响应面优化粳米乳酸菌发酵复合饮料配方的研究

刘 贺，林 芊，蒋佳玥，蔡文琪，雒明朔，王子义，朱力杰，朱丹实，杨立娜

（渤海大学 食品科学与工程学院，辽宁省食品安全重点实验室，辽宁 锦州 121013）

0 引言

大豆是世界上最重要的食用植物油和蛋白质来源.2019年中国大豆产量增至1810万吨.大豆壳是大豆的种皮（约8%），是大豆油生产初期裂解过程中释放的主要副产物之一.但是，大量的大豆皮没有得到充分利用［1］.课题组以前的研究发现通过草酸铵微波辅助从大豆种皮中提取的多糖主要由阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和半乳糖醛酸组成［2-3］.并且有研究表明大豆种皮多糖具有一定的增稠性、稳定性、乳化性［4］，可增加饮料的稳定性.多糖是一种包含多分散聚合物的天然产物，根据许多研究表明，它具有降血糖、降血脂、缓解糖尿病症状［5-6］、减肥［7］、抗氧化［8］、改善肠道微生物［9］、抑制结肠炎和结肠癌［10］等功能活性，可使饮料具有一定功能特性.

近年来，开发乳酸菌发酵饮料形成一个新的趋势.乳酸菌在各类食品中已有广泛应用［11］.其生理功能对维持肠道菌群的生态平衡，改善乳酸不耐症，抑制病原菌与抗感染，促进胃肠道蠕动，消除致癌因子、提高机体免疫力等良好效果得到了广泛认同［12］.此外，国家统计局统计近年来全国水稻总产量基本维持在2.1亿吨，在我国的谷类中处十分重要的地位［13］.粳米是大米中的一类，主要成分为淀粉和蛋白质.粳米作为口粮消费附加值低，增值有限，深加工技术落后于很多发达国家.现代食品工业迅猛发展，人们对于食品营养需求也日渐增加.在此基础上研制一款高营养、功能性粳米乳酸菌发酵饮料，开拓粮食商业市场，提升粳米的附加值，提高粳米加工的综合利用价值和粮食生产的经济效益显得尤为重要.因此，本研究以粳米为主要原料，用传统工艺保留其大量营养成分，添加大豆种皮多糖丰富饮料的营养成分，开发一种可以为普通消费者所接受，老少皆宜的乳酸菌发酵饮料.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

粳米：锦珠盘锦粳米；大豆种皮：山东禹王有限公司；乳酸菌：北京川秀科技有限公司；羧甲基纤维素钠（CMC）、褐藻糖胶、木糖醇：浙江多味化工食品有限公司.

1.1.2 仪器与设备

PJ23C-SC1型微波炉：美的公司；DJ13R-P3型破壁豆浆机：九阳股份有限公司；FM300型均质机：上海弗鲁克流体机械制造有限公司；TDL-5-A型低速台式大容量离心机：上海安亭科学仪器厂；SL-250A型高速多功能粉碎机：浙江省永康市松青五金厂；DHG-9055A型电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；XMTD-4000型电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器有限公司.

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

原料→粉碎→混合→糊化→调配、均质→灭菌→冷却→接种→发酵→罐装→杀菌→成品

1.2.2 大豆种皮多糖的制备

根据先前的研究［2］，稍有改动.将大豆种皮粉碎，按料液比1∶10加入1%的乙醇溶液，室温搅拌30 min，双层纱布过滤，将残渣置于鼓风干燥箱中65℃烘干.准确称取烘干后的大豆皮残渣，烧水，用烧好的水按料液比1∶20加入0.6%（w/v）的草酸铵，在微波85℃条件下作用35 min，双层纱布过滤，将上清液在4000 r/min的条件下离心10 min，浓缩至原体积的1/3，调节pH至4.0，缓慢的加入双倍浓缩液质量的无水乙醇并不断搅拌，于4℃下放置12 h后，于65℃恒温干燥箱中烘干.磨粉，存放备用.

