芡实酸奶加工工艺的优化

张 然 齐 斌 王 晶

(1.常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏常熟 215500;2.江南大学食品学院，江苏无锡 214036)

芡实是睡莲科芡属植物芡(EuryaleferoxSalisb)的成熟种仁。在中国江苏、山东、安徽、湖北、吉林等地均有出产，在国外主要分布于东南亚、印度、俄罗斯朝鲜半岛等地区。芡的果实外形像鸡头，其种仁即为芡实又称鸡头米，常用作滋补品。本课题组［1］曾对苏州产芡实进行营养成分检测，发现芡实干品中总糖、蛋白质、脂肪含量分别为72.1，9.7，0.40 g/100 g;VB2、VC、钙、锌、铜、锰含量分别达到 0.86，15.14，16.78，4.14，0.94，0.82 mg/100 g;黄酮类物质含量为 14.60 mg/100 g。

目前中国对芡实的研究主要集中在其营养成分、生理活性方面［2，3］。随着酸奶在国内市场销售量的增加，开发各种类型的酸奶屡见报道［4，5］，目前仅有芡实乳饮料加工［6］的研究报道。笔者［7］曾针对芡实发酵奶的发酵工艺进行过试验研究，但未探讨影响芡实酸奶感官的各因素。本试验拟对影响芡实酸奶感官的因素如芡实浆与奶液的比例、加糖量、嗜热链球菌的接种量、发酵温度、发酵时间等进行探索，以芡实酸奶的感官评分为评价指标，利用响应面分析软件优化获得芡实酸奶加工工艺参数，旨为芡实的开发应用提供更多途径。

1 材料与方法

1.1 材料

芡实:苏州创德兴芡实有限公司;

雀巢全脂奶粉、白砂糖:购于常熟市大型超市;

嗜热链球菌:常熟理工学院生物与食品工程学院发酵工程中心保存;

α-淀粉酶、糖化酶:食品级，刑台万达生物制品有限公司;

其它试剂:分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要设备

高压均质机:GJZJ-型，天津特斯达食品科技机械有有限公司;

组织捣碎匀浆机:JJ-2B型，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;

电热恒温干燥箱:GZX-DH-202-1-S型，上海博泰实验设备有限公司;

数显恒温水浴锅:HH-4型，常州国华电器电器有限公司;

便携式数显糖度计:PAL-1型，日本ATAGO有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

芡实→浸泡(料水比1∶7(m∶V)，温度35～40℃，时间4 h)、打浆→煮沸→糊化(85℃，12 min)→液化(α-淀粉酶用量0.3%，温度65℃，时间80 min)→糖化(糖化酶用量0.5%，温度60℃，时间60 min)→过滤(80目)→得芡实浆→加入奶液(用新煮沸冷却至40℃的饮用水以15%的比例配制)、白砂糖调配→均质(25～30℃，16 MPa)→灌装(半瓶)→杀菌(110℃，10 min)→冷却(42～43℃)→接种嗜热链球菌→发酵→冷却→后熟(4℃，24 h)→成品

1.3.2 单因素试验设计

(1)芡实浆与奶液体积比对芡实酸奶感官评分的影响:在加糖量6%，嗜热链球菌接种量3%，发酵时间9 h，发酵温度42℃的条件下，研究芡实浆与奶液体积比(1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9)对芡实酸奶感官评分的影响。

(2)加糖量对酸奶感官评分的影响:采用上述试验确定的适宜的芡实浆与奶液体积比，嗜热链球菌接种量3%，发酵时间9 h，发酵温度42℃，研究不同加糖量(4%，5%，6%，7%，8%)对芡实酸奶感官评分的影响。

(3)嗜热链球菌接种量对芡实酸奶感官评分的影响:采用上述试验确定的适宜的芡实浆与奶液体积比、加糖量，发酵时间9 h，发酵温度42℃，研究不同嗜热链球菌接种量(1%，2%，3%，4%，5%)对芡实酸奶感官评分的影响。

(4)发酵时间对芡实酸奶感官评分的影响:采用上述试验中确定的适宜的芡实浆与奶液体积比、加糖量、嗜热链球菌接种量，发酵温度42℃，研究发酵时间(7.5，8.0，8.5，9.0，9.5 h)对芡实酸奶感官评分的影响。

(5)发酵温度对芡实酸奶感官评分的影响:采用上述试验确定的适宜的芡实浆与奶液体积比、加糖量、嗜热链球菌接种量、发酵时间，研究发酵温度(38，40，42，44，46 ℃)对芡实酸奶感官评分的影响。

1.3.3 响应面试验设计 在单因素试验的基础上，固定芡实浆与奶液体积比1∶5，发酵温度为42℃，以加糖量、嗜热链球菌接种量和发酵时间为试验因子，以芡实酸奶的感官评分为响应值，采用 Design-Expert.8.05b对发酵工艺进行优化，对模型进行多元回归拟合，获得芡实发酵奶感官评分对自变量加糖量、接种量、发酵时间的二次多项回归方程，并优选得出最佳发酵工艺条件。

