響應面法優(yōu)化蹄筋酸奶凍配方

關嘉琦,柯楚新,黃 鶴,李柏良,焦雯姝,冷友斌,霍貴成,*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學,乳品科學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030; 2.黑龍江省疾病預防控制中心,黑龍江哈爾濱 150030; 3.黑龍江飛鶴乳業(yè)有限公司,北京 100015)

酸奶具有較高營養(yǎng)價值,酸奶中的益生菌、氨基酸、肽類、有機酸、細胞壁外多糖、無機鹽等易被人體消化吸收、為人體提供營養(yǎng),還可以調(diào)節(jié)人體腸道的微生物菌群,具有預防疾病等多種保健功效[1-2]。

膠原蛋白是皮膚真皮層的主要成分,占人體總蛋白質(zhì)含量的三分之一。目前,國內(nèi)外對膠原蛋白的研究主要側(cè)重于膠原蛋白的物理特性及其在生物學功能方面的應用,例如在相紙底片、化妝品、食品等方面的應用[3-4]。隨著人們對食品的營養(yǎng)性、功能性、保健性等方面要求的提高,以膠原蛋白為主要原料研制而成的、具有美容功效的食品逐漸進入人們的視野[5-7]。

果凍是通過溶膠、調(diào)配、注模、包裝等工序制成的一種膠凍食品[8],近年來,以纖維素等營養(yǎng)強化類以及以藥材作為原料的創(chuàng)新性果凍產(chǎn)品日益豐富[9-12]。果凍生產(chǎn)最重要的原料就是凝結(jié)劑,目前國內(nèi)市場上較為常見的果凍、雙皮奶等制品多用瓊脂(植物性多聚糖)、卡拉膠等使產(chǎn)品凝固,此外還有魔芋膠、黃原膠等,添加方式分單一凝結(jié)劑和復配凝結(jié)劑[9]。瓊脂、明膠等雖均可用作凝結(jié)劑,但在國內(nèi)西藏等畜牧業(yè)發(fā)達的地域不易獲得、運輸成本較高。另外瓊脂雖在穩(wěn)定食品結(jié)構(gòu)方面起作用,但質(zhì)地較脆,組織較粗糙,且易脫水以致產(chǎn)品收縮[13]?？ɡz常用于凝膠狀態(tài)的乳制品中,但獲得的產(chǎn)品組織狀態(tài)不夠細膩,pH4.0以下時極易被酸解。相反,以牛蹄筋中提取的膠原為凝結(jié)劑,既可提供豐富優(yōu)質(zhì)的營養(yǎng)成分,又可提高酸奶貯藏性與感官質(zhì)量。制作成本低的蹄筋酸奶凍產(chǎn)品,具有較高創(chuàng)新性、實用價值以及市場前景。

本文以酸奶為原料,以牛蹄筋中提取的膠原蛋白為凝結(jié)劑,通過單因素實驗和Box-Behnken響應面分析優(yōu)化蹄筋酸奶凍生產(chǎn)配方,以期為牛蹄筋等副產(chǎn)物再利用提供參考價值,為乳制品加工提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

牛蹄筋 市售;純牛乳 內(nèi)蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司;保加利亞乳桿菌LactobacillusbulgaricusKLDS1.0207 乳品科學教育部重點實驗室;嗜熱鏈球菌LactobacillusacidophilusKLDS1.0901 乳品科學教育部重點實驗室;蔗糖 大連閩一品商貿(mào)有限公司;小蘇打 銅柏博源新型化工有限公司;食醋 上海鼎豐釀造食品;食品級無水檸檬酸 河北格貝達生物科技有限公司;喜之郎酸奶味果凍 陽江喜之郎果凍制造有限公司。

ZA220R4型電子分析天平 上海贊維衡器有限公司;PHS-2C型數(shù)顯臺式酸度計 深圳市寶安區(qū)三諾儀器儀表經(jīng)營部;DZKW-4型恒溫水浴鍋 林茂科技(北京)有限公司;TA-XT plus型物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司;LRH-150B型生化培養(yǎng)箱 廣東省醫(yī)療器械廠;LGBCD180型冰箱 海信容聲冰箱有限公司;SHP-60-60型高壓均質(zhì)機 上海科技技術大學機電廠;C21-SDHCB66T型蘇泊爾電磁爐 浙江蘇泊爾。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 酸奶凍[14]工藝流程如下:

