响应面法优化红薯蜂蜜酸奶果冻工艺研究

鲁 莹，郝梦涵，许紫萱，吴振阳，陈 昊，姜瞻梅

（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

果冻通常主要由凝胶剂、甜味剂、香精和色素等调制而成，其种类繁多，但产品的营养价值较低、保健功效有限[1-2]，目前已有国内外研究报道中，秦慧彬等[3]研制的爽口鲜果啤酒果冻、Riedel等[4]研制的还原糖及无糖果冻、Selvamuthukumaran等[5]研制的沙棘混合水果果冻，口感均较好，但营养性较低；董晓静等[6]研制的海参银耳保健果冻，其营养丰富，但原料成本较高；杨君等[7]研制的姜汁保健果冻，具有一定保健功效，但其辛辣味不太容易被接受。故需要开发一款感官品质较好、营养价值较高且有一定功能性的果冻，以满足消费者的需求。

目前随着科技的发展，人们的体力活动明显减少，肠道蠕动减弱，消化不良、便秘等症状变得很普遍；对于便秘的治疗，可采用益生菌联合膳食纤维的方法[8]，故拟开发一款食用方便的清肠通便型果冻产品。红薯富含大量膳食纤维，进入体内可刺激肠道蠕动，通便排毒[9]。蜂蜜富含葡萄糖和果糖等单糖，很容易被人体吸收，更是治疗便秘的缓泻剂[10-11]。酸奶是由原奶经乳酸菌发酵而来，食用可以增加有益菌群，调节肠道菌群平衡[12]。因此，本研究以红薯、蜂蜜、新鲜牛奶为主要原料，以乳酸菌为发酵剂，卡拉胶为胶凝剂，采用响应曲面法优化红薯蜂蜜酸奶果冻的配方，旨在丰富果冻的类型，为开发新型果冻产品提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

新鲜红薯、全脂牛奶、紫苏蜜、绵白糖、乳酸菌，均为市售；κ-卡拉胶，福建省绿麒食品胶体有限公司；柠檬酸，食品级，潍坊英轩实业有限公司。

1.1.2 仪器与设备

HPG-9245型电热恒温鼓风干燥箱，北京东联哈尔仪器制造有限公司；HH-6型数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；AL-104型精密电子天平，天津市泰斯特仪器有限公司；PIB12型电磁炉，广东奔腾电器实业有限公司；TF360型组织捣碎机，山东曲阜市泰丰机械设备有限公司；TMS-Pro型质构仪，美国FTC公司。

1.2 方法

1.2.1 制作工艺流程

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 红薯浆液的制备

挑选表皮无损伤的新鲜红薯，进行清洗和晾干；切块放入锅中，在100℃下蒸煮红薯25 min，取出去皮备用；按照红薯∶水=1∶2.5的比例称取水[13]，将红薯及水倒入组织捣碎机中，将其捣成较均匀的红薯浆液；用80目绢布过滤，除去较为粗老的红薯纤维，在65℃下杀菌30 min得到质地细腻且均一的红薯浆液[14]。

1.2.2.2 酸奶的制备

准确称取新鲜牛奶，加入10%白砂糖搅拌均匀后进行过滤。过滤后的混合液在65℃下杀菌30min，然后冷却至43℃，加入适量乳酸菌粉，在43℃下发酵4.5h。

1.2.2.3 红薯蜂蜜酸奶果冻的制备

准确称取卡拉胶和水，向水中边搅拌边缓慢加入卡拉胶，使卡拉胶充分溶解；待卡拉胶溶解后，将胶液置于70℃恒温水浴锅中保温10 min；取出向其中快速加入红薯浆液、蜂蜜、酸奶、白砂糖、柠檬酸的混合溶液，搅拌至均匀，再放入恒温水浴锅中70℃保温20 min[15]；将混合液取出，搅拌均匀倒入果冻模具中，在4℃下冷却待其成型。

1.2.3 单因素试验设计

1.2.3.1 红薯浆液添加量的确定

在蜂蜜添加量1%，酸奶添加量25%，卡拉胶添加量0.60%，白砂糖添加量2%，柠檬酸添加量0.10%条件下，分别添加5%、9%、12%、15%、20%的红薯浆液，制作红薯蜂蜜酸奶果冻，对其进行感官评价和质构分析，确定红薯浆液最适添加量。

