響應(yīng)面法優(yōu)化紅曲酸奶的發(fā)酵工藝

肖昌貴，劉志彬，張?chǎng)?，倪?/p>

（福州大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)研究所，福州350108）

響應(yīng)面法優(yōu)化紅曲酸奶的發(fā)酵工藝

肖昌貴，劉志彬，張?chǎng)?，倪?

（福州大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)研究所，福州350108）

利用超聲輔助浸提法獲得紅曲米有效成分，用于酸奶的發(fā)酵，制備新型紅曲酸奶。通過(guò)單因素試驗(yàn)篩選出紅曲米添加量、菌種接種量、發(fā)酵時(shí)間為影響紅曲酸奶感官品質(zhì)的主要因素，并采用中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法優(yōu)化參數(shù)。結(jié)果表明，最優(yōu)發(fā)酵工藝為紅曲米添加量4.8%，菌種接種量4.2%，發(fā)酵時(shí)間5.5h，在此條件下，發(fā)酵所得產(chǎn)品組織細(xì)膩，顏色均勻，酸甜適中，感官評(píng)分95.3分，與模型預(yù)測(cè)值基本相符。

超聲輔助浸提法；響應(yīng)面法；紅曲酸奶；感官評(píng)定

紅曲（Monascus）是一種腐生絲狀真菌，最早發(fā)現(xiàn)于中國(guó)，至今已有一千多年的應(yīng)用歷史。紅曲米是以秈稻、粳稻、糯米等稻米為原料，經(jīng)接種紅曲霉屬真菌發(fā)酵制備而成的棕紅色或紫紅色米粒，因其含有紅色色素，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。近幾十年來(lái)，科學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)紅曲霉能夠產(chǎn)生多種具有生理活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物，如麥角固醇、莫納可林K（Monacolin K）和γ-氨基丁酸等，其產(chǎn)物不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，而且具有抗氧化、抗衰老、降血壓、降膽固醇、參與機(jī)體代謝和免疫調(diào)節(jié)等生理功效[2-7]，因此在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

酸奶是以全脂乳或脫脂乳作為發(fā)酵基料，經(jīng)過(guò)乳酸菌或其他益生菌發(fā)酵而成的酸性凝乳狀飲料，具有營(yíng)養(yǎng)豐富、易于消化吸收等特點(diǎn)，是一種可以提高人體免疫力，降低血液中的膽固醇，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡的健康食品[8-10]。目前以紅曲米為原料進(jìn)行酸奶發(fā)酵工藝的研究，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。成劍峰[11]將紅曲制劑與發(fā)酵好的酸奶成品直接混合，均質(zhì)后得到具有紅曲復(fù)合香氣的新型酸奶。王榮榮等[12]將紅曲米磨成粉末，制成了新型紅曲米南瓜發(fā)酵酸奶，成品色澤誘人、組織狀態(tài)良好、風(fēng)味獨(dú)特，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。這類產(chǎn)品由于沒有對(duì)紅曲米進(jìn)行前處理，成品易產(chǎn)生紅曲米沉淀。同時(shí)發(fā)酵時(shí)可利用的紅曲米量過(guò)少，對(duì)酸奶的整體品質(zhì)影響較??；而當(dāng)添加量過(guò)大時(shí)，酸奶易分層、口感不佳難以入口，這大大的限制了紅曲米在酸奶發(fā)酵體系的應(yīng)用范圍。本研究通過(guò)對(duì)紅曲米進(jìn)行粉碎、超聲浸提、抽濾等前處理，克服了現(xiàn)有的制備工藝中易產(chǎn)生紅曲沉淀、分層難以入口的不足，并以紅曲酸奶感官品質(zhì)評(píng)分為考察指標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)曲面法（response surface methodology，RSM）[13]對(duì)發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化，使制得的產(chǎn)品色澤均一、口感順滑、香氣協(xié)調(diào)，為紅曲酸奶的研制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉：光明乳業(yè)有限公司；紅曲米：市售可食紅曲米；酸奶濃縮凍干發(fā)酵劑（嗜熱鏈球菌2×1011CFU/g、保加利亞乳桿菌5×1010CFU/g）：杜邦丹尼斯克公司；太古優(yōu)級(jí)白砂糖：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

