响应面法优化木糖醇酸奶制作工艺

2019-04-12 06:30陈艾嘉廖柳媚苏慧伦

农产品加工 2019年5期

陈艾嘉，杨昭，李威，廖柳媚，苏慧伦

（广东食品药品职业学院，广东广州 510520）

木糖醇是一种多元糖醇类物质，为白色结晶性颗粒或粉末，具有清凉的甜味，甜度和蔗糖一样，热稳定性好且不会发生美拉德反应，具有较高的营养价值，是多元醇类产品中最甜的甜味剂，也是人体糖类代谢的正常中间体[1]。木糖醇可作为糖尿病患者的营养剂和糖代谢的调整剂，具有良好的防龋齿功能，可以预防肺部感染、中耳炎和骨质疏松症。

酸奶是一种以鲜牛奶为主要原料，经乳酸菌发酵而得到且营养价值丰富的半固体乳制品[2]。酸奶的营养、保健价值较高，能够提高食欲、改善肠道的消化吸收、增加肠道有益菌的数量、维持肠道菌群的生态平衡，有效促进人体对钙、磷等元素的吸收，并能降低血清中胆固醇的含量，提高人体免疫力，预防心血管疾病等[3]。因此，常饮用酸奶对人体健康具有很多益处。

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。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[4]。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[5]。试验探索了发酵工艺、热处理温度对木糖醇酸奶在贮藏过程中的品质变化，并对木糖醇酸奶的风味物质进行分析，旨在提出合理的加工工艺条件、热处理温度和贮藏条件，为开发木糖醇酸奶制品和产品的市场推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

木糖醇，山东龙力生物科技股份有限公司提供；纯牛奶（蛋白质2.9%、脂肪3.6%），蒙牛乳业（集团）股份有限公司提供；保加利亚乳杆菌冻干粉、嗜热链球菌冻干粉，陕西森弗天然制品有限公司提供。

1.2 仪器与设备

NS810型分光测色仪，深圳市三恩驰科技有限公司产品；HH-6型数显恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司产品；DHG-9075A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品；APV-60型高压均质机，上海顺仪实验设备有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 木糖醇酸奶工艺流程

原料奶→鲜奶处理→牛奶（加入木糖醇）→均质→灭菌→冷却→接种（保加利亚乳杆菌+嗜热链球菌）→装瓶→发酵→冷藏→成品。

1.3.2 操作要点

（1）原料乳的选择。要符合国家标准要求、无抗生素。将验收来的鲜奶过滤，并加入适量的脱脂奶粉，调整可溶性固形物含量。

（2）均质。均质前物料混合均匀，原料乳预热到55~65℃，在10 MPa的压力下进行均质，使制品口感更好。

（3）灭菌。升温至95℃，保温3~5 min进行灭菌。灭菌后，将原料乳冷却到40℃。

（4）发酵剂的品质控制及接种量。工作发酵剂要从色泽、组织、气味、滋味4个理化指标综合考虑，感官达到要求后可测定活力，乳酸菌活力值在0.80~0.95，接种量为2.5%。

（5）接种。往原料乳中接入经过驯化培养的乳酸菌培养液。装瓶封口，放在恒温培养箱中进行发酵。

（6）冷藏：冷藏温度为4℃，时间12 h。

根据响应曲面法中的Box-Behnken中心组合设计原理，选择木糖醇添加量（A）、菌种接种量（B）、发酵温度（C）、发酵时间（D）4个因素为自变量，每个因素取3个水平，以-1，0，1为编码，以感官评价得分为响应值（Y），采用Design Expert 8.0.6软件设计四因素三水平的响应面分析试验，共29个试验点，其中24个为分析因子，5个为中心试验用以估计误差。

Box-Benhnken设计试验因素水平见表1。

表1 Box-Benhnken设计试验因素水平

1.3.3 木糖醇酸奶品质评定

（1）感官评定方法及标准。根据木糖醇酸奶的色泽、香气、口感及组织状态进行感官评价，随机选择10名食品专业人员对产品进行感官评定[6]。根据感官评定标准进行打分，取其平均值作为最终评价记录。

木糖醇酸奶感官评定标准见表2。

（2）滴定酸度的测定。参考GB 5009.239—2016对发酵乳滴定酸度进行测定。滴定酸度（吉尔里耳度°T）表示牛乳的酸度：（°T）指滴定100 mL牛乳样品，消耗0.1 mol/L的NaOH的量。

