黑芝麻螺旋藻复合营养乳饮料成型工艺优化

曾佩琴，刘灵杰，龙肇谋，韦艳萍，陀海燕，谭栀恩，罗春花，莫丽萍，刘雅婷，覃柳馨，陈卫卫，3，*，傅鹏，*，王志升

（1.广西中医药大学，广西南宁530001；2.三亚学院，海南三亚572000；3.南京本末生物科技有限公司，江苏南京210000；4.南方黑芝麻集团股份有限公司，广西南宁530001）

植物蛋白饮料（vegeable protein drinks）是指采用富含蛋白质的植物种子或植物组织，经过加工得到的混合的、单纯的饮品，其属于植物营养补充饮料的一种。植物营养补充饮料凭借其营养均衡和养生文化理念在现代社会深受大众喜爱。目前的饮料消费趋势显示[1-2]，消费率较高的饮品之一的是能提供某些补充功能的复配型植物营养饮料，其中蛋白类营养饮品占的比例最高，植物蛋白类饮料的开发具有很高潜力。市场上现销售的植物蛋白类营养饮料的品牌较多，但是产品种类相似，以黑芝麻为主螺旋藻为辅开发的蛋白饮料在市场上较为少见。在食品领域，螺旋藻因其具有较高的优质蛋白含量很早就被开发使用，营养较丰富，其蛋白质含量高达60%～70%；同时具有减轻癌症化疗、放疗的毒副作用反应，提高免疫力、降血脂等功效。黑芝麻有较成熟的食品加工开发历史，具有健胃、保肝、促进红细胞生长，同时还有增加人体黑色素有利于头发生长的功效[3-4]，现在仍然是副食代餐的热点，但产品形式单一，无法满足市场的多元化需求，因此以黑芝麻和螺旋藻相结合的植物蛋白饮料的研究具有较高的价值。

本试验以黑芝麻和螺旋藻为原料，辅以食品乳化稳定剂促进稳定[5-8]，与其它材料按工艺方法制备复合营养乳饮料，关键点在于对螺旋藻的多次脱腥，并掩盖螺旋藻的不良气味，并采用星点设计-效应面法，优选最佳制备工艺，以感官评分和沉淀率总评“归一值”作为评价指标。星点设计-效应面法优特点就在于考察范围连续性更强，试验结果更加精准，更能接近真实值。

1 材料与方法

1.1 仪器

FLJ-010型高速搅拌机：广东中山市海盘电器有限公司；HWS-28型电热恒温水浴锅：上海齐欣科学仪器有限公司；KQ3200B超声仪：江苏昆山市超声仪器有限公司；LD2X-75KBS型立式压力蒸汽灭菌锅：上海申安医疗器械厂；FA25立式乳匀机：上海弗鲁克流体机械制造有限公司；DFY-100型高速粉碎机：浙江温岭市林大机械有限公司；GZX-9420-MBE型电热恒温鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；WF-18型连续式超微粉碎机：浙江温州顶历医疗器械有限公司。

1.2 材料与试剂

黑芝麻：南方黑芝麻公司，批号20170301；螺旋藻粉：宁波市镇海区明特蓝藻有限公司，批号2015427；白砂糖：市售，批号20180101；羧甲基纤维素钠：食品级，重庆市力宏精细化工有限公司，批号20160511；β-环糊精：食品级，郁南县永光环糊精有限公司，批号20160102；高活性酵母：山东圣琪生物有限公司，批号SK0155；一水葡萄糖：食品级，吉林嘉吉生化有限公司，批号6900771000275。

1.3 试验方法

1.3.1 饮料的制备

高速粉碎黑芝麻混合螺旋藻粉，置于65℃烘箱烘4 h，不黏托盘时取出，超微粉碎后置于65℃烘箱烘4 h。取适量黑芝麻螺旋藻粉，加水调配成15%的浆液备用，使用时再稀释成需要的浓度。取适量黑芝麻螺旋藻混合浆，加水调配至需要的体积浓度，用超声仪超声破壁10 min，使螺旋藻中的腥味物质逸出，加入0.4%的酵母、4%的一水葡萄糖之后移入28℃的恒温水浴锅中培养脱腥1.5 h[9-12]。混合浆脱腥后加入β-环糊精、白砂糖掩盖不良气味，高速搅拌机搅打后用4层细纱布过滤，滤液加入蔗糖脂肪酸酯、蒸馏单硬脂酸甘油酯、黄原胶、海藻酸丙二醇酯、羧甲基纤维素钠，再次搅打使辅料充分混匀溶解，混合液均质5 min。乳饮料调配均质后灌装经121℃灭菌的玻璃瓶中，封口，于105℃灭菌锅中灭菌30 min，待锅内气压完全降下后取出冷却，进行感官评分以及沉淀率的测定。

