响应面优化凝固型白姜红枣酸奶的配方研究

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(1.安徽科技学院 食品工程学院，安徽 凤阳 233100；2.铜陵富饶绿园有限责任公司，安徽 铜陵 244100)

白姜是姜科多年生草本植物姜的新鲜根茎，有开胃健脾、促进食欲、防暑、降温、提神以及杀菌消毒等作用[1]。铜陵白姜是安徽省原产地标志产品，口味独特，营养丰富，深受消费者喜爱。研究表明，在白姜浸提液中含有蛋白酶、姜醇、姜烯酚、姜酮等物质，具有很强的凝乳特性[2]，白姜天然的防腐作用可显著延长酸奶的货架期[3]。在酸奶中添加白姜汁，提高了酸奶的营养保健功能，增加了白姜的附加值[3-4]。

红枣是鼠李科植物枣的成熟果实，富含蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质及环磷酸腺苷等营养物质，其最突出的特点是维生素含量极高，有“天然维生素丸”的美誉[5]。经常食用红枣对健康有益，其中多糖能有效消除体内的氧自由基，对增强人体免疫力、降血糖、抗肿瘤、延缓衰老和抗炎症等方面有良好的作用，具有开发成保健食品或药品的潜力[6-7]。

目前,市场上的凝固型酸奶，产品单一且品种和风味有限，因此，为了丰富酸奶的品种，扩大白秉的应用范围，本文对凝固型白姜红枣酸奶进行了研制，在酸奶中添加白姜汁和红枣汁，利用感官评价和质构分析，进行了配方优化和工艺研究，加工成凝固型酸奶具有一定的益气补血和养胃健脾的保健作用[8-9]，为同类产品的开发提供了思路。

1 材料与方法

1.1 材料

纯牛奶(伊利，市售)；白姜(铜陵白姜，产自铜陵)；红枣(忠来若羌红枣，凤阳县某超市)； 保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌(上海一研生物科技有限公司)；白砂糖、抗坏血酸、黄原胶、CMC-Na、卡拉胶(均为食品级，市售)。

1.2 仪器

HH-B11型电热恒温培养箱(上海跃进医疗器械厂);CT3-10000型质构仪(美国BROOK FIELD公司);HH-4型恒温水浴锅(常州朗越仪器制造有限公司);APV-60型均质机(上海雅程仪器设备有限公司);B-D068型立式冰箱(青岛海尔集团);JJ-2型组织捣碎机(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)。

1.3 方法

1.3.1 试验预处理 优质的铜陵白姜清理后切成白姜片，按质量比1∶2与水混合，加入0.05%的抗坏血酸护色，用组织捣碎机将白姜打浆后倒入烧杯中，置于50 ℃恒温水浴锅浸提1 h。之后用三层纱布过滤，残渣用2倍质量的水浸提1 h，过滤挤浆，合并滤液，得到澄清的白姜汁[10]。红枣清洗干净后放进烧杯，按质量比1∶10与水混合，恒温静置60 min；将浸泡后的红枣取出枣核，按质量比6∶1的比例加水，倒入捣碎机中打浆，然后置于恒温水浴锅中50 ℃浸提1 h。浸提后使枣浆温度迅速降低至室温，用已灭菌的多层纱布进行过滤，得到纯度较高的红枣汁[11]。

1.3.2 工艺流程

1.3.3 操作要点

1.3.3.1 调配 选择适量纯牛奶，将5%的白砂糖和0.25%的卡拉胶用热水溶解置于纯牛奶中，再加入11%的白姜汁和13%的红枣汁调配均匀[12]。

1.3.3.2 杀菌、冷却 把调配好的复合牛奶进行90 ℃、5 min巴氏杀菌后，立即放入无菌室中冷却至42～45 ℃。

1.3.3.3 发酵剂的制备和菌种活化 将质量比为1∶1的保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌混合，以牛奶为培养基，在43 ℃下活化20～23 h后，保存于4 ℃冰箱中[13]。

1.3.3.4 接种 将接种器具严格杀菌，用质量比为1∶1的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合培养制成的发酵剂进行接种，接种量为总质量的5%，接种温度为42～44 ℃，并搅拌均匀[13]。

