响应面法优化蹄筋酸奶冻配方

关嘉琦,柯楚新,黄 鹤,李柏良,焦雯姝,冷友斌,霍贵成,*

(1.东北农业大学,乳品科学教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨 150030; 2.黑龙江省疾病预防控制中心,黑龙江哈尔滨 150030; 3.黑龙江飞鹤乳业有限公司,北京 100015)

酸奶具有较高营养价值,酸奶中的益生菌、氨基酸、肽类、有机酸、细胞壁外多糖、无机盐等易被人体消化吸收、为人体提供营养,还可以调节人体肠道的微生物菌群,具有预防疾病等多种保健功效[1-2]。

胶原蛋白是皮肤真皮层的主要成分,占人体总蛋白质含量的三分之一。目前,国内外对胶原蛋白的研究主要侧重于胶原蛋白的物理特性及其在生物学功能方面的应用,例如在相纸底片、化妆品、食品等方面的应用[3-4]。随着人们对食品的营养性、功能性、保健性等方面要求的提高,以胶原蛋白为主要原料研制而成的、具有美容功效的食品逐渐进入人们的视野[5-7]。

果冻是通过溶胶、调配、注模、包装等工序制成的一种胶冻食品[8],近年来,以纤维素等营养强化类以及以药材作为原料的创新性果冻产品日益丰富[9-12]。果冻生产最重要的原料就是凝结剂,目前国内市场上较为常见的果冻、双皮奶等制品多用琼脂(植物性多聚糖)、卡拉胶等使产品凝固,此外还有魔芋胶、黄原胶等,添加方式分单一凝结剂和复配凝结剂[9]。琼脂、明胶等虽均可用作凝结剂,但在国内西藏等畜牧业发达的地域不易获得、运输成本较高。另外琼脂虽在稳定食品结构方面起作用,但质地较脆,组织较粗糙,且易脱水以致产品收缩[13]。卡拉胶常用于凝胶状态的乳制品中,但获得的产品组织状态不够细腻,pH4.0以下时极易被酸解。相反,以牛蹄筋中提取的胶原为凝结剂,既可提供丰富优质的营养成分,又可提高酸奶贮藏性与感官质量。制作成本低的蹄筋酸奶冻产品,具有较高创新性、实用价值以及市场前景。

本文以酸奶为原料,以牛蹄筋中提取的胶原蛋白为凝结剂,通过单因素实验和Box-Behnken响应面分析优化蹄筋酸奶冻生产配方,以期为牛蹄筋等副产物再利用提供参考价值,为乳制品加工提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

牛蹄筋 市售;纯牛乳 内蒙古伊利实业集团股份有限公司;保加利亚乳杆菌LactobacillusbulgaricusKLDS1.0207 乳品科学教育部重点实验室;嗜热链球菌LactobacillusacidophilusKLDS1.0901 乳品科学教育部重点实验室;蔗糖 大连闽一品商贸有限公司;小苏打 铜柏博源新型化工有限公司;食醋 上海鼎丰酿造食品;食品级无水柠檬酸 河北格贝达生物科技有限公司;喜之郎酸奶味果冻 阳江喜之郎果冻制造有限公司。

ZA220R4型电子分析天平 上海赞维衡器有限公司;PHS-2C型数显台式酸度计 深圳市宝安区三诺仪器仪表经营部;DZKW-4型恒温水浴锅 林茂科技(北京)有限公司;TA-XT plus型物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司;LRH-150B型生化培养箱 广东省医疗器械厂;LGBCD180型冰箱 海信容声冰箱有限公司;SHP-60-60型高压均质机 上海科技技术大学机电厂;C21-SDHCB66T型苏泊尔电磁炉 浙江苏泊尔。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 酸奶冻[14]工艺流程如下:

鲜奶预处理→预热→均质→热处理→冷却→接种发酵剂→发酵→冷却→灌装→搅拌型酸奶

牛蹄筋挑选→修整、漂洗→切块→脱脂→清洗→中和→漂洗→熬制→过滤→胶液

搅拌型酸奶+蔗糖、柠檬酸+胶液→混合→搅拌→冷却成型→后熟→成品

牛蹄筋预处理过程采用胡文娥等[15]的方法,并稍作改动。将牛蹄筋修整切块,浸于60～80 ℃的2%小苏打溶液,搅拌10 min,纯净水清洗2次,用5%的食醋水溶液浸泡清洗,净水冲洗1～2 次。根据试验比例加水熬制4 h,其间不断加水保持胶液含水量恒定,过滤去除残渣。

