低糖紫薯豆乳冰淇淋工艺配方优化研究

孙博瑞，姚瑶，黄章琪，王昌莲，焦士蓉

（西华大学食品与生物工程学院，成都610039）

0 引 言

大豆是我国传统食品之一，具有很高的营养价值。大豆蛋白被称作“全价蛋白质”，是最具营养的植物蛋白[1]。紫薯营养丰富，紫薯中的花青素作为天然色素相对于人工合成色素安全性高，色调自然，且在中性或者酸性条件下色泽稳定，是一种理想的天然食用色素资源[2-4]。甜菊糖苷是一种从菊科草本植物甜叶菊当中提取的天然的高甜度、低热量的甜味剂，其甜度是蔗糖的200～350倍，但是热量仅为蔗糖的1/300且具有多种生理功能[5]，甜菊糖苷作为安全天然可靠的甜味剂已得到充分验证[6-7]。

冰淇淋是一种深受大众喜爱的夏日解暑良品，但传统冰淇淋属于高脂肪、高热量、高胆固醇食品，不适宜糖尿病、冠心病、高血脂等病人食用。基于市场经济和大众对食品“天然、营养、健康”的新要求，冰淇淋逐步向营养保健型的复合型产品转化[8]。早在1979年，就有学者提出用大豆植物蛋白替代乳制品用于冰淇淋加工中[9]，近几年研究表明，大豆蛋白能够使冰淇淋在老化过程中的质地得到一定的改善[10-11]，且不同品种的大豆及不同替代比对冰淇淋产品口味口感都存在较大差异[12-13]。紫薯花青素多运用于面制品中[14]，也有研究发现，紫薯花青素不受冰淇淋老化和冷冻过程的影响，可用于冰淇淋产品的加工[15]，但相关报道较少。另外，近年来甜菊糖苷也被广泛利用，中国市场中甜菊糖苷主要应用在果茶饮料、风味发酵乳等饮料中，目前包括可口可乐、百事可乐、达能等跨国食品公司，都在不断开发甜菊糖苷代糖的新产品[16-17]。

本文研究了用大豆粉、紫薯粉、甜菊糖苷为原料制作低糖紫薯豆乳冰淇淋的加工工艺，拓展了低糖功能性冰淇淋的开发思路，扩大了大豆粉、紫薯粉的利用价值，结合大豆粉、紫薯粉、甜菊糖苷特点的冰淇淋产品风味独特，色泽柔和舒适，香气浓郁，热量低、具有一定抗氧化性。

表1低糖紫薯豆乳冰淇淋感官评价评分标准

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冰淇淋原料：大豆粉、雀巢全脂高钙奶粉、紫薯粉、蔗糖、饮用水均为市售食品级；黄原胶、海藻酸钠、甜菊糖苷、蛋黄粉，郑州飞翔生物科技有限公司。

1.2 设备与仪器

JA2003电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；冰箱；TW-JTM-300胶体磨，上海沃迪智能装备股份有限公司；GJB30L/h-40MPa均质机，常州市超力均质泵厂。

1.3 实验方法

1.3.1 冰淇淋产品工艺流程

冰淇淋的制作工艺参考孙雪姣[18]、贾娟[19]等人的方法并作适当调整。

1.3.2 低糖紫薯豆乳冰淇淋感官评定方法

为了养护肠胃，平时也不建议大家喝太热或太凉的水，喝太烫的水会把口腔和食道黏膜“烫坏”，太凉又会刺激胃肠道。

以10人组成感官评定小组，采用100分制的计分方法，按照表1进行评分。

1.3.3 低糖紫薯豆乳冰淇淋最佳配方的确定

最佳配方采用单因素实验与Box-Benhnken设计实验的方法，以感官评分值为指标来确定。

（1）单因素实验设计

以感官评分为指标，根据大量参考文献[12-13，15-16]及预实验选定奶粉：豆粉比例、豆奶粉（即大豆粉与奶粉的混合粉）：紫薯粉比例、加糖量、甜菊糖苷替代蔗糖比例、冰淇淋粉（即大豆粉、奶粉、紫薯粉、蔗糖、甜菊糖苷、添加剂混分）∶水比例为单因素，设定基本条件为奶粉∶豆粉=1∶1、豆奶粉（豆粉及奶粉混合物）∶紫薯粉=2∶1、甜菊糖苷替代30%蔗糖、冰淇淋粉：水=1∶2、加糖量20%。固定其他条件不变，逐一考察奶粉∶豆粉比例（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）、豆奶粉∶紫薯粉比例（3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3）、加糖量（5%、10%、15%、20%、25%）、甜菊糖苷替代蔗糖比（0、10%、20%、30%、40%）、冰淇淋粉∶水比例（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5）对冰淇淋产品感官评分的影响。