1.3.3.5 装瓶和发酵 取待装的100 mL烧杯洗净，高温灭菌后干燥冷却至室温待用。将接种好的原料乳快速的倒入烧杯中。之后用保鲜膜封好，立即放入恒温培养箱中，置42 ℃培养3 h，至凝乳形成，即可停止发酵。

1.3.3.6 冷藏后熟 把发酵好的酸奶放置4 ℃冰箱中22 h以上进行后熟，即为成品。

1.3.4 单因素试验

1.3.4.1 白姜汁加入顺序试验 试验中固定牛奶添加量为70%，白砂糖添加量为6%，白姜汁添加量为8%，红枣汁添加量为16%，卡拉胶添加量为产品总量的0.1%，以感官评价为依据，设计以下试验。(1)白姜汁、红枣汁混合添加，白姜汁、红枣汁和牛奶按比例混合添加后，再进行杀菌处理，冷却后接种发酵；(2)白姜汁、红枣汁分开添加，红枣与牛奶加热杀菌发酵1 h后，再添加灭菌的白姜汁与其搅拌，最后进行后熟凝固。

1.3.4.2 稳定剂种类试验 选择黄原胶、CMC-Na、卡拉胶为稳定剂，分别进行以下6组试验：黄原胶、CMC-Na、卡拉胶、黄原胶和CMC-Na(1∶1)、黄原胶和卡拉胶(1∶1)、CMC-Na和卡拉胶(1∶1)。试验中固定牛奶添加量为70%、白砂糖添加量为6%，白姜汁添加量为8%，红枣汁添加量为16%，稳定剂按照产品总量的0.1%加入，混合均匀，进行加热杀菌，发酵后熟处理，最后进行感官评价选定最优的稳定剂。

1.3.4.3 卡拉胶添加量试验 试验中固定牛奶添加量为70%，白砂糖添加量为6%，白姜汁添加量为8%，红枣汁添加量为16%，然后分别添加产品总量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的卡拉胶，并做一组空白对照试验，进行加热杀菌，发酵后熟处理，最后进行感官评价后得出试验结果。

1.3.4.4 白姜汁添加量试验 试验中固定白砂糖添加量为6%，红枣汁添加量为16%，白姜汁分别按照5%、7%、9%、11%、13%的比例添加，牛奶添加量随着白姜汁添加量变化而变化，卡拉胶按照产品总量的0.2%加入，混合均匀，进行加热杀菌，发酵后熟处理。通过感官评价确定白姜汁的最佳比例。

1.3.4.5 红枣汁添加量试验 试验中固定白砂糖添加量为6%，白姜汁添加量为11%，红枣汁分别按照9%、11%、13%、15%、17%的比例添加，牛奶添加量随着红枣汁添加量变化而变化，卡拉胶按照产品总量的0.2%添加，混合均匀，进行加热杀菌，发酵后熟处理。通过感官评价确定红枣汁的最优配比。

1.3.4.6 白砂糖添加量试验 试验中固定白姜汁添加量11%，红枣汁添加量为13%，白砂糖分别按照3%、4%、5%、6%、7%的比例添加，牛奶添加量随着白砂糖添加量变化而变化，卡拉胶按照产品总量的0.2%加入，混合均匀，进行加热杀菌，发酵后熟处理。通过感官评价得出白砂糖的最佳配比。

1.3.5 响应面优化试验设计 由于白砂糖对酸奶的质构特性影响较小，所以在单因素试验基础上，固定白砂糖用量为5%，以百姜汁添加量A、红枣汁添加量B和稳定剂添加量C为自变量，以感官评价和TPA质构测定的硬度、粘力为响应值，根据Box-Behnken中心组合设计原理，采用三因素三水平响应面分析法进行试验设计[14]，试验因素及水平见表1。

表1 响应面试验因素及水平

1.4 检测方法

1.4.1 TPA质构分析 采用CT3-10000质构仪对样品进行TPA质构测试，对酸奶硬度、粘力进行测定分析[14-15]。测试的探头为TA11/1000的圆柱形探头，半径为35 mm，参数如下：测试速度设为2.0 mm/s，测试前与测试后速度一致，两次压缩的停留间隔为0 s，触发点负载2 g，测试距离设为15 mm，循环次数为2次[16]。通过TPA质构分析法辅助感官评价，选定最优酸奶配料，对酸奶的品质进行分析。

