响应面法优化茶奶酪发酵工艺研究

徐振丽，郭孝敬，陈欢，黄倩，史学伟，陈计峦，郑晓吉

(石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832000)

茶叶起源于中国，在我国有悠久的饮用历史，是世界上公认的健康食品之一，富含多种对人体有益的营养成分，主要包括茶多酚、氨基酸、咖啡碱、多糖、维生素和矿物质[1]。除此之外，茶叶的医疗保健作用也尤为显著，具有清脑明目、消食化痰、利尿解毒、防辐射、抗衰老和预防肿瘤等作用[2]。

奶酪是一种风味独特的发酵乳制品，具有丰富的营养价值，不仅富含蛋白质、脂肪，还含有丰富的矿物质和微量元素[3]。我国奶酪的食用历史较早，但主要集中在少数民族地区，造成了奶酪品种单一的局面[4]。随着人们生活水平的提高，奶酪在我国的消费市场日渐增大，对奶酪的加工生产和品质要求也逐步提升，因此研制出风味良好的奶酪对于奶酪的工业化发展具有重要意义[5]。

茶叶中含有多种呈味物质，香气醇厚，将中国传统的茶叶加入至奶酪中将会对奶酪的品质产生重要的影响。目前，对于茶奶酪的研究报道较少，本研究通过响应面法优化茶奶酪的最优发酵条件，为茶叶风味奶酪的研发与创新提供了理论依据与参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料乳：新疆石河子花园乳液有限公司；茯砖茶叶、白砂糖、发酵剂(保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌)：北京川秀科技有限公司；凝乳酶(小牛皱胃酶)：Sigma公司；食盐。

1.2 仪器与设备

电热恒温培养箱、水浴锅、分析天平、高速多功能粉碎机 永康市久品工贸有限公司。

1.3 方法

1.3.1 奶酪样品的制作及取样[6]

茯砖茶→烘干(80 ℃，20 min)→粉粹→水浴浸泡(茶∶牛奶)→过滤→茶叶提取物→新鲜牛乳→混合并加入白砂糖→巴氏杀菌(63 ℃，30 min)→冷却至37 ℃→添加发酵剂→发酵→添加凝乳酶→凝乳→切割→静置→搅拌→排乳清→堆酿→加盐→压榨成型→真空包装→成品茶奶酪。

1.3.2 pH的测定[7]

取1 g奶酪加入10 mL蒸馏水，磨成浆状，用pH计测定，进行3次平行实验，结果为平均值。

1.3.3 水分含量的测定[8]

奶酪水分含量的测定采用GB 5009.3-2016第一法。

1.3.4 乳酸菌数的测定[9]

使用MRS培养基，样品经过梯度稀释，采用倾倒平板计数，让平皿倒置于40 ℃恒温箱内培养24～48 h，观察长出的细小菌落，计算菌落数目，按照常规的方法选择30～300 CFU平皿进行计算。酸奶中乳酸菌活菌数用CFU/mL表示。

1.3.5 感官评分[10-12]

感官评分小组由5名男性和5名女性评价人员组成，在室温20 ℃的条件下，对制得的奶酪进行感官评定，对气味、滋味、色泽、组织状态、总体可接受性5个评定项目进行评分，检验总分为100分。

表1 奶酪感官评价标准Table 1 Criteria for sesory evaluation of cheese

1.3.6 茶奶酪单因素试验

分别以茶叶添加量、发酵时间、凝乳酶添加量、发酵温度和发酵剂添加量为变量进行单因素试验，依据pH、水分含量、乳酸菌活菌数和感官评分对奶酪品质进行评价。

1.3.6.1 茶叶添加量对奶酪感官品质的影响

在发酵剂添加量3%、发酵时间7 h、凝乳酶添加量2 mg/L和发酵温度40 ℃条件下，判断茶叶添加量为0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%时的奶酪品质。