原料乳于60～65 ℃,20～25 MPa条件下均质,后升温至90～95 ℃并保持5 min[16]。无菌环境下,将两种乳酸菌按1∶1比例接种,接种量为1‰,42～43 ℃培养25～30 h。当酸乳完全凝固(pH4.2～4.5)时,将温度于30 min内缓慢降至15～22 ℃[17],充分搅拌,0～7 ℃冷藏24 h。根据试验比例将胶液、蔗糖与无水柠檬酸混合并充分搅拌,0～4 ℃静置12 h。

1.2.2 质构特性测定 利用TA-XT plus型物性测试仪对样品进行TPA测试[18]。模式:TPA质构分析;探头:A/BE圆盘探头,盘径35 mm;夹具:TA-BT-KI;触发点负载:7 g;形变量为50%;循环次数:2;预测试速度:2 mm/s;测试速度:1 mm/s;返回速度:1 mm/s。每个样品重复测试5 次,结果取平均值。

1.2.3 感官评价 由10 名感官鉴评员针对样品的色泽、风味、口感和组织形态进行感官评定,评分标准见表1[19]。

表1 胶原蛋白酸奶冻感官评定标准Table 1 Sensory score standard of collagen yogurt jelly

1.2.4 可溶性固形物含量及pH的测定 按照GB 5009.237-2016《食品安全国家标准-食品pH的测定》[31]以及GB/T 10786-2006《中华人民共和国国家标准-罐头食品的检验方法》[20]的方法分别测定酸奶冻的pH和可溶性固形物含量。

1.2.5 微生物指标的测定 按照GB 4789.15-2016《食品微生物学检验霉菌和酵母计数》[23]、GB 4789.3-2016《食品微生物学检验大肠菌群计数》[22]、GB 4789.2-2016《食品微生物学检验菌落总数测定》[21]的方法测定酸奶冻的霉菌和酵母的数量、大肠菌群、菌落总数。

1.3 试验设计

1.3.1 单因素实验设计

1.3.1.1 胶液添加量对酸奶冻的影响 酸奶冻制备流程依据1.2.1,以0.10%的无水柠檬酸添加量与15%的蔗糖添加量作为固定量,分别在加入20%、30%、40%、50%、60%胶液条件下进行试验,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官评分、硬度、弹性、咀嚼性指标,确定胶液添加量。

1.3.1.2 蔗糖对酸奶冻品质的影响 酸奶冻制备流程依据1.2.1,以40%的胶液添加量与0.10%的无水柠檬酸添加量作为固定值,分别在添加5%、10%、15%、20%、25%蔗糖条件下进行试验,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官评分、硬度、弹性、咀嚼性指标,确定蔗糖添加量。

1.3.1.3 无水柠檬酸对酸奶冻品质的影响 酸奶冻制备流程依据1.2.1,以40%的胶液添加量与15%的蔗糖添加量作为固定值时,分别在无水柠檬酸添加量为0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%条件下进行试验,按1.2.2及1.2.3方法,得到感官评分、硬度、弹性、咀嚼性指标确定蔗糖添加量。

1.3.2 响应面优化试验设计 基于单因素实验结果,利用Box-Behnken分析建立模型[24],将胶液添加量(%)A、蔗糖添加量(%)B和无水柠檬酸添加量(%)C设置为变量,以感官评分及弹性为指标,试验的自变量因素编码及水平见表2。

表2 响应面试验因素水平表Table 2 Factors and levelsTable of response surface experiments

1.3.3 酸奶冻的质量评价 按照响应面优化试验得到的最优条件完成样品制备,按照1.2.2及1.2.3的方法测定其质构特性以及感官质量,将其与喜之郎酸奶味果冻进行比较。其理化、微生物指标按照1.2.4及1.2.5的方法测定。

1.3 数据处理

借助Design-Expert 8.0.6软件设计试验、分析数据、建立二次模型,利用拟合回归方程,分析响应曲面,以此得出最佳变量水平,借助F值考察模型及因素的显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 胶液添加量对酸奶冻的影响 综合感官评分、硬度、弹性、咀嚼性四个方面评价产品的品质,得出结果见图1。

图1 胶液添加量对酸奶冻的影响Fig.1 Effect of collagen adding amount on yogurt jelly quality

由图1知,随胶液添加量提高,酸奶冻的硬度、弹性、咀嚼性均增大。原因是当胶液添加量提高时,体系中可以形成更多包有水分的三维网络结构,分子紧密排列,结构稳定[25],故其弹性、硬度等会逐渐提高。然而数值过大,则会影响感官质量,可见弹性只有在一定范围内增大才可提高酸奶冻质量。结合感官质量测试,上述实验说明胶液添加量在40%时,具有最令人愉悦的品质,因此在优化胶液添加量时选择40%为中心点。