1.4.2 感官鉴评 感官鉴评小组由7位专业人士组成，分别对产品进行品尝，根据表2中的感官评价标准[17]对每一次试验进行评定，取其平均值作为评价结果。

表2 凝固型酸奶感官评价标准

1.5 数据处理

采用Design Expert 8.05软件,用Box-Behnken中心组合方法建立试验模型并进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 稳定剂种类的确定

由表3可知，将白姜红枣汁混合后一起加入牛奶中比发酵后再加入白姜汁效果更好。试验结果显示，处理1制得的酸奶，组织状态均匀，白姜味比较适中，凝固性也较好。处理2制得的酸奶，凝固性太差，基本呈现凝乳状，因此,处理1为最优方案。

表3 白姜汁的加入顺序对酸奶品质的影响

2.2 白姜汁加入顺序的确定

由表4可知，用卡拉胶做稳定剂时，稳定效果最好，对白姜红枣汁酸奶的凝固作用显著，感官评价分数为(87±1.1)分。而CMC-Na的性能最差，复合型的稳定剂比单一的黄原胶和CMC-Na的凝固性效果好，因此,卡拉胶为最佳的稳定剂。

表4 稳定剂的选择对酸奶品质的影响

2.3 卡拉胶添加量的确定

由图1可知，当卡拉胶添加量小于0.2%时，酸奶的凝固性较差，表面有乳清析出；而卡拉胶添加量过多时，酸奶组织较硬，有颗粒。因此,确定卡拉胶的最佳配比为0.2%。

图1 卡拉胶添加量对酸奶品质的影响

2.4 白姜汁添加量的确定

由图2可知，白姜汁添加量在11%时，感官评分最高。感官评分随白姜汁添加量的增加，先上升后降低，当白姜汁添加量过少时，白姜风味较淡；而白姜汁添加量高于11%时，白姜风味较浓，较辛辣。因此,白姜汁的最佳配比为11%。

图2 白姜汁添加量对酸奶品质的影响

2.5 红枣汁添加量的确定

由图3可知,感官评分随红枣汁添加量的增加，先上升后下降，当红枣汁添加量为11%时，酸奶的风味口感与添加13%的红枣汁相比，甜度略微弱一些，凝固性较好；红枣汁添加量高于13%时，感官评分迅速下降。因此,红枣汁的最佳配比为13%。

图3 红枣汁添加量对酸奶品质的影响

2.6 白砂糖添加量的确定

由图4可知，白砂糖添加量为5%时，感官评分最高。感官评分随着白砂糖添加量的增加，先上升后下降，在白砂糖的配比为5%～7%时，酸奶感官评分逐渐下降。因此,白砂糖的最佳配比为5%。

图4 白砂糖添加量对酸奶品质的影响

2.7 响应面法优化试验

2.7.1 响应面试验设计和结果 在单因素试验的基础上，固定白砂糖添加量5%，以白姜汁、红枣汁和稳定剂添加量3个因素为自变量，以感官评价和TPA质构测定的硬度、粘力为响应值，进行Box-Behnken设计以及响应面分析试验，结果如表5所示。

表5 响应面试验设计和结果

2.7.2 回归模型及方差分析 利用Design Expert 8.05软件对表5中的试验数据进行回归分析，得出酸奶的硬度、粘力、感官评分与白姜汁添加量、红枣汁添加量、稳定剂添加量三因素的二次多项式回归方程式如下：

R1=76.293 75-3.666 25A-3.006 25B-117.015C+0.131 25AB-1.85AC+2.575BC+0.093 437A2+0.026 563B2+328.08C2

R2=1.784 69-0.045 625A+2.364 37B-60.975C+0.012 031AB+1.062 5AC+1.157 5BC-0.016 797A2-0.104 61B2+102.9C2

R3=-137.569 38+17.655A+17.758 75B+164.47C-0.196 87AB-1.9AC-6.35BC-0.657 19A2-0.554 06B2-95.44C2

模型的显著性检验及方差分析见表6。

表6 模型的显著性检验及方差分析

注：*表示P<0.05，模型或考察因素有显著影响；**表示P<0.01，模型或考察因素有极显著影响；***表示P<0.000 1，模型或考察因素有高度显著影响；在模型中P>0.10，模型或考察因素影响不显著[16]。