1.3.6.2 发酵时间对奶酪感官品质的影响

在发酵剂添加量3%、茶叶添加量1%、凝乳酶添加量2 mg/L和发酵温度40 ℃条件下，判断发酵时间为5，6，7，8，9 h时奶酪品质。

1.3.6.3 凝乳酶添加量对奶酪感官品质的影响

在发酵剂添加量3%、茶叶添加量1%、发酵时间7 h和发酵温度40 ℃条件下，判断凝乳酶添加量为0.5%、1%、2%、3%、4%时奶酪品质。

1.3.6.4 发酵温度对奶酪感官品质的影响

在发酵剂添加量3%、茶叶添加量1%、发酵时间7 h和凝乳酶添加量2 mg/L条件下，判断发酵温度为36，38，40，42，44 ℃时奶酪品质。

1.3.6.5 发酵剂添加量对奶酪感官品质的影响

在茶叶添加量1%、发酵时间7 h、发酵温度40 ℃和凝乳酶添加量2 mg/L条件下，判断发酵剂添加量为0.5%、1%、3%、5%、7%时奶酪品质。

1.3.7 响应面试验设计

结合参考文献和单因素试验，以茶叶添加量0.5%、1%、1.5%，发酵时间6，7，8 h，凝乳酶添加量1，2，3 mg/L，发酵温度38，40，42 ℃，发酵剂添加量1%、3%、5%的五因素三水平进行响应面设计，根据感官评分和水分含量确定最佳工艺参数。

2 结果分析

2.1 奶酪单因素试验

2.1.1 茶叶添加量对奶酪品质的影响

将不同质量的茶叶添加到奶酪中，测定奶酪的pH、水分含量和乳酸菌活菌数并对其进行感官评分，结果见表2。

表2 茶叶添加量对奶酪品质的影响Table 2 Effect of the additive amount of tea on cheese quality

由表2可知，当茶叶添加量为0.1%～1.0%时，乳酸菌活菌数一直呈上升趋势，并在茶叶添加量为1.0%时，达到最高值(7.9±0.01)×107CFU/g，茶叶添加量继续增加，奶酪中乳酸菌活菌数有下降趋势，说明茶叶添加量对奶酪中乳酸菌的生长具有刺激作用，在一定程度上可以促进乳酸菌生长，但其浓度过高，不利于乳酸菌生长[13]。奶酪的pH也随着茶叶添加量的增加而显著降低(P<0.05)，当茶叶添加量为1.0%时，奶酪的pH达到最低值3.82±0.01，可能是由于乳酸菌产酸降低了奶酪的pH。随着茶叶添加量的增加，奶酪中的水分含量和感官评分具有显著性变化(P<0.05)，当茶叶添加量为1.5%时，奶酪的感官评分达到最高值79.52±2.56；当茶叶添加量为2.0%时，奶酪中的水分含量达到最高值(29.40±0.20)%。

2.1.2 发酵温度对奶酪品质影响

随着发酵温度的升高，奶酪的pH、水分含量、乳酸菌活菌数和感官评分具有显著性变化(P<0.05)，见表3。

表3 发酵温度对奶酪品质的影响Table 3 Effect of fermentation temperature on cheese quality

由表3可知，发酵温度为40 ℃，奶酪的pH出现最低值3.85±0.03，乳酸菌活菌数出现最高值(7.9±0.01)×107CFU/g，发酵温度继续升高，乳酸菌活菌数下降，pH升高，可能是发酵温度过高，不利于乳酸菌生长[14]。随着发酵温度的增加，奶酪的水分含量和感官评分也随之升高，当发酵温度为44 ℃时，奶酪的水分含量达最高值(25.28±0.17)%，当发酵温度为40 ℃时，感官评分达到最高值80.97±2.01。

