响应面优化醋豆生产工艺

胡舰，周莹，左波，石怡雪，戴阳军*

(1.扬州大学 旅游烹饪学院，江苏 扬州 225127；2.江苏中谱检测有限公司，南京 210061；3.常熟理工学院 生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500)

黑豆(Glycinemax(L.) Merr)，又名乌豆、黑大豆、马料豆等，为豆科植物大豆的黑色种子。我国黑豆资源丰富，现以东北、华北和西北等地种植较为广泛，约占据全国大豆栽培总面积的13.2%。黑豆营养价值丰富，有“高蛋白、低热量”的特性，尤其是蛋白质含量达36%～40%，远高于其他豆类，而且富含18种氨基酸，特别是人体必需的8种氨基酸，要高于美国食品药品管理局规定的高蛋白质标准[1-3]，黑豆因此也被誉为“植物蛋白之王”。除此之外，黑豆还富含多种维生素、微量元素、不饱和脂肪酸以及黑色素、粗纤维等，使其具有保护视力、抗氧化、降血糖、降血压、健身滋补、乌发生津等保健功效，是一种医食同疗的特殊功能食品[4-7]。近年来，市场对于黑豆产品的需求正不断加大。

陈醋富含17种游离氨基酸以及多种矿物质、维生素和尼克酸等营养物质[8]。采用陈醋泡制黑豆可得醋豆，醋豆制法由来已久，古代医著《五十二病方》和《本草纲目拾遗》中早有记载，制得的醋豆具有活血、明目、养颜、补肾、利尿等功效[9]。而如今关于醋豆的研究并不多见，且目前醋豆的制备多用白醋和黄豆[10-12]，存在制作工艺缺乏系统优化、产品口味单一的缺陷。本实验用陈醋浸泡黑豆，渍制成醋豆，创新式地采用微波膨化黑豆，能最大限度地保存食品的营养成分，且加工时间短，使膨化、干燥、杀菌工艺同时完成[13]，最终形成具有特色风味和口感的新型醋豆食品，不仅丰富了醋豆食品种类，也为醋豆的工业化生产实践提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑豆：弘丰农作物种植专业合作社；陈醋：山西阁老醋业有限公司；蜂蜜：百花牌；乳酸菌：川秀牌；白砂糖：舒可曼牌；柠檬香精：福建固德香料有限公司；低聚果糖：完美有限公司。

1KW-6KW微波真空干燥机 山东科弘微波能有限公司；DZ(Q)-260T真空包装机 深圳市晟枫包装机械有限公司；SI-602电子分析天平 四川赛恩思仪器有限公司；CH2111电磁炉 上海奔腾企业有限公司；HPX-9612MBE恒温培养箱 上海博讯实业有限公司；Palux 1011QL万能蒸烤箱 北京太阳河贸易有限公司；WGL-230B电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程

筛选、洗净→微波膨化→加水浸泡→糖渍→加乳酸菌恒温发酵→蒸汽灭酶→制作醋汁→醋汁浸泡→干燥→真空包装。

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 筛选、洗净

挑选出无霉变、无蛀虫、颗粒大小均匀的黑豆，用清水彻底洗清并在室温下沥干。

1.2.2.2 微波膨化

通过电磁能的辐射传导，使醋豆内部的水分子吸收微波从而产生震动，实现醋豆中水分的汽化，进而带动黑豆的整体膨化[14]。将黑豆放入微波炉中微波膨化，参数设置为：功率500 W，频率2450 MHz。

1.2.2.3 糖渍

配制20%的白砂糖水溶液，糖渍使黑豆充分吸收糖分，积累干物质，不仅能抑制细菌生产繁殖，还能延长产品保质期[15]。

1.2.2.4 发酵

加入0.5%乳酸菌，将黑豆置于恒温箱中发酵。乳酸发酵使黑豆内部组织结构更加松软，口感好，各种营养素含量增加[16]，并且使得酸味更加醇和。设置恒温箱温度为37 ℃。