2.1.2 蔗糖添加量对酸奶冻的影响 综合感官评分、咀嚼性、硬度、弹性四个方面评价产品品质,结果见图2。

图2 蔗糖添加量对酸奶冻的影响Fig.2 Effect of sucrose adding amount on yogurt jelly quality

由图2可知,随着蔗糖浓度不断增加,酸奶冻的弹性、硬度、咀嚼性以及感官评分先增大后减小,峰值在蔗糖添加量为15%时取得,这与梁晓娟等研究成果[19]一致。原因是蔗糖浓度增加,其分子的水化作用增强,自由水减少,凝胶的三维网络结构更致密。若继续增加,分子间交联被阻碍,凝胶的弹性及咀嚼性受无凝胶作用的蔗糖分子影响而降低[26]。当蔗糖添加量达到15%时,甜度最适,过高或过低均影响感官质量。综上,确定加入15%蔗糖为最适,在优化蔗糖添加量时选择15%为中心点。

2.1.3 无水柠檬酸添加量对酸奶冻的影响 综合感官评分、硬度、弹性、咀嚼性四个方面评价产品的品质,结果见图3。

图3 无水柠檬酸添加量对酸奶冻的影响Fig.3 Effect of citric acid adding anhydrous amount on yogurt jelly quality

由图3可知,随着无水柠檬酸浓度提高,酸奶冻的硬度、弹性、咀嚼性以及感官评分均先增大后减小,峰值在添加量为0.10%时取得。这是由于无水柠檬酸的加入可掩盖蹄筋胶液的腥味,提升感官质量,但同时它的加入也会造成体系的酸碱性发生变化,使得胶原被酸解,破坏其紧密排列的三维网络分子结构,从而导致弹性下降。综上,最适无水柠檬酸添加量为0.10%,在优化无水柠檬酸添加量时选择0.10%为中心点。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 模型建立与方差分析 基于上述单因素实验,考虑到弹性、咀嚼性和硬度之间存在相关性,且趋势基本相同[27],又由于弹性指标更具代表性,故以弹性(y1)、感官评分(y2)为响应值,以胶液、蔗糖、无水柠檬酸添加量(%)为因素,使用Box-Behnken试验设计进行响应面分析。试验设计及结果见表3,表中A、B、C分别代表各因素的编码值。

表3 响应面试验设计及结果Table 3 Experimental results of response surface analysis

2.2.1.1 以弹性为响应值 借助Design-Expert 8.0.6软件,对表3中数据进行多元线性回归拟合,得到弹性对胶液、蔗糖、无水柠檬酸添加量(%)的二次多项回归方程模型为:

y1=0.98+0.12A+0.018B-2.75×10-3C-0.013AB+5.75×10-3AC+4.25×10-3BC+0.012A2-0.048B2-0.049C2

方差分析见表4,回归模型的F值为103.59,差异极显著(P<0.01),失拟项差异不显著(P>0.05),说明方程误差小,拟合度高。一次项A、B，二次项B2、C2对弹性的影响均达到极显著水平(P<0.01)。由各参数F值的大小可知，胶液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、无水柠檬酸添加量(%)对酸奶冻弹性影响程度依次降低。

表4 响应面结果方差分析Table 4 ANOVA of response surface results

由表5可知,预测R2为0.9010,说明该模型预测性良好。系数R2为0.9925,校正R2为0.9830,说明此模型与实际实验拟合程度较高。变异系数为1.34%,低于5%,说明方程有良好的重现性。由信噪比为29.966,远大于4,可见模型可信度较高。

表5 R2综合分析Table 5 Analysis of R2

2.2.1.2 以感官评分为响应值 以感官评分为响应值,使用Design-Expert 8.0.6软件分析表3中的试验数据,获得如下回归方程:y2=89.2+3A+3.12B+4.38C-3.25AB+4.25AC-4BC-13.6A2-13.35B2-7.35C2

由表6知,回归模型的F值为24.35,差异极显著(P<0.01),失拟项差异不显著(P>0.05),说明方程误差小,拟合度较高。一次项C，二次项A2、B2、C2对弹性的影响均达到极显著水平(P<0.01),一次项A、B对弹性的影响均达到显著水平(P<0.05)。由各参数F值的大小可知无水柠檬酸添加量(%)、蔗糖添加量(%)、胶液添加量(%)对酸奶冻感官评价影响程度依次降低。

表6 响应面结果方差分析Table 6 ANOVA of response surface results

由表7可知,系数R2为0.9690,校正R2为0.9292,说明此模型与实际实验拟合程度较高。表中变异系数为4.56%,低于5%,表明方程的重现性良好。信噪比为14.229,远高于4,说明模型有较高的可信度。因此,该模型可用来分析预测响应值的变化规律。

表7 R2综合分析Table 7 Analysis of R2

图8 因素BC交互作用对酸奶冻感官评价影响的响应曲面与等高线图Fig.8 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

