響應(yīng)曲面法優(yōu)化紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝

王彥平，劉曉麗，孫瑞琳，焦鐳

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州451450）

響應(yīng)曲面法優(yōu)化紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝

王彥平，劉曉麗，孫瑞琳，焦鐳

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州451450）

以紫山藥和牛乳為原料，研究了紫山藥抗氧化酸奶的發(fā)酵工藝。以感官評價為指標，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)曲面對實驗方法進行分析，優(yōu)化紫山藥漿添加量、白砂糖添加量、菌種添加量影響了紫山藥酸奶發(fā)酵效果的工藝參數(shù)。建立了響應(yīng)面回歸模型，最終得出紫山藥酸奶最佳工藝參數(shù)為：紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%。在此條件下制得的紫山藥酸奶總抗氧化值為21.03 U/g，具有一定的抗氧化功能，顏色微紫、組織細膩、酸甜可口、風(fēng)味獨特，適合飲用。

紫山藥；酸奶；響應(yīng)曲面；感官

0 引 言

紫山藥為薯蕷科山藥屬一年生或多年生植物參薯的塊莖，又名紫淮山、大薯、參薯等。其塊莖質(zhì)脆且有黏性，同時富含淀粉、膳食纖維、礦物元素、氨基酸、花青素、黏質(zhì)多糖、尿囊素和薯蕷皂苷等多種營養(yǎng)和活性成分[1-3]，其具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、降血糖、降血脂等作用。據(jù)《本草綱目》記載紫山藥具有補脾胃、滋肺益腎、消渴等功效，對脾虛腹瀉、久痢不愈、虛勞咳嗽、氣虛衰弱等有一定的食療作用[4]。

目前，響應(yīng)曲面法在乳飲料加工、多糖提取及生物制劑提取等工藝過程的優(yōu)化已有較多應(yīng)用[5-10]。筆者以紫山藥和牛乳為主要原料，對研制出的紫山藥抗氧化酸奶進行感官評價，利用響應(yīng)面法對試驗工藝進行優(yōu)化，旨為紫山藥抗氧化酸奶的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料與試劑

紫山藥，純牛奶（1 L），保加利亞乳桿菌(Lactobacil?lus bulgaricus，Lb.)，嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus，St.)為河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院食品工程學(xué)院實驗室提供，蔗糖（市售）。

1.2 儀器與設(shè)備

BPH-9272型恒溫培養(yǎng)箱，GYB60-6S均質(zhì)機，電熱恒溫水浴鍋，LDZX-50FBS型壓力蒸汽滅菌器，F(xiàn)A1604電子分析天平，BD/BC-718C升型臥式冷柜，PHS-3C精密pH計。

1.3 紫山藥抗氧化酸奶生產(chǎn)工藝

1.3.1 工藝流程

1.3.2 紫山藥抗氧化酸奶感官評價

感官評定的小組是由16名經(jīng)過訓(xùn)練過的人員組成，熟悉各類型酸奶的感官評定。評價指標為酸奶的色澤、組織形態(tài)、口感及香味。取平均分作為感官評價結(jié)果，依據(jù)表1感官評定標準進行。

1.3.3 微生物指標檢驗

檢驗指標主要為大腸菌群和致病菌，按照GB/T 4789.18-2003《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗乳與乳制品檢驗》規(guī)定的方法進行檢驗[11]。

表1 紫山藥保健酸奶感官評定標準

1.4 紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵條件優(yōu)化

1.4.1 單因素實驗

經(jīng)預(yù)實驗得出，發(fā)酵時間和發(fā)酵溫度對紫山藥抗氧化酸奶感官分值影響較小，因此，選擇紫山藥漿添加量、蔗糖添加量、菌種添加量為考察因素，以達到縮小響應(yīng)面設(shè)計中因素水平范圍的目的，為下一步優(yōu)化設(shè)計做準備。

1.4.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，以紫山藥漿添加量、蔗糖添加量及菌種添加量為考察因素，紫山藥抗氧化酸奶感官評分Y為響應(yīng)值，利用Design Expert8.0.6軟件進行三因素三水平的響應(yīng)面分析，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得紫山藥抗氧化酸奶最佳發(fā)酵工藝條件，試驗因素水平編碼如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗因素與水平編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 紫山藥漿添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評價影響

