响应曲面法优化牛初乳粉咀嚼片配方研究

李凯锋，杨晓波，王青云，梁超

（黑龙江省完达山乳业股份有限公司，哈尔滨 150078）

牛初乳是奶牛正常分娩后最初几天内所分泌的乳汁[1]，富含多种免疫因子和生长因子等生理功能性成分，具有常乳无法比拟的特点[2]。牛初乳的应用历史悠久，早在几千年前，牛初乳糖果在印度民间就被视为灵丹妙药[3]。响应曲面法是一种应用比较广泛的优化随机过程的统计学试验方法，能以很少的实验次数和时间对参数进行全面研究，寻找试验指标与各因子间的定量规律，科学地提供局部与整体的关系，从而取得明确的试验结果[4]。本文运用响应面分析法对牛初乳粉咀嚼片的配方进行了优化，探讨影响产品口感风味的配方组分之间的相互关系，并得到最佳的配比组合，从而为牛初乳粉的综合开发利用拓宽新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛初乳粉，购自KP公司。白砂糖、赤藓糖醇、牛奶香精和香兰素均为食品级。

1.2 工艺流程

原料过筛→称量→预混→干混→压片→ 包装→成品。

1.2.1 原料过筛：原料过20目筛。

1.2.2 称量：按配方使用量准确称量。

1.2.3 预混：将牛奶香精和香兰素与其他物料按1∶3比例混合，预混时间约5min。

1.2.4 干混：将所有物料置于三维混合机中，混合15min。

1.2.5 压片：将混合好的物料用压片机进行压片，调节片重和硬度。

1.3 感官评价方法

由9人组成评定小组，评定人员都经过专业培训，且无吸烟、饮酒习惯。对产品的甜度、香气、整体口感等进行鉴定，按照很好（80～100分）、较好（70～80分）、可接受（60～70分）、不可接受（＜60分）四个等级评定比较给分。总分数由40%甜度+40%香气+20%整体口感计算得出。

1.4 单因素试验

1.4.1 甜度对感官评价的影响

以牛奶香精按1.2%、香兰素按0.15%的添加量计，相对甜度分别以0.65（赤藓糖醇添加量25%）、0.734（白砂糖添加量6%、赤藓糖醇添加量19%）、0.825（白砂糖添加量12.5%、赤藓糖醇添加量12.5%）、0.916（白砂糖添加量19%、赤藓糖醇添加量6%）和1（白砂糖添加量25%）添加白砂糖或赤藓糖醇，混合压片后，进行感官评价。

1.4.2 牛奶香精添加量对感官评价的影响

以相对甜度按0.825（白砂糖添加量12.5%、赤藓糖醇添加量12.5%）、香兰素按0.15%的添加量计，牛奶香精分别以0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%的添加量进行添加，混合压片后，进行感官评价。

1.4.3 香兰素添加量对感官评价的影响

以相对甜度按0.825（白砂糖添加量12.5%、赤藓糖醇添加量12.5%）、牛奶香精按1.2%的添加量计，香兰素分别以0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0.25%的添加量进行添加，混合压片后，进行感官评价。

1.5 响应面优化实验设计[5]

1.5.1 试验因素水平编码

采用Box-Behnken模型，在单因素试验分析的基础上，选择相对甜度、牛奶香精添加量、香兰素添加量为主要影响因素，作为自变量，分别以X1、X2、X3表示，用+1、0、-1分别代表自变量的3个水平，以感官评分作为响应值Y，进行响应面试验设计，试验因素编码表见表1。

表1 响应面试验的因素与水平表

1.5.2 数据分析方法

使用Design Expert软件对数据进行分析，得出牛初乳粉咀嚼片的最佳配方。

2 结果

2.1 单因素试验分析

2.1.1 甜度对感官评价的影响

甜味是人们最爱好的基本味感，常用于改进食品的可口性和某些食用性[6]。甜味的强度可用甜度来表示，这是甜味剂的重要指标。甜味剂是食品生产加工过程中经常使用的食品添加剂，可以赋予产品不同的甜度和带给使用者愉悦的味觉体验。试验结果表明，甜度对感官评价的影响较大，适宜的甜度可以获得完美的味觉享受，即获得较高的感官评分。由图1可知，当相对甜度由0.65提高到0.825时，感官评分由64.47提高到87.2，当继续提高甜度至1时，感官评分反而下降至70.28，过高的甜度带来了不愉快的味觉感受。当甜味剂提供的相对甜度为0.825时，获得最高的感官评分。