1.2.3.2 酸奶添加量的确定

在红薯浆液添加量12%，蜂蜜添加量1%，卡拉胶添加量0.60%，白砂糖添加量2%，柠檬酸添加量0.10%的条件下，分别添加19%、22%、25%、28%、31%的酸奶，制作红薯蜂蜜酸奶果冻，对其进行感官评价和质构分析，确定酸奶最适添加量。

1.2.3.3 卡拉胶添加量的确定

在酸奶添加量28%，红薯浆液添加量12%，蜂蜜添加量1%，白砂糖添加量2%，柠檬酸添加量0.10%的条件下，分别添加0.40%、0.50%、0.55%、0.60%、0.65%、0.70%的卡拉胶，制作红薯蜂蜜酸奶果冻，对其进行感官评价和质构分析，确定卡拉胶最适添加量。

1.2.3.4 白砂糖添加量的确定

在卡拉胶添加量0.60%，酸奶添加量28%，红薯浆液添加量12%，蜂蜜添加量1%，柠檬酸添加量0.10%的条件下，分别添加1%、2%、3%、4%的白砂糖，制作红薯蜂蜜酸奶果冻，对其进行感官评价和质构分析，确定白砂糖最适添加量。

1.2.3.5 柠檬酸添加量的确定

在卡拉胶添加量0.60%，酸奶添加量28%，红薯浆液添加量12%，蜂蜜添加量1%，白砂糖添加量3%的条件下，分别添加0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的柠檬酸，制作红薯蜂蜜酸奶果冻，对其进行感官评价和质构分析，确定柠檬酸最适添加量。

1.2.4 响应面法优化试验设计

在单因素试验的基础上，选取影响较大的3个因素即红薯浆液、酸奶、卡拉胶，以感官评分为响应值，运用Box-Behnken设计对果冻的配方进行3因素3水平的响应面优化试验（见表1）。

表1 响应面优化试验设计Table 1 Experimental design of responsesurface optimization 单位：%

1.2.5 分析方法

1.2.5.1 质构分析

质构分析可以用于研究果冻品质特性，以果冻的硬度代表凝胶强度，采用TPA二次下压法进行测定，测试参数设置：P/0.5 s探头，测试速率2 mm/s，触变力5 g，压缩距离10 mm，做3次测试。

1.2.5.2 感官评价

由于配方优化过程中产品的口感对感官评分影响最大，其次是组织状态和风味，而色泽相差不大，影响最小，故设置4个项目分数分别为色泽15分、组织形态25分、风味25分和口感35分，选择10位食品专业人员依据果冻感官评分标准（表2）进行评分，满分为100分。

表2 果冻感官评价标准Table 2 Criteriafor sensory evaluation of jelly

1.2.6 指标检测

参照GB 5009.11—2014[16]中的方法检测总砷含量；参照GB 5009.12—2017[17]中的方法测定铅含量。参照GB 4789.2—2016[18]、GB 4789.3—2016[19]、GB 4789.15—2016[20]的方法分别检测菌落总数、大肠菌群、霉菌和酵母菌。

1.2.7 数据处理

每组试验均重复3次，结果表示为平均值±标准差的形式。数据采用Design-Expert8.0.6.1和SPSS22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 红薯浆液添加量的确定

由表3可知，随着红薯浆液添加量的增加，产品的硬度和感官评分先增加后降低，颜色逐渐变深。红薯添加量过低时味道很淡，添加量过高时产品表面较粗糙，色泽较深。红薯浆液添加量为12%时，产品硬度最大且感官评分最高，组织状态好且色泽均匀，酸甜可口，兼具蜂蜜、红薯和酸奶的风味和口感。因此，确定红薯浆液最适添加量为12%。

