响应面优化大麦酸奶工艺及其品质分析研究

赵延胜,王琪嫄,吴飞,肖香

(江苏大学食品与生物工程学院,江苏 镇江 212013)

响应面优化大麦酸奶工艺及其品质分析研究

赵延胜,王琪嫄,吴飞,肖香

(江苏大学食品与生物工程学院,江苏 镇江 212013)

将大麦粉经炒制熟化后添加至酸奶中,研究大麦粉的添加对酸奶品质的影响,并在单因素试验基础上,采用响应面法对大麦酸奶的发酵工艺进行优化,与市售酸奶进行品质对比分析.结果表明,大麦粉添加量、蔗糖添加量和发酵时间是影响酸奶感官品质的显著因素,菌种接入量的影响不显著;经响应面法优化后的大麦酸奶最佳生产工艺参数为:大麦粉添加量为20 g/L,蔗糖添加量为80 g/L,菌种接入量为3%,发酵时间为10 h;品质分析结果表明,与市售酸奶相比,大麦酸奶的营养价值更高,货架期更长.

大麦粉;酸奶;响应面;品质分析

0 引言

酸奶作为人们日常食用的发酵乳制品,不仅含有丰富的营养物质,而且具有改善肠道健康等益生功能[1].随着消费者生活水平的提高和对营养功能及口感需求的多元化,全谷物酸奶受到越来越多的关注.已有研究表明,谷物的添加不仅可以提升酸奶营养价值,还会改善其组织状态,赋予产品较好的感官品质[2].

大麦是典型的quot;三高两低quot;,并兼具食疗功效的粮食作物[3].Izydorczyk等人研究发现大麦β-葡聚糖能促进乳酸菌产生胞外多糖,胞外多糖则通过束缚更多的自由水和修饰酸奶凝胶结构,从而提升酸奶的粘度,并形成较好的组织状态和感官品质[4].因此,大麦酸奶的研发不仅能够丰富乳制品种类,也为充分利用大麦资源提供思路,具有重要的经济效益和现实意义.

1 实验

1.1 材料与试剂

大麦,菌种Yo-C571-F(嗜热链球菌和德氏乳杆菌保加利亚亚种),纯牛奶,糖等原辅料(食品级),所用试剂均为分析纯.

1.2 仪器与设备

VS-1300超净工作台,酸奶发酵机,均质机,Tec⁃Master快速黏度分析仪,生化培养箱,YX400Z高压灭菌锅,Sartorius分析天平.

1.3 方法

1.3.1 大麦粉的制备

挑选饱满无杂物的大麦作为原料,洗净沥干后,采用旋转式电磁炒制机对大麦粒进行翻炒,采用程序升温模式炒制:第一阶段100℃下炒制40 min,转速为30 r/min,第二阶段180℃下炒制40 min,转速为40 r/min,第三阶段250℃下炒制30 min,转速为50 r/min,使大麦粒微黄并伴有大麦固有香味停止翻炒.再采用锤式磨粉机进行粉碎,并过100目筛,得到大麦粉.

1.3.2 酸奶的制备工艺

按配方准确称取白砂糖、大麦粉,并混合均匀,缓慢加入原料乳中,搅拌后均质,均质压力为20 MPa,二次均质后,使原料乳和配料彻底混合均匀.并迅速进行杀菌处理,杀菌条件为90℃持续15 min,杀菌结束后冷却至42℃左右.接入酸奶发酵剂,并搅拌均匀,在42℃下恒温发酵至pH值为4.3左右,即可终止发酵,成品置于4℃冰箱贮藏,后熟24 h.

1.3.3 酸奶基础指标的测定

酸奶产品应符合GB19302-2010[6]食品安全国家标准发酵乳中的相关要求:分别依据GB5009.5,GB5413.3,GB5413.34,GB5413.39 和 GB4789.35[7-10]测定酸奶的蛋白质质量分数、脂肪质量分数、酸度、非脂乳固体质量分数和乳酸菌总数.

1.3.4 pH值的测定

采用Sartorius标准型pH计检测酸奶在贮藏期间的pH值变化情况.

1.3.5 持水力的测定

持水力的测定参考熊政委等人[11]的方法进行.

1.3.6 黏度的测定

采用黏度仪,在设定条件下(20℃,160 r/min)测定酸奶样品的黏度,黏度单位为mPa.s.

1.3.7 感官评价

感官评分标准如表1所示.

1.3.8 数据统计与分析

采用SPSS17.0软件对试验数据进行统计分析,不同组间的比较采用方差分析,Plt;0.05为差异显著,Plt;0.01为差异极显著,响应面分析结果用De⁃sign-ExpertV8.0.6进行分析.