鮮奶預處理→預熱→均質(zhì)→熱處理→冷卻→接種發(fā)酵劑→發(fā)酵→冷卻→灌裝→攪拌型酸奶

牛蹄筋挑選→修整、漂洗→切塊→脫脂→清洗→中和→漂洗→熬制→過濾→膠液

攪拌型酸奶+蔗糖、檸檬酸+膠液→混合→攪拌→冷卻成型→后熟→成品

牛蹄筋預處理過程采用胡文娥等[15]的方法,并稍作改動。將牛蹄筋修整切塊,浸于60～80 ℃的2%小蘇打溶液,攪拌10 min,純凈水清洗2次,用5%的食醋水溶液浸泡清洗,凈水沖洗1～2 次。根據(jù)試驗比例加水熬制4 h,其間不斷加水保持膠液含水量恒定,過濾去除殘渣。

原料乳于60～65 ℃,20～25 MPa條件下均質(zhì),后升溫至90～95 ℃并保持5 min[16]。無菌環(huán)境下,將兩種乳酸菌按1∶1比例接種,接種量為1‰,42～43 ℃培養(yǎng)25～30 h。當酸乳完全凝固(pH4.2～4.5)時,將溫度于30 min內(nèi)緩慢降至15～22 ℃[17],充分攪拌,0～7 ℃冷藏24 h。根據(jù)試驗比例將膠液、蔗糖與無水檸檬酸混合并充分攪拌,0～4 ℃靜置12 h。

1.2.2 質(zhì)構(gòu)特性測定 利用TA-XT plus型物性測試儀對樣品進行TPA測試[18]。模式:TPA質(zhì)構(gòu)分析;探頭:A/BE圓盤探頭,盤徑35 mm;夾具:TA-BT-KI;觸發(fā)點負載:7 g;形變量為50%;循環(huán)次數(shù):2;預測試速度:2 mm/s;測試速度:1 mm/s;返回速度:1 mm/s。每個樣品重復測試5 次,結(jié)果取平均值。

1.2.3 感官評價 由10 名感官鑒評員針對樣品的色澤、風味、口感和組織形態(tài)進行感官評定,評分標準見表1[19]。

表1 膠原蛋白酸奶凍感官評定標準Table 1 Sensory score standard of collagen yogurt jelly

1.2.4 可溶性固形物含量及pH的測定 按照GB 5009.237-2016《食品安全國家標準-食品pH的測定》[31]以及GB/T 10786-2006《中華人民共和國國家標準-罐頭食品的檢驗方法》[20]的方法分別測定酸奶凍的pH和可溶性固形物含量。

1.2.5 微生物指標的測定 按照GB 4789.15-2016《食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數(shù)》[23]、GB 4789.3-2016《食品微生物學檢驗大腸菌群計數(shù)》[22]、GB 4789.2-2016《食品微生物學檢驗菌落總數(shù)測定》[21]的方法測定酸奶凍的霉菌和酵母的數(shù)量、大腸菌群、菌落總數(shù)。

1.3 試驗設計

1.3.1 單因素實驗設計

1.3.1.1 膠液添加量對酸奶凍的影響 酸奶凍制備流程依據(jù)1.2.1,以0.10%的無水檸檬酸添加量與15%的蔗糖添加量作為固定量,分別在加入20%、30%、40%、50%、60%膠液條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標,確定膠液添加量。

1.3.1.2 蔗糖對酸奶凍品質(zhì)的影響 酸奶凍制備流程依據(jù)1.2.1,以40%的膠液添加量與0.10%的無水檸檬酸添加量作為固定值,分別在添加5%、10%、15%、20%、25%蔗糖條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標,確定蔗糖添加量。