表3 红薯浆液添加量试验结果Table 3 Test results of sweet potato slurry addition

2.1.2 酸奶添加量的确定

由表4可知，随酸奶添加量的增加，产品的硬度和感官评分先增加后降低，颜色差异不大，为乳白色微黄。酸奶添加量过低时质地较粗糙，不均一，香气较淡；酸奶添加量过高时，会有少量乳清析出且稍分层。酸奶添加量为28%时，产品硬度最大且感官评分最高，质地细腻，口感爽脆嫩滑，气味适宜。因此，确定酸奶最适添加量为28%。

表4 酸奶添加量试验结果Table 4 Test resultsof yogurt addition

2.1.3 卡拉胶添加量的确定

卡拉胶是一种各方面性能都较好的凝固剂，相较于其他的凝固剂如琼脂、果胶及明胶等，卡拉胶没有弹性低、凝固和融化点低、价格高等缺点，以卡拉胶制成的果冻富有弹性且没有离水性[21-22]。由表5可知，随着卡拉胶添加量的增加，产品的硬度逐渐增加、感官评分先增加后降低，色泽差异很小。卡拉胶添加量过低时，成胶慢且硬度很低；卡拉胶添加量过高时，虽然成胶很快但成品果冻的组织形态较差，质地不均匀，表面粗糙且口感不好，有怪异气味。卡拉胶添加量为0.60%时，产品硬度较大且感官评分最高，成胶很快，组织状态好且色泽均匀，味道香甜，无怪异气味。因此，确定卡拉胶最适添加量为0.60%。

表5 卡拉胶添加量试验结果Table 5 Test results of carrageenan addition

2.1.4 白砂糖添加量的确定

由表6可知，随着白砂糖添加量的增加，产品的硬度和感官评分先增加后降低，甜度逐渐增加。当白砂糖添加量为2%时，果冻硬度最大，但当白砂糖添加量为3%时感官评分较高，且硬度差距很小，甜度适中。因此，确定白砂糖最适添加量为3%。

表6 白砂糖添加量试验结果Table 6 Test results of white sugar addition

2.1.5 柠檬酸添加量的确定

由表7可知，随着柠檬酸添加量的增加，产品的硬度和感官评分先增加后降低，酸度逐渐增加。当柠檬酸添加量为0.10%时，果冻硬度最大且感官评分最高，酸甜适中。因此，确定柠檬酸最适添加量为0.10%。

表7 柠檬酸添加量试验结果Table 7 Test resultsof citric acid addition

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 响应面优化试验模型建立与分析

在单因素试验的基础上，选取影响较大的3个因素即红薯浆液、酸奶、卡拉胶，以感官评分为响应值，运用Box-Behnken设计对果冻的配方进行3因素3水平的响应面优化试验，试验结果如表8所示。

表8 响应面优化试验结果Table 8 Response surface optimization test results

运用Design-Expert 8.0.6.1软件对表8的试验结果进行二元多项回归拟合，得到产品的感官评分（Y）对红薯浆液添加量（A）、酸奶添加量（B）、卡拉胶添加量（C）的二元多项回归方程：

由表9可知，回归模型P＜0.000 1，表现为差异极显著，失拟项P=0.464 1＞0.05，表现为差异不显著，决定系数R2=0.999 1，校正决定系数R2adj=0.997 9，综合说明该模型对试验拟合度好，可以对红薯蜂蜜酸奶果冻的感官得分进行分析和预测。一次项A、B、C对产品感官评分的影响均达到极显著水平（P＜0.01），由F值可知，影响产品感官得分的因素顺序分别为：A（红薯浆液添加量）＞B（酸奶添加量）＞C（卡拉胶添加量），AB、AC、A2、B2、C2对产品的感官得分有极显著影响（P＜0.01）；因素BC对产品感官得分的影响不显著。