图1 甜度对感官评分的影响

2.1.2 牛奶香精添加量对感官评价的影响

香精是由各种香料调和而成的混合体，可起到引起食欲、促进食欲的作用[7]，同时改善产品的香气和风味。试验结果表明，牛奶香精的添加量对感官评价也有较大的影响，适宜的添加量可以赋予产品浓郁的奶香味。由图2可知，当牛奶香精的添加量由0.8%提高到1.2%时，感官评分由69.81提高到88.09，当继续提高添加量至1.4%时，感官评分为87.97，与1.2%时的评分无明显差异，继续提高添加量至1.6%，感官评分略微下降至85.37，说明过高的牛奶香精添加量不能带来愉悦的感官体验。当牛奶香精的添加量为1.2%时，获得最高的感官评分。

图2 牛奶香精对感官评分的影响

2.1.3 香兰素添加量对感官评价的影响

香兰素是一种广泛应用于乳制品中改善乳风味的合成单体香料，有浓烈的奶香气息，其和牛奶香精复配使用，可以使香型更协调、完美。试验结果表明，香兰素的添加量对感官评价也有较大的影响。由图3可知，当香兰素的添加量由0.05%提高到0.15%时，感官评分由64.28提高到86.94，当继续提高添加量至0.20%时，感官评分为86.15，与0.15%时的评分无明显差异，继续提高添加量至0.25%，感官评分略微下降至78.63，说明过高的香兰素使用，未起到辅助增香的作用，反而影响了牛奶香气的释放。当香兰素的添加量为0.15%时，获得最高的感官评分。

图3 香兰素对感官评分的影响

2.2 响应面分析

2.2.1 回归方程和回归方程系数显著性检验

通过Design Expert软件对表2的试验数据进行多元回归拟合，对于响应值（Y）的方差分析验证模型及各参数的显著度见表3。当“P”值小于0.05时，即表示该项指标显著。将响应值与各个因素进行回归拟合，模型拟合程度很好，可得到回归模型为：

表2 响应面试验设计方案及结果

其中，模型的R2=0.9324，adj.R2=0.9779。

由方差分析结果表3可见，回归方程的一次项X1、X2、X3，即3个因素单独作用对感官评分Y的影响均极显著，且影响程度依次为X3＞X1＞X2；回归方程的二次项中X12、X22、X32对感官评分Y也有极显著影响；回归方程的交互项X2X3，即牛奶香精的添加量和香兰素的添加量的交互作用，对感官评分Y也有极显著影响。

表3 回归方程方差分析

2.2.2 响应面分析及优化

由表3可见，交互项中仅X2X3，即牛奶香精的添加量和香兰素的添加量之间存在交互作用，交互作用的响应曲面见图4。

由图4可见，随着牛奶香精添加量（X2）的升高，感官评分也随之提高，但当自变量编码值大于0.5时（即自变量真实值大于1.40%），感官评分随牛奶香精添加量的提高而降低。这是因为牛奶香精的过量使用，导致整体风味不协调。同时，当香兰素添加量的编码值（X3）在0.5时（即自变量真实值为0.20%），感官评分最高，继续增加时，感官评分下降。牛奶香精和香兰素均属于食品香精香料，且香气类型相近，这两种香精复配后，可以弥补单一香精风味的局限性，更好地突出奶香风味，使其奶香浓郁，协调饱满，令食用者心情愉悦。

图4 牛奶香精添加量与香兰素添加量的交互作用

利用Design Expert软件得到牛初乳粉咀嚼片的最佳配方为白砂糖13.5%、赤藓糖醇11.5%（相对甜度0.84）、牛奶香精1.25%、香兰素0.17%。按此配方制作样品，感官评分为90.66。

3 结论

在单因素试验结果的基础上，本文通过响应曲面法试验设计对牛初乳粉咀嚼片的配方进行了优化试验。由于主要考察指标是感官评价，所以在配方试验阶段，本文只对试验进行了感官评价指标的测定。结果表明，3个因素单独作用对感官评分均有极显著影响，牛奶香精添加量和香兰素添加量的交互作用，对感官评分有极显著的影响。优化后得到最佳配方为白砂糖13.5%、赤藓糖醇11.5%（相对甜度0.84）、牛奶香精1.25%、香兰素0.17%。

牛初乳粉作为一种大众熟知的保健食品配料，一直是各保健食品企业关注的焦点、热点，一些功能性的成分也研究得比较透彻，本试验对牛初乳粉产品的综合开发利用拓宽了新的思路。