1.3.1.3 無水檸檬酸對酸奶凍品質(zhì)的影響 酸奶凍制備流程依據(jù)1.2.1,以40%的膠液添加量與15%的蔗糖添加量作為固定值時,分別在無水檸檬酸添加量為0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%條件下進行試驗,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官評分、硬度、彈性、咀嚼性指標確定蔗糖添加量。

1.3.2 響應面優(yōu)化試驗設計 基于單因素實驗結(jié)果,利用Box-Behnken分析建立模型[24],將膠液添加量(%)A、蔗糖添加量(%)B和無水檸檬酸添加量(%)C設置為變量,以感官評分及彈性為指標,試驗的自變量因素編碼及水平見表2。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levelsTable of response surface experiments

1.3.3 酸奶凍的質(zhì)量評價 按照響應面優(yōu)化試驗得到的最優(yōu)條件完成樣品制備,按照1.2.2及1.2.3的方法測定其質(zhì)構(gòu)特性以及感官質(zhì)量,將其與喜之郎酸奶味果凍進行比較。其理化、微生物指標按照1.2.4及1.2.5的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

借助Design-Expert 8.0.6軟件設計試驗、分析數(shù)據(jù)、建立二次模型,利用擬合回歸方程,分析響應曲面,以此得出最佳變量水平,借助F值考察模型及因素的顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 膠液添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、硬度、彈性、咀嚼性四個方面評價產(chǎn)品的品質(zhì),得出結(jié)果見圖1。

圖1 膠液添加量對酸奶凍的影響Fig.1 Effect of collagen adding amount on yogurt jelly quality

由圖1知,隨膠液添加量提高,酸奶凍的硬度、彈性、咀嚼性均增大。原因是當膠液添加量提高時,體系中可以形成更多包有水分的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),分子緊密排列,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[25],故其彈性、硬度等會逐漸提高。然而數(shù)值過大,則會影響感官質(zhì)量,可見彈性只有在一定范圍內(nèi)增大才可提高酸奶凍質(zhì)量。結(jié)合感官質(zhì)量測試,上述實驗說明膠液添加量在40%時,具有最令人愉悅的品質(zhì),因此在優(yōu)化膠液添加量時選擇40%為中心點。

2.1.2 蔗糖添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、咀嚼性、硬度、彈性四個方面評價產(chǎn)品品質(zhì),結(jié)果見圖2。

圖2 蔗糖添加量對酸奶凍的影響Fig.2 Effect of sucrose adding amount on yogurt jelly quality

由圖2可知,隨著蔗糖濃度不斷增加,酸奶凍的彈性、硬度、咀嚼性以及感官評分先增大后減小,峰值在蔗糖添加量為15%時取得,這與梁曉娟等研究成果[19]一致。原因是蔗糖濃度增加,其分子的水化作用增強,自由水減少,凝膠的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更致密。若繼續(xù)增加,分子間交聯(lián)被阻礙,凝膠的彈性及咀嚼性受無凝膠作用的蔗糖分子影響而降低[26]。當蔗糖添加量達到15%時,甜度最適,過高或過低均影響感官質(zhì)量。綜上,確定加入15%蔗糖為最適,在優(yōu)化蔗糖添加量時選擇15%為中心點。

2.1.3 無水檸檬酸添加量對酸奶凍的影響 綜合感官評分、硬度、彈性、咀嚼性四個方面評價產(chǎn)品的品質(zhì),結(jié)果見圖3。

圖3 無水檸檬酸添加量對酸奶凍的影響Fig.3 Effect of citric acid adding anhydrous amount on yogurt jelly quality

由圖3可知,隨著無水檸檬酸濃度提高,酸奶凍的硬度、彈性、咀嚼性以及感官評分均先增大后減小,峰值在添加量為0.10%時取得。這是由于無水檸檬酸的加入可掩蓋蹄筋膠液的腥味,提升感官質(zhì)量,但同時它的加入也會造成體系的酸堿性發(fā)生變化,使得膠原被酸解,破壞其緊密排列的三維網(wǎng)絡分子結(jié)構(gòu),從而導致彈性下降。綜上,最適無水檸檬酸添加量為0.10%,在優(yōu)化無水檸檬酸添加量時選擇0.10%為中心點。