（2）响应面优化实验设计

根据单因素试验结果，确定加糖量为20%，选取豆粉：奶粉比例（A），豆奶粉：紫薯粉比例（B），甜菊糖苷替代蔗糖比例（C），冰淇淋粉∶水的比例（D）4个因素，以-1、0、1分别编码自变量的3个水平，以冰淇淋的感官评分（R）为响应值，按照表2设计四因素三水平响应面试验以确定最佳的低糖紫薯豆乳冰淇淋配方。

根据GB/T 31321-2014《冷冻饮品检验方法》测定冰淇淋产品的总固形物含量、总糖含量和脂肪含量。

表2 Box-Benhnken设计实验因素水平及编码

1.3.5 数据统计

响应面数据采用Design Expert.V8.0.6软件进行统计分析。另外采用Excel 2010，SPSS 22.0对数据进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验条件的确立

2.1.1 奶粉与豆粉比例对冰淇淋感官的影响

图1奶粉与豆粉比例对冰淇淋感官的影响

由图1可知，随着豆粉添加比例的增加，冰淇淋的感官评分呈现先增加后减小的趋势，当奶粉豆粉比例为1∶1时，感官评分达到峰值为73分。该变化说明适当的增加豆粉比例能够改善冰淇淋的风味，分析具体感官评分报告可以看出，豆粉添加比例过高会影响冰淇淋的口感，奶香味逐渐消失且有涩味产生。该结论与李新华[20]、侯团伟[21]等人的结论相近。故选择奶粉：豆粉为1∶1。

2.1.2 豆奶与粉紫薯粉的比例对冰淇淋感官的影响

图2豆奶与粉紫薯粉比例对冰淇淋感官的影响

根据图2可知，冰淇淋的感官评分受紫薯粉添加比例影响较大，冰淇淋的感官评分随着紫薯粉添加比例的增加先升高后降低，豆奶粉∶紫薯粉比=2∶1时冰淇淋感官评分最高。实验结果表明较高和较低的紫薯粉添加量均对冰淇淋感官有不良影响。分析具体感官评分报告可以得到，紫薯粉添加量过少时，冰淇淋色泽暗淡偏灰且紫薯香味较淡；添加量过高则会由于紫薯纤维素含量较高增加冰淇淋的颗粒感及粗糙程度，大大降低了冰淇淋产品的适口性。故选择豆奶粉∶紫薯粉为2∶1。

2.1.3 加糖量对冰淇淋感官的影响

图3加糖量对冰淇淋感官的影响

由图3可以看出，加糖量对冰淇淋感官评分的影响不大。综合分析实验结果，原因可能是不同人群对糖的嗜好不同，且因为相对样本量较少，差距很难显现。由于甜菊糖苷甜味较大，替代蔗糖时相对加入量小，为了后续实验可操作性，选择加糖量为20%，并不继续对糖添加量进行响应面优化研究。

2.1.4 甜菊糖苷替代蔗糖量对冰淇淋感官的影响

图4甜菊糖苷替代比对冰淇淋感官的影响

由图4可知，随着甜菊糖苷替代比的增长，冰淇淋感官评分也随之升高，在甜菊糖苷替代达到30%后趋于稳定，综合分析具体感官评分表，甜菊糖苷替代40%时甜度更加适宜，且刺激性后味较为短暂，没有苦味，甜味柔滑性略好，脂肪感与市售冰淇淋样品更加接近，故后续实验选择甜菊糖苷替代比为40%。

2.1.5 冰淇淋粉与水的比例对冰淇淋感官的影响

图5冰淇淋粉与水的比例对冰淇淋感官的影响

水添加量直接影响冰淇淋的质量。由图5可知，冰淇淋感官评分随着水添加量的增加，呈现出先升高后降低的趋势，当水的添加量为冰淇淋粉的2倍时冰淇淋的感官评分最高。水添加量过低时，冰淇淋的质地紧实，口感粗糙，颗粒感极强，失去了冰淇淋应有的绵软口感。水添加量过高时，冰淇淋产品颜色不纯正，香味变淡或消失，在老化、凝冻的过程中冰淇淋内部产生较大冰晶，大大降低了其适口性，光滑度、口融性极差。综上所述，冰淇淋粉与水比例选择1∶2。

