响应面优化乳酸菌发酵马铃薯饮料工艺

胡盼盼

吕梁学院生命科学系（吕梁 033000）

马铃薯是一种营养价值特别高的蔬菜，也可以作为粮食[1]。马铃薯中淀粉、蛋白质和脂肪含量丰富，含有很多人体需要的微量元素，食用后有很好的饱腹感[2]，同时补充人体中必需氨基酸。因此马铃薯不仅有利于身体健康，还有助于净化肠道环境，清除身体内的有害物质，更加符合人们对健康膳食的要求[3]。蔬菜和水果含有人体所需的多种营养，然而它们大多是季节性的，容易腐烂，不易保存。在欧洲、非洲和其他洲部分国家的学者对果蔬原料进行处理，使其成为饮料产品[4]，这样可以有效地增加水果和蔬菜的附加价值。饮料制品是水果和蔬菜的一种主要加工产品，随着水果和蔬菜饮料产量逐年增加，经济效益也在快速上升。

马铃薯极高的营养价值和食疗作用已经得到人们的一致认可，它的糖类物质含量较高，在乳酸发酵过程中能提供充足的碳源，用来满足乳酸菌的生长，是活菌型乳酸菌饮料发酵的良好基础[5]。加入有益乳酸菌发酵马铃薯后，可以做出营养好、口感细腻、价格较低的饮料。选择恰当的马铃薯加工工艺，能最大限度地保留马铃薯的营养价值和功效成分，从而更加有效地发挥其预防疾病、防治衰老的功效[6]。研究选择马铃薯为主要原料，利用乳酸菌发酵技术研制马铃薯乳酸发酵饮料，为开发发酵型马铃薯功能性饮料提供理论依据和工艺参数，对我国马铃薯的深加工有积极的现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳酸菌发酵剂（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌），江苏微康生物科技有限公司；马铃薯、蔗糖、糖化酶、α-淀粉酶、果胶、羧甲基纤维素，食用级，市售；柠檬酸，峄城县福尔康食品有限公司。

1.2 仪器与设备

SHZ-88-1型水浴恒温振荡器，永康市明科电器有限公司；BNI-T型电子天平，上海平轩科学仪器有限公司；FD-1型大功率电炉，广州永程实验仪器有限公司；HC-3018型离心机，广东美的生活电器制造有限公司；DJ12B-Y63型豆浆机，SUPOR股份有限公司；SX500型高压蒸汽灭菌锅，日本TOMY公司；ZHWY-200D型培养箱，深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 工艺流程[7]

1.4 单因素试验

1.4.1 发酵时间对马铃薯乳酸饮料品质影响

选取8，10，12，14和16 h发酵时间进行试验，在接种量为5%、发酵温度为42 ℃、糖添加量为4%的工艺条件下，通过感官评分得到最佳的发酵时间。

1.4.2 接种量对马铃薯乳酸饮料品质影响

选取3%，4%，5%，6%和7%接种量进行试验，在发酵时间为12 h、发酵温度为42 ℃、糖添加量为4%的工艺条件下，通过感官评分得到最佳的接种量。

1.4.3 发酵温度对马铃薯乳酸饮料品质影响

选取38，40，42，44和46 ℃发酵温度进行试验，在接种量为5%、发酵时间为12 h、糖添加量为4%的工艺条件下，通过感官评分得到最佳的发酵温度。

1.4.4 糖添加量对马铃薯乳酸饮料品质影响

选取2%，3%，4%，5%和6%糖添加量进行试验，在接种量为5%、发酵温度为42 ℃、发酵时间为12 h的工艺条件下，通过感官评分得到最佳的糖添加量。

1.5 响应面分析法优化试验

根据Box-Behnken试验设计原理，此次试验中，分别以接种量、发酵温度、发酵时间、糖添加量为考察因素。采用四因素三水平的响应面分析方法检验各水平对成品质量的影响，得出最佳工艺条件[8-9]。

1.6 成品的感官评价

把发酵好的马铃薯乳酸饮料分成若干份，由10名专业人员组成品尝小组，从气味、色泽、组织、滋味与口感和总体接受度对饮料进行品尝，并按表1标准对产品感官评定打分[10]，取平均值，保留一位小数。

表1 马铃薯乳酸饮料质量评分表

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 发酵时间对马铃薯乳酸饮料品质影响

由图1可知，马铃薯乳酸饮料的感官评分随发酵时间的升高呈现先上升后下降的趋势。当时间为8 h时，乳酸发酵不彻底，尝起来有淡淡的甜味和不明显的香味。发酵时间12 h是发酵的最佳时间。12 h以后感官评分又随时间的增加而下降。因此，最佳发酵时间是12 h。

图1 发酵时间对马铃薯乳酸饮料品质影响

2.1.2 接种量对马铃薯乳酸饮料品质影响

由图2可知，马铃薯乳酸饮料的感官评分随接种量的升高呈现先上升后下降的趋势。当接种量为5%时发酵效果最好。随接种量增大，乳酸菌的产酸能力增强，酸味过重，入口苦涩，感官评分开始降低。因此，最佳乳酸菌接种量是5%。