1.2.2.5 蒸汽灭酶

将发酵好的糖渍黑豆捞出，平铺在烤盘上，放入蒸烤箱中90 ℃蒸汽灭酶10 min。

1.2.2.6 醋汁浸泡

将处理好的黑豆放入坛中，然后调汁加入0.05%柠檬香精、0.5%蜂蜜和5%低聚果糖，密封保存2天。

1.2.2.7 干燥

将醋豆从坛中取出，放入微波真空干燥机中干燥，设置参数为2000 W，干燥时间为30 min。

1.2.2.8 包装

干燥好的醋豆用真空包装机密封，真空度控制在0.09 MPa。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 微波膨化时间对醋豆生产工艺的影响

取5份200 g黑豆洗净后，分别按不同微波时间1，2，3，4，5 min进行微波膨化。在其他因素不变的条件下进行实验，通过感官评价来确定最佳的微波时间。

1.2.3.2 发酵时间对醋豆生产工艺的影响

取5份200 g黑豆微波膨化3 min后，分别按不同发酵时间16，20，24，28，32 h进行发酵。在其他因素不变的条件下进行实验，通过感官评价来确定最佳的发酵时间。

1.2.3.3 醋浸时间对醋豆生产工艺的影响

取5份200 g黑豆发酵24 h后，分别按不同浸泡时间12，24，36，48，60 h进行醋浸。在其他因素不变的条件下进行实验，通过感官评价来确定最佳的醋浸时间。

1.2.3.4 醋浸比例对醋豆生产工艺的影响

取5份200 g黑豆发酵24 h后，分别按不同醋浸比例1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1进行浸泡48 h。在其他因素不变的条件下进行实验，通过感官评价来确定最佳的醋浸比例。

1.2.3.5 真空微波干燥时间对醋豆生产工艺的影响

取5份200 g黑豆浸泡48 h后，分别按不同干燥时间15，30，45，60，75 min进行干燥。在其他因素不变的条件下进行实验，通过感官评价来确定最佳的干燥时间。

1.2.4 响应曲面工艺设计配比

为确定醋豆的最佳生产工艺条件，在单因素实验的基础上选取发酵时间、微波干燥时间和醋浸比例这3个对醋豆产品质量影响最为明显的因素，故以这3个因素为自变因素，以感官评价(Y)为考察指标，设计响应曲面实验，因素水平见表1。

表1 响应面设计因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.3 测定方法

1.3.1 感官评价方法

在成品当天对醋豆进行感官评价，参考韩涛所述的评价方法。请10名接受过训练的食品专业人员来进行感官评价[17]。实验样品随机编号，采用百分制，品评人员需要独立客观地对醋豆的感官特性给出分值(气味30%、口感30%、硬度20%、酸度10%、色泽10%)，计算结果取平均值(小数点后面保留2位)。感官评价标准见表2。

表2 醋豆感官评定标准Table 2 Sensory quality index table of vinegar black beans

1.3.2 数据处理

实验数据使用软件IBM SPSS Statistics 21.0进行统计分析，用软件Origin 7.5及Design-Expert 8.0进行制图和数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 醋浸时间对醋豆品质的影响

图1 不同醋浸泡时间对醋豆品质的影响Fig.1 Effects of different vinegar soaking time on quality of vinegar black beans

由图1可知，在其他条件不变的情况下，随着陈醋浸泡时间逐渐增加，醋豆的感官评分先增大，达到最大值后呈下降趋势。当醋浸时间达到48 h左右时，醋豆产品的感官评分开始下降。醋豆醋浸时间太短，无醋豆应有的醋香味；时间过长，醋豆风味过酸，影响醋豆的感官评价。从整体的醋浸时间对于醋豆的感官评分而言，5组实验评分差距浮动不大，所以醋浸时间对于醋豆的感官评价不是特别显著，综合考虑醋豆风味以及生产工艺，确定醋豆生产的醋浸最佳时间为48 h。

2.1.2 微波膨化时间对醋豆品质的影响

图2 不同微波膨化时间对醋豆品质的影响Fig.2 Effects of different microwave puffing time on quality of vinegar black beans

由图2可知，随着醋豆产品微波膨化时间的增加，黑豆膨化后豆香味浓厚，其感官评分也逐渐增加。微波时间达到3 min左右时，醋豆产品的感官评分开始下降。微波膨化时间太长时，黑豆膨化变形，影响醋豆的感官评价。5组评分极差相差不大，故微波时间对于醋豆品质的影响不是特别显著，结合实验结果和生产效率，最终确定醋豆生产工艺的微波时间为3 min。

