响应面法优化富硒发酵羊乳饮料加工工艺
2018-11-16祁新华张秀秀王海霞李晓东刘璐
祁新华，张秀秀，王海霞，李晓东，刘璐
（东北农业大学食品学院，乳品科学教育部重点实验室，哈尔滨150030）
0 引 言
硒（Se）元素作为人体必需的微量元素之一，与多种疾病的防治以及防氧化、抗衰老密切相关。硒有无机硒和有机硒两种存在形式，但有机硒比无机硒的毒性小，更易吸收[1-3]。目前，利用富硒酵母补硒是最常用的生物富硒途径，有利用率高和环境污染小的优点，是国内最高效补硒制剂[4]。羊奶富含蛋白质、脂肪、乳糖、维生素及生物活性物质，易于被人体消化吸收[5]。作为一种新兴奶源开始受到更多的关注[6-8]。小麦胚芽含有麦胚凝集素、谷胱甘肽以及黄酮类化合物等多种生物活性物质[9]。
本研究以羊奶粉、小麦胚芽粉和富硒酵母为原料，以感官评分作为评价指标，通过单因素实验和响应面分析，确定富硒发酵羊乳饮料的最佳加工工艺及配方，为工业化生产提供参考。
1 实验
1.1 材料与仪器
羊奶粉，小麦胚芽粉，富硒酵母，嗜酸乳杆菌，副干酪乳杆菌，白砂糖，乳清蛋白粉，柠檬酸，羧甲基纤维素，黄原胶（符合国家标准）。
GSP-9080M B隔热式恒温培养箱，LDZX-50FBS型立式压力蒸汽灭菌器，SW-CJ-1F型超净工作台，AL-104型精密电子天平，SRH型高压均质机，BCD-241ZE3CKJ冰箱。
1.2 方法
1.2.1 工艺流程[10-11]
羊奶粉→溶解→小麦胚芽粉+富硒酵母+乳清蛋白粉+蔗糖→均质→脱气→杀菌→冷却→接种发酵→冷却后熟→柠檬酸+羧甲基纤维素+黄原胶杀菌后混合→均质→灌装
1.2.2 单因素实验
分别以小麦胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、发酵时间、发酵温度作为自变量进行单因素实验，每组选取5水平，对羊乳饮料进行感官评价。
（1）小麦胚芽粉添加量。嗜酸乳杆菌：副干酪乳杆菌=1∶1，富硒酵母添加量为0.50‰，发酵时间为8 h，发酵温度为41℃条件下，小麦胚芽粉添加量分别为5%、7%、9%、11%、13%，以感官评价得分为指标，确定小麦胚芽粉的添加量。
（2）富硒酵母添加量。嗜酸乳杆菌：副干酪乳杆菌=1∶1，小麦胚芽粉添加量为9%，发酵时间为8 h，发酵温度为41℃条件下，富硒酵母添加量分别为0.18‰、0.34‰、0.50‰、0.66‰、0.82‰，以感官评价得分为指标，确定富硒酵母的添加量。
（3）发酵温度。嗜酸乳杆菌：副干酪乳杆菌=1∶1，小麦胚芽粉添加量为9%、富硒酵母添加量为0.50‰，发酵时间为8 h，发酵温度分别为37，39，41，43，45；以感官评价得分为指标，确定发酵温度。
（4）发酵时间。嗜酸乳杆菌∶副干酪乳杆菌=1∶1，小麦胚芽粉添加量为9%、富硒酵母添加量为0.50‰，发酵温度为41℃，发酵时间分别为4，6，8，10，12；以感官评价得分为指标，确定发酵时间。
1.3 响应面试验设计
为综合考虑各因素对羊乳饮料的影响，在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken的中心组合设计原理，以羊乳饮料的感官评价得分为优化指标，以小麦胚芽粉添加量、富硒酵母添加量、发酵温度和发酵时间作为响应变量，分别以X1，X2，X3和X4表示，并以-1，0，1分别代表变量的水平，以感官评价得分Y作为响应量，通过Design-Expert 8.0.6软件进行响应曲面优化，试验设计如表1所示。
表1 响应曲面实验设计因素水平及编码
1.4 硒质量分数检测
检测方法参照GB 5009.93-2017《食品安全国家标准食品中硒的测定》进行。
1.5 滴定酸度的测定
滴定酸度的测定按照GB 5009.239-2016的方法测定，结果以°T示。
1.6 感官评价标准
感官评价由10名（男女比例为1∶1）经过感官评价训练、有经验的评定员，进行评定。分别从滋味、色泽、凝固状态、气味这四个方面对羊乳饮料进行感官评分[12]，满分100分，通过得分高低来评判产品的优劣。感官评价标准如表2所示。
表2 感官评价标准
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果
2.1.1 小麦胚芽粉添加量的确定
由图1可以看出，当小麦胚芽粉的添加量为5%～9%时，随着添加量的增加，羊乳饮料感官评价得分逐渐升高，且当添加量为9%时，滴定酸度达到最大值，羊乳饮料感官评价得分最高。此时，小麦胚芽粉可以提供适量的糖类物质，有助于促进乳酸菌发酵，羊乳饮料的酸度等品质达到较优水平。当小麦胚芽粉添加量大于9%时，滴定酸度降低，可能由于发酵液含糖量过高，乳酸菌发酵受到抑制，乳酸生成量减少，羊乳饮料感官评价得分逐渐降低[13]。因此，小麦胚芽粉的最佳添加量为9%。
图1 小麦胚芽粉添加量对羊乳饮料品质的影响
2.1.2 富硒酵母添加量的确定
