响应曲面法优化紫山药抗氧化酸奶的发酵工艺

王彦平，刘晓丽，孙瑞琳，焦镭

（河南农业职业学院，郑州451450）

响应曲面法优化紫山药抗氧化酸奶的发酵工艺

王彦平，刘晓丽，孙瑞琳，焦镭

（河南农业职业学院，郑州451450）

以紫山药和牛乳为原料，研究了紫山药抗氧化酸奶的发酵工艺。以感官评价为指标，在单因素实验的基础上，利用响应曲面对实验方法进行分析，优化紫山药浆添加量、白砂糖添加量、菌种添加量影响了紫山药酸奶发酵效果的工艺参数。建立了响应面回归模型，最终得出紫山药酸奶最佳工艺参数为：紫山药浆添加量28.82%，糖添加量9.23%，发酵剂接种量0.18%。在此条件下制得的紫山药酸奶总抗氧化值为21.03 U/g，具有一定的抗氧化功能，颜色微紫、组织细腻、酸甜可口、风味独特，适合饮用。

紫山药；酸奶；响应曲面；感官

0 引 言

紫山药为薯蓣科山药属一年生或多年生植物参薯的块茎，又名紫淮山、大薯、参薯等。其块茎质脆且有黏性，同时富含淀粉、膳食纤维、矿物元素、氨基酸、花青素、黏质多糖、尿囊素和薯蓣皂苷等多种营养和活性成分[1-3]，其具有抗氧化、免疫调节、降血糖、降血脂等作用。据《本草纲目》记载紫山药具有补脾胃、滋肺益肾、消渴等功效，对脾虚腹泻、久痢不愈、虚劳咳嗽、气虚衰弱等有一定的食疗作用[4]。

目前，响应曲面法在乳饮料加工、多糖提取及生物制剂提取等工艺过程的优化已有较多应用[5-10]。笔者以紫山药和牛乳为主要原料，对研制出的紫山药抗氧化酸奶进行感官评价，利用响应面法对试验工艺进行优化，旨为紫山药抗氧化酸奶的实际生产提供理论依据。

1 实验

1.1 材料与试剂

紫山药，纯牛奶（1 L），保加利亚乳杆菌(Lactobacil⁃lus bulgaricus，Lb.)，嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus，St.)为河南农业职业学院食品工程学院实验室提供，蔗糖（市售）。

1.2 仪器与设备

BPH-9272型恒温培养箱，GYB60-6S均质机，电热恒温水浴锅，LDZX-50FBS型压力蒸汽灭菌器，FA1604电子分析天平，BD/BC-718C升型卧式冷柜，PHS-3C精密pH计。

1.3 紫山药抗氧化酸奶生产工艺

1.3.1 工艺流程

1.3.2 紫山药抗氧化酸奶感官评价

感官评定的小组是由16名经过训练过的人员组成，熟悉各类型酸奶的感官评定。评价指标为酸奶的色泽、组织形态、口感及香味。取平均分作为感官评价结果，依据表1感官评定标准进行。

1.3.3 微生物指标检验

检验指标主要为大肠菌群和致病菌，按照GB/T 4789.18-2003《食品卫生微生物学检验乳与乳制品检验》规定的方法进行检验[11]。

表1 紫山药保健酸奶感官评定标准

1.4 紫山药抗氧化酸奶发酵条件优化

1.4.1 单因素实验

经预实验得出，发酵时间和发酵温度对紫山药抗氧化酸奶感官分值影响较小，因此，选择紫山药浆添加量、蔗糖添加量、菌种添加量为考察因素，以达到缩小响应面设计中因素水平范围的目的，为下一步优化设计做准备。

1.4.2 响应面优化实验

在单因素实验的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计原理，以紫山药浆添加量、蔗糖添加量及菌种添加量为考察因素，紫山药抗氧化酸奶感官评分Y为响应值，利用Design Expert8.0.6软件进行三因素三水平的响应面分析，建立数学模型，以获得紫山药抗氧化酸奶最佳发酵工艺条件，试验因素水平编码如表2所示。

表2 响应面试验因素与水平编码

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 紫山药浆添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评价影响

紫山药浆添加量的多少不仅会影响酸奶的风味，还会对酸奶的发酵效果及品质有很大的影响，添加量太大，会导致粘稠度过高，风味不好，添加量太少，会使酸奶色泽亮度低，感官评分低。在白砂糖、菌种添加量分别为9%和0.17%时，紫山药浆添加量分别设置为20%，22%，24%，26%，28%，30%，32%，34%，36%；统计感官评分分值，结果如图1所示。

由图1可知，感官分值随紫山药浆添加量的增加先增大然后降低，在添加量为28%左右感官分值达到最大值，故选用28%～32%的紫山药浆添加量，在此范围内的感官分值都大于80分。

2.1.2 白砂糖添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评价影响

白砂糖不但直接影响产品的甜度，还会对乳酸菌的发酵有一定的影响。酸奶中添加蔗糖可以缓和酸度，改善酸奶风味，提高口感品质，而适宜的白砂糖可以促进乳酸发酵的进行，但是白砂糖浓度过高将会抑制整个发酵过程[12-13]。固定紫山药浆、菌种添加量分别为28%和0.17%；当白砂糖添加量分别为2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%，16%时；测定不同白砂糖添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评价的影响，结果如图2所示。

由图2可以看出，紫山药抗氧化酸奶感官评价分值随白砂糖添加量的增加先增大后减小，在添加量为8%时感官分值达到最高，在添加量为8%～12%范围内，感官评价分值都大于80分，故选用白砂糖添加量8%～12%为适宜范围。