从表6可以看出，三个响应值的模型高度显著(P<0.000 1)，失拟项均不显著(P>0.05)，说明模型预测结果与实际发生情况吻合程度良好；R2均大于0.98，说明因变量与自变量之间线性关系明显，可以很好地表达感官评价、硬度、粘力与白姜汁、红枣汁和稳定剂添加量的关系[14]。

2.7.3 因素间的交互作用 根据回归方程作各因素间交互作用的响应曲面见图5～7。

图5 白姜汁和红枣汁添加量与红枣汁和稳定剂添加量对酸奶硬度影响的响应曲面图

图6 白姜汁和稳定剂添加量与红枣汁和稳定剂添加量对酸奶粘力影响的响应面图

由图5可以看出，在研究范围内，酸奶的硬度随白姜汁添加量增加缓慢下降，随后迅速的上升；随着红枣汁添加量的增加，酸奶的硬度缓慢上升；酸奶的硬度随稳定剂添加量增加，先下降后上升，稳定剂添加量较低时，酸奶的硬度随稳定剂添加量增加而明显下降，之后酸奶的硬度又随之上升，变化趋势较明显。且由表6可以看出，白姜汁和红枣汁添加量的交互项对酸奶硬度有显著影响(P<0.05)，红枣汁和稳定剂添加量的交互项对酸奶的硬度有极显著影响(P<0.01)，稳定剂的添加量对酸奶硬度有高度显著影响(P<0.000 1)。

从图6中可看出，在研究范围内，酸奶的粘力随白姜汁和红枣汁添加量的增加先增大后减小，稳定剂添加量的增加对酸奶粘力的影响，呈现先减小后增大的走向。稳定剂添加量较低时，酸奶的粘力随稳定剂添加量的增加而迅速减小，随着稳定剂添加量的继续增加，酸奶的粘力随之迅速增大。白姜汁和红枣汁添加量对酸奶粘力的影响较小，红枣汁添加量比白姜汁添加量对酸奶粘力的影响大。且由表6可以看出，稳定剂添加量对酸奶粘力有高度显著影响(P<0.000 1)。

图7 白姜汁和红枣汁添加量与红枣汁和稳定剂添加量对酸奶感官评价影响的响应面图

由图7可以看出，在研究范围内，白姜汁和红枣汁添加量过少时，感官评价随二者的增加而明显增加，白姜汁和红枣汁添加量处于高水平时，感官评价随之迅速降低。稳定剂添加量较低时，感官评价随着稳定剂添加量的增多而缓慢上升，随着稳定剂添加量继续上升时，感官评分随稳定剂添加量的增多而明显下降。且由表6可知，白姜汁和红枣汁添加量的交互项对酸奶感官评价有极显著影响(P<0.01)，红枣汁和稳定剂添加量的交互项对感官评价有极显著影响(P<0.01)。

由于质构参数不能整体的体现酸奶的品质，而感官评价可以充分地体现产品本身的感官特性，因此采用感官评价作为最佳响应值。经Design Expert 8.05软件优化分析，得到产品的最佳配比为：牛奶添加量为71.84%，白姜汁添加量为11.12%，红枣汁添加量为12.04%，白砂糖添加量为5%，稳定剂为产品质量0.35%的卡拉胶，在此条件下酸奶的感官评分为96.35分，硬度为35.19，粘力为14.75。

2.7.4 响应验证 为检验响应面法所得结果的可靠性，采用上述优化配方配制白姜红枣汁酸奶，结合生产实际操作条件，取牛奶添加量为72%，白姜汁添加量为11%，红枣汁添加量为12%，白砂糖添加量为5%，稳定剂添加量为产品质量的0.35%，在此条件下配制白姜红枣汁酸奶，感官评分的平均值为95.48分，与理论预测值96.35分极为接近，说明用该模型对白姜红枣汁酸奶进行配方优化具有一定的实际可操作性。

3 结论与讨论

利用单因素试验及响应面优化试验对凝固型白姜红枣汁酸奶的配方和工艺进行研究。本文对凝固型白姜红枣酸通读进行了研究，将白姜汁和红枣汁加入到牛奶中进行发酵后研制的酸奶，凝固性好、风味更加醉醇厚可口、口感营养俱佳。对白姜的开发和利用起到非常重要的作用，而且丰富了酸奶的品种，具有较好的开发前景。