SW-CJ-2FD型雙人單面超凈工作臺(tái)：蘇州圣金凈化科技有限公司；HZP-150型全溫培養(yǎng)箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HX-100型高速中藥粉碎機(jī)：浙江省永康市溪岸五金藥具廠；BSA124S分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；KQ-100DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；YXQ-LS-7 5SII立式蒸汽滅菌鍋：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；BCD-212（KK21V21TI）冰箱：博西華家用電器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紅曲酸奶的制備工藝流程

1.3.2 紅曲米的前處理

將精選的市售可食用紅曲米經(jīng)粉碎機(jī)磨碎并過(guò)80目篩，得到紅曲米粉；然后在紅曲米粉中加入蒸餾水，在超聲裝置中超聲20min，充分提取紅曲米中的營(yíng)養(yǎng)成分[14]，并在室溫條件下充分浸提2h，整個(gè)過(guò)程不斷攪拌；將所得到的溶液進(jìn)行抽濾，即得紅曲米粉濾液。

1.3.3 發(fā)酵劑的準(zhǔn)備

超凈工作臺(tái)上選用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌以1∶1的比例接種到經(jīng)過(guò)121℃、5min滅菌處理后冷卻的脫脂奶培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，在37℃培養(yǎng)24h，充分活化乳酸菌，置于4℃保存，待用。

1.3.4 紅曲酸奶的發(fā)酵

在質(zhì)量濃度為12%的全脂奶粉中，按比例依次加入紅曲浸提液8%的蔗糖以及0.1%的復(fù)合穩(wěn)定劑，在無(wú)菌室溫條件下水化2h，充分溶解，得到酸奶發(fā)酵液；將發(fā)酵液分裝到滅菌瓶中，在90℃水浴保溫5min；發(fā)酵液冷卻至37～43℃時(shí)，在無(wú)菌條件下添加酸奶發(fā)酵劑，接種后不斷攪拌2min，使菌種均勻分布于滅菌瓶中；將所述滅菌瓶置于40～43℃恒溫發(fā)酵，直至pH值為4.3～4.5，或滴定酸度在70～80°T，在無(wú)菌條件下冷卻至室溫，然后移入4℃冰箱中后熟12～24h，即得紅曲酸奶。

1.3.5 紅曲酸奶感官評(píng)定

采用五分標(biāo)度法對(duì)紅曲酸奶感官值進(jìn)行分析[15]。根據(jù)紅曲酸奶的香氣、滋味、色澤以及凝乳狀態(tài)等能反映其質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由經(jīng)過(guò)嚴(yán)格感官培訓(xùn)的10人組成的評(píng)價(jià)小組進(jìn)行感官評(píng)分（滿分100分），感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 紅曲酸奶感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standard ofMonascusyogurt

1.3.6 單因素試驗(yàn)確定影響因素

[16]，固定全脂奶粉添加量為12%，選定紅曲米添加量、發(fā)酵時(shí)間、菌種接種量、蔗糖添加量這四個(gè)因素分別考察對(duì)紅曲酸奶感官的影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況從中篩選因素進(jìn)行中心組合試驗(yàn)。

1.3.7 響應(yīng)曲面優(yōu)化紅曲酸奶發(fā)酵工藝

確定試驗(yàn)因素后，根據(jù)Box-Behnken中心設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以感官評(píng)分為響應(yīng)值，確立酸奶的最佳工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 紅曲米添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響

固定酸奶發(fā)酵劑接種量5%、蔗糖添加量8%，在發(fā)酵時(shí)間5h條件下，研究紅曲米添加量（3%、4%、5%、6%、7%）對(duì)酸奶感官評(píng)分的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 紅曲米添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.1 Effect ofMonascusrice addition on sensory quality of yogurt

由圖1可知，隨著紅曲米添加量的增加，酸奶感官評(píng)分提高；當(dāng)紅曲米添加量為5%時(shí)，酸奶凝乳狀態(tài)良好，組織細(xì)膩不分層，感官品質(zhì)最優(yōu)；當(dāng)紅曲米添加量超過(guò)5%時(shí)，酸奶感官評(píng)分開始下降，這可能是由于紅曲米添加量過(guò)大導(dǎo)致酸奶有輕微澀感造成。因此，選擇5%紅曲米添加量進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 接種量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響

固定紅曲米添加量5%，發(fā)酵時(shí)間5h，蔗糖添加量為8%，研究接種量（2%、3%、4%、5%、6%、7%）對(duì)紅曲酸奶的感官評(píng)分的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 菌種接種量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of inoculum on sensory quality ofMonascusyogurt