表9 二元回归方程的方差分析Table 9 Analysisof variance for binary regression equation

2.2.2 响应面交互作用分析

根据回归方程得出各因素交互作用对红薯蜂蜜果冻感官得分影响的响应面图（见图1、2、3）。从响应面的等高线可以看出，椭圆形即表示因素两两交互作用显著，而圆形则相反。响应面的坡度变化反映出各因素变化时，对应响应值的变化情况[23]。由图1可知，当卡拉胶添加量一定时，产品的感官得分随着红薯浆液添加量的增加显著增加之后降低，红薯浆液添加量与酸奶添加量的交互作用极显著（P＜0.01），二者添加量适宜时才能得到最佳效果。由图2可知，当酸奶添加量一定时，产品的感官得分随着红薯浆液添加量的增加显著增加之后降低，红薯浆液添加量与卡拉胶添加量的交互作用极显著（P＜0.01），二者添加量适宜时才能得到最佳效果。图3的响应面坡度变化平缓且等高线为圆形，即红薯浆液添加量对产品感官评分影响最大，酸奶添加量与卡拉胶添加量的交互作用不显著。

图1 红薯浆液添加量与酸奶添加量交互作用对果冻感官评分影响的响应面图Fig.1 Response surface diagramshowing theinteraction effects between sweet potato slurry addition and yogurt addition on sensory scores of jelly

图2 红薯浆液添加量与卡拉胶添加量交互作用对果冻感官评分影响的响应面图Fig.2 Responsesurfacediagramshowingtheinteraction effects between sweet potato slurry addition and carrageenan addition on sensory scores of jelly

图3 酸奶添加量与卡拉胶添加量交互作用对果冻感官评分影响的响应面图Fig.3 Response surface diagramshowing the interaction effects between yogurt addition and carrageenan addition on sensory scores of jelly

2.2.3 工艺参数优化及验证试验

根据响应面优化分析得到产品的最佳配方为：红薯浆液添加量10.95%，酸奶添加量27.76%，卡拉胶添加量0.60%，此时预测产品的感官评分为92.97分。基于试验的可行性，对上述最佳配方条件微调为：红薯浆液添加量11%，酸奶添加量28%，卡拉胶添加量0.60%，并做3次平行试验以验证结果的可靠性，得到产品的硬度为（232.34±1.21）g，感官评分为92.80±1.05分，与理论值接近，说明采用响应面优化方法是可行的。

2.3 产品指标

本产品为乳白色且微黄，口感细腻嫩滑，具有酸奶、红薯及蜂蜜的滋气味，无异物异味，符合GB 19299—2015[24]的要求。总砷含量为0.03 mg/kg，铅含量为0.04 mg/kg，菌落总数为76 CFU/g，大肠菌群未检出，霉菌和酵母菌数为12 CFU/g，符合GB 19299—2015[24]、GB 2762—2017[25]的要求。

3 结论与讨论

通过单因素试验与响应面优化试验分析得到各因素影响产品感官得分的顺序为：红薯浆液添加量＞酸奶添加量＞卡拉胶添加量，产品的最佳配方为：红薯浆液添加量11%，酸奶添加量28%，卡拉胶添加量0.60%，白砂糖添加量3%，蜂蜜添加量1%，柠檬酸添加量0.10%。产品的感官评分为92.80±1.05分，硬度为（232.34±1.21)g。

在硬度方面，通过前期试验得到市面畅销的蒟蒻果冻的硬度约为253.56 g，本产品硬度接近市售果冻且更加的柔软细腻，爽滑可口。在感官品质方面，区别于以往橙子、草莓果肉果冻，本产品兼具薯香、奶香、蜜香，清新香甜。在功能性研究方面，杨昌天等[26]研制了具有滋阴保健功能的铁皮石斛功能性果冻；Figueroa等[27]以苹果、竹子、木虱和小麦的纤维为原料研制了富含膳食纤维的果冻；丁燕等[28]研制了具有营养保健功能的紫薯红枣果冻。然而目前还未见关于清肠通便果冻的文献报道，本研究大胆创新，选择功能性原料，以期使产品具有一定功能性。在营养价值方面，黄积萍等[29]研发的魔芋酸奶果冻中酸奶添加量为6%，张丽芳等[30]研发的南瓜酸奶保健果冻中酸奶的添加量为20%，而本产品在保证感官品质的同时，酸奶添加量为28%，蛋白含量更高，营养性更好；且该产品不加任何色素、防腐剂及添加剂，充分保证产品营养与健康，通过充分杀菌，保证了保质期。本产品是一款兼具美味与营养的食品，具有较广阔的市场前景。