响应面法优化香蕉山药酸奶发酵工艺研究

蒋萌蒙，贾彦杰，钱志伟，鲁慧芳，杨会会

（河南农业职业学院，郑州451450）

0 引 言

香蕉是世界上最为广泛种植的热带水果[1]，素有“植物奶粉”的美称[2-3]。有资料表明[4]，常食香蕉可预防高血压、糖尿病和肥胖症等疾病，而且具有清热解毒等功效。

山药(Chinese yam，Dioscorea opposita Thunb)是薯蓣科(Dioscorea)多年生草本藤蔓植物，其中所含的尿囊素和薯蓣皂苷元[5]等功能因子赋予了其助消化、健脾益胃、降低血糖等保健作用[6]。

响应曲面法(response surface methodology，RSM)是一种应用广泛的试验优化方法，可有效快速地确定多因子系统的最佳试验条件[7]。利用响应曲面法具有试验次数少、时间短等特点，可对试验进行全面的研究[8]。目前，RSM在乳饮料加工、多糖及生物制剂提取等工艺的优化已有广泛应用[9-13]。本文以纯牛奶为原料，将香蕉粉和山药粉加入到牛奶中进行发酵，并采用响应面法对实验工艺进行优化，旨在为保健型香蕉山药酸奶的实际生产提供理论依据。

1 实验

1.1 材料与试剂

香蕉粉，山药粉，纯牛奶，YO-M IX 883（内含保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌），益生菌Lactobacillus.casei Zhang。

1.2 仪器与设备

恒温生化培养箱（型号BPH-9272），高压均质机（型号GYB60-6S），无菌工作台（型号SW-CJ-2F），电热恒温水浴锅（型号HW S-12）。

1.3 香蕉山药酸奶生产工艺

1.3.1 香蕉山药酸奶工艺流程1.3.2 香蕉山药酸奶感官评价

感官评定小组是由10名经过训练过的人员组成，熟悉各类型酸奶的感官评定。评价指标为酸奶的色泽、组织形态、口感及香味。取平均分作为感官评价结果，依据表1感官评定标准进行。

表1 香蕉粉山药酸奶感官评定标准

1.3.4 微生物指标检验

检验指标主要为大肠菌群和致病菌，按照GB/T 4789.18-2010《食品卫生微生物学检验乳与乳制品检验》规定的方法进行检验。

1.4 香蕉山药酸奶发酵条件优化

1.4.1 单因素实验

经预试验确定选择香蕉粉、山药粉、蔗糖添加量为考察因素，以达到缩小响应面设计中因素水平范围的目的，为下一步优化设计做准备。

1.4.2 响应面优化实验

在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计原理，以香蕉粉、山药粉、蔗糖添加量为考察因素，香蕉山药酸奶感官评分Y为响应值，利用Design Expert8.0.6软件进行三因素三水平的响应面分析，建立数学模型，以获得香蕉山药酸奶最佳发酵工艺条件，实验因素水平编码如表2所示。

表2 响应面试验因素与水平编码 %

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 香蕉粉添加量对酸奶感官评价影响

由于香蕉含有一定的单宁而具有涩味[14]，因此香蕉粉添加量应适宜。在山药粉、蔗糖添加量分别为1.8%和7.5%时，香蕉粉添加量分别设置为0.05%，0.1%，0.35%，0.55%，0.75%，1.0%，1.2%，1.4%；统计感官评分分值。由图1可以看出，感官分值随香蕉粉添加量的增加先增大然后降低，在添加量为0.75%左右感官分值达到最大值，故选用0.1%～1.0%的香蕉粉添加量，在此范围内的值都大于80分。

图1 感官分值随香蕉粉添加量的变化

2.1.2 山药粉添加量对酸奶感官评价影响

山药粉的添加量不仅会影响酸奶的风味，还会对酸奶的发酵效果及品质有很大的影响。山药粉添加量过大，会出现酸奶浑浊，口感粗糙，发酵效果不好；添加量过少，导致酸奶色泽亮度低，山药味不明显[15]。在香蕉粉、蔗糖添加量分别为0.6%和7.5%时，山药粉添加量分别设置为0.25%，0.50%，1.00%，1.25%，1.50%，1.75%，2.00%，2.25%，2.50%；统计感官评分分值。由图2可知，感官分值随山药粉添加量的增加先升高后降低，在添加量为1.5%时感官分值达到最大值，故选用1%～2%的山药粉添加量，在此范围内的感官分值都大于80分。

