響應(yīng)面法優(yōu)化黃精鐵棍山藥酸奶工藝研究

李嘉瑜，焦佳音，魏詩(shī)婷，2，樊淑淼，余忠臣，3，黃曉明，李明婉，洪利亞，5*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.云南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450046；5.北京大學(xué) 藥學(xué)院，北京 100191)

酸奶是由乳酸菌發(fā)酵的牛奶制成的一款營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且風(fēng)味獨(dú)特的乳制品[1]，具有維護(hù)腸道微生物菌群平衡[2]、加速腸道蠕動(dòng)、促進(jìn)消化吸收、增加食欲、美容養(yǎng)顏、降低血脂和膽固醇等功效[3-4]，深受消費(fèi)者喜愛(ài)。隨著科學(xué)飲食理念普及，食品的安全性與營(yíng)養(yǎng)性得到重視，功能型酸奶研發(fā)極具市場(chǎng)前景[5]。黃精(Polygonatumsibiricum)為百合科黃精屬藥食同源食材，富含多糖、甾體皂苷、氨基酸、黃酮和礦物質(zhì)等活性成分，具有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、健脾潤(rùn)肺和益腎等功效[6-8]。近期黃精酸奶研發(fā)多集中以黃精浸提液、濃縮液、黃精粉[9]等作為原料，存在固形物含量減少、有益物質(zhì)損失、潤(rùn)滑細(xì)膩度不足等問(wèn)題。一年生黃精根莖具有纖維含量較低，營(yíng)養(yǎng)成分高，蒸煮后勻漿能夠更大限度保留黃精的營(yíng)養(yǎng)成分。鐵棍山藥口感甘甜，粉糯性強(qiáng)，含有淀粉、多糖、蛋白質(zhì)、維生素等活性成分[10]，具有健脾補(bǔ)肺、生津益肺、抗衰老和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌等功效，素有“懷參”之稱，應(yīng)用于酸奶開(kāi)發(fā)能顯著增強(qiáng)酸奶綿密的口感，同時(shí)起到增黏劑和提高酸奶穩(wěn)定性的作用[11]。綜上所述，本研究以新鮮一年生黃精幼嫩根莖和鐵棍山藥為原料，通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面法優(yōu)化黃精鐵棍山藥酸奶制備工藝，對(duì)發(fā)酵完成的酸奶進(jìn)行感官評(píng)分和理化指標(biāo)測(cè)定，制備出一款兼具黃精與鐵棍山藥風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的酸奶，為拓寬黃精、鐵棍山藥在食品領(lǐng)域的應(yīng)用途徑，豐富市場(chǎng)上酸奶品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃精：河南省三門(mén)峽市盧氏縣；鐵棍山藥：河南省焦作市溫縣；純牛奶：內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)(集團(tuán))股份有限公司；白砂糖：云南滇鵬糖業(yè)有限公司；乳酸菌酸奶發(fā)酵粉10菌型：北京川秀科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

冰箱：青島海爾股份有限公司；多功能酸奶機(jī)：施威朗電器(深圳)有限公司；破壁料理機(jī)：廣東新寶電器股份有限公司；賽多利斯BSA124S萬(wàn)分之一分析天平：浙江納德科學(xué)儀器有限公司；熱風(fēng)循環(huán)烘箱：蘇州王品工業(yè)烘箱設(shè)備有限公司；JW-1032低速離心機(jī)：安徽嘉文儀器裝備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黃精鐵棍山藥復(fù)合漿制備

黃精漿的制備：選取新鮮一年生黃精幼嫩根莖清洗去皮，圓氣上鍋蒸8 h，按黃精∶水(質(zhì)量比)=1∶3勻漿，過(guò)濾即得均勻細(xì)膩且無(wú)明顯顆粒感黃精漿。

鐵棍山藥漿的制備：選取新鮮的鐵棍山藥清洗去皮，圓氣上鍋蒸30 min，按鐵棍山藥∶水(質(zhì)量比)=1∶3勻漿，過(guò)濾即得均勻細(xì)膩且無(wú)明顯顆粒感鐵棍山藥漿。

1.3.2 黃精鐵棍山藥酸奶制作

工藝流程[12-13]：牛奶、黃精漿、鐵棍山藥漿、白砂糖→調(diào)配→滅菌→冷卻→接種→發(fā)酵→冷卻→后熟→成品。

將黃精漿和鐵棍山藥漿與牛奶、白砂糖按一定比例混勻，混合液(不含發(fā)酵劑)裝入酸奶瓶，高溫滅菌10 min，靜置，42 ℃時(shí)按照1%比例進(jìn)行10菌型發(fā)酵粉接種，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，置于酸奶機(jī)中進(jìn)行發(fā)酵，終止發(fā)酵后置于4 ℃冰箱冷卻后熟12 h。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 單因素試驗(yàn)