表2 木糖醇酸奶感官评定标准

（3）色度的测定。使用色差仪对处理后的样品进行色度分析，每个样品取3个平行测定，结果以“平均值±标准差”表示。其中，L*值，a*值，b*值可由色差计直接读出，按照公式计算△E。

式中：L*——明度；

a*——红色度；

b*——黄色度。

1.4 单因素试验

依次进行木糖醇添加量、菌种接种量、发酵温度、发酵时间单因素试验，以酸度、色度和感官评价为考查指标。

1.4.1 木糖醇添加量对酸奶品质的影响

在发酵温度41℃，发酵时间8 h，菌种比例1∶1，菌种接种量0.4%的条件下，考查木糖醇的接种量按质量分数分别为3%，5%，7%，9%，11%时的影响。

1.4.2 菌种接种量对酸奶品质的影响

在发酵温度41℃，发酵时间8 h，菌种比例1∶1，木糖醇添加量7%的条件下，考查菌种接种量分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%时的影响。

1.4.3 发酵温度对酸奶品质的影响

在发酵时间8 h，木糖醇添加量7%，菌种比例1∶1，菌种接种量0.4%，考查发酵温度分别为35，38，41，44，47℃时的影响。

1.4.4 发酵时间对酸奶品质的影响

在发酵温度41℃，木糖醇添加量7%，菌种比例1∶1，菌种接种量0.4%，考查发酵时间分别为2，4，6，8，10 h时的影响。

2 结果与分析

2.1 单因素结果分析

2.1.1 木糖醇添加量对酸奶品质的影响

木糖醇添加量对酸奶品质的影响见表3。

表3 木糖醇添加量对酸奶品质的影响

从色度方面来看，木糖醇添加量小于7%，△E随着木糖醇添加量的增加而下降，说明木糖醇添加量的增大能降低酸奶的色差；当木糖醇添加量超过7%后，△E的值呈现显著上升趋势（p<0.05），色差变大。从酸度值可发现，木糖醇添加量在7%以下时，木糖醇添加量的增大对酸奶的酸度值无显著性影响（p>0.05）；在木糖醇添加量超过7%后，酸度值随着木糖醇添加量的增大而呈现显著下降趋势（p<0.05），而且随着木糖醇添加量增加，整体上酸度值呈现下降趋势。从感官评定看，木糖醇添加量在7%以上时，酸奶味浓郁、酸甜适中、滋味良好，是由于适宜的糖添加量使得菌种发酵良好，形成的各种风味物质也有很好的作用，滋味良好。

2.1.2 菌种比例对酸奶品质的影响

菌种接种比例对酸奶品质的影响见表4。

接种比例对色差、酸度及感官评价的影响无显著性差异。因菌种间的共生，使用混合发酵剂可大大缩短发酵时间，并对发酵产品的风味、口感、质地等也产生良好的效果。整体上，发现菌种比例主要会影响发酵酸奶的风味。如果产酸能力强的保加利亚乳杆菌接种过多容易使产品酸化速度过快，后酸化过强，乳清析出严重，大大影响了产品的结构和质地品质。因而，菌种接种比例选择1∶1。

表4 菌种接种比例对酸奶品质的影响

2.1.3 菌种接种量对酸奶品质的影响

菌种接种量对酸奶品质的影响见表5。

在酸奶发酵过程中，2种菌种复合会提高酸奶的发酵产酸速度，嗜热链球菌有利于提高酸奶酸度，缩短酸奶发酵时间，而保加利亚乳杆菌的产物对酸奶的风味有很大影响。复合菌种接种量对酸奶发酵影响较大，若接种量大，会导致酸奶发酵速度过快，酸奶的风味不足；接种量太少，酸奶发酵能力受挫，发酵时间延长，也会使酸奶风味不佳[7]。

表5 菌种接种量对酸奶品质的影响

由表5可知，复合菌种接种量0.4%以上时，随着接种量的增大，酸度越来越大，具有显著性差异（p<0.05）。色差随着接种量的增大而减小，接种量在一定范围内酸奶感官品质较好，接种量过高或者过低都会影响酸奶的感官及质地品质。当菌种接种量为0.4%时，原料得到充分利用，发酵良好，能很好地产生多种风味物质，使得样品的滋味良好，酸甜适中，感官评分最高。