因使用单一乳化稳定剂的成型效果不理想，考虑使用两种或两种以上的乳化剂，复配加以增稠剂的混合乳化稳定剂，比单一乳化剂、增稠剂具有更好的乳化效果和更佳的乳化稳定性[13-19]。以此进行工艺配比筛选试验，得出最佳工艺条件。

1.3.2 评价指标

1.3.2.1 沉淀率测定

称取摇匀的一定量（m）的样品，用台式离心机在4 000 r/min离心15 min，弃去上层清液，称得沉淀的质量（m1），沉淀率/%=m1/m × 100。

1.3.2.2 感官评价

感官评价指标及评分标准见表1。

表1 感官评价指标及评分标准Table 1 Sensory evaluation indexes and scoring criteria

1.3.3 单因素试验

1.3.3.1 原料配比

黑芝麻与螺旋藻的配比比例拟用50∶1、50∶2.5、50 ∶5、50 ∶10、50 ∶20（质量比），根据单因素试验结果确定原料配比的最佳范围。试验结果见表2。

表2 原料配比感官评价及沉淀率Table 2 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material proportion

由表2可以看出，从50∶1比例开始，随着原料配比用量增加，沉淀率先下降后上升。

1.3.3.2 原料用量

原料稀释用量浓度为1%、2%、3%、4%、5%，根据单因素试验确定最佳使用浓度。试验结果见表3。

由表3结果可以看出，随着原料浓度的增加，成品沉淀率亦随之上升；沉淀率与感官评价分不成正比，原料用量1%～5%进而保留，使用星点试验设计进一步对比试验。

表3 原料用量感官评价及沉淀率Table 3 Sensory evaluation and precipitation rate of raw material consumption

1.3.3.3 白糖用量

白糖添加量为2%、3%、4%、5%、6%，根据单因素试验结果确定蔗糖的使用范围。试验结果见表4。

表4 白糖使用量感官评价及沉淀率Table 4 Sensory evaluation and precipitation rate of amount of white sugar

由表4可以看出，4%的使用量感官评价最高，但沉淀率偏高，5%、6%的使用量感官评分相等，沉淀率相差不大。

2 结果与分析

2.1 试验设计

在单因素试验研究基础上，根据星点方法设计原理，选取黑芝麻与螺旋藻配比范围X1（2.5∶1～50∶1）（质量比）、原料用量范围X2（1%～5%）、白糖用量范围X3（2%～6%）为考察因素。以感官评价和沉淀率为评价指标，采用Design Expert 8.0.6统计软件，每个指标均标准化的用Hansan分别转化为0～1的总评“归一值（overall desirability，OD）”，按OD=（d1×d2…dk）1/k（k为指标数）计算，按星点设计-效应面法三因素五水平表进行试验，因素水平编码见表5，试验安排及结果见表6。

2.2 模拟拟合

将所得数据用Design-Expert 8.0.6软件进行效应面试验分析，以各考察指标的总评OD值为效应值，对各因素进行多元线性回归和二次项拟合，多元线性回归拟合方程为Y=-0.029 384+8.609 98×10-3X1-4.89860×10-3X2+0.055 571X3（r＝0.277 4，P＞0.05），二次项拟合方程为Y=-1.604 68+0.062 098X1-0.293 01X2+0.695 19X3-8.699 55×10-3X1X2-6.478 54×10-3X1X3-3.558 95×10-3X2X3-2.809 58×10-3X12+0.088 452X22-0.057 360X32（r＝0.933 8，P＜0.01）。从拟合方程的相关系数可知，由于多元线性回归方程的r较低，自变量与因变量之间线性相关性较差，回归拟合度不佳，预测性较差，因此不适宜选用多元线性方程进行拟合；二次项拟合方程r较高，拟合效果较好，所以选用二项式方程进行拟合。