1.3.4 芡实酸奶感官评定方法 根据GB 19302－2010制定具体评分标准见表1。由10名本专业同学组成评分小组，依据表1对产品色泽、气味、滋味及组织形态进行评分，结果取平均值。

表1 芡实酸奶感官评分标准Table 1 Standards of sensory evaluation for Euryale ferox Salisb yogurt

1.3.5 产品质量指标检测方法

(1)酸度测定:按GB 5413.34—2010执行;

(2)蛋白质含量测定:按GB 5009.5—2010执行;

(3)非脂乳固体含量测定:按GB 5413.39—2010执行;

(4)乳酸菌数测定:按GB 4789.35—2010执行;

(5)大肠菌群测定:按GB 4789.3—2010执行。

2 结果与讨论

2.1 芡实浆与奶液体积比对芡实酸奶感官品质的影响

由图1可知，随着芡实浆比例下降，酸奶的感官评分逐渐升高。但考虑到芡实酸奶的产品特色，原料中芡实的比例不宜太低，决定将调配时芡实浆与奶液体积比固定在1∶5，此时芡实酸奶的感官评分为75分。

2.2 加糖量对芡实酸奶感官品质的影响

由图2可知，芡实酸奶的感官评分随加糖量的升高先上升后下降，在加糖量为6%时，芡实酸奶的感官评分最高为81分。因此选择加糖量6%为宜。

2.3 嗜热链球菌接种量对芡实酸奶感官品质的影响

由图3可知，嗜热链球菌接种量为1% ～3%时芡实酸奶的感官评分变化不明显，接种量达到3%后随着接种量的升高芡实酸奶的感官评分呈下降趋势。接种量关系到菌种在奶液中的生长繁殖，对产酸速度有明显的影响。当接种量过少时，发酵速度慢，蛋白质凝固不充分，酸奶组织不细腻，易见凝块，反之，接种量过大时，发酵初期产酸过快，酸奶中蛋白质亚胶体分子团改变，亲合连接作用减弱，蛋白质网络松散，乳清析出较多，组织形态粗糙，导致酸奶的感官评分下降［8］。因此选择嗜热链球菌接种量3%为宜。

图1 芡实浆与奶液体积比对芡实酸奶感官品质的影响Figure 1 Effect of Euryale ferox Salisb plasm and milk ratio on sensory scores of Euryale ferox Salisb yogurt

图2 加糖量对芡实酸奶感官品质的影响Figure 2 Effect of amount of sugar on sensory scores of Euryale ferox Salisb yogurt

图3 嗜热链球菌接种量对芡实酸奶感官品质的影响Figure 3 Effect of inoculation amount on sensory scores of Euryale ferox Salisb yogurt

2.4 发酵时间对芡实酸奶感官品质的影响

由图4可知，随发酵时间延长芡实酸奶的感官评分先升高再降低，在发酵时间为8.5 h时，芡实酸奶的感官评分最高为86分。发酵时间太短，发酵不充分，组织状态粗，有大量气泡，乳清析出较严重。发酵时间过长，酸奶的酸度增加，微生物分泌的蛋白水解酶作用增强，导致酸奶中微小蛋白质亚胶体分子团改变，感官上滋味过酸，组织形态不细腻，乳清析出严重，感官评分下降［5］。因此选择发酵时间8.5 h进行进一步研究。

图4 发酵时间对酸奶感官品质的影响Figure 4 Effect of fermentation time on sensory scores of Euryale ferox Salisb yogurt

2.5 发酵温度对芡实酸奶感官品质的影响

由图5可知，随发酵温度的上升，芡实酸奶的感官评分显著上升;发酵温度高于40℃后，上升速度变慢，发酵温度为42℃时，酸奶的感官评分最高为78分。据报道［9］在低温(32～39℃)接种要比高温(43～45℃)接种时得到的酸奶的口感好。考虑到在工业生产中稍高的温度有利于缩短生产时间，降低成本，而42℃又是嗜热链球菌的最适生长温度，温度再高，对酸奶的感官评分有非常不利的影响，所以决定将发酵温度定在42℃。

图5 发酵温度对芡实酸奶感官品质的影响Figure 5 Effect of fermentation temperature on sensory scores of Euryale ferox Salisb yogurt

2.6 响应面试验结果与分析

2.6.1 响应面试验方案与结果 在单因素试验的基础上，根据Box-Benhnken的中心组合设计原理，考虑到芡实酸奶的产品特征，原料中芡实的比例不宜过低，因此在芡实浆与奶液体积比1∶5及发酵温度42℃的条件下，以加糖量、嗜热链球菌接种量和发酵时间为影响因子，以芡实酸奶的感官评分为响应值，采用响应面分析法，对芡实酸奶发酵工艺条件参数进行优化。试验设计及结果见表2、3。

