响应面法结合模糊数学优化南瓜籽酸奶发酵工艺

周 婵， 吴 宏， 刘 娅， 代文婷

（1.石河子大学 食品学院，新疆 石河子832003；2.新疆农垦科学院 农产品加工研究所，新疆 石河子832003）

大量研究表明，南瓜籽不仅具有能够降低胆固醇、血糖，缓解高血压的功效，还能防治前列腺增生，是一种富有良好保健效果的食品，具有很高的开发利用价值[1-8]。

目前，市场上的南瓜籽产品主要为南瓜籽休闲食品、南瓜籽油等。酸奶风味独特，营养丰富，受到广大消费者的喜爱。师坤用南瓜籽与葵花籽复合研发出一种酸奶[9]。张秀凤等将南瓜籽与山药加入牛奶中，研发了风味独特的酸奶[10]。将南瓜籽应用于酸奶加工中的研究较少，且研究仍然以牛、羊乳为主导，在产品中没有突出南瓜籽的作用，研究方法仍然以单因素为主，研究方法过于单一。作者以南瓜籽为主要原料，将南瓜籽打浆后与牛奶复配进行混合发酵，利用模糊数学综合评价法和响应面发优化发酵工艺，不仅为籽用南瓜开发新产品，同时也为新的植物酸奶提供更多的产品。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

南瓜籽、巴氏杀菌乳、双乙酰酒石酸单双甘油酯（DATEM）、白砂糖：市售；酸奶菌：安琪食品公司产品。

1.2 仪器与设备

均质机：温州江南机械厂产品；DFD-700恒温水浴锅：浙江东方公司产品；SPX-150B智能型生化培养箱：上海琅玕公司产品。

1.3 工艺流程

无壳南瓜籽→打浆→过滤→牛奶复配→添加剂→均质→灌装→杀菌→冷却→发酵剂→发酵→后熟→成品。

1.4 操作要点

无壳南瓜籽与纯净水按1 kg∶6 L配制，破壁机打浆4 min，过200目筛。将南瓜籽浆与牛奶混合加热到60℃左右，一级压力20 MPa，二级压力5 MPa条件下均质。复配好的液体装入杀菌后的容器中，在65℃下水浴杀菌30 min，迅速冷却至室温。发酵结束后，立即放入4℃左右的冰箱冷藏后熟10 h。

1.5 单因素试验

1.5.1 南瓜籽浆添加量在牛奶中分别加入体积分数为0、20%、40%、50%、60%、80%、100%的南瓜籽浆，杀菌冷却后加入1 g/L的2菌酸奶菌，42℃发酵6.5 h，通过感官评价确定南瓜籽浆的最佳添加量，感官评分表见表2。

1.5.2 发酵剂品种在牛奶中加入体积分数为50%的南瓜籽浆，杀菌冷却后分别加入1 g/L的2菌酸奶菌、8菌酸奶菌、10菌酸奶菌、12菌酸奶菌，42℃发酵6.5 h，通过感官评价确定最优发酵剂品种，感官评分表见表2。

1.5.3 发酵剂添加量在牛奶中加入质量分数为50%的南瓜籽浆，杀菌冷却后分别加入1、2、3、4、5 g/L的12菌酸奶菌，42℃发酵，通过合理的发酵时间，确定发酵剂的最佳添加量。

1.5.4 蔗糖添加量在牛奶中加入质量分数为50%的南瓜籽浆，分别加入质量分数为0、3%、5%、7%、9%、11%的蔗糖，杀菌冷却后加入5 g/L的酸奶菌，42℃发酵4 h，通过感官评价确定蔗糖的最佳添加量，感官评分见表2。

1.6 响应面分析试验

根据单因素试验结果，利用响应面法分析发酵工艺中各因素对感官评分的影响及各因素间的相互影响，进行参数优化。选取对感官评分影响较大的3个因素：发酵剂数量、发酵时间和蔗糖。通过Design Expert 8.0软件，对发酵工艺进行响应面分析。设计结果如表1所示。

表1 分析试验因素与水平Table 1 Analysis test factors and levels

1.7 感官评定

感官评定小组由身体状况良好、年龄跨度显著的5男5女组成，以优、良、差3个等级对每组样品进行评分，感官评分见表2。

1.8 模糊数学模型的建立

根据感官评定员对个因素的评价标准，以色泽u1、口感u2、凝固性u33项指标建立评价因素集U={u1，u2，u3}；以10分为满分，v17～10分为等级优，v24～6分为等级良，v31～3分为等级差，建立评语集V={v1，v2，v3}[11]，具体的的感官评定细则见表2。根据感官评定小组的评定结果，用模糊数学模型进行分析。

表2 酸奶的感官评分表Table 2 Sensory score of yogurt

2 结果与分析

2.1 模糊评价结果

2.1.1 确定质量因素权重集用来表示权重k=（k1，k2，k3，…km），即各因素对结果影响程度在总体因素中所占比重，所有因素的权重总和为1[12]。由感官评定小组根据个人情感倾向评价色泽、口感、凝固性3项因素在南瓜籽酸奶感官评价中的重要性，按百分制打分，最后求出各项感官品质权重平均值，结果见表3。

