响应面法优化菊粉山药酸奶发酵工艺研究

贾彦杰，魏 楠，李宗泽，钱志伟*，刘晓丽

（河南农业职业学院，河南 郑州 451450）

菊粉（inulin）又名菊糖，为D-呋喃果糖经β-（2,1）糖苷键聚合而成的一种果聚糖，在菊芋和菊苣等植物中广泛存在[1-2]。菊粉中含有大量的膳食纤维，不仅具有益生元的生理特性，而且水溶性好、凝胶性能特殊，与面粉的粉体特征较相似，故与其他膳食纤维相比，菊粉在改善食品质构性状、提高营养价值及加工性能等方面更具有优越性[3-6]。山药（Dioscorea oppositaThunb.）是薯蓣科（Dioscorea）[7]多年生草本藤蔓植物，为我国传统的药食同源性植物。山药中所含的尿囊素[8]和薯蓣皂苷元[9]等功能因子赋予了其助消化、健脾益胃、降低血糖等保健作用[10-11]。目前关于山药酸奶有较多相关报道，如刘春芬等[12]以奶粉和山药为原料研制保健酸奶，通过单因素和正交试验，得到山药保健酸奶的优化条件；魏秋红[13]以山药、桂圆为原料，得出了山药桂圆酸奶的最佳配方；张东京等[14]以山药和全脂奶粉为原料，研究得出了山药酸奶的最佳发酵条件。而以山药和菊粉为原料制作的酸奶还未见相关报道。

响应曲面法（response surface methodology，RSM）是一种应用广泛的试验优化方法，它采用合理的试验设计，以经济的形式对实验进行全面研究，可有效快速地确定多因子系统的最佳试验条件[15]。利用响应曲面法，可以合理的进行试验设计，同时还具有试验次数少、时间短等特点，可对试验进行全面的研究[16]。目前，RSM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广泛应用[17-21]。本试验以脱脂纯牛奶为原料，木糖醇为甜味剂，将菊粉和山药粉加入到牛奶中进行发酵，并采用响应面法对试验工艺进行优化，旨在为低糖低脂型菊粉山药酸奶的实际生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药粉：焦作怀山源食品有限公司；菊粉：陕西森弗高科实业有限公司；脱脂牛奶：中国品利公司；菌种发酵剂（菌种活力50U，内含嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌）：丹麦科汉森公司；木糖醇：山东蜜福堂有限公司。

1.2 仪器与设备

DNP-9272恒温培养箱、DK-S26电热恒温水浴锅：上海精宏实验设备有限公司；GYB60-6S均质机：上海嘉鹏科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菊粉山药酸奶工艺流程

操作要点：

（1）预热：预热温度应保持在40～50℃范围内，否则脱脂牛奶中的水分蒸发较多，体积减小。

（2）均质：将预热后的酸奶进行均质，均质压力18MPa，时间2 min。

（3）冷却：均质后，冷却至42℃。

（4）接种：接种时温度不可过高，否则会导致发酵剂损失，应冷却至42℃再接种。

（5）发酵：接种后，置于42℃恒温培养箱内发酵5 h至凝乳停止发酵。

（6）冷却后熟发酵完成的酸奶应立即降温。于4℃冰箱中冷藏后熟12 h，促进酸奶香味物质形成。

1.3.2 菊粉山药酸奶感官评价

感官评定小组是由16名经过训练过的人员组成，熟悉各类型酸奶的感官评定。评价指标为菊粉山药酸奶的色泽、组织形态、口感和气味。取平均分作为感官评价结果，依据表1感官评分标准进行评价。

表1 菊粉山药酸奶感官评分标准Table 1 Sensory evaluation standards of inulin yam yogurt

1.3.3 酸度测定[22]

称取样品10 mL于100 mL锥形瓶中，加20 mL蒸馏水摇匀，加入1～2滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微红色，且30 s内颜色不褪，消耗的NaOH体积乘以10即为滴定酸度。

1.3.4 持水力测定[23]

取5 mL待测样品，并准确称量样品的质量，将样品放入离心机3 000 r/min离心30 min，取出离心管静置10 min。去除上清液，测残余物的质量，酸奶持水力按式（1）计算。

式中：m代表残余物的质量，g；m0代表样品的质量，g。

1.3.5 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/T4789.18—2010《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[24]。

1.3.6 菊粉山药酸奶发酵条件优化

（1）单因素试验

菊粉添加量：山药粉、木糖醇、菌种添加量分别为0.5%、10%、0.4 U/L时，考察菊粉添加量（0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%）对感官评分的影响。

山药粉添加量：菊粉、木糖醇、菌种添加量分别为0.9%、10%、0.4 U/L时，考察山药粉添加量（0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1%、1.3%）对感官评分的影响。

木糖醇添加量：菊粉、山药粉、菌种添加量分别为0.9%、0.5%、0.4U/L时，考察木糖醇添加量（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%）对感官评分的影响。

发酵剂添加量：菊粉、山药粉、木糖醇添加量分别为0.9%、0.5%、10%时，考察发酵剂添加量（0.1 U/L、0.2 U/L、0.3 U/L、0.4 U/L、0.5 U/L、0.6 U/L、0.7 U/L、0.8 U/L、0.9 U/L）对感官评分的影响。

（2）响应面优化试验

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计原理，以菊粉、山药粉、木糖醇、发酵剂添加量为考察因素，菊粉山药酸奶感官评分（Y）为响应值，运用Design Expert 8.0.6软件采用4因素3水平的响应曲面优化，建立数学模型，以获得菊粉山药酸奶最佳发酵工艺条件，响应面试验因素与水平见表2。