2.1.3 发酵时间对醋豆品质的影响

图3 不同发酵时间对醋豆品质的影响Fig.3 Effects of different fermentation time on quality of vinegar black beans

由图3可知，随着醋豆产品发酵时间的增加，黑豆内部组织结构更加松软，酸味更加醇和，其感官评分也逐渐增加。黑豆经乳酸菌发酵后，营养成分得到很好的保留，乳酸菌还能将大豆蛋白降解成易吸收的小分子肽和氨基酸，黑豆中尼克酸、叶酸及维生素B族的含量也有所增加，大豆蛋白质的消化率也能明显提高[18,19]。当发酵时间达到24 h左右时，醋豆产品的感官评分最高，之后开始下降，发酵时间过长时，醋豆的感官评价下降趋势明显，折线较陡，故发酵时间对于醋豆的感官评分影响较大，随着发酵时间的变化，醋豆的感官评分的变化趋势比较陡，因此选择发酵时间24 h进行研究。

2.1.4 醋浸比例对醋豆品质的影响

图4 不同醋浸比例对醋豆品质的影响Fig.4 Effects of different vinegar immersion ratios on quality of vinegar black beans

由图4可知，陈醋与黑豆比例为2∶1时，醋豆感官评分最高，此时黑豆充分吸收了调制醋汁的风味。当醋浸比例大于2∶1时，随着醋浸比例的增加，醋豆产品的感官评分开始下降，醋豆因为吸收醋汁过多，造成醋豆风味过酸，影响了醋豆的整体品质。整体而言，随着醋浸比例的变化，产品的感官评分的变化趋势比较陡，考虑成本及工业化生产实际情况，选择醋浸比例为2∶1进行研究。

2.1.5 微波干燥时间对醋豆品质的影响

图5 不同干燥时间对醋豆品质的影响Fig.5 Effects of different drying time on quality of vinegar black beans

由图5可知，随着真空微波干燥时间的增加，醋豆的水分逐渐蒸发，形成特有的风味，其感官评分呈先上升后下降的趋势，而且趋势明显。微波加热条件下，黑豆内部的水分蒸发使得黑豆内产生较高的压力，促使黑豆体积膨胀，表面水分的蒸发使得黑豆发生收缩行为[20]，膨胀和收缩这两种相反的趋势使得黑豆产生膨化效果，形成酥松口感，并使黑豆能在短时间内烘干。当干燥时间大于45 min时，因为醋豆产品干燥时间较长，醋豆变得干硬，失去原有风味，醋豆产品的感官评分陡降。

2.2 响应面优化醋豆生产工艺

2.2.1 响应面设计与结果

将单因素实验的结果输入软件IBM SPSS Statistics 21.0进行单因素方差分析，结果表明5个单因素的F值分别为：F(醋浸时间)=48.54，F(微波时间)=50.18，F(发酵时间)=63.54，F(醋浸比例)=508.63，F(干燥时间)=631.64。即各因素对醋豆感官评价的影响程度依次为：干燥时间>醋浸比例>发酵时间>微波时间>醋浸时间。故以发酵时间(A)、醋浸比例(B)和干燥时间(C)这3个因素对醋豆产品整体感官评价影响较大，实验采用Box-Behnken中心组合实验设计成3因素3水平实验，以醋豆产品感官评价(Y)为响应值，进一步确定醋豆生产的最佳工艺条件，实验结果见表3。

表3 Box-Behnken设计方案及结果Table 3 Design scheme and results of Box-Behnken

2.2.2 模型建立与方差分析

应用Design Export 8.0软件对表3的实验数据进行多元回归分析，得出醋豆感官评价与3个因素之间的多元二次回归方程如下：

Y(感官评价)=92.12+1.12A+2.02B-4.01C+0.34AB-0.31AC-2.15BC-5.02A2-8.49B2-9.47C2。

对醋豆生产工艺模型进行方差分析以及显著性检验，结果见表4。

表4 回归方程显著性检验与方差分析Table 4 Significance test and variance analysis of regression equation