基于黃精鐵棍山藥酸奶加工工藝流程，選取黃精漿添加量(A)、鐵棍山藥漿添加量(B)、白砂糖添加量(C)、發(fā)酵時(shí)間(D)四因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)[14-15]。在鐵棍山藥漿添加量8%、白砂糖添加量7%、發(fā)酵10 h條件下進(jìn)行黃精漿添加量2%、4%、6%、8%、10%的5個(gè)水平試驗(yàn)；在黃精漿添加量6%、白砂糖添加量7%、發(fā)酵10 h條件下進(jìn)行鐵棍山藥漿添加量4%、6%、8%、10%、12%的5個(gè)水平試驗(yàn)；在黃精漿添加量6%、鐵棍山藥漿添加量8%、發(fā)酵10 h條件下進(jìn)行白砂糖添加量5%、6%、7%、8%、9%的5個(gè)水平試驗(yàn)；黃精漿添加量6%、鐵棍山藥漿添加量8%和白砂糖添加量7%條件下進(jìn)行發(fā)酵時(shí)間8、9、10、11、12 h的5個(gè)水平試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)初步選取每個(gè)因素的水平范圍，每次發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，對(duì)酸奶進(jìn)行感官評(píng)分和理化指標(biāo)測(cè)定，分析4個(gè)單因素變量對(duì)黃精鐵棍山藥酸奶各指標(biāo)的影響。

1.4.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)[16]結(jié)果，以感官評(píng)分(Y)為響應(yīng)值，A、B、C因素為自變量，基于Box Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化黃精鐵棍山藥酸奶的制備參數(shù)。響應(yīng)面優(yōu)化分析結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平編碼Table 1 Response surface test factors and levels 單位：%

1.4.3 感官評(píng)價(jià)

由20位專業(yè)人士組成評(píng)定小組，參考GB 19302—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：發(fā)酵乳》的要求，分別從外觀(20%)、組織狀態(tài)(25%)、風(fēng)味(25%)及口感(30%)4項(xiàng)指標(biāo)對(duì)黃精鐵棍山藥酸奶進(jìn)行感官評(píng)定。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[17-18]如表2所示。

表2 黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards for yogurt of Polygonatum sibiricum and Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun

1.4.4 理化指標(biāo)測(cè)定

固形物含量測(cè)定：固形物含量(風(fēng)味發(fā)酵乳)按GB 5413.39—2010標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[19]；酸度測(cè)定：參照GB 5009.239—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品酸度的測(cè)定》中的酚酞指示劑法，滴定單位以°T表示。

持水性測(cè)定[20-21]：取5 mL酸奶3 000 r·min-1離心20 min，稱量酸奶質(zhì)量并記錄為W1，離心，靜置后棄上清，稱量沉淀質(zhì)量并記錄為W。計(jì)算公式如下：

Y=100%W/W1。

式中：Y持水性，%；W1為酸奶質(zhì)量，g；W為沉淀質(zhì)量，g。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Excel 2022及Design-Expert 8.0.6 Trial軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 黃精漿添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

如圖1所示，黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)分隨黃精漿添加量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，黃精漿添加量6%時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶的感官評(píng)分最高。此條件下黃精與山藥氣味協(xié)調(diào)；酸奶組織狀態(tài)色澤清亮均一，無(wú)乳清析出，無(wú)氣泡，無(wú)分層；口感絲滑細(xì)膩，酸甜度俱佳。在黃精漿添加量2%時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶中黃精的風(fēng)味不足，功能價(jià)值難以體現(xiàn)，口感欠佳；黃精漿添加量高于8%時(shí)，產(chǎn)品色澤加深，黃精特有風(fēng)味顯著，酸奶香味弱，整體滋味不協(xié)調(diào)。

圖1 黃精漿添加量對(duì)酸奶感官評(píng)分的影響Fig.1 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the sensory score of yogurt

如圖2所示，隨著黃精漿添加量的增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，推測(cè)是黃精中的多糖荷電性導(dǎo)致持水性降低[22-23]。黃精鐵棍山藥酸奶的酸度[24]隨黃精漿添加量增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，乳酸菌利用碳水化合物代謝產(chǎn)生乳酸使酸度增大。同時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶中固形物含量也呈增加趨勢(shì)，推測(cè)因黃精漿添加量增多，酸奶黏附性增強(qiáng)，固形物含量升高。

圖2 黃精漿添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of the amount of Polygonatum sibiricum syrup added on the quality of yogurt