2 结果与分析

2.1 大麦粉添加量对酸奶品质的影响

在蔗糖添加量为80 g/L、菌种接入量为3%、发酵时间为10 h和发酵温度为42℃的条件下,分析添加量分别为10,50,100,150,200 g/L的大麦粉对酸奶品质的影响.

由表2可以看出,随着大麦粉添加量的增加,酸奶的凝乳时间、pH和持水力发生不同变化.其中,酸奶的凝乳时间随着大麦粉添加量的增加而缩短,这可能是由于大麦粉添加量的增加,混合液中的糖类物质质量分数增多,包括大麦粉中的β-葡聚糖、低聚糖等成分,促进了乳酸菌的生长,乳酸菌产酸速率变快,凝乳所需的时间相应逐渐缩短,统计学分析显示,F=31.184,P=0.021lt;0.05,表明大麦粉添加量对酸奶凝乳时间的影响显著.酸奶pH值随着大麦粉添加量的增加而逐渐减小,这可能是由于大麦粉中的β-葡聚糖等成分也可作为乳酸菌的发酵基质,促进了乳酸菌产酸量的增加[12].酸奶持水力随着大麦粉添加量的增加而升高,这主要是因为大麦淀粉的吸水性较强,尤其是大麦淀粉经过糊化之后,淀粉颗粒比表面积增大,亲水集团的暴露,淀粉持水能力得到大幅度提高,表现为酸奶体系的持水力逐渐升高.此外,大麦粉中的蛋白质、β-葡聚糖等物质均为亲水性成分,在一定程度上提高了体系束缚自由水的能力.当大麦粉添加量大于10 g/L时,酸奶的组织状态开始变得粗糙、稠厚,且在大麦淀粉经糊化冷却后,出现分层,导致凝乳状态不佳.

2.2 蔗糖添加量对酸奶感官品质影响

在大麦粉添加量为20 g/L,菌种接入量为3%,发酵时间为10 h和发酵温度为42℃的条件下;分析添加量分别为60,70,80,90,100 g/L的蔗糖对酸奶品质的影响.

淡黄色,有酸奶风味,麦香味适中,偏甜,无分层,有少量乳清析出,组织状态良好,无肉眼可见的颗粒

由表3可以看出,蔗糖的添加量对酸奶样品的凝乳时间影响较小,虽大麦粉中的糖类物质能够促进乳酸菌的生长,但因添加量的变化幅度较小,对酸奶凝乳时间的影响程度有限,所有酸奶样品的凝乳时间基本维持在4.5 h左右.酸奶样品的pH值随着蔗糖添加量的增加而呈现逐渐较小的趋势,这可能是由于糖量的增加,为乳酸菌的生长提供了充足的C源,促进了乳酸菌的产酸,导致pH值的降低.当蔗糖添加量超过90 g/L后,pH值有升高的趋势,这可能是因为C源过多,造成C和N失衡,会抑制乳酸菌的生长和发酵,产酸量减少.酸奶持水力在蔗糖添加量为80 g/L时,达到最高,这可能是因为此时乳酸菌生长状态最佳,产生了较多的胞外多糖,从而提高酸奶的持水能力.

表1 酸奶感官评定

表2 大麦粉添加量对酸奶品质的影响

2.3 菌种接入量对酸奶品质影响

在大麦粉添加量为20 g/L,蔗糖添加量为80 g/L,发酵时间为10 h和发酵温度为42℃的条件下,分析菌种接入量分别为1%,2%,3%,4%,5%的乳酸菌混合菌种对酸奶品质的影响.

在酸奶发酵初阶段,嗜热链球菌利用牛奶中的乳糖和大麦粉中的β-葡聚糖进行快速生长和发酵,产生大量乳酸,使牛奶和大麦粉混合溶液的pH值下降.当pH值下降至5.5左右时,保加利亚乳杆菌开始大量繁殖,嗜热链球菌的生长收到抑制.当pH值下降至5.0时,保加利亚乳杆菌在酸奶的此阶段的发酵中占据了主要位置,pH值继续下降,到pH值为4.6左右时,牛奶中的酪蛋白在酸体系作用下开始大量凝聚,乳溶液开始凝固.从表4中可以看到,菌种的接入量对酸奶的凝乳时间、pH值和持水力产生了显著的影响,特别是对凝乳时间的影响极显著(F=46.136,Plt;0.01).菌种接入量为1%时,在发酵时间内未形成酸奶的凝乳组织,且持水力较差,产酸量较少.当接种量由2%逐渐增加时,pH值下降较为明显.酸奶的凝乳时间明显减少,组织状态良好,持水力也得到提升,这主要是因为单位含量的发酵基质内乳酸菌数增加,产酸速率和产酸量升高,促进了蛋白质的凝固.同时从表中也能看到,当菌种接入量超过5%时,乳酸菌产酸过多,凝乳过度,导致乳清开始析出,且产品的口感偏酸.