图2 接种量对马铃薯乳酸饮料品质影响

2.1.3 发酵温度对马铃薯乳酸饮料品质影响

由图3可知，马铃薯乳酸饮料的感官评分随发酵温度的升高呈现先上升后下降的趋势。当温度为38 ℃时，乳酸反应速率较低，甜味过淡，香味不明显。当温度为42 ℃时感官评分最高，说明42 ℃是马铃薯乳酸饮料的最佳发酵时间。随着时间继续增加，酸味也增加，感官评分下降。因此，最佳发酵温度是42 ℃。

2.2 响应面分析法确定最佳配方

2.2.1 因素水平选取及试验设计

根据单因素试验，确定响应面分析的因素和水平，根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理，以各因素最优值为中点，设计四因素三水平的响应面分析试验[11]。试验因素和水平设计见表2。

图3 发酵温度对马铃薯乳酸饮料品质影响

图4 糖添加量对马铃薯乳酸饮料品质影响

表2 试验因素和水平设计见表

2.2.2 回归模型建立及分析

马铃薯乳酸饮料制作工艺响应面试验设计及结果见表3。

试验结果如表3所示，用Design-Expert 10.0软件对试验数据进行多元回归拟合，得到以马铃薯饮料感官评分为目标的函数[12-14]，各条件编码值的二次回归方程为感官评价=92.92+3.25A-0.042B-0.39C+ 1.22D-3.40AB-5.33AC-2.57AD-1.38BC-0.60BD-0.42CD-7.08A2-3.94B2-9.11C2-4.08D2。

对该模型进行方差分析，对模型系数进行显著性检验，结果见表4，p＜0.05表示该指标显著。由表4可知：回归模型显著（p＜0.001），说明该模型建立有意义。对回归方程进行检验，模型的校正决定系数R2=0.901 1，说明此模型与数据拟合度很高，试验误差小。模型的一次项中A（接种量）显著；二次项A2、B2、C2、D2均显著；失拟项为0.056 6，说明方程模拟好。四个因素对马铃薯乳酸饮料品质影响大小依次是A（接种量）＞D（糖添加量）＞C（发酵时间）＞B（发酵温度）。

表3 Box-Behnken试验及结果

表4 感官评价回归模型方差分析

2.2.3 响应面分析与优化

运用Design-Expert 10.0软件对试验结果进行响应面分析，根据每组的响应面回归方程做响应面图形，观察响应面的图形和等高线的疏密情况，分析各组各因素的响应值，这样更能直观地反映出各因素的交互作用对马铃薯乳酸饮料的感官评价的影响，从而进一步确定马铃薯乳酸饮料的最适合参数。从图5～图10可以看出，马铃薯乳酸饮料的感官评分随着接种量增加先上升，但是当接种量达到一定值以后，感官评分出现下降趋势；发酵时间、糖添加量及发酵温度对马铃薯乳酸饮料感官评分的影响与接种量类似；但由响应曲面的陡峭程度可知，接种量和糖添加量对成品感官评分的影响显著，发酵时间及发酵温度次之。等高线图的形状可反映出两因素交互作用的强弱和显著程度。图8和图9中的等高线为椭圆形，曲面更陡峭，可知接种量对感官评分的影响显著，说明接种量与发酵温度和糖添加量交互作用显著；图5和图7中的等高线为椭圆形，发酵时间与接种量和糖添加量交互作用显著；图6和图10中的等高线接近圆形，响应面图比较平缓，可知发酵温度对感官评分的影响不显著，说明发酵温度与糖添加量的交互作用不显著，和发酵时间的交互作用也不显著。

图5 发酵时间与接种量交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

图6 发酵时间与发酵温度交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

图7 发酵时间与糖添加量交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

图8 接种量与发酵温度交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

图9 接种量与糖添加量交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

图10 糖添加量与发酵温度交互对马铃薯乳酸饮料感官评分影响的等高线图和响应面图

2.2.4 最佳配方确定及验证试验

利用Design-Expert 10.0统计软件求解回归方程，得到马铃薯乳酸饮料的最佳工艺条件：接种量5.28%、发酵温度41.77 ℃、蔗糖添加量4.08%和发酵时间11.81 h，此时感官评分为93.44分。根据操作过程的可行性，将最佳配方调整为接种量5%、发酵温度42 ℃、蔗糖添加量4%和发酵时间12 h。在此优化条件下进行验证试验，马铃薯乳酸饮料感官评分为92.8分，与模拟值非常接近，进一步验证了模型的实用性。所以，采用响应面法优化马铃薯乳酸饮料的工艺参数是准确可靠的。

3 结论

试验研究马铃薯饮料的配方和工艺优化，以及其他各种因素和其交互作用对最终产品品质的影响。通过响应面和感官评价两方面的分析，试验结果更加真实可靠。结果表明，乳酸菌接种量5%、发酵温度42 ℃、蔗糖添加量4%和发酵时间12 h为最佳工艺条件。在这种条件下制作的马铃薯饮料口感良好，甜度适中，风味最佳，色泽最好，营养价值高，感官评价最高。