响应面法优化胡萝卜-发酵蓝莓奶片的工艺研究

吴虹艳,孔令姝,赵家乐,谭思敏,李艾黎

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

蓝莓(blueberry)又称越橘,属于娟花科(Ericaceae)越橘属(Vaccinium.spp),多年生落叶或常绿灌木[1]。蓝莓鲜果中含有多种人体必需的氨基酸、微量元素和生物活性物质,被世界卫生组织认为是抗氧化性最强的水果之一[2],尤其是果实中含有的鞣花酸、紫檀芪等成分,具有防治高血压、疏通毛细血管等特殊功效,被誉为“浆果之王”[3-4]。

胡萝卜(Daucuscarota),又名红根、金笋,属伞形科(Umbelliferae)草本植物[5],原产于欧洲及西亚,现广泛分布于世界各地,其肉质根供食用和药用,素有“小人参”之称[6]。其富含的β-胡萝卜素具有解毒作用,在抗癌、预防心血管疾病及抗氧化方面有显著的功效[7],被视为菜中上品。

蓝莓中花青素含量丰富,具有较强的抗氧化能力。研究表明,在对蓝莓汁进行发酵处理后,由于多酚和多糖等因素的共同作用,总抗氧化能力进一步得到提升[8-9]。据此,研究蓝莓在发酵过程中总抗氧化能力的变化,并将蓝莓发酵液的冻干粉应用于产品加工工艺中具有一定的实际意义。近年来,随着果蔬干燥脱水和冻干技术的研究不断深入,果蔬粉压制产品的品质也不断提高,如刘笑茹等[10]研究了蓝莓枸杞咀嚼片的制备,张雁等[11]研究了胡萝卜奶片的制备,但将蓝莓与胡萝卜结合以制备奶片的研究尚未见报道。本研究拟将奶粉、胡萝卜粉和蓝莓冻干粉结合,制备出胡萝卜-发酵蓝莓奶片。该奶片具有新鲜果蔬的色、香、味,为果蔬资源的利用提供了新途径[12],且保有一定的抗氧化能力,具有很高的推广价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

植物乳杆菌 山东中科嘉亿生物工程有限公司;干酪乳杆菌 广东环凯微生物科技有限公司;总抗氧化能力(T-AOC)测定试剂盒 齐一生物科技有限公司;蓝莓 黑龙江蓝宝贝食品有限公司;脱脂奶粉、胡萝卜粉、麦芽糖醇、柠檬酸、硬质酸镁、麦芽糊精 广州汇健生物科技有限公司。

BS-224S电子天平 德国Sartorius公司;无菌操作台 苏州安泰空气技术有限公司;LD-Y400A高速万能粉碎机 上海顶帅电器有限公司;摇摆式颗粒机 山东青州精诚机械厂;MJ-BL25B26多功能榨汁机 美的集团有限公司;V型混料器 上海宿嘉机械设备有限公司;TDP-5单冲压片机 上海天祥制药机械有限公司;DNP-9272型电热恒温培养箱 上海精宏试验设备有限公司;FD5-3型冷冻干燥机 美国SIM公司;FCD-291XE冰柜 海尔集团。

1.2 试验方法

1.2.1 发酵蓝莓冻干粉的制备 蓝莓→清洗榨汁→调配杀菌→接种发酵→冷却→预冻→真空冷冻干燥→冻干粉

1.2.3 操作要点 将蓝莓清洗后榨汁,加入1.5倍体积的水混合,于80 ℃杀菌10 min。干酪乳杆菌与植物乳杆菌按1∶2的比例以5%的添加量接种于蓝莓汁中,于35 ℃发酵25 h。蓝莓发酵液于-55 ℃预冻7.5 h后,再进行真空冷冻干燥32 h,获取蓝莓冻干粉。将蓝莓冻干粉与胡萝卜粉按1∶1的比例混合制成果蔬粉,再将奶粉与果蔬粉按2∶1的比例放入混料器内,搅拌10～15 min至完全均匀。缓慢加入70%乙醇溶液作为湿润剂,加入量控制在5%以使软材适合制粒。将制好的软材于颗粒机中进行造粒,以20目筛网粉碎整粒。向干燥颗粒中加入7.5%麦芽糖醇、0.3%柠檬酸和0.5%硬脂酸镁,物料混合均匀后于压片机中进行压片。压力控制在58～65 MPa,最后经灭菌处理后得到成品。

1.2.4 蓝莓发酵条件的单因素实验 在确定发酵蓝莓的最佳条件时,测定条件为固定反应条件为发酵温度35 ℃、发酵时间25 h,考察不同菌种添加量(1%、2%、3%、4%、5%)对蓝莓发酵液总抗氧化能力的影响;固定反应条件为发酵温度35 ℃、菌种添加量5%,考察不同发酵时间(10、15、20、25、30 h)对蓝莓发酵液总抗氧化能力的影响;固定反应条件为发酵时间25 h、菌种添加量5%,考察不同发酵温度(25、30、35、40、45 ℃)对蓝莓发酵液总抗氧化能力的影响。

