响应面法优化凝固型羊奶酸奶生产工艺

白丽娟,张英龙,刘青云,魏丽婧,杭琳悦,徐莉婷

（1锦州医科大学食品科学与工程学院，辽宁锦州121001；2.东北农业大学食品学院 哈尔滨150030）

0引言

鲜羊奶中营养成分与物质十分丰富，其中蛋白质配比的营养价值十分合理，使得其消化率高，甚至可达到98%[1]。另外，鲜羊奶不会造成人体发生过敏反应，更利于肠胃的消化吸收。虽然鲜羊奶有多种优点，但其膻味导致不少消费者对鲜羊奶制品望而却步。如果将羊奶经过发酵制成酸奶产品，不仅在一定程度上弱化了羊奶的膻味，更好的提升了羊奶的口感，同时更优化了鲜羊奶的营养价值[2]。娄新曼等[3]人对各种羊奶的去膻味方法进行了阐述，苏伟丽[4]研究了不同的发酵剂对羊奶酸奶的脱膻效果，并进行了低膻味乳酸菌的筛选。陈慧[5]的研究发现双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌能协同嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌降解羊奶脂肪酸，从而使膻味减弱，发酵羊奶质量达到最好。

羊奶酸奶是以鲜羊奶为原料，经过均质、灭菌、接种乳酸菌后，由生物发酵而制成的一种含活性乳酸菌的乳制品。刘婕等[6]通过正交试验研究了希腊式酸羊期的最佳发酵工艺，李钰[7]等人以杏仁液和羊奶为主研制出一种高钙酸羊奶。寇晓虹等[8]人以羊奶粉为原料，研制出一种酮香型酸羊奶。羊奶酸奶产品的出现可以在一定程度上弥补鲜羊奶的不足，降低羊奶的膻味，提高羊奶的吸收率，从而更好被消费者接受，拓展羊奶市场的份额，为羊奶新产品的开发奠定基础。

响应面分析法，即响应曲面设计方法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的试验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法[12]。

本文以鲜羊奶为原料进行发酵，通过响应面分析法对羊奶酸奶的生产工艺进行优化，以期获得风味优良的羊奶酸奶发酵工艺参数，为开发羊奶酸奶及提高其品质提供生产依据。

1材料与方法

1.1材料与仪器

鲜羊奶，市售散装；白砂糖，市售；发酵剂Y-1（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌），发酵剂Y-2（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和双歧杆菌），发酵剂Y-3（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和嗜酸乳杆菌），自制。

GHX-9080-1型恒温培养箱，上海福玛有限公司；SW-CJ-1F型超净工作台，苏州安泰有限公司；GJJ-0.03/100均质机，上海诺尼有限公司；美的电磁炉，美的集团有限公司；BCD-182TCS型冰箱，容声集团；物性分析仪，美国FTC公司。

1.2实验方法

1.2.1发酵剂的前处理

将三种发酵剂菌种活化，并以2%的添加量接种到灭菌后的鲜羊奶中，在43±1℃恒温箱中培养3～4 h，置于5℃冰箱备用。

1.2.2羊奶酸奶制作流程

将标准化后的鲜羊奶加热到55～60℃，边加热边搅拌1～2 min。预热同时加6%的白糖，搅拌。加热到90～95℃，搅拌10～15 min灭菌后，迅速冷却至60～65℃，15～20 MPa下进行均质。将均质后的羊奶迅速冷却到43～45℃。分别将4%的Y-1、Y-2、Y-3三种发酵剂接种到羊奶中。将羊奶等量装入无菌、等大的杯中，封口，于43℃下的隔水式恒温培养箱中进行发酵。将发酵好的羊奶酸奶冷却，放入5℃冰箱后熟24小时，促进香味物质的产生，改善羊奶酸奶的硬度[9-10]。

1.2.3不同发酵条件对羊奶酸奶品质的影响

（1）不同发酵时间对羊奶酸奶风味和质构的影响

将Y-1、Y-2、Y-3均以4%的接种量接种于加糖量为6%的杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中发酵，依次在3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h分别进行感官评定和物性分析。

（2）不同接种量对羊奶酸奶风味和质构的影响

将Y-1、Y-2、Y-3分别以2%、3%、4%、5%的接种量接种于加糖量为6%的杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中发酵4 h，分别进行感官评定和物性分析。

（3）不同加糖量对羊奶酸奶风味和质构的影响

将Y-1、Y-2、Y-3均以4%的接种量接种于加糖量分别为4%、6%、8%、10%的杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中发酵4 h，分别进行感官评定和物性分析[8]。