2.2 響應面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 模型建立與方差分析 基于上述單因素實驗,考慮到彈性、咀嚼性和硬度之間存在相關性,且趨勢基本相同[27],又由于彈性指標更具代表性,故以彈性(y1)、感官評分(y2)為響應值,以膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量(%)為因素,使用Box-Behnken試驗設計進行響應面分析。試驗設計及結(jié)果見表3,表中A、B、C分別代表各因素的編碼值。

表3 響應面試驗設計及結(jié)果Table 3 Experimental results of response surface analysis

2.2.1.1 以彈性為響應值 借助Design-Expert 8.0.6軟件,對表3中數(shù)據(jù)進行多元線性回歸擬合,得到彈性對膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量(%)的二次多項回歸方程模型為:

y1=0.98+0.12A+0.018B-2.75×10-3C-0.013AB+5.75×10-3AC+4.25×10-3BC+0.012A2-0.048B2-0.049C2

方差分析見表4,回歸模型的F值為103.59,差異極顯著(P<0.01),失擬項差異不顯著(P>0.05),說明方程誤差小,擬合度高。一次項A、B，二次項B2、C2對彈性的影響均達到極顯著水平(P<0.01)。由各參數(shù)F值的大小可知，膠液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、無水檸檬酸添加量(%)對酸奶凍彈性影響程度依次降低。

表4 響應面結(jié)果方差分析Table 4 ANOVA of response surface results

由表5可知,預測R2為0.9010,說明該模型預測性良好。系數(shù)R2為0.9925,校正R2為0.9830,說明此模型與實際實驗擬合程度較高。變異系數(shù)為1.34%,低于5%,說明方程有良好的重現(xiàn)性。由信噪比為29.966,遠大于4,可見模型可信度較高。

表5 R2綜合分析Table 5 Analysis of R2

2.2.1.2 以感官評分為響應值 以感官評分為響應值,使用Design-Expert 8.0.6軟件分析表3中的試驗數(shù)據(jù),獲得如下回歸方程:y2=89.2+3A+3.12B+4.38C-3.25AB+4.25AC-4BC-13.6A2-13.35B2-7.35C2

由表6知,回歸模型的F值為24.35,差異極顯著(P<0.01),失擬項差異不顯著(P>0.05),說明方程誤差小,擬合度較高。一次項C，二次項A2、B2、C2對彈性的影響均達到極顯著水平(P<0.01),一次項A、B對彈性的影響均達到顯著水平(P<0.05)。由各參數(shù)F值的大小可知無水檸檬酸添加量(%)、蔗糖添加量(%)、膠液添加量(%)對酸奶凍感官評價影響程度依次降低。

表6 響應面結(jié)果方差分析Table 6 ANOVA of response surface results

由表7可知,系數(shù)R2為0.9690,校正R2為0.9292,說明此模型與實際實驗擬合程度較高。表中變異系數(shù)為4.56%,低于5%,表明方程的重現(xiàn)性良好。信噪比為14.229,遠高于4,說明模型有較高的可信度。因此,該模型可用來分析預測響應值的變化規(guī)律。

表7 R2綜合分析Table 7 Analysis of R2

圖8 因素BC交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.8 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

2.2.2 響應面分析與優(yōu)化 利用Design-Expert 8.0.6軟件,在回歸方程y1、y2的基礎上,響應曲面及等高線圖(圖4～圖9)進一步反映了各因素間交互作用對酸奶凍彈性及感官特性影響[28-30]。響應曲面陡峭,說明因素對響應值影響較大。橢圓形的等高線圖代表兩因素間有顯著交互作用,反之則呈圓形[19]。

圖4 因素AB交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.4 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the elasticity of yogurt jelly注：a:響應曲面;b:等高線圖;圖5～圖9同。

圖9 因素AC交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.9 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