表5 黑芝麻螺旋藻复合营养乳饮料配方工艺星点试验因素水平Table 5 Factors influencing the formulation of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

表6 黑芝麻螺旋藻复合营养乳饮料配方工艺星点试验及结果Table 6 Central composite design and effect surface methodology of black sesame Spirulina compound nutrition milk beverage

2.3 方差分析

方差分析结果见表7。

由表7可知，二项式回归方程失拟检验不显著，说明未知因素对试验结果干扰很小，模型拟合检验高度显著，说明该方程与实际情况拟合很好，较好地反映了考察指标总评OD值与黑芝麻与螺旋藻配比、原料用量、白糖用量的关系。原料配比与交叉项X1X2、X1X3、二次项X22、X32对总评OD值的影响极显著，白糖用量影响显著。

表7 回归模型方差分析结果Table 7 Regression model analysis of variance

2.4 效应面优化和预测

根据Design-Expert 8.0.6，绘制总评OD值与各自变量间的效应曲面图（见图1、图2、图3），通过这些可以直观反映各因素交互作用对响应值的影响，从图中直观的看出，3个曲面都处于上升状态，不存在最大值。各用量响应面曲线走势越陡，切线斜率变化越快，说明该因素对工艺影响率越大，从图中直观看出，影响率大小为：黑芝麻与螺旋藻配比＞白糖用量＞原料用量。当黑芝麻与螺旋藻配比在2.5∶1～50∶1（质量比）、原料用量在1%～5%、白糖用量在2%～6%，根据上述二次项回归方程，得出优化条件：黑芝麻与螺旋藻配比为50∶1.24（质量比），原料用量为1.81%，白糖用量为3.73%；可预测出总评OD值为0.705。考虑大生产实际，为保证简便可行，确定黑芝麻螺旋藻复合营养乳饮料成型工艺为黑芝麻与螺旋藻配比为50∶1.2（质量比），原料用量为1.8%，白糖用量为3.7%。

图1 原料配比和原料用量对总评归一值影响的效应面图Fig.1 Effect surface ratio of raw material ratio and raw material consumption on total evaluation normalization value

图2 原料配比和白糖用量对总评归一值影响的效应面图Fig.2 Effect surface ratio of raw material ratio and sugar content on total evaluation normalization value

图3 原料用量和白糖用量对总评归一值影响的效应面图Fig.3 The response surface diagram of the influence of raw material consumption and sugar content on the general evaluation normalization value

2.5 验证试验

根据星点设计-效应面法优选出的最佳工艺条件，结合实际生产条件进行验证试验。验证结果见表8。

表8 验证试验结果Table 8 Verification test results

采用上述优化配比方案与上述试验相同的其他条件，实际测得OD值为0.775，与理论预测值0.705的偏差率为-9.93%。结果表明，所建立的数学模型具有较好的预测性，所选的工艺条件重现性较好。

3 结果与讨论

在工艺中螺旋藻[20]超微粉的添加量对成品香气、余味有一定影响，添加量越多，越难去除藻腥味，形成微苦的涩味，可以考虑添加香精之类的添加剂[21]，掩盖不良气味形成其他风味，但是考虑到成品的适用性，实际是否需要添加视工艺兼容性决定。

黑芝麻添加量在本工艺中不变，但是黑芝麻与螺旋藻混合粉比例不同及原料用量不同对成品色泽与香气亦有影响，原料比例中螺旋藻越少，芝麻香气在入口时越容易察觉。乳化稳定剂[22-23]可以使成品呈均匀稳定的状态，但是稳定剂发挥效果除去本身固有效果外，还与配制时的操作有关，经过试验，本工艺所使用的所有乳化稳定剂在纯水中的自溶性均不好。因此，在试验进行时加入乳化稳定剂后使用高速搅拌机搅打，促进溶化，羧甲基纤维素钠（carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na）在冷水中溶化时间较长，加入冷水后置于水浴锅上加热可促进溶解。

以单因素试验为基础，通过星点设计-效应面法验证试验优化饮料的制备工艺。根据星点设计验证试验结果可知，黑芝麻与螺旋藻配比的最佳用量为50∶1.2（质量比），原料用量为1.8%，白糖用量为3.7%；星点设计-效应面优化法对黑芝麻螺旋藻复合营养乳饮料工艺研究的试验指标具有较好的优选性和预测性。