注：“**”表示差异极显著(p<0.01)；“*”表示差异显著(p<0.05)。

由表4可知，模型p值极显著(p<0.0001)，而失拟项不显著(p>0.05)，说明拟合程度良好，该回归方程可以很好地描述发酵时间(A)、醋浸比例(B)和干燥时间(C)与醋豆感官评价的关系；R2=0.9825，说明该模型可以解释响应面中98.25%的可变性，可用于醋豆生产工艺的优化，而RAdj=0.9601，二者接近，说明方程预测值与真实值间的相关性很高[21]。由F值可知，3个因素对醋豆品质的影响程度依次为：C>B>A，其中B，A2，B2，C2极显著(p<0.01)，B，BC显著(p<0.05)，交互项AB，AC不显著(p>0.05)。

2.2.3 响应面及等高线分析结果

响应面可以很直观地反映出各因素对醋豆品质影响的整体趋势，而等高线排列的密集程度则能表现2个因素变化对醋豆感官评价的影响程度，响应面坡度越陡，等高线呈椭圆形，说明该因素对醋豆感官评分的影响越大；相反，坡度相对平缓，等高线呈圆形，说明该因素对醋豆感官评分的影响越小[22，23]。3个因素之间的交互作用对醋豆品质的影响见图6。其中，图6(c)的响应面坡度最陡峭，等高线最为密集且呈椭圆形，说明醋浸比例与干燥时间的交互作用对醋豆品质的影响最为显著，醋豆感官评价随着醋浸比例和干燥时间的增加而升高，醋浸比例为2∶1时感官评价分数最高，固定其中一个因素，感官评价和另一个因素呈非线性增长的趋势，二者交互作用显著，这与郑立红[24]的研究结果类似。响应面图最平缓的是图6(b)，等高线呈圆形，说明当醋浸比例一定时，干燥时间和发酵时间的交互作用对醋豆感官评价影响较小，与图6(a)中醋浸比例和发酵时间的交互作用类似。这与表4的回归分析结果吻合。

图6 各因素交互作用对醋豆品质的响应面图Fig.6 Response surface figures of quality of vinegar black beans affected by two-factor interaction

2.2.4 最佳工艺及验证实验

对回归方程偏导求解，可得出醋豆生产的最佳工艺条件：发酵时间24.50 h，醋浸比例2.15∶1，干燥时间35.39 min。根据实际生产情况可修正为：发酵时间24 h，醋浸比例2.1∶1，干燥时间35 min。在此工艺条件下进行3次验证实验，得到醋豆的感官评分为93.60分，与预测值92.80分基本一致，相对误差仅为0.86%。综上，说明实验所得模型与实际情况拟合程度良好，能够较好地反映出发酵时间、醋浸比例和干燥时间与醋豆感官评分之间的关系，可采用该模型对醋豆的品质进行预测。

3 结论

实验以黑豆为原料，通过单因素实验和响应面法对醋豆的生产工艺进行优化。通过单因素实验选出了发酵时间、醋浸比例和干燥时间这3个重要因素，在此基础上以醋豆感官评价为响应值进行三因素三水平的响应面优化实验，所得响应面模型效果极显著(p<0.0001)，最终得出优化条件为：发酵时间24 h，醋浸比例2.1∶1，干燥时间35 min。加工过程中具体工艺及配方为：醋豆清洗，放在室温沥干。经微波膨化3 min后，置于浓度为20%的糖水中进行糖渍，并加入0.5%乳酸菌在恒温37 ℃下发酵24 h，发酵后的醋豆经蒸汽灭酶10 min，调汁时加入0.05%柠檬香精、0.5%蜂蜜和5%低聚果糖，并以2.1∶1的醋浸比例浸泡48 h，浸泡后醋豆放入蒸烤箱中干燥35 min，最后将干燥好的醋豆用真空包装机密封。通过验证实验，此工艺下的醋豆产品豆香味醇和，醋酸味适当，经微波膨化后略带酥脆感，有别于市场上的普通醋豆，此时感官评分高达93.60分，可见本研究所构模型可显著提高醋豆的食用品质，在丰富醋豆市场产品种类的同时也对同类产品的生产加工具有一定的指导意义。