由圖2可見，接種量對(duì)紅曲酸奶感官品質(zhì)影響很大。當(dāng)接種量為2%時(shí)，酸奶發(fā)酵5h后還未凝結(jié)，發(fā)酵未完全，此時(shí)酸奶感官評(píng)分值低。當(dāng)接種量大于2%時(shí)，酸奶感官評(píng)分開始增加，酸奶的凝乳狀況開始變好；當(dāng)接種量達(dá)到4%時(shí)，此時(shí)酸奶的感官評(píng)分最高；接種量繼續(xù)增大后，酸奶滋味開始變酸，感官評(píng)分開始下降。這可能是因?yàn)榫N接種量的增大，使單位面積內(nèi)的乳酸菌含量增多，乳酸含量增多，當(dāng)接種量過(guò)低時(shí)，產(chǎn)生的乳酸較少，體系內(nèi)pH達(dá)到蛋白等電點(diǎn)，酸奶凝乳不完全，口感較差；接種量過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生的乳酸過(guò)多，整體酸度過(guò)大，不適入口。因此，選擇4%的酸奶發(fā)酵劑接種量進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響

固定紅曲米添加量為5%，菌種接種量為4%，蔗糖添加量為8%，研究發(fā)酵時(shí)間（3h、4h、5h、6h、7h）對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of fermentation time on sensory quality ofMonascusyogurt

由圖3可知，發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶的感官品質(zhì)影響很大。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為3h時(shí)，乳酸菌增殖不足，乳酸含量較少，酸奶未完全凝結(jié)，口感較差；當(dāng)發(fā)酵時(shí)間達(dá)到5h時(shí)，酸奶的感官評(píng)分最高，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，乳酸菌含量增多，乳酸產(chǎn)量也增大，酸奶凝乳狀況變好；但發(fā)酵時(shí)間大于6h后，乳酸菌產(chǎn)生的乳酸含量過(guò)多，酸奶pH值較低，導(dǎo)致酸奶略酸，同時(shí)有少量乳清析出。因此，選擇5h作為酸奶發(fā)酵時(shí)間比較適宜。

2.1.4 蔗糖添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響

固定紅曲米添加量5%，接種量4%，發(fā)酵時(shí)間5h，研究蔗糖添加量（6%、7%、8%、9%、10%）對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 蔗糖添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of saccharose addition on sensory quality of Monascusyogurt

由圖4可知，蔗糖添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)影響不大，感官評(píng)分整體上變化不大；當(dāng)蔗糖添加量為8%時(shí)，此時(shí)酸奶口感最佳，感官評(píng)分最高，因此蔗糖添加量選擇8%比較適宜。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

綜合單因素試驗(yàn)所得結(jié)果，固定蔗糖添加量為8%，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，選取對(duì)酸奶感官品質(zhì)有影響的紅曲米添加量（A）、接種量（B）和發(fā)酵時(shí)間（C）這三個(gè)因素為自變量，以酸奶感官評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，利用Design-Expert.V8.0.6軟件進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，試驗(yàn)因素與水平見表2，響應(yīng)面分析結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面分析因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface methodology

2.3 回歸模型的建立及方差分析

利用軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得回歸方程：

軟件分析得到方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.978 4及R2adj= 0.950 6，表明模型可以解釋95.06%的凝固型紅曲酸奶品質(zhì)的變化，進(jìn)一步說(shuō)明了回歸方程的擬合程度較好，可以用此模型對(duì)凝固型紅曲酸奶品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表3 響應(yīng)面分析結(jié)果Table 3 Results and analysis of response surface methodology

表4 回歸方程方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

回歸方程方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，整體模型極為顯著（“P＞F值”＜0.001）；失擬項(xiàng)（P=0.209 3＞0.05）不顯著，說(shuō)明方程的整體擬合度良好。從表4中還可以看出，二次項(xiàng)A2對(duì)結(jié)果得影響高度顯著（P＜0.000 1），一次項(xiàng)A、B、C，二次項(xiàng)B2、C2，交互項(xiàng)BC對(duì)結(jié)果影響是顯著的（P＜0.05），交互項(xiàng)AB，AC對(duì)結(jié)果影響不顯著。由主因素A、B、C的F值可知，各因素對(duì)紅曲酸奶感官品質(zhì)影響的次序?yàn)榘l(fā)酵時(shí)間＞接種量＞紅曲米添加量。

2.4 多因素交互作用響應(yīng)曲面圖分析[17]