表2 响应面分析因素水平表Table 2 Values and levels of RSM design

表3 试验设计及结果表Table 3 Experiment design and results

2.6.2 响应面试验方差分析 利用Design Expert软件对表2的试验数据进行二次多项回归拟合，获得酸奶感官评分对自变量加糖量、接种量、发酵时间的多元回归方程如下:

对得出的回归方程进行方差分析结果见表4。由表4可知:模型P＜0.000 1，说明本试验所选用的二次多项模型具有高度的显著性。失拟项不显著(P=0.181 2＞0.05)，说明模型的拟合性好。模型的决定系数R2=0.997 0，表明99.7%的感官评分变化都可由此模型解释。综上可知该模型拟合程度较好，可以用此模型来分析和预测芡实酸奶感官结果。从F值可以看出所选因素对响应值影响强弱次序为:A＞B＞C。在总的作用因素中A、A2、B2、C2的差异极显著(P＜0.000 1);B、C、AB、AC的差异显著性(P＜0.05);BC 的差异不显著(P＞0.05)。

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis for regression equation

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis for regression equation

R2=0.997 0;Adj R2=0.993 2。

方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值模型 919.37 9 102.15 260.02 ＜0.000 1 A 91.12 1 91.12 231.95 ＜0.000 1 B 21.13 1 21.13 53.77 0.000 2 C 18.00 1 18.00 45.82 0.000 3 AB 4.00 1 4.00 10.18 0.015 3 AC 2.25 1 2.25 5.3 0.047 9 BC 0.25 1 0.25 0.64 0.451 2 A2 581.32 1 581.32 1 479.71 ＜0.000 1 B2 76.05 1 76.05 193.59 ＜0.000 1 C2 67.37 1 67.37 171.48 ＜0.000 1残差922.12 16 2.75 7 0.39失拟项 2.75 3 0.92 4.59 0.181 2误差项 0.00 4 0.00总和

2.6.3 响应面分析与优化 利用 Design Expert软件对数据进行二次多元回归拟合，所得到的二次回归方程的响应面及其等高线图见图6～8。

图6 加糖量和接种量交互影响芡实酸奶感官品质的曲面图Figure 6 The interaction effect of inoculation amount and the amount of sugar on response surfaces of Euryale ferox Salisb yogurt sensory scores

图7 加糖量和发酵时间交互影响酸奶感官品质的曲面图Figure 7 The interaction effect of inoculation amount and fermentation time on response surfaces of Euryale ferox Salisb yogurt sensory scores

图8 接种量和发酵时间交互影响芡实酸奶感官品质的曲面图Figure 8 The interaction effect of inoculation amount and fermentation time on response surfaces of Euryale ferox Salisb yogurt sensory scores

由图6～8可知:A(加糖量)与B(接种量)、A(加糖量)与C(发酵时间)的交互作用均显著;B(接种量)与C(发酵时间)的交互作用不显著，与表4所示AB、AC的差异显著性(P＜0.05)，BC 的差异不显著(P＞0.05)的结果一致。

通过Design Expert软件分析预测芡实酸奶感官评分的最大预测值为88.4分，此时的工艺条件为最佳条件:加糖量5.85%，接种量3.37%，发酵时间8.54 h。为便于操作，将工艺进行适当处理为:加糖量5.8%，接种量3.4%，发酵时间8.5 h，进行验证实验，结果显示，芡实酸奶的综合得分90.1(相对误差为1.9%)，与预测值相差不大，说明该方程与实际情况拟合良好，充分验证了所建模型的正确性，说明响应面法适用于对芡实酸奶发酵工艺进行回归分析和参数优化。

2.7 产品质量指标

2.7.1 感官指标 芡实酸奶色泽均匀一致，呈微黄色;有发酵乳特有的滋味、气味，无其他异味，酸甜比例适当;组织细腻，凝块细小均匀滑爽，无气泡，可有少量乳清析出。

2.7.2 理化指标 酸度为87oT;蛋白质含量≥2.6%;非脂乳固体含量≥4.65%。

2.7.3 微生物指标 乳酸菌数≥5.8×106CFU/mL;大肠菌群 ＜30 CFU/100 mL。

3 结论

以芡实和奶粉为主要原料制作芡实酸奶既保留芡实的天然营养成分又具有丰富的乳酸菌菌体。试验表明，芡实酸奶生产的最佳工艺条件为芡实浆与奶液体积比1∶5，发酵温度42 ℃，加糖量5.8%，接种量 3.4%，发酵时间 8.5 h，该条件下制作的芡实酸奶呈微黄色，具发酵乳特有的滋味、气味，组织细腻，凝块细小均匀，感官评分达90.1分。在今后的进一步试验中还可探讨其它药食两用原材料与芡实复合添加制作风味酸奶的加工工艺以丰富酸奶的种类，同时也可提供更广阔的芡实深加工渠道。

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8 许本发.酸奶和乳酸菌饮料加工［M］.北京:中国轻工业出版社，1994:49～55.

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