2.2 响应面法优化低糖紫薯豆乳冰淇淋配方

2.2.1 响应面法试验设计结果及方差分析

表3 Box-behnken响应面设计及结果

2.2.2 回归模型方差分析

应用Design Expert 8.0软件对表2中的感官评分进行多元回归分析，结果见表4。

表4回归模型方差分析结果表明，实验所选用模型P=0.0027＜0.01（极显著），说明不同因子与响应值之间的线形关系显著，试验方法可靠。失拟项P值＞0.05，（不显著），表明该方程对实验的拟合情况良好，接近真实的响应曲面的情况。本实验R2=0.8303，表明预测值与实际值之间相关性尚可。变异系数6.48%，故可以利用此模型对冰淇淋的感官评分进行预测。四个因子通过拟合，得到二元多项回归方程：

表4 Box-Benhnken试验结果分析

感官评分=79.91+1.55A-2.90B-0.71C-2.19D-1.95AB-0.19AC-2.86AD+0.11BC+2.00BD-2.44CD-1.02A2-5.17B2-5.19C2-12.36D2

2.2.3 响应面交互作用分析

利用Design-Expert V8.0.6软件分析，得到的3D图可直观反映响应因素，不同因子间的响应面分析图如图6所示。

图6奶粉与豆粉比例及豆奶粉与紫薯粉比例交互作用的等高线图和响应面图

图7奶粉与豆粉比例与甜菊糖苷替代蔗糖比交互作用的等高线图和响应面图

图8奶粉与豆粉比例与水的添加量交互作用的等高线图和响应面图

图9豆奶粉：紫薯粉比例与甜菊糖苷替代蔗糖比例交互作用的等高线图和响应面图

图10豆奶粉与紫薯粉比例与水添加量交互作用的等高线图和响应面图

图11甜菊糖苷替代比与水添加量交互作用的等高线图和响应面图

由图6-图11可以看出，这4个因素两两之间的交互作用呈椭圆状，比较影响的大小排序为：D＞C＞B＞A，即水添加量＞甜菊糖苷替代比＞豆奶粉：紫薯粉比例＞豆粉：奶粉比例。且响应面最高点在所选范围内，说明冰淇淋的感官评分存在最高值。

2.2.4 最佳工艺的预测和验证

通过辅助软件Design Expert优化冰淇淋配方。得到理论上最佳配方和相应数据为，奶粉∶豆粉=3∶2，豆奶粉∶紫薯粉=1.48∶1，甜菊糖苷替代蔗糖比39.65%，水添加为冰淇淋粉的1.76倍。在此条件下进行3次验证实验，求平均值，得到的实验结果为81.25。根据回归方程，计算得其感官评分预测值是82.32，相对误差小于10%。证明相应面优化低糖紫薯豆乳冰淇淋配方是可行的。

2.3 冰淇淋中理化指标的测定

冰淇淋成品的理化指标根据GB/T 31321-2014测定，以基本配方作为对照组，测定对照组和实验组的总可溶性固形物含量、总糖含量和脂肪含量。实验结果表明，实验组样品可溶性固形物的含量降低了35%，总糖含量降低至4.22%，较对照组下降了15.98%，脂肪含量降低了7.6%，计算可得每100 g低糖紫薯豆乳冰淇淋能量约为544.4k J，约为市场同类产品的一半。这说明低糖紫薯豆乳冰淇淋的配方在提高冰淇淋产品营养价值的同时达到了降低热量的作用。

3 结 论

通过单因素实验和Box-Benhnken响应面优化，确定了低糖紫薯冰淇淋的最优配方，奶粉∶豆粉=3∶2，豆奶粉∶果蔬粉=1.48∶1，甜菊糖苷替代比39.65%，水添加量为冰淇淋粉的1.76倍。通过对最佳配方的冰淇淋的理化指标的测定，结果表明，低糖紫薯冰淇淋的可溶性固形物、总糖和脂肪含量较对照组均明显降低，表明该新产品配方能有效降低冰淇淋产品的热量。这预示着用大豆粉替代奶粉，用紫薯粉替代色素，用甜菊糖苷替代蔗糖的思路生产具有功能性，较健康的冰淇淋产品是可行的。该实验为开发新的冰淇淋产品提供了一定的参考和新的思路。