响应面法优化苹果胡萝卜果蔬汁发酵乳饮料

金萍，刘政，于小磊

锦州医科大学食品与健康学院（锦州 121000）

发酵乳饮料是指以乳或者乳制品为原材料加入乳酸菌进行发酵得到的制品[2]，乳酸菌可以促进生长发育和调节肠道菌群平衡，还可以防止腹泻、预防便秘、抑菌、抗肿瘤[3]，另外乳酸菌还可以增强人体的免疫力等功能。苹果酸甜可口，营养丰富，富含钙、磷、铁、锌、钾、镁、硫和多种维生素、烟酸和纤维素等营养成分。经研究表明，苹果除了具有丰富的糖和维生素等物质外，还具有大量的锌元素，锌元素与记忆力水平息息相关。因此苹果具有增强记忆力、提高智力水平的功效。胡萝卜由于含有丰富的维生素A，因此多食用胡萝卜可以预防夜盲症的发生，还可以缓解视疲劳和避免眼睛干涩。因此多吃一点胡萝卜对于眼睛还有视力是有很大帮助的。其次，胡萝卜中还含有大量的纤维素和多种维生素，这些成分对于高血糖、高血脂等都有很大的帮助。

试验选用营养丰富的胡萝卜和苹果，通过乳酸菌发酵技术对其发酵加工，开发研究一种新口味和功效的发酵乳饮料[4]，使其不仅具有胡萝卜和苹果的营养成分，而且还拥有发酵食品的独特风味。通过优化苹果发酵乳饮料的制作工艺，为其实现工业化生产提供理论依据，同时，也能为果蔬资源[5]的开发利用提供一条新的思路，因此具有广阔的发展前景。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

胡萝卜、苹果、脱脂乳、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、海藻酸钠（济南东轩生物有限公司）；蔗糖（济南铭润化工有限公司）。

1.1.2 仪器与设备

CJ-2D型超净工作台（泰斯特仪器有限公司）；LDZX-75KBS型高压灭菌锅（上海申安医疗器械厂）；HHS-4S型恒温水浴锅（宜昌仪器纱筛厂）；FA1104型电子天平（上海天平仪器厂）；TGL20M型高速冷冻离心机（凯特实验仪器有限公司）；等。

1.2 方法

1.2.1 原材料的制备

胡萝卜乳酸饮料的制备：胡萝卜经清洗去污，沸水热烫4～6 min，冷却后按一定料液比榨汁[6]。用质量分数0.01%柠檬酸和质量分数0.1%的VC（按胡萝卜质量计）护色，用0.04%的果胶酶在45 ℃酶解90 min。在胡萝卜汁中加入牛奶、白砂糖和稳定剂，加热至50～60 ℃于15～20 MPa均质，在90～95 ℃杀菌5 min，冷却至45 ℃后接种乳酸菌发酵，于0～4 ℃冷藏，即得胡萝卜乳酸饮料。

苹果汁的制备：将苹果清洗干净后去皮，切成块，用榨汁机榨汁。同样使用双层纱布进行过滤后对其进行灭菌处理[7]，备用。

工艺流程：以胡萝卜汁、苹果汁和牛奶为原材料[8]，以保加利亚乳杆菌Lactobacillus bulgaricus及嗜热链球菌Streptococcus thermophilus为发酵剂制备发酵乳饮料。

制备的工艺流程：胡萝卜、苹果→挑选、洗净→榨汁→过滤→加牛奶→灭菌处理→冷却底液→接种（活化、驯化后的乳酸菌）→对底液进行发酵→离心处理→调配（加入稳定剂和调味剂）→成品。

操作要点：

苹果汁制备：选果→清洗→破碎榨汁→加热灭酶（温度85 ℃）→过滤→苹果汁。

胡萝卜汁制备：胡萝卜→洗净→破碎榨汁→过滤→胡萝卜汁。

发酵原液的配制：将苹果汁、胡萝卜汁、鲜牛奶及蔗糖溶液配制发酵原液，经121 ℃杀菌10 s。

离心处理：按6 000 r/min离心5 min。

1.2.2 发酵工艺条件优化单因素试验

1.2.2.1 发酵温度单因素试验

发酵时间为14 h，接种量为7.0%，脱脂乳添加量为12%，苹果汁与胡萝卜汁的添加量为60%，改变发酵温度（36，38，40，42和44 ℃），进行单因素试验，测定感官评分和pH，筛选出最优的3个水平。

1.2.2.2 发酵时间单因素试验

1.2.2.3 混合菌种接种量单因素试验

在发酵温度42 ℃、发酵时间5.0 h、pH自然的条件下，选择不同的混合菌种接种量（2.0%，2.5%，3.0%，3.5%和4.0%）进行单因素试验，测定各发酵酸乳中酸度并进行感官评价，筛选最优的3个水平。

1.2.2.4 苹果、胡萝卜汁添加比例单因素试验

确定发酵温度42 ℃、发酵时间14 h、接种量7%、脱脂乳添加量12%，选择不同的苹果汁、胡萝卜汁添加比例（0.5∶1，1∶1，1.5∶1，2∶1和2.5∶1），进行单因素试验，测定发酵乳中的感官评分和总酸度，筛选出最优的3个水平。

1.2.2.5 脱脂乳添加量单因素试验

确定苹果汁、胡萝卜汁添加比例2∶1、发酵温度42 ℃、发酵时间14 h、接种量7%，选择不同的脱脂乳添加量（10%，12%，14%，16%和18%），进行单因素试验，测定发酵乳中的感官评分和总酸度，筛选出最优的3个水平。