2.1.2 鐵棍山藥漿添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

鐵棍山藥漿能協(xié)調(diào)酸奶的口感，提升酸奶品質(zhì)，但添加量過(guò)多易掩蓋其他風(fēng)味；添加量過(guò)少會(huì)影響酸奶中山藥特有風(fēng)味。如圖3所示，黃精鐵棍山藥酸奶的感官評(píng)分隨鐵棍山藥漿添加量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。鐵棍山藥漿添加量8%時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶色澤均勻，凝塊細(xì)膩，呈現(xiàn)出乳白色，無(wú)乳清分離，口感細(xì)膩綿潤(rùn)，感官評(píng)分達(dá)到最高；鐵棍山藥漿添加量4%時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶中山藥的風(fēng)味不足、缺乏山藥綿密的口感；鐵棍山藥漿添加量高于10%時(shí)，山藥味重而掩蓋酸奶本身的香氣，酸奶黏度和硬度增大，且酸奶凝固過(guò)程中易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，酸奶口感不佳，組織狀態(tài)不均勻，感官評(píng)分降低[25]。

圖3 鐵棍山藥漿添加量對(duì)酸奶感官評(píng)分的影響Fig.3 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the sensory score of yogurt

如圖4所示，隨著鐵棍山藥漿添加量的增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈先增加后降低趨勢(shì)，添加量10%時(shí)達(dá)到最高，推測(cè)是多糖易與水分子作用形成膠體[26]，或蛋白質(zhì)通過(guò)包裹脂肪球顆粒，增加凝膠表面積，增強(qiáng)凝膠對(duì)水的束縛能力，更多的水分被截留[27-28]；黃精鐵棍山藥酸奶的酸度整體呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)；黃精鐵棍山藥酸奶的固體物含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，添加量8%時(shí)達(dá)到最高，過(guò)量鐵棍山藥漿會(huì)使酸奶凝固困難，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，組織不均勻[29]。

圖4 鐵棍山藥漿添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of the amount of Dioscorea polystachya Turczaninow. cv. Tiegun syrup added on the quality of yogurt

2.1.3 白砂糖添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

白砂糖為乳酸菌發(fā)酵提供碳源，具有緩和酸度，改善風(fēng)味[30]的作用。如圖5所示，白砂糖的添加量為7%時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶凝塊細(xì)膩，酸甜度適中，感官評(píng)分最高。

圖5 白砂糖添加量對(duì)酸奶感官評(píng)分的影響Fig.5 Effect of white sugar added on the sensory score of yogurt

如圖6所示，隨著白砂糖添加量增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性呈增加趨勢(shì)；黃精鐵棍山藥酸奶的酸度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在添加量6%時(shí)最高，白砂糖添加量過(guò)多易產(chǎn)生較高滲透壓，抑制發(fā)酵菌種的生長(zhǎng)繁殖，菌種活力下降；黃精鐵棍山藥酸奶的固體物含量呈上升趨勢(shì)，白砂糖添加量增加提高了酸奶黏度，利于酸奶凝固，提升酸奶品質(zhì)。

圖6 白砂糖添加量對(duì)酸奶品質(zhì)的影響Fig.6 Effect of white sugar added on the quality of yogurt

2.1.4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

由圖7可知，黃精鐵棍山藥酸奶發(fā)酵10 h時(shí)，黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)分最高；發(fā)酵時(shí)間低于9 h時(shí)，可能是因?yàn)槿樗峋敝巢怀浞?，成品酸奶組織狀態(tài)分布不均勻，凝固性差，黏稠度低，酸度低，酸奶風(fēng)味不足；發(fā)酵時(shí)間高于11 h時(shí)，乳酸菌繁殖旺盛，菌群密度高，酸奶過(guò)酸，口感降低[31]，可能是因?yàn)樗崮讨性械牡鞍啄z體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[32]，上層有少量乳清析出。

圖7 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶感官評(píng)分的影響Fig.7 Effect of fermentation time on the sensory score of yogurt

如圖8所示，隨著發(fā)酵時(shí)間增加，黃精鐵棍山藥酸奶的持水性和酸度均呈先增加后降低趨勢(shì)，發(fā)酵10 h和11 h最高；黃精鐵棍山藥酸奶的固形物含量呈先降低后增加的趨勢(shì)，發(fā)酵12 h最高。

圖8 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酸奶品質(zhì)的影響Fig.8 Effect of fermentation time on the quality of yogurt

2.2 響應(yīng)面分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型，以A、B、C作為響應(yīng)因子，以黃精鐵棍山藥酸奶的Y作為響應(yīng)值，對(duì)三因素三水平進(jìn)行響應(yīng)面分析。響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3，共17組試驗(yàn)，得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳配方制備參數(shù)。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Response surface test plan and results

采用Design-Expert 8.0.6 Trial對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合，得到回歸模型：