紫山藥漿添加量的多少不僅會影響酸奶的風(fēng)味，還會對酸奶的發(fā)酵效果及品質(zhì)有很大的影響，添加量太大，會導(dǎo)致粘稠度過高，風(fēng)味不好，添加量太少，會使酸奶色澤亮度低，感官評分低。在白砂糖、菌種添加量分別為9%和0.17%時，紫山藥漿添加量分別設(shè)置為20%，22%，24%，26%，28%，30%，32%，34%，36%；統(tǒng)計感官評分分值，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，感官分值隨紫山藥漿添加量的增加先增大然后降低，在添加量為28%左右感官分值達到最大值，故選用28%～32%的紫山藥漿添加量，在此范圍內(nèi)的感官分值都大于80分。

2.1.2 白砂糖添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評價影響

白砂糖不但直接影響產(chǎn)品的甜度，還會對乳酸菌的發(fā)酵有一定的影響。酸奶中添加蔗糖可以緩和酸度，改善酸奶風(fēng)味，提高口感品質(zhì)，而適宜的白砂糖可以促進乳酸發(fā)酵的進行，但是白砂糖濃度過高將會抑制整個發(fā)酵過程[12-13]。固定紫山藥漿、菌種添加量分別為28%和0.17%；當(dāng)白砂糖添加量分別為2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%，16%時；測定不同白砂糖添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評價的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，紫山藥抗氧化酸奶感官評價分值隨白砂糖添加量的增加先增大后減小，在添加量為8%時感官分值達到最高，在添加量為8%～12%范圍內(nèi)，感官評價分值都大于80分，故選用白砂糖添加量8%～12%為適宜范圍。

圖1 感官分值隨紫山藥漿添加量的變化

圖2 感官分值隨白砂糖添加量的變化

2.1.3 菌種添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評價影響

在酸奶發(fā)酵過程中，兩種菌種復(fù)合會提高酸奶的發(fā)酵產(chǎn)酸速度，嗜熱鏈球菌有利于提高酸奶酸度，縮短酸奶發(fā)酵時間，而保加利亞乳桿菌的產(chǎn)物對酸奶的風(fēng)味有很大影響[14]。復(fù)合菌種接種量對酸奶發(fā)酵影響較大，若接種量大，會導(dǎo)致酸奶發(fā)酵速度過快，酸奶的風(fēng)味會受到影響，接種量太少，酸奶發(fā)酵能力受挫，發(fā)酵時間延長，也會使酸奶風(fēng)味不足[15]。固定紫山藥漿、白砂糖添加量分別為28%和9%；菌種添加量分別為0.06%，0.09%，0.12%，0.15%，0.18%，0.21%，0.24%，0.27%；測定不同菌種添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評價的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 感官分值隨菌種添加量的變化

由圖3可以看出，紫山藥抗氧化酸奶感官評價分值隨菌種添加量的增加先增大后減小，在菌種添加量為0.18%左右時感官分值達到最高，在添加量為0.09%～0.18%范圍內(nèi)，感官評價分值都大于80分，故選用菌種添加量0.09%～0.18%為適宜范圍。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實驗結(jié)果

在確定三種因素適宜范圍后，選擇紫山藥漿添加量（X1）、白砂糖添加量（X2）、菌種添加量（X3）三個因素為自變量，感官評價分值為因變量Y，利用BOX等[16]的設(shè)計原理對紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵工藝進行優(yōu)化，試驗設(shè)計及結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken實驗設(shè)計及結(jié)果

利用Design-expert 8.0.6軟件對表3進行數(shù)據(jù)分析，得到感官評價分值Y與自變量X1，X2，X3的二次回歸方程為Y=80.80-0.62X1+0.13X2-0.25X3-0.25X1X2-0.5X1X3+0.5X2X3-2.03X12-1.53X22-1.27X32。對此模型進行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 Box-Behnken實驗方差分析

