响应面法优化黄精发酵乳饮料工艺研究

◎ 戴 欣，唐 琪，方 伟，秦 丹

（1.湖南农业大学 食品科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.怀化学院 生物与食品工程学院，湖南 怀化 418000；3.山地生态食品精深加工湖南省普通高等学校重点实验室，湖南 怀化 418008）

黄精，属于百合科黄精属植物，《本草纲目》中对于黄精有“补诸虚，填精髓”的记载[1]。研究表明，黄精根茎多糖、果糖和低聚果糖等含量约占50%，黄精多糖是黄精中的主要成分[2]。黄精含有的非淀粉多糖、低聚果糖与抗性淀粉具有降低餐后血糖的作用[3-4]。近年来在国家“健康中国2030”战略大背景下，黄精人工种植逐渐形成规模但产品加工档次低、规模小，产品附加值低，精深加工及综合利用研发不足，不能满足消费者日益增长的需求[5-6]。本研究以黄精和牛奶为主要原料，探究黄精产品开发的新方向，为黄精产业发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜黄精采挖自湖南怀化新晃清源药业种植基地，经怀化学院伍贤进教授鉴定为多花黄精块根；纯牛奶，湖南新希望南山液态乳液有限公司；木糖醇，山东福田药业有限公司；蔗糖，市售；乳酸菌菌粉，北京川秀科技有限公司。

1.2 仪器与设备

LHS-250SC恒温恒湿培养箱，上海益恒实验仪器有限公司；AL204电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；SW-CJ-1D无菌操作台，苏州净化设备有限公司；XMTD-7000电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 原材料预处理

称取制黄精100 g于烧杯中，加入600 mL水浸泡30 min，将滤液和黄精浸泡液倒入电热壶中，煮沸后慢火保持微沸30 min，过滤得到滤液和滤渣，将滤液放置在1 000 mL的烧杯中，滤渣再置于电热壶中，加入400 mL水按上述方法煎煮，过滤。将所得滤液倒入1 000 mL烧杯中，滤渣置于电热壶中，再加入300 mL水按上述方法煎煮，过滤，收集3次所得药液，将滤液慢火熬煮至黏稠状态进行浓缩（生药含量1.36 g·mL-1），密封 4 ℃冷藏保存。

准确称量黄精膏和牛奶，于38 ℃水浴锅中混匀，过滤，收集滤液得黄精牛奶混合物。以质量分数为5%的黄精添加量为母液，配制好后置于锥形瓶中，4 ℃冷藏备用。

1.3.2 工艺流程及感官评价

黄精发酵乳饮料的工艺流程为黄精膏→纯牛奶→加热（70～90 ℃）→木糖醇→蔗糖→冷却（40～50 ℃）→接种→培养发酵、冷却→后熟。

感官评价：请食品专业10人进行品尝，从表1所给参考标准的4个方面进行感官评价，评价总分为100分。

表1 感官评价标准表

1.3.3 单因素实验

以感官评分为评判标准，在同等条件下以木糖醇添加量（6%、7%、8%、9%和10%）、黄精添加量（0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）、蔗糖添加量（4%、6%、8%、10%和12%）为单因素进行实验。

1.3.4 响应面实验

根据单因素筛选结果，以黄精添加量、木糖醇添加量、蔗糖添加量这3个因素作为自变量，以感官评分为响应值，进行响应面分析。单因素实验得到数据利用Design-Expert 8.0.6软件进行实验设计与分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 木糖醇添加量

按照1.3.2步骤进行操作，每份菌粉添加量为2%，黄精添加量为1%，蔗糖添加量为8%，木糖醇的添加量每份分别为6%、7%、8%、9%和10%。测定不同木糖醇添加量对黄精发酵乳饮料口感的影响，各物料称取量及感官评分见表2。

表2 黄精发酵乳饮料木糖醇添加量单因素实验表

由表2可知，当木糖醇添加量小于8%时，发酵乳饮料的感官得分随着添加量的增加而升高；当木糖醇添加量大于8%时，发酵乳饮料感官得分开始逐渐降低。其主要原因为木糖醇的添加量对发酵乳饮料的甜度具有很大的影响，适量添加木糖醇可以赋予发酵乳饮料适宜的甜度；若木糖醇过量添加，发酵乳饮料不仅甜度过大，还会掩盖黄精的风味。因此，木糖醇的最佳添加量为8%左右，暂定7%、9%为后续优化实验的最低、最高水平进行响应面分析。

2.1.2 黄精添加量

按照1.3.2步骤进行操作，菌粉添加量为2%，木糖醇添加量为8%，蔗糖添加量为8%，黄精的添加量每份分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。测定不同的黄精添加量对黄精发酵乳饮料口感的影响，各物料称取量及感官评分见表3。

表3 黄精发酵乳饮料黄精添加量单因素实验表

由表3可知，当黄精的添加量小于1.0%时，发酵乳饮料的感官得分随着黄精的增加而升高，当黄精的添加量大于1.0%时，感官得分开始逐渐降低。其主要原因为黄精的添加量对发酵乳饮料的感官色泽和香味具有很大的影响，适量的黄精可以赋予发酵乳饮料适当的黄精味；若黄精过量添加，发酵乳饮料色泽和香味会增加，从而掩盖发酵乳饮料特有香味，色泽过深引起感官不适。因此黄精的最佳添加量为1.0%左右，暂定0.5%、1.5%为后续优化实验的最低、最高水平进行响应面分析。