2.1.3 发酵剂添加量对奶酪品质的影响

将不同质量的发酵剂用于制作奶酪，随着发酵剂添加量的增加，奶酪的pH、水分含量、乳酸菌活菌数和感官评分具有显著性变化(P<0.05)，见表4。

表4 发酵剂添加量对奶酪品质的影响Table 4 Effect of the additive amount of starter on cheese quality

由表4可知，当发酵剂添加量为0.5%～3.0%时，奶酪的pH呈现下降趋势，乳酸菌活菌数呈现上升趋势，在添加量为3.0%时，pH降至最低值3.57±0.01，乳酸菌活菌数为(8.9±0.04)×107CFU/g，可能是由于发酵剂添加过量，使得乳酸菌的数量降低。奶酪水分含量随着发酵剂添加量的增加而显著增加。当发酵剂添加量为3.0%时，奶酪的感官评分达到最大值81.03±1.61。

2.1.4 发酵时间对奶酪品质的影响

延长奶酪的发酵时间，可以使奶酪的pH、水分含量、乳酸菌活菌数和感官评分发生显著性变化(P<0.05)，见表5。

表5 发酵时间对奶酪品质的影响Table 5 Effect of fermentation time on cheese quality

由表5可知，随着奶酪发酵时间的延长，奶酪的pH一直呈下降趋势，水分含量呈上升趋势，发酵9 h时pH达最低值3.69±0.01，水分含量达最高值(26.13±0.17)%，奶酪的酸度得到了增加。当发酵时间为5～7 h时，乳酸菌活菌数和感官评分呈上升趋势，发酵7 h达到最高值，分别为(9.0±0.01)×107CFU/g和80.58±2.12，发酵时间继续延长，奶酪的乳酸菌活菌数和感官评分降低。结果表明延长发酵时间可以增加奶酪的感官品质，但发酵时间过长，可能会对奶酪的品质产生不良影响。

2.1.5 凝乳酶添加量对奶酪品质的影响

不同凝乳酶的添加量会对奶酪的pH、水分含量、乳酸菌活菌数和感官评分产生显著性影响(P<0.05)，见表6。

表6 凝乳酶添加量对奶酪品质的影响Table 6 Effect of the additive amount of chymosin on cheese quality

当凝乳酶添加量为5.0%时，奶酪的pH达到最低值4.06±0.01。随着凝乳酶添加量的增加，奶酪的水分含量一直呈下降趋势，添加量为7.0%时，达到最低值(25.38±0.20)%。当凝乳酶添加量为0.5%～3.0%时，奶酪的乳酸菌活菌数和感官评分呈上升趋势，并且在添加量为3.0%时，奶酪的乳酸菌活菌数和感官评分均达到最高值，分别为(7.8±0.05)×107CFU/g和82.79±0.75。

2.2 奶酪工艺参数响应面试验

基于单因素试验，选用茶叶添加量(A)、发酵剂添加量(B)、凝乳酶添加量(C)、发酵温度(D)和发酵时间(E)5个因素作为自变量，感官评分和水分含量作为因变量，采用Box-Behnken对茶奶酪工艺参数进行优化，结果见表7。

表7 响应面设计与结果Table 7 Design and results of response surface

续 表

对试验数据进行分析，得到感官评分(Y1)和水分含量(Y2)响应面回模拟方程为：

Y1=94.78-0.075A+0.67B+0.61C+0.025D-0.58E+0.10AB+0.55AC-0.80AD-1.05AE-0.93BC-0.65BD-1.77BE+1.95CD-1.93CE-0.85DE-17.29A2-5.70B2-3.87C2-6.12D2-3.20E2。