對表4進行分析可知，模型P值為0.0013，小于0.01，說明該模型顯著。失擬項P值為0.1639，大于0.05，不顯著，說明該模型與實際情況較吻合。因素A、交互項（AB、AC、BC）對結(jié)果影響顯著，因素B、C對結(jié)果影響不顯著。3個單因素影響紫山藥抗氧化酸奶感官評價分值的影響順序為A＞C＞B，即紫山藥漿添加量對感官評價最為顯著。同時，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9448，表明預(yù)測效果較佳，可用該模型對紫山藥抗氧化酸奶加工工藝進行分析和預(yù)測。

2.3 多因素交互作用響應(yīng)曲面分析

各因素交互作用響應(yīng)曲面分析結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出，三張圖的交互結(jié)果較一致，隨著各交互因素添加量的增加，紫山藥抗氧化酸奶的感官評分值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，總體而言，感官評分值變化量不大。圖5和圖6中兩因素交互作用較顯著，圖4中兩因素交互作用次之，這與表4中的分析結(jié)果相一致。經(jīng)軟件分析可得，紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)為：紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%，紫山藥抗氧化酸奶感官評分預(yù)測值可達83.7分。

圖4 紫山藥漿和白砂糖添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

圖5 紫山藥漿和菌種添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

圖6 白砂糖和菌種添加量對紫山藥抗氧化酸奶感官評分影響的響應(yīng)面和等高線

2.4 最佳工藝條件的驗證

為了驗證響應(yīng)面預(yù)測得出的最佳工藝參數(shù)，考慮其實際操作性，將三種添加量分別調(diào)整為28.8%，9.2%，0.18%；進行3次平行驗證試驗，最終感官評分值的平均值為83.45分，與預(yù)測值較接近，說明響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果可行，具有實際利用價值。

2.5 產(chǎn)品質(zhì)量各指標的測定

2.5.1 紫山藥抗氧化酸奶感官指標

該產(chǎn)品為淡紫色、色澤均勻一致，黏附性較強，無乳清分離現(xiàn)象，具有紫山藥和牛乳的特殊風(fēng)味，口感細膩、酸甜適宜。

2.5.2 理化指標

紫山藥抗氧化酸奶各項理化指標均符合相關(guān)要求。

2.5.3 微生物指標

乳酸菌數(shù)大于106CFU/mL，大腸菌群小于28 CFU/mL，致病菌未檢出。

2.5.4 總抗氧化能力比較

根據(jù)總抗氧化能力測定試劑盒說明書測定紫山藥酸奶的總抗氧化能力，并與部分市售酸奶比較。由表4可知，按最佳生產(chǎn)工藝所得紫山藥酸奶總抗氧化能力為21.03 U/g，明顯高于其他市售酸奶，具有一定的抗氧化能力，為抗氧化功能性酸奶。

表5 酸奶總抗氧化能力比較

3 結(jié)論

（1）由單因素試驗得到紫山藥抗氧化酸奶發(fā)酵前期的試驗條件，紫山藥添加量取值范圍為28%～32%，白砂糖添加量范圍為8%～12%，發(fā)酵劑添加量為0.09%～0.18%，為下一步的條件優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

（2）經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化得出紫山藥抗氧化酸奶的最佳工藝配方為紫山藥漿添加量28.82%，糖添加量9.23%，發(fā)酵劑接種量0.18%；在此基礎(chǔ)上進行驗證實驗，得出的感官評價分值較高，研制出的紫山藥抗氧化酸奶口感細膩，質(zhì)地均勻，風(fēng)味獨特，其開發(fā)前景可觀，也為實際生產(chǎn)提供了相關(guān)的理論依據(jù)。

（3）最佳條件下所得紫山藥酸奶的總抗氧化能力為21.03 U/g，具有一定的抗氧化能力，為抗氧化功能性酸奶。

[1]于東,林躍偉,陳桂星等.紫山藥營養(yǎng)成分分析研究[J].營養(yǎng)學(xué)報,2010,32(2):190-192.