1.2.3 操作要点

1.2.3.1 原料预处理：选取无异味、无异色的粳米用去离子水将其清洗干净，去掉杂质，放入电热鼓风干燥箱烘干.

1.2.3.2 粉碎：将烘干后的粳米用高速多功能粉碎机将粉碎至40目.

1.2.3.3 糊化：料液比例1∶15，放进豆浆机100℃糊化20 min.

1.2.3.4 调配、均质：将适量的大豆种皮多糖和复配稳定剂用水溶解加入，每次加入物料要搅拌均匀.均质温度为室温，采用50 MPa一次均质.

1.2.3.5 杀菌：巴氏杀菌80℃10 min.

1.2.3.6 接种：冷却至37℃接种乳酸菌.

1.2.3.7 发酵：37℃恒温发酵12 h，后放4℃后熟12 h.

1.2.4 感官评价标准

邀请9个具有一定相关经验的品评员，分成3组，组成评审组对产品进行感官评分，满分一百.小组人员身体健康，味觉灵敏，无不良嗜好.感官评价主要以色泽、气味、组织状态及口感为标准，其评分标准见表1.

表1 粳米发酵饮料感官评定表

1.2.5 PB试验设计

根据单因素实验结果，以感官评定为测定指标，对乳酸菌接种量（a）、大豆种皮多糖添加量（b）、复合稳定剂配比（c）、料液比（d）、发酵时间（e）进行考察，筛选出粳米发酵饮料的主要影响因素.PB实验因素及水平见表2.

表2 Plackett-Burman实验因素水平表

1.2.6 响应面试验优化粳米乳酸菌发酵复合饮料工艺

在在单因素的基础上，采用BB试验设计，设置接种量（A）、大豆种皮多糖添加量（B）和稳定剂复配比例（C）3因素为自变量，以单因素结果为中心点，设3个水平，以粳米发酵饮料感官评分（Y）为响应值，进行发酵工艺优化，响应面试验因素与水平见表3.

表3 响应面分析因素及水平表

1.2.7 响应面法的验证试验

用Design Expert.V8.0.6软件对数据进行分析.对最优添加量进行三次平行试验，由9名品评员进行感官评定，得出感官评分的实际值.与最初的预测值进行比较，若与预测值十分接近，说明响应面优化试验成功.采用Design Expert.V8.0.6软件中的多元线性回归分析程序拟合二阶多项式方程，并转化相应曲面，分析试验因素及水平对响应值的影响.

1.2.8 数据处理

数据统计与处理采用Origin 8.5和SPSS 22.0进行分析.

2 结果与分析

2.1 PB试验结果

表4 Plackett-Burman试验设计及结果

表5 Plackett-Burman试验显著性检验

表4中a，b，c，d，e分别代表乳酸菌接种量、大豆种皮多糖添加量、复合稳定剂配比、料液比、发酵时间.对每个因素分别选取高水平（1）和低水平（-1），以感官评定为响应值.由表5的结果分析可以看出，a（接种量），b（大豆种皮多糖添加量），c（稳定剂复配比例）对饮料的影响达到了极显著水平（P＜0.05），因此选择这三个因素进行中心组合实验.

2.2 BB试验结果

在单因素试验的基础上，通过Design-Expert.V8.0.6软件对试验结果进行二次多项式拟合以及方差分析，试验结果见表6，试验方差分析结果见表7.

表6 响应面设计方案和试验结果

表7 试验结果方差分析表

表6数据进行二次回归方程拟合，得到感官评分（Y）对接种量（A）、大豆种皮多糖添加量（B）和稳定剂复配比例（C）的二次多项回归方程：

由表7可知，回归模型P＜0.001，模型极显著.失拟项不显著（P=0.0904＞0.05）.回归模型的决定系数R2=0.9965，说明该模型能够很好地描述试验结果，试验结果真实可靠.从表7中P值和回归方程中各因素的一次项系数的绝对值大小可知，影响粳米乳酸菌发酵复合饮料感官评价因素主次顺序为接种量＞大豆种皮多糖添加量＞稳定剂复配比例.一次项A及交互项AB和对产品感官评分的影响达到显著水平（P＜0.05），交互项AC和二次项A2、B2及C2对产品感官评分的影响达到极显著水平（P＜0.01）.