1.2.3 响应面因素水平设计表

以职业道德为基础，兼顾具体行业的特殊性。例如，为人师表的奉献精神，公正严明的法律精神，不做假账的会计精神，救死扶伤的医者精神等，这样的职业道德教育才更具实效。

表1 响应面设计因素水平表

由于主要考察发酵条件对果蔬汁发酵的影响，因此以发酵温度、发酵时间、接种量为自变量，以感官评分为因变量响应面试验。将制备好的番茄汁和苹果汁混合在一起，制成复合汁，然后在复合汁中再加入牛乳，作为发酵底液[9]。将驯化后的乳酸菌菌种接种到发酵底液上，在恒温下进行发酵[10]，制备发酵饮料，安排响应面试验，进行感官评分，响应面试验各个试验因素和水平见表2。

表2 感官评价表

1.2.4 感官评分标准

1.2.5 总酸度测定

采用氢氧化钠滴定法测定总酸度。

2 结果与分析

2.1 苹果汁、胡萝卜汁添加比例对感官的影响

由图1可以看出，苹果汁、胡萝卜汁添加比例在0.5∶1～2.5∶1时，随着添加比例的增加，苹果的香甜味越来越浓，因此感官评分呈现上升的趋势。当苹果汁、胡萝卜汁添加比例为1.5∶1时，感官评分达到最高值91.78分。随着苹果汁、胡萝卜汁添加比例的继续增加，感官评分[11]呈现下降的趋势，这是由于苹果胡萝卜汁的添加量增加过多，遮盖了奶香味。因此，选取1.5∶1为较佳液料比。

图1 苹果汁、胡萝卜汁添加比例对感官的影响

由图2可以看出，脱脂乳的添加量在8%～12%时，随着添加量的增加，感官评分呈现上升的趋势，脱脂乳添加后，饮料呈现有奶香味。当脱脂乳添加量为12%时，感官评分达到最高值92.8分。随着脱脂乳添加量的增加，奶香味掩盖了苹果的香甜味，感官评分呈现下降的趋势。因此，选取12%为较佳脱脂乳添加量。

图2 脱脂乳添加量对感官的影响

由图3可以看出，发酵温度在36～42 ℃时，随着温度的升高，发酵乳饮料的口感适宜，感官评分呈现上升的趋势。当发酵温度为42 ℃时，感官评分达到最高值97.05分。超过42 ℃，口感过酸，因此感官评分呈现下降的趋势。当发酵温度为42 ℃时，酸度为0.5，因此，选取42 ℃为最佳的提取温度。

图3 发酵温度对感官评分及酸度的影响

由图4可以看出，接种量在4%～7%时，随着接种量的增加，乳饮料的酸度适宜，因此感官评分呈现上升的趋势。当接种量为7%时，感官评分达到最高值97.2分。随着接种量的继续增加，口感过酸，因此，感官评分呈现下降的趋势。当接种量为7%时，酸度为0.5，较为适宜。因此，选取7%为较佳的接种量。

图4 接种量对感官评分的影响

由图5可以看出，发酵时间在12～14 h时，随着发酵时间的增加[12]，乳饮料的酸度口感适宜，感官评分呈现上升的趋势。当发酵时间为14 h时，感官评分达到最高值96.7分。随着发酵时间的继续增加，口感过酸，感官评分呈现下降的趋势。当发酵时间为14 h时，酸度为0.4，较为适宜。因此，选取14 h为较佳的发酵时间。

图5 发酵时间对感官评分及酸度的影响

3 响应面优化试验设计及结果

表4 响应面方差分析

以A（发酵温度）、B（发酵时间）、C（接种量）为自变量，Y（感官评分）为响应值，根据表3响应面试验分析方案，对各因素数据进行回归拟合，建立胡萝卜苹果发酵乳饮料发酵条件与感官评分的二次多项式方程：感官评分=92.88+0.7X1-0.65X2+0.57X3+0.32X1X2-0.025X1X3+0.87X2X3-2.43-5.23-5.43。

表3 应面试验设计及结果

根据试验结果得胡萝卜苹果发酵乳饮料制作得响应面与等高线图[13]，见图6～图8。通过图形可评价各因素条件对发酵乳饮料品质的影响及因素间的交互作用，如果等高线是圆形，则表示因素间的交互作用不显著，如果等高线呈现为椭圆形，则表示交互作用显著[14]；如果响应面的曲线走势越陡峭，表示影响越显著，如果响应面的曲线呈现越光滑，则影响力越小。从图6～图8的等高线图和响应面图的形状可以判断出，接种量和发酵时间因素影响显著，发酵时间和发酵温度影响为其次，发酵温度和接种量的影响最小。

图6 温度和接种量3D图和等高线图

图7 发酵时间和温度3D图和等高线图

图8 接种量和时间3D图和高线图

3.1 最佳提取条件的确定

通过Design Expert 12.0软件求解所得回归方程，得出最优发酵工艺参数：发酵温度42.28 ℃、发酵时间13.89 h、接种量7.05%，预测国光苹果胡萝卜发酵乳饮料感官评分为92.960 5分[15]。考虑到在试验过程的可操作性，将国光苹果发酵乳饮料最优工艺调整为发酵温度42 ℃、发酵时间14 h、接种量7%。按照最佳工艺条件进行试验，用以验证模型的准确度，一共设置5次平行试验，国光苹果发酵乳饮料的感官评分平均值为93.02分，证明试验结果准确度较高，与预测值基本相符，表明方法可行。

4 结论

通过单因素试验及响应面优化试验结果，发酵乳饮料的最优工艺条件为发酵温度42 ℃、发酵时间14 h、接种量7%，在此试验条件下对试验的结果进行验证，感官评分平均值为93.02分，与响应面模型的理论预测值相符。试验提取条件和因素水平设置合理，试验处理较少，证明此模型预测结果准确，可用于发酵乳饮料的发酵工艺优化。