基于响应面法优化冻干酸奶块工艺及品质评价

孙瑞悦，张见，李彩铃，刘元法,

1.白马未来食品研究院（南京 210095）；2.江南大学食品学院（无锡 214000）

蓝莓属于杜鹃花科越橘属植物，富含黄酮类和酚类化合物，可作为生产功能性食品原料[1-2]。近年来，因其表现出多种生物学活性，如抗氧化和抗炎能力，预防心血管疾病和改善视力等特性而倍受关注[3-6]。花青素作为保护视力的重要元素，可使视红素再生，减少视网膜及黄斑的恢复时间，达到保护视力和消除视疲劳的效果[7]。叶黄素是一种二羟基类胡萝卜素，具有保护眼睛和皮肤健康以及降低老年性黄斑变性和白内障风险的作用[8-9]。叶黄素和玉米黄质构成人类视网膜黄斑中的色素，可以保护黄斑免受蓝光的损伤、提高视力、清除有害活性氧[10]。研究发现，每天口服叶黄素（5 mg）、玉米黄质（1 mg）和黑加仑提取物（200 mg）2周，能够缓解眼睛酸涩、视力模糊等疲劳症状[11]。研究发现，每天摄入2片含7.5 mg的叶黄素酯复方制剂，连续60 d，眼干涩、流泪、视力模糊等视疲劳症状显著改善，有效率达86.5%以上[12]。张莉华等[13]研究发现叶黄素、蓝莓粉、欧洲越橘提取物等制成的咀嚼片，可明显减轻视疲劳症状。

酸奶不仅含有较高的蛋白质等营养物，还富含益生菌，能够调节肠道菌群，促进肠胃蠕动，改善消化，但存在保质期短、冷链运售，不适宜胃肠道疾病人群食用[14-15]。然而真空冷冻干燥技术既能减少产品营养成分的流失，还能保护食品的色香味形，并解决酸奶货架期短的问题。此外，市场调查显示，具有缓解视疲劳功效的冻干蓝莓酸奶块由于便携性而在年轻人群中具有很大的市场，而关于系统研究护眼冻干酸奶块的工艺及物料间协同影响还鲜见报道。

基于此，试验以酸奶为主料，蓝莓和玉米渣为辅料，辅以添加具有护目作用的叶黄素，通过响应面优化法分析蓝莓味酸奶块制作工艺的最佳配比，研究物料协同效应对产品品质的影响，开发一款风味独特、具有缓解视疲劳的新型功能性冻干蓝莓味酸奶块，填补市场缺乏护眼功能酸奶块产品的空白，对蓝莓精深加工产品研发具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蓝莓（江苏中植生态植物科学研究院有限公司）；酸奶、玉米渣（市售）；叶黄素（西安泽郎生物科技有限公司）；蛋白粉（河南万邦化工科技有限公司）；绵白糖（中粮集团有限公司）；飞燕草色素标品（纯度99.4%）、矮牵牛色素标品（纯度99.8%）、芍药素标品（纯度98.5%）：德斯特生物有限公司；矢车菊色素标品（纯度96.7%，上海安谱实验科技股份有限公司）；天竺葵色素标品（纯度98.8%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；锦葵素标品（纯度97.4%，上海源叶生物科技有限公司）；叶黄素标品（纯度93.6%，上海安谱实验科技股份有限公司）。

5500+液相色谱-质谱联用仪（德国SCUEX）；TA.new plus质构仪（ISENSO）；TM6多功能小美料理机（完善品）；ARD110电子天平、AX224ZH/E分析天平（奥豪斯仪器有限公司）；DC801冷冻干燥机（日本YAMATO）；定制打蛋器（德国罗伯特·博世有限公司）；BBS-H1800超净工作台（苏州净化设备有限公司）；TA.new plus质构仪（上海瑞玢智能科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程