2.4 发酵时间对酸奶品质的影响

在大麦粉添加量为20 g/L,蔗糖添加量为80 g/L,菌种接入量为3%和发酵温度为42℃的条件下,分析发酵时间分别为4,6,8,10,12h对酸奶品质产生的影响.

发酵时间关系到酸奶产品最终的组织状态、口感等方面,是酸奶发酵过程中一项重要工艺参数.本研究使用的菌种为德氏乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌混和菌种,发酵活力较好,发酵温度较为一致.由表5可以看出,发酵时间对酸奶的pH值影响极显著(F=34.142,P=0.001lt;0.01),随着发酵时间的增加,酸奶产品的pH值逐渐降低,发酵时间在6 h以下,乳酸菌的增殖状态不足,发酵产酸量有限,酸奶组织凝固状态不佳,没有完全形成酸奶特有的质构.发酵时间在8~10 h内,酸奶组织状态较好,无分层,形成了酸奶的特有风味.当发酵时间超过10 h后,酸奶组织状态变差,乳清大量析出,酸甜比失衡,口感不好,酸奶品质下降.

2.5 响应面优化酸奶工艺

选取大麦粉添加量(A)、蔗糖添加量(B)、菌种接入量(C)和发酵时间(D)四个因素作为自变量,酸奶的感官评分作为因变量,依据Box-Behnken中心组合设计原理,对大麦风味酸奶的发酵工艺进行优化.因素水平和试验设计表及结果如表5和表6所示.

对表7中的试验数据进行方差分析,得到响应面回归模拟方程:

Y=72.90-8.10A+4.01B-1.40C-2.82D-2.88AB+1.55AC+0.97AD-1.00BC-1.60BD+0.30CD+3.27A2-4.19B2-0.62C2-1.36D2.

表3 蔗糖添加量对酸奶品质的影响

表4 菌种添加量对酸奶品质的影响

表5 发酵时间对酸奶品质的影响

表6 实验设计因素水平

表7 Box-Behnken设计方案及响应值结果

由表8可以看出,模型的Plt;0.0001,表明极显著,失拟项P=0.0676gt;0.05,表明不显著,说明该模型的拟合程度良好,试验误差小,可用于优化大麦酸奶的发酵工艺.此外,因素一次项A,B,D和二次项A2,B2,D2显著(Plt;0.05),一次项C和二次项C2不显著(Pgt;0.05),交互项AB显著,交互项AC,AD,BC,BD和CD不显著,如图1所示.

从上述的分析结果可以知道,大麦粉添加量、蔗糖添加量和发酵时间对大麦酸奶工艺的影响较为显著,响应曲面的变化幅度大,对酸奶的感官评分影响明显,其中大麦粉的最佳添加量为20 g/L,蔗糖最佳添加量为80 g/L,最佳发酵时间为10 h.菌种接入量对大麦酸奶工艺影响不显著,随着菌种接入量的增加,酸奶感官评分的响应曲面变化幅度较小,其最佳添加量在3%~5%之间.因此在本实验设计中所选取的因素水平范围内,各因素对响应值的影响排序为:大麦粉添加量gt;蔗糖添加量gt;发酵时间gt;菌种接入量.

表8 方差分析结果变异来源

2.6 大麦风味酸奶的品质分析

通过对比分析大麦酸奶(最优工艺条件下)与市售酸奶的特征性指标,来评估大麦酸奶的综合品质.表9为酸奶的理化指标和微生物指标检测结果.

表9 酸奶检测结果

由表9可以看到,市售酸奶和大麦酸奶的各项指标均符合GB19302-2010中对于酸奶所做的规定,且大麦酸奶中的蛋白质、脂肪和非脂乳固体质量分数均高于市售酸奶,特别是大麦风味酸奶中的乳酸菌活菌数远高于市售酸奶,说明大麦粉有明显的乳酸菌增殖作用.因此相比市售酸奶,大麦酸奶营养成分更加丰富,营养价值更高.

酸奶保质期的确定结果由图2~图4所示.