1.2.5 蓝莓发酵条件的正交试验 采用L9(33)正交试验对蓝莓发酵条件进行筛选,各因素的三个水平采用1、2、3进行编码,如表1。

表1 蓝莓发酵正交因素水平设计Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for blueberry fermentation

1.2.6 蓝莓发酵液总抗氧化能力的测定 进行总抗氧化能力测定时设置测定管和对照管,按总抗氧化能力(T-AOC)测定试剂盒使用说明书上的方法测定其吸光值,总抗氧化能力的计算公式为:

式中:ODU为测定管吸光度值,ODC为对照管吸光度值,N为反应体系稀释倍数(反应液总体积/取样量),n为样本测试前稀释倍数。

1.2.7 奶片工艺配方的单因素实验 在确定奶片配方工艺时,测定条件为固定反应条件为麦芽糖醇添加量7%、柠檬酸添加量0.3%,考察奶粉与果蔬粉的不同比例(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1)对奶片感官评分的影响;固定反应条件为麦芽糖醇添加量7%、奶粉∶果蔬粉=2∶1,考察不同柠檬酸添加量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)对奶片感官评分的影响;固定反应条件为奶粉∶果蔬粉=2∶1、檬酸添加量0.3%,考察不同麦芽糖醇添加量(3%、5%、7%、9%、11%)对奶片感官评分的影响。

1.2.8 奶片工艺配方的Box-Benhnken中心组合试验设计 在单因素实验的基础上,每个因素选取三个对奶片感官评分影响较大的水平,建立三因素三水平的Box-Benhnken中心组合试验,以感官评分为响应值,各因素的水平采用-1、0、1进行编码,如表2。

表2 Box-Behnken试验设计因素水平表Table 2 Factors and levels of the Box-Behnken experiment design

1.2.9 感官评定 根据产品的风味、外观和口感,邀请十名有一定相关经验的品评员,对产品进行感官评定,以所得平均分作为各评价指标的最终得分,感官评定标准见表3。

表3 奶片的感官评定标准Table 3 Sensory evaluation criteria of milk tablet

1.3 数据处理

所有试验数据重复3次,取平均值。采用Origin 8.0软件和Design Expert 10.0.7软件进行作图分析和数据处理。

2 结果与分析

2.1 蓝莓发酵条件的单因素实验

2.1.1 发酵温度对总抗氧化能力的影响 由图1可知,总抗氧化能力随发酵温度的增加呈先增大后降低的趋势,发酵温度为35 ℃时,总抗氧化能力达到最大值,之后随发酵温度的增加而迅速下降,这是由于高温造成了花色苷的热降解和多酚物质的氧化,同时破坏了酶蛋白,导致酶失去活性,使其抗氧化能力降低[13-14]。因此，发酵温度选择为35 ℃。

图1 发酵温度对总抗氧化能力的影响

2.1.2 菌种添加量对总抗氧化能力的影响 由图2可知,总抗氧化能力随菌种添加量的增加呈现出先迅速增加后缓慢增加的趋势。当菌种添加量小于2%时,总抗氧化能力增加明显,菌种添加量为5%时,总抗氧化能力达到最大值。研究表明,酚类物质是果蔬中的主要抗氧化成分[15],随着接种量的增大,发酵液中的酶类水解生成游离多酚,抗氧化作用增强。因此，菌种添加量选择3%、4%、5%进行正交试验。

图2 菌种添加量对总抗氧化能力的影响

2.1.3 发酵时间对总抗氧化能力的影响 由图3可知,总抗氧化能力随发酵时间的增加呈先增大后降低的趋势,发酵时间为25 h时,总抗氧化能力达到最大值,之后随发酵时间的增加而迅速下降。在发酵过程中,可能会产生羰基化合物等风味老化物质,使花青素发生氧化、聚合和沉淀等反应[16-17],使总抗氧化能力发生变化。因此，发酵时间选择15、20、25 h进行正交试验。

图3 发酵时间对总抗氧化能力的影响

2.2 蓝莓发酵条件正交试验结果及数据分析

从表4可以看出,影响蓝莓发酵条件的主次因素是:发酵温度>菌种添加量>发酵时间,蓝莓发酵条件的最佳工艺为:菌种添加量5%,发酵温度35 ℃,发酵时间25 h。此条件下,蓝莓发酵液的总抗氧化能力为230.158 U/mL,保有较高的营养价值。

表4 蓝莓发酵的正交试验设计及结果Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments for blueberry fermentation

2.3 奶片工艺配方的单因素实验

2.3.1 奶粉∶果蔬粉对奶片的影响 由图4可以看出,奶粉∶果蔬粉=2∶1时,奶片的感官评分最高,具有天然的奶香味,并附有果蔬的清香;当奶粉∶果蔬粉<2∶1时,奶味不足;当奶粉∶果蔬粉>2∶1时,其奶香味过于浓厚,掩盖了果蔬的清香,使感官评分呈下降趋势,将奶粉与果蔬粉比例为1∶1、2∶1、3∶1作为响应面试验的水平。