由图2可知，当富硒酵母的添加量为0.18～0.50‰时，随着添加量的增加，滴定酸度逐渐升高，羊乳饮料感官评价得分逐渐升高，且在添加量为0.50‰时，羊乳饮料感官评价得分最高。当富硒酵母添加量超过0.50‰时，滴定酸度逐渐下降，羊乳饮料的感官评价得分逐渐下降。在羊乳发酵过程中添加适量富硒酵母，可以加速发酵，增加乳酸生成量，提高乳饮料的酸度。但随着富硒酵母的用量增加，羊乳中营养供应不足，会影响富硒酵母的生长，从而会影响发酵程度，使乳饮料的酸度降低。当富硒酵母用量过大时，富硒酵母的生长受到抑制，同时富硒酵母含有的特殊气味会影响羊乳饮料的感官评价得分[14-16]。因此，富硒酵母的最佳添加量为0.50‰。
图2 富硒酵母添加量对羊乳饮料品质的影响
2.1.3 发酵温度的确定
由图3可知，当发酵温度为37～41℃时，随着发酵温度的升高，羊乳饮料的滴定酸度升高，羊乳饮料的感官评价得分逐渐升高，这可能是由于乳酸菌体内参与的代谢活动的酶活性逐渐增强，乳酸菌代谢增强，乳酸菌分解乳糖产生的乳酸含量增加，逐渐形成乳饮料特有的发酵风味，从而使得羊乳饮料的感官评价得分逐渐增加；当发酵温度超过41℃时，参与乳酸菌体内代谢活动的酶随温度的升高活性逐渐降低，乳酸菌分解乳糖产生的乳酸不足，乳饮料酸度下降、风味不佳，使得羊乳饮料的感官评价得分下降[17]。因此，最佳发酵温度为41℃。
图3 发酵温度对羊乳饮料品质的影响
2.1.4 发酵时间的确定
由图4可知，当发酵时间为4～8 h时，随着发酵时间的延长，羊乳饮料的滴定酸度和感官评价得分逐渐增大，感官评价得分于发酵时间为8 h时达到最大值。分析可能在8 h时乳酸菌发酵产酸量适中，羊乳饮料组织状态良好，酸度适中。当发酵时间超过8 h时，滴定酸度持续增加，由于乳酸菌过度发酵，产酸过多，导致羊乳饮料酸味太重，组织状态不好，有颗粒状结构，有较多的乳清析出，感官评价得分逐渐降低[18]。因此，最佳发酵时间为8 h。
图4 发酵时间对羊乳饮料品质的影响
2.2 响应面优化试验
2.2.1 回归模型的建立及方差分析
在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，选取小麦胚芽粉添加量（X1）、富硒酵母添加量（X2）、发酵温度（X3）及发酵时间（X4）进行4因素3水平的响应面分析，以感官评价得分（Y）为测量指标，结果如表3所示。
采用Design-Expert 8.0.6软件对表3数据进行多元回归拟合，由此可求出影响因素的一次效应、二次效应、及其交互效应的关联式，得到二次多项回归模型为
对该模型的方差分析结果见表4。由表4可知，回归模型的F=43.37，P＜0.0001，表明发酵羊乳饮料的感官评价得分与4个因素之间的回归方程极显著。失拟项P＞0.05，说明模型可靠。模型的校正系数R2=97.75%，说明该方程拟合程度良好。模型的修正系数R2Adj=95.49%，表明该模型较好地反映了各因素的关系。模型的一次项 X1，X2，X3，X4；交互项 X1X2，X1X4，的 P值均小于0.01，达极显著水平，二次项X12的P值小于0.05，达显著水平，交互项X1X3的P值大于0.05，不显著。根据主因素F值的大小，得各因素对羊乳饮料感官评分影响的主次顺序为：富硒酵母添加量（X2）＞小麦胚芽粉添加量（X1）=发酵温度（X3）＞发酵时间（X4）。
2.2.2 响应面分析
根据上述回归方程及回归模型方差分析表绘出双因子效应分析图，如图5。两因素之间的影响基本呈抛物线型关系，且均有一个极大值点，变化趋势是先增大后减小。对二元多次回归模型进行分析并求解，得羊乳饮料的最佳制作工艺条件为：小麦胚芽粉添加量为10.73%，富硒酵母添加量为0.44‰，发酵温度为42.09℃，发酵时间为7.95 h。此时，羊乳饮料的理论感官评价评分为86.21分
表3 响应面分析方案及实验结果
表 4方差分析
图5 各两因素交互作用对羊乳饮料影响的响应曲面
2.2.3 最优工艺及验证实验
为验证模型的可靠性，采用优化后的工艺条件进行验证试验，同时考虑到实际操作的可行性，将工艺参数修正为：小麦胚芽粉添加量为11%、富硒酵母添加量为0.44‰、发酵温度为42℃、发酵时间为8 h。在修正条件下进行3次平行试验，制得羊乳饮料的感官评价得分为86.10分，与预测值86.21分基本吻合。此时，羊乳饮料呈现淡黄色，颜色均一，有浓郁羊奶香味和麦芽清香，组织状态细腻，酸甜适宜。说明采用响应面法优化羊乳饮料的生产工艺准确可靠，对生产企业来说，具有很好的参考意义。
3 结论
以羊奶粉、小麦胚芽粉及富硒酵母作为原料制备富硒发酵羊乳饮料，并对其加工工艺及配方进行研究。通过单因素实验和响应面分析，确定嗜酸乳杆菌：副干酪乳杆菌的添加比例为1∶1，小麦胚芽粉添加量为11%，富硒酵母添加量为0.44‰，42℃条件下发酵8 h，制备所得的富硒发酵羊乳饮料硒含量为145μg/kg，符合GB14880《食品营养强化剂使用卫生标准》规定含乳饮料中硒的使用量为50～200μg/kg。每天饮用适量该发酵羊乳饮料，能够有效提高人体免疫力，预防多种疾病。