Y2=29.20-0.17A+0.19B+0.28C-0.21D-1.250E-003E-0.72AD+1.35CD-0.80CE-0.63DE-5.44A2-1.94B2-1.01C2-2.19D2-0.54E2。

对感官评分和水分含量模拟方程进行显著性分析，见表8。建立感官评分和水分含量数学模型P<0.0001，此数据模型非常显著，失拟项P=0.1437/0.7245>0.05，均不显著，表明试验能够较好拟合真实情况，可用于茶奶酪工艺参数的优化。此外，在感官评分模拟方程方差分析中AE和BE显著，CD和CE极显著，说明发酵剂添加量与发酵时间、茶叶添加量与发酵时间、凝乳酶添加量与发酵温度、凝乳酶添加量与发酵时间对奶酪感官评分的影响存在交互作用。在水分含量模拟方程方差分析中AD、CE显著，CD极显著，说明茶叶添加量与发酵温度、凝乳酶添加量与发酵时间、凝乳酶添加量与发酵温度对奶酪水分含量的影响存在交互作用。

表8 方差分析表Table 8 Analysis of variance

续 表

注：“*”表示显著性差异，P<0.05；“**”表示极其显著性差异，P<0.01。

2.3 各因素之间的交互作用

图1 两因素交互作用对茶奶酪感官评分影响的响应面Fig.1 Response surface figures of interaction of two factors on sensory scores of tea cheese

由图1中d可知，当发酵剂添加量为3%、凝乳酶添加量为2%和发酵温度为40 ℃时，随着茶叶添加量的增加，茶奶酪的感官评分逐渐升高，在茶叶添加量为1%左右时达到最大，之后又逐渐下降。随着发酵时间的增加，感官评分逐渐增大，在发酵时间为7 h左右，感官评分达到最大，之后又逐渐下降。由图1中g可知，在茶叶添加量为1%、凝乳酶添加量为2%和发酵温度为40 ℃时，随着发酵剂添加量和发酵时间的增加，奶酪的感官评分显著提高，在发酵剂添加量和发酵时间分别为0.31%和7 h时，感官评分最高，之后又逐渐降低。由图1中h可知，在茶叶添加量为1%、发酵剂添加量为3%和发酵时间为7 h时，随着凝乳酶添加量的增加，茶奶酪的感官评分逐渐升高，当凝乳酶添加量为2.2%左右时达到最高值，之后又逐渐下降。由图1中i可知，在茶叶添加量为1%、发酵剂添加量为3%和发酵温度为40 ℃时，随着凝乳酶添加量和发酵时间的增加，奶酪的感官评分升高，当凝乳酶添加量和发酵时间分别为2.3%和7.2 h左右时，感官评分最高，之后又逐渐下降。

图2 两因素交互作用对茶奶酪水分含量影响的响应面Fig.2 Response surface figures of interaction of two factors on water content of tea cheese

由图2中c可知，当发酵剂添加量为3%、凝乳酶添加量为2%和发酵时间为7 h时，随着茶叶添加量的增加，茶奶酪的水分含量逐渐升高，在茶叶添加量为1.1%左右时达到最大，之后又逐渐下降。随着发酵时间的增加，水分含量逐渐增大，在发酵时间为7.3 h左右时水分含量最高，之后逐渐降低。由图2中i可知，在茶叶添加量为1%、发酵剂添加量为3%和发酵温度为40 ℃时，随着凝乳酶添加量和发酵时间的增加，茶奶酪的水分含量逐渐提升，当凝乳酶添加量和发酵时间分别为2.2%和7.3 h左右时，茶奶酪的水分含量最高，之后逐渐降低。由图2中h可知，当茶叶添加量为1%、发酵剂添加量为3%和发酵时间为7 h时，随着凝乳酶添加量和发酵温度的增加，茶奶酪的水分含量逐渐提升，当凝乳酶添加量和发酵温度分别为1.7%和39 ℃左右时，茶奶酪的水分含量最高，之后逐渐降低。

3 结论

以茶叶和牛奶为原料，基于单因素试验，以响应面分析法对茶奶酪的工艺参数进行优化，确定最佳生产工艺条件为：茶叶量1%、发酵剂0.3%、发酵温度40 ℃、发酵时间7 h和凝乳酶2 mg/L，在此条件下奶酪的感官评分和水分含量分别为94.78分和29.20%。