2.1.4 发酵温度对酸奶品质的影响

发酵温度对酸奶品质的影响见表6。

由表6可知，随着发酵温度的上升，酸度从62.5~93.0°T时逐渐增大；色度值呈现无规律变化的趋势，感官评分先升后降，可能是因为酸度过大，导致口感下降。这与混合发酵剂不同温度下的产酸特性相关。低温下较有利于菌种的发酵，产生的风味较好，但是由于该菌发酵的产酸特性差，而低温条件下菌种发酵不完全，不利于更多风味物质的形成，因而使得样品的酸味不足，滋味偏甜。发酵温度38~47℃时制作的样品，原乳味明显减弱，酸奶味浓郁，且滋味良好，其产酸性能也比较好，使样品酸甜适中，滋味良好。因此，考虑最适发酵温度为41℃。

表6 发酵温度对酸奶品质的影响

2.1.5 发酵时间对酸奶品质的影响

发酵时间对酸奶品质的影响见表7。

表7 发酵时间对酸奶品质的影响

酸奶发酵的过程中各种生物化学变化会影响酸奶最终品质，其中影响酸奶加工过程的一个重要因素是选择适宜长短的发酵时间。由表7可知，随着发酵时间的延长，酸奶的色差越来越大，说明发酵时间会增大酸奶的色泽，使颜色加深，但8 h内，色差无显著性差异（p>0.05）；在10 h时，色差变化显著（p<0.05）。从酸度值发现，发酵时间越久，酸度增大速度越快，而且酸度值越大。发酵时间为8 h时，木糖醇酸奶的感官评定值最高。说明发酵时间过短和过长均会影响产品的组织状态、稳定性及口感。发酵时间过短，菌种没有充分发挥作用，产酸不足，酸乳凝固性较差，组织状态不均匀；发酵时间过长，产品过度酸化，乳清析出现象加剧，口感较酸涩。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 试验设计及结果

根据单因素试验结果，利用Box-Behnken组合试验设计原理[8]。研究制备木糖醇酸奶过程木糖醇添加量（A）、菌种接种量（B）、发酵温度（C）、发酵时间（D）4个影响因素对木糖醇酸奶品质的影响，以感官评分为响应值Y，优化木糖醇酸奶发酵工艺。

Box-Benhnken试验设计及结果见表8。

试验结果采用Design Expert.V 8.0.6.1软件对表10中27个试验点的响应值进行多元回归拟合得到感官得分与各因素的二次多项回归方程模型Y：

回归方程方差分析见表9，二次回归方程的可信度分析见表10。

表8 Box-Benhnken试验设计及结果

对模型进行显著性检验，由回归模型的方差分析表10可以看出，模型的F值为9.50，“Prob>F”的p<0.01，模型因子是具有极显著性意义的。表10中，木糖醇酸奶感官评价模型的相关系数R2=0.904 8，说明该模型拟合程度良好，试验误差小；校正拟合度R2Adj为0.809 5，说明模型可以解释80.95%响应值的变化。Adeq Precision=9.569，C.V=3.16%，说明模型有着较好的信噪比，试验稳定性比较高，模型方程能够较好地反映真实的试验值，因此可以用该回归方程模型来解释设计方案。

表9 回归方程方差分析

表10 二次回归方程的可信度分析

各因素间显著性分析见表11。

表11 各因素间显著性分析

由表11分析结果可知，表中F值越大表明该因素对木糖醇酸奶感官评价的影响越显著，各因素对木糖醇酸奶感官评价的影响大小依次为菌种接种量>木糖醇添加量>发酵温度>发酵时间。在此回归方程模型中F，C2和D2是极显著性因子项（p<0.01）；A，C和交互项AC，B2为显著性因子项（p<0.05）；而D和交互项AB，AD，BC，BD，CD，A2均无显著性差异（p>0.05）。

2.2.2 各因素交互作用

根据模型绘制三维曲面图，可直观地看出各因素的交互作用对木糖醇酸奶感官评价的影响。若曲线越陡峭，则表明该因素对木糖醇酸奶感官评价的影响越大，相应表现为响应值变化的大小。由回归系数模型及方差结果分析可知，4个因素中，只有木糖醇添加量与发酵温度之间存在显著的交互作用，而木糖醇添加量与菌种接种量、木糖醇添加量与发酵时间、菌种接种量与菌种接种量的交互作用均不显著。

木糖醇添加量和菌种接种量对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图1，木糖醇添加量和发酵温度对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图2，木糖醇添加量和发酵时间对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图3，菌种接种量和发酵温度对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图4，菌种接种量和发酵时间对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图5，发酵温度和发酵时间对酸奶感官评价的曲面图及等高线见图6。