圖5～圖7為主要影響因子對(duì)響應(yīng)面值的響應(yīng)曲面及等高線圖。

圖5 紅曲米添加量與菌種接種量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour line ofMonascusrice addition and inoculum on the sensory quality of yogurt

由圖5可知，等高線接近圓形，說(shuō)明紅曲米添加量和接種量?jī)蓚€(gè)因素的交互作用很?。淮送?，在等高線圖上，菌種接種量變化趨勢(shì)更快，可以看出菌種接種量的影響要大于紅曲米添加量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的影響。

由圖6可知，等高線圖表現(xiàn)為橢圓形可知，發(fā)酵時(shí)間與菌種接種量的交互作用顯著，此外，等高線圖上還可以看出發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)大于菌種接種量的變化趨勢(shì)，說(shuō)明發(fā)酵時(shí)間對(duì)紅曲酸奶感官品質(zhì)的影響要大于菌種接種量對(duì)紅曲酸奶感官品質(zhì)的影響。

由圖7可知，等高線圖接近圓形，說(shuō)明發(fā)酵時(shí)間與紅曲米添加量交互作用很小，此外，等高線也可明顯看出發(fā)酵時(shí)間的變化趨勢(shì)快于紅曲米添加量，說(shuō)明發(fā)酵時(shí)間比紅曲米添加量對(duì)酸奶感官的影響相對(duì)較為顯著。所以，選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵時(shí)間對(duì)紅曲酸奶的品質(zhì)尤為重要。

圖6 發(fā)酵時(shí)間與菌種接種量對(duì)酸奶感官品質(zhì)的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface plots and contour line of fermentation time and inoculum on the sensory quality of yogurt

圖7 紅曲米添加量與發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶感官品質(zhì)的響應(yīng)面和等高線Fig.7 Response surface plots and contour line ofMonascusrice addition and fermentation time on the sensory quality of yogurt

2.5 最佳工藝條件的驗(yàn)證

由響應(yīng)面試驗(yàn)的分析可知，回歸模型存在最大值，紅曲酸奶發(fā)酵條件理論值為紅曲米添加量4.83%，菌種接種量4.23%，發(fā)酵時(shí)間5.37h，在此最佳條件下，酸奶感官評(píng)分為96.3分。為了檢驗(yàn)上述方法的可靠性，考慮到實(shí)際操作方便，選取紅曲米添加量為4.8%，菌種接種量為4.2%，發(fā)酵時(shí)間為5.5h，在此條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，最終得到的紅曲酸奶感官評(píng)分平均值為95.3分，與理論預(yù)測(cè)值差異不顯著，這說(shuō)明回歸方程能夠真實(shí)地篩選因素對(duì)紅曲酸奶感官品質(zhì)的影響，對(duì)于紅曲酸奶的制作工藝的研究具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)紅曲米添加量、菌種接種量和發(fā)酵時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，結(jié)果表明，紅曲米添加量、菌種接種量以及發(fā)酵時(shí)間都會(huì)影響紅曲酸奶的感官評(píng)分（P＜0.05）。綜合分析確定的最佳工藝條件為紅曲米添加量4.8%，菌種接種量4.2%，發(fā)酵時(shí)間5.5h，在此條件下，其感官評(píng)分平均值為95.3分，與理論預(yù)測(cè)值擬合程度較好，說(shuō)明響應(yīng)曲面法對(duì)紅曲酸奶工藝條件的優(yōu)化是可行的。

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Optimization of fermentation process ofMonascusyogurt by response surface methodology

XIAO Changgui,LIU Zhibin,ZHANG Wen,NI Li*
(Institute of Food Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

The effective components ofMonascusextracted with ultrasound-assisted method were used for the fermentation of a novelMonascusyogurt.The effect ofMonascusrice addition,inoculum and fermentation time on the sensory quality ofMonascusyogurt were studied by single factor experiment and they were further optimized by central composite design and response surface methodology.Results showed that the optimum fermentation conditions were as follows:Monascusrice addition 4.8%,inoculum 4.2%and fermentation time 5.5 h.Under the optimal condition,the Monascusrice yogurt had delicate structure,uniform color and moderate sweetness and sourness.The sensory evaluation score was 95.3,which was almost consistent with the predicted data.

ultrasonic-assisted extraction;response surface methodology;Monascusyogurt;sensory evaluation

TS252.54

B

0254-5071（2014）04-0145-05

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.035

2014-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（313718207）

肖昌貴（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。*

倪莉（1972-），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称放c生物化學(xué)。