Y=86.93+0.87A+0.98B+0.066C+2.47AB+0.38AC-0.84BC-11.44A2-6.39B2-4.96C2

為檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)分?jǐn)M合得出的回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。試驗(yàn)的回歸模型極顯著(P<0.000 1)，模型失擬項(xiàng)P=0.060 4，差異不顯著(P>0.05)，表明該模型擬合精度高，預(yù)測(cè)結(jié)果具有可行性。在回歸模型中，交互項(xiàng)AB以及二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)結(jié)果影響極顯著，因素A、B對(duì)結(jié)果影響顯著，單因素C及交互項(xiàng)AC、BC對(duì)結(jié)果影響不顯著。由表4中F值可知，主要因素A、B、C對(duì)黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)分的影響程度依次為：B>A>C。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Regression equation analysis of variance

2.2.2 響應(yīng)面因子交互作用分析

利用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件制作各因素之間交互作用的響應(yīng)面見(jiàn)圖9，感官評(píng)分隨黃精漿添加量、鐵棍山藥漿添加量、白砂糖添加量的增加均呈先增后減的變化趨勢(shì)。兩因素間交互響應(yīng)面圖的響應(yīng)值均存在一個(gè)極大值，說(shuō)明感官評(píng)分極值在所選水平范圍內(nèi)，即此模型數(shù)據(jù)合理。由圖9中a可知，黃精漿添加量(A)和鐵棍山藥漿添加量(B)交互曲面縱向跨度較大，表明二者的交互作用對(duì)感官評(píng)分影響極顯著(P<0.01)，黃精漿添加量的變化趨勢(shì)較鐵棍山藥漿更明顯，對(duì)感官評(píng)分的影響更顯著。由圖9中b可知，黃精漿添加量(A)和白砂糖添加量(C)交互作用對(duì)感官評(píng)分的影響趨勢(shì)呈拋物曲面分布，交互作用不顯著(P>0.05)。由圖9中c可知，鐵棍山藥漿添加量(B)和白砂糖添加量(C)交互曲面縱向跨度較小，交互作用不顯著(P>0.05)，其結(jié)論同表4方差分析結(jié)論一致。

圖9 各因素之間交互作用對(duì)酸奶感官評(píng)分的響應(yīng)曲面圖Fig.9 Response surface graph of the interaction between various factors on the sensory score of yogurt

2.3 最佳工藝條件驗(yàn)證

采用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件對(duì)所得回歸方程進(jìn)行分析求解，得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳制備參數(shù)為：黃精漿6.10%、鐵棍山藥漿8.17%、白砂糖7.00%，此條件黃精鐵棍山藥酸奶感官評(píng)分預(yù)測(cè)值為87.00分。兼顧配料的準(zhǔn)確性和方便性，將工藝參數(shù)調(diào)整為：黃精漿6.00%、鐵棍山藥漿8.00%、白砂糖7.00%。按照該條件進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，得到黃精鐵棍山藥酸奶的感官評(píng)分為86.93分，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相近，表明運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化黃精鐵棍山藥酸奶的工藝參數(shù)方法可行合理，具有實(shí)際參考價(jià)值。

3 結(jié)論

藥食同源黃精、鐵棍山藥，口感風(fēng)味獨(dú)特、適口性好，在保健食品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)的功能性產(chǎn)品有黃精餅干、黃精軟糖、黃精果脯、山藥粉、山藥果糕等[33-35]，食用攜帶方便，且營(yíng)養(yǎng)豐富，契合消費(fèi)者對(duì)營(yíng)養(yǎng)、健康、口感等方面的購(gòu)買(mǎi)需求，具有極大的開(kāi)發(fā)價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

本研究通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法結(jié)合優(yōu)化得到黃精鐵棍山藥酸奶最佳發(fā)酵工藝條件為：黃精漿6.00%、鐵棍山藥漿8.00%、白砂糖7.00%、發(fā)酵時(shí)間10 h，感官評(píng)分為86.93分，在此條件下生產(chǎn)的黃精鐵棍山藥酸奶外觀如嫩豆腐，色澤清亮均一，無(wú)乳清析出，無(wú)結(jié)塊，無(wú)顆粒感；口感細(xì)膩爽滑，酸甜度俱佳；黃精與鐵棍山藥味道搭配適宜，兼具二者的特有風(fēng)味和功能價(jià)值。黃精鐵棍山藥酸奶持水性為55.90%、酸度為75.12°T、固形物含量為19.17%，均符合GB 19302—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：發(fā)酵乳》要求。本研究豐富了酸奶品種，滿足消費(fèi)者對(duì)功能型酸奶的需求，為黃精、鐵棍山藥在發(fā)酵食品中的應(yīng)用提供了參考。