图1 感官分值随紫山药浆添加量的变化

图2 感官分值随白砂糖添加量的变化

2.1.3 菌种添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评价影响

在酸奶发酵过程中，两种菌种复合会提高酸奶的发酵产酸速度，嗜热链球菌有利于提高酸奶酸度，缩短酸奶发酵时间，而保加利亚乳杆菌的产物对酸奶的风味有很大影响[14]。复合菌种接种量对酸奶发酵影响较大，若接种量大，会导致酸奶发酵速度过快，酸奶的风味会受到影响，接种量太少，酸奶发酵能力受挫，发酵时间延长，也会使酸奶风味不足[15]。固定紫山药浆、白砂糖添加量分别为28%和9%；菌种添加量分别为0.06%，0.09%，0.12%，0.15%，0.18%，0.21%，0.24%，0.27%；测定不同菌种添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评价的影响，结果如图3所示。

图3 感官分值随菌种添加量的变化

由图3可以看出，紫山药抗氧化酸奶感官评价分值随菌种添加量的增加先增大后减小，在菌种添加量为0.18%左右时感官分值达到最高，在添加量为0.09%～0.18%范围内，感官评价分值都大于80分，故选用菌种添加量0.09%～0.18%为适宜范围。

2.2 响应曲面优化实验结果

在确定三种因素适宜范围后，选择紫山药浆添加量（X1）、白砂糖添加量（X2）、菌种添加量（X3）三个因素为自变量，感官评价分值为因变量Y，利用BOX等[16]的设计原理对紫山药抗氧化酸奶发酵工艺进行优化，试验设计及结果如表3所示。

表3 Box-Behnken实验设计及结果

利用Design-expert 8.0.6软件对表3进行数据分析，得到感官评价分值Y与自变量X1，X2，X3的二次回归方程为Y=80.80-0.62X1+0.13X2-0.25X3-0.25X1X2-0.5X1X3+0.5X2X3-2.03X12-1.53X22-1.27X32。对此模型进行方差分析，结果如表4所示。

表4 Box-Behnken实验方差分析

对表4进行分析可知，模型P值为0.0013，小于0.01，说明该模型显著。失拟项P值为0.1639，大于0.05，不显著，说明该模型与实际情况较吻合。因素A、交互项（AB、AC、BC）对结果影响显著，因素B、C对结果影响不显著。3个单因素影响紫山药抗氧化酸奶感官评价分值的影响顺序为A＞C＞B，即紫山药浆添加量对感官评价最为显著。同时，复相关系数R2=0.9448，表明预测效果较佳，可用该模型对紫山药抗氧化酸奶加工工艺进行分析和预测。

2.3 多因素交互作用响应曲面分析

各因素交互作用响应曲面分析结果如图4～图6所示。由图4～图6可以看出，三张图的交互结果较一致，随着各交互因素添加量的增加，紫山药抗氧化酸奶的感官评分值都呈现先增大后减小的趋势，总体而言，感官评分值变化量不大。图5和图6中两因素交互作用较显著，图4中两因素交互作用次之，这与表4中的分析结果相一致。经软件分析可得，紫山药抗氧化酸奶发酵的最佳工艺参数为：紫山药浆添加量28.82%，糖添加量9.23%，发酵剂接种量0.18%，紫山药抗氧化酸奶感官评分预测值可达83.7分。

图4 紫山药浆和白砂糖添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评分影响的响应面和等高线

图5 紫山药浆和菌种添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评分影响的响应面和等高线

图6 白砂糖和菌种添加量对紫山药抗氧化酸奶感官评分影响的响应面和等高线

2.4 最佳工艺条件的验证

为了验证响应面预测得出的最佳工艺参数，考虑其实际操作性，将三种添加量分别调整为28.8%，9.2%，0.18%；进行3次平行验证试验，最终感官评分值的平均值为83.45分，与预测值较接近，说明响应面优化的结果可行，具有实际利用价值。

2.5 产品质量各指标的测定

2.5.1 紫山药抗氧化酸奶感官指标

该产品为淡紫色、色泽均匀一致，黏附性较强，无乳清分离现象，具有紫山药和牛乳的特殊风味，口感细腻、酸甜适宜。

2.5.2 理化指标

紫山药抗氧化酸奶各项理化指标均符合相关要求。

2.5.3 微生物指标

乳酸菌数大于106CFU/mL，大肠菌群小于28 CFU/mL，致病菌未检出。

2.5.4 总抗氧化能力比较

根据总抗氧化能力测定试剂盒说明书测定紫山药酸奶的总抗氧化能力，并与部分市售酸奶比较。由表4可知，按最佳生产工艺所得紫山药酸奶总抗氧化能力为21.03 U/g，明显高于其他市售酸奶，具有一定的抗氧化能力，为抗氧化功能性酸奶。

表5 酸奶总抗氧化能力比较

3 结论

（1）由单因素试验得到紫山药抗氧化酸奶发酵前期的试验条件，紫山药添加量取值范围为28%～32%，白砂糖添加量范围为8%～12%，发酵剂添加量为0.09%～0.18%，为下一步的条件优化打下基础。

（2）经响应面优化得出紫山药抗氧化酸奶的最佳工艺配方为紫山药浆添加量28.82%，糖添加量9.23%，发酵剂接种量0.18%；在此基础上进行验证实验，得出的感官评价分值较高，研制出的紫山药抗氧化酸奶口感细腻，质地均匀，风味独特，其开发前景可观，也为实际生产提供了相关的理论依据。

（3）最佳条件下所得紫山药酸奶的总抗氧化能力为21.03 U/g，具有一定的抗氧化能力，为抗氧化功能性酸奶。

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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

郑州市普通科技攻关项目(153PKJGG424)；2015年度河南省高等学校优秀教学团队建设；2014年度河南省高等学校“专业综合改革试点”项目。

王彦平(1983-)，女，讲师，研究方向为食品功能与营养因子。

焦镭