表2 酸奶配方优化响应面试验因素与水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments for yogurt formula optimization

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 菊粉添加量对菊粉山药酸奶感官评分影响

由图1可知，感官评分随菊粉添加量的增加先升高后降低，在添加量为0.9%时感官评分达到最大，这主要是菊粉添加量低时色泽较差、没有菊粉的特殊风味，而当菊粉添加过多时，凝结状态差，分层明显，颜色呈褐色，质地粗糙，影响最终的评价，故最佳菊粉添加量为0.9%。

图1 菊粉添加量对酸奶感官评分的影响Fig.1 Effect of inulin addition on sensory score of yogurt

2.1.2 山药粉添加量对菊粉山药酸奶感官评分影响

图2 山药粉添加量对酸奶感官评分的影响Fig.2 Effect of yam powder addition on sensory score of yogurt

由图2可知，感官评分随山药粉添加量的增加先升高后降低，山药粉添加量过大，会出现乳清析出，口感粗糙，发酵效果不好；山药粉添加量过少，导致酸奶色泽亮度低，山药味不明显[28]。在添加量为0.5%时感官评分达到最大，故选用0.5%为山药粉添加量。

2.1.3 木糖醇添加量对菊粉山药酸奶感官评分影响

图3 木糖醇添加量对酸奶感官评分的影响Fig.3 Effect of xylitol addition on sensory score of yogurt

由图3可知，菊粉山药酸奶感官评分随木糖醇添加量的增加先升高后降低，在添加量为10%时感官评分达到最高，这是因为木糖醇添加量过小，形成的酸奶甜味不足，影响产品评分，而木糖醇含量过高时，造成产品过甜，且发酵过度产酸量增加，导致评分下降，故选用木糖醇添加量为10%。

2.1.4 发酵剂添加量对菊粉山药酸奶感官评分的影响

图4 发酵剂接种量对酸奶感官评分的影响Fig.4 Effect of starter inoculum on sensory score of yogurt

由图4可知，菊粉山药酸奶感官评分随菌种添加量的增加先升高后降低，复合菌种接种量对酸奶发酵影响较大，若接种量过大，会导致酸奶发酵速度过快，酸奶的风味不足，接种量过少，酸奶发酵能力受挫，发酵时间延长，也会使酸奶风味不佳[25]。在菌种添加量为0.4 U/L左右时感官评分达到最高，故选用菌种添加量为0.4 U/L。

2.2 响应曲面优化试验结果

对山药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试验设计及结果Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments

续表

利用Design-expert 8.0.6软件对表3进行数据分析，得到感官评分Y与自变量X1、X2、X3、X4的二次回归方程为：Y=89.40-7.50X1+0.083X2+0.50X3+6.58X4-0.50X1X2+0.75X1X3-对此模型进行方差分析，结果如表4所示。

由表4分析可知，模型P值＜0.000 1，说明该模型极显著。而失拟项P值为0.050 2＞0.05，不显著，说明该模型与实际情况吻合度较大。因素X1、X4对结果影响显著（P＜0.05）。4个单因素影响菊粉山药酸奶感官评分的影响顺序为X1＞X4＞X3＞X2，即菊粉添加量对感官评分最为显著。同时，复相关系数R2=0.960 2，表明预测效果较佳，可用该模型对菊粉山药酸奶加工工艺进行分析和预测。

表4 Box-Behnken试验方差分析Table 4 Variance analysis of Box-Behnken experiments

2.3 多因素交互作用响应曲面分析

图5 各因素交互作用对菊粉山药酸奶感官评分影响的响应面和等高线Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interactions between each factors on sensory score of inulin yam yogurt

各因素交互作用响应曲面分析结果如图5所示。六张图的交互结果较为一致，随着各交互因素添加量的增加，菊粉山药酸奶的感官评分值都呈现先增大后减小的趋势，总体而言，感官评分值变化幅度不大，图5中两因素交互作用不明显，这与表4中的分析结果相一致。经软件分析可得，菊粉山药酸奶发酵的最佳工艺参数为：菊粉添加量0.77%、山药粉添加量0.52%、木糖醇添加量10.04%、发酵剂接种量0.47 U/L，菊粉山药酸奶感官评分预测值可达93.19分。

2.4 最佳工艺条件的验证

为了对响应面预测得出的最佳工艺参数进行验证，同时为方便实际操作对以上结果进行优化，按照菊粉、山药粉、木糖醇、发酵剂添加量分别为0.8%、0.5%、10%、0.5 U/L，此条件下的平均感官评分为92.66分，与预测值较接近，说明响应面法优化的结果可信度较大。

2.5 产品质量各指标的测定

2.5.1 菊粉山药酸奶感官指标

该产品为乳白色或微黄色、色泽均匀一致，黏附性较强，无乳清分离现象，具有该产品特殊风味，口感细腻、酸甜适宜。

2.5.2 菊粉山药酸奶品质检测

蛋白质含量：3.4%；酸度：84.2°T；总固形物含量：25.3%；持水力：18.24%。

乳酸菌数≥3.4×108CFU/mL；致病菌：未检出。

3 结论

经响应面优化得出菊粉山药酸奶的最佳工艺配方为：菊粉添加量0.8%、山药粉添加量0.5%，木糖醇添加量10%、发酵剂接种量0.5 U/L，在此结果上进行验证试验，得出的感官评分为92.66分。因此，利用响应曲面法对菊粉山药复合酸乳的工艺条件进行优化，可以获得较佳的工艺参数，有效地减少了试验操作的盲目性，为实际生产提供了一定的理论依据。

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