图4 奶粉与果蔬粉配比对奶片感官评分的影响

2.3.2 麦芽糖醇添加量对奶片的影响 由图5可以看出,麦芽糖醇添加量为7%时,奶片的感官评分最高,此时口感酸甜适宜,硬度适中;当麦芽糖醇添加量低于7%时,奶片味道偏于平淡;当麦芽糖醇添加量高于7%时,奶片口感过于甜腻,使感官评分呈下降趋势。因此,将麦芽糖醇添加量5%、7%、9%作为响应面试验的水平。

图5 麦芽糖醇添加量对奶片感官评分的影响

2.3.3 柠檬酸添加量对奶片的影响 由图6可以看出,柠檬酸添加量为0.3%时,奶片酸甜爽口,风味最好,感官评分最高;当柠檬酸添加量<0.3%时,添加量越少,奶片口感越偏于甜腻;当柠檬酸添加量>0.3%时,奶片酸度增加,并伴有苦涩味,口感变差。因此,将柠檬酸添加量0.2%、0.3%、0.4%作为响应面试验的水平。

图6 柠檬酸添加量对奶片感官评分的影响

2.4 BBD试验结果及数据分析

2.4.1 BBD试验设计方案及结果 根据单因素实验的结果,由Design-Expert 10.0.7 统计分析软件设计出的试验方案及试验结果如表5所示,以感官评分为响应值,以奶粉∶果蔬粉(A)、麦芽糖醇添加量(B)、柠檬酸添加量(C)为自变量,建立三因素三水平中心组合试验设计共包括17组试验方案。

表5 Box-Behnken 试验设计与结果Table 5 Box-Behnken experimental design and results

2.4.2 回归方程拟合及方差分析 采用Design-Expert 10.0.7 系统软件对所得数据进行回归分析,回归分析结果见表6,对各因素回归拟合后,得到回归方程:

表6 回归模型及方差分析Table 6 Analysis of variance of regression equation

Y=36.35000+14.17500A+5.88750B+148.25000C-5.21465E-015AB+7.50000AC-1.25000BC-3.95000A2-0.36250B2-270.00000C2

由表6知,影响感官评分因素按主次顺序排列为:麦芽糖醇添加量(B)>柠檬酸添加量(C)>奶粉∶果蔬粉(A)。同时可知,AC的p值<0.05,奶粉∶果蔬粉与柠檬酸添加量对产品的影响存在交互作用,并对产品的影响显著。由设计试验所得的响应面曲面图如图7～图9所示。

图7 奶粉与果蔬粉比例和麦芽糖醇添加量对感官评分交互作用影响的响应面和等高线图

2.4.3 响应面图分析 为进一步研究各因素交互作用,利用Design-Expert 10.0.7 统计软件绘制响应面和等高线分析图,从图7～图9中可以较明显地分析出多个自变量对响应值的影响以及响应值对不同自变量变化的敏感程度[18]。由图7可知,奶粉∶果蔬粉(A)和麦芽糖醇添加量(B)的交互作用不显著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官评分受麦芽糖醇添加量影响较大。由图8可知,奶粉∶果蔬粉(A)和柠檬酸添加量(C)的交互作用显著,相比于奶粉∶果蔬粉,感官评分受柠檬酸添加量影响较大。由图9可知,麦芽糖醇添加量(B)和柠檬酸添加量(C)的交互作用不显著,相比于麦芽糖醇添加量,感官评分受柠檬酸添加量影响较大。

图8 奶粉与果蔬粉比例和柠檬酸添加量对感官评分交互作用影响的响应面和等高线图

2.4.4 验证试验 利用Design Expert 10.0.7软件对试验模型进行分析,得到奶片的最佳制备条件为奶粉∶果蔬粉=2.07,麦芽糖醇添加量为7.63%,柠檬酸添加量为0.29%,预测感官评分为94.612,为了验证响应面优化模型的准确性,在方便操作的基础上,调整工艺验证参数为奶粉∶果蔬粉=2∶1,麦芽糖醇添加量为7.5%,柠檬酸添加量为0.3%,进行验证试验。实际测得的感官评分为95分,与预测值接近,说明回归方程可以反映各因素对奶片制作工艺的影响,具有实用价值。

3 结论

通过蓝莓发酵条件正交试验结果及数据分析可知,蓝莓发酵条件的最佳工艺为菌种添加量5%、发酵温度35 ℃、发酵时间25 h。此条件下,蓝莓发酵液的总抗氧化能力为230.158 U/mL,总抗氧化能力较蓝莓发酵前提高了33.18%,保有较高的营养价值。用响应面法对奶片的工艺配方进行优化,建立了感官评分的回归模型,由该模型优化的奶片加工工艺配方为奶粉∶果蔬粉=2∶1、麦芽糖醇添加量为7.5%、柠檬酸添加量为0.3%。此条件下,奶片的感官评分为95分,与模型预测结果相近,验证了该模型的可靠性。在该工艺条件下制备胡萝卜-发酵蓝莓奶片酸甜适中,奶香醇厚,为奶片市场的进一步开发提供了科学依据。