原料→混匀（打发）→装模→预冻（-50 ℃）→真空冷冻干燥→真空干燥→成品

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 原料预处理

取-20 ℃冷冻蓝莓果，挑弃冻瘪和含有枝干的果，自来水冲洗后，打浆得到蓝莓酱料，备用。

1.2.2.2 原料制备

将蛋白粉、绵白糖、叶黄素混合均匀后倒入酸奶中搅拌均匀，加入玉米渣和蓝莓酱料混合，加入混合好的酸奶中并充分混匀。

1.2.2.3 装模与预冻成型

将混合好的原料装入正方形模具中，振荡去除气泡，放入-50 ℃冰箱中预冻成型。

1.2.2.4 真空冷冻干燥

将预冻成型的酸奶块脱模后放入真空冷冻干燥机托盘上进行真空干燥脱水，完成后即可获得酸奶块成品。

1.3 检测方法

1.3.1 感官评定

通过感官评定方法从口感、风味、组织状态和色泽4个方面对蓝莓叶黄素酸奶块进行评价，满分100分，选择10名食品专业人士对成品进行感官评价，所选成员身体健康、味觉灵敏，在正式评定前做相应指导，其感官评定表如表1所示。感官评定参考苏德亮等[16]、张莉等[17]制定的冻干酸奶块感官评分标准。

表1 蓝莓酸奶块感官评分标准

1.3.2 理化指标的测定

1.3.2.1 花青素含量测定

参考Liu等[18]、李兴元[19]的方法并稍作修改。具体方法：取1 g酸奶块粉末样品于具塞刻度试管中，用提取液（V无水乙醇︰V水︰V盐酸=2︰1︰1）定容至50 mL，超声提取30 min，沸水浴水解1 h，冷却，用提取液再次定容至刻度线，静置，取上清液，用0.22 μm有机相滤膜过滤备用。液质联用色谱条件[19]：使用色谱柱C18液相色谱柱，流动相为0.1%甲酸水溶液（溶液A）和乙腈（溶液B），流速0.2 mL/min，进样量5 μL；洗脱条件：0~35 min（93~75% A），35~45 min（75~35% A），45~46 min（35~0% A），46~50 min（0% A），50~51 min（0~93% A），51~60 min（93% A）。

1.3.2.2 叶黄素含量测定

参考刘艳荣等[20]方法并稍作修改。准确称取2 g均匀试样于50 mL聚丙烯离心管中，加入约0.2 g BHT和10 mL乙醇，混匀，加入10 mL 10%氢氧化钾溶液，涡旋振荡1 min混匀，室温避光振荡皂化30 min，加10 mL萃取溶剂（V环己烷︰V乙醚︰V正己烷=1︰2︰2，含1 g 0.1% BHT），避光涡旋振荡提取3 min，离心，重复提取2次，合并提取液，以10 mL水洗涤，离心，合并有机相，于室温减压浓缩至近干，加0.1% BHT乙醇溶液，涡旋避光振荡溶解残渣并定容至5 mL，过孔径0.45 μm滤膜，供液相色谱测定。色谱条件[21]：C18色谱柱，柱温30 ℃，流动相为V甲醇︰V乙腈︰V水=10︰9︰1，流速1.0 mL/min；检测波长445 nm，进样量10 μL。

1.3.2.3 水分测定

参考GB 5009.3—2016《国家安全标准 食品中水分的测定》方法进行测定。

1.3.3 质构测定

参考赵欢等[22]方法并稍作修改。采用TA.new plus质构仪，选用球形探头（SMSP/1SP），测试距离75%，测前速度1 mm/s，测试速率0.5 mm/s，侧后速率2 mm/s，停留时间2 s，触发力5 g。重复5次，测试参数为硬度，单位是g。

1.3.4 微生物指标测定

1.3.4.1 菌落总数测定

参考GB 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验菌落总数测定》方法进行测定。

1.3.4.2 乳酸菌的测定

参考GB 4789.35—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验乳酸菌检验》方法进行测定。

1.3.4.3 大肠杆菌测定

参考GB 4789.3—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠杆菌计数》方法进行测定。

1.4 单因素试验设计

在大量预试验基础上，选择感官评价较优的配比参数，以这些参数上下浮动各取2个点，当其他因素不变时，改变单一因素，以感官评定为指标，考察蓝莓浆料添加量（10，20，30，40和50 g）、蛋白粉添加量（10，20，30，40和50 g）、绵白糖添加量（5，10，15，20和25 g）和玉米渣添加量（10，20，30，40和50 g）4个因素对蓝莓酸奶块感官品质的影响。