2.3 接种量和大豆种皮多糖添加量交互作用响应面分析

接种量和大豆种皮多糖添加量对饮料感官评分影响的响应面及等高线图见图1.适量的接种有利于乳酸菌的产酸和繁殖［11］.依据等高线图中等高线的形态，可以判断出响应的2个变量之间交互作用的强弱.由图1可知，A，B之间有显著交互作用，等高线为椭圆形说明二者的交互作用对粳米乳酸菌发酵复合饮料感官评分的影响较大.在接种量相同条件下，粳米发酵饮料感官评分随大豆种皮多糖添加量的增加呈现先升高后降低的趋势.在大豆种皮多糖添加量相同条件下，饮料感官评分随接种量的增加也呈先增高后降低的趋势.大豆种皮多糖添加量过多会颜色暗黄，粘稠度增加，降低了客户对产品品质的第一印象.此外，接种量的影响大于大豆种皮多糖添加量的影响.这是因为接种量少酸度不足，接种量多乳酸菌产生的乳酸也会过高抑制乳酸菌生长，严重影响饮料的口感风味，增加生产成本.

2.4 接种量和稳定剂复配比例交互作用响应面分析

接种量和稳定剂复配比例对饮料感官评分影响的响应面及等高线图见图2.单一的稳定剂所制备的饮料，会出现水析、上浮和下沉等现象［14］.有研究表明，羧甲基纤维素钠是有效稳定酸性饮料的亲水胶体［15］.由图2可知，A，C之间有极显著交互作用，等高线为椭圆形说明二者的交互作用对粳米发酵饮料感官评分的影响很大.在接种量相同条件下，粳米发酵饮料感官评分随稳定剂复配比例的变化呈现先升高后降低的趋势；在稳定剂复配比例相同条件下，复合饮料感官评分随接种量的增加也呈先增高后降低的趋势，且接种量的影响大于稳定剂复配比例的影响.

2.5 大豆种皮多糖添加量和稳定剂复配比例交互作用响应面分析

大豆种皮多糖添加量和稳定剂复配比例对饮料感官评分影响的响应面及等高线图见图3.大豆种皮多糖具有一定的增稠性、稳定性、乳化性［16］，可替代阿拉伯胶，卡拉胶等添加剂应用于食品研发［4］.有研究表明，大豆可溶性多糖酸化乳料中具有稳定行为［17］.由图3可知，B，C之间交互作用不显著，说明二者的交互作用对粳米乳酸菌发酵复合饮料感官评分的影响不大.在大豆种皮多糖添加量相同条件下，粳米发酵饮料感官评分随稳定剂复配比例的变化呈现先升高后降低的趋势；在稳定剂复配比例相同条件下，复合饮料感官评分随大豆种皮多糖添加量的增加也呈先增高后降低的趋势，且大豆种皮多糖添加量的影响稍微大于稳定剂复配比例的影响.有研究表明大豆子叶中提取的大豆可溶性多糖通常用于稳定酸性饮料［18］，这或许对解决酸性饮料稳定性提供一个新的原料.重复3次试验，经BB分析感官评分，最终平均得分为90.66，实际感官评分90分，两者非常接近，可见模型可以非常好地预测出粳米发酵饮料最佳配方参数.因此，响应面分析法优化的粳米发酵饮料最佳配方参数是可靠的.

3 结语

在单因素试验的基础上，采用Plackett-Burman筛选实验和Box-Behnken中心组合试验对粳米乳酸菌发酵复合饮料的工艺进行优化.在分析各个因素的显著性和交互作用后，得出粳米乳酸菌发酵复合饮料的最佳工艺条件为：乳酸菌接种量1%，大豆种皮多糖添加3%，复合稳定剂（添加量0.5%）比例CMC∶褐藻糖胶=1∶1，发酵时间12 h，发酵温度37℃，在此工艺条件下得到的粳米乳酸菌发酵复合饮料的感官评分为85分.