由圖4～圖6可知,在所考察因素膠液添加量范圍內(nèi),彈性響應值隨因素升高而升高,中心位于所考察區(qū)域外,說明回歸方程無極大值。結(jié)合擬合回歸方程可知,膠液添加量A(%)對酸奶凍的彈性(y1)影響最大,且彈性將隨著膠液添加量(%)的增加而增大。而對于因素蔗糖添加量、無水檸檬酸添加量的交互作用及對彈性的影響如圖5所示,凹曲面向下開口,說明存在極大值。然而,彈性指標只能反映出產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)方面特性,僅以彈性作為單一指標來評價酸奶凍品質(zhì)不夠全面,彈性過大有可能導致感官品質(zhì)降低,因此,另以感官評價作為指標,綜合反映酸奶凍品質(zhì)。

圖5 因素BC交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

圖6 因素AC交互作用對酸奶凍彈性影響的響應曲面與等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

由圖7～圖9可知,在所有考察因素范圍內(nèi),隨著各因素的增加,響應值感官評分(y2)均先增大再減小。響應曲面向下開口,等高線中心均位于考察區(qū)域中心,說明方程有極大值。

圖7 因素AB交互作用對酸奶凍感官評價影響的響應曲面與等高線圖Fig.7 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the sensory score of yogurt jelly

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得到酸奶凍最佳配方為:膠液、蔗糖、無水檸檬酸添加量分別為43.12%、15.49%、0.11%。此時,酸奶凍的彈性理論值為0.987,感官評價得分的理論值為90.2307,近似于單因素實驗的結(jié)果,這也進一步證明試驗模型是可行的。為使實際操作具有可行性,取整處理,將最佳工藝條件調(diào)整為膠液、無水檸檬酸、蔗糖添加量為43%、0.11%、15.5%。此時,制作的酸奶凍的彈性為0.945,與預測值接近度達到95.74%,酸奶凍的感官評價得分為86,與預測值接近度達到95.31%;表明回歸方程模型可用于研究酸奶凍加工工藝。

2.3 酸奶凍的質(zhì)量指標

2.3.1 質(zhì)構(gòu)特性與感官質(zhì)量 在上述最優(yōu)條件下制備蹄筋酸奶凍,測定其的質(zhì)構(gòu)特性以及感官質(zhì)量,將其與喜之郎酸奶味果凍進行比較,結(jié)果如表8所示。

表8 酸奶凍的質(zhì)構(gòu)特性與感官質(zhì)量Table 8 Texture characteristics and sensory quality of collagen yogurt jelly

由表8可知,酸奶凍彈性、硬度、咀嚼性略低于市售果凍,但具備較好感官品質(zhì)。在該最優(yōu)條件下制得的成品色澤光亮,成凍完整,質(zhì)地均勻,酸奶味濃郁,無異味,酸甜度好,口感細膩。

2.3.2 理化、微生物指標 在最優(yōu)條件下制備蹄筋酸奶凍,測定其理化、微生物指標,結(jié)果如表9所示。

表9 酸奶凍的理化、微生物指標Table 9 Physicochemical and biological indicators of collagen yogurt jelly

由表9可知,在最優(yōu)條件下制備蹄筋酸奶凍理化、微生物指標符合國家規(guī)定,可為蹄筋酸奶凍產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

3 結(jié)論

本實驗以酸奶為原料,提取牛蹄筋中的膠原蛋白作為凝結(jié)劑制成酸奶凍產(chǎn)品。通過單因素試驗設計以及Box-Behnken響應面分析原理建立了彈性、感官評分對膠液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、無水檸檬酸添加量(%)的模型,確定了回歸方程y1、y2。酸奶凍的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)以及感官質(zhì)量與工藝之間并非簡單的線性關系,而存在顯著交互作用。最終確定蹄筋酸奶凍的最優(yōu)配方為:膠液添加量為43%,蔗糖添加量為15.5%,無水檸檬酸添加量為0.11%。此時,制作的酸奶凍彈性為0.945,感官評分為86,具有良好的質(zhì)構(gòu)特性與感官品質(zhì),其理化、微生物指標均符合國家標準。