[2]宋曙輝,劉龐源,王文琪等.不同產(chǎn)地紫山藥營養(yǎng)和功能成分分析[J].營養(yǎng)學(xué)報,2012,34(1):92-96.

[3]周新勇,宋曙輝,王文琪，等.紫參薯及其同屬植物鐵桿山藥中營養(yǎng)成分分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(35):20005-20007.

[4]黨婭,劉水英,李新生，等.響應(yīng)面法優(yōu)化紫山藥花青苷提取工藝[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2015,27:404-410,431.

[5]AMBATI P,AYYANNA C.Optimizing medium constituents and fer-mentation conditions for citric acid production from palmyrajag?gery using response surface method[J].World Joumal of Microbiology&Biotechnology,2001,17(4):331-335.

[6]李次力.毛豆酸奶加工工藝的研究[J].食品科學(xué),2008,29(12):797-800.

[7]阮征,周泉城,鄧澤元，等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化桔梗多糖提取條件研究[J].食品科學(xué),2008,29(12):283-287.

[8]曹小飛,高允盛,趙丹等.響應(yīng)曲面法優(yōu)化含豆乳的Mozzarella干酪的生產(chǎn)工藝參數(shù)[J].中國乳品工業(yè),2009,37(6):24-27.

[9]單輝君,張名位,張瑞芬，等.花生根中白藜蘆醇提取工藝的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(2):93-97,138.

[10]羅倉學(xué),李政浩,張曉榮.響應(yīng)曲面法優(yōu)化甘薯飲料配方的研究[J].陜西科技大學(xué)報,2009,27(4):55-58.

[11]全國信息與文獻工作標準化技術(shù)委員會.GB/T 4789.18-2003食品衛(wèi)生微生物檢驗[S].北京:中國標準出版社,2003:143-146.

[12]王曉琴,曹寶明.響應(yīng)曲面法優(yōu)化黃參酸奶生產(chǎn)工藝[J].食品科學(xué),2011,32(12):39-44.

[13]岳鳳麗，陳宇航.響應(yīng)面法優(yōu)化牛蒡酸奶發(fā)酵工藝的研究[J].食品工業(yè),2014,35(7):38-41.

[14]劉麗媛，鐘尉.方響應(yīng)面法優(yōu)化攪拌型板栗酸奶的加工工藝[J].中國釀造,2012,31(5):199-202.

[15]葛謙,袁亞宏.響應(yīng)面法優(yōu)化魔芋酸奶工藝[J].食品研究與開發(fā),2013,34(7):76-81.

[16]BOX G,BEHNKEN D W．Some new three level designs for the study of quantitative variables[J].Teclmomet-rics,1960,2(4):455-475．

Optimization of fermentation technology of purple yam yogurt with antioxi?dant function by response surface methodology

WANG Yanping,LIU Xiaoli,SUN Ruilin,JIAO Lei

（Henan Vocational College of Agriculture,Zhengzhou 451450）

The purple yam and milk as raw materials,fermentation technology of purple yam yogurt with antioxidant function.The sensory evaluation index,based on single factor experiment,the response surface experiment method to carry on the analysis,the technological param?eters of purple yam yogurt fermentation were optimized.Optimization of py slurry adding sucrose,adding amount of strain parameters influ?ence the effect of purple yam health yogurt fermentation.A response surface regression model was established.Obtained the optimum process parameters of purple yam yogurt:purple yam syrup adding quantity 28.82%,sugar content 9.23%,inoculation amount of 0.18%.Under the condition of purple yam yogurt micro color purple,delicate,sweet and delicious,unique flavor,suitable for drinking.The total antioxidant capacity of purple yam yogurt was 21.03 U/g,which had antioxidant activity.

purple yam;yogurt;response surface;sensory organs

TS252.54

A

1001-2230（2017）08-0057-04

2016-11-25

鄭州市普通科技攻關(guān)項目(153PKJGG424)；2015年度河南省高等學(xué)校優(yōu)秀教學(xué)團隊建設(shè)；2014年度河南省高等學(xué)?！皩I(yè)綜合改革試點”項目。

王彥平(1983-)，女，講師，研究方向為食品功能與營養(yǎng)因子。

焦鐳