（4）不同发酵温度对羊奶酸奶风味和质构的影响

将Y-1、Y-2、Y-3均以4%的接种量接种于加糖量为6%的杀菌过后的羊奶中，分别置于发酵剂较适宜的37℃、40℃、43℃、46℃的隔水式恒温培养箱中发酵4 h，分别进行感官评定和物性分析[8]。

1.2.4响应面法优化发酵工艺

以发酵时间（A）、接种量（B）、加糖量（C）和发酵温度（D）为特征值，以酸奶的感官评分为响应值（Y）的响应面试验[11-12]。响应面试验各因素选定水平如表1所示。

表1响应面试验因素及水平

1.2.5羊奶酸奶的感官评价

邀请10名食品专业的学生对制得的羊奶酸奶进行品尝并计分评价，产品的颜色、气味、口感和组织4方面的状态评分[13]，评定项目及评分标准如表2所示。

表2羊奶酸奶感官评分标准

1.2.6羊奶酸奶物性检测指标

感官评分只能对酸奶的口感和风味做出一般的评价，通过物性分析仪也可以客观地确定产品的物理参数，才能更准确地研究产品的质量，并评价酸奶产品的质量主要取决于其紧实度和稠度。

物性分析仪检测方法：采用全质构TPA法，取30 mL样品置于50 mL烧杯中，采用P2探头，测试前速率2.0 mm/s，测试速率2.0 mm/s，测试后速率2.0 mm/s，测定模式为“strain”40%，测试结束后记录所需酸奶样品的坚实度与稠度。

1.2.7数据处理

数据分析采用SPSS16.0和Design-Expert 8.0进行分析，数据均为Mean±SD。方差分析，显著性水平P＜0.05。绘图采用Excel 2010。

2结果与分析

2.1不同发酵条件对羊奶酸奶品质的影响

2.1.1不同发酵时间对羊奶酸奶风味和质构的影响

将鲜羊奶分别接种Y-1、Y-2、Y-3发酵剂，4%的接种量接种于加糖量为6%的杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中，依次发酵3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h后，分别进行感官评定和物性分析结果如图1所示。

图1不同发酵时间对羊奶酸奶风味、坚实度和稠度的影响

由图1可知酸奶整体品质和发酵时间有关系，发酵时间不够会导致酸奶的酸度不够；培养所用时间太长，产生的大量有机酸破坏酸奶中既成的稳定胶体结构，造成乳清析出。随着培养时间变化，产品的感官评价得分出现先增大后减小的趋势。以4 h为界，发酵时间小于4 h或大于4 h，酸奶的组织状态都不佳。同时发酵时间为4 h的时候，坚实度与稠度最高，此时酸奶品质最好。因此，羊奶酸奶发酵时的最佳时长为4 h，且3种发酵剂效果Y-2＞Y-3＞Y-1。

2.1.2不同接种量对不同发酵剂发酵的羊奶酸奶风味和质构的影响

分别将三种发酵剂Y-1、Y-2、Y-3分别以2%、3%、4%、5%接种于加糖6%并杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中发酵4 h，感官评分和物性分析其坚实度、稠度结果如图2所示。

图2不同接种量对羊奶酸奶风味、坚实度和稠度的影响

由图2可知，发酵剂接种量的多少直接影响产品的感官品质。试验结果表明，发酵剂加入量太少时，发酵完成需要的时间显著增长，使得产品的口味偏酸，感官评价得分较低；发酵剂加入量太大时，产品的感官评价得分也不高。这是因为酸奶的发酵过程进行得太快，羊奶中乳酸菌含量过大导致乳蛋白凝集过度，乳清析出。当发酵剂接种量为3%，羊奶酸奶的感官评分、坚实度与稠度均最高，羊奶酸奶质地较好，表面平整光滑且口感细腻。

2.1.3不同加糖量对羊奶酸奶风味和质构的影响

图3不同加糖量对羊奶酸奶风味、坚实度和稠度的影响

将Y-1、Y-2、Y-3均以4%的接种量接种于加糖量分别为4%、6%、8%、10%的杀菌过后的羊奶中，置于43℃的隔水式恒温培养箱中发酵4 h结果见图3。加糖量会对酸奶的颜色及口感造成直接影响。增大糖的比例，感官评价得分先上升后下降。经研究发现，适量的白糖可以促进乳酸菌的活动，进而影响酸奶整个发酵过程的进行。因此，羊奶酸奶发酵时加糖量为6%，产品坚实度与稠度最高，此条件下制得的羊奶酸奶颜色呈均匀的乳白色，质地较好，口感细腻。整体来看，3种发酵剂对产品的影响为Y-2＞Y-3＞Y-1。