1.5 响应面试验设计

根据单因素试验结果，以蓝莓浆料添加量（A）、蛋白粉添加量（B）、绵白糖添加量（C）、玉米渣添加量（D）4个单因素作为自变量，以感官评分为响应值，利用Box-Behnken的中心组合设计原理，通过软件Design-Expert 8.0.6对试验数据进行分析，确定蓝莓酸奶块的制作工艺，响应面优化分析四因素三水平试验设计结果如表2所示。

表2 蓝莓酸奶块的响应面试验因素水平 单位：g

1.6 数据处理

采用SPSS和Origin软件进行数据分析，绘制折线图，采用Design-Expert进行试验设计及响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 蓝莓浆料添加量对酸奶块品质的影响

蓝莓色泽呈紫色，可作为酸奶块呈色物质。由图1可知，蓝莓浆料添加量在20~50 g范围内，随蓝莓浆料添加量增加，酸奶块产品中果渣含量不断增加，感官评分呈先上升后下降的趋势。蓝莓浆料添加量20 g时，产品蓝莓味道不明显，综合得分较低；添加量达到30 g时，产品感官评分最高，产品色泽呈亮紫色，酸甜度适中，符合大众口味；添加量达到50 g时，产品果渣含量增多，酸涩味和颗粒感明显，感官比较差，不符合大众口感。因此，蓝莓浆料最适添加量范围为27~33 g。

图1 蓝莓浆料添加量对感官评分的影响

2.1.2 蛋白粉添加量对酸奶块品质的影响

蛋白粉添加量会直接影响酸奶块的组织状态、口感等。由图2可知，蛋白粉添加量在10~50 g范围内，随着蛋白粉添加量的增加，酸奶块产品感官评分呈先上升后下降趋势。添加量30 g时，其感官评分最高，产品未出现颗粒感。因此，蛋白粉的最适添加量范围为25~35 g。

图2 蛋白粉添加量对感官评分的影响

2.1.3 绵白糖添加量对酸奶块品质的影响

绵白糖添加量会直接影响酸奶块的硬度和风味等。由图3可知，绵白糖添加量5~25 g范围内，随绵白糖添加量增加，酸奶块产品感官评分呈先上升后下降趋势。绵白糖添加量15 g时，其感官评分最高，酸甜度适宜。但随着添加量的增加，酸奶块硬度增加，可能是因为糖增加导致产品黏度增大。因此，考虑到产品硬度和风味，绵白糖最适添加量范围为13~17 g。

图3 绵白糖添加量对感官评分的影响

2.1.4 玉米渣添加量对酸奶块品质的影响

玉米渣添加量会直接影响酸奶块的质地和口感等。由图4可知，玉米渣添加量10~50 g范围内，随玉米渣添加量的增加，酸奶块产品感官评分呈先上升后下降趋势。玉米渣含量30 g时，酸奶块的感官评分最高，此时产品口感酥脆，色泽鲜亮，物料容易脱膜。但添加量达到50 g时，酸奶块质地偏硬，口感粗糙。因此，从产品口感和质地考虑，玉米渣最适添加量范围为25~35 g。

图4 玉米渣添加量对感官评分的影响

2.2 酸奶块Box-Behnken响应面试验结果

2.2.1 回归模型的建立与方程分析

在单因素基础上，以蓝莓浆料添加量（A）、蛋白粉添加量（B）、绵白糖添加量（C）、玉米渣添加量（D）作为响应因子，以蓝莓酸奶块产品感官评分作为响应值，建立Box-Behnken试验设计模型，对四因素三水平进行响应面分析，优化蓝莓酸奶块的配方和加工工艺。试验设计方案及结果如表3所示。

表3 响应面试验设计及结果

利用Box-Behnken响应面对表3试验数据进行多元回归拟合，得到感官评分的二元多项回归方程：Y=92.6+0.75A-0.92B-0.5C+2.17D+0.5AB+1.5AC+1.75AD+1.5BC-0.75BD-2.5CD-2.68A2-7.68B2-12.55C2-7.8D2。