2.1.3 蔗糖添加量

按照1.3.2步骤进行操作，菌粉添加量为2%，木糖醇添加量为8%，黄精添加量为1%，蔗糖的添加量分别为4%、6%、8%、10%和12%。考察不同的黄精添加量对黄精发酵乳饮料口感的影响，各物料称取量及感官评分见表4。

表4 黄精发酵乳饮料蔗糖添加量单因素实验表

由表4可知，当蔗糖添加量小于6%时，发酵乳饮料的感官得分随着蔗糖的增加而升高，当蔗糖的添加量大于6%时，感官得分开始逐渐降低。其主要原因是因为蔗糖的添加量对发酵乳饮料甜度具有很大影响，适当的蔗糖可以赋予发酵乳饮料适当的甜度；若蔗糖过量添加，发酵乳饮料的色泽会发生变化，且口感因过甜而掩盖黄精口感，在蔗糖浓度为12%时，发酵乳饮料有明显分层，乳清析出较多，猜想原因是因为蔗糖浓度为12%时，乳酸菌的生长受到了抑制。因此蔗糖的最佳添加量为6%左右，暂定4%、8%为后续优化实验的最低、最高水平进行响应面分析。

2.2 响应面法优化实验分析

2.2.1 响应面法实验结果

将单因素实验数据输入Design-Expert 8.0.6软件中，自动生成实验设计因素和水平表格，见表5。响应面设计方案及响应结果见表6。

表5 Box-Behnken实验设计因素与水平表

表6 响应面实验设计及结果表

2.2.2 方差分析及数据处理

回归模型方差分析及回归系数显著性检验结果见表7，拟合黄精发酵乳饮料感官评分关于木糖醇的添加量（A）、黄精的添加量（B）和蔗糖的添加量（C）得到二次多项回归模型为感官评分=86.31+0.57A+0.14B+0.41C-0.97AB-0.035AC+0.50BC-2.83A2-2.71B2-3.36C2，R2=0.987 8，p＜ 0.000 1。R2为0.987 8＞0.9，p＜0.000 1，表明模型极显著，因此黄精发酵乳饮料各因素对黄精发酵乳饮料品质的影响不是简单的线性关系，木糖醇的添加量、黄精的添加量和蔗糖的添加量这3个因素之间存在显著交互作用。失拟项值为0.361 1，大于0.05，表示该模型失拟项不显著，说明其他因素对该模型干扰程度低，实验数据和回归模型拟合度好、误差小。相关系数R2=0.987 8＞0.9，表明实验值和理论值具有相关性，响应面实验误差小，可以用此模型来分析。

表7 回归模型方差分析结果表

运用Design-Expert 8.0.6软件进行数据拟合，对模型进行回归方程系数显著性检测可知：A=0.012 8＜0.05，表明木糖醇的添加量达到显著水平，对于黄精发酵乳饮料感官评价具有明显影响；C=0.046 6＜0.05，表明蔗糖的添加量达到显著水平，对于黄精发酵乳饮料感官评价具有明显影响；AB=0.005 4＜0.05，表明木糖醇添加量和黄精添加量的交互项互相有影响；A2、B2、C2的p值均小于0.000 1，表明实验因素对响应面是一种非线性关系。3D图直观体现木糖醇添加量、黄精添加量和蔗糖添加量这3个因素之间两两交互作用对黄精发酵乳饮料品质的影响，结果见图1，坡度凸起越明显，表明两者交互作用越明显，坡度越平缓，表明两者交互作用越低。木糖醇添加量（A）与蔗糖添加量（C）、蔗糖添加量（C）与黄精添加量（B）交互作用响应面3D图坡度平缓，表明这2个因素交互作用不明显，对黄精发酵乳饮料感官评价影响较小，且由AC=0.889 7＞0.05，BC=0.079 0＞0.05均可证明3D图分析结果。黄精添加量与木糖醇添加量交互作用响应面3D图坡度较陡，表明黄精添加量与木糖醇添加量交互作用较强，对黄精发酵乳饮料影响显著，且AB=0.005 4＜0.05可证明3D图这一结果。单因素对黄精发酵乳饮料感官评分影响大小顺序为A＞C＞B，根据分析计算，响应面法优化黄精发酵乳饮料工艺条件为木糖醇添加量为8%，黄精添加量为1%，蔗糖添加量为6%。

图1 各因素交互作用对黄精发酵乳饮料感官评分影响的响应面以及等高线图

2.2.3 验证实验

根据2.2.2下最优工艺条件以及实际实验条件，黄精发酵乳饮料木糖醇的添加量为8%、黄精的添加量为1%、蔗糖添加量为6%制作3批样品，进行感官评价，感官评分分别为85.79分、86.26分、86.57分，与相应条件预测值相近。结果表明，数学模型准确可靠，黄精发酵乳饮料口感的重现性好、可行性高、可操作性强。

3 结论

本研究在单因素实验基础上，用Box-Behnken响应面分析方法进行优化。当木糖醇的添加量为8%、黄精添加量为1%、蔗糖添加量为6%，菌粉添加量为2%，此条件下黄精发酵乳饮料的感官评分最高，具有较好的商业化潜力。