2.1.4不同发酵温度对羊奶酸奶风味和质构的影响

图4不同发酵温度对羊奶酸奶风味、坚实度和稠度的影响

将Y-1、Y-2、Y-3均以4%的接种量接种于加糖量为6%的杀菌过后的羊奶中，分别置于发酵剂较适宜的37、40、43、46的隔水式恒温培养箱中发酵4 h，分别进行感官评定和物性分析结果由图4可知，感官评价得分随着发酵温度的上升出现先上升后下降的趋势。这是由于发酵温度与酸奶的质地、乳清析出量和蛋白质凝固等均有关系，发酵温度的高低会直接影响这些指标。当发酵体系的温度较低时，发酵所得酸奶的凝乳状态不佳，感官评价得分相应较低；当发酵体系的温度太高时，酸奶中含有的乳酸变多，乳酸会产生较为强烈的酸味，同时酸奶表面有大量乳清析出。当发酵温度为43℃的时候，此条件下制得的羊奶酸奶凝乳状态最好，酸甜适中，坚实度与稠度最高，且3种发酵剂的效果Y-2＞Y-3＞Y-1。通过上述结果发现发酵剂Y-2的发酵效果普遍优于其它两种发酵剂，因此后续响应面优化试验选用发酵剂Y-2进行发酵。

2.2响应面优化羊奶酸奶工艺

表3 Box-behnken试验设计与结果

采用Box-Behnken中心组合试验设计，以发酵时间（A）、接种量（B）、加糖量（C）和发酵温度（D）为特征值，感官评分为响应值，优化羊奶酸奶的制作工艺参数。试验结果如表3所示。

利用Design-Exert8.0.6软件对表3数据进行多元回归拟合，得到Y对A、B、C、D的响应值回归方程，即：

响应值（Y）=97.20-0.67×A+0.58×B-1.42×C+0.50×D-0.25×A×B+1.00×A×C+0.25×A×D-0.75×B×C+0.75×B×D+0.000×C×D-6.52×A2-5.64×B2-7.89×C2-6.02×D2

表4回归模型方差分析

由表4可知，回归模型的F=57.66，P＜0.001，表明羊奶酸奶的感官品质评分与四个因素之间的回归方程极显著。失拟项P＞0.05，说明模型可靠。模型的一次项A、B，交互项AC和BC的P值为＜0.05，一次项C与二次项A 2、B 2、C2、D 2的P值均小于0.01，达到极显著的水平。根据F值的大小，羊奶酸奶感官质量评分的主次顺序如下：加糖量(C)＞发酵时间(A)＞接种量(B)＞发酵温度(D)。

采用响应面软件整理分析，以每组试验所得的方程为基础作三维曲面图和等高线图。通过观察三维曲面图中网的形状以及等高线图中等高线的疏密，进一步确定四个因素之间的交互作用。

图5-图10中的三维空间响应图，分别反应了加糖量、发酵时间、接种量、发酵温度四种因素两两交互作用对产品感官评分的影响。响应面的坡度越陡，说明交互作用对羊奶酸奶产品感官的影响越显著。等高线图中椭圆表示两个因素之间的交互作用很大。回归方程中二次项系数为负值时，说明抛物线开口是向下的，也就是说该方程有极大值点，本研究结果均符合以上特点，利用Design Expert对多组试验结果进行整理分析和计算后，得出羊奶酸奶的最佳生产工艺条件为：加糖量为6.2%，发酵剂Y-2接种量为3.9%，温度42.8℃，时间4.1 h。

图5发酵时间和接种量对产品感官评分的影响

图6发酵时间和加糖量对产品感官评分的影响

图7发酵时间和发酵温度对产品感官评分的影响

图8接种量和加糖量对产品感官评分的影响

图9接种量和发酵温度对产品感官评分的影响

图10加糖量和发酵温度对产品感官评分的影响

用响应面软件根据优化后所给实验条件进行生产以证明响应面模型的可行性，但是考虑到实际生产操作的可实施性，对软件所给出的理论工艺条件参数进行了修整。将加入60 g白砂糖，4%Y-2发酵剂的1 000 g混合乳置于43℃的恒温培养箱发酵4 h，所得的羊奶酸奶最受喜爱，感官评价得分高达98分。在此条件下，按上述实验方法做三次平行实验，获得酸奶的感官评分均值与响应面软件的预测值97.6534分的相对偏差很小(＜1%)，该响应面模型设计合理。

3结论

本文选用3种不同发酵剂在不同的发酵条件下进行发酵，并采用响应面试验对羊奶酸奶的发酵工艺进行优化，最终确定了优化工艺条件为：发酵剂Y-2以4%的添加量加入到鲜羊乳中，在发酵温度为43℃、加糖量为6%、发酵时间为4 h的条件下发酵羊奶酸奶效果最佳，此条件下酸奶酸味适中，质地较好，口感细腻，感官评分高达98分。