对拟合得出的回归方程进行方差分析，结果见表4。模拟失拟项F值为0.89，P值为0.600 8＞0.05，表明失拟项不显著，即该模型拟合精度较好，试验结果具有可靠性。同时该模型F值为89.37，P＜0.001，呈极显著水平。各单因素中一次项A、B，交互项BC为显著，一次项D，交互项AD、CD，二次项A2、B2、C2、D2均为极显著。一次项C，交互项AB、AC、BD对酸奶块感官评分无显著影响（P＞0.05）。此外，F值越大，说明该因素对酸奶块感官品质影响越大，因此，可知4个因素对酸奶块感官评分影响程度的主次顺序：玉米渣添加量（D）＞蛋白粉添加量（B）＞蓝莓浆料添加量（A）＞绵白糖添加量（C）。

表4 回归方程方差分析

2.2.2 响应面曲面直观图分析

响应面与等高线图可以表征各因素之间的交互作用，等高线呈椭圆型表明两因素之间交互作用明显，呈圆型则表示两因素之间交互作用不明显[23-24]。

由图5和图6可知，响应面图陡峭程度大且存在顶点，等高线图呈椭圆形且线条密集，说明蓝莓浆料添加量（A）、绵白糖添加量（C）分别与玉米渣添加量（D）对酸奶块感官评分的交互作用显著，该结果与方差分析结果一致，进一步说明该试验模型具有良好的可行性和可信度。此外，响应面和等高线在描述蓝莓浆料添加量（A）、绵白糖添加量（C）、玉米渣添加量（D）对感官评分的影响时，固定其中一个因素，感官评分随另一个自变量的增大而呈现先增大后减小趋势，规律与单因素试验结果相似。

图5 蓝莓浆料添加量和玉米渣添加量对感官评分影响的响应面图（A）和等高线图（B）

图6 绵白糖添加量和玉米渣添加量对感官评分影响的响应面图（A）和等高线图（B）

2.2.3 酸奶块配方的确定

通过响应面优化分析，以感官评分作为响应值，根据模型回归分析得出冻干酸奶块的最佳配方：蓝莓浆料添加量30.54 g、蛋白粉添加量29.68 g、绵白糖添加量14.94 g、玉米渣添加量30.84 g。在此参数条件下，冻干酸奶块的感官评分估测值为92.89分。为便于实际操作，将最佳配方修改为蓝莓浆料添加量30 g、蛋白粉添加量29 g、绵白糖添加量14 g、玉米渣添加量30 g。此外，为确保该模型的实际可行性，采用修改后的配方进行3次平行试验，感官评分依次为92，93和93分，与该模型预测值接近，可知利用响应面分析优化冻干酸奶块的工艺参数具有真实可靠性。

2.3 酸奶块产品质量检测结果

2.3.1 感官评价

对最佳工艺制得的冻干酸奶块成品进行感官评价，结果显示：口感，入口即化、无粘牙感、酸甜可口；风味，蓝莓味和奶香味协调、无异味、臭味；组织状态，无裂纹、质地细腻酥脆、外观完整、冰晶小；色泽，颜色均一，有光泽，呈巧克力色。

2.3.2 成品质量指标检测结果

在最佳配方条件下对冻干酸奶块成品进行相关理化指标检测，结果如表5所示。产品水分含量较低，保质期长；硬度低，表明酸奶块对外界压力的抵抗能力越大，酥脆性和适口性越好[25]；蓝莓中含有花青素，故产品花青素含量高；产品额外添加保护视力的叶黄素，故含有叶黄素；乳酸菌含量高于1×106CFU/g，说明产品具有调节肠道菌群、促进肠道蠕动的作用[26]；大肠杆菌未检出，产品质量合格。

表5 成品质量指标检测结果

3 结论

通过单因素试验和响应面优化，研究不同物料对冻干酸奶块品质的影响，确定冻干酸奶块的最佳配方：蓝莓浆料添加量30 g、蛋白粉添加量29 g、绵白糖添加量14 g、玉米渣添加量30 g。根据该配方得到的酸奶块成品色泽均一、有光泽，口感细腻，具有独特的蓝莓味和奶香味，酸甜度适宜且感官品质好。此外，该产品制作工艺简单，方便携带，货架期较长，有一定的市场前景，为今后蓝莓精深加工提供借鉴意义。