呈现先下降后上升的趋势,0.10%为拐点,沉淀率达到最小值为3.06%,此时透光率为83.95%,在0.15%～0.30%之间,沉淀率与透光率缓慢下降。综合考虑,选择蔗糖酯添加量为0.10%,产品的稳定性表现最佳。在乳体系中添加适量的蔗糖酯,可以在乳体系中形成坚固的脂肪球界面膜,保证乳中脂肪颗粒的稳定性。适量添加蔗糖酯,可以有效增加乳体系的稳定性,过量添加蔗糖酯自身会形成胶束,反而会降低乳体系的稳定性[19]。

图5 不同蔗糖酯添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.5 Effect of different amounts of Sucrose esters added of whey chrysanthemum wine

以乳清雪菊酒为原料,添加0.10%的蔗糖酯,制备稳定样品,并对其进行感官评价,样品呈现橘黄色,无分层现象,淡淡乳香,花香突出,香气令人愉悦,口感清爽,依据图5中沉淀率与透光率,综合分析,蔗糖酯适合作为乳清雪菊酒的稳定剂,将其进行复配实验。

2.1.6 果胶对乳清雪菊酒稳定性的影响 如图6所示,果胶添加量0.01%～0.07%时,样品沉淀率与透光率总体呈下降趋势,在0.07%～0.11%时,沉淀率与透光率呈现上升趋势,而添加量在0.07%时,样品沉淀率达到最小值为3.67%,透光率则为66.90%。综合考虑,在果胶添加量为0.07%时,产品的稳定性最佳。在添加了适量的果胶后,果胶所带的负电荷和酪蛋白胶体颗粒带的正电荷,产生稳定的酪蛋白-果胶复合物,抑制酪蛋白发生沉淀,形成了稳定的乳清雪菊酒样品。

图6 不同果胶添加量对乳清雪菊酒稳定性影响Fig.6 Effect of different amounts of Pectin added of whey chrysanthemum wine

选择果胶添加为0.07%,将其加入乳清雪菊酒中,并对其进行感官评价,样品呈现橘黄色,无分层现象,香气浓郁,无异味,口感佳,结合沉淀率与透光率值,综合分析,选择果胶进行复配实验。

2.2 乳清雪菊酒稳定剂的优化

2.2.1 响应面实验设计与结果 根据单因素实验结果,综合考虑选择CMC-Na、蔗糖酯、果胶3种稳定剂进行复配实验,运用Box-Behnken Design响应面分析法对其进行优化,实验设计及结果见表3,回归模型方差分析结果见表4。

表3 响应面实验及响应值

按照表3实验数据进行多元回归方程拟合,建立以沉淀率(Y)对CMC-Na(A)、蔗糖酯(B)、果胶(C)的拟合方程为:Y(%)=1.40-0.38A-0.31B-0.49C+0.41AB-0.16AC-0.80BC+0.78A2+1.53B2+1.61C2

该模型中的一次项C与二次项BC、A2、B2、C2表现为极显著,一次项A表现为显著,说明它们对沉淀率影响较大。根据表4可知,影响乳清雪菊酒稳定性各因素主次顺序为:C>A>B。

2.2.2 响应面分析与优化 为了考察各个交互项对乳清雪菊酒沉淀率的影响,利用Design-Expert 8.05软件对回归方程进行运算,作出交互项的三维响应面图及等高线图如图7所示,能比较直观的解释各个变量和变量之间对响应值的影响。通过Design-Expert 8.05对建立的回归方程进行参数优化分析,可得出沉淀率最低时3种稳定剂的最佳添加量,即CMC-Na%为0.16%、蔗糖酯为0.11%、果胶0.07%。在此条件下乳清雪菊酒沉淀率的预测值为1.2902%。

表4 响应面实验结果及方差分析

图7 各因素交互作用的响应面和等高线图Fig.7 Response surface and contour plots for the effect of various factors

注：p<0.01表示极显著,0.010.05表示不显著。

2.2.3 验证实验 通过响应面软件,根据所建立的数学模型进行参数的最优化分析,可得出复配稳定剂的最佳添加量为:CMC-Na 0.16%、蔗糖酯0.11%、果胶0.07%,在此条件下沉淀率为1.2902%。为检验该法可靠性,采用上述优化条件进行验证实验,经过3组平行实验,最终测得的样品平均沉淀率为1.27%,利用该模型在实践中进行预测是可行的,可见该模型准确可靠。得到的产品呈现橘黄色,酒体均匀一致,乳香与雪菊香气协调,酒体清雅,爽口。

3 结论

本实验通过单因素实验对CMC-Na、蔗糖酯、果胶三种稳定剂进行分析,根据添加量、沉淀率之间的变化关系确定各种稳定剂的临界控制点;经响应面实验优化得到复合稳定剂添加量为CMC-Na 0.16%、蔗糖酯0.11%、果胶0.07%,经20 MPa均质10 min后,测得样品沉淀率为1.27%,呈橘黄色,乳香与雪菊香气协调,酒体均匀一致,清雅,爽口,状态稳定。

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Optimization of the stabilizer of WheyCoreopsistinctoriaNuffwine by response surface methodology

ZHANG Ya-nan1,FU Er-dong1,WANG Wei1,Gulinazi1,TIAN Ge1,WU Hao-tian1,MA Wen-rui1,LIU Wei1,ZHANG Zhi-zhen2,WANG Pei1,WU Yun1,*

(1.College of Food Sciences and Pharmaceutical Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

The objective of the study was to research the effects of different stabilizers on the stability of WheyCoreopsistinctoriaNuffwine,and get the optimal compound conditions of stabilizers for WheyCoreopsistinctoriaNuffwine. The precipitation rate as assessing index,the effects of xanthan gum,propylene glycol alginate(PGA),CMC-Na,cellulose,pectin and sucrose ester on the stability of wine was discussed by single factor experiment,three kinds of stabilizer was selected to optimize the compound stabilizer by response surface method,in order to improve the stability of the WheyCoreopsistinctoriaNuffwine. The results showed that the optimal addition of compound stabilizer was CMC-Na of 0.16%,sucrose ester of 0.11%,pectin of 0.07%. Under the optimal conditons,the precipitation rate was 1.27%,the stability of WheyCoreopsistinctoriaNuffwine was improved.

WheyCoreopsistinctoriaNuffwine;response surface methodology;stabilizer;precipitation rate

2016-09-28

张亚南(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：食品生物技术，E-mail：541600656@qq.com。

*通讯作者:武运(1965-)，女，硕士，教授，研究方向：食品生物技术，E-mail：wuyunster@sina.com。

“十二五”国家科技支撑项目(2012BAD44B01-05)；企业横向合作项目(XJNDRY-002)；新疆农业大学自治区级大学生创新训练项目(201610758080)。

TS201.2

B

1002-0306(2017)05-0252-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.039