蔡超[13]等人报道称酸奶变质至无法被消费者接受时的评定指标为:酸度gt;120°T,感官评分lt;60分,感官出现以下表现视为酸奶的货架终点:组织较粗糖;气味不协调,酸味较重;凝乳不均匀,乳清析出严重.由图2-图4可以看出,酸奶酸度随着贮藏天数的增加逐渐升高,其中市售酸奶在第15 d时酸度达到122°T,大麦风味酸奶在第20 d酸度超过120°T,此时酸奶的乳清析出严重,酸甜比失衡,表现为酸奶感官评分显著下降,市售酸奶在第15 d时的感官评分低于60分,判定为保质期终点,而大麦风味酸奶在15 d时感官评分仍大于60分,因此大麦粉的添加延长了酸奶的货架期,长达20 d,且在这期间内酸奶中乳酸菌活菌数仍保持较高水平,在第15 d时,活菌数仍然高达1.76X 109mL-1.

图1 因素交互影响感官评分的响应曲面图

图2 酸奶酸度在贮藏期间变化

图3 酸奶中乳酸菌数在贮藏期间的变化

图4 酸奶的感官评分在贮藏期间的变化

3 结论

通过单因素试验和响应面分析法优化大麦酸奶发酵工艺,并将最优工艺条件下制得的酸奶与市售酸奶进行品质对比分析,主要结论如下:

(1)优化得到了酸奶感官品质和大麦粉添加量、蔗糖添加量、菌种接入量和发酵时间的回归模型,得到最优的工艺参数为:大麦粉添加量为20 g/L、蔗糖添加量为80 g/L,接种量为3%,发酵时间为10 h.在此条件下,酸奶感官得分是85.7,与预测值87.4较为接近,表明该模型的拟合程度较高.

(2)与市售酸奶相比,大麦酸奶的营养价值更高,贮藏期的稳定性更高,货架期更长.

[1]范宇,陈历俊,赵常新.酸奶质构影响因素的研究进展[J].中国乳品工业,2009,37(7):30-34.

[2]杨淑妮,李理.全谷物酸奶的理化及功能特性研究[J].中国乳品工业,2016,44(4):17-20.

[3]ETICHA F,GRAUSGRUBER H,BERGHOFFER E.Multivariate analysis of agronomic and quality traits ofhull-less spring barley[J].Journal of Plant Breeding and Crop Science,2010,2(5):81-95.

[4]IZYDORCZYK M,DEXTER J.Barley β -glucan and arabinox⁃ylans:Molecular structure,physicochemicalproperties,and uses in food productsa Review[J].Food Research International,2008,41:850-868.

[5]GB 19302食品安全国家标准发酵乳[S].北京:中国标准出版社,2010.[6]GB 5009.5食品安全国家标准食品中蛋白质的测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[7]GB 5413.3食品安全国家标准婴幼儿食品和乳品中脂肪的测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[8]GB 5413.34食品安全国家标准乳和乳制品酸度的测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[9]GB 5413.39食品安全国家标准乳和乳制品中非脂乳固体的测定[S].北京:中国标准出版社.2010.

[10]GB 4789.35食品安全国家标准食品微生物学检验乳酸菌检验[S].北京:中国标准出版社,2010.

[11]熊政委,王文佳,温瑞,董全.响应面法优化菊糖酸奶的发酵工艺[J].食品科学,2014,35(13):156-160.

[12]DORDEVIC T,MARINKOVIC S,BRANKOVIC S.Effect of fer⁃mentation on antioxidant properties of some cereals and pseudo cere⁃als[J].Food Chemistry,2010,119:957-963.

[13]蔡超.酸奶在贮存期间参数的变化对货架寿命预测模型的研究[D].华中农业大学,2012.

Optimization of fermentation technology of barley yoghurt by response surface methodology and the quality analysis

ZHAO Yansheng,WANG Qiyuan,WU Fei,XIAO Xiang
(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

On the basis of single factor experiments,fermentation process of yoghurt added with barley flour was optimizedby response sur⁃face methodology,and quality analysis of yoghurt was takencompared with commercial yoghurt.The results showed that the amount of bar⁃ley flour,sugar,and fermentation time are factors that have significant influence on sensory quality of yoghurt,while the impact of inoculum size was not significant.The optimum fermentation parameters were determined as follows:20 g/L of barley flour,80 g/L of sugar,an inocu⁃lum size of 3%,and a fermentation time of 10 h.Compared with the commercial yoghurt,the nutrition value of barley yogurt was higher and the shelf life was longer.

barley flour;yoghurt;response surface;quality analysis

TS252.54

A

1001-2230(2017)10-0042-05

2017-02-28

quot;十二五quot;国家科技支撑计划(2014BAK19B);江苏大学高级人才专项(1281360027).

赵延胜(1985-),男,讲师,研究方向为食品营养与安全.

肖香