图2 感官分值随山药粉添加量的变化

2.1.3 蔗糖添加量对酸奶感官评价影响

蔗糖是制作酸奶时最常用的甜味剂，给予酸奶适当的酸甜比和良好的口感[16]，但蔗糖添加量的多少直接影响到酸奶的风味和口感。固定香蕉粉、山药粉添加量分别为0.6%和1.8%，当蔗糖添加量分别为1.0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%，15%时；测定不同蔗糖添加量对香蕉山药酸奶感官评价的影响。由图3可以看出，香蕉山药酸奶感官评价分值随蔗糖添加量的增加先增大后减小，在添加量为7.5%时感官分值达到最高，在添加量为5.0%～10%范围内，感官评价分值都大于80分，故选用蔗糖添加量5.0%～10%为适宜范围。

图3 感官分值随蔗糖添加量的变化

2.2 响应曲面优化实验结果

在确定3种因素适宜范围后，选择香蕉粉添加量X1，山药粉添加量X2，蔗糖添加量X3三个因素为自变量，感官评价分值为因变量Y，利用BOX等的设计原理对香蕉山药酸奶发酵工艺进行优化，实验设计及结果如表3所示。

表3 Box-Behnken试验设计及结果

表4 Box-Behnken试验方差分析

由表4可以看出，模型P值小于0.001，说明该模型极显著。失拟项P值为0.0544，大于0.05，不显著，说明该模型与实际情况较吻合。因素B及交互项AC对结果影响显著，因素A和C交互相AB和BC不显著。3个单因素影响香蕉山药酸奶感官评价分值的影响顺序为B＞A＞C，即山药粉添加量对感官评价最为显著。同时，复相关系数R2=0.9983，表明预测效果较佳，可用该模型对香蕉山药酸奶加工工艺进行分析和预测。

2.3 多因素交互作用响应曲面

各因素交互作用响应曲面分析结果如图4～图6所示。3张图的交互结果较为一致，随着各交互因素添加量的增加，香蕉山药酸奶的感官评分值都呈现先增大后减小的趋势，总体而言，感官评分值变化幅度不大。图5中两因素交互作用较显著，图4和图6中两因素交互作用不明显，这与表4中的分析结果相一致。经软件分析可得，香蕉山药酸奶发酵的最佳工艺参数为：香蕉粉添加量0.55%，山药粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；香蕉粉山药感官评分预测值可达（93.44±0.33）分。

图4 香蕉和山药粉添加量对香蕉山药酸奶感官评分影响的响应面和等高线

图5 香蕉粉和蔗糖添加量对香蕉山药酸奶感官评分影响的响应面和等高线

图6 山药粉和蔗糖添加量对香蕉粉山药酸奶感官评分影响的响应面和等高线

2.4 最佳工艺条件的验证

为了验证响应面预测得出的最佳工艺参数，按照香蕉粉、山药粉、蔗糖添加量分别为0.55%，1.15%，7.44%，进行3次平行验证实验，最终感官评分值的平均值为（93.98±0.25）分，与预测值较接近，说明响应面优化的结果可行，具有实际利用价值。

2.5 产品质量各指标的测定

香蕉山药酸奶感官指标：该产品为微黄色、色泽均匀一致，黏附性较强，无乳清分离现象，具有该产品特殊风味，口感细腻、酸甜适宜。

香蕉山药酸奶品质检测结果如表5和表6所示[17]。

表5 理化指标

表6 微生物指标

3 结 论

（1）由单因素试验得到香蕉山药酸奶发酵前期的实验条件，香蕉粉、山药粉、蔗糖添加量取值范围分别为0.1%～1.0%，1%～2%，5.0%～10%，为下一步的条件优化打下基础。

（2）经响应面优化得出香蕉山药酸奶的最佳工艺配方为香蕉粉添加量0.55%，山药粉添加量1.15%，蔗糖添加量7.44%；在此基础上进行验证实验，得出的感官评价分值较高。因此，利用响应曲面法对香蕉山药复合酸乳的工艺条件进行优化，可以获得最优的工艺参数，可以有效地减少试验操作的盲目性，为实际生产提供了一定的理论依据。