表3 评价南瓜籽酸奶质量因素的权重分布统计Table 3 Weight distribution statistics of quality factors of pumpkin seed pulp yoghurt

3项 质 量 因 素 权 重 集 合 为k=（k1，k2，k3）=（0.125，0.643，0.232），即影响南瓜籽浆酸奶感官品质的质量指标中口感最重要，其次是凝固性，而色泽影响程度较小。

2.1.2 模糊矩阵的建立及综合评价结果 根据感官评定员对酸奶的色泽、口感、凝固性3个因素分别进行评分的结果，得到酸奶的感官评价模糊关系矩阵R。

其中：j=1，2，3…，t为样品编号，每一行为各因素评价结果。

依据矩阵公式：Hj=k×Rj计算感官评分结果。

以第一组样品R1为例，其感官评定结果见表4。

表4 样品R1感官评价结果Table 4 Sensory evaluation results of R1

由上表得到对应的模糊关系矩阵：

该处理结果表明，由南瓜籽浆添加量为0，加入1 g/L的2菌酸奶菌，42℃发酵6.5 h，所制备的南瓜籽酸奶，有34%的成员认为其感官为优，66%的成员认为其感官为良，无人认为其感官为差。同理可以得到其他样品的综合评价结果。

得到以上结果后，对评价标准赋值（v1=9，v2=6，v3=3），再与H1相乘，

同理得到其他样品的感官评分。

2.2 单因素试验

由图1（a）可知，南瓜籽浆添加量越高，感官评分越低，口感越酸，添加量为质量分数60%时开始出现乳清析出、分层等不良现象，添加量为100%时，析出大量液体，散发浓烈的异味，当南瓜籽浆添加量为0时，口感最好，综合考虑到南瓜籽在此研究中为主要原料，在发酵良好的情况下，最终选取体积分数为50%的南瓜籽浆添加量。

由图1（b）可知，12菌酸奶菌的感官评分最高，黏稠度最好，口感温和。口感酸度随着菌种数增加逐渐递减，黏稠度也逐渐增加，其中2菌酸奶菌口感最酸，黏稠度较差。

发酵剂的添加量决定了酸奶发酵成型的时间，达到规定酸度即可（GB 19302—2010）。酸奶的发酵时间不宜过长，过长浪费时间成本；也不宜过短，过短酸奶还未成型，且其中的香气物质和部分营养物质也会受到影响。由图1（c）可知，最终选取5 g/L的添加量，发酵4 h。

由图1（d）可知，随着蔗糖质量分数的提高，口感酸度逐渐降低，酸奶的感官评分也逐渐提高，在质量分数为7%达到最大值。

图1 单因素试验结果Fig.1 Results of single factor experiments

2.3 响应面优化工艺条件

试验设计结果见表5。各因素经系统进行回归拟合后，得到如下二次多项回归方程：

表5 Box-Behnken试验设计方案及结果Table 5 Design and results of Box-Behnken experiments

从表6中可以看出该模型回归显著且失拟项不显著（P＜0.01），R2=0.993 5，说明该模型能够与实际试验拟合，且拟合效果较好，上述回归方程可以说明各影响因子与感官评分键的管关系，对酸奶发酵工艺进行预测。从各项的P值（A：0.023 1，B：0.151 7，C：0.036 8）可以说明各因子对酸奶品质影响显著；根据各项的F值（A：8.39，B：2.59，C：6.63）可以看出，在所选的各因素水平范围内，对酸奶质量影响大小的顺序为：蔗糖质量分数＞发酵时间＞发酵剂品种。

表6 回归模拟方差分析结果Table6 Analysisof variancefor thefitted regression model

根据图2（a）中的弧面及等高线的变化程度，可以看出对酸奶质量的影响蔗糖添加量大于发酵剂品种，且两因素之间存在较强的相互作用。从图2（b）可以看出，对酸奶质量影响程度蔗糖添加量显著大于发酵时间，且两因素之间不存在明显的相互作用，即其中一个因素对酸奶质量的影响作用并不会随着另一个因素的变化而变化。从图2（c）可以看出，发酵时间对酸奶感官评分的影响高于发酵剂品种，且两者存在较强的相互作用。

图2 各因素交互作用的响应面图Fig.2 Response surface plots for the effects of three process conditions on the extraction yield of polysaccharide

结合以上回归模型分析结果可知，最佳工艺参数为：蔗糖添加量为质量分数的9%，发酵剂品种为12菌酸奶菌，发酵时间为6 h，南瓜籽浆添加量为体积分数50%。

3 结语

根据以上试验结果得到南瓜籽酸奶的最适发酵工艺：质量分数为17%的南瓜籽浆与牛奶的体积比为1∶1，蔗糖添加量为质量分数的9%，发酵剂为12种乳酸菌酸奶菌，菌种添加量为5 g/L，发酵时间为6 h。此时，酸奶的感官评分为8.27，颜色微绿，质地丝滑，入口柔顺，后味留有南瓜籽的香味，凝固性好。用南瓜籽和牛奶复合发酵的酸奶产品不仅拥有普通酸奶的保健功能，还增加了南瓜籽的抗氧化、提高免疫力等优良特性。