2.2.2 响应面分析与优化 利用Design-Expert 8.0.6软件,在回归方程y1、y2的基础上,响应曲面及等高线图(图4～图9)进一步反映了各因素间交互作用对酸奶冻弹性及感官特性影响[28-30]。响应曲面陡峭,说明因素对响应值影响较大。椭圆形的等高线图代表两因素间有显著交互作用,反之则呈圆形[19]。

图4 因素AB交互作用对酸奶冻弹性影响的响应曲面与等高线图Fig.4 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the elasticity of yogurt jelly注：a:响应曲面;b:等高线图;图5～图9同。

图9 因素AC交互作用对酸奶冻感官评价影响的响应曲面与等高线图Fig.9 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the sensory score of yogurt jelly

由图4～图6可知,在所考察因素胶液添加量范围内,弹性响应值随因素升高而升高,中心位于所考察区域外,说明回归方程无极大值。结合拟合回归方程可知,胶液添加量A(%)对酸奶冻的弹性(y1)影响最大,且弹性将随着胶液添加量(%)的增加而增大。而对于因素蔗糖添加量、无水柠檬酸添加量的交互作用及对弹性的影响如图5所示,凹曲面向下开口,说明存在极大值。然而,弹性指标只能反映出产品的质构方面特性,仅以弹性作为单一指标来评价酸奶冻品质不够全面,弹性过大有可能导致感官品质降低,因此,另以感官评价作为指标,综合反映酸奶冻品质。

图5 因素BC交互作用对酸奶冻弹性影响的响应曲面与等高线图Fig.5 Response surface and contour map of the influence of factor B and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

图6 因素AC交互作用对酸奶冻弹性影响的响应曲面与等高线图Fig.6 Response surface and contour map of the influence of factor A and C interaction on the elasticity of yogurt jelly

由图7～图9可知,在所有考察因素范围内,随着各因素的增加,响应值感官评分(y2)均先增大再减小。响应曲面向下开口,等高线中心均位于考察区域中心,说明方程有极大值。

图7 因素AB交互作用对酸奶冻感官评价影响的响应曲面与等高线图Fig.7 Response surface and contour map of the influence of factor A and B interaction on the sensory score of yogurt jelly

通过Design-Expert 8.0.6软件分析得到酸奶冻最佳配方为:胶液、蔗糖、无水柠檬酸添加量分别为43.12%、15.49%、0.11%。此时,酸奶冻的弹性理论值为0.987,感官评价得分的理论值为90.2307,近似于单因素实验的结果,这也进一步证明试验模型是可行的。为使实际操作具有可行性,取整处理,将最佳工艺条件调整为胶液、无水柠檬酸、蔗糖添加量为43%、0.11%、15.5%。此时,制作的酸奶冻的弹性为0.945,与预测值接近度达到95.74%,酸奶冻的感官评价得分为86,与预测值接近度达到95.31%;表明回归方程模型可用于研究酸奶冻加工工艺。

2.3 酸奶冻的质量指标

2.3.1 质构特性与感官质量 在上述最优条件下制备蹄筋酸奶冻,测定其的质构特性以及感官质量,将其与喜之郎酸奶味果冻进行比较,结果如表8所示。

表8 酸奶冻的质构特性与感官质量Table 8 Texture characteristics and sensory quality of collagen yogurt jelly

由表8可知,酸奶冻弹性、硬度、咀嚼性略低于市售果冻,但具备较好感官品质。在该最优条件下制得的成品色泽光亮,成冻完整,质地均匀,酸奶味浓郁,无异味,酸甜度好,口感细腻。

2.3.2 理化、微生物指标 在最优条件下制备蹄筋酸奶冻,测定其理化、微生物指标,结果如表9所示。

表9 酸奶冻的理化、微生物指标Table 9 Physicochemical and biological indicators of collagen yogurt jelly

由表9可知,在最优条件下制备蹄筋酸奶冻理化、微生物指标符合国家规定,可为蹄筋酸奶冻产品开发提供参考。

3 结论

本实验以酸奶为原料,提取牛蹄筋中的胶原蛋白作为凝结剂制成酸奶冻产品。通过单因素试验设计以及Box-Behnken响应面分析原理建立了弹性、感官评分对胶液添加量(%)、蔗糖添加量(%)、无水柠檬酸添加量(%)的模型,确定了回归方程y1、y2。酸奶冻的质构品质以及感官质量与工艺之间并非简单的线性关系,而存在显著交互作用。最终确定蹄筋酸奶冻的最优配方为:胶液添加量为43%,蔗糖添加量为15.5%,无水柠檬酸添加量为0.11%。此时,制作的酸奶冻弹性为0.945,感官评分为86,具有良好的质构特性与感